鄂尔多斯十大孔兑区植被生产力变化趋势对土地利用转移的响应

白雪莲; 季树新; 王理想; 陈正新; 常学礼

doi:10.31497/zrzyxb.20190605

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自然资源学报 ›› 2019, Vol. 34 ›› Issue (6) : 1186-1195. DOI: 10.31497/zrzyxb.20190605

资源利用与管理

鄂尔多斯十大孔兑区植被生产力变化趋势对土地利用转移的响应

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Response of change trend of vegetation productivity to land use conversion in Ten Tributaries Basin of Ordos

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摘要

归一化植被指数（Normalized difference vegetation index,NDVI）是衡量区域植被生产力变化的一个重要指标,而土地利用/覆盖变化（Land use/cover change,LUCC）进程深刻影响了陆地生态系统空间分布格局及其生产力变化。因此本文结合趋势分析和转移矩阵法,从中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）NDVI年际变化角度分析鄂尔多斯北部典型农牧交错区（十大孔兑地区）2000-2015年植被生产力的变化趋势与LUCC的关系。结果表明：（1）在农牧交错区植被生产力总体呈增加趋势,其中显著增加和不显著增加区域面积占总面积的89.41%,分别为22.01%和67.4%;其后依次为不显著减少区域、无变化区域和显著减少区域,面积比例分别为4.59%、3.32%和2.68%。（2）在不显著增加和显著增加区,土地转换面积分别为235146.08 hm²和82761.76 hm²,草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地尤其是草地转为农田导致对应区域植被生产力增加。

Abstract

Land cover/use change (LUCC), which is a focus in global changing study, deeply influences the geographical distribution pattern and productivity of terrestrial ecological system. Normalized differential vegetation index (NDVI), as a key indicator of vegetation productivity, plays an important role in assessing regional vegetation productivity. We selected Ten Tributaries Basin (TTB), where the Yellow River has ten first-level tributaries, to analyze the relationship between the vegetation change trend and LUCC conversion based on the annual data of MODIS NDVI from 2000 to 2015 in the northern part of Ordos, China. Meanwhile, this study employed trend analysis and transfer matrix to analyze the relationships. The results showed that the productivity had an increasing trend totally due to the dominance of grasslands in farming-pastoral region, and areas of significant increase and unsignificant increase account for 22.01% and 67.4% of the total area, respectively. The areas of unsignificant decrease, unchange and significant decrease account for 4.59%, 3.32% and 2.68%, respectively. Land conversion areas in unsignificant increase and significant increase come to 235146.08 hm² and 82761.76 hm², respectively. The conversion of grassland to farmland, woodland, water body, construction land and unused land, especially the conversion of grassland to farmland, led to the increase of vegetation productivity in corresponding regions.

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白雪莲, 季树新, 王理想, 陈正新, 常学礼. 鄂尔多斯十大孔兑区植被生产力变化趋势对土地利用转移的响应[J]. 自然资源学报, 2019, 34(6): 1186-1195 https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20190605

BAI Xue-lian, JI Shu-xin, WANG Li-xiang, CHEN Zheng-xin, CHANG Xue-li. Response of change trend of vegetation productivity to land use conversion in Ten Tributaries Basin of Ordos[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2019, 34(6): 1186-1195 https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20190605

在宏观尺度上,LUCC已逐渐成为诱发全球和区域景观变化的主要驱动力,深刻影响了陆地生态系统的地理分布格局及其生产力^[1],成为当前全球变化研究的主要方向之一^[2]。特别是在水土流失严重的黄土高原地区,由于人类活动对植被的破坏和突发性强降水诱发的水土流失使该区域的LUCC更为明显,致使区域植被生产力严重下降^[3,4]并伴生有土壤退化、肥力下降^[5]和植被退化^[6],极大地限制了当地农牧林业发展。

植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）指绿色植物在单位时间和面积上所积累的有机干物质总量,主要受气候变化、LUCC等因子的影响^[7,8,9]。其中LUCC会造成地表植被及土壤理化性质的改变,致使不同土地类型的植被生产力呈现出显著差异^[10]。NDVI是遥感技术中应用最成熟的指数之一,能很好地反映地表植被的繁茂程度,并与植被覆盖度、叶面积指数以及植被生产力等密切相关,是衡量区域植被生产力变化的一个重要指标^[11,12,13]。

从与本文主题相关的研究现状来看,快速的城市化进程导致区域NPP显著降低,这一结论在县域尺度（太仆寺旗,乌审旗,多伦县）、区域尺度（内蒙古自治区,西北干旱区）和全国尺度等不同空间范围内的研究中得到了印证^{[14,15,16,17,18,19]}。同时,许多研究也分析了LUCC中的土地类型转换特点,如：针对沙漠化地区的土地利用变化及其驱动力分析表明,2004-2014年间林地和建设用地增加,草地、耕地、水域和未利用地减少,但草地始终占据优势地位^[16]。此外,以内蒙古草原的类似研究表明,2001-2009年植被修复工程实施中,草原面积的增加主要是由沙漠和农田的转变造成的,生产力的增加是由人类活动和气候因素制约^[20]。这些有益的研究成果对认知LUCC与植被生产力的关系、LUCC与土地类型转换关系奠定了基础。从LUCC与区域植被生产力关系研究的发展趋势来看,在LUCC时空异质性与植被生产力关系甄别^[21,22]、综合运用土地利用转移矩阵分析土地转换特征对植被生产力的影响等方面有待加强^[16,23]。

十大孔兑地区属砒砂岩黄土—沙漠—河漫滩平原交错分布的生态脆弱区,也是区域尺度上空间异质性最显著的区域,对人类活动干扰和气候变化响应敏感,在研究LUCC对区域植被生产力影响方面具有典型性。近年来,快速的工业化（采矿）和城市化进程导致其土地利用结构与功能发生了剧烈变化,对植被生产力的时空变化产生了极为显著的影响。因此,本文基于2000-2015年的MODIS NDVI数据和LUCC数据,分析区域土地利用转换特征对植被生产力变化趋势的影响,为深入了解区域植被变化趋势对LUCC的响应机制提供参考信息。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

十大孔兑位于鄂尔多斯北部,地理位置为108°6′~111°E、39°50′~40°30′N,境内有黄河内蒙古段的十个一级支流（图1）,是黄河内蒙古段的主要产沙支流。行政区包括鄂尔多斯市的达拉特旗全部,东胜区、杭锦旗和准格尔旗的部分地区,面积为1.075万km²。地势表现出南高北低,其中南部丘陵沟壑区面积为0.41万km²,占总面积的38%;中部库布其风沙区面积为0.455万km²,占总面积的43%;北部临黄平原区面积为0.21万km²,占总面积的19%。气候属典型大陆性气候,平均气温6 ℃左右;多年平均降雨量从西北到东南变化于200~400 mm之间,年蒸发量为2200 mm^[24]。

图1 研究区位置与水系分布

Fig. 1 The location and water system of the study area

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1.2 研究方法

1.2.1 数据来源和处理

本文采用的MODIS NDVI数据具有空间分辨率较高、对植物叶绿素吸收波段敏感、数据合成中排除了大气水汽的干扰等优点^[25]。来自于美国地质调查局（USGS）,产品类型为MOD13Q1（https://e4ftl01.cr.usgs.gov/MOLT/MOD13Q1.005/）,空间分辨率为250 m,时间分辨率为16天。研究时间跨度为2000-2015年,采用时段为每年生长旺季（5-8月）。NDVI原始数据为HDF格式,通过MRT（Modis Reprojection Tool）进行转换,将NDVI数据由HDF格式转换为TIFF格式,投影方式由等面积正弦曲线投影（Sinusoidal Projection）转换为通用横轴墨卡托投影（Universal Transverse Mercator Projection,UTM）,基准面为WGS-84;采用最大合成法生成NDVI生长季图像,在ENVI 5.3中计算2000-2015年NDVI的相关系数和斜率。

依据遥感监测土地利用/覆盖2000年、2005年、2010年和2015年全国数据产品并结合研究区土地资源特点,利用ArcGIS平台将研究区土地利用类型整合为农田、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6种。

1.2.2 生产力变化趋势的分类

生产力用NDVI表示^[11,12,13],对2000-2015年生长季的NDVI数据进行逐像元相关性和斜率计算,变化趋势显著性判定以相关系数显著性和斜率正负为依据。

T = t \times |R|

（1）

Math input error

（2）

式中：T代表逐像元生产力变化趋势;t代表逐像元斜率状态;slope代表逐像元斜率;R为相关系数。在本文R显著检验中,选取P=0.01为阀值,因为分析时序仅16年（2000-2015年）,故自由度为16-2=14,查表可知R_14,0.01=0.623;当R值较小并接近于0时表示像元波动极小,故选取|R|=0.05为阈值。所以,当T≥0.623时,定义为生产力呈显著增加区;当0.05<T<0.623时,定义为生产力不显著增加区;当-0.05≤T≤0.05时,定义为生产力无变化区;当-0.623<T<-0.05时,定义为生产力呈不显著减少区;当T≥-0.623,定义为生产力显著减少区。

此外,本文的分析还从南部水土流失区、中部沙漠区和北部临黄平原区（简称南部、中部和北部）以及研究区总体来分别进行。

2 结果分析

2.1 植被生产力 变化趋势与LUCC特征

2000-2015年生产力变化趋势在整体上以增加趋势为主,其中不显著增加区面积最大（图2a）。进一步分析表明（图3）,五种类型区按面积排序从大到小依次为为：不显著增加区（721682.8 hm²,占总面积67.4%）、显著增加区（235699.1 hm²,占总面积22.01%）、不显著减少区（49129.25 hm²,占总面积4.59%）、无变化区域（35550.69 hm²,占总面积3.32%）和显著减少区域（28753.29 hm²,占总面积2.69%）。

图2 十大孔兑2000-2015年生产力 变化趋势和土地利用变化

Fig. 2 The productivity change and land conversion of Ten Tributaries River Basin during 2000-2015

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从变化趋势分区特征来看（图3）,在三种地貌类型区中（由北向南依次为砒砂岩黄土地貌、风沙地貌和临黄平原）,不显著增加区的面积均为最大,依次为145754.13 hm²、255202.9 hm²和320342.12 hm²,分别占各自区域面积的70.77%、56.08%和78.31%;其次为显著增加区的面积,占比分别为20.88%、33.54%和9.74%,其中生产力显著增加区面积比例在中部库布其沙漠最大。

图3 不同生产力 变化趋势区面积和面积比例

Fig. 3 The area and proportion in different regions of productivity change trend

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从土地利用转换的面积上来看（图2b、表1）,2000-2015年土地利用转换的总面积为360768.75 hm²,占总面积的33.91%。从土地利用转换的分区特征可知3类地区土地利用转换面积由北部到南部依次为92162.5 hm²、144162.5 hm²和123212.5 hm²,分别占各自区域的45.12%、31.92%和30.38%。其中（图4a）,北部面积变化最大的地类为农田,南部和中部面积变化最大的地类为草地。

表1 不同区域土地变化面积和面积比例

Table 1 The changed area and proportion in different regions

区域	变化区		无变化区
区域	面积/hm²	比例/%	面积/hm²	比例/%
南部	123212.5	30.38	282400	69.62
中部	144162.5	31.92	307462.5	68.08
北部	92162.5	45.12	112100	54.88
总体	360768.75	33.91	703062.5	66.09

图4 不同地类的变化面积和不同生产力 变化趋势区域地类转换比例

Fig. 4 The changed area of different land use types and proportions of conversion in different regions of productivity change trend

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2.2 土地利用变化对植被生产力 变化趋势的影响

上节分析表明生产力显著增加和不显著增加区累计比例达到89.41%,所以以下分析从上述二类与不变化区域的比较分析入手,分析土地利用变化与植被生产力变化趋势的特点。

首先,从变化趋势不显著增加区来看（图4b、表2）,转换面积为235146.08 hm²,草地和农田发生转换的面积大。其中,由林地、农田、水体、建设用地和未利用地转为草地的面积为72211.99 hm²,占转换面积的30.71%,由草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地的面积为134257.70 hm²,占转换面积的57.1%。

表2 2000-2015年生产力不显著增加区域土地利用变化转移矩阵

Table 2 Transferring matrix in unsignificant increasing area during 2000-2015 (hm²)

	农田	林地	草地	水体	建设用地	未利用地	总计
农田	—	2467.02	36710.87	1567.31	8709.36	2867.90	52322.46
林地	2519.11	—	7597.39	140.81	1846.49	605.50	12709.30
草地	55573.25	10459.17	—	3540.88	19103.61	45580.79	134257.70
水体	379.25	42.41	1542.19	—	76.30	41.76	2081.90
建设用地	2173.15	239.64	1877.40	73.39	—	379.55	4743.12
未利用地	1682.52	352.95	24484.14	1053.39	1458.60	—	29031.61
总计	62327.28	13561.19	72211.99	6375.77	31194.36	49475.49	235146.08

其次,从变化趋势显著增加区转换特点来看（图4b、表3）,发生土地转换面积为82761.76 hm²,草地和未利用地的转换比例较大。其中,由草地、林地、农田、水体和建设用地转为未利用地的面积最大为33855.82 hm²,占40.91%;由草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地面积最大为48857.96 hm²,占59.03%。

表3 2000-2015年生产力显著增加区域土地利用变化转移矩阵

Table 3 Transferring matrix in significant increasing area during 2000-2015 (hm²)

	农田	林地	草地	水体	建设用地	未利用地	总计
农田	—	700.43	11734.79	468.18	2137.50	1837.68	16878.58
林地	466.40	—	2756.41	31.37	454.69	383.80	4092.66
草地	9007.28	3626.22	—	1248.13	3526.36	31449.97	48857.96
水体	110.21	12.18	629.35	—	19.17	61.73	832.64
建设用地	429.91	63.87	421.05	23.66	—	122.64	1061.14
未利用地	295.25	427.09	9030.34	336.72	949.37	—	11038.78
总计	10309.05	4829.80	24571.93	2108.06	7087.09	33855.82	82761.76

从无变化趋势区转换特点来看（图4b、表4）,发生土地转换面积为13684.74 hm²,草地和农田的转换比例较大。其中,由草地、林地、水体、建设用地和未利用地转为农田的面积最大为4524.8 hm²,占33.06%;由草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地面积最大为7859.59 hm²,占57.43%。

表4 2000-2015年生产力无变化区域土地利用变化转移矩阵

Table 4 Transferring matrix in unchanged area during 2000-2015 (hm²)

	农田	林地	草地	水体	建设用地	未利用地	总计
农田	—	193.43	2053.72	117.20	472.94	142.80	2980.08
林地	154.46	—	430.84	6.00	130.13	14.99	736.43
草地	4085.11	665.14	—	287.36	1255.27	1566.72	7859.59
水体	27.40	6.24	164.53	—	8.30	2.99	209.46
建设用地	145.93	17.28	124.80	7.38	—	28.86	324.25
未利用地	111.90	20.74	1295.61	63.64	83.04	—	1574.93
总计	4524.80	902.83	4069.50	481.57	1949.67	1756.36	13684.74

3 结论与讨论

3.1 结论

十大孔兑植被生产力总体呈增加趋势,其中显著增加和不显著增加区面积占总面积的89.41%,分别为22.01%和67.4%,其后依次为不显著减少区域、无变化区域和显著减少区域,面积比例分别为4.59%、3.32%和2.68%。

生产力不显著增加和显著增加区的土地转换面积分别为235146.08 hm²和82761.76 hm²,分别占发生转换总面积的65.16%和22.93%,其中草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地尤其是草地转为农田是生产力增加的主要因素。

土地利用/覆盖类型转换与植被变化趋势相互关系分析具有严格的时空对应关系,是植被变化趋势驱动机制分析中一个数量化补充。

3.2 讨论

（1）总体特征

对比分析5种生产力变化趋势分布面积和土地转换发生的面积,其面积大小排序一致。不显著增加区的面积和土地转换发生面积都最大,显著增加区域面积次之。从土地利用类型的转换角度来看（图4b、表2、表3）,其原因是这两个区域LUCC组成以草地为主,在研究时段内以草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地为主（分别为57.1%和59.03%）且有26.51%和12.50%转换为农田所致。

从生产力无变化区、不显著增加区和显著增加区的细节来看（表2~表4）,在转出方面,由农田转为草地、林地、水体、建设用地和未利用地的比例仅次于草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地的比例,分别为21.78%、22.25%和20.39%。在转入方面,生产力无变化区由草地、林地、水体、建设用地和未利用地转为农田比例最大,为33.06%,由林地、农田、水体、建设用地和未利用地转为草地的比例次之,为29.74%;不显著增加区由林地、农田、水体、建设用地和未利用地转为草地的比例最大,为30.71%,由草地、林地、水体、建设用地和未利用地转为农田的比例次之,为26.51%;显著增加区由草地、林地、农田、水体和建设用地转为未利用地的比例最大,为40.91%,由林地、农田、水体、建设用地和未利用地转为草地的比例次之,为29.69%。对比三个区域的转换结果,草地、农田和未利用地居于转换比例前列,导致这一结果的原因是生产力无变化区和不显著增加区LUCC组成以草地和农田为主,显著增加区LUCC组成以草地和未利用地为主。

从上述结果与相似的已有研究结论来看,在整体上,本文的土地利用的转换有58%源于草地转为农田、林地、水体、建设用地和未利用地,与罗格平等^[26]基于景观研究得出的控制力最强的斑块类型应为景观中的决定性要素结论一致。因此推测十大孔兑生产力变化趋势受到了优势地类变化的影响,而草地在本区域占优势地位,可能是研究区生产力变化趋势在整体上以不显著增加为主的原因。此外,从植被生产力的变化趋势特点来看,不显著增加趋势区占优势地位的结果与黄土高原区和三江源地区植被生产力在整体呈增加趋势的结论相同^[27,28,29],但与朱士华等^[30]对南疆地区1980-2014年NPP在整体上呈减少的结果相反。这与南疆景观与气候条件特殊性以及植被分布格局与生长受到环境条件强烈限制有关,在环境条件上南疆降水较少,植被的生长缺乏水分供应,并以沙生植物为主,水分缺乏时处于休眠状态;在景观特点上南疆以沙地景观为主,十大孔兑虽有沙漠,但是草地和农田景观占优势,植被总生产力高。十大孔兑地区植被生长受人为控制（水土保持和沙漠治理）较大,既可以引黄河水灌溉又有沟渠塘坝可储存水分满足生长需求。

从综合影响角度来看,植被生产力的变化不仅受土地利用变化的影响,气候因素^[1,31-32]、人为活动^{[16,17,18,19]}和放牧强度变化也会对区域植被生产力的变化造成影响^[33,34,35]。在干旱、半干旱区降水是决定植被生产力变化的最重要因素之一^[32],根据研究区周围气象站点（东胜、杭锦旗、包头）数据统计,2000-2015年降水量在总体上呈增加趋势,斜率为4.06 mm/a,这可能是植被生产力在整体上以增加趋势为主的主要原因之一。

从人类活动最为密集地类农田的转换来看,生产力增加区的农田转为草地、林地、水体、建设用地和未利用地比例高于未利用地转为草地、农田、林地、水体和建设用地的比例,减少区的未利用地转为其他地类比例高于农田转为其他地类的比例,二者正好相反。因此可以推测在一定的土地利用/覆盖背景下（即研究区内不同生产力区域LUCC组成都以草地为主）,农田和未利用地的转换比例,尤其是转出比例大小限制了植被生产力的变化。当农田转出比例高于未利用地时使得区域植被生产力呈增加趋势,低于未利用地时使区域植被生产力呈减少趋势。这一结果与Mu等^[20]指出的内蒙古草原的变化主要是受沙漠和农田的转换影响结论一致,因此推测十大孔兑生产力变化受到了农田和未利用地变化的影响。

同时,从整体植被生产力空间异质性特点来看（图2a）,呈减少趋势的区域主要分布于研究区西部,尤其是南部砒砂岩沟壑区和中部库布其沙漠的西部分布较广。从放牧强度变化来看,牲畜量的增加会导致植被的变化^[31]。研究区内2000-2015年牲畜量总体上呈不断增加趋势,尤其是达拉特旗和杭锦旗的牲畜量增加显著,分别增加了147.05万头和64.8万头,可能是研究区西部生产力呈减少趋势的原因。

（2）分区特征

从生产力变化趋势在三类地貌类型中的特征来看（图4a）,在南部砒砂岩沟壑区,建设用地增加了15915.97 hm²,有74.97%源于草地的转出,导致了区域植被生产力下降,表现为不显著减少区面积在该区最大,验证了建设用地的增加导致区域植被生产力降低,这个结果与已有的城市化进程是导致区域植被生产力减少的主导因素结论同样吻合^{[14,15,16,17,18]}。

在中部库布其沙漠区植被生产力呈显著增加趋势的面积比例最大为33.54%（图3b）,究其产生原因与该区是鄂尔多斯市固沙造林重点实施区有关,林地的面积有较显著的变化（增加了3097.66 hm²）。生产力无变化区的面积比例在中部库布其沙漠最小,仅为1.98%;说明中部沙漠区为植被生产力变化最剧烈的区域,产生原因主要是该地区地貌类型以流动沙丘为主,植被生长既受到了人工植物固沙促进,又受到了风沙活动抑制,植被生存环境在年际间变化极大,但总体上以人工植物固沙效果大于风沙活动对植被生长影响。此外,变化趋势显著减少区的动态也印证了这个结果,因为该类型区域面积比例在中部沙区最大,与其他二种地貌类型相比较,对年内和年际间气象条件变化响应敏感,极易造成土地荒漠化和植被生产力下降。

在北部临黄平原区,植被生产力变化趋势以不显著增加区面积最大为145754.13 hm²（图3a）,占该区面积70.77%。这一结果与该区的LUCC特点有关,农田在该区面积达到95335.87 hm²,占46.12%;而玉米种植面积变化趋势与中国北方农业种植结构变化一致,在研究时段内呈逐年增加的趋势,从而使区域植被生产力呈增加的趋势。

综上所述,基于植被变化趋势与LUCC的相互关系分析指出,植被生产力格局变化直接受到了土地类型转换的影响,与传统的基于自然因素和社会因素的驱动力分析相比,植被变化趋势与LUCC 对应分析是一个在空间对应上的重要补充。

参考文献

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脚注

The authors have declared that no competing interests exist.

基金

国家自然科学基金项目（41271193）；内蒙古自治区“十三五”水利重大专项（NSK2017-M2）

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收稿日期	修回日期	出版日期
2019-01-09	2019-03-30	2019-06-20
发布日期
2019-06-20

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