秦嶺北麓土地利用變化對植被指數影響研究

閆遂軍，胡正亮，曹孟超，黃才麗，王 濤*

（1.中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100；2.天津市地質工程勘察院，天津 300191；3.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054）

土地利用變化和氣候變化是對植被變化產生影響的重要方面，土地利用變化與人類活動有關[1-6]。建設用地擴張是改革開放40多年來我國土地利用變化的重要特征[7-8]，由建設用地擴張引起的植被生態變化研究已逐步開展[9-10]。氣候變化對全球及區域植被生態均產生重要影響，植被生長發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，對不同區域植被變化產生了差異化影響[11-12]。秦嶺北麓作為關中平原城市群尤其是西安市的后花園，其定位于現代都市農業示范區，以發展服務城市人口需求的都市農業為主[13-15]。近些年秦嶺北麓得到關注，主要與“違建別墅”拆除事件有關，而這一問題較早就已有學者提出解決的途徑[16-17]。秦嶺北麓的生態系統服務價值變化[18]、水源涵養能力格局等[19]也受到關注。總體上，秦嶺北麓開展植被生態系列研究相對較少。本文以土地利用、MODIS NDVI、年平均氣溫、年降水量數據為基礎，采用線性趨勢、F檢驗等方法，分析秦嶺北麓土地利用和NDVI時空變化特征，及土地利用變化對植被指數影響，為秦嶺北麓生態環境保護提供科學支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區

研究區位于陜西省境內，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由山地地貌向河流谷地地貌的過渡區域，是生態環境以自然為主向以人類活動為主的過渡區域。研究區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）。研究區氣候為溫帶季風氣候，夏季炎熱，冬季寒冷；區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（關中平原），地勢平坦，以農業植被和城市建設用地為主。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 研究區位置

1.2 數據

土地利用數據：收集自歐空局發布的2000年、2005年、2010年和2015年300 m分辨率土地覆蓋數據，該數據采用聯合國土地覆蓋分類系統。數據預處理時，對土地覆蓋分類系統進行合并處理，最終得到包括耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6大類的土地利用數據。

MODIS NDVI：2000—2018年MOD13Q1 250 m（分辨率）16 d數據，利用MRT工具對MODIS NDVI進行提取、投影轉換、重采樣，利用研究區矢量邊界裁切得到16 d數據，再利用MVC方法提取得到年值數據。

氣溫、降水空間插值數據（2000—2015年），該數據是基于全國2 400多個氣象站點日觀測數據，利用澳大利亞ANUSPLIN插值軟件插值處理生成，數據分辨率為1 km。

4）DEM數據：覆蓋研究區范圍的90 m分辨率DEM數據，下載自地理空間數據云，用于研究區范圍的提取。

1.3 研究方法

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

2 結果

2.1 土地利用時空變化

對各土地利用類型2000—2015年柵格數量統計分析表明，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，其中耕地減少比例最高，達到4.65%，僅建設用地呈增加過程，增加比例為5.05%（圖2a）。從變化速率來看，秦嶺北麓建設用地增加速率最高，達到304.14%，即秦嶺北麓建設用地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，分別達到16.99%、11.15%和8.06%（圖2b）。分階段來看，耕地在各個階段減少比例均是最高的，而建設用地在各個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為耕地減少和建設用地快速增加，其中減少耕地的99.11%轉為了建設用地。2000—2015年秦嶺北麓除林地轉為草地和耕地所占轉出林地面積比例較大外，減少的耕地、草地、水體、未利用地主要轉為了建設用地，其空間分布也主要集中在西安市等關中城市區域附近（圖3）。

圖2 土地利用時間變化過程

2.2 植被指數時空變化

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），但從多項式擬合結果看，NDVI變化過程存在升高-降低-升高的現象，其中2000—2007年NDVI呈快速升高趨勢，2008—2016年成快速減少趨勢，之后又呈增加趨勢。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、植被水平最好的時期，之后NDVI距平值均為負值，反映了NDVI水平降低、植被狀況變差的過程（圖4）。根據變化速率（增加和減少）和F檢驗結果（顯著和不顯著）疊加分析結果，將2000—2018年秦嶺北麓植被指數空間變化分為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，顯著減少區域集中分布在平原地區即秦嶺北坡坡腳到北側的渭河之間區域，顯著增加區域主要分布在秦嶺北坡上（圖5）。

圖3 2000—2015年土地利用轉移空間分布

圖4 植被指數變化過程

圖5 植被指數空間變化分布

2.3 土地利用變化對植被指數影響

2000—2015年秦嶺北麓土地利用變化主要表現為其他土地利用類型向建設用地的轉移過程，統計耕地、林地、草地和未利用地轉為建設用地、林地轉為耕地和草地、草地轉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、草地和未利用地轉為建設用地的區域，2000—2015年NDVI均表現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，即林地轉為建設用地引起的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）。林地轉為耕地和草地的區域，其NDVI在2000—2015年呈增加過程，其中林地轉為耕地的區域NDVI增加過程顯著，增加速率為0.000 7/a（圖6e和圖6f）。草地轉為耕地和林地的區域，其NDVI在2000—2015年也均呈增加過程，其中草地轉為林地區域的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受到人類活動和氣候變化的雙重影響，土地利用變化是人類活動的重要表現形式。秦嶺北麓2000—2015年土地利用類型向建設用地轉變，導致變化區域NDVI快速下降，而林地和草地向耕地及其相互轉變區域，NDVI呈增加過程。從氣候變化的角度來看，2000—2015年秦嶺北麓經歷了水、熱同步增長的過程，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發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域集中分布在秦嶺北麓南部山地區域，而NDVI下降主要集中在北部平原區。這一結果反映出秦嶺北麓平原區植被生態環境受人類活動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用地增加比例最高并增速最快，減少的耕地主要轉為了建設用地，集中分布在關中平原城市區域附近。2000—2018年秦嶺北麓NDVI呈波動下降過程，空間上顯著減少和顯著增加的比例相當，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用的轉化，導致NDVI快速下降，而林地、草地互轉和轉為耕地促進了NDVI提升。2000—2015年秦嶺北麓呈氣溫升高降水增多的變化趨勢，為該區植被改善提供了有利條件，但人類活動引起的建設用地擴張導致區域整體植被水平下降。總體上，秦嶺北麓整體植被生態變差，局部有改善。