夏正清，謝艷玲，王 濤

（1北京中色測繪院有限公司，北京 100012；2貴州省第一測繪院，貴陽 550025；3西安科技大學測繪科學與技術學院，西安 710054）

0 引言

土地利用/土地覆被變化(Land use and land cover change，LUCC)是國內外學者廣泛關注的熱點問題之一[1-2]，作為一個國際研究計劃，LUCC已經被全球土地計劃(Global Land Project，GLP)（2005—2015年）、未來地球計劃(Future Earth)（2014—2023年）繼承和替代，研究方向也向更深層次、多學科交叉發(fā)展。作為一種對生態(tài)環(huán)境認知的途徑和方法，LUCC已經成為研究全球及區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的重要數據基礎[3-4]，同時LUCC也在溝通自然生態(tài)環(huán)境與人類活動研究方面，起到了重要的橋梁作用[5-6]。

已有LUCC研究中，包括了結構與過程研究、驅動機制研究、模型與模擬研究、土地利用生態(tài)環(huán)境效應研究等內容。結構與過程研究方面，如Li等[7]、Sun等[8]對中國黃土高原、寒區(qū)LUCC過程的研究，反映出人類活動如退耕還草工程及氣候變化的影響，研究表明退耕還林還草工程實施對改善黃土高原植被覆蓋水平方面效果顯著，工程實施引起區(qū)域內大面積耕地向林地、草地轉變，地表植被覆蓋水平顯著提高。而氣候變化尤其是氣候變暖促使以草甸、草地植被為主的寒區(qū)歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)增加，植物群落向灌木林群落轉變。Chen等[9]、Fan等[10]、Lu等[11]在省級及縣級行政單元上的LUCC研究結果，對于評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化及政策調整起到重要作用。

驅動機制方面，政府政策[9]、社會經濟發(fā)展[12-13]、人口遷移[14]等均為LUCC過程的重要驅動因素，但在不同時段、不同區(qū)域存在差異。模型與模擬研究方面，元胞自動機模型(Cellular Automation Model)[15]、土地利用轉換及其效果模型(The Conversion of Land Use and its Effects,CLUE)[16]、Markov模型[17]及其他LUCC過程與預測模型[18]均得到了開發(fā)與應用。隨著研究的深入，模型構建及模擬中，融入了更多驅動因素，如氣候因素、社會經濟因素、農戶行為/城鎮(zhèn)居民行為等內容。土地利用生態(tài)環(huán)境效應方面研究內容也較多，如土地利用變化引起的水文效應[19]、土地利用變化碳排放效應[20-21]、土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化[22-23]。

礦區(qū)是陸地地表人類活動劇烈區(qū)域之一，深受人類活動影響。綜合探討氣候變化、城市擴張與采礦等人類活動對礦區(qū)土地利用與NDVI時空變化過程影響，對于科學認識礦區(qū)LUCC變化過程及調整區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與建設政策具有重要的理論與現實意義。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以位于中國陜西省北部的神木市和府谷縣行政區(qū)劃范圍作為研究區(qū)。區(qū)域西北部為毛烏素沙地南緣，東南部為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，全區(qū)總面積1.09×104km2。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫9℃，年降水量約450 mm。受降水限制，地表植被覆蓋水平較低，生態(tài)環(huán)境脆弱，對人類活動尤其是采礦活動響應敏感。神府礦區(qū)是陜西省乃至中國重要的煤炭產區(qū)，煤炭的開采、礦區(qū)的建設等促進了工礦用地面積的擴張，擠占了鄰近區(qū)域的其他用地，對區(qū)域內土地利用和NDVI變化可能產生了重要影響。

1.2 數據與處理

研究使用數據包括：（1）2000年、2005年和2010年神府礦區(qū)1：10萬土地利用數據集，收集自全國生態(tài)十年遙感評估項目。土地利用數據劃分為6個一級類和20個二級類。（2）2000—2015年覆蓋神府礦區(qū)250 m分辨率、16天合成的MODISNDVI數據集，下載自https://ladsweb.nascom.nasa.gov。利用最大值合成(Maximum Value Composition，MVC)方法得到2000—2015年逐年神府礦區(qū)NDVI數據。（3）氣象數據為陜西榆林、山西河曲、興縣3個站點2000—2015年年平均氣溫、年降水量數據。

1.3 研究方法

（1）NDVI變化趨勢

變化趨勢分析采用一元線性回歸模型，用于分析神府礦區(qū)NDVI時間和空間序列變化過程及未來可能的變化方向，反映研究時段內線性變化趨勢及其空間分布，計算公式見(1)～(3)[24]。

式中，Y為2000—2015年研究區(qū)NDVI值或NDVI值的空間分布數據；X為2000—2015年年份；a為系數；b為常數；和為X和Y的平均值。a值的正與負反映NDVI的線性增加與減少。

一元線性回歸模型顯著性采用F檢驗，計算公式見(4)。

（2）NDVI與氣溫、降水相關關系分析

利用相關系數辨識氣候變化與植被變化之間關系，計算公式見(5)[24]。

式中，x、y分別為NDVI和氣溫/降水。r值在[-1，1]之間，r=0表示兩變量不相關；r值越趨近于-1表示負相關關系越強，反之則正相關關系越強。查詢相關系數臨界表，當α=0.05，臨界值為0.4973，即相關系數|r|＞0.4973時，顯著，反之，則不顯著。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化過程

2000—2010年神府礦區(qū)土地利用類型主要為草地、未利用地和耕地，分別平均占總面積的61.52%、18.23%和15.96%（圖1a）。2000—2010年神府礦區(qū)耕地面積減少最大，共減少458.05 km2，草地面積增加最多，為333.61 km2。此外，建設用地也大面積增加，僅次于草地增加面積，為166.95 km2（圖1b）。由于草地基數大，2000—2010年土地利用變化幅度上草地并非最高，而是建設用地，其10年間增加幅度超過203%（圖1c）。

退耕還林還草工程實施是導致神府礦區(qū)耕地面積減少，草地面積增加的主要驅動因素。神府礦區(qū)最大的特點表現在資源產業(yè)的發(fā)展，主要是煤炭產業(yè)的發(fā)展，引起當地經濟規(guī)模提升，人口大量涌入，進而導致區(qū)域內建設用地規(guī)模不斷擴張。建設用地二級分類劃分為居住地、工業(yè)用地、交通用地、采礦場，其中居住用地與人口數量增長有關，工業(yè)用地和工業(yè)發(fā)展有關，交通用地與經濟發(fā)展的協(xié)作有關，采礦場與煤炭資源開采關系密切。2000—2010年神府礦區(qū)建設用地中工業(yè)用地所占比重最高，平均占總面積的50.96%，其次為居住用地為20.70%（圖1d），并且工業(yè)用地增加面積也最大，為101.03 km2，居住用地其次，為32.58 km2，采礦用地增加23.76 km2，居第3位（圖1e）。變化幅度上略有差異，其中工業(yè)用地增加幅度最大，為284.71%，其次為交通用地，增加273.61%，再次為采礦場，增加199.63%（圖1f）。

圖1 土地利用類型面積及比例變化

由神府礦區(qū)土地利用轉移矩陣可知（表1），2000—2010年神府礦區(qū)土地利用類型轉移表現為耕地轉為草地，面積達到430.80 km2，草地、耕地和未利用地主要轉為建設用地，分別達到92.25 km2、27.16 km2和43.96 km2。2000—2010年土地利用轉移矩陣也反映出，神府礦區(qū)土地利用變化集中在耕地轉為草地和其他用地類型轉為建設用地方面，二者分別與退耕還林還草工程實施和社會經濟發(fā)展引起的城市大規(guī)模擴張有關。

表1 2000—2010年土地利用轉移矩陣

土地利用空間分布上（圖2a、圖2b和圖2c），草地和耕地主要分布在區(qū)域的中東部，呈交錯分布狀態(tài)，未利用地集中分布在區(qū)域的西部，林地、水域和建設用地分布范圍較小，但更為集中，2000—2015年建設用地呈現出沿河流谷地線性擴張和以榆林市為中心的面狀擴張過程。空間變化來看（圖2d、圖2e和圖2f），西部未利用地集中區(qū)域土地利用變化較小，變化劇烈區(qū)域集中在中東部地區(qū)，以及河流谷地和城市附近區(qū)域。土地利用空間變化過程，充分反映了神府礦區(qū)土地利用變化與退耕還林還草工程實施、城市擴張等具有密切關系。

圖2 土地利用及其變化空間分布

2.2 NDVI變化過程

NDVI是表征植被覆蓋的重要指標，NDVI值越大則植被覆蓋水平越高，反之，越低[25-26]。2000—2015年神府礦區(qū)平均NDVI為0.3978，其中2001年值最低，為0.2875，2013年最高，為0.4924。NDVI變化過程可劃分為4個階段：2000—2001年，NDVI值較低，平均值為0.2932；2002—2006年，NDVI數值升高，平均值為0.3685；2007—2011年，NDVI數值再次升高，平均值達到0.4230；2012—2015年，NDVI平均值為0.4553。4個階段中，神府礦區(qū)NDVI平均值提高55.29%。由前述土地利用變化可知，耕地轉為草地是2000—2010年神府礦區(qū)最為主要的土地類型轉移方向，反映了退耕還林還草工程實施，促進了地表植被的改善。從變化過程的線性擬合結果可知，2000—2015年神府礦區(qū)NDVI總體呈線性增加趨勢，線性增加速率為0.105/10a（P＜0.001）（圖 3），反映出未來一段時間內礦區(qū)NDVI仍會呈增加趨勢。

NDVI線性變化速率空間分布表明（圖4a），神府礦區(qū)2000—2015年NDVI線性變化速率最低值為-0.026/a，最高值為0.044/a?？傮w上以線性增加速率為主，占礦區(qū)總面積的99.12%，線性減少速率分布區(qū)域僅占0.88%，主要分布在河流谷地、城鎮(zhèn)等人類活動劇烈的區(qū)域。NDVI線性變化的F檢驗結果表明（圖4b），將神府礦區(qū)2000—2015年線性變化速率的F檢驗結果劃分為不顯著減少、顯著減少、不顯著增加和顯著增加4類，分別占礦區(qū)總面積的0.74%、0.14%、3.18%和95.95%。這一結果表明2000—2015年神府礦區(qū)除河流谷地和城鎮(zhèn)區(qū)域因受人類活動影響NDVI下降外，其他區(qū)域受退耕還林還草工程實施及其他因素影響，NDVI呈增加過程。

圖4 NDVI變化速率及F檢驗結果空間分布

2.3 不同土地利用方式下的NDVI變化過程

由于NDVI與氣候因素之間具有密切的聯系，在2000—2015年氣溫、降水等因素既定情況下，神府礦區(qū)2000年和2010年各土地利用類型的NDVI數值呈現出極為一致的增加過程，耕地NDVI平均值最高、其次為草地和林地，建設用地和未利用地最低（圖5a和圖5b）。據前述2000—2010年，神府礦區(qū)耕地大面積轉為草地、其他用地也多向建設用地轉變，并參照按2000年和2010年土地利用類型分別統(tǒng)計的逐年NDVI差值可知（圖5c），神府礦區(qū)耕地和草地NDVI差值為正，未利用地差值接近0值，而林地和建設用地為負值，變化過程上耕地、建設用地差值呈下降過程，未利用地差值變化不明顯，草地和林地差值呈上升過程。該結果表明，2000—2010年神府礦區(qū)土地利用變化引起了NDVI的變化，耕地面積減少導致耕地NDVI減小，而草地、林地面積增大，引起草地和林地NDVI增大，同時，建設用地面積增加，導致建設用地NDVI下降。

圖5 按2000年(a)和2010年(b)土地利用統(tǒng)計的NDVI及其差值(c)變化過程

2.4 NDVI變化與氣溫降水關系

NDVI反映的植被生長狀況受氣溫、降水影響明顯。神府礦區(qū)2000—2015年NDVI與氣溫、降水相關關系顯著性分布結果表明，總體上神府礦區(qū)NDVI與氣溫以負相關為主，與降水以正相關為主。具體而言，NDVI與氣溫負相關比例占區(qū)域總面積的89.41%，其中顯著負相關僅占0.56%（圖6a）；NDVI與降水正相關比例占區(qū)域總面積的97.79%，其中顯著正相關占42.13%，分布在區(qū)域的東南邊緣及中北部區(qū)域；而負相關以斑塊狀、線狀分布在河流谷地及城鎮(zhèn)附近區(qū)域（圖6b）。

圖6 NDVI與氣溫、降水相關性空間分布

2.5 驅動因素分析

土地利用變化與人類活動密切相關，受到政府政策實施、社會經濟發(fā)展等因素影響。神府礦區(qū)所處的陜北黃土高原與毛烏素沙地過渡地帶，退耕還林還草工程在2000—2008年以及2015年之后相繼開展，對當地土地利用變化起到重要推動作用，極大的促使耕地向林地和草地轉變，這在前文中已有反映。此外，神府礦區(qū)的社會經濟快速發(fā)展，引起城市人口、工礦業(yè)活動增加等，進而導致建設用地面積迅速擴張，2000—2010年面積擴張1倍有余，建設用地中尤以工業(yè)用地和交通用地增長迅猛。退耕還林還草工程實施和城市擴張是2000—2010年神府礦區(qū)最為主要的土地利用變化驅動因素。

NDVI變化過程主要受制于氣候變化狀況。神府礦區(qū)所處地帶熱量條件較為充足，水分因子是植被生長發(fā)育的主要限制因子。2000年以來，神府礦區(qū)年平均降水量及降水強度均呈增加趨勢，但增速均較低（圖7），NDVI呈現出與降水較高的顯著正相關關系。結合前文內容可知，耕地面積下降和建設用地擴張，均引起NDVI降低，而林地和草地面積增加，引起NDVI升高。總體來看，盡管土地利用發(fā)生了變化，但由于氣候因子尤其是降水因子朝向有利于植被生長的方向變化，疊加上耕地向林地、草地的轉變，共同促使神府礦區(qū)植被狀況改善。

圖7 神府礦區(qū)降水量及降水強度變化

3 討論與結論

已有研究多側重于分析氣候變化與NDVI的關系、人類活動與土地利用的關系，割裂了土地利用與NDVI之間的關系。本研究建立人類活動—土地利用變化—NDVI變化關系鏈條，以人類活動劇烈的神府礦區(qū)為研究區(qū)域，通過分析土地利用與NDVI時空變化特征及驅動因素，綜合探討退耕還林還草工程實施、氣候變化、礦區(qū)采礦等人類活動對區(qū)域內土地利用變化及NDVI變化影響，對于深入認識礦區(qū)地表覆蓋變化的驅動機制奠定基礎。受數據獲取的限制，本研究過程中土地利用數據僅使用了2000年、2005年和2010年3期數據，降低了研究結論的現勢性。后續(xù)研究中將以獲取高分辨率/小比例尺土地利用數據為基礎，深入開展人類活動和氣候變化影響下的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化動態(tài)監(jiān)測研究，為黃河流域高質量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據。

通過以上分析，得到幾點結論：（1）2000—2010年神府礦區(qū)土地利用類型以草地、未利用地和耕地為主，耕地大面積減少、草地大面積增加和建設用地迅速增加是該時期主要土地利用變化特征。耕地主要轉化為草地和林地，分布在礦區(qū)東南部，所有用地類型均向建設用地轉化，集中在城鎮(zhèn)附近區(qū)域及河流谷地。（2）2000—2015年神府礦區(qū)NDVI總體呈線性增加趨勢，線性增加速率為0.105/10a(P＜0.001)。NDVI顯著增加區(qū)域占礦區(qū)總面積的95.95%，僅有河流谷地、城鎮(zhèn)附近區(qū)域NDVI呈減少趨勢。土地利用變化過程中，2000—2010年耕地面積下降和建設用地面積擴張，均導致NDVI降低，而草地和林地面積增加，引起NDVI升高。神府礦區(qū)2000—2015年NDVI與氣溫以負相關為主，與降水以顯著正相關為主，占總面積的97.79%，負相關以斑塊狀和線狀集中在城鎮(zhèn)附近和河流谷地。（3）退耕還林還草工程實施和社會經濟發(fā)展引起的城市擴張是神府礦區(qū)土地利用變化的主要驅動因素，而氣候變化尤其是降水增加和林地、草地面積變化有力促進了NDVI的升高。