秦岭北麓土地利用变化对植被指数影响研究
闫遂军，胡正亮，曹孟超，黄才丽，王 涛*
（1.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100；
2.天津市地质工程勘察院，天津 300191；
3.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054）
土地利用变化和气候变化是对植被变化产生影响的重要方面，土地利用变化与人类活动有关[1-6]。建设用地扩张是改革开放40多年来我国土地利用变化的重要特征[7-8]，由建设用地扩张引起的植被生态变化研究已逐步开展[9-10]。气候变化对全球及区域植被生态均产生重要影响，植被生长发育受气候因子变化控制。气候变暖背景下的水热同步、异步等问题，对不同区域植被变化产生了差异化影响[11-12]。秦岭北麓作为关中平原城市群尤其是西安市的后花园，其定位于现代都市农业示范区，以发展服务城市人口需求的都市农业为主[13-15]。近些年秦岭北麓得到关注，主要与“违建别墅”拆除事件有关，而这一问题较早就已有学者提出解决的途径[16-17]。秦岭北麓的生态系统服务价值变化[18]、水源涵养能力格局等[19]也受到关注。总体上，秦岭北麓开展植被生态系列研究相对较少。本文以土地利用、MODIS NDVI、年平均气温、年降水量数据为基础，采用线性趋势、F检验等方法，分析秦岭北麓土地利用和NDVI时空变化特征，及土地利用变化对植被指数影响，为秦岭北麓生态环境保护提供科学支撑。
1.1 研究区
研究区位于陕西省境内，属秦岭山地北坡的一部分，称为秦岭北麓。秦岭北麓是地貌形态由山地地貌向河流谷地地貌的过渡区域，是生态环境以自然为主向以人类活动为主的过渡区域。研究区范围南至黄土高原南部边界，北至渭河南岸，东西到陕西省省界，面积1.45×104km2，涉及宝鸡市、咸阳市、西安市和渭南市（图1）。研究区气候为温带季风气候，夏季炎热，冬季寒冷；
区域南部为秦岭山地地貌，植被类型主要为林地、灌木和草地，植被覆盖度较高；
北部为渭河谷地（关中平原），地势平坦，以农业植被和城市建设用地为主。秦岭山地北坡地形起伏大，河流流程短而流速急，主要河流有灞河、浐河、沣河、黑河等。
图1 研究区位置
1.2 数据
土地利用数据：收集自欧空局发布的2000年、2005年、2010年和2015年300 m分辨率土地覆盖数据，该数据采用联合国土地覆盖分类系统。数据预处理时，对土地覆盖分类系统进行合并处理，最终得到包括耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6大类的土地利用数据。
MODIS NDVI：2000—2018年MOD13Q1 250 m（分辨率）16 d数据，利用MRT工具对MODIS NDVI进行提取、投影转换、重采样，利用研究区矢量边界裁切得到16 d数据，再利用MVC方法提取得到年值数据。
气温、降水空间插值数据（2000—2015年），该数据是基于全国2 400多个气象站点日观测数据，利用澳大利亚ANUSPLIN插值软件插值处理生成，数据分辨率为1 km。
4）DEM数据：覆盖研究区范围的90 m分辨率DEM数据，下载自地理空间数据云，用于研究区范围的提取。
1.3 研究方法
采用线性趋势和F检验方法，分析土地利用变化和NDVI变化特征与趋势，具体研究方法可以参考文献[20]。
2.1 土地利用时空变化
对各土地利用类型2000—2015年栅格数量统计分析表明，秦岭北麓土地利用以林地和耕地为主，2000—2015年平均占总面积的52.70%和38.37%，建设用地和草地所占比例均低于5.00%，而水体和未利用地所占比例均低于1.00%。2000—2015年，秦岭北麓耕地、林地、草地、未利用地和水体均呈减少趋势，其中耕地减少比例最高，达到4.65%，仅建设用地呈增加过程，增加比例为5.05%（图2a）。从变化速率来看，秦岭北麓建设用地增加速率最高，达到304.14%，即秦岭北麓建设用地2015年相较2000年增加3倍。未利用地、耕地和草地减少速率最高，分别达到16.99%、11.15%和8.06%（图2b）。分阶段来看，耕地在各个阶段减少比例均是最高的，而建设用地在各个阶段均是增加比例和增加速率最高的要素（图2）。2000—2015年秦岭北麓土地利用变化特征表现为耕地减少和建设用地快速增加，其中减少耕地的99.11%转为了建设用地。2000—2015年秦岭北麓除林地转为草地和耕地所占转出林地面积比例较大外，减少的耕地、草地、水体、未利用地主要转为了建设用地，其空间分布也主要集中在西安市等关中城市区域附近（图3）。
图2 土地利用时间变化过程
2.2 植被指数时空变化
秦岭北麓2000—2018年NDVI总体呈线性减少过程，线性递减速率为0.001 1/a（P＜0.1），但从多项式拟合结果看，NDVI变化过程存在升高-降低-升高的现象，其中2000—2007年NDVI呈快速升高趋势，2008—2016年成快速减少趋势，之后又呈增加趋势。从NDVI距平值变化可知，2003—2010年NDVI距平值为正值，是秦岭北麓2000—2018年中NDVI最高、植被水平最好的时期，之后NDVI距平值均为负值，反映了NDVI水平降低、植被状况变差的过程（图4）。根据变化速率（增加和减少）和F检验结果（显著和不显著）叠加分析结果，将2000—2018年秦岭北麓植被指数空间变化分为4种类型：不显著减少、显著减少、不显著增加和显著增加。由图3可知，秦岭北麓植被指数4种类型面积比例相差较小，其中显著减少和显著增加的比例分别占总面积的17.86%和20.09%。但从空间分布来看，显著减少区域集中分布在平原地区即秦岭北坡坡脚到北侧的渭河之间区域，显著增加区域主要分布在秦岭北坡上（图5）。
图3 2000—2015年土地利用转移空间分布
图4 植被指数变化过程
图5 植被指数空间变化分布
2.3 土地利用变化对植被指数影响
2000—2015年秦岭北麓土地利用变化主要表现为其他土地利用类型向建设用地的转移过程，统计耕地、林地、草地和未利用地转为建设用地、林地转为耕地和草地、草地转为耕地和林地引起的NDVI变化情况（图6）。
由图6可知，秦岭北麓耕地、林地、草地和未利用地转为建设用地的区域，2000—2015年NDVI均表现为显著的线性递减过程，线性递减速率分别为0.010 1/a、0.011 3/a、0.010 8/a和0.005 0/a，即林地转为建设用地引起的NDVI下降速率高于草地、草地高于耕地、耕地高于未利用地（图6a、b、c和d）。林地转为耕地和草地的区域，其NDVI在2000—2015年呈增加过程，其中林地转为耕地的区域NDVI增加过程显著，增加速率为0.000 7/a（图6e和图6f）。草地转为耕地和林地的区域，其NDVI在2000—2015年也均呈增加过程，其中草地转为林地区域的NDVI增加过程显著，增加速率为0.003 4/a（图6g和图6h）。
图6 土地利用变化引起的NDVI变化
NDVI受到人类活动和气候变化的双重影响，土地利用变化是人类活动的重要表现形式。秦岭北麓2000—2015年土地利用类型向建设用地转变，导致变化区域NDVI快速下降，而林地和草地向耕地及其相互转变区域，NDVI呈增加过程。从气候变化的角度来看，2000—2015年秦岭北麓经历了水、热同步增长的过程，年平均气温增速介于0.01～0.48℃/a、年降水量增速介于25.29～67.38 mm/a（图7）。水热同步增加，为秦岭北麓植被生长发育提供了有利的气候条件，图5也表明NDVI显著和不显著增加区域集中分布在秦岭北麓南部山地区域，而NDVI下降主要集中在北部平原区。这一结果反映出秦岭北麓平原区植被生态环境受人类活动影响明显高于气候的影响。
图7 2000—2015年秦岭北麓年平均气温和年降水量变化速率
秦岭北麓2000—2015年土地利用以林地和耕地为主，耕地减少比例最高而建设用地增加比例最高并增速最快，减少的耕地主要转为了建设用地，集中分布在关中平原城市区域附近。2000—2018年秦岭北麓NDVI呈波动下降过程，空间上显著减少和显著增加的比例相当，前者主要分布在平原地带，后者分布在秦岭北坡上。秦岭北麓土地利用变化尤其是耕地、林地、草地和未利用地向建设用的转化，导致NDVI快速下降，而林地、草地互转和转为耕地促进了NDVI提升。2000—2015年秦岭北麓呈气温升高降水增多的变化趋势，为该区植被改善提供了有利条件，但人类活动引起的建设用地扩张导致区域整体植被水平下降。总体上，秦岭北麓整体植被生态变差，局部有改善。
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