吳霞 張永宏 王長(zhǎng)軍 樊麗琴 李磊

摘要：以2000—2015年寧夏回族自治區(qū)NDVI數(shù)據(jù)及高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用趨勢(shì)分析、變異系數(shù)、GIS空間統(tǒng)計(jì)等方法，分析寧夏近年來(lái)植被覆蓋時(shí)空分布及變化特征。結(jié)果表明，從年際變化情況看，近16年來(lái)寧夏植被覆蓋整體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，NDVI值增速為0.008/10年，其中固原市增速最高;從月際變化情況看，寧夏植被覆蓋表現(xiàn)為冬春季低，夏秋季高，呈先增加后減少的趨勢(shì)。近16年來(lái)寧夏全區(qū)年均NDVI值為0.37，植被覆蓋整體處于中低水平，中低覆蓋地區(qū)面積占比達(dá)到70.39%;從地域分布來(lái)看，表現(xiàn)為南北植被覆蓋高，中部地區(qū)植被覆蓋低;高程方面，植被覆蓋隨著高程增加呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化趨勢(shì)，其中2 400～<2 700 m海拔范圍內(nèi)植被覆蓋最高。近年來(lái)寧夏植被覆蓋整體維持穩(wěn)定且有所改善，植被覆蓋呈改善趨勢(shì)的區(qū)域占比為50.17%，其中南部黃土高原地區(qū)植被覆蓋改善最明顯，城鎮(zhèn)地區(qū)植被退化較嚴(yán)重。寧夏植被覆蓋變異系數(shù)介于0.002～0.651，整體呈現(xiàn)中高波動(dòng)態(tài)勢(shì)，中高波動(dòng)區(qū)域占比達(dá)到57.88%。

關(guān)鍵詞：MODIS;NDVI;寧夏;植被覆蓋;時(shí)空變化特征

中圖分類(lèi)號(hào)： S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2021）02-0204-05

收稿日期：2020-02-06

基金項(xiàng)目：寧夏自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號(hào)：2019AAC03290）;寧夏青年科技人才托舉項(xiàng)目（編號(hào)：TJGC2018055）;寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新全產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目（編號(hào)：NKYZ-16-0907）。

作者簡(jiǎn)介：吳霞（1984—），女，寧夏吳忠人，碩士，助理研究員，主要從事土地資源研究。E-mail：wuxia-xia@163.com。

通信作者：張永宏，研究員，主要從事作物栽培與耕作研究。E-mail：zyh8401@163.com。

植被指地球表面某一地區(qū)所覆蓋的植物群落，它與氣候、土壤、地形及水資源等自然環(huán)境要素密切相關(guān)，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。植被作為研究全球氣候變化的“指示器”，在全球能量交換、生物地球化學(xué)和水文循環(huán)方面起著重要的作用，能直接反映生態(tài)環(huán)境的總體狀況，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)植被覆蓋狀況來(lái)掌握生態(tài)環(huán)境變化特征具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值[3-5]。歸一化植被指數(shù)（normal difference vegetation index，NDVI）別稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，在使用遙感圖像進(jìn)行植被研究以及植物物候研究中得到廣泛應(yīng)用，它是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)[6-7]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用NDVI數(shù)據(jù)對(duì)植被覆蓋變化進(jìn)行科學(xué)研究，從而探明研究區(qū)植被覆蓋的空間分布特征及其隨時(shí)間延長(zhǎng)的演變規(guī)律，以及地形、氣候、人類(lèi)活動(dòng)等因素對(duì)植被覆蓋的影響[8-11]。寧夏生態(tài)本底相對(duì)脆弱，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，多年來(lái)受干旱和水資源短缺的困擾，植被覆蓋度低，水土流失和土地荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，研究該區(qū)地表植被覆蓋時(shí)空變化，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)具有很好的指示意義。目前，已有學(xué)者對(duì)寧夏植被覆蓋變化情況進(jìn)行分析[12-13]，范錦龍等使用PATHFINDER 8 km NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)寧夏全區(qū)植被具有明顯的1年1季的季節(jié)特征[14];裴志方等基于MODIS（中分辨率成像光譜儀）NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)寧夏植被覆蓋整體向良好方向發(fā)展[15]。但是目前有關(guān)寧夏植被覆蓋穩(wěn)定性方面的研究尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，因此本研究采用2000—2015年寧夏NDVI數(shù)據(jù)，在分析寧夏植被覆蓋時(shí)空演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)植被覆蓋穩(wěn)定性進(jìn)行定量化分析，為進(jìn)一步分析寧夏植被動(dòng)態(tài)變化機(jī)制、預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)位于我國(guó)西北部，黃河中上游地區(qū)，疆域輪廓南北長(zhǎng)、東西短，呈“十”字形，南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積為 6.64萬(wàn)km2 [16]。其地勢(shì)南高北低，西部高差較大，東部起伏較緩，從西面、北面至東面，由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍，南面與黃土高原相連[17]。寧夏屬典型的大陸性氣候，為溫帶半干旱區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)，年均氣溫5～9 ℃，年降水量180～680 mm，均由南向北遞減，降水多集中于6—9月，且年際變化率大。全區(qū)平均年水面蒸發(fā)量 1 250 mm，變幅在800～1 600 mm，年均徑流量為 9.493億m3，年均徑流深18.3 mm，人均水量均遠(yuǎn)低于全國(guó)和黃河流域平均值，干旱威脅嚴(yán)重[18-19]。受水熱條件尤其是水分因素的制約，寧夏植被自南向北呈現(xiàn)森林草原—干草原—荒漠草原—草原化荒漠的水平分布規(guī)律，其中以草原和荒漠草原為主。2000年以來(lái)，寧夏依托三北防護(hù)林、天然林保護(hù)、退耕還林等國(guó)家重大林業(yè)工程，組織實(shí)施了封山禁牧、防沙治沙、濕地保護(hù)、生態(tài)修復(fù)等重點(diǎn)工程，植被覆蓋率不斷提升，山川面貌不斷美化優(yōu)化，生態(tài)環(huán)境得到了恢復(fù)和進(jìn)一步提升[20-21]。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所需NDVI數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)，NDVI數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成年度及月度最大NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為10 d;DEM數(shù)據(jù)是基于最新的SRTM V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)整理拼接生成，空間分辨率為90 m。本研究選取經(jīng)裁剪得到的2000—2015年寧夏NDVI年度和月度數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)，對(duì)寧夏植被覆蓋時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

1.3研究方法

1.3.1趨勢(shì)分析法一元線性回歸分析可以模擬出影像中每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，綜合反映研究區(qū)域NDVI時(shí)空格局演變特征[22]。本研究對(duì)2000—2015年寧夏NDVI數(shù)據(jù)在像元尺度上進(jìn)行一元線性回歸分析，計(jì)算NDVI的變化趨勢(shì)，具體計(jì)算過(guò)程如下。

slope=n×∑ni=1i×NDVIi-（∑ni=1i）×（∑ni=1NDVIi）n×∑ni=1i2-（∑ni=1i）2。（1）

式中：slope表示像元NDVI回歸方程斜率;n表示研究期總年數(shù)，本研究中n=16 年;i表示年序號(hào);NDVIi表示第i年NDVI的最大值。若slope>0，表示NDVI隨時(shí)間變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，slope值越大，表明增長(zhǎng)越快;若slope<0，則表示NDVI隨時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，slope絕對(duì)值越大表明下降越明顯[23]。

1.3.2變異系數(shù)法變異系數(shù)（CV）別稱標(biāo)準(zhǔn)差率，是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，本研究通過(guò)變異系數(shù)（CV）反映NDVI隨時(shí)間序列變化的波動(dòng)情況，其計(jì)算過(guò)程如下。

CV=12n∑ni=1（NDVIi-NDVI）2NDVI×100%。（2）

式中：n表示研究期總年數(shù)，本研究中n = 16年;i表示年序號(hào);NDVIi表示第i年NDVI的最大值;NDVI表示研究區(qū)內(nèi)16年的NDVI平均值。CV值越大，表明NDVI年際變化越大，時(shí)序波動(dòng)較大;反之，則表明NDVI年際變化不大，時(shí)序較穩(wěn)定[24-25]。

2結(jié)果與分析

2.1寧夏植被覆蓋時(shí)間變化特征

2.1.1NDVI年際變化特征由圖1可知，2000—2015年寧夏植被覆蓋呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，NDVI值增速僅為0.008/10年，最大值出現(xiàn)在2013年，為047;最小值出現(xiàn)在2000年，為0.29。各地區(qū)植被覆蓋均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，固原市植被覆蓋增長(zhǎng)最明顯，NDVI值從2000年的0.41增加到2015年的0.58，增長(zhǎng)率為41.46%;中衛(wèi)市植被覆蓋增長(zhǎng)最緩慢，16年間NDVI值僅增長(zhǎng)21.74%;銀川市和石嘴山市植被覆蓋均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增速基本與全區(qū)水平持平。

2.1.2NDVI月際變化特征由圖2可知，1年內(nèi)寧夏植被覆蓋呈先增加再減少的趨勢(shì)，這與干旱半干旱地區(qū)氣候特征和降水量月際分布密切相關(guān)。寧夏1—12月NDVI值介于0.11～0.37，1—4月屬于冬春季節(jié)，干旱少雨，且耕地處于冬閑狀態(tài)，NDVI值較低且增長(zhǎng)緩慢，最大值僅為4月的0.138;5—9月是寧夏的多雨季節(jié)，植被生長(zhǎng)迅速，NDVI值快速增長(zhǎng)，至7月達(dá)到最大，為0.374;10—12月NDVI快速下降，下降率達(dá)到48.28%。

2.2寧夏植被覆蓋空間分布特征

2.2.1NDVI空間分布特征利用ArcGIS的像元統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算得到寧夏2000—2015年平均年度NDVI空間分布圖（圖3），并根據(jù)寧夏實(shí)際情況將植被覆蓋劃分為極低覆蓋度（NDVI<0.15）、低覆蓋度（0.15≤NDVI<0.30）、中低覆蓋度（0.30≤NDVI<0.45）、中覆蓋度（0.45≤NDVI<0.60）、高覆蓋度（NDVI≥0.60）5類(lèi)。由圖3可知，寧夏平均年度NDVI值介于0.10～0.86，全區(qū)平均年度NDVI值為

0.37，總體處于中低覆蓋水平。由表1可知，寧夏極低覆蓋度的區(qū)域面積為693 km2，占1.33%，主要集中分布于中衛(wèi)市西北部騰格里沙漠邊緣;低覆蓋度的區(qū)域面積為23 176 km2，占44.60%，主要分布于寧夏中部干旱少雨地區(qū)，包括中衛(wèi)市海原縣、吳忠市同心縣、鹽池縣等;中低覆蓋度和中覆蓋度的區(qū)域面積分別為12 711、9 695 km2，合計(jì)占比為4311%，主要分布在位于黃土高原北部的固原地區(qū);高覆蓋度的區(qū)域面積為5 694 km2，占10.96%，分布于固原市六盤(pán)山森林地區(qū)以及沿黃河灌溉地帶。

2.2.2不同高程N(yùn)DVI變化特征寧夏海拔高度介于1 086～345 7 m，按照300 m等間距劃分為8個(gè)區(qū)間。由圖4可知，隨著海拔高度的增加，寧夏NDVI值呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化態(tài)勢(shì)，NDVI低值區(qū)出現(xiàn)在海拔1 200～<1 800 m之間，主要分布于寧夏中部地區(qū)，該地區(qū)降水量稀少、蒸發(fā)量大且缺乏灌溉水源，不利于植被生長(zhǎng);NDVI高值區(qū)出現(xiàn)在海拔2 400～<3 000 m之間，分布于寧夏南部六盤(pán)山地區(qū)，該區(qū)域降水量充沛且溫度適宜，植被生長(zhǎng)旺盛。

2.3寧夏植被覆蓋時(shí)空格局演變

2.3.1空間趨勢(shì)特征采用一元線性回歸趨勢(shì)分析法計(jì)算得到2000—2015年寧夏植被覆蓋變化趨勢(shì)，參照NDVI變化類(lèi)型將趨勢(shì)線斜率（slope）劃分為顯著退化（slope<-0.01）、輕微退化（-0.01≤slope<-0.005）、基本不變（-0.005 ≤slope<0005）、輕微改善（0.005 ≤slope<0.01）和顯著改善（slope ≥ 0.01）5類(lèi)， 并繪制NDVI變化趨勢(shì)空間

分布圖 （圖5）。由表2可知，2000—2015年寧夏植被覆蓋整體維持穩(wěn)定且有所好轉(zhuǎn)，植被狀況呈現(xiàn)顯著改善和輕微改善的面積分別為11 546 、14 524? km2，合計(jì)占比為50.17%，主要分布于引黃灌溉地區(qū)和南部黃土高原地區(qū);植被覆蓋基本不變區(qū)域面積為24 739 km2，占比為47.60%，分布于中衛(wèi)市、吳忠市等中部干旱少雨地區(qū);植被覆蓋呈退化趨勢(shì)的區(qū)域面積合計(jì)為1 160 km2，占2.23%，呈點(diǎn)狀集中分布于城鎮(zhèn)地區(qū)，其中銀川市周?chē)脖煌嘶蠲黠@。

2.3.2空間波動(dòng)特征經(jīng)計(jì)算得到2000—2015年寧夏NDVI變異系數(shù)（CV）， 參照自然間斷法劃分為低波動(dòng)、較低波動(dòng)、中等波動(dòng)、較高波動(dòng)和高波動(dòng)5類(lèi)，并繪制變異系數(shù)空間分布圖（圖6）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，寧夏16年間植被覆蓋變異系數(shù)介于0.002～0.651，整體呈現(xiàn)中等波動(dòng)和高波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)，區(qū)域波動(dòng)差異性較大。低波動(dòng)和較低波動(dòng)區(qū)域面積合計(jì)占比為4212%，主要分布于黃河沿岸灌水便利地區(qū)以及南部山區(qū)降水相對(duì)充沛區(qū)域;中高波動(dòng)區(qū)域主要分布于中部干旱帶、荒漠地區(qū)以及北部賀蘭山地區(qū)等，其中植被覆蓋較高波動(dòng)和高波動(dòng)區(qū)域面積合計(jì)為10 721 km2，占比達(dá)到20.63%，與寧夏降水量年度波動(dòng)情況密切相關(guān)。

3結(jié)論

2000—2015年寧夏植被覆蓋隨時(shí)間變化特征、空間分布情況、發(fā)展趨勢(shì)以及穩(wěn)定性方面表現(xiàn)如下：第一，從年際變化來(lái)看，寧夏植被覆蓋呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，NDVI值增速為0.008/10年，其中固原地區(qū)植被覆蓋增長(zhǎng)最快，增長(zhǎng)率達(dá)到41.46%;從月際變化來(lái)看，植被覆蓋冬春季低，夏秋季高，NDVI最低值出現(xiàn)在2月，為0.11，最高值出現(xiàn)在7月，為037。第二，近16年寧夏平均年度NDVI值為037，整體處于中低覆蓋水平，中低覆蓋地區(qū)面積占比達(dá)到70.39%，地域分布上呈現(xiàn)南北兩頭植被覆蓋較高，中部地區(qū)植被覆蓋偏低的態(tài)勢(shì);植被覆蓋隨著高程增加呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化趨勢(shì)，其中2 400～2 700 m海拔范圍內(nèi)是寧夏水熱條件較好的地區(qū)，植被覆蓋最高。第三，從植被覆蓋發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，2000—2015年寧夏植被覆蓋整體維持穩(wěn)定且有所改善，50.17%的地區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，其中南部黃土高原地區(qū)植被覆蓋改善最明顯，城鎮(zhèn)地區(qū)特別是銀川市周?chē)脖煌嘶^嚴(yán)重。第四，植被覆蓋穩(wěn)定性方面，寧夏植被覆蓋變異系數(shù)介于0.002～0.651，整體呈現(xiàn)中高波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)，中高波動(dòng)區(qū)域占比達(dá)到57.88%，區(qū)域差異表現(xiàn)為“南北波動(dòng)小，中部波動(dòng)大”。

本研究利用NDVI數(shù)據(jù)對(duì)寧夏2000—2015年植被覆蓋時(shí)空變化情況進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)寧夏植被覆蓋在空間分布和時(shí)間變化趨勢(shì)方面均與寧夏地形地貌、氣候特征、降水量分布以及人類(lèi)活動(dòng)等密切相關(guān)。本研究并未就溫度、降水、經(jīng)濟(jì)以及人口等因素對(duì)植被覆蓋的影響作深入探討，在今后的研究中有必要綜合考慮多因素對(duì)寧夏植被覆蓋的影響，明確各因素對(duì)植被覆蓋的影響因子，進(jìn)一步預(yù)測(cè)植被覆蓋的發(fā)展趨勢(shì)。

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