水熱條件和人類活動對山西省植被覆蓋變化的影響

張嘉琪，任志遠，張 翀

植被作為陸地生態系統的重要組成部分，既是生態系統存在的基礎，又是聯結土壤、水分和大氣的天然紐帶，它維持著生態系統平衡，在陸地表面的能量交換過程、水文循環過程和生物地球化學循環過程中扮演著重要的角色。植被覆蓋度顯示了植被的茂密程度以及植物進行光合作用面積的大小，是反映地表植被群落生長態勢的重要指標和描述生態系統的重要基礎數據，對區域生態系統環境變化有著重要的指示作用［1］。在全球變化研究中，自然因素和人為因素對植被覆蓋變化的影響以及植被覆蓋對影響因素的反饋現在已成為全球變化的研究熱點［2－3］。一方面，氣候變化對植被覆蓋變化的響應作用非常明顯［4］，它主要通過氣溫和降水來影響有效積溫和可利用水分來調控植物光合作用、呼吸作用及土壤有機碳分解等進而影響 植 物 的 生 長 和 分 布［5］。 國 內 外 學 者［6－11］利用NDVI數據分析氣候與植被覆蓋變化的關系作了大量的研究，結果表明NDVI與氣候因子具有較高的相關性，如降水量、蒸發量、溫度等。另一方面，植被覆蓋的時空變化是氣候變化和人類活動相互作用的結果［12］，尤其在是人類活動影響日益劇烈的今天，農業活動、生態建設、城市建設、土地利用、水土保持等都使得植被覆蓋的變化深刻地記錄上人類活動的烙印。但許多學者在研究植被覆蓋變化時，對氣候要素的關注較多，對人類活動的因素考慮較少，導致影響植被覆蓋變化驅動因素的客觀性降低。本文以山西省作為研究區域，分析1999—2010年該省水熱條件和人類活動對植被覆蓋變化的影響，旨在揭示各因素影響下的植被覆蓋變化過程，為人類更好地建設地方生態環境提供科學的決策依據。并基于1999—2010年的SPOT Vegetation旬值NDVI數據獲取山西省地表植被覆蓋度的時空變化信息，結合研究區同期降水量和溫度的數據，從時間尺度和空間尺度上分別對山西省生長季內（4—10月）植被覆蓋對降水和氣溫的相關性做分析，并嘗試將降水因素和氣溫因素分離，從而進一步得出人類活動對山西省植被覆蓋變化的影響。

1 研究區概況

山西省是中國的一個內陸省份，地處華北西部的黃土高原東部地帶，東起太行山，與河北省為鄰；西、南沿黃河與陜西省、河南省隔河相望；北抵外長城，與內蒙古自治區毗連。東西長約682km，南北寬約385km。地理位置在東經110°14′—114°33′，北緯34°34′—40°44′之間。全省總面積為1.56×105km2，占全國總面積的1.6%。山西省地形較為復雜，地勢北高南低，境內有山地、丘陵、高原、盆地、谷地、臺地等多種地貌類型交錯分布，以山地、丘陵為主，占總面積的2／3以上。省內平均海拔在1 000m左右，其中，北部大部分地區海拔在1 000～2 000m之間，而南部地區海拔僅在500～900。東有太行山，西有呂梁山，北有恒山、五臺山，南有中條山，中有太岳山。中部地區由北向南分布有大同、忻州、太原、臨汾、長治和運城等盆地。汾河為主要河流。

山西省地處亞歐大陸東岸中緯度的內陸，處于干旱、半干旱地區，屬溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為3～14℃，但由于受地形和地勢的影響，南北氣侯差異顯著，晝夜溫差也較大；日照時間長，熱量資源較為豐富；降水稀少，年平均降水量在400～650 mm，但季節分布不均，主要集中在6—8月且多為暴雨，其降水量約占全年的60%以上。同時，蒸發量也較大，全年蒸發量可達600～1 000mm，為降水量的2～3倍，所以山西省出現“十年九旱”的氣候特點。從整體上看，山西省缺水狀況相當嚴重，造成植被覆蓋度降低，土壤土質黏結度差，加之人類長期不合理的利用土地，導致水土流失十分嚴重，生態系統十分脆弱。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

2.1.1 NDVI空間數據集 所用數據為1999—2000年SPOT Vegetation旬值NDVI數據，來自于比利時弗萊芒技術研究所。本數據集選取時間為1999—2010年，已經過幾何校正、輻射校正、大氣校正等預處理，并且已采用最大值合成法（maximum value composite，MVC）以減少云、大氣、太陽高度角等的影響，數據時間分辨率為10d，空間分辨率為1km。在使用前，為了更明顯地反映地表植被覆蓋情況，先提取出生長季（4—10月）的平均NDVI數據，這是因為在生長季內，NDVI平均值分別與降水量和氣溫的平均值有著相關性，因此使用生長季NDVI的年平均值作為每年的NDVI值［13］。

2.1.2 氣象數據 氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，選取1999—2010年山西省及其周邊完整且均勻分布的19個氣象站臺的旬值降水量和旬值氣溫數據資料。由于生長季的降水量和氣溫的平均值分別與NDVI平均值具有很強的相關性，所以本研究利用生長季平均的降雨量和氣溫值作為每年的降水量值和氣溫值［13］。首先計算出每年每旬降水量和氣溫的累積值，再根據累積值求出其平均值，然后在ArcGIS 10.1平臺下通過反距離加權插值（inverse distance weighted，IDW）將降水、氣溫數據生成與NDVI數據具有同樣投影和空間分辨率的柵格數據。

2.2 研究方法及數據處理

2.2.1 Sen＋Mann—Kendall法 生長季年際平均NDVI是將每年生長季內的NDVI累加，計算出4—10月的年平均值，將這個值作為生長季的年平均NDVI值。在Matlab環境下，利用Sen趨勢方法分析1999—2010年植被變化趨勢的空間分布特征，并通過Mann—Kendall方法進行檢驗，置信度為0.05。Sen趨勢度的公式為：

式中：xj，xi——序列數據。若β＞0時表示上升趨勢，反之表示下降趨勢。

2.2.2 殘差分析法 影響植被覆蓋變化的因素主要包括氣候因素和人為因素，在氣候因素中，由于降水因子和氣溫因子的作用存在于NDVI變化的結果中，通過剔除生長季平均NDVI長時間序列變化中降水因素和氣溫的影響，將植被覆蓋變化中的自然因素和人為因素分離開來。具體做法是在每個柵格單元上分別建立生長季NDVI與降水和氣溫的回歸模型，通過該回歸模型來預測每一個柵格單元上每年的生長季NDVI值，然后用遙感觀測的NDVI真實值減去預測的NDVI值得到每年生長季NDVI的殘差，以此作為人為因素對植被覆蓋變化的影響［14］，再對生長季的NDVI殘差序列與其相對應的時間計算出相關系數。用得到的相關系數來表示山西省生長季NDVI殘差年際變化趨勢的空間分布并進行相關性顯著檢驗。殘差法的表達式為：

2.2.3 相關分析法 地理要素之間相關分析的任務，是揭示地理要素之間相互關系的密切程度。而地理要素之間相互關系密切程度的測定，主要通過相關系數的計算與檢驗來完成。

生長季平均NDVI與降水量及氣溫的相關性分析是通過逐柵格計算山西省1999—2010年生長季平均NDVI與降水量及之間的相關系數，并進行p＜0.1和0.01＜p＜0.05的顯著性水平檢驗。

3 結果與分析

3.1 生長季平均NDVI變化特征

3.1.1 生長季平均NDVI年際變化趨勢 山西省1999—2010年近12a來，年際平均NDVI變化趨勢如圖1所示。從整體的年際變化上看，1999—2010年植被生長季平均NDVI呈現顯著上升趨勢，其增加速率為0.199 4／a，通過了0.05的置信度檢驗，表明植被覆蓋率顯著增加。NDVI變化分為6個階段，即3個上升階段3個下降階段，并分別在2000，2004和2008年出現波峰，其中以2004年的波峰最為明顯；而在2001和2006年出現波谷。

圖1 山西省1999－2010年生長季年際平均NDVI的變化趨勢

3.1.2 生長季平均NDVI空間格局變化特征 從各區域之間來看，存在著明顯的空間差異性。附圖7是先將研究區內每個柵格的年內生長季平均NDVI序列與其相對應的時間序列進行計算得出相關系數，用計算出的相關系數來表示山西省植被覆蓋生長季年際變化趨勢的空間分布，若系數為正，表示生長季內平均NDVI值與植被覆蓋的變化呈正相關，即在生長季內平均NDVI值呈上升趨勢，植被的覆蓋度就逐漸增加；反之，在生長季內平均NDVI值呈下降趨勢，植被的覆蓋度就逐漸減少。此外，再對相關系數進行顯著性水平檢驗，并給出了極顯著（p＜0.01）與顯著（0.01＜p＜0.05）檢驗的植被生長季平均NDVI年際變化趨勢的空間分布（附圖7）。

從附圖7中可以看出，山西省大部分地區NDVI均有增加趨勢，其中極顯著增加區域達72.94%，主要分布在山西省的黃土丘陵溝壑區及山區，包括東部的太行山脈、陽泉市、晉中市及周邊各縣市；西部的呂梁山脈（管涔山，蘆芽山等）；南部的中條山及沁水縣、陽城縣等；北部的恒山，以及忻州市邊緣的各縣市如五臺縣、代縣、偏關縣、岢嵐縣等。該區域由于受到大氣環流及地形影響，降水較多，植被生長較為茂密，加之近年來山西省著力實施植樹造林的綠化工程，使得生態環境得到十分顯著的改善。在經濟發展較為迅速的省會城市以及各地級市所在的地形單元中，如太原盆地、臨汾盆地、運城盆地、長治盆地、忻定盆地、大同盆地及其周邊地區，生長季平均NDVI呈不顯著變化或者顯著增加趨勢。在太原市中心地區以及晉北地區的大同市、朔州市等生長季平均NDVI出現小范圍的顯著減小和極顯著減小，這部分地區占總面積的0.21%，它與顯著增加和極顯著增加區域相互交織在一起，說明這些地區植被覆蓋變化的趨勢漸漸趨于緩和且生長情況較為復雜，這可能與當地的地貌、氣候條件等存在一定的聯系，同時也與這些地區城市化進程的加快，人類不合理的開礦及其它建設有密切聯系，使得植被破壞，地表裸露。

3.2 生長季平均NDVI與氣候因子的相關關系

3.2.1 生長季平均NDVI與降水量的相關性分析降水對植被的生長具有重要的影響，尤其是對以干旱半干旱氣候為主的山西省來說，水分條件是植被生長發育的制約因子，降水對植被的空間分布有著決定性的意義［12］。由附圖8可以看出，山西省生長季植被NDVI與降水量的相關性從整體上呈現出由北向南逐漸減少的特點。其中呈正相關的面積占總面積的98.54%，有0.23%和1.34%的面積分別通過了p＜0.01和0.01＜p＜0.05的顯著性水平檢驗，主要分布在忻定盆地，滹沱河流域周圍及大同盆地，以及晉城澤州盆地等地區，表明這些地區的植被對降水的依賴程度較高。占總面積1.59%的地區NDVI與降水量呈現負相關，主要分布在五臺山周圍，太原盆地，運城盆地以及呂梁山脈南段。圖1和圖2對比顯示，在NDVI顯著上升的同時，平均降水量也在顯著上升，其速率為3.676 8／a。平均降水量的趨勢線與NDVI的趨勢線十分相似，分別出現3個波峰和波谷，波峰出現在2000，2003，2007年；波谷出現在2001，2005，2009年。說明植被在生長季的平均NDVI與降水的相關性比較高，使得降水量成為植被生長的限制性因素［15］。

附圖8中植被與降水的相關性所表現出的這種空間分布形態與當地的地理環境條件有著密切的聯系。在自然地理環境條件下，降水量對植被覆蓋的影響受地形的影響很大，在山區較多，盆地較少；同時也受區域水文條件的不同而變化，在非沿河流域，降水對植被覆蓋的影響較大；此外，還與地表覆蓋的植被類型有關，不同植被類型獲取土壤水分能力的大小是不同的，地表的植被覆蓋為耕地、草地和灌叢，降水量對其影響較大。因此，有必要對不同植被類型的NDVI與降水量的相關性進行統計。

圖2 山西省1999－2010年年際平均降水量和平均氣溫的變化趨勢

根據研究區的植被類型圖，計算出不同植被類型在1999—2000年內生長季的平均NDVI值，對不同的植被類型在生長季的平均NDVI值與降水量做相關性統計，得出Pearson相關系數，以分析不同植被類型NDVI的變化特征（表1）。由表1得出，山西省不同植被類型NDVI值與降水量的相關性程度由高到低的順序為：一年一熟糧作和耐寒經濟作物＞草原和稀樹灌木草原＞針葉林＞灌叢和萌生矮林＞一年兩熟或兩年三熟旱作和暖溫帶落葉經濟林（果樹園）＞闊葉林。其中一年一熟糧作和耐寒經濟作物以及草原和稀樹灌木草原的NDVI與降水的相關性最高，分別達到0.537和0.518。表明隨著降水量的增加，這兩種植被的NDVI值提高得速度越快，這是由于處在干旱半干旱的山西省降水稀少，蒸發量大，年降水量僅在400～650mm，且季節分配不均勻，使得糧食作物、經濟作物以及草地、低矮灌叢地等對水分條件的依賴程度較高。

表1 不同植被類型生長季平均NDVI與降水量的相關性統計

3.2.2 生長季平均NDVI與氣溫的相關性分析 受太陽輻射等天文因素的影響，溫度的變化對植被的季節性生長也起到一定作用［16］。由附圖9可以看出，山西省大部分地區的植被生長季平均NDVI與氣溫的相關系數為負，只有恒山，五臺山一帶，忻定盆地以及長治、晉城的東部地區植被在生長季的平均NDVI與氣溫的相關指數稍高些，但最高也只達到了0.374，呈正的弱相關關系。通過對比圖1和圖2，年平均氣溫的增加速率僅為0.008 5／a，說明氣溫與NDVI的相關性較低。6—10月是山西省植被生長最為旺盛的時期，水熱條件和光照條件比一年當中其它時期充沛得多。將每個柵格中生長季平均NDVI與氣溫的相關系數進行平均，得到平均相關系數為－0.415，呈負相關關系，即當溫度升高，植被覆蓋率減少。這是由于溫度的升高一方面為植被提供熱量，促進植被的生長，NDVI值迅速增長；另一方面溫度超過了植被生長的適宜溫度，增加地表的蒸發量，使土壤水分流失并不斷干化，導致植被生長缺水，NDVI值減少，這對于處在干旱半干旱地區的植被生長十分不利。顯然，單從溫度條件來講，后者是影響山西省植被覆蓋的主要原因。

對統計不同植被類型生長季的平均NDVI與氣溫做相關性統計如表2所示。由于所得系數是對同種植被的NDVI求平均值，可得所有植被類型的NDVI與氣溫的相關性系數都為負，表明所有植被在溫度升高時，平均植被覆蓋率下降。這可能是由于在數據處理過程中，對NDVI和氣溫數據進行多年平均所導致的；若將降水因素考慮進來，降水量增量小于由于溫度升高引起的蒸發量增量，導致區域內植被覆蓋率下降，水土流失現象加劇。

表2 不同植被類型生長季平均NDVI與氣溫的相關性統計表

3.3 人類活動對植被覆蓋變化的影響

自然因素如降水、氣溫、地形、土壤、水文條件為植被覆蓋的空間分布奠定了總體格局［17］，其中降水量和氣溫的變化是影響植被覆蓋變化的主要原因。但是近年來由于人類采取不同的方式對地表生態環境進行干擾，引起地表過程和自然演化進程越來越顯著，使得人類活動成為植被覆蓋變化不可忽視的驅動因素。通過殘差法剝離了降水和氣溫對植被覆蓋變化的影響，得到人類活動作用下的影響。附圖10為山西省生長季NDVI殘差年際變化趨勢空間分布的顯著性檢驗圖。從附圖10可以看出，1999—2010年山西省大部分地區人類活動對植被覆蓋的影響總體是顯著增加的趨勢，但人類活動對生長季影響主要存在兩個方面：（1）人類活動對生長季NDVI的增加起到促進的作用，即人類活動的正影響。（2）人類活動對生長季NDVI起到抑制的作用，即人類活動的負影響。如附圖10所示，人類活動對植被的正影響區域（92.98%）遠大于負影響區域（0.533%）。

植被NDVI的殘差呈現顯著增加的區域主要集中在西部的呂梁山脈，包括蘆芽山、管芩山、以及汾河下游的臨汾盆地，南部的中條山、晉城以西，東部的太行山脈以西，忻州的東部、陽泉、晉中地區東部、長治地區北部等。說明這些地區植被的生長不能僅用降水因素來解釋，特別是那些與降水呈負相關性的區域，植被NDVI的變化在很大的程度上體現出了人類活動的影響。如汾河下游的臨汾盆地，化肥農藥的大量使用和農田灌溉水利設施的建設等人來活動促進了植被覆蓋的增加。加之近些年來國家出臺了一系列的森林保護工程、退耕還林以及水土流失治理等相關政策法規，促進了山西省植被覆蓋度的增加，生態效益正在日益顯現。

植被NDVI的殘差呈顯著減少的區域主要分布在太原盆地內部，包括太原市，古交縣，介休市、孝義市，在朔州市，河津市，長治潞城，大同，晉城地區內部也有零星分布。說明這些地區植被的生長狀況落后于降水和氣溫預測的植被生長狀況，可能是由于人類活動引起土地退化，植被覆蓋減少。其中一個重要體現是在太原市西山煤礦、朔州寧武煤礦、大同煤礦、介休、晉城等煤礦區植被NDVI的殘差呈顯著減少，其可能的原因是人類不合理對煤炭資源的開發導致地表土層破壞，導致土壤肥力下降，水土流失嚴重，NDVI值降低；同時改變了土地的利用方式，造成土地退化，植被被進一步破壞，生態環境惡化。人類活動的另一個表現為在經濟發展速度較快的省會城市及以地級市為中心的地區如太原、大同和長治地區，人口大量集聚，工業化及城市化進程的加快導致建設用地擴張，植被NDVI的顯著減少。

此外，通過對比附圖7和附圖10可以看出，NDVI殘差的變化與NDVI變化的空間分布形式非常相似，可以理解為山西省植被NDVI的變化除了響應降水和氣溫的自然因素外，呈顯著增加或減少的區域很大程度上都是由于人類活動引起的，也就是說，人類活動無論是對山西省植被覆蓋的改善還是破壞都起到了關鍵作用。

4 結論

（1）從年際變化上看，1999—2010年植被生長季平均NDVI呈現顯著上升趨勢，其增加速率為0.199 4／a；從空間變化來看，研究區內大部分地區NDVI均有增加趨勢，其中極顯著增加區域達72.94%，主要分布在山西省的黃土丘陵溝壑區及山區；而下降趨勢地區的面積僅為研究區面積的0.21%，成不均勻零星分布。

（2）NDVI與降水量具有顯著的相關性，山西省生長季植被NDVI與降水量的相關性從整體上呈現出由北向南逐漸減少的特點。占總面積98.54%的生長季植被平均NDVI與降水呈正相關。其中極顯著和顯著變化的區域僅占0.23%和1.34%。NDVI與氣溫的相關性不高，平均相關系數為－0.415。NDVI與降水之間的相關性高于NDVI與溫度之間的相關性，表明植被在生長季的平均NDVI與降水的相關性比氣溫要高。

（3）人類活動對山西省植被覆蓋變化有很大的影響，植被NDVI殘差年際變化的正相關區域面積要大于負相關面積，正影響區域占92.98%，負影響區域占0.533%。說明研究區內人類活動對植被促進作用要強于抑制作用。

（4）山西省植被覆蓋變化是氣候變化與人類活動共同作用的結果。本研究僅在大尺度上分析了兩大因素對植被覆蓋率變化的影響，但具體到小區域范圍內，植被覆蓋的變化受氣候因素影響更大還是人類活動影響更大仍需綜合考慮后進行深入研究。同時，人類活動對植被覆蓋影響的表現形式可根據研究區的具體情況進行進一步研究。

［1］ 甘春英，王兮之，李保生等.連江流域近18年來植被覆蓋度變化分析［J］.地理科學，2011，31（8）：1019－1024.

［2］ Wessels K J，Prince S D，Frost P E，et al.Assessing the effects of human－induced land degradation in the former homelands of Northern South Africa with a 1km AVHRR NDVI time－series［J］.Remote Sensing of Environment，2004，91（1）：47－67.

［3］ Xin Zhongbao，Xu Jiongxin，Zheng Wei.Spatiotemporal variations of vegetation cover on the Chinese Loess Plateau（1981—2006）：Impacts of climate changes and human activities［J］.Science in China Series （D）：Earth Sciences，2008，51（1）：67－78.

［4］ 戴聲佩，張勃，王海軍，等.中國西北地區植被覆蓋變化驅動因子分析［J］.干旱地區地理，2010，33（4）：636－643.

［5］ 劉軍會，高吉喜.氣候和土地利用變化對中國北方農牧交錯帶植被覆蓋變化的影響［J］.應用生態學報，2008，19（9）：2016－2022.

［6］ Henmann S M，Anyamba A，Tucker C J.Recent trends in vegetation dynamics in the African Sahel and their relationship to climate［J］.Global Environmental Change，2005，15（4）：394－404.

［7］ Camberlin P，Martiny N，Philippon N，et al.Determinants of the interannual relationships between remote sensed photosynthetic activity and rainfall in tropical Africa［J］.Remote Sensing of Environment，2007，106（2）：199－216.

［8］ 陳效逑，王恒.1982—2003年內蒙古植被帶和植被覆蓋度的時空變化［J］.地理科學，2009，64（1）：84－94.

［9］ 南穎，劉志鋒，董葉輝，等.2000—2008年長白山地區植被覆蓋變化對氣候的響應研究［J］.地理科學，2010，30（6）：921－928.

［10］ 張翀，任志遠，袁鑫.西北地區NDVI對水熱條件年內變化的響應及其空間特征［J］.資源科學，2011，33（12）：2356－2361.

［11］ 穆少杰，李建龍，陳奕兆等.2001—2010年內蒙古植被覆蓋度時空變化特征［J］.地理學報，2012，67（9）：1255－1268.

［12］ 信忠保，許炯心，鄭偉.氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響［J］.中國科學（D輯）：地球科學，2007，37（11）：1504－1514.

［13］ 黃森旺，李曉松，吳炳方，等.近25年三北防護林工程區土地退化及驅動力分析［J］.地理學報，2012，67（5）：589－598.

［14］ 張清雨，趙東升，吳紹洪，等.基于生態分區的內蒙古地區植被覆蓋變化及其影響因素研究［J］.地理科學，2013，33（5）：594－601.

［15］ 包剛，包玉海，覃志豪，等.近10年蒙古高原植被覆蓋變化及其對氣候的季節響應［J］.地理科學，2013，33（5）：613－621.

［16］ 戴聲佩，張勃，王海軍，等.中國西北地區植被覆蓋變化驅動因子分析［J］.干旱區地理，2010，33（4）：636－643.

［17］ 韓貴鋒.中國東部地區植被覆蓋的時空變化及其人為因素的影響研究［D］.上海：華東師范大學，2007.