黄土高原是中国独特的地貌单元,水土流失严重,生态环境脆弱,是生态环境研究的重点区域,其植被覆盖变化一直被公众和科学界所关注^{[ 1~ 3]}。陕北地处黄土高原的中心地带,同时又是国家退耕还林还草工程的重点区域,加强这一区域植被覆盖的时空变化及其与主要气候因子的关系研究,不但有助于更好地理解和模拟生态系统的动态变化特性,揭示气候变化与植被覆盖变化之间的相互关系,同时,也可为中国的退耕还林还草工程建设提供有用的空间信息和理论支持。

归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)是目前最为常用的表征植被状况的指标。它与植被覆盖度、生物量、叶面积指数、土地利用等密切相关^{[ 4]}。20世纪90年代以来,国内外众多学者基于NDVI数据研究了植被覆盖空间变化特征及其与气候的关系。在植被覆盖空间变化方面,研究表明,气候变暖导致全球部分地区植被覆盖发生显著变化,其中北半球中高纬地区植被活动显著增加^{[ 5~ 7]}。对中国的西北、华北、青藏高原及东北等地区的研究,也得到相似的结论^{[ 8~ 11]},并发现20世纪90年代以来西北地区植被覆盖有退化趋势^{[ 11, 12]}。而在1999年开始实施的退耕还林还草工程建设的驱动下,近年来陕北地区的植被覆盖变化极其明显^{[ 13~ 15]}。植被覆盖变化和气候因子、人类活动密切相关。国内外学者对气候因子与植被NDVI的关系研究较多^{[ 16~ 22]},其中气温、降水与植被NDVI关系最为密切^{[ 18~ 20]} ,降水对植被覆盖的影响具有相对滞后性,它们之间的关系具有显著的空间差异性^{[ 20~ 22]}。而对植被NDVI变化与人类活动关系的研究方面,现有的研究结果表明农业生产和植被建设使植被NDVI上升,而植被的分布及活动与人口密度、单位GDP等呈显著负相关^{[ 2, 23, 24]}。

植被覆盖的时空变化是自然和人类活动交互作用的结果,从长时间来看,气候对植被的生长和分布起着主要作用,但短期内植被覆盖的变化更多地受人类活动的影响,特别是1999年开始实施了退耕还林还草工程,在这一时期内陕北地区的植被覆盖发生了怎样的变化?其时空变化的具体特征及规律如何?这种变化和当地气候的变化关系如何?对这些问题,目前还缺乏针对性的研究。基于此背景,本文利用ArcGIS和ENVI的栅格空间分析工具,采用相关关系分析、空间统计分析和空间叠置分析,研究植被NDVI的时间空间分布格局和变化特征,并从温度和降水2个方面分析植被NDVI变化和区域气候之间的关系。

1 研究区概况

陕北地区主要包括榆林、延安2个地级市,共23个县2个市辖区,北与内蒙古自治区、西与甘肃省、东与山西省毗邻,南与铜川市、咸阳市相连接。大体以长城为界,西北部是毛乌素沙地,东南部是黄土高原,其西段为白于山,是黄土覆盖的低山丘陵,东北部是以梁峁地形为主的黄土丘陵,南部是黄龙山、子午岭沿线次生林区。在植被地带性分布上,处于暖温性草原带,是荒漠、荒漠草原向森林草原的过渡^{[ 14]}。该区属温带干旱半干旱大陆性季风气候,春秋季干旱,夏季炎热多雨,冬季干冷漫长,年均气温7~12^oC,无霜期140~180 d,年均降水量350~600 mm。

2 数据与方法

本研究所用气象数据为2000~2011年间陕北地区及周围42个气象站日平均气温和日降水资料,该数据源于中国气象科学数据共享服务网。遥感数据采用NASA（Daimler Chrysler）提供的陕北地区的MOD13Q1 级产品,其时间跨度为2000年2月至2011年1月,时间分辨率为16 d,空间分辨率为250 m。

遥感数据首先用ENVI软件进行数据格式和投影转换,并利用研究区边界建立感兴趣区域截取陕北黄土高原地区NDVI数据。同时,为更加有效消除云遮蔽、大气影响、观测中的几何关系等不利因素影响,对处理好的MODIS NDVI数据,采用最大合成法MVC(Maximum Value Composites)获取月NDVI 值和年最大NDVI值^{[ 25]}。对收集到的日均气温和日降水资料,累计得到相应站点的月平均气温和月降水量,利用ArcGIS中的Geostatistical Analyst模块中的普通克里金插值(Ordinary Kriging)将温度、降水数据生成与NDVI数据有同样投影和空间分辨率的栅格数据,进行栅格计算。

本研究利用植被NDVI序列和时间(月份/年份)的相关系数进行植被覆盖度变化特征和强度的判断,正值表示植被覆盖度呈现上升趋势,负值则表示植被覆盖度下降,并采用相关系数进行显著性检验。对降水、温度等气象因子进行同样处理,分析它们和植被NDVI的关系。该研究还利用ArcGIS空间分析中的叠置分析（Overlay Analysis）功能,提取分布在不同气候特征下的植被NDVI时空变化情况。

3 陕北地区植被NDVI的时空变化特征分析

3.1 时间序列特征分析

植被覆盖度可由遥感影像反演的NDVI充分反映,并与NDVI呈正相关,即植被覆盖度愈好,NDVI值愈大^{[ 26~ 28]}。为了清晰地反映陕北地区植被覆盖的变化情况,我们将采用最大合成法获取的每个栅格的月NDVI 值进行全区平均,得出全区的月平均NDVI值。总体上来看,植被NDVI逐年增加,年内变化曲线为单峰型,春季（2~5月）NDVI快速增加,秋季（9~11月）NDVI快速降低,夏季处于高位,冬季NDVI最低。为了更清晰地说明植被覆盖随时间的变化情况,下面分别从年际和季节变化分析植被NDVI的变化。

1） 不同年份植被覆盖变化。根据年最大化NDVI数据散点图,能清晰的看出陕北地区2000~2010年植被覆盖总体上呈上升趋势,说明植被覆盖度在不断增加。从年代来看,大致分成3个阶段( 图1a)：2000~2002年是相对快速增长期,2003~2005年出现小幅波动,2006~2010年植被指数又开始平稳增长。上述变化趋势基本印证该区域10多年来的实际情况,从1999年国家退耕还林还草工程开始试点,大面积的种植沙棘,使2000年以后NDVI快速增加,特别是随着该工程2002年全面启动,使该年度NDVI值较上一年度有显著增加。由于当地气候条件的限制,一些地区年降水量少于400 mm,沙棘对降水有一定要求,这些区域出现大面积枯死,使2003~2005年出现小幅波动,此后改种适应性强的樟子松和油松,2006~2010年植被指数又开始平稳增长。

2） 不同季节植被覆盖变化。从季节上来看,陕北地区夏季植被覆盖度最高,春秋季次之,冬季植被覆盖度最低（ 图1b）;根据拟合的线性回归方程,可看出秋季的NDVI值10 a增长7%,春季和夏季大约为5%,冬季为3%,这与他人的研究结果一致^{[ 29]}。

3.2 空间变化特征分析

NDVI时间序列作为研究区内所有像元的平均值所体现的只是陕北地区整体变化趋势,不能反映植被覆盖变化在空间上的差异,而像元的最高值基本能反映该区域植被最好时期的覆盖状况。为此,本文将研究区内每个像元的年最高NDVI序列与其对应的时间进行相关系数计算,相关系数为正表明在2000~2011年期间该栅格所对应区域NDVI序列有增加趋势,植被覆盖在逐步提高,相反,呈负相关则表明该区域植被覆盖有降低趋势。 图2a可看到陕北地区植被覆盖在2000~2010年期间内发生很大变化。整体看,研究区域内植被覆盖度在提高,但空间差异明显。将2010年最大NDVI 值减去2000年NDVI值,除以2000年NDVI值,得到2000~2010年来研究区内每个像元NDVI值的动态变化率（ 图2b）。统计发现,占总面积88%的区域植被覆盖度在增加,增加较为明显,植被覆盖显著增加的地区主要是原来植被覆盖度不大,退耕还林还草力度较大的陕北中东部,以及吴起、志丹北部,与已有研究结果一致^{[ 30~ 32]}。占总面积12%的研究区域植被覆盖在下降,但幅度不大,下降的地区主要包括原来森林覆盖度较大的陕北南部丘陵沟壑区,即位于子午岭、黄龙山地区的黄陵、黄龙及宜川南部部分区域。榆林北部,即长城以北的风沙草滩区基本上维持不变。

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图1   2000~2010年陕北地区植被NDVI变化(a.逐年NDVI;b.春、夏、秋、冬NDVI)

Fig. 1   Variation of NDVI in northern Shaanxi Province in 2000-2010

4 植被NDVI与气候的关系

4.1 植被NDVI与降水和温度的年际关系

1961~2002年以来陕北地区黄土高原地区的降水呈明显的下降趋势,降水量每10 a减少25.31 mm^{[ 33]}。但是根据对陕北地区及周围42个气象站数据的分析表明,2000~2010年期间陕北地区年降水虽然仍呈下降趋势,但速率明显有所减缓,仅为1.4 mm/a（ 图3a）。因为在年内降水量变化会影响植被覆盖,不同时间受降水的影响,植被覆盖会略有变化,故在 图3c选取年平均NDVI,可看出陕北地区植被覆盖与降水的正相关性和负相关性共存,线性关系不明显。占比52.3%的植被NDVI和降水成正相关,特别是沿着横山、佳县及府谷长城东南带状区域,NDVI和降水正相关性较为明显。而森林覆盖较多的陕北南部区域对降水的响应并不敏感。从整个研究区域来看,降水的微弱减少并没有影响植被覆盖度的明显增加,说明短期内（2000~2010年）降水的减少对植被覆盖变化并没有明显的作用。

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图2   2000~2010年陕北地区植被NDVI与时间的相关性（a）及其动态变化(b)

Fig.2   Dynamic change of NDVI (b) and its correlativity with time (a) in northern Shaanxi Province in 2000-2010

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图3   2000~2010陕北地区气候变化及其NDVI和温度降水相关性的空间分布(a.年降水量变化;b.年平均温度变化;c.NDVI与降水量相关系数空间分布;d.NDVI与温度相关系数空间分布)

Fig.3   Climate change and spatial distribution of correlativity of NDVI with temperature and precipitation in northern Shaanxi Province during 2000-2010

在全球变暖的大背景下黄土高原的气温变暖趋势显著。蔡新玲等^{[ 33]}对16个站气象资料的分析表明,1961~2002年陕北黄土高原地区年平均气温呈显著的上升趋势,线性回归增长速度是0.26℃/10 a,温度上升明显。根据对陕北地区及周围42个气象站数据的分析表明,2000~2010年期间陕北地区年平均温度虽然仍呈上升趋势,但速率明显有所减缓,仅为0.11℃/10 a（ 图3b）。2000~2010年陕北地区NDVI在5~10月份增高趋势明显, 图3d是6~9月份植被NDVI与相应时期平均温度的相关关系图,它们相关性的空间分布和植被变化的空间分布基本一致（ 图2a和 图3d）,这并不能很好地解释温度与NDVI的关系。年平均温度和NDVI的相关系数为0.057,呈弱的正相关,说明植被NDVI和温度之间的相关性不高,和已有研究结果一致^{[ 29, 31]}。统计发现,占比54.6%的区域NDVI与温度成负相关,特别是陕北地区长城以北的风沙草滩区,以及植被覆盖度较高的陕北南部（主要指子午岭、黄龙山所处的宜川、黄龙及黄陵、富县一带）,部分区域NDVI和温度负相关性较为明显,而陕北其他区域植被覆盖对温度的响应并不敏感,说明不同土地利用类型上的植被对温度的变化响应程度不同。从整个研究区域来看,温度的微弱增高并没有影响植被覆盖的增加,说明短期内（2000~2010年）温度的变化对植被覆盖变化并没有明显影响。

4.2 植被NDVI与降水和温度的年内关系

图4a看出,陕北地区植被NDVI值和月降水量之间的关系整体上呈线性增长趋势,陕北地区

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图4   陕北地区2000~2010年植被NDVI与降水及温度的年内关系(a.月平均NDVI与月降水量关系; b.月平均NDVI与月平均温度的关系; c.植被生长季月平均NDVI与当月及前1月降水量的相关关系; d.植被生长季月平均NDVI与当月及前1月平均温度的相关关系)

Fig.4   Inter-annual relation of NDVI with precipitation and temperature in northern Shaanxi Province in 2000-2010

植被月平均NDVI值和月降水量相关系数是0.808（n=132）,超过p<0.001的检验。图中可看出,随着月降水量的增加,陕北地区月均NDVI也随之增加,0~70 mm月均NDVI增加迅速,植被NDVI随着降水几乎呈线性上升,当月降水超过70 mm后,平均NDVI不再有明显增长趋势。 图4b可见陕北地区月平均温度和植被NDVI之间呈显著的指数关系,复相关系数是0.71,相关系数高达0.812（n=132）,超过p<0.001的检验。

通过分析植被生长季期间（4~10月）降水和温度月变化与植被NDVI的关系,可以揭示植被生长不同时期与气候因子的关系。对照当月和前1月气候因子变化与植被NDVI的关系,可以揭示气温或降水对植被生长时间韵律的控制。从逐月月平均NDVI与当月月降水关系来看( 图4c),仅5月植被NDVI和降水的相关系数通过0.05的显著性检验,其他月份相关性均不明显。从生长季期间逐月月平均NDVI 与当月月均温关系来看( 图4d),4和10月份植被NDVI和温度成正相关,其余月份（5~9月）成负相关,5月份植被NDVI和温度的相关系数通过0.001的显著性检验,7月在0.05水平上达到显著,说明夏季随着气温的升高,植被生长在一定程度上受到抑制。从与降水变化关系看( 图4c),仅4月植被NDVI与当月降水的相关性高于与前一月降水变化的相关性,其它月份植被NDVI与前一月降水相关性均高于与当月降水变化的相关性,其中5、6、8和9月在0.05水平上达到显著,说明植被生长对降水变化的响应有一定滞后性。从与气温变化关系来看（ 图4d）,5、7和10月的植被NDVI与前一月气温的相关系数高于当月植被与气温的相关系数,而其它月份植被NDVI与前一月气温的相关系数低于当月植被与气温的相关系数,说明植被NDVI变化对气温的滞后效应不明显。

5 结论与讨论

本文对1999年实施退耕还林还草工程以来陕北地区植被NDVI时空变化特征及其成因进行分析,目的是探索这10多年来陕北地区植被覆盖变化规律,以及这期间其与气候之间的相互关系。

1） 10多年来,陕北地区植被覆盖有大幅增长,但存在空间差异性。时间上,2000~2002年是相对快速增长期,2003~2005年出现小幅波动,2006~2010年植被指数又开始平稳增长。空间上,原来森林覆盖度不高,且退耕还林还草力度较大的陕北中东部黄土丘陵区植被覆盖增加显著,榆林长城以北的风沙草滩区植被覆盖变化不大,而原来森林覆盖度较高的陕北南部低山丘陵区植被覆盖甚至略微有些下降。

2） 2000~2010年期间陕北地区年降水呈下降趋势,但相比较1961~2002年期内速率明显有所减缓;而年平均温度则呈上升趋势,上升速率较1961~2002年期内也明显有所减缓,说明近年来陕北地区气候干热化趋势有所改善。

3） 植被覆盖与降水及温度的正相关性和负相关性共存,线性关系不明显。在空间上来看,沿着横山、佳县及府谷长城东南带状区域,NDVI和降水正相关性较为明显,而森林覆盖较多的陕北南部区域对降水的响应并不敏感。长城以北的风沙草滩区和陕北南部低山丘陵区,NDVI和温度负相关性较为明显,而陕北其他区域植被覆盖对温度的响应并不敏感。气候对植被覆盖的影响主要表现为对植被生长期年内韵律的控制方面,夏季温度是抑制植被生长的重要因素,而降水对植被生长的影响具有明显的滞后性。

植被覆盖变化及其在空间上的差异性是一个自然和人类活动交互作用的过程。本文仅分析10多年来植被覆盖变化和气候因子的关系,没有考虑人类活动,如土地利用变化等因素的干扰。短期内植被覆盖变化与人类活动的影响关系密切,本文对植被覆盖空间差异性的分析一定程度上也印证这点。比如原来森林覆盖度不大的陕北中东部黄土丘陵区,由于退耕还林还草工程的大力实施,土地利用变化较大,主要由耕地、未利用地向园地、林地和草地转化^{[ 34]},植被覆盖增加显著,榆林长城以北的风沙草滩区,土地利用变化以耕地、天然草地向果园、林地转化为主^{[ 34]},植被覆盖增加不明显,而原来森林覆盖度较大的陕北南部子午岭、黄龙山一带植被覆盖甚至略微有些下降。但由于人类活动存在难以定量化研究的问题,本文没有进行深入分析,是我们今后研究的一个重点。此外,研究区气候的改善是否与同期该地区植被覆盖的显著增加有关,其相关性如何?植被覆盖的显著增加是否是导致当地气候改善的直接原因,还有待进一步分析和验证。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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