近22年民勤地区植被变化的时空特征及其驱动因素

摘要 选择植被作为指示因子，基于SPOT-VGT NDVI数据集，结合气象数据和社会经济发展政策，运用Theil-Sen Median趋势分析法、Mann-Kendall显著性检验法及相关性分析方法，探究1998—2019年民勤地区植被覆盖变化的时空特征及可能驱动因素。结果表明，近22年民勤地区总体植被覆盖增加，沙漠化改善明显；归一化植被指数（NDVI）以平均年增速0.16%小幅上升并伴随宽幅振荡，空间变化上存在着明显的空间差异；民勤地区风力对于该地区植被变化的影响显著，且对当地人类活动特别是生态环境治理政策的推行有响应。建议在之后的环境治理中从风力的角度解决绿洲与沙漠缓冲地区的植被退化问题。

关键词 归一化植被指数（NDVI）；植被覆盖变化；时空特征；驱动因素；民勤地区

中图分类号 X 173  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）02-0068-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.02.018

Temporal and Spatial Characteristics of Vegetation Change and Its Driving Factors in Minqin Region in Recent 22 years

ZHOU Rui1，2，GAO Yu-ting1，SHI Li-rong1 et al

（1.Gansu Institute of Soil and Water Conservation，Lanzhou，Gansu 730000;2.School of Resources and Environment，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000）

Abstract Vegetation was selected as the indicator，based on SPOT-VGT NDVI data set，combined with meteorological data and socio-economic development policies，Theil-Sen Median trend analysis，Mann-Kendall significance test and correlation analysis were used to explore the temporal and spatial characteristics and possible driving factors of vegetation cover change in Minqin from 1998 to 2019.The results showed that the vegetation coverage in Minqin area had increased and desertification had improved significantly in the past 22 years.Normalized vegetation index （NDVI） increased slightly with an average annual growth rate of 0.16% and fluctuated in a wide range.There were obvious differences in spatial change.Wind power had a significant impact on vegetation change in Minqin region，and responds to local human activities，especially the implementation of ecological and environmental governance policies.Therefore，it is suggested that the government should address vegetation degradation in oasis and desert buffer areas from the perspective of wind power in future environmental governance.

Key words Normalized vegetation index （NDVI）; Vegetation cover change;Temporal and spatial characteristics;Driving factors;Minqin region

基金项目 甘肃省水利厅水土流失补偿费计划项目（甘水水保发〔2019〕276号）。

作者简介 周蕊（1983—），女，甘肃兰州人，工程师，在读博士，从事水土保持监理监测和半干旱区水文研究。

收稿日期 2022-03-23

荒漠化是指气候变化和人类活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化［1］。我国的荒漠、荒漠化土地面积共计超过240万km2，占总面积的25%以上［2］，其中西北地区土地荒漠化问题尤为严重。荒漠化导致土壤侵蚀、植被覆盖减少以及沙尘暴频繁发生，严重影响当地经济发展和人类生存环境［3］，我国每年由于荒漠化损失近540亿元［4］，因此荒漠化一直以来是我国最严重的生态环境和社会经济问题之一［5-6］。

植被作为陆地生态系统主要组成部分，联系并沟通了各大圈层［7］，因此植被在一定程度上能够指示区域生态环境的变化［8-9］。目前，遥感技术已成为监测植被动态变化的重要手段［6，10］，包括一系列植被指数和高清卫星影像等方式，其中归一化植被指数（normalized different vegetation index，NDVI）常被用来指示植被覆盖变化，被广泛运用于监测植被动态变化［11-13］。目前针对不同的传感器，发展得到了多种NDVI数据集，其中SPOT-VGT （SPOT VEGETATION） NDVI时间序列最长，能满足植被动态变化长期监测研究的需求，且在空间分辨率、光谱分辨率和几何纠正等方面具有优势［14］，使用SPOT NDVI数据集对于提高植被长期动态监测的准确性具有重要意义。截至目前，很多学者已经使用归一化植被指数研究了多数地区的植被覆盖现状，例如潘霞等［15］采用2000—2016年植被生长季的NDVI数据对阿拉善盟地区的荒漠动态程度进行反演和评价；康文平等［16］通过对2000—2013年柴达木盆地NDVI数据分析发现气温、降水和潜在蒸散量均与NDVI呈正相关。

民勤绿洲位于石羊河流域下游，是石羊河延伸到腾格里沙漠和巴丹吉林两大沙漠之间的非地带性景观，具有十分重要的生态屏障作用［17］。在自然条件方面，民勤县由于深处大陆腹地，受控于大陆性温带干旱气候和青藏高原气候的双重影响，水热条件分布不均，成为我国河西区域荒漠化最严重的地区之一［18］。在人类活动方面，从20世纪70年代开始，由于石羊河中上游用水量的增加，导致下游绿洲的水量逐年减少；同时由于下游过度开挖机井、开采地下水灌溉农田，从而导致民勤绿洲地下水位下降、绿洲萎缩、土地盐渍化、沙漠化等一系列严重的生态系统问题。因此，明确民勤地区荒漠化的原因和驱动机制是有效开展荒漠化防治的基础和关键。已有学者基于Landsat卫星系列遥感影像和MODIS植被指数产品MOD13进行了民勤绿洲的植被变化及其成因的相关研究。如马倩倩等［19］利用2002—2012年 MODIS-NDVI数据产品，分析认为泛河西地区植被覆盖变化总体呈增加趋势，植被变化对降水的敏感性高于气温。滑永春等［20］利用 Landsat TM/OLI数据，分析了2001—2014年甘肃民勤县植被变化，认为中高覆盖度的植被面积呈扩大趋势，而低覆盖度的植被面积呈减少趋势，民勤县生态环境改善显著。但是以往的研究往往将全域植被覆盖度的年均值作为指标来进行探讨年际变化，而并未考虑到在人类活动强烈的地区，荒漠戈壁区与常年植被覆盖地区的指标变化的原因可能存在明显的差异。因此，探究民勤地区的植被变化及其原因应选择将植被区域（NDVI>0.1）作为研究区进行统计和分析，才能更加明确其植被变化的原因及驱动机制。在先前研究中大多数研究认为温度和降水是影响植被变化和荒漠化的主要气候因子［21-23］。但是，近期有研究也表明风力强度对干旱和半干旱地区荒漠化发展和植被变化的影响越来越显著［24-26］。笔者对民勤地区1998—2020年植被覆盖区域NDVI的动态变化进行监测，揭示近22年民勤县荒漠化过程及变化规律；探索荒漠化过程对气候变化与水循环的反馈机制，增加对风力和有效湿度这2个气候因子与植被变化的分析；在此基础上，对该地区水土保持和生态恢复的管理和利用策略进行探讨，以期为该地区绿洲的保护与开发以及可持续发展提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

甘肃民勤绿洲（38°04′07″～39°27′38″N，101°49′38″～104°11′55″E）位于河西走廊北部，石羊河流域下游，我国第二大沙漠巴丹吉林沙漠和第三大沙漠腾格里沙漠之间（图1），东西长约206 km，南北宽约156 km，总面积约1.59万km2［27］。沙漠和荒漠化面积约占90%，绿洲面积仅占10%，是全国受荒漠化危害最严重的地区之一。

民勤地区东、北、南3面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠所包围，其气候特征主要是以大陆性沙漠气候为主。全年气候干旱少雨，多年平均降水量约为 110 mm，年日照时数长，积温高，蒸发旺盛，潜在年蒸发量可达 2 644 mm，是年降水量的 24 倍以上。民勤地区大风天气较多，风沙活动强烈。受自然因素的影响，该区域自然灾害频发，对人类活动影响较大。

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 NDVI数据。该研究选取的SPOT-VGT NDVI数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）提供下载的“中国长时间序列植被指数（ NDVI） 空间分布数据集”，是通过最大值合成法生成的1998—2019年的月度植被指数数据集，时间分辨率为1 d，空间分辨率为1 km，被广泛运用于植被和生态环境的研究［28-30］。该研究对SPOT-VGT NDVI数据集进行格式转换、掩膜提取等预处理，得到了民勤地区NDVI数据集。

民勤地区植被生长最茂盛的时段在盛夏，最能反映植被生长状况。因此该研究基于SPOT-VGT NDVI数据集计算了1998—2019年民勤地区生长季（6—9月）NDVI月均值，得出6—9月NDVI月均值分别为0.215 8、0.244 2、0.233 2、0.199 3，可见近22年民勤地区NDVI月均值最高值出现在7月。同时，研究区7月NDVI月均值与其生长季（6—9月）NDVI呈显著正相关（图2），这表明7月NDVI月均值可以用来指示民勤地区生长季的植被生长状况。因此，该研究选择研究区域7月NDVI剔除非植被区域（多年平均NDVI<0.1的区域）后的NDVI数据指示该地区植被生长的年变化情况，并进行下一步的研究。

1.2.2 气象数据。在中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）下载民勤气象站点1998—2020年的气象数据，具体包括年降水量（mm）、年平均气温（℃）、每日风速（m/s）、日平均温度（℃）、日平均湿度（%）。在干旱地区，水分对植被生长尤为重要，而水分不仅与降水相关，还受到蒸发的影响，因此对植被生长实际有效的水分需要综合考虑降水量和蒸发量的共同影响。年降水量（P）与年潜在蒸散发（PET）的比值表示有效水分（P∶PET），对于干旱区植被生长十分重要，其中PET的计算可参考Penman-Monteith蒸散发估算公式［31］。另外，为了更好地分析风力对植被覆盖变化和荒漠化进程的影响，选取了强风频率（w）和输沙势（DP）2个指标。综上，该研究选取和计算1998—2019年民勤气象站点年降水量、年平均气温、P∶PET、w和DP共5个气候因子来探究自然要素对民勤地区植被生长的影响。

1.3 研究方法

1.3.1 最大值合成法。为了进一步消除云、大气和月内物候等影响，该研究采用国际通用的最大值合成法计算区域内每个栅格每月最大NDVI值。计算公式如下：

MNDVIi=max（NDVI1，NDVI2）（1）

式中，MNDVIi为第i月NDVI最大值，i=1，2，…，12为月序号，NDVI1为第i月上半月NDVI值，NDVI2为第i月下半月NDVI值。