寧夏回族自治區NDVI的時空變化特征研究

杜靈通，田慶久

（1.南京大學 國際地球系統科學研究所，江蘇 南京210093；2.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川750021）

地表植被變化是全球變化研究的重要內容之一，近年來，受到了眾多學者的廣泛關注［1－3］，特別是隨著遙感技術的發展，長時間序列植被指數被廣泛地應用到陸地生態系統的研究之中［4－6］。全球尺度的植被變化研究結果表明，北半球的植被活動有逐年增加的趨勢［7］，方精云等［8］的研究結果顯示，中國近20 a來植被活動也在總體增強，并且在東亞及全球生態系統中起著重要的作用，但在不同的地理區域，其變化差異明顯［9－10］。導致中國植被活動增強的主要原因有兩方面，一是近年來實施的退耕還林等各種林業活動，二是區域引水灌溉增加綠洲集約經營的各種農業活動［8］。但是也有研究表明，快速的工業化、城市化和農牧交錯帶的過度放牧等活動，導致一些地區的地表植被開始退化［11］。現有的研究結果顯示，地表植被的變化與區域植被類型、氣候變動以及人類活動強度等因素密切相關［12］，因此一些學者對不同地理分區的植被活動進行研究，并論述了東部季風區、青藏高原、西北干旱區、北方農牧交錯帶、黃土高原等地的植被變化與區域氣候之間的關系［13－17］。寧夏是中國西部的一個典型生態脆弱區，其地處騰格里沙漠、毛烏素沙漠和烏蘭布和沙漠的前沿，既是中國沙塵暴4大源區之一［18］，也是風沙進入京津塘地區的必由通道，可以說寧夏的植被變化在一定程度上決定著北方農牧交錯帶的生態安全。為此，本研究利用1999年以來的SPOT－VGT NDVI數據，對寧夏近11 a來的植被時空變化特征進行了研究，并分析了引起這些變化的生態響應因素，以期為寧夏生態建設決策和區域生態環境演變研究提供科學依據。

1 研究區概況

寧夏回族自治區位于黃河中上游黃土高原西北部，介于104°17′—107°39′E和35°14′—39°23′N 之間，南接甘肅省，東連陜西省，北部與內蒙古自治區相鄰，總面積為51 800 k m2。寧夏北部為銀川平原，由于黃河從中部進入寧夏，給銀川平原帶來了豐富的水源，使其成為寧夏最富庶的地區，有“天下黃河富寧夏”之說。寧夏的中部，多為丘陵山地和山間盆地，氣候干燥，植被稀少，是典型的荒漠化草原。南部則是舉世聞名的黃土高原的一部分，六盤山高踞黃土丘陵之上，平均海拔在2 000 m左右，這里植被豐富，是寧夏最潮濕的地方。寧夏深居內陸，屬典型的大陸性氣候，干旱少雨，日照充足，年平均氣溫5～9℃，多年平均降水量為292 mm，且南多北少，而年蒸發量則在2 000 mm以上。截止2008年末全區總人口為618萬人。

2 研究方法

2.1 數據預處理

本研究利用比利時佛萊芒技術研究所提供的覆蓋東亞的SPOT－VGT歸一化植被指數（NDVI）數據集［19］，時間跨度為1999年1月到2009年12月，共11 a的數據序列。該數據集存儲的是像元灰度DN值，應用時須按式（1）轉換成真實的NDVI值。

在遙感應用中，特別是時間序列的對比研究中，去除云的影響非常重要。雖然寧夏地處內陸，常年干旱少雨，同一地區連續10 d以上的云層覆蓋情況較少，但對于極端天氣情況，依然會有云影響。另外，冬季寧夏偶爾會有超過10 d的積雪覆蓋，特別是南部山區，這也會影響10 d最大值合成NDVI的真實性。為消除云、雪的影響，本研究將10 d合成的SPOTVGT NDVI原始數據，按最大值合成算法，合成月最大值NDVI數據集。此外依照相同算法，還生成了年最大值NDVI，由于年最大值合成NDVI在一些像元中包含有周期性噪聲，為了消除這一影響，本文將年最大值合成NDVI減去年最小值合成NDVI（積雪和水體等負值部分統一賦0），重新生成新的年最大值合成NDVI數據集。

2.2 標準化植被異常指數

對于長時間序列的NDVI異常變化監測，許多學者使用距平植被指數，即將每年的NDVI值減去時間序列期間內的多年NDVI均值，這一概念來自于氣候研究中的“距平”概念，陳維英等［20］將這一概念引入到了遙感植被指數領域，并進行干旱監測。為了更進一步消除植被季節性變動的影響，一些學者在距平植被指數的基礎上，引入了標準化植被異常指數［21－23］：

式中：zi，j——標準化植被異常指數；i，j——NDVI的時間，i——年度，j——月份；yi，j——i年j月的最大值合成NDVI值；——研究時期內j月的NDVI平均值，為月最大值合成NDVI值在年度序列上的平均值；σj它是j月最大值合成NDVI在年度序列上的標準差。標準化植被異常指數可以較好地響應區域植被生境變化，特別是干濕環境。當標準化植被異常指數小于0時，說明在該時期內區域發生干旱，植被遭受干旱脅迫；而當標準化植被異常指數大于0時，說明在該時期內區域降水充沛，植被長勢較好。

2.3 回歸分析

植被指數的變化與區域生態環境變遷密切相關，二者變化具有明顯的一致性，區域生態環境的惡化會導致植被指數降低，而生態環境的改善也會引起植被指數增高。為了定量研究區域生態環境的變化趨勢，有學者引入了 一元 線 性 回 歸 分 析 的 方 法［8，22，24－25］，對一組時間自變量x與NDVI因變量y數據，可以利用最小二乘法，計算出數據集上所有像元的NDVI與時間的回歸斜率，其計算如下：

式中：k——回歸斜率；n——模擬時間段長度，本研究中n＝11；xi——時間變量；yi——年最大值合成NDVI。k的數值變化反映了在研究期間內，植被指數的變化趨勢，k＞0說明NDVI在研究期內處于增加趨勢，反之則為減少趨勢。每個像元點在研究期內的變化趨勢都能得到一個k值，從而構成了一副k值圖像，通過k值圖像可以看出研究區各處的生態環境變化趨勢。

單純通過變化斜率k的大小，并不能判斷這種變化趨勢是否顯著，為了檢驗時間自變量x與NDVI因變量y之間的線性變化是否顯著，本文利用F檢驗對其顯著性進行檢驗。

式中：yi——NDVI的實際觀測值；——NDVI在研究時間段內的平均值；——NDVI的回歸值；n——模擬時間段長度。

2.4 相關系數分析

時間變量x與NDVI變量y之間除了可以建立線性相關關系外，還可以通過建立二者之間的Pearson相關系數，來分析NDVI的長時序變化特征及趨勢［26－27］，相關系數的計算公式如下：

式中：rxy——相關系數；xi——時間變量；yi——年最大值合成NDVI；——時間變量的平均值；——NDVI在研究時間段內的平均值；n——時間長度。相關系數rxy是時間變量與NDVI變量相關程度的統計指標，是一個歸一化的參數。rxy＞0表示二者正相關，反映NDVI隨時間呈整體變高的趨勢，即區域生態環境逐步在改善；rxy＜0表示二者為負相關，反映NDVI隨時間呈整體降低的趨勢，即區域生態環境在逐步惡化；rxy的絕對值越接近1，表示NDVI的變化趨勢越強。

2.5 變異系數

變異系數是一個反映序列數據中各觀測值差異程度或離散程度的指標，將其應用到長時間植被指數序列的研究中，可表征地表植被在研究時期內的波動特征［22－23］：

式中：Cv——變異系數；yi——年最大值合成 NDVI；——NDVI在研究時間段內的平均值；n——時間長度。變異系數越大，說明地表植被狀態在研究時期內波動越大，變異系數在一定程度上又可指示區域生態系統的脆弱程度，通常變異系數較大的地區，其生態系統較脆弱，該生態系統受區域氣候因子（如降水、氣溫等）波動的影響也更為明顯。

3 結果及分析

3.1 植被指數空間特征

由于植被指數的特點，一般認為NDVI達到0.1以上表示該地區有植被覆蓋，NDVI增加表示綠色植被在增加；0.1以下則表示地表無植被覆蓋，如裸土、沙漠、戈壁等［24］。當植被指數達到0.1～0.8時，植被指數才與植被的生長情況呈正相關關系。從生態學的角度看，一個地區植被指數的變化可以反映該地區生物量的變化，可以認為植被指數狀況越好，生態環境質量狀況就越好［25］。從NDVI的空間特征可以看出，寧夏地區的NDVI與區域植被覆蓋狀況密切相關。全區總體NDVI都在0.1以上，只有騰格里沙漠邊緣的少數地區出現NDVI小于0.1的情況。從空間分布來看，南部六盤山地區和北部銀川平原的NDVI較高。六盤山地區是寧夏的主要水源涵養林保護區，山區林草蔥郁，植被豐茂；銀川平原雖然降雨量很低，但因黃河自流灌溉，在這里形成了一片有著上千年歷史的綠洲。這兩大區域是寧夏植被覆蓋最好的地區，因此NDVI較高。

3.2 植被指數時間變化特征

利用最大值合成方法，合成寧夏1999—2009年以來的月最大值NDVI，得到132幅圖像。由于計算出來的月最大值NDVI是一幅幅圖像，為了便于定量比較1999—2009年間植被的變化，利用公式（7）統計每幅圖像的平均值

式中：n——研究區內的像素數；NDVI——圖像中各像素點的值。

根據132幅圖像的統計值，繪制出寧夏1999—2009年以來各月NDVI隨時間變化的曲線（圖1）。為了分析不同生態區的NDVI變化情況，本研究分別在銀川平原的引黃灌區、六盤山的林區和中部干旱帶的荒漠草原區分別選擇了一個10 k m×10 k m的樣區，統計各樣區的NDVI變化。從圖中可以看出，銀川平原引黃灌區和六盤山林區的NDVI明顯好于中部干旱帶的NDVI和全區的平均水平。另外NDVI年際變化受氣候波動影響較大，特別是中部干旱帶的NDVI受區域干旱的影響最大，在特大干旱的2000和2005年，中部干旱帶的NDVI幾乎接近于0.1。但氣候干旱對引黃灌區和六盤山林區的NDVI幾乎沒有影響，這也符合當地的實情，引黃灌區農作物的主要水分供給來自黃河，其對氣候干旱的響應較小，而六盤山林區由于海拔較高，氣候涼潤，加上天然林區的水源涵養作用，致使六盤山地區NDVI對區域氣候波動的響應也較小。

圖1 NDVI時間變化曲線

標準化植被異常指數可以較好地響應區域干濕環境的變化，從1999—2009年的標準化植被異常指數變化來看（圖2），寧夏地區的標準化植被異常指數變動與區域氣候變化密切相關。標準化植被異常指數在干旱年份（2000，2004—2006和2008年）均出現負值，特別是2000年的特大干旱，不僅造成當年標準化植被異常指數偏低，也導致大旱過后的次年，即2001年標準化植被異常指數也偏低。這也說明，在遭受大旱脅迫后，區域地表植被的恢復還需要一定的時間。

圖2 標準化植被異常指數變化特征

雖然寧夏的NDVI受氣候的變化而波動，特別是區域性的干旱災害會造成NDVI明顯降低，標準化植被異常指數出現負值，但從寧夏地區總的植被指數變化趨勢來看，其仍處于逐年增強的態勢（圖3）。寧夏地區的降雨量從1999年以來，總體處于降低的趨勢，即區域氣候越來越干燥，在這種大的氣候背景下，NDVI依然表現出逐年增加的趨勢，這與寧夏從2000年以來實施的大面積退耕還林（還草）工程有關。該區在2000—2007年間，共完成退耕還林計劃任務7 927 k m2，其中退耕地造林3 140 k m2，荒山荒地造林4 453 k m2，封山育林333 k m2。這一工程的實施，大幅度地提高了寧夏回族自治區的植被覆蓋度，也提高了區域生態系統抵御氣候變化的能力，生態治理工程的生態效應在NDVI的時間變化中顯現了出來。

圖3 NDVI及降雨量變化趨勢

3.3 植被指數變化趨勢

區域植被指數的變化趨勢，在一定程度上反映的是區域生態環境變化趨勢，因此本文利用一元線性回歸分析方法，對寧夏1999年以來11 a的植被指數進行分析，計算結果見圖4。寧夏近11 a來年最大值NDVI線性回歸系數為正值的區域面積為49 400 k m2，占全區總面積的95.09%；為負值的區域為2 549 k m2，占總面積的4.91%。寧夏大部分地區的植被指數線性回歸系數都大于0，表明全區植被呈正增長趨勢，同時也有局部的地區植被在退化，但植被處于增加趨勢的地區面積遠遠大于處于減少趨勢的地區面積。這一結果初步表明，寧夏回族自治區近11 a來的生態環境在逐步改善。

圖4 寧夏回族自治區近11 a來NDVI的變化趨勢

為了檢驗因變量NDVI隨時間自變量的線性變化是否顯著，運用F檢驗方法，對回歸顯著性進行檢驗。結果表明，全區有61.87%的區域通過了α＝0.25的顯著性檢驗，即可信度達到75%以上，其中有33.34%的區域通過了α＝0.05的顯著性檢驗，即可信度達到95%以上。另外，全區還有38.13%的區域未通過α＝0.25的顯著性檢驗，即這些區域的回歸模擬可信度不足75%。可信度較高的地區主要為北部引黃灌區和東部鹽池縣一帶，固海及紅寺堡揚黃灌區也通過了α＝0.05的顯著性檢驗。但中部干旱帶的荒漠草原區和南部黃土丘陵區的可信度較低，許多地區未通過α＝0.25的顯著性檢驗。

借鑒前人植被指數退化的劃分標準［26－27］，并結合研究區實際情況，對寧夏1999年以來的植被變化程度進行劃分（表1）。從中可以看出，寧夏在這11 a間出現植被改善的區域有42 169 k m2，占總土地面積的81.17%，其中達到明顯改善的有25 591 k m2，占總土地面積的49.26%；出現植被退化的區域有750 k m2，占總土地面積的1.45%，其中嚴重退化的只有255 k m2，不足總土地面積的0.50%。從NDVI變化趨勢的空間分布來看，植被明顯退化的區域主要集中于銀川、石嘴山、吳忠、中衛和固原5個地級市的市區及周邊，因為這幾個地級市是寧夏城市化進程最快的地區，快速的城市擴張占據了大量的農田和草地，使城市所在區域的植被開始減少，生態環境開始退化。此外，南部山區西緣的部分黃土丘陵區也有明顯的植被退化現象。

表1 寧夏回族自治區近11 a植被指數趨勢變化結果

運用相關系數法，建立寧夏1999—2009年最大值NDVI序列與時間變量的Pearson相關系數（圖5）。從NDVI變量與時間變量的相關程度來看，寧夏大部分地區NDVI與時間成正相關變化，即寧夏大部分地區的植被指數在逐年增強，區域生態環境在逐步改善，其結果與一元線性回歸明顯一致。

造成寧夏整體植被增加、生態環境改善的主要動因是寧夏近年來實施的許多生態治理工程。寧夏是中國西部的一個典型生態脆弱區，20世紀90年代以前，區域總體生態環境趨于退化，特別是南部的黃土丘陵山區，由于毀林毀草開荒嚴重，造成該區域大面積的水土流失和生態退化，這里也因此成為了全國著名的“三西”貧困區之一［28］。但進入90年代以后，特別是21世紀以來，寧夏實施了許多重大的生態治理工程，如以賀蘭山和六盤山等天然林區為主的天然林保護工程、以防沙治沙和平原綠化為主的“三北”防護林4期工程、以南部山區為主的退耕還林還草工程、以中部干旱帶為主的退牧還草工程、以保護黃河堤岸為主的黃河護岸林工程等。這些工程的實施，極大地改善了區域地表植被覆蓋狀況，促進了寧夏生態環境的改善，即便是在寧夏氣候總體趨于干旱的情況下，植被指數依然表現出增加的趨勢。

圖5 NDVI與時間的相關系數

3.4 植被指數變異特征

1999—2009年間寧夏的總體植被變化趨勢已非常明顯，為了定量衡量寧夏NDVI序列的變異特征，即空間波動性大小，本文運用變異系數對寧夏11 a來的年最大值NDVI進行研究。結果表明，寧夏植被增強趨勢最顯著的引黃灌區和六盤山林區，其變異系數最小，約為0.1左右，即這兩大區域的地表植被波動性最小，生態系統較為穩定。而平均植被指數較低、但依然處于增加趨勢的中部干旱帶，其變異系數最大，多為0.3～0.4，部分地區甚至超過0.4，這說明在中部干旱帶，地表植被在這11 a中波動較大，即中部干旱帶的生態系統比其它地區脆弱，其受年際降水等氣候因子波動的影響較大，這一結果與3.2節中所得的中部干旱帶植被指數年際變化結果相符。此外，南部黃土丘陵區的變異系數主要介于0.1～0.2之間，說明其生態系統的穩定性介于中部干旱帶與引黃灌區之間，但依然有一定的脆弱性，需要慎重保護。

4 結論

本研究利用1999—2009年的SPOT－VGT NDVI序列數據，對寧夏回族自治區近11 a來的地表植被狀況進行了研究，并分析了1999年以來寧夏NDVI變化對區域生態環境的響應，獲得以下幾點認識：

（1）寧夏總體植被空間分布存在南北好、中間差的特征，這種格局與寧夏的地理氣候區劃相吻合。寧夏NDVI的變化受年際氣候因素影響較大，并且對降雨響應明顯，特別是中部干旱帶的NDVI更易受降雨脅迫，這表現出了干旱、半干旱區生態系統比較脆弱的特征。

（2）一元線性模擬結果表明，寧夏回族自治區有81.17%的區域NDVI在增強，而且回歸結果有61.87%的區域通過了α＝0.25的顯著性檢驗，即NDVI的模擬趨勢在大部分區域具有較高的可信度。相關分析也證實了寧夏NDVI的這一變化特征。

（3）在空間上，NDVI處于增加趨勢的區域主要在寧夏中北部和東部，南部的六盤山區和東部黃土丘陵區也有一些改善；而植被退化的區域則主要集中在5個快速城市化的地級市及周邊。中部干旱帶具有較大的植被變異特征，NDVI波動性大，即這一區域的生態環境較為脆弱，而銀川平原灌區和六盤山林區的植被變異系數較小。

（4）總體來說，寧夏回族自治區的NDVI變化特征，無論從時間還是空間角度，都與區域生態系統的基本特征密切相關，雖然NDVI會受短期降雨等氣候因素影響，但長期變化趨勢則更多地響應了區域生態環境的變化。特別是寧夏近年來實施的生態治理工程，其取得生態調節效應，已在NDVI變化特征中得以顯現。

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