全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿猿卷 第 圆源期摇 摇 圆园员猿年 员圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
中国南方红壤生态系统面临的问题及对策 赵其国袁黄国勤袁马艳芹 渊苑远员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
叶生态学基础曳院对生态学从传统向现代的推进要要要纪念 耘援孕援奥德姆诞辰 员园园周年
包庆德袁张秀芬 渊苑远圆猿冤
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噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
食物链长度理论研究进展 张摇 欢袁何摇 亮袁张培育袁等 渊苑远猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
天山盘羊夏季采食地和卧息地生境选择 李摇 叶袁余玉群袁史摇 军袁等 渊苑远源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
松果梢斑螟对虫害诱导寄主防御的抑制作用 张摇 晓袁李秀玲袁李新岗袁等 渊苑远缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
菹草附着物对营养盐浓度的响应及其与菹草衰亡的关系 魏宏农袁潘建林袁赵摇 凯袁等 渊苑远远员冤噎噎噎噎噎噎噎
濒危高原植物羌活化学成分与生态因子的相关性 黄林芳袁李文涛袁王摇 珍袁等 渊苑远远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四年 韵猿熏气对小麦根际土壤氮素微生物转化的影响 吴芳芳袁郑有飞袁吴荣军袁等 渊苑远苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属 悦凿圆垣和 悦怎圆垣胁迫下泥蚶消化酶活性的变化 陈肖肖袁高业田袁吴洪喜袁等 渊苑远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
不同生境中橘小实蝇种群动态及密度的差异 郑思宁 渊苑远怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
亚热带樟树鄄马尾松混交林凋落物量及养分动态特征 李忠文袁闫文德袁郑摇 威袁等 渊苑苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国陆地生态系统通量观测站点空间代表性 王绍强袁陈蝶聪袁周摇 蕾袁等 渊苑苑员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江流域 晕阅灾陨变化与风沙化土地演变的耦合关系 李海东袁沈渭寿袁蔡博峰袁等 渊苑苑圆怨冤噎噎噎噎噎噎
高精度遥感影像下农牧交错带小流域景观特征的粒度效应 张庆印袁樊摇 军 渊苑苑猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化 蔡晓布袁于宝政袁彭岳林袁等 渊苑苑源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
芦芽山亚高山草甸尧云杉林土壤有机碳尧全氮含量的小尺度空间异质性
武小钢袁郭晋平袁田旭平袁等 渊苑苑缘远冤
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湘中丘陵区不同演替阶段森林土壤活性有机碳库特征 孙伟军袁方摇 晰袁项文化袁等 渊苑苑远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
东北黑土区片蚀和沟蚀对土壤团聚体流失的影响 姜义亮袁郑粉莉袁王摇 彬袁等 渊苑苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
滇西北高原纳帕海湿地土壤氮矿化特征 解成杰袁郭雪莲袁余磊朝袁等 渊苑苑愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
红壤区桉树人工林炼山后土壤肥力变化及其生态评价 杨尚东袁吴摇 俊袁谭宏伟袁等 渊苑苑愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年黄河流域植被覆盖的时空变化 袁丽华袁蒋卫国袁申文明袁等 渊苑苑怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
庐山森林景观格局变化的长期动态模拟 梁艳艳袁周年兴袁谢慧玮袁等 渊苑愿园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
暖温带鄄北亚热带生态过渡区物种生境相关性分析 袁志良袁陈摇 云袁韦博良袁等 渊苑愿员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应 张瑞波袁袁玉江袁魏文寿袁等 渊苑愿圆苑冤噎噎噎噎噎
资源与产业生态
大小兴安岭生态资产变化格局 马立新袁覃雪波袁孙摇 楠袁等 渊苑愿猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生态环境移动数据采集系统研究与实现 申文明袁孙中平袁张摇 雪袁等 渊苑愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
城市遥感生态指数的创建及其应用 徐涵秋 渊苑愿缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
大明竹属遗传多样性 陨杂杂砸分析及 阅晕粤指纹图谱研究 黄树军袁陈礼光袁肖永太袁等 渊苑愿远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
干旱胁迫下 源 种常用植物幼苗的光合和荧光特性综合评价 卢广超袁许建新袁薛摇 立袁等 渊苑愿苑圆冤噎噎噎噎噎
基于 陨栽杂圆和 员远杂 则砸晕粤的西施舌群体遗传差异分析 孟学平袁申摇 欣袁赵娜娜袁等 渊苑愿愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种浒苔无机碳利用对温度响应的机制 徐军田袁王学文袁钟志海袁等 渊苑愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北京山区侧柏林冠层对降雨动力学特征的影响 史摇 宇袁余新晓袁张建辉袁等 渊苑愿怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
景观生态学研究院传统领域的坚守与新兴领域的探索要要要圆园员猿厦门景观生态学论坛述评
杨德伟袁赵文武袁吕一河 渊苑怨园愿冤
噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆怨远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 黄土丘陵农牧交错带要要要黄土丘陵是中国黄土高原的主要地貌形态袁由于黄土质地疏松袁加之雨季集中袁降水强度
较大袁地表流水冲刷形成很多沟谷袁斜坡所占的面积很大遥 这里千百年来的农牧交错作业袁地表植被和生态系统均
遭受了严重的破坏遥 利用高精度影像对小流域景观的研究表明袁这里耕地尧林地和水域景观相对比较规则简单袁荒
草地和人工草地景观比较复杂遥 农牧交错带小流域景观形态具有分形特征袁各类景观斑块的分维数对粒度变化的
响应不同袁分维数随粒度的增大呈非线性下降趋势遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 24 期
2013年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.24
Dec.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41171318, 41001160, 31240002); 国家科技支撑资助项目(2012BAH33B05, 2012BAH32B03); 全国生
态环境十年变化遥感调查与评估专项资助项目
收稿日期:2013鄄05鄄28; 摇 摇 修订日期:2013鄄09鄄29
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: shenwenm@ mep.gov.cn,jwg76@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201305281212
袁丽华,蒋卫国,申文明,刘颖慧,王文杰,陶亮亮,郑华,刘孝富. 2000—2010 年黄河流域植被覆盖的时空变化.生态学报,2013,33 ( 24):
7798鄄7806.
Yuan L H, Jiang W G, Shen W M,Liu Y H,Wang W J, Tao L L, Zheng H, Liu X F.The spatio鄄temporal variations of vegetation cover in the Yellow River
Basin from 2000 to 2010.Acta Ecologica Sinica,2013,33(24):7798鄄7806.
2000—2010年黄河流域植被覆盖的时空变化
袁丽华1,2,蒋卫国1,2,申文明3,*,刘颖慧1,4,王文杰5,陶亮亮1,2,郑摇 华6,刘孝富5
(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京摇 100875; 2.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验,北京摇 100875;
3. 环境保护部卫星环境应用中心,北京摇 100094; 4.北京师范大学资源学院,北京摇 100875;
5. 中国环境科学研究院环境信息科学研究所,北京摇 100012; 6.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京摇 100085)
摘要:黄河流域位于干旱、半干旱和半湿润地区,生态环境脆弱,近年来,在气候变化和人类活动影响下,植被覆盖状况发生了变
化。 因此需要对黄河流域植被覆盖的变化进行监测,进而掌握流域植被的动态变化特征。 在此背景下,利用 2000—2010 年的
250 m分辨率的 MOD13Q1数据来研究黄河流域植被覆盖区域的 NDVI 时空变化特征。 采用 Theil鄄Sen Median 趋势分析和
Mann鄄Kendall检验来研究 NDVI的变化趋势特征,通过对 Theil鄄Sen Median趋势分析和Mann鄄Kendall检验的结果和 Hurst指数的
结果的叠加,来研究 NDVI的可持续特征。 研究表明:1)从空间分布上看,黄河流域 NDVI 呈现出西部和东南部高,北部低的特
征;2)从时间变化特征上看,2000—2010年植被覆盖区域年均 NDVI均值在 0.3—0.4 之间波动,其中 2000—2004 年 NDVI 波动
较大,但自 2005年以来 NDVI呈现快速增长的趋势;3)从变化趋势上看,2000—2010年黄河流域植被改善的区域远远大于退化
的区域,改善的区域占植被覆盖区域总面积的 62.9%,退化的区域占 27.7%,9.4%的区域 NDVI 稳定不变;4)从可持续性来看,
86.0%的植被覆盖区域 NDVI呈现正向可持续性,即 NDVI的可持续性较强;由变化趋势与 Hurst 指数的耦合信息得出,持续改
善的面积占植被覆盖区域总面积的 53.7%,持续稳定不变的区域占 7.8%,持续退化的区域占 24.5%,另外 14.0%的区域未来变
化趋势无法确定,持续退化和未来变化趋势无法确定区域的植被变化状况需要研究人员继续关注。
关键词:黄河流域;NDVI;植被覆盖区域;时空变化;趋势分析;Hurst指数
The spatio鄄temporal variations of vegetation cover in the Yellow River Basin from
2000 to 2010
YUAN Lihua1, 2, JIANG Weiguo1, 2, SHEN Wenming3,*, LIU Yinghui1,4,WANG Wenjie5, TAO Liangliang1, 2,
ZHENG Hua6, LIU Xiaofu5
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2 Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
3 Satellite Environment Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China
4 College of Resources Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
5 Institute of Environmental Information, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
6 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
Abstract: Vegetation cover is one of the primary indicators of changes to ecosystems. Large scale vegetation cover
observations will indicate the effect of natural factors and human activities on the ecological environment, so it is one of the
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hot topics in global change research. The Yellow River Basin is located in an arid, semi鄄arid and semi鄄humid area and its
ecological environment is vulnerable. In recent years, the vegetation in the Yellow River Basin has had a relatively large
variance in spatial and temporal patterns, affected by changes in climatic conditions and perturbations from human
activities. Therefore, improving the observation of vegetation will provide us with more information about vegetation status
and make us better able to understand the variations of ecological environment characteristics.
With this background, this paper provides an analysis of spatio鄄temporal variations of MODIS / NDVI in the vegetation
covered area of the Yellow River Basin. The MODIS product, which is assumed to be suitable for large scale observations of
vegetation variation, was used, and MOD13Q1 data with a spatial resolution of 250 m伊250 m from 2000 to 2010 was
utilized as the data source. NDVI was used as a proxy for vegetation cover and the Theil鄄Sen Median trend analysis with the
Mann鄄Kendall test were both used to analyze NDVI trends as they are new methods in the long term series analysis of NDVI.
Theil鄄Sen Median trend analysis was used to describe the trend of NDVI and the Mann鄄Kendall test was used to estimate the
significance of trend. The combination of the result of Theil鄄Sen Median trend analysis and Mann鄄Kendall test, as well as
the result of Hurst index were conducted to analyze the sustainability in NDVI trend.
The results indicate that: 1) From the distribution of the annual NDVI in the Yellow River Basin, the NDVI values are
high in the west and the southeast, but low in the north; 2) From the time variation of annual NDVI in the vegetation
covered area in the Yellow River Basin, the values of NDVI fluctuate between 0.3 and 0.4, from 2000 to 2010, and NDVI
from 2000—2004 shows high fluctuations, but rapid upward trend since 2005; 3) From the spatial trends of NDVI, the
area where the values of NDVI increase is much larger than the area where the values of NDVI decrease and the area where
the values of NDVI increase occupies 62. 9% of the vegetation covered area, while the area where the values of NDVI
decrease accounts for 27.7%. 9.4% of the vegetation covered area remained unchanged, during the period of 2000—2010;
4) From the spatial sustainability of NDVI trend, the overlaid result of the Theil鄄Sen Median trend analysis, Mann鄄Kendall
test and Hurst index indicates that 86.0% of the area presents a positive sustainable development. From the overlaid result of
the Theil鄄Sen Median trend analysis and Mann鄄Kendall map and Hurst index map, it can be concluded that 53.7% of the
vegetation鄄covered area presents a sustainable鄄increased state, 7.8% of the vegetation鄄covered area presents a sustainable鄄
unchanged state, 24.5% of the vegetation鄄covered area shows a sustainable鄄decreased state and 14.0% of vegetation鄄covered
area cannot be identified in the future. These areas need to be focused upon and further researched.
Key Words: the Yellow River Basin; NDVI; vegetation covered area; spatio鄄temporal variations; trend analysis;
Hurst index
植被具有明显的年际和季节变化特点,是连接大气、水体、土壤的自然纽带,在保持土壤、调节大气和维持
生态系统稳定等方面具有十分重要的作用[1鄄2]。 NOAA / AVHRR、SPOT / VGT、MODIS 传感器获取的数据覆盖
范围广、时间分辨率高并且数据免费,因此成为长时间序列植被覆盖年际变化研究的数据源[3鄄8]。 (NDVI)与
生物量、叶面积指数有较好的相关关系,能够很好地反映地表植被的繁茂程度,在一定程度上代表地表植被覆
盖变化[9鄄12]。
黄河流域位于我国干旱、半干旱和半湿润地区,生态环境脆弱,在气候变化和人类活动影响下,流域植被
覆盖的状况发生了改变[13]。 目前,黄河流域植被变化研究取得了一定成果。 杨胜天、孙睿等利用 8 km 的
AVHRR / NDVI数据,对黄河流域 1982—1999年植被覆盖的空间变化及其与降水的相关关系进行分析,结果
发现 20a来黄河流域植被覆盖度有增加趋势;汛期降水量的多少对植被覆盖的年际变化起主导作用[14鄄15]。
李春晖等利用 8 km的 AVHRR / NDVI研究黄河流域 1982—1998年 NDVI空间分布、年际 /季节变化以及与降
水和径流的关系,结果发现 17a 来黄河流域各分区年平均 NDVI 都呈现增加趋势;NDVI 年内变化与降水、径
流年内变化呈现明显的正相关;NDVI年际变化与降水具有一定的相关性,但与径流变化的关系相对复杂[16]。
9977摇 24期 摇 摇 摇 袁丽华摇 等:2000—2010年黄河流域植被覆盖的时空变化 摇
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刘绿柳等利用 1982—1999 年 8 km 的 NOAA / AVHRR 分析黄河流域 NDVI 与气温、降水的关系,发现流域
NDVI与降水、温度相关显著的植被类型以草地、灌木为主[17]。 贺振等基于 1998—2011 年 1 km 的 SPOT /
VGT数据,分析黄河流域 NDVI 时空分布、时间变化特征和年际变化趋势,得出自 1998 年以来,黄河流域
NDVI整体在不断提高,生态环境在不断改善的结论[13]。 目前的研究成果主要是基于 8km的 NOAA / AVHRR
和 1 km的 SPOT / VGT数据,数据的空间分辨率偏低;其次,研究植被年际变化趋势采用一元线性回归,而线
性回归规避误差能力较弱[7];再者,利用 Hurst指数研究植被可持续性的研究比较少见。
鉴于上述情况,本文以 250 m的 MOD13Q1 为数据源,通过数据预处理获得 2000—2010 年黄河流域年均
NDVI时间序列,采用规避误差能力较强的 Theil鄄Sen median 趋势分析和 Mann鄄Kendall 以及 Hurst 指数方法,
研究黄河流域植被覆盖区域 NDVI的空间分布特征、时间变化特征、变化趋势特征特征和可持续性特征,以期
为黄河流域生态环境的保护提供依据。
图 1摇 黄河流域位置示意图
Fig.1摇 Location of the Yellow River Basin
1摇 数据与方法
1.1摇 研究区域概况
黄河流域发源于青海省巴颜喀拉山,流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古自治区、陕西、山西、河南和山东
9省,在山东垦利县流入渤海,流域面积为 79.46伊104 km2(图 1)。 黄河流域地势西高东低,西部河源地区平均
海拔在 4000 m以上,由一系列高山组成;中部地区海拔在 1000—2000 m之间,为黄土地貌,水土流失严重;东
部海拔不超过 100 m,主要由黄河冲积平原形成[13]。 黄河流域属于大陆性气候,东南部属半湿润气候,中部属
半干早气候,西北部属干旱气候。 流域内地貌类型多样,生境复杂,为各种植被类型的发育创造了有利条
件[17];主要土地利用类型为林地、草地和耕地。
1.2摇 数据来源与处理
NDVI 数据来源于美国 NASA的 MODIS植被指数产品数据 MOD13Q1。 数据空间分辨率为 250 m,时间分
辨率为 16 d,时间范围:2000年 2月—2010年 12 月。 首先利用 MRT(MODIS ReProjection Tools)软件进行格
式转换和投影转换,把 Hdf格式转换为 Geotiff格式,把 Sinusoidal投影转换为 WGS84 / Albers Equal Area Conic
投影,重采样方法和重采样分辨率分别为邻近自然法和 250 m。 然后采用最大值合成法获取 2000—2010 年
逐月 NDVI数据,有效地去除云、大气和太阳高度角等产生的影响[18鄄19]。 最后利用均值法获取逐年平均的
NDVI数据,消除极端年份气候异常对植被生长状态的影响[20]。
1.3摇 研究方法
采用 Theil鄄Sen median 趋势分析和 Mann鄄Kendall 以及 Hurst 指数方法,研究黄河流域植被覆盖区域,即
0087 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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NDVI值大于等于 0.1的区域的 NDVI的空间分布特征、时间变化特征、变化趋势和可持续性特征[19]。
(1) Theil鄄Sen Median趋势分析和 Mann鄄Kendall检验
Theil鄄Sen Median趋势分析和 Mann鄄Kendall 检验方法能够很好的结合起来,成为判断长时间序列数据趋
势的重要方法,并且已经逐渐应用到植被长时间序列分析中[7,21鄄23]。 该方法的优点是不需要数据服从一定的
分布,对数据误差具有较强的抵抗能力,对于显著性水平的检验具有较为坚实的统计学理论基础,使得结果较
为科学和可信[7]。 其中,Theil鄄Sen Median趋势分析是一种稳健的非参数统计的趋势计算方法,可以减少数据
异常值的影响[25鄄27]。 Theil鄄Sen Median趋势计算 n(n-1) / 2个数据组合的斜率的中位数,其计算公式为:
SNDVI = Median(
NDVI j - NDVIi
j - i
),摇 摇 2000 臆 i < j 臆 2010
当 SNDVI>0时,反映 NDVI呈现增长的趋势,反之则反映 NDVI呈现退化的趋势。
Mann鄄Kendall是一种非参数统计检验方法,用来判断趋势的显著性,它无需样本服从一定的分布,也不受
少数异常值的干扰[28鄄29]。 计算公式如下:
设定 {NDVIi},i = 2000,2001,…,2010
定义 Z统计量为: Z =
S - 1
s(S)
, S > 0
0, S = 0
S + 1
s(S)
, S <
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï 0
摇 摇 其中, S =移
n-1
j = 1
移
n
i = j+1
sgn(NDVI j - NDVIi)
sgn(NDVI j - NDVIi) =
1, NDVI j - NDVIi > 0
0, NDVI j - NDVIi = 0
- 1, NDVI j - NDVIi <
ì
î
í
ï
ï
ïï 0
,摇 摇 s(S) = n(n
- 1)(2n + 5)
18
式中, NDVIi和 NDVI j分别表示像元 i年和 j年的 NDVI值,n表示时间序列的长度;sgn是符号函数;统计量 Z
的取值范围为 - ¥, +( )¥ 。 在给定显著性水平 琢下,当 | Z | > u1-琢 / 2 时,表示研究序列在 琢 水平上存在显著
的变化。 一般取 琢 = 0.05,本文判断在 0.05置信水平上 NDVI时间序列变化趋势的显著性。
(2) Hurst指数
Hurst指数是定量描述时间序列长程依赖性的有效方法[30],在水文学、经济学、气候学、地质和地球化学
等领域有着广泛的应用,近期在植被覆盖变化研究中应用起来[2, 30鄄31]。 其基本原理:对于时间序列
NDVI( t }{ ) ,t = 1,2,…,n ,定义均值序列:
NDVI(子) =
1
子移
子
t = 1
NDVI(子) 摇 摇 子 = 1,2,…,n 摇 摇 摇
1)累积离差 X( t,子) =移
t
t = 1
(NDVI( t) - NDVI(子))摇 摇 1 臆 t 臆 子
2)极差 R(子) = max1臆t臆子X( t,子) - min1臆t臆子X( t,子) 摇 摇 子 = 1,2,…,n
3)标准差 S(子) =
1
子移
子
t = 1
(NDVI( t) - NDVI(子))
é
ë
êê
ù
û
úú
2
1
2
摇 摇 子 = 1,2,…,n
对于比值 R(子) / S(子)劬R / S,若存在如下关系 R / S 邑 子H,则说明分析的时间序列存在 Hurst 现象,H 称为
Hurst指数。 H 值可以根据 log (R / S) n = a + H 伊 log(n) 利用最小二乘法拟合得到。
根据 H的值判断 NDVI序列是完全随机还是存在持续性。 Hurst指数(H 值)取值包括 3种形式:如果 0.5
< H <1,表明时间序列是一个持续性序列,即未来变化与过去的变化趋势一致,且 H 越接近 1,持续性越强。
如果 H = 0.5,则说明 NDVI时间序列为随机序列,不存在长期相关性。 如果 0< H <0.5,则表明时间序列具有
反持续性,即未来的变化趋势与过去的变化趋势相反,H越接近 0,反持续性越强。
1087摇 24期 摇 摇 摇 袁丽华摇 等:2000—2010年黄河流域植被覆盖的时空变化 摇
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2摇 结果与分析
2.1摇 植被覆盖的空间分布特征
摇 摇 利用 2000—2010年的年均 NDVI数据,计算 11a平均值得到平均 NDVI空间分布图(图 2)。 从图 2 可以
看出,黄河流域 NDVI空间分布呈现出西部和东南部高,北部低的分布特征。 西部地区海拔较高,主要植被类
型为森林、草地及草本湿地,具有较高的 NDVI值;东南部地区属于半湿润气候,林地和农作物分布广泛,因此
NDVI值明显较高;北部地区主要为山地、鄂尔多斯高原、黄土高原、河套平原和宁夏平原,其中鄂尔多斯高原
和黄土高原植被覆盖较少,因此 NDVI 值较低,而河套平原和宁夏平原,有农作物种植,年均 NDVI 值介于
0郾 3—0.4之间。 NDVI值小于 0.1的无植被覆盖区域(红色部分)主要为流域西部的湖泊、冰川、裸岩、水库和
荒漠以及流域北部的沙地和沙漠。
图 2摇 黄河流域 2000—2010年平均 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)空间分布
Fig.2摇 Spatial distribution of average NDVI from 2000 to 2010
图 3摇 2000—2010年黄河流域年际 NDVI变化
Fig.3摇 Inter鄄annual variation of NDVI from 2000 to 2010
对 11a NDVI平均值的分级统计结果表明:NDVI值小于 0.1的无植被区域占流域总面积的 1.7%,植被覆
盖区域占 98.3%。 0.1—0.4 的低值区占 53.3%,大于 0.4 的占 45%;其中 0.4—0.5 的区域占 19.5%,0郾 5—0.6
的区域占 10.5%,大于 0.6的较高植被覆盖区占 5.0%。
2.2摇 植被覆盖的时间变化特征
为了研究黄河流域植被覆盖区域 NDVI随时间变化的特点,取 2000—2010年年均 NDVI影像中植被覆盖
区域的 NDVI平均值,代表当年植被覆盖的状态,并制作年际 NDVI 变化图(图 3)。 从图 3 可以看出,黄河流
域植被覆盖区域的年均 NDVI值在 0.3—0.4之间波动,其中 2000—2004 年植被覆盖区域的 NDVI 波动较大,
不存在明显的趋势特征;但自 2005年以来,植被覆盖区
域的 NDVI呈现快速增长的趋势,表明植被整体生长状
况开始好转。
2.3摇 植被覆盖变化趋势分析
将 Theil鄄Sen Median趋势分析和Mann鄄Kendall检验
结合起来,可以有效地反映 2000—2010 年黄河流域
NDVI的变化趋势的空间分布特征。 由于基本上不存
在 SNDVI严格等于 0 的区域,所以本文根据 SNDVI的实际
情况,将 SNDVI介于-0.0005 和 0.0005 的划分为稳定不
变,SNDVI值大于等于 0.0005 的划分为改善区域,SNDVI值
小于-0.0005 的划分为退化区域。 将 Mann鄄Kendall 检
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验在 0.05置信水平上的显著性检验结果划分为显著变化(Z>1.96 或 Z<-1.96)和变化不显著( -1.96臆Z臆
1郾 96)。 将 Theil鄄Sen median 趋势分析的分级结果和Mann鄄Kendall检验的分级结果进行叠加,得到像元尺度上
NDVI变化趋势数据,并将结果划分为 5种变化类型(表 1)。 从表 1可以看出,植被覆盖状况改善的区域占植
被覆盖总面积的 62.9%;稳定不变即没有发生显著变化的区域占 9.4%;植被退化的区域仅占 27.7%。
表 1摇 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)变化趋势统计
Table 1摇 Statistics of NDVI Trend
SNDVI
Z值
Z value
NDVI趋势变化
Trend of NDVI
面积百分比 / %
Percentage
逸0.0005 逸1.96 明显改善 32.8
逸0.0005 -1.96—1.96 轻微改善 30.1
-0.0005—0.0005 -1.96—1.96 稳定不变 9.4
<-0.0005 -1.96—1.96 轻微改善 21.9
<-0.0005 <-1.96 严重退化 5.8
摇 摇 SNDVI介于-0.0005和 0.0005,Z>1.96或 Z<-1.96的像元个数极少,因此将此类像元归类为稳定不变类型
图 4摇 2000—2010年黄河流域年均 NDVI变化趋势
Fig.4摇 Trends of inter鄄annul NDVI from 2000 to 2010
图从 4可以看出:2000—2010年黄河流域地表植被改善的区域远远大于植被退化的区域。 植被明显改
善的区域主要分布在甘肃省的南部和庆阳市南部、陕北地区、鄂尔多斯市中部和北部、狼山、山西省西部以及
青海省境内黄河流域的两侧;轻微改善的地区主要位于四川省、甘肃省和青海省交接的中部地区、吕梁山;稳
定不变地区在流域内呈现零散分布;轻微退化的区域主要位于巴颜喀拉山、阿尼玛卿山、祁连山、包头至呼和
浩特市、阴山南麓、子午岭、甘肃省庆阳市北部和西部、陕西省西部以及南部的森林覆盖地区;严重退化的区域
主要分布在陇中黄土高原、河套平原、大青山、太原盆地、晋城市以及关中盆地的两端;轻微退化和严重退化伴
随分布的地区有宁夏平原、鄂尔多斯市西部、临汾盆地、运城盆地、洛阳市以及山东省境内。
2.4摇 植被覆盖变化的可持续性分析
黄河流域 NDVI的 Hurst指数均值为 0.65,Hurst指数小于 0.5的区域占总面积的 14.0%,大于 0.5 的区域
占为 86.0%,表明黄河流域植被覆盖区域 NDVI的正向持续性较强。
为了揭示植被的变化趋势及其持续性,将 NDVI变化趋势结果与 Hurst指数结果进行叠加,得到变化趋势
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与持续性的耦合信息(图 5)。 将耦合结果划分为 6 种情形:1 持续性与严重退化;2 持续性与轻微退化;3 持
续性与稳定不变;4持续性与轻微改善;5持续性与明显改善;6未来变化趋势不确定,包括反持续性与严重退
化、轻微退化、稳定不变、轻微改善和明显改善 5种组合,无法确定其未来变化趋势。
图 5摇 植被覆盖变化特征图空间分布
Fig.5摇 Spatial distribution of NDVI based on trend and Hurst index
持续改善的组合面积比重达 53.7%,主要分布在陕西省中部和北部、甘肃省东南部、山西省中部、狼山和
鄂尔多斯市东部和北部地区(图 5);持续稳定不变面积组合达 7.8%,主要零散分布在内蒙古、宁夏、甘肃、青
海、山西和河南省;持续退化所占比例为 24.5%,主要分布在巴颜喀拉山、阿尼玛卿山南部、祁连山、陇中黄土
高原、宁夏平原、宁夏中部、甘肃省庆阳市中北部、河套平原、阴山南麓、大青山、包头至呼和浩特市、太原盆地、
临汾盆地、运城盆地、晋城市、关中盆地、洛阳市以及山东省境内(图 5);14.0%的区域未来变化趋势无法确
定,主要分布在阿尼玛卿山、黄南与甘南藏族自治州、西宁市、甘肃省中部和陕西省中部(图 5)。 持续退化和
未来变化趋势区域无法确定的区域的植被变化状况需要研究人员继续关注。
3摇 结论与讨论
3.1摇 结论
(1)从空间分布上分析,黄河流域植被覆盖呈现出西部和东南部高,北部低的分布特征。
(2)从时间变化上分析,2000—2010年黄河流域植被覆盖区域年均 NDVI 值在 0.3—0.4 之间波动,其中
2000—2004年植被覆盖区域 NDVI波动较大,不存在明显的趋势特征;但自 2005年以来,植被覆盖区域 NDVI
呈现快速增长的趋势。
(3)从 NDVI变化趋势上分析,2000—2010年黄河流域地表植被覆盖改善的区域远远大于植被退化的区
域。 改善的区域占植被覆盖区域的 62.9%,退化的区域占 27.7%,9.4%的区域呈现稳定不变的状态。
(4)基于 Hurst指数的数据分析表明,86.0%的植被覆盖区域 NDVI 呈现正向持续现象,NDVI 持续性较
强。 由变化趋势与可持续性数据叠加结果得出:持续改善的组合面积占植被覆盖区域总面积的 53.7%,持续
稳定不变的区域占 7.8%,持续退化的区域占 24.5%,另外 14.0%的植被覆盖区域未来变化趋势无法确定,持
续退化的区域和未来变化趋势无法确定的区域的植被的变化状况需要研究人员继续关注和研究。
3.2摇 讨论
本研究采用 250m中等空间分辨率的长时间序列 MODIS / NDVI 数据,利用 Theil鄄Sen median 趋势分析和
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Mann鄄Kendall以及 Hurst指数方法分析黄河流域植被的时间变化特征、变化趋势特征和可持续性特征。 研究
结果能够有效地反映黄河流域植被覆盖的变化状况,有助于促进区域生态环境的保护,具有一定的实用性。
同时本研究也存在着一定的局限性,首先,没有针对不同植被类型的变化进行分析;其次,植被变化受气候、人
文和政策的综合影响,因此需要进一步加强对 NDVI变化的原因进行分析;最后,植被变化的地域差异性十分
显著,需要加强对不同地域植被变化差异的研究。
致谢:北京师范大学资源学院 2011级王萌杰博士帮助 IDL 编程,北京师范大学减灾与应急管理研究院 2013
级陈曦博士帮助 Mann鄄Kendall检验编程。
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园员怨苑 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿猿卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 丁摇 平摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
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