1、江西农业学报 2023，35（01）：138144ActaAgriculturae JiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.01.022黄河中游典型干旱区植被覆盖时空变化研究李孟蔚1，樊子菡2*，常 清1，王大勇1，赵永强1，米晓楠1，杨 倩1，栾 青1*（1.山西省气候中心，山西 太原 030006；2.山西省林业和草原工程总站，山西 太原 030001）摘 要:基于像元二分模型，利用2000 2019 年MODIS NDVI 数据以及气象观测数据，以吕梁市为例对黄河中游典型干旱区植被覆盖度进行估算，并采用趋势分析法、相关分析法对其植被覆盖度时空分布特征进行分析
2、，探讨了主要气候因素(气温、降水量)与植被覆盖度的相关关系。结果表明：2000 2019 年吕梁市植被覆盖度呈波动增加趋势，2017 年达到最大值后在高位波动。植被高覆盖度地区主要分布在吕梁山山区，植被覆盖度增加区域面积占总面积的97.5%，植被覆盖度降低的区域仅占2.5%，植被覆盖度变异系数大的区域主要分布吕梁市西部沿黄河黄土高原丘陵区和东部平川盆地城市周边地区；吕梁市植被覆盖度与降水量、年平均气温均呈正相关关系，植被覆盖度与年平均气温呈正相关、负相关的面积占总面积的83%、17%；植被覆盖度与年平均降水量的正相关、负相关区域分别占总面积的98%、2%。吕梁市植被覆盖度与年平均气温的相关性小
3、于其与年平均降水量的相关性，降水与植被覆盖度的影响较气温密切。关键词:植被覆盖度；吕梁市；MODIS；相关性分析 中图分类号：Q948 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）01-0138-07 Spatial-temporal Dynamic Change of Vegetation Coverage in Typical Arid Areas of Middle Reaches of Yellow River LI Meng-wei1,FANZi-han2*,CHANGQing1,WANGDa-yong1,ZHAOYong-qiang1,MIXiao-nan1,YANGQ
4、ian1,LUANQing1*（1.ShanxiClimateCenter,Taiyuan030006,China;2.ShanxiForestryandGrasslandEngineeringStation,Taiyuan030001,China）Abstract:Based on the pixel binary model,MODIS NDVI data and meteorological observation data from 2000 to 2019,Lyvliang City was taken as a case study,and the vegetation cover
5、age(FVC)of typical arid areas in the middle reaches of theYellow River was calculated.The spatio-temporal distribution characteristics of vegetation coverage were analyzed by the method of trend analysis and correlation analysis,and the correlation between main climatic factors(temperature,precipita
6、tion)and vegetation coverage was explored.The results showed that FVC were increasing from 2000 to 2019 and fluctuating at ahigh level after reaching the maximum value in 2017.The areas with high vegetation coverage in Lyvliang City were mainlydistributedinLyvliangMountainarea,andtheincreasedareaofF
7、VCaccountedfor97.5%ofthetotalarea,thedecreasedareaofFVC accounted for 2.5%.The regions with large coefficient of variation of vegetation coverage mainly spread over the hilly areasoftheLoessPlateaualongtheYellowRiverinthewestofLyvliangCityandthesurroundingareasofthecityintheeasternbasin.FVC was both
8、 positively correlated with precipitation and annual mean temperature in Lyvliang City.The area with positive andnegative correlations between vegetation coverage and the annual average temperature accounted for 83%and 17%of the totalarea,respectively.The area with positive and negative correlations
9、 between vegetation coverage and precipitation respectivelyaccounted for 98%and 2%of the total area.The correlation between vegetation coverage and annual average temperature wasless than that between vegetation coverage and annual average precipitation in Lyvliang City,and the influence of precipit
10、ationwasstrongerthantemperature.Key words:Vegetationcoverage;LyvliangCity;MODIS;Correlationanalysis植被在陆地生态系统中是不可或缺的主体，是生态环境系统中重要的组成因子，也是大气、土壤和水分等自然要素之间相互连接的重要媒介，可以反映出区域生态环境变化的动态情况1-4。植 被收稿日期：2022-09-27基金项目：中国气象局创新发展专项(CXFZ2021J067)；山西省气象局青年基金项目(SXKQNQH20217147)。作者简介：李孟蔚(1 9 9 0)，女，山西吕梁人，硕士，主要从事农业气象和
11、卫星遥感研究。*共同第一作者：樊子菡(1 9 9 0)，女，山西吕梁人，硕士，主要从事牧草森林生态研究。*通信作者：栾青。1期 李孟蔚等：黄河中游典型干旱区植被覆盖时空变化研究 139覆 盖 度(FVC，Fractional Vegetation Coverage)能 反映出区域生态系统中植被的茂密程度，区分植物进行光合作用面积的大小，在气候水文和地球化学循环周期中被广泛用于描述植被质量、生态系统变化5-8。吕梁市位于晋西黄土高原，是黄河中游重要的生态涵养区，其地貌沟壑纵横、山峦起伏，山区半山区面积占总面积的 9 1.8%。由于植被覆盖低、土质疏松、地表破碎，导致土壤侵蚀和水土流失严重，是中国
12、生态环境脆弱的地区之一。2 0 0 0 年以来，吕梁市作为退耕还林造林试点，秉持生态优先原则，近年来完成退耕还林 13.34 多万 hm2，沿黄区域流入黄河泥沙量每年减少 7 0 0 多万 t，吕梁市作为黄河流域中游植被覆盖变化较为明显区域而备受关注9。气候变化和人类活动是影响植被覆盖状况的重要因子，对当地的可持续发展产生了较大影响 9-13。近年来，黄土高原丘陵沟壑区植被覆盖状况得到了明显改善 13-14，许多学者对黄土高原地区植被覆盖时空变化及其响应因子进行了研究，气候要素(气温、降水等)是与植被生长密切相关的环境影响因子，其影响作用的大小与其时空分布有着紧密联系 15-16。多年平均降水
13、对黄土高原东部植被、黄河上游植被覆盖改善的积极作用最大1 4。由于加强植被建设、黄土高原生态修复等关键措施的实施 17-18，黄土高原植被覆盖状况总体呈改善趋势，但是部分区域植被覆盖经历了一段时期的向好发展后，又开始出现了植被退化现象 18-20。目前关于黄土高原植被覆盖的研究较多，但研究时间主要在 1 0 年前，而有关如何高效实现吕梁市近年来长时间序列植被覆盖时空变化及驱动力分析的相关研究较少，为了探究吕梁市长时间序列植被覆盖度的时空分布及其演变特征和植被对局地气候变化的响应，利用 2 0 0 0 2 0 1 9年植被覆盖度对吕梁市植被时空分布特征进行研究，并分析植被覆盖度与主要气候因素(气
14、温、降水量等)之间的相关关系，为全市生态资源优化配置和生态环境建设和修复提供理论依据。1 研究区概况吕梁市地处黄河流域山西段中部，地势总特点为中间高两翼低，吕梁山脉由北向南纵贯全境，平均海拔在 10002000 m 之间，地貌大致可分为中山区、丘陵区、平川区 3 种类型，其中东部平川面积占全市总面积的 8%、西部黄土高原丘陵区面积占45.9%、中 部 土 石 中 山 区 面 积 占 46.1%(图 1)。吕 梁市属于温带大陆性季风气候区，具有四季分明、雨热同步的气候特点。图1 吕梁市地形高程及气象观测站分布2 数据资料来源与研究方法2.1 资料来源与处理卫星数据来源于美国 LPDAAC 数据中
15、心(Land Processes Distributed Active Archive Center)20002019 年 月 合 成 的 植 被 指 数 产 品(MOD13A3)，空 间分辨率为 1 k m。利用最大值合成法对历年月 N D V I 值进行最大值合成。气象资料为山西省气象信息中心获得的吕梁市1 3个气象站点2 0 0 0 2 0 1 9年的逐日平均气温与逐日降水数据集，并利用克里金插值法，处理成与植被覆盖度(F V C)相同的空间分辨率。本研究采用 ENVI5.3 软件进行空间数据处理，在 ARCGIS 10.5 软件中绘制植被覆盖度空间分布和变化趋势图。2.2 研究方法2.
16、2.1 植被覆盖度 植被覆盖度是表征地表植被条 件 土 地 特 征 的 重 要 参 数，20002019 年 FVC 数据是基于 N D V I 数据，并使用混合像元分解模型中最常用的线性模型像元二分模型计算得出。该模型的原理是假设一个像元由土壤和植被 2 部分组成，像元信息反映绿色植被成分所贡献的信息和由土壤成分所贡献的信息之和。基于像元二分模型的植被覆盖度表达式为：FVC=(NDVI-NDVIS)/(NDVIv-NDVIS)（1）江 西 农 业 学 报 35 卷 140式（1）中：FVC 为像元年植被覆盖度；NDVI 为像元的年最大归一化植被指数；NDVIS为纯土壤覆盖或无植被覆盖像元的归
17、一化植被指数值；NDVIv为纯植被覆盖像元的归一化植被指数值。2.2.2 变化趋势分析 利用线性倾向值对FVC 时间序列进行趋势分析，得出某个时间段内FVC 的年际变化最小次方的线性回归方程的斜率，反映了FVC 增加或下降的速率。植被覆盖度的变化百分率反应了该区域植被覆盖度的改善退化情况1 8。2.2.3 变异系数 变异系数(Coefficient of Variati-o n，C V)是标准差与平均值的比值，是反映要素变异程度波动大小的一个统计量。2.2.4 相关分析 基于像元分别计算植被FVC 与其单一气候因素的偏相关系数，利用降水与FVC和气温与FVC 相关系数平方差(R2NP-R2NT
18、)判断FVC变化主要受气温还是降水量变化的影响2 1。其 中R2NP-R2NT 0，说 明FVC 与降水量的相关性大于其与气温的相关性，值越大表示降水量的影响力越强；反 之，当R2NP-R2NT 0，说 明FVC 与气温的相关性大于降水量的相关性，负值的绝对值越大表示气温对FVC 的控制越强。基于计算植被FVC 与其单一气候因素的偏相关系数，从而得到FVC 和气温降水的复相关因素1 8。3 结果与分析3.1 吕梁市植被覆盖度的年际变化特征2 0 0 0 2 0 1 9年吕梁市年平均植被覆盖度统计表明，植被覆盖度2 0 a间变化范围为5 5.9 8%70.60%，平 均 值 为 64.34%；最
19、 大 值 为 2017 年 的70.60%，超过平均值 6.26 个百分点；最小值为 2000年 的 55.98%，低 于 平 均 值 8.36 个 百 分 点(图 2)。2 0 0 0 2 0 1 9 年吕梁市植被覆盖度呈现增加趋势，2017 年达到最大值后保持在高位波动。图2 2000 2019 年吕梁市植被覆盖度年际变化情况3.2 吕梁市植被覆盖度的空间分布特征3.2.1 年平均植被覆盖度的空间分布 近 20 a来，2 0 0 0 2 0 1 9 年吕梁市年平均植被覆盖度有较强的空间分异性规律，中部吕梁山区植被覆盖度高，东西部植被覆盖度较低，其差异与水热条件有关。吕梁山西部黄土高原丘陵区
20、(兴县、临县、柳林县、石楼县)植被覆盖度低，这可能与吕梁山北北东走向有关，阻挡了来自东部的水汽输送，气候干燥，不利于植被生长2 7。吕梁山东部平原地区植被覆盖度较低，受省城周边土地利用类型变化，厂矿扩张、建设用地增加的影响，植被种植较少。吕梁山中部山区年均植被覆盖度较高，为 4 0%7 0%。总体而言，吕梁市低植被覆盖度（0，3 0%面积占吕梁市总面积的 5 4.4%，主要分布在吕梁山东部平川区域、西部黄土高原丘陵区域；高植被覆盖度（3 0%，70%面积占 45.6%，主要分布在吕梁山山区（图 3）。植被覆盖率：%图3 2000 2019 年吕梁市年平均植被覆盖度空间分布FVC 趋势分析结果（
21、图 4）显示，在吕梁市大部分地区，FVC 呈明显的上升趋势，而在吕梁山东南部局部地区FVC 呈下降趋势。从吕梁市植被覆盖度变化百分率统计分布可以看出（图 5），植被覆盖度增加区域面积占总面积的 97.5%，植被覆盖度降低的区域仅占 2.5%。吕梁市沿黄河区域植被覆盖度变化百分率在 6 0%以上，中部吕梁山山区植被覆盖度变化百分率在 0 6 0%，东部平川盆地城区周围植被覆盖度变化百分率为负值。总体而言，1期 李孟蔚等：黄河中游典型干旱区植被覆盖时空变化研究 1412 0 0 0 2 0 1 9 吕梁市大部分地区的植被生长状况得到了改善。FVC图4 2000 2019 年吕梁市植被覆盖度变化情况
22、图5 2000 2019 年吕梁市植被覆盖度变化 百分率空间分布3.2.2 年平均植被覆盖度变异系数空间分布 从吕梁市植被覆盖度的变异系数空间分布可以看出（图6），吕梁市植被覆盖度的平均变异系数值为 0.45，覆盖度变异程度区域差异大。吕梁市西部沿黄河黄土高原丘陵区大都CV 0.3，变异程度大，植被覆盖度很不稳定；中部吕梁山山区CV 0.1，说 明吕梁山山地林区植被覆盖度变异程度非常稳定；东部平川盆地CV 值在 0.1 0.3，大部分区域比较稳定，城市周围区域变异比较明显。吕梁市植被覆盖度非常稳定(CV 0.1)的 面 积 占 总 面 积 的 25.5%，主要分布在吕梁山林区；覆盖度不稳定(C
23、V 0.3)的面积占总面积的 0.45%，主要分布在西部黄土高原丘陵局部地区。图6 20002019 年吕梁市植被覆盖度变异系数空间分布3.3 吕梁市平均气温、降水量变化特征由图 7 可知，近 2 0 年来，吕梁市逐年年平均气温、年平均降水量均呈上升趋势，气候倾向率分别为 0.26/10a、65.8mm/10a。3.4 吕梁市植被覆盖度与气候因素的关系2 0 0 0 2 0 1 9 年吕梁市植被覆盖度与气温在年尺度上的相关系数呈不显著正相关；植被覆盖度与降水量在年尺度上相关系数呈显著正相关。经逐像元计算 2 0 0 0 2 0 1 9 年的植被覆盖度与年降水量、年平均气温之间的相关性(图 8)
24、发现：植被覆盖度与气温呈正相关、负相关的面积分别占总面积 的 83%、17%，而 通 过P 0.0 5 显著检验的区域仅占 4%(图 8 a)。植被覆盖度与降水量呈正相关、负相关的面积分别占总面积的 9 8%、2%，呈负相关区域在全省零散性分布(图 8 b)。对相关系数进行显著性检验，通过 P 0.0 5 的显著检验的区域占 5 5%，主要分布在吕梁山西部沿黄地区；通过P江 西 农 业 学 报 35 卷 142 0.0 1 的极显著检验的区域占 2 1%，主要分布在 兴县南部、临县大部分地区。图7 2000 2019 年吕梁市年平均气温、年平均降水量的年际变化情况a b图8 FVC 与年均温度
25、、年均降水量相关系数的空间分布由吕梁市植被覆盖度与降水 气温复相关系数分布图（图 9）可以看出，显著相关的区域分布在兴县、岚县、临县、交城县的大部地区和石楼县、交口县的局部地区，占吕梁市总面积的 3 8.3%；占总面积 6 1.7%的区域复相关系数未通过 0.0 5 显著水平检验。由FVC 与降水量的相关系数平方减其与气温相关系数平方(R2NP-R2NT)的空间分布结果(图1 0)可 知，FVC 受气温影响的区域面积占研究区总面积的 2 5%，小于降水量对FVC 影响的区域面积。由此可见，降水对吕梁市植被覆盖的影响较气温更密切。4 讨论吕梁市植被覆盖总体呈改善状况，在气候因素中多年平均降水对吕
26、梁市植被覆盖改善的积极作用最大，这与易浪等1 4得到的结果一致。从吕梁市植被覆盖度与气候因子气温 降水的复相关系数分布看出，复相关系数 6 1.7%的区域未通过 0.0 5 显著水平检验。植被覆盖变化不仅受气候因子的单一影响，而且与人类经济社会活动息息相关 18，22。2 0 0 0 2 0 1 9 年吕梁市植被覆盖度基本呈波动上升趋 势，特 别 是 在 2008、2010、2015、2019 年 降 水 量 处于较低水平时，植被覆盖度还维持在较高水平，这与近年来吕梁市生态助脱贫、退耕还林还草等生态1期 李孟蔚等：黄河中游典型干旱区植被覆盖时空变化研究 143建设工程的实施和相关生态文明建设政
27、策的推进有很大关系。在生态治理方面，吕梁市将吕梁山生态屏障带以及沿黄水土流失生态脆弱区域划分为生态环境优先保护单元，限制了大规模开发，保护了森林生态系统，提高了水源涵养能力。2 0 1 6 年以来，吕梁市主要在沿黄河黄土高原丘陵区每年以规模化、合作化方式集中实施“三个 1 0 0 万亩工程”，即荒山造林1 0 0万亩、退耕还林1 0 0万亩、经济林提质增效 1 0 0 万亩。吕梁市森林覆盖率以每年一个百分点的速度递增，2 0 1 9 年达到 3 3.2%，实现了 4 0万 hm2宜林荒山和陡坡耕地的造林绿化，完成通道绿化 3 0 0 0 多 k m。随着退耕还林等生态工程生态效益的充分发挥，吕
28、梁市植被覆盖度趋于一定高值，但部分东部平川盆地城市周边地区出现植被覆盖退化现象，可能原因是土地利用方式的转变，城乡工矿居民用地面积显著上升，迅速发展的城镇化使其区域内植被覆盖减少。因此，未来坚持生态治理与经济发展并重，环境保护与改善民生并行，对吕梁市实现高水平绿色低碳发展至关重要。本文中仅定量分析了气候因素对吕梁市植被覆盖变化的影响，人类活动对植被覆盖变化的影响未给出定量化分析，今后将收集更多人类活动相关数据，对吕梁市植被覆盖及其生长相关要素做进一步深入研究。图9 FVC 与降水气温的复相关系数空间分布5 结论利 用 20002019 年 MODIS NDVI 数 据 以 及 气象观测数据，基
29、于像元二分模型，估算了长序列吕梁市植被覆盖度，采用趋势分析法、相关分析法分析了吕梁市植被覆盖度时空分布特征及主要气候因素(气温、降水量)对植被覆盖度变化的影响规律。时间变化上，20002019 年吕梁市植被覆盖度呈现波动增长趋势，2 0 1 7 年达到最大值后在高位波动。空间变化上，吕梁市植被高覆盖度地区主要分布在吕梁山山区区域，植被覆盖度非常稳定的面积占总面积的 2 5.5%，主要分布在吕梁山林区；覆盖度不稳定的面积占 0.4 5%，主要是西部黄土高原丘陵局部地区。吕梁市植被覆盖度与年降水量、年平均气温的相关系数均呈正相关。植被覆盖度与年平均气温呈正相关、负相关关系的面积分别占总面积的 8
30、3%、1 7%；植被覆盖度与年均降水量呈正相关、负相关关系的面积分别占总面积的98%、2%。植被覆盖度与降水量的相关性大于其与气温的相关性，植被生长受降水的影响较气温更为密切。图10 FVC 与相关系数平方差(R2NP-R2NT)的空间分布参考文献：1 Gong Z N,Zhao S Y,Gu J Z.Correlation analysis between vegetation coverage and climate drought conditions in NorthChina during 2001-2013 J.Journal of Geographical Sciences,20
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