黄河流域植被NPP时空变化...退耕还林还草工程实施的响应_谢艳玲.pdf

年 第 期 谢艳玲，等：黄河流域植被 时空变化及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应引文格式：谢艳玲，夏正清，王涛，等 黄河流域植被 时空变化及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应 测绘通报，（）：黄河流域植被 时空变化及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应谢艳玲，夏正清，王 涛，张政亮，朱冬春（贵州省第一测绘院，贵州 贵阳；北京中色测绘院有限公司，北京；西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安；西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安）摘要：本文以 植被净初级生产力（）数据为基础，结合气温、降水及 数据，开展了 年黄河流域植被 时空变化特征及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应研究。结果表明：黄河流域植被 总体呈显著线性增加趋势（.），其中植被 增速中游地区高于下游、下游高于上游地区。黄河流域植被 显著增加趋势占.，集中分布在黄河流域中游地区（黄土高原地区）；显著减少的区域主要集中在人口分布密集的城市及其周边区域。黄河流域植被 与年平均气温、年降水量均以正相关为主，其中显著正相关分别占.和.，分别呈东西向和南北向分布。黄河流域中游地区坡度为，区域植被 增速最快，其次为坡度和区域，反映出退耕还林还草工程的实施对黄河流域中部黄土高原地区的植被改善具有一定的作用。关键词：气温；降水；净初级生产力；植被；时空变化；黄河流域中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：（），（）：（.），.，（），.，：；气候变暖背景下植被生态变化受到广泛关注。植被净初级生产力（，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；陕西省软科学研究计划（）；江西省交通运输厅科技项目（）作者简介：谢艳玲（），女，硕士，高级工程师，从事测绘与地理信息研究。：通信作者：王 涛。：测 绘 通 报 年 第 期）作为表征植被生产能力和固碳能力的重要指标，在反映气候变化背景下植被生态变化方面具有重要作用，得到广泛应用。黄河流域植被生态变化受到气候变化和人类活动的双重影响，科学认识黄河流域植被生态变化及其对水热条件和人类活动的响应过程，对于流域生态环境保护和高质量发展具有重要意义。是植物通过光合作用固定的太阳能扣除呼吸作用消耗后剩余的量，是植物体内的净增加量，表现为碳储量，即单位面积土地上单位时间内植被固定的碳量。由于 能够量化植被生产能力及其与碳的密切关系，国内外研究中 已经成为重要的植被生态量化指标，在我国碳达峰和碳中和研究中也广受重视。归一化植被差异指数（，）由于计算简便，以及对气候变化和人类活动的敏感性，得到较多应用。由于 仅能够给出定性或较为模糊的定量化评价结果，在植被生态变化定量化评价中应用较广。年以来，受全球气候变暖和退耕还林还草工程实施影响，黄河流域总体植被生态日趋改善，植被覆盖水平逐步提升，也呈上升趋势。但极端气候事件、城市扩张等导致黄河流域局部地区植被生态恶化，呈下降趋势。由于植被变化趋势性评价结果与评价时段关系密切，不同评价时段得到的评价结果可能存在很大不同，。为保证评价结果的科学性和现势性，很有必要开展 年以来黄河流植被生态变化研究。本文开展 年黄河流域植被 时空变化特征及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应研究，以期为黄河流域生态环境保护和高质量发展提供科学支持。数据与方法.研究区黄河流域位于我国中部，涉及青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东 省（自治区），总面积.万。黄河流域地貌类型多样，自西向东涉及青藏高原、黄土高原、毛乌素沙地、河套平原、宁夏平原、汾渭平原、华北平原等地貌类型。气候由东南向西北，从半湿润、半湿润半干旱向半干旱半湿润、干旱气候、高原气候演变，多年平均气温和多年平均降水量逐步递减。黄河流域可划分为上、中、下游地区，分别占流域总面积的.、.和.。年退耕还林还草工程实施以来，黄河流域尤其是中部的黄土高原坡耕地大面积转为林地、草地，植被生态环境改善明显，快速增加，生物量也明显增加。.数据来源使用数据包括：数据。数据来源于美国宇 航 局，为年分 辨 率 年值数据，轨道号为、和。气温、降水数据。数据来源于国家青藏高原科学数据中心，为 年 分辨率逐月平均气温和降水量插值数据。数据。数据收集自地理空间数据云，为 分辨率 高程数据。黄河流域矢量边界。数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环 境 科 学 与 数 据 中 心，利 用 （）对下载的 数据进行拼接、重投影等处理。对每年逐月平均气温求平均值得到年平均气温数据，对每年逐月降水量数据求和得到年降水量数据。.研究方法.一元线性回归模型一元线性回归模型主要用于分析地理要素随时间的变化趋势问题。计算公式为 （）（?）（?）（?）()（）式中，为因变量，表示 或年平均气温或年降水量；为自变量，表示研究时段时间范围，年；为系数或线性变化速率，其大小反映了变化速率的快慢，其正负反映了变化的方向增加或减少；为常数项；?和?为样本值 和 的平均值。一元线性回归模型显著性检验采用 检验，计算公式为（）（）（?）（）（）（）式中，为由式（）计算的 的拟合值；为样本数量。检验计算结果，根据查表（置信度，.时）得到的阈值进行显著性判断，若 阈值，则显著，反之则不显著。.相关系数相关系数用于分析两个变量之间的相关关系。年 第 期 谢艳玲，等：黄河流域植被 时空变化及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应使用相关系数主要分析 变化与年平均气温、年降水量的关系。计算公式为 （?）（）（?）（?）（）式中，为相关系数，取值范围为 ，；为；为年平均气温或年降水量；?和?为样本值和的平均值。时间为 年。根据查表（置信度，.时）得到的阈值，当 阈值，则表示两个要素相关关系显著，其中 为显著正相关，为显著负相关；当 阈值，则表示两个要素相关关系不显著，其中 为正相关，为负相关。结果与分析.植被 时间变化过程 年黄河流域植被 总体呈线性增加趋势，增速为.（.）。从流域划分来看，黄河流域上游、中游、下游植被 也均呈线性增加趋势，增速有所不同，上游地区增速为.（.），中游地区增速为.（.），下游地区增速为.（.）（如图 所示）。植被 增速差异可反映出上游地区水热条件相对较差，但在全球及区域气候变暖背景下，该地区植被生长发育条件得到改善，植被 呈增加趋势；中游地区主体为黄土高原，除受气候变暖影响外，主要受退耕还林还草工程实施影响。通过工程实施，区域内大面积坡耕地转为林地或草地，地表植被生态得到改善，植被 增速较快；下游地区主要为人类活动密集地区，面积相对较小，水热条件较上游地区相对有利，植被 增速高于上游地区。图 黄河流域及上、中、下游地区植被 变化过程.植被 空间变化过程 年黄河流域植被 变化速率为.，其中中游陕西境内、甘肃西部、山西西部和北部增速较快（如图（）所示）。将变化速率分为增加（）和减少（）两类；据 检验阈值.，将 值分为不显著（.）和显著（.）两类。两者结果叠加，将变化趋势划分为 类：不显著减少、不显著增加、显著减少和显著增加（如图（）所示）。从变化趋势上看，黄河流域植被 总体呈显著增加趋势，占比为.，集中分布在黄河流域中游地区（黄土高原地区）。分区域来看，上游地区显著增加面积比例为.，中游地区为.，下游地区为.。除显著增加区域外，不显著增加区域主要分布在上游的青海、甘肃、四川三省交界区域和内蒙古境内，以及下游的黄河滩地区域。表现为显著减少的区域主要集中在人口分布密集的区域，如兰州市、汾渭平原的西安市、太原市，以及洛阳市、郑州市周边。此外，上游地区西南部三省（青海、甘肃、四川）交界区域也有零散分布。总体上，近 年黄河流域植被 表现为增加趋势，中游地区增加趋势最为显著。图 年黄河流域植被 变化空间分布.植被 对气温降水变化过程的响应 年黄河流域年平均气温以不显著增加 和 显 著 增 加 为 主，分 别 占 流 域 总 面 积 的.和.，其中显著增加主要集中在上游测 绘 通 报 年 第 期地区青海境内，中游山西东北部、下游山东境内（如图（）所示）。年降水量以显著增加和不显著增加为主，分别占流域总面积的.和.，其中显著增加集中在上游地区青海、甘肃和四川境内，中游地区的陕西境内，而不显著减少主要分布在下游地区（如图（）所示）。植被 与年平均气温以正相关（不显著和显著）为主，共占流域总面积的.，其中显著正相关占.，集中分布在上游地区；负相关（不显著和显著）区域集中在中游地区的陕西境内，上游的内蒙古、下游的河南、山西境内也有分布（如图（）所示）。植被 与年降水量以正相关（不显著和显著）为主，共占流域总面积的.，其中显著正相关占.，集中在流域的北部地区；负相关（不显著和显著）集中在流域南部地区（如图（）所示）。对比可知，黄河流域植被 与气温的相关关系呈东西向分布，而与降水的相关关系呈南北向分布。图 年黄河流域气温降水变化趋势及其与植被 相关性的空间分布.植被 对退耕还林还草工程实施的响应黄河流域植被 变化受到多种因素影响。上游三江源地区主要受气候变化影响，植被 有升有降；中下游地区城市附近区域，主要受到城市扩张影响，植被 以下降为主。黄土高原作为黄河流域的核心区域，涉及黄河流域上、中、下游地区，该区域过去 年实施了大规模的退耕还林还草工程，对植被 变化产生了重要影响。年黄河流域植被 呈线性增加趋势，坡度、，、区域植被 多年平均值分别为.、.和.，反映出坡度对人类活动的限制作用，即坡度越大，人类活动越小，植被受人类活动的干扰越少，植被 水平越高。变化速率上，年黄河流域坡度为，区域植被 增速最快，为.（.），其次为坡度区域，为.（.），坡度区域增速最慢，为.（.）（如图（）所示）。分区域来看，黄河上游地区坡度为，区域植被 增速最快，其次为坡度和坡度 区域，植被 增速分别为.（.）、.（.）和.（.）（如图（）所示）。黄河中游地区与上游地区植被 变化速率一致，坡度为，区域植被 增速最快，其次为坡度和坡度区域，植被 增速分别为.（.）、.（.）和.（.）（如图（）所示）。黄河下游地区坡度区域植被 增速最快，其次为坡度为，和区域，植被 增速分别为.（.）、.（.）和.（.）（如图（）所示）。以上结果表明，黄河流域坡度 年 第 期 谢艳玲，等：黄河流域植被 时空变化及其对水热条件和退耕还林还草工程实施的响应越大，植被 越高，并且 年黄河流域中游地区坡度、，、区域植被 增速高于下游和上游地区，且坡度为，区域高于坡度区域，坡度区域高于坡度区域，反映出退耕还林还草工程的实施对黄河流域中部黄土高原地区的植被改善具有一定的作用。图 年黄河流域不同地区不同坡度植被 变化过程 讨 论 年黄河流域总体植被 在时间和空间变化上均呈增加趋势，减少趋势主要分布在城市周边地区。受退耕还林还草等生态保护与建设工程实施影响，黄河流域植被 增速中游地区高于下游地区、下游地区高于上游地区。对水热条件响应方面，黄河流域植被 与气温、降水均以正相关关系为主，且分别呈东西和南北向分布。对退耕还林还草工程实施响应方面，黄河流域中游地区坡度为，区域植被 增速最快，高于坡度区域，坡度区域高于坡度区域。这一研究结果，与已有研究均较为一致，。尽管当前黄河流域植被生态环境日趋改善，但极端气候和城市扩张均导致了植被生态的负向发展过程，并且不同植被生态系统对气候变化和人类活动的响应存在较大的差异。植被生态向好固然重要，但植被生态变差的区域才是应该重点关注的区域。在当前气温升高、极端降水增多背景下，植被生态变化存在更多可能性，从而也导致了 及其所反映的植被固碳能力随气候和人类活动变化的不稳定性。此外，黄河流域植被 与气温、降水相关关系的分布明显与气温、降水分布存在较大的差异。气温分布具有纬度地带性，呈南北向；而降水具有干湿地带性，呈东西向。但从黄河流域结果来看，两者完全相反，其原因还有待深入研究。结 论 年黄河流域植被 总体呈显著线性增加趋势，并且上游、中游、下游植被 也均呈显著线性增加趋势，但中游地区植被 增速高测 绘 通 报 年 第 期于下游、下游高于上游地区。黄河流域植被 显著增加趋势集中分布在中游地区（黄土高原地区）