1982—2017年黑河流域植被指数动态及其对气候变化与生态建设工程的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00146

摘要/Abstract

摘要：

为改善黑河流域生态系统整体功能，缓解植被退化趋势，中国自2000年起先后在黑河流域实施了一系列生态建设工程。在气候变化背景下，客观衡量生态建设工程的效益具有重要意义。本研究基于1982—2017年归一化差异植被指数（NDVI）数据集和气候数据，采用趋势分析研究黑河流域植被的动态变化，结合偏相关分析和残差分析来剥离气候变化和生态建设工程对植被的影响。结果表明：（1）1982—2017年黑河流域植被NDVI总体波动上升，2000年后NDVI增加速率呈上升趋势；（2）气温和降水的增加趋势对NDVI起正向作用，且降水增加对NDVI的影响更显著；（3）自2000年生态建设工程实施后，人类活动对植被NDVI变化的影响占据主导地位，30.18%的研究区受到生态建设工程的正向影响，其中在耕地和林地的表现尤为突出。这表明生态建设工程对黑河流域植被增加产生重要影响。

关键词: NDVI, 气候变化, 生态建设工程, 土地覆被, 黑河流域

Abstract:

In order to improve ecosystem functions and prevent vegetation degradation in the Heihe River Basin， China has implemented a series of ecological protection projects in the Heihe River Basin since 2000. It is of great significance to quantitatively isolate the contribution of ecological projects from the effect of climate change to better assess the effectiveness of these projects. Based on NDVI and climatic datasets in the Heihe River Basin， this study adopted trend analysis to derive the spatial and temporal patterns of vegetation dynamics， and used the combined partial correlation analysis and residual analysis to distinguish the impact of climate change from that of ecological protection projects on vegetation from 1982 to 2017. The results showed that：（1） NDVI exhibited an upward trend in the Heihe River Basin from 1982 to 2017， especially after 2000. （2） Temperature and precipitation had a positive effect on the NDVI， and the increase in precipitation made more contribution to the greening trend. （3） After the implementation of the ecological protection project in 2000， the impact of human activities dominated the change of NDVI. The implementation of ecological construction projects explained up to 30.18% of the total variance of NDVI， and the contribution was even more in cultivated lands and forests. We concluded that the ecological protection projects played an important role in the greening of vegetation in the Heihe River Basin. Our research could improve the understanding of vegetation dynamics in the Heihe River Basin and provide scientific evidence for promoting ecological construction and sustainable development in arid areas.

Key words: NDVI, climate change, ecological project, land cover, Heihe River Basin

中图分类号:

X171.4

韩子言, 蒙吉军, 邹易, 朱利凯. 1982—2017年黑河流域植被指数动态及其对气候变化与生态建设工程的响应[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 96-106.

Ziyan Han, Jijun Meng, Yi Zou, Likai Zhu. Vegetation dynamics and their response to climate change and ecological protection projects in the Heihe River Basin from 1982 to 2017[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(3): 96-106.

图/表 10

图1 研究区示意图

Fig.1 Geographic features of study area

图2 1982—2017年黑河流域植被指数（NDVI）和气温、降水量的年际变化趋势

Fig.2 Trends of NDVI （A）， temperature （B） and precipitation （C） in Heihe River Basin during 1982-2017

图3 不同阶段黑河流域植被NDVI变化趋势（A~C）及显著性检验（D~F）的空间分布

Fig.3 Spatial patterns of NDVI trend （A，B，C） and statistical significance （D，E，F） in Heihe River Basin during 1982-2017

表1 不同阶段 NDVI 变化趋势统计（%）

Table 1 Trends of NDVI in different stages（%）

阶段	NDVI增加			NDVI降低
阶段	极显著	显著	不显著	极显著	显著	不显著
1982—1999年	6.93	36.11	28.83	1.80	6.01	20.33
2000—2017年	17.15	5.58	13.50	21.13	17.19	25.43
1982—2017年	27.36	3.11	18.88	22.13	4.88	23.64

表2 1982—2017年不同土地覆被类型 NDVI 变化趋势面积占比统计（%）

Table 2 Proportions of different NDVI trends by land cover type from 1982 to 2017（%）

土地覆被类型	耕地	林地	草地	建设用地	未利用地
NDVI增加区域面积占比	95.73	90.30	64.13	33.33	34.18
NDVI降低区域面积占比	4.27	9.70	35.87	66.67	65.82

图4 黑河流域NDVI与气候因子之间的偏相关性（A、B）及显著性检验（C、D）的空间分布

Fig.4 Spatial patterns of partial correlation coefficients （A，B） and statistical significance （C，D） between NDVI and climatic factors in Heihe River Basin

图5 气候变化对黑河流域NDVI的相对贡献率的空间分布

Fig.5 Spatial pattern of the relative contribution of climate change to NDVI in the Heihe River Basin

图6 黑河流域1982—2017年NDVI残差趋势（A）及显著性检验（B）的空间分布

Fig.6 Spatial distribution of NDVI residual trends （A） and statistical significance （B） in the Heihe River Basin

图7 人类活动对黑河流域NDVI的相对贡献率的空间分布

Fig.7 Spatial pattern of relative contribution of human activities to NDVI in the Heihe River Basin

图8 不同时期气候变化和生态建设工程对植被动态影响的空间分布（A~C）及不同土地覆被类型统计（D~F）

Fig.8 Spatial patterns of the distinguished impacts of climate change and ecological project on vegetation in different periods （A，B，C） and the summarized results by land cover （D，E，F）

参考文献 43

1	Walter V R， Harold A M， Angela C，et al.Millennium Ecosystem Assesment.Ecosystems and human well-being：synthesis［J］.Physics Teacher，2005，34（9）：534-534.
2	Fischer M， Rounsevell M， Torre-Marin A，et al.Summary for Policymakers of the IPBES Regional Assessment Report on Biodiversity and Ecosystem Services for Europe and Central Asia［R］.2018.
3	Mao J， Ribes A， Yan B，et al.Human-induced greening of the northern extratropical land surface［J］.Nature Climate Change，2016，6：959-963.
4	Song X P， Hansen M C， Stehman S V，et al.Global land change from 1982 to 2016［J］.Nature， 2018，560（7720）：639-643.
5	Petz K， Alkemade R， Bakkenes M，et al.Mapping and modelling trade-offs and synergies between grazing intensity and ecosystem services in rangelands using global-scale datasets and models［J］.Global Environmental Change，2014，29：223-234.
6	Ballantyne A， Smith W， Anderegg W，et al.Accelerating net terrestrial carbon uptake during the warming hiatus due to reduced respiration［J］.Nature Climate Change，2016，7：148-152.
7	Forzieri G， Alkama R， Miralles D G，et al.Satellites reveal contrasting responses of regional climate to the widespread greening of Earth［J］.Science，2016，356：1180-1184.
8	Wang S， Song S， Zhang J，et al.Achieving a fit between social and ecological systems in drylands for sustainability［J］.Current Opinion in Environmental Sustainability，2021，48：53-58.
9	UN.Transforming Our World：the 2030 Agenda for Sustainable Development［R］.2015.
10	Ma Z， Yan N， Wu B，et al.Variation in actual evapotranspiration following changes in climate and vegetation cover during an ecological restoration period （2000-2015） in the Loess Plateau，China［J］.Science of the total environment，2019，689：534-545.
11	Myneni R B， Keeling C D， Tucker C J，et al.Increased plant growth in the northern high latitudes from 1981 to 1991［J］.Nature，1997，386（6626）：698-702.
12	Piao S， Wang X， Ciais P，et al.Changes in satellite‐derived vegetation growth trend in temperate and boreal Eurasia from 1982 to 2006［J］.Global Change Biology，2011，17（10）：3228-3239.
13	解晗，同小娟，李俊，等.2000-2018年黄河流域生长季植被指数变化及其对气候因子的响应［J］.生态学报，2022，42（11）：4536-4549.
14	Liu X， Pei F， Wen Y，et al.Global urban expansion offsets climate-driven increases in terrestrial net primary productivity［J］.Nature Communications，2019，10（1）：1-8.
15	Li M， Yu H， Meng B，et al.Drought reduces the effectiveness of ecological projects：perspectives from the inter-annual variability of vegetation index［J］.Ecological Indicators，2021，130：108158.
16	Jiang H， Xu X， Guan M，et al.Determining the contributions of climate change and human activities to vegetation dynamics in agro-pastural transitional zone of northern China from 2000 to 2015［J］.Science of the Total Environment，2020，718：134871.
17	Zheng K， Wei J Z， Pei J Y，et al.Impacts of climate change and human activities on grassland vegetation variation in the Chinese Loess Plateau［J］.Science of the Total Environment，2019，660：236-244.
18	Zhang H， Fan J， Cao W，et al.Response of wind erosion dynamics to climate change and human activity in Inner Mongolia，China during 1990 to 2015［J］.Science of the Total Environment，2018，639：1038-1050.
19	Chu H， Venevsky S， Wu C，et al.NDVI-based vegetation dynamics and its response to climate changes at Amur-Heilongjiang River Basin from 1982 to 2015［J］.Science of the Total Environment，2019，650：2051-2062.
20	唐见，曹慧群，陈进.生态保护工程和气候变化对长江源区植被变化的影响量化［J］.地理学报，2019，74（1）：76-86.
21	朱丽君，蒙吉军，李江风.河北省植被覆盖变化及对生态建设工程的响应［J］.北京大学学报（自然科学版），2021，56（4）：755-764.
22	Zhou J J， Zhao Y， Huang P，et al.Impacts of ecological restoration projects on the ecosystem carbon storage of inland river basin in arid area，China［J］.Ecological Indicators，2020，118：106803.
23	You N， Meng J， Zhu L，et al.Isolating the impacts of land-use/cover change and climate change on the GPP in the Heihe River Basin of China［J］.Journal of Geophysical Research：Biogeosciences，2020，125：e2020JG005734.
24	Li Y， Cao Z， Long H，et al.Dynamic analysis of ecological environment combined with land cover and NDVI changes and implications for sustainable urban-rural development：the case of Mu Us Sandy Land，China［J］.Journal of Cleaner Production，2017，142：697-715.
25	Song Y， Ma M， Veroustraete F.Comparison and conversion of AVHRR GIMMS and SPOT VEGETATION NDVI data in China［J］.International Journal of Remote Sensing，2010，31（9）：2377-2392.
26	Jiang W， Yuan L， Wang W，et al.Spatio-temporal analysis of vegetation variation in the Yellow River Basin［J］.Ecological Indicators，2015，51：117-126.
27	易扬，胡昕利，史明昌，等.基于MODIS NDVI的长江中游区域植被动态及与气候因子的关系［J］.生态学报，2021，41（19）：7796-7807.
28	苗旭，李九一，宋小燕，等.2000-2020年鄂尔多斯市植被NDVI变化格局及归因分析［J］.水土保持研究，2022，29（3）：300-307.
29	沙清泉，贡色，苏熠，等.2000-2015年长三角地区植被NPP时空变化特征及其驱动因素［J］.地理科学研究，2022，11（3）：320-335.
30	Evans J， Geerken R.Discrimination between climate and human-induced dryland degradation［J］.Journal of Arid Environments，2004，57（4）：535-554.
31	Qu S， Wang L， Lin A，et al.What drives the vegetation restoration in Yangtze River Basin，China：climate change or anthropogenic factors？［J］.Ecological Indicators，2018，90：438-450.
32	Neigh C S， Tucker C J， Townshend J R.North American vegetation dynamics observed with multi-resolution satellite data［J］.Remote Sensing of Environment，2008，112（4）：1749-1772.
33	Fensholt R， Rasmussen K， Nielsen T T，et al.Evaluation of earth observation based long term vegetation trends-Intercomparing NDVI time series trend analysis consistency of Sahel from AVHRR GIMMS，Terra MODIS and SPOT VGT data［J］.Remote Sensing of Environment，2009，113（9）：1886-1898.
34	Han Z， Meng J， Zhu L，et al.Quantifying trade-offs of land multifunctionality evaluated by set pair analysis in ecologically vulnerable areas of northwestern China［J］.Land Degradation & Development，2022，33（12）：1999-2013.
35	罗敏，古丽·加帕尔，郭浩，等.2000-2013年塔里木河流域生长季NDVI时空变化特征及其影响因素分析［J］.自然资源学报，2017，32（1）：50-63.
36	Spano D， Cesaraccio C， Duce P，et al.Phenological stages of natural species and their use as climate indicators［J］.International Journal of Biometeorology，1999，42（3）：124-133.
37	徐浩杰，杨太保.柴达木盆地植被生长时空变化特征及其对气候要素的响应［J］.自然资源学报，2014，29（3）：398-409.
38	Slayback D A， Pinzon J E， Los S O，et al.Northern hemisphere photosynthetic trends 1982-99［J］.Global Change Biology，2003，9（1）：1-15.
39	Ferreira M T， Aguiar F C， Nogueira C.Changes in riparian woods over space and time：influence of environment and land use［J］.Forest Ecology and Management，2005，212（1/3）：145-159.
40	Hao X， Li W.Impacts of ecological water conveyance on groundwater dynamics and vegetation recovery in the lower reaches of the Tarim River in northwest China［J］.EnvironmEntal Monitoring and Assessment，2014，186（11）：7605-7616.
41	邵全琴，刘树超，宁佳，等.2000-2019年中国重大生态工程生态效益遥感评估［J］.地理学报，2022，77（9）：2133-2153.
42	Berdimbetov T， Ilyas S， Ma Z，et al.Climatic change and human activities link to vegetation dynamics in the Aral Sea Basin using NDVI［J］.Earth Systems and Environment，2021，5（2）：303-318.
43	景泓元，刘志东，胡保安，等.人类活动对山西省不同地表覆盖类型NDVI时空变化的影响［J/OL］.生态学杂志，2022：1-10..

[1]	梁鹏飞, 辛惠娟, 李宗省, 南富森, 唐彪, 张文豹. 基于Budyko假设的党河径流变化归因[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 210-219.
[2]	段然, 李宗杰, 王昱, 刘晓颖, 桂娟, 梁鹏飞, 李玉辰, 薛健, 刘梦晴, 徐斌. 石羊河流域径流变化特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 57-68.
[3]	杜可心, 张福平, 冯起, 魏永芬, 杨嘉炜. 黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 139-149.
[4]	辛春明, 何明珠, 李承义, 张力斌, 李新荣. 荒漠土壤氧化亚氮排放及其驱动因素研究进展[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 184-194.
[5]	孙红, 段霁芸, 刘雨洁, 冉瑞兰, 李晓凤, 赵鹏善. 气候变化背景下沙蓬属（ *Agriophyllum* ）物种潜在地理分布[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 255-263.
[6]	杨宇哲, 岳大鹏, 赵景波, 刘怡婷, 李嘉宁, 杨天宇. 毛乌素沙地东南缘L₃ 、S₃ 黄土-古土壤色度特征及古气候意义[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 176-186.
[7]	和海秀, 付爱红, 王川. 塔城地区西北部低山草甸植被指数变化及其驱动力[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 187-196.
[8]	王生棠, 盖迎春, 王少昆, 张晓龙, 杨映. 黑河流域植物物种多样性对土地利用变化的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 221-232.
[9]	秦豪君, 杨晓军, 马莉, 王一丞, 傅朝, 张君霞, 陆正奇. 2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征及成因[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 53-64.
[10]	柳欣滢, 金明, 杨帆, 马亚鹏, 刘慧, 孙小云, 夏敦胜. 毛乌素沙地东缘中全新世以来环境变化及其对文明演化的影响初探[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 92-100.
[11]	尹振良, 冯起, 王凌阁, 陈泽霞, 常亚斌, 朱睿. 2000—2019年中国西北地区植被覆盖变化及其影响因子[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 11-21.
[12]	朱士华, 方霞, 杭鑫, 谢小萍, 孙良宵, 曹良中. 中亚草地植被指数（ *NDVI* ）对气候变化及人类活动的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 229-241.
[13]	陈雪萍, 赵学勇, 王瑞雄, 宁志英, 卢建男, 赵思腾. 气候变化与土地利用/覆被变化对中国北方农牧交错带水资源影响研究进展[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 170-177.
[14]	宫毓来, 马绍休, 刘伟琦. 机器学习与统计模型在石羊河流域气候降尺度研究中的适用性对比[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 196-210.
[15]	柳本立, 彭婉月, 刘树林, 杨婷. 2021年3月中旬东亚中部沙尘天气地面起尘量及源区贡献率估算[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 79-86.