代子俊，赵 霞，李冠稳，王兴春，庞龙辉

(青海师范大学 地理科学学院，中美合作(青海师范大学&普渡大学)自然资源与环境建模实验室，青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008)

植被是连接各个生态系统的“纽带”，对生态系统的稳定起着重要作用[1]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)可以反映植被生长状况及植被覆盖变化特征，被用于研究小区域乃至全球的植被、生态环境变化，在植被指数中应用最为广泛[2-3]。

在气候暖干化和人类活动综合影响下，青海省植被覆盖发生了重大变化。已有研究表明，青海省植被覆盖整体呈增长趋势[2]，局部区域有退化趋势[4-5]，该区域植被覆盖变化对气候变化较为敏感[6-7]。刘栎杉等[8]利用1 km MODIS/NDVI数据，采用线性趋势分析、标准差等方法，研究了青海省2000-2009年“退耕还林还草”实施10年来植被覆盖的时空变化特征，结果表明青海省植被覆盖变化以轻微改善较多，明显改善的地区主要集中在柴达木盆地东南边缘、青海湖盆地、茶卡-共和盆地、河湟谷地及黄南低地；王莉雯等[9]基于1 km MODIS/NDVI数据，对青海省2001-2006年的地表植被覆盖空间分布和时间序列变化进行了定量分析，发现5年中青海省植被覆盖有所改善，植被覆盖率增加了0.63%。然而，目前研究青海省植被NDVI变化所用影像的分辨率普遍较低[2,4-9]，采用的方法也多为线性趋势统计方法，其规避误差的能力较差,并且针对青海省植被NDVI未来变化趋势的研究鲜见报道。

MODIS数据产品时间跨度长、时间分辨率高、覆盖范围广且数据免费易获取，因此被广泛用于研究长时间跨度的植被覆盖变化[10-11]；MODIS13Q1数据产品能够详尽地反映区域尺度上植被覆盖的空间差异性，同时对植被覆盖状况敏感区域的生态环境监测也具有明显优势[12-14]。因此，本研究基于250 m分辨率的MODIS13Q1数据，通过MRT软件拼接、投影转换及最大值合成，得到2000-2015年青海省逐年植被生长季节NDVI值，采用规避误差能力较强的Sen+Mann-Kendall趋势变化分析方法，以像元为基本单元研究植被NDVI的空间变化特征，并通过Hurst指数分析，研究青海省未来植被NDVI变化趋势；同时辅以青海省气温和降水数据，揭示植被NDVI变化对气候变化的响应规律，以期为青海省生态建设提供一定参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

青海省位于中国西北部内陆腹地，地理位置为89°35′～103°04′E和31°39′～39°19′N，属于高原大陆性气候，气温普遍较低，区域间气温差异显著且垂直变化明显。根据青海省地形特征、气候差异和人类活动等因素，将研究区划分为柴达木盆地、环湖和祁连山区、东部农业区及青南牧区4个子区。东部农业区年平均气温2～9 ℃，年降雨量250～550 mm，降雨较多且主要集中于7-9月；柴达木盆地年平均气温2～5 ℃，年降雨量近200 mm，气候干燥，年日照时长达3 000 h以上；东北部的祁连山区及青南高原年均温度较低，年降雨量一般为100～500 mm。受地形和气候条件限制，青海省植被类型多以高寒灌丛、高寒草甸及高寒草原为主，荒漠和山地草原次之，森林植被则比较少。青海省北部降水量由东向西逐渐减少，植被类型由东北部温性草原植被向柴达木盆地东部草原荒漠、中部荒漠、西北部风蚀残丘、流沙过渡；南部的青南高原处在西北-东南近似东西走向的东昆仑山和唐古拉山之间，植被类型由东南部的寒温性针叶林、高寒灌丛向中部玛沁-玉树高寒灌丛、高寒草甸及西北黄河-长江上游高寒草甸过渡[15]。在1∶400万中国植被图基础上，通过青海省行政区边界裁剪，得到青海省植被类型图。青海省子区划分及植被类型分布见图1。

1.2 数据来源与处理

遥感数据为2000-2015年的MODIS13Q1数据集，来源于美国航天航空(NASA)数据中心，网址为https://wist.echo.nasa.gov/api。该数据集为16 d合成的L3级数据产品，空间分辨率为250 m×250 m。青海省覆盖了h25v5、h26v5两幅MOD13Q1数据。借鉴赵健赟等[2]对青海省年内植被生长变化的研究结果，青海省植被生长季节一般在5-9月，故本研究选取5-9月的NDVI数据，每月2景，生长期内共160景。首先利用MRT(MODIS ReProjection Tools)软件进行影像拼接和投影转换，然后采用最大值合成法(maximum value composite,MVC)获得逐年植被生长季节5-9月最大合成NDVI数据。气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI年际变化 利用MVC法[16-17]得到青海省2000-2015年逐年每月的NDVI数据，公式如下:

(1)

研究区所有像元2000-2015年逐年生长季节平均NDVI值计算公式为：

(2)

1.3.2 Sen+Mann-Kendall趋势变化分析 将能反映趋势变化的Theil-Sen Median方法和检验趋势变化显著性的Mann-Kendall方法结合[18-20]，与常见的植被年际变化一元线性回归方法相比，该方法对数据误差的规避能力较强，可以减少异常值的影响，使分析检验结果更准确可靠[21]。本研究应用MATLAB 2016生成Theil-Sen Median和Mann-Kendall函数。Theil-Sen Median趋势分析计算公式如下:

2000≤i

(3)

Mann-Kendall检验公式如下：

(4)

其中,

方差V(S)=n(n-1)(2n+5)/18。统计量Z通过下式计算：

1.3.3 Hurst指数分析 R/S分析是一种基于长程相关思想的时间序列分析方法[22]，由H.E.Hurst于1965年最先提出，近期被用于研究植被NDVI变化的可持续性判断[23-25]。为使结果准确可靠，应用IDL8.5生成Hurst函数，其基本步骤如下：

给定时间序列{NDVI(t)}，t=1,2,3, …，n。对于任意正整数u，定义该时间均值序列：

(5)

1≤t≤u。

(6)

(7)

(8)

若存在R/S∝uH，则表示时间序列{NDVI(t)}存在Hurst现象，Hurst指数用H值表示。根据H值可判断植被NDVI变化是完全随机还是存在持续性。当H=0.5时，表示NDVI时间序列自相关性为0，即时间序列前后变化是完全随机的；当0.5

Ⅰ.柴达木盆地；Ⅱ.环湖和祁连山区；Ⅲ.东部农业区；Ⅳ.青南牧区Ⅰ.Qaidam basin;Ⅱ.Central Qinghai lake and Qilian mountains;Ⅲ.Eastern agricultural zone;Ⅳ.Qingnan pastoral area图1 青海省子区划分及植被类型分布Fig.1 Subdivision of Qinghai province and the distribution of vegetation types

2 结果与分析

2.1 青海省平均NDVI的空间分布特征

利用2000-2015年的逐年生长季节NDVI数据，取平均值后得到青海省柴达木盆地、环湖和祁连山区、东部农业区及青南牧区4个子区16年间平均NDVI空间分布图(图2)。

Ⅰ.柴达木盆地；Ⅱ.环湖和祁连山区；Ⅲ.东部农业区；Ⅳ.青南牧区Ⅰ.Qaidam basin; Ⅱ.Central Qinghai lake and Qilian mountains; Ⅲ.Eastern agricultural zone; Ⅳ.Qingnan pastoral area图2 2000-2015年青海省平均NDVI的空间分布Fig.2 Spatial distribution of mean NDVI in Qinghai from 2000 to 2015

由图2可以看出，青海省植被NDVI空间分布特征整体呈现从西北向东南逐渐增大的趋势，植被NDVI值较好(0.3以上)的区域占青海省面积的53.7%。青海省北部降水从东向西逐渐减少，干旱现象逐渐加重，植被类型由东北部温性草原植被向柴达木盆地东部草原荒漠、柴达木盆地中部荒漠、柴达木盆地西北部风蚀残丘、流沙过渡，因此西部柴达木盆地具有较低的NDVI值；而东部农业区海拔相对较低，雨雪丰富，植被生长旺盛，同时也是青海省主要农作物种植区，NDVI值也较高；青海省南部的青南牧区，自东南向西北，地形由山地河谷、峡谷向高原过渡，植被类型由东南部的寒温性针叶林、高寒灌丛向中部玛沁-玉树高寒灌丛、高寒草甸及西北黄河-长江上游高寒草甸过渡[15]，因此NDVI也由东南向西北逐渐降低。

2.2 青海省NDVI的年际变化

2.2.1 青海全省及各子区的变化 根据2000-2015年逐年生长季节NDVI值，基于整幅影像取平均值(式(2))，制作年际NDVI变化图(图3-a)。由图3-a可以看出，16年来青海省NDVI整体呈增长趋势，增速为每10年1.5%，并且通过了逐年P=0.05水平的显著性检验(表1)；NDVI值在0.37～0.42波动，其中2003-2005年、2008-2010年NDVI快速上升，2008年NDVI值最低，处于波谷。

为了更准确地分析青海省16年来植被NDVI的变化规律，通过分区方法，统计各子区NDVI的变化差异。从图3-b-e可以看出，东部农业区、青南牧区、环湖和祁连山区以及柴达木盆地NDVI均呈增加趋势，各子区NDVI变化规律与青海省整体NDVI变化规律一致，不同之处在于各子区NDVI变化速率及相对变化幅度稍有差异。其中东部农业区增长最快，增速为每10年2.3%(表1)，且年际差异显著，该区2000-2002年持续增长，但2008-2010年相对变化幅度低于青海省整体；环湖和祁连山区及青南牧区增速分别为每10年2.2%和1.3%，但均未通过显著性检验；柴达木盆地增速为每10年1.4%，并且通过了显著性检验(P<0.01)。柴达木盆地NDVI变化明显，主要是由于近年来积极实施植树造林，改变了原有的荒漠生态系统格局，植被覆盖明显改善；青南牧区NDVI整体呈增加趋势且相对变化幅度较大，这与国家实施的三江源区生态保护与建设工程密切相关，同时也与局部地区过度放牧、乱挖虫草及气候变化有关。

2.2.2 不同植被类型的变化 青海省植被类型以草原与稀树灌木草原、草甸与草本沼泽、灌丛与萌生矮林为主，其次是荒漠、旱地、针叶林。不同植被类型的NDVI变化规律见图4。

图4 2000-2015年青海省各植被类型NDVI的年际变化Fig.4 Inter-annual variability of NDVI in different vegetation types in Qinghai from 2000 to 2015

由图4可知，所有植被类型NDVI均呈增加趋势，但增加幅度略微不同。由表2可以看出，旱地、草原与稀树灌木草原的NDVI增速最快，分别为每10年2.7%和2.3%，其中草原与稀树灌水草原通过了显著性检验(P<0.05)；针叶林、荒漠的NDVI增速分别为每10年1.5%和 1.1%，但荒漠的年际变化幅度较小，这是由于荒漠地区人类活动干扰较少，因此气候变化是该区植被改善的主要原因；草甸与草本沼泽、灌丛与萌生矮林的NDVI增速均为每10年1.0%，呈改善趋势，且两者的相对变化幅度较大，这与青海省近几年实施退耕还林还草政策有关。

表2 2000-2015年青海省各植被类型NDVI的变化率Table 2 Changes of NDVI in different vegetation types in Qinghai from 2000 to 2015

2.3 青海省NDVI的变化趋势

对16年来青海省植被生长季节NDVI进行Theil-Sen Median趋势变化分析，采用Mann-Kendall方法检验趋势变化的显著性，得到基于像元尺度的2000-2015年青海省NDVI变化趋势空间分布特征。再根据前人研究[25]，将Theil-Sen Median植被NDVI趋势分析的分级结果与Mann-Kendall趋势显著性检验的分级结果在Arcgis10.3中叠加，可将NDVI变化结果划分为5种类型(表3)。由表3可以看出，16年间青海省植被覆盖改善区域(60.51%)明显大于退化区域(17.87%)，其中植被覆盖明显改善区域占青海省总面积的21.26%，轻微改善区域比重最大，占39.25%，稳定不变的区域占21.62%，轻微退化区域占15.75%，严重退化区域占2.12%。

表3 2000-2015年青海省植被NDVI变化趋势统计分析Table 3 Statistical analysis of vegetation NDVI variation in Qinghai from 2000 to 2015

将植被变化趋势和显著性检验叠加，结果(图5)显示，16年间青海省植被改善的区域分布较集中，而植被轻度退化区域分布较零散，且植被改善区域的面积显著大于退化区域。祁连山西部及柴达木盆地周边地区由于近年来积极实施植树造林，改变了原有的荒漠生态系统格局，植被覆盖明显改善；玉树州中西部由于采取围栏封育、造林种草、生态移民等措施，植被覆盖也得到明显改善；祁连山东部及三江源区南部，则由于过度放牧、乱挖乱采，导致植被覆盖轻微退化；柴达木盆地中部盐湖和冲积扇的人工植被区以及湟水谷地，因受农田开垦、旅游、道路修建等人类活动影响较大，导致植被退化严重；柴达木盆地中部半荒漠带和柴达木盆地西北部荒漠带，因气候干燥、人类活动较少，所以植被覆盖基本保持不变。

2.4 青海省NDVI变化的可持续性分析

Hurst指数可以反映序列自相关性及序列发展的相关强度[25]。将植被覆盖变化结果与Hurst指数叠加，结果(图6)显示，青海省未来植被持续改善区域主要分布在柴达木盆地周边、东昆仑山和共和盆地,持续性稳定不变区域主要分布在柴达木盆地西北部荒漠带,持续性退化区域零星分布在湟水谷地和柴达木盆地湖泊周边等人类活动频繁的地方,未来植被由退化转为改善趋势的区域零星分布在青南牧区，未来变化趋势不确定区域主要分布在柴达木盆地中部半荒漠带，未来植被由改善转为退化趋势的区域零星分布在青海湖盆地西部以及柴达木盆地周边。

Ⅰ.柴达木盆地；Ⅱ.环湖和祁连山区；Ⅲ.东部农业区；Ⅳ.青南牧区Ⅰ.Qaidam basin；Ⅱ.Central Qinghai lake and Qilian mountains；Ⅲ.Eastern agricultural zone；Ⅳ.Qingnan pastoral area图5 2000-2015年青海省NDVI的变化趋势Fig.5 Changing trend of vegetation NDVI in Qinghai from 2000 to 2015

Ⅰ.西宁市；Ⅱ.海西州；Ⅲ.海北州；Ⅳ.海东市；Ⅴ.海南州；Ⅵ.黄南州；Ⅶ.果洛州；Ⅷ.玉树州Ⅰ.Xining city;Ⅱ.Haixi prefecture;Ⅲ.Haibei prefecture; Ⅳ.Haidong city;Ⅴ.Hainan prefecture;Ⅵ.Huangnan prefecture;Ⅶ.Guoluo prefecture;Ⅷ.Yushu prefecture图6 青海省不同地区植被覆盖未来变化趋势Fig.6 Future trend of vegetation cover in different regions of Qinghai

将表3植被NDVI变化分析结果与Hurst指数结果叠加，得到青海省未来植被NDVI变化持续性的分级结果，可划分为6种情况，见表4。由表4可知，青海省植被覆盖未来改善的区域占整个区域面积的62.23%，其中持续性改善区域占38.01%，由退化转为改善的区域占24.22%；持续性稳定不变区域占整个区域面积的8.43%；植被覆盖未来有退化趋势的区域占整个区域面积的18.3%，其中持续性退化区域占7.74%，由改善变为退化区域占10.56%；植被覆盖未来变化不确定区域占整个区域面积的11.04%。总体而言，青海省大部分植被未来呈改善趋势。

表4 青海省植被NDVI变化与可持续性叠加分析Table 4 Analysis on change and sustainability of vegetation NDVI in Qinghai

2.5 青海省植被覆盖变化对气象因子及人类活动的响应

由2000-2015年青海省主要地区年均降雨量及年均气温数据可知，降雨量较大的区域主要集中在青海省东南部，东北部的祁连山地区次之，可可西里及西北的柴达木盆地最少，总趋势是由东南向西北递减，与植被覆盖分布情况较一致；祁连山中西部及青南高原年均温较低，而中部的湟水谷地及柴达木盆地年均温较高，总趋势是南北低中间高。年际变化上，对逐年最大合成NDVI数据、青海省内35个气象站点逐年平均气温和降水数据(5-9月)进行相关分析(图7)发现，植被覆盖与降水量、气温的相关系数分别为0.61和0.62，均通过了显著性检验(P<0.05)。

图7 2000-2015年青海省NDVI与气温、降水及人类活动的关系Fig.7 Relationship between vegetation NDVI and temperature,precipitation and human activities inQinghai from 2000 to 2015

由图7-a，b可以看出，2000-2015年气温和降水整体呈增加趋势，2010年以后降水量波动与NDVI波动一致，2008年NDVI最低，这与全省在2008年前后气温较低同步。

植被覆盖变化与人类活动息息相关，尤其与国家退耕还林还草等大型生态恢复政策相关。由图7-c可以看出，自1999年国家实行退耕还林还草生态恢复政策以来，青海省人工造林面积不断攀升，同时NDVI整体也呈增加趋势，说明近年来的生态恢复政策对植被覆盖变化起到了积极作用。但同时青海省的生态建设也面临着严重的威胁，首先是草原面积不断退化，载畜量逐渐下降[7]；其次土壤侵蚀程度日益扩大，水土流失严重[26]。青海省肉用畜出栏数逐年增加，天然草场过度放牧，优良牧草因被反复践踏、食用，得不到繁衍生息的机会，造成草原不同程度的退化(图7-d)。

3 结 论

1)青海省植被覆盖空间分布整体从西北向东南逐渐增加，NDVI值较低地区主要集中在柴达木盆地，较高区域集中在环湖和祁连山区、东部农业区以及青南牧区东南部，这种格局与青海省气候特征及地理格局相吻合，NDVI值达0.3以上的区域占整个区域的53.7%。

2)16年来青海省植被整体呈增长趋势，增长率为每10年1.5%；年均NDVI值在0.37～0.42波动，其中2007-2008年NDVI急剧下降，2003-2005年、2008-2010年NDVI快速上升；各分区植被变化规律与整体变化规律基本一致，东部农业区NDVI增速最快，环湖和祁连山地区、柴达木盆地次之，青南牧区增速最慢；就植被类型而言，旱地、草原与稀树灌木草原NDVI增速最快，针叶林、荒漠次之，草甸与草本沼泽、灌丛与萌生矮林增速较慢。

3)16年间青海省植被覆盖改善区域(60.51%)明显大于退化区域(17.87%)，其中植被覆盖明显改善的区域占总面积的21.26%，主要集中在祁连山西部和柴达木盆地周边；植被覆盖轻微改善区域面积最大，占39.25%，除柴达木盆地中部和西北部荒漠区外均有分布；植被覆盖状况基本不变的区域占21.62%，主要集中在柴达木盆地中部和西北部荒漠区；植被轻微退化区域占15.75%，零星分布在青南牧区东南部、环湖和祁连山区东南部及东部农业区东北部；植被严重退化区域占2.12%，主要分布在柴达木盆地中部盐湖及冲积扇的人工植被区、河湟谷地。

4)植被覆盖变化与Hurst指数叠加结果表明，青海省植被覆盖未来改善的区域占整个区域面积的62.23%，其中持续性改善占38.01%，主要分布在柴达木盆地周边、东昆仑山、共和盆地，由退化转为改善的区域占24.22%，零星分布在青南牧区；稳定不变区域为8.43%；未来变化不确定区域占整个区域面积的11.04%，主要分布在柴达木盆地中部半荒漠及西北部荒漠带；未来有退化趋势的区域占整个区域面积的18.3%，其中持续性退化的占7.74%，主要分布在柴达木盆地中部的盐湖及冲积扇的人工植被区、河湟谷地，由改善变为退化趋势的区域占10.56%，主要分布在青海湖盆地及柴达木盆地周边。总体而言，青海省大部分地区植被覆盖未来呈改善趋势。

青海省是青藏高原的重要组成部分，近年来，由于人类活动和气候变化等因素的直接或间接影响，使得青海省各地区植被覆盖发生了不同程度的变化。本研究所用方法较常规回归斜率方法能更准确地反映青海省植被覆盖变化的趋势及变化程度，且基于像元尺度描绘了青海省未来植被变化趋势的可持续性，对青海省“退耕还林还草”政策的有效实施具有一定的指导意义。但同时研究仍存在很多局限性，首先，植被覆盖变化具有一定的时效性且气候变化具有一定阶段性，本研究时间跨度较短，对研究结果有一定的影响；其次，植被覆盖受气温、降水、地形、海拔、土地利用方式及人类活动等多种因素影响，后续研究需要结合引起NDVI变化的众多因子进行综合分析。