閆遂軍，胡正亮，曹孟超，黃才麗，王 濤*

（1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100；2.天津市地質(zhì)工程勘察院，天津 300191；3.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

土地利用變化和氣候變化是對(duì)植被變化產(chǎn)生影響的重要方面，土地利用變化與人類活動(dòng)有關(guān)[1-6]。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是改革開放40多年來我國(guó)土地利用變化的重要特征[7-8]，由建設(shè)用地?cái)U(kuò)張引起的植被生態(tài)變化研究已逐步開展[9-10]。氣候變化對(duì)全球及區(qū)域植被生態(tài)均產(chǎn)生重要影響，植被生長(zhǎng)發(fā)育受氣候因子變化控制。氣候變暖背景下的水熱同步、異步等問題，對(duì)不同區(qū)域植被變化產(chǎn)生了差異化影響[11-12]。秦嶺北麓作為關(guān)中平原城市群尤其是西安市的后花園，其定位于現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)示范區(qū)，以發(fā)展服務(wù)城市人口需求的都市農(nóng)業(yè)為主[13-15]。近些年秦嶺北麓得到關(guān)注，主要與“違建別墅”拆除事件有關(guān)，而這一問題較早就已有學(xué)者提出解決的途徑[16-17]。秦嶺北麓的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化[18]、水源涵養(yǎng)能力格局等[19]也受到關(guān)注?？傮w上，秦嶺北麓開展植被生態(tài)系列研究相對(duì)較少。本文以土地利用、MODIS NDVI、年平均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用線性趨勢(shì)、F檢驗(yàn)等方法，分析秦嶺北麓土地利用和NDVI時(shí)空變化特征，及土地利用變化對(duì)植被指數(shù)影響，為秦嶺北麓生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于陜西省境內(nèi)，屬秦嶺山地北坡的一部分，稱為秦嶺北麓。秦嶺北麓是地貌形態(tài)由山地地貌向河流谷地地貌的過渡區(qū)域，是生態(tài)環(huán)境以自然為主向以人類活動(dòng)為主的過渡區(qū)域。研究區(qū)范圍南至黃土高原南部邊界，北至渭河南岸，東西到陜西省省界，面積1.45×104km2，涉及寶雞市、咸陽市、西安市和渭南市（圖1）。研究區(qū)氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季炎熱，冬季寒冷；區(qū)域南部為秦嶺山地地貌，植被類型主要為林地、灌木和草地，植被覆蓋度較高；北部為渭河谷地（關(guān)中平原），地勢(shì)平坦，以農(nóng)業(yè)植被和城市建設(shè)用地為主。秦嶺山地北坡地形起伏大，河流流程短而流速急，主要河流有灞河、浐河、灃河、黑河等。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)：收集自歐空局發(fā)布的2000年、2005年、2010年和2015年300 m分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用聯(lián)合國(guó)土地覆蓋分類系統(tǒng)。數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，對(duì)土地覆蓋分類系統(tǒng)進(jìn)行合并處理，最終得到包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6大類的土地利用數(shù)據(jù)。

MODIS NDVI：2000—2018年MOD13Q1 250 m（分辨率）16 d數(shù)據(jù)，利用MRT工具對(duì)MODIS NDVI進(jìn)行提取、投影轉(zhuǎn)換、重采樣，利用研究區(qū)矢量邊界裁切得到16 d數(shù)據(jù)，再利用MVC方法提取得到年值數(shù)據(jù)。

氣溫、降水空間插值數(shù)據(jù)（2000—2015年），該數(shù)據(jù)是基于全國(guó)2 400多個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用澳大利亞ANUSPLIN插值軟件插值處理生成，數(shù)據(jù)分辨率為1 km。

4）DEM數(shù)據(jù)：覆蓋研究區(qū)范圍的90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，下載自地理空間數(shù)據(jù)云，用于研究區(qū)范圍的提取。

1.3 研究方法

采用線性趨勢(shì)和F檢驗(yàn)方法，分析土地利用變化和NDVI變化特征與趨勢(shì)，具體研究方法可以參考文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果

2.1 土地利用時(shí)空變化

對(duì)各土地利用類型2000—2015年柵格數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析表明，秦嶺北麓土地利用以林地和耕地為主，2000—2015年平均占總面積的52.70%和38.37%，建設(shè)用地和草地所占比例均低于5.00%，而水體和未利用地所占比例均低于1.00%。2000—2015年，秦嶺北麓耕地、林地、草地、未利用地和水體均呈減少趨勢(shì)，其中耕地減少比例最高，達(dá)到4.65%，僅建設(shè)用地呈增加過程，增加比例為5.05%（圖2a）。從變化速率來看，秦嶺北麓建設(shè)用地增加速率最高，達(dá)到304.14%，即秦嶺北麓建設(shè)用地2015年相較2000年增加3倍。未利用地、耕地和草地減少速率最高，分別達(dá)到16.99%、11.15%和8.06%（圖2b）。分階段來看，耕地在各個(gè)階段減少比例均是最高的，而建設(shè)用地在各個(gè)階段均是增加比例和增加速率最高的要素（圖2）。2000—2015年秦嶺北麓土地利用變化特征表現(xiàn)為耕地減少和建設(shè)用地快速增加，其中減少耕地的99.11%轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地。2000—2015年秦嶺北麓除林地轉(zhuǎn)為草地和耕地所占轉(zhuǎn)出林地面積比例較大外，減少的耕地、草地、水體、未利用地主要轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地，其空間分布也主要集中在西安市等關(guān)中城市區(qū)域附近（圖3）。

圖2 土地利用時(shí)間變化過程

2.2 植被指數(shù)時(shí)空變化

秦嶺北麓2000—2018年NDVI總體呈線性減少過程，線性遞減速率為0.001 1/a（P＜0.1），但從多項(xiàng)式擬合結(jié)果看，NDVI變化過程存在升高-降低-升高的現(xiàn)象，其中2000—2007年NDVI呈快速升高趨勢(shì)，2008—2016年成快速減少趨勢(shì)，之后又呈增加趨勢(shì)。從NDVI距平值變化可知，2003—2010年NDVI距平值為正值，是秦嶺北麓2000—2018年中NDVI最高、植被水平最好的時(shí)期，之后NDVI距平值均為負(fù)值，反映了NDVI水平降低、植被狀況變差的過程（圖4）。根據(jù)變化速率（增加和減少）和F檢驗(yàn)結(jié)果（顯著和不顯著）疊加分析結(jié)果，將2000—2018年秦嶺北麓植被指數(shù)空間變化分為4種類型：不顯著減少、顯著減少、不顯著增加和顯著增加。由圖3可知，秦嶺北麓植被指數(shù)4種類型面積比例相差較小，其中顯著減少和顯著增加的比例分別占總面積的17.86%和20.09%。但從空間分布來看，顯著減少區(qū)域集中分布在平原地區(qū)即秦嶺北坡坡腳到北側(cè)的渭河之間區(qū)域，顯著增加區(qū)域主要分布在秦嶺北坡上（圖5）。

圖3 2000—2015年土地利用轉(zhuǎn)移空間分布

圖4 植被指數(shù)變化過程

圖5 植被指數(shù)空間變化分布

2.3 土地利用變化對(duì)植被指數(shù)影響

2000—2015年秦嶺北麓土地利用變化主要表現(xiàn)為其他土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移過程，統(tǒng)計(jì)耕地、林地、草地和未利用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、林地轉(zhuǎn)為耕地和草地、草地轉(zhuǎn)為耕地和林地引起的NDVI變化情況（圖6）。

由圖6可知，秦嶺北麓耕地、林地、草地和未利用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的區(qū)域，2000—2015年NDVI均表現(xiàn)為顯著的線性遞減過程，線性遞減速率分別為0.010 1/a、0.011 3/a、0.010 8/a和0.005 0/a，即林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地引起的NDVI下降速率高于草地、草地高于耕地、耕地高于未利用地（圖6a、b、c和d）。林地轉(zhuǎn)為耕地和草地的區(qū)域，其NDVI在2000—2015年呈增加過程，其中林地轉(zhuǎn)為耕地的區(qū)域NDVI增加過程顯著，增加速率為0.000 7/a（圖6e和圖6f）。草地轉(zhuǎn)為耕地和林地的區(qū)域，其NDVI在2000—2015年也均呈增加過程，其中草地轉(zhuǎn)為林地區(qū)域的NDVI增加過程顯著，增加速率為0.003 4/a（圖6g和圖6h）。

圖6 土地利用變化引起的NDVI變化

NDVI受到人類活動(dòng)和氣候變化的雙重影響，土地利用變化是人類活動(dòng)的重要表現(xiàn)形式。秦嶺北麓2000—2015年土地利用類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致變化區(qū)域NDVI快速下降，而林地和草地向耕地及其相互轉(zhuǎn)變區(qū)域，NDVI呈增加過程。從氣候變化的角度來看，2000—2015年秦嶺北麓經(jīng)歷了水、熱同步增長(zhǎng)的過程，年平均氣溫增速介于0.01～0.48℃/a、年降水量增速介于25.29～67.38 mm/a（圖7）。水熱同步增加，為秦嶺北麓植被生長(zhǎng)發(fā)育提供了有利的氣候條件，圖5也表明NDVI顯著和不顯著增加區(qū)域集中分布在秦嶺北麓南部山地區(qū)域，而NDVI下降主要集中在北部平原區(qū)。這一結(jié)果反映出秦嶺北麓平原區(qū)植被生態(tài)環(huán)境受人類活動(dòng)影響明顯高于氣候的影響。

圖7 2000—2015年秦嶺北麓年平均氣溫和年降水量變化速率

3 結(jié)論

秦嶺北麓2000—2015年土地利用以林地和耕地為主，耕地減少比例最高而建設(shè)用地增加比例最高并增速最快，減少的耕地主要轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地，集中分布在關(guān)中平原城市區(qū)域附近。2000—2018年秦嶺北麓NDVI呈波動(dòng)下降過程，空間上顯著減少和顯著增加的比例相當(dāng)，前者主要分布在平原地帶，后者分布在秦嶺北坡上。秦嶺北麓土地利用變化尤其是耕地、林地、草地和未利用地向建設(shè)用的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致NDVI快速下降，而林地、草地互轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)為耕地促進(jìn)了NDVI提升。2000—2015年秦嶺北麓呈氣溫升高降水增多的變化趨勢(shì)，為該區(qū)植被改善提供了有利條件，但人類活動(dòng)引起的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致區(qū)域整體植被水平下降?？傮w上，秦嶺北麓整體植被生態(tài)變差，局部有改善。