近四十年来黄河生态经济带和长江经济带的NDVI变化对比研究

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作为连接土壤、大气和水之间的天然纽带,植被通过参与能量交换和碳循环而在生态系统中发挥着重要作用,且植被状况常被视为反映气候变化和人类活动的重要指标。因此,研究植被的时空特征及其内在机制具有重要的科学意义,也是当前的研究热点。近年来,学者们普遍使用遥感数据监测植被变化,并开发了许多植被指数,如归一化差异植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、差分植被指数(DVI)等。其中,归一化植被指数(NDVI)是应用最广泛的植被指数。由于遥感技术的进步和数据集的完善,使用长时间序列的NDVI数据集监测长期的植被动态已成为可能。植被状况同时受气候、土地利用变化和其他人为因素的影响。研究表明,降水量和温度的变化会显著影响NDVI的变化。在大多数干旱和半干旱地区,NDVI与降水量呈正相关,而在湿润和半湿润地区,NDVI与降雨之间呈负相关。近年来,大规模的人类社会和生态活动对环境产生了巨大的影响,并且人为因素在植被的时空变化中往往起着更重要的作用。另外,近几十年来,黄河生态经济带和长江经济带经历了经济腾飞和人口增长。同时,由于全球变暖的影响,当地气候也发生了显著变化,且两个经济带都受到强烈的人为干扰和气候变化的影响,当地的NDVI均有显著增加。因此,在全球气候变暖和人类活动加剧的现实条件下,有必要阐明植被变化背后的机制。本文通过建立NDVI与气候因素之间的回归方程,经由分析NDVI残差(模型的预测值和观测值的差值)来定量的评估人类活动和气候变化对NDVI变化的影响。这一研究对两个经济带的研究具有非常重要的意义,可以帮助我们理清当地NDVI变化的具体情况,找出影响NDVI变化的关键因素,为将来的政策制定和发展计划的实施提供科学参考。本文基于两套归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据、气象数据和社会经济统计数据,综合使用相关性分析、多元回归分析探究对气候因素和人类因素的影响力进行定量分析,使用聚类分析法对1982-2019年黄河生态经济带和长江经济带人类因素主导的NDVI残差变化的时空特征进行了分类探究,以及使用广义可加模型等方法定性分析了黄河生态经济带NDVI残差变化与社会经济因素的关系。其主要结论如下:⑴从1982年到2019年,整个黄河生态经济带的NDVI呈上升趋势,并伴随有明显的阶段性特征,具体表现为1982-1990年和2004-2019年两个时段的NDVI显著上升,且热点区域分布不同。前一阶段的热点区域主要是传统农耕区如山东、河南等省,后一阶段的热点区域主要是退耕还林重点区,即陕西、山西、宁夏等省、自治区。而对于长江经济带,在过去四十年有显著的绿化趋势,与黄河生态经济带不同的是,长江经济带的NDVI变化分为两个上升阶段:1982-2002年和2003-2019年。1982-2002年的绿化趋势普遍增加,但三大城市群除外,而2003-2019年绿化趋势最明显的地区是四川盆地及其周边山区。⑵黄河生态经济带和长江经济带NDVI的变化主要是人类因素在主导。NDVI残差与NDVI观测值的斜率值的时空变化特征保持一致,具体表现在1982-1990年间,残差值与观测值的热点地区保持一致都集中在山东和河南等农耕区,且两个序列斜率的相关系数高达0.77;2004-2019年间残差序列与观测值序列的斜率值的时空特征保持一致,且主要集中在黄土高原区,在数量关系上二者的相关系数为0.69。而在长江经济带,NDVI残差与NDVI观测值的时空特征保持一致,在两个时期,在数量关系上二者的相关系数分别为0.77和0.8。人类因素是两大经济带NDVI变化的主导因素。⑶在黄河生态经济带,NDVI残差区域特征明显,在黄土高原(农林复合区)地区NDVI残差变化明显,在21世纪之后增长明显,当地的人为植树造林是NDVI变化的主要原因;内蒙古和青海省(牧业区)等地区NDVI残差变化较缓,山东和河南省(农业区)NDVI残差的波动情况主要是受到该区域春小麦播种和生长情况的影响。对于长江经济带,21世纪以来,四川、重庆、湖北等省份的撂荒活动和与之同时进行的退耕还林活动是NDVI变化的主要驱动力。综上,黄河生态经济带和长江经济带的NDVI时空变化及其驱动机制存在很大的空间异质性,复杂的自然和人文条件是造成这一特征的原因,并且人类活动在NDVI的变化中发挥着主导作用。本研究对人类活动、气候变化和NDVI三者关系的认识可以加深人们对植被和生态的认识,并可以为我国的生态文明建设工作提供科学支撑。
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