1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000
2.中国科学院大学，北京 100049
3.鄂尔多斯市水利事业发展中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200
作者简介 About authors
荒漠草原过渡带生态系统十分脆弱，与其他陆地生态系统相比，对气候变化的响应更为敏感。以位于内蒙古库布齐沙漠边缘的杭锦旗为研究区，利用谷歌地球引擎Google Earth Engine（GEE）遥感云计算平台，选取研究区2000—2020年MOD13Q1系列数据集的归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）产品，分析杭锦旗区域植被变化趋势特征，并利用像元二分模型反演研究期间植被覆盖度（Fraction Vegetation Coverage，FVC），辅以空间转移矩阵、重心迁移模型监测植被的演变格局，并借助年降水量和年均气温数据，运用相关性分析阐明杭锦旗NDVI对降水和温度的响应特征。结果表明：①区域植被总体上呈现逐渐增加趋势，NDVI平均年变化率为0.0021，植被改善明显，且区域整体植被覆盖在空间上具有东南高、西北低的分布格局。②2000—2020年杭锦旗植被覆盖已有较好改善，年均植被覆盖度区域重心从东南到西北方向即往库布齐沙漠中心移动，高和较高植被覆盖度区域存在由北向南扩张的趋势，中等和较低植被覆盖度区域存在由南向北扩张趋势。区域内以中等植被覆盖度区域为主，面积占比大于50%，除较低植被覆盖度面积大幅减少62.35%和低植被覆盖度面积小幅下降36.39%，其余不同等级植被覆盖度面积均有所增加，其中较高植被覆盖度面积增加最大，增幅为150.12%。③NDVI与气候要素偏相关性存在明显的地区差异。在年际尺度上，植被变化受降水的影响更为明显，NDVI与降水的相关系数达到0.8，降水量增加是促进NDVI变化的主要驱动力。
关键词：谷歌地球引擎;归一化植被指数;植被覆盖度;时空变化;库布齐沙漠
Compared to other terrestrial ecosystems， desert steppe transition zone ecosystems are highly vulnerable and exhibit heightened sensitivity to climate change. Therefore， long-term protection and attention is important. In this study， Hanggin Banner at the edge of Hobq Desert in Inner Mongolia was selected as the research area. Utilizing the Google Earth Engine （GEE） remote sensing cloud computing platform， we analyzed the vegetation change trends in Hanggin Banner by employing the Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） from the MOD13Q1 series dataset during 2000-2020. Additionally， we monitored the vegetation evolution pattern using Fraction Vegetation Coverage （FVC） derived from a binary the study period. This analysis was supplemented by spatial transfer matrix and barycentric migration models to elucidate changes in NDVI characteristics within Hanggin Banner. Furthermore， annual precipitation average annual temperature data were utilized to investigate correlations with vegetation normalization index trends in Hanggin Banner. The results indicated the following： （1） Overall， there was a gradual increase in vegetation in the region， with an average annual change rate of 0.0021， demonstrating significant improvement. The vegetation cover was higher in the southeast and lower in the northwest. （2） From 2000 to 2020， Hanggin Banner witnessed considerable enhancement in vegetation coverage， with medium vegetation covering more than 50% of the total area. While low vegetation coverage decreased significantly by 62.35%， there was a slight decrease of 36.39% in high vegetation coverage. However， other grades experienced an increase in their respective coverages， particularly high vegetation which saw a remarkable rise of 150.12%. Moreover， areas with high and medium vegetative coverage tended to expand from north to south while those with medium and low vegetative coverage expanded. （3） There were distinct regional variations observed regarding the partial correlation between NDVI and climate factors. At an inter-annual scale， precipitation had a more pronounced impact on vegetation changes， and the correlation coefficient R reach 0.8 with NDVI， thus indicating that precipitation serves as the primary driving force behind changes in NDVI.
Keywords：Google Earth Engine;NDVI;fraction vegetation coverage;spatial-temporal change;Hobq Desert
本文引用格式
位于内蒙古自治区的杭锦旗涉及库布齐沙漠及鄂尔多斯荒漠草原，是内蒙古中西部地区荒漠与草原过渡带沙漠化严重、生态环境脆弱的地区。由于位置独特、气候干旱，该区域生态系统脆弱，植被变化较为敏感。目前利用GEE平台对库布齐沙漠荒漠草原过渡带区域长时序NDVI监测研究较少，且杭锦旗境内沙漠面积9 780 km2，高达杭锦旗面积的49.48%，若沙漠化面积日益增加意味着人类可适宜居住的面积日益减少，同时也会伴随着严重的民生问题的发生即贫困化问题不断加剧。为及时高效地掌握植被动态变化，有效监测环境变化和沙漠进程，本研究基于GEE平台MOD13Q1系列数据集产品的NDVI数据分析属于荒漠与草原过渡带的杭锦旗植被历年生长变化特点，通过转移矩阵了解当地各类植被覆盖度面积变化情况，并利用重心迁移模型计算杭锦旗不同时期各类植被覆盖度区域的重心坐标从而描绘重心迁移路径，直观反映该地区各类植被覆盖度的空间格局变迁过程，揭示杭锦旗生态环境是否稳定和脆弱，保护当地生态环境，保障干旱半干旱区生态脆弱区的经济可持续发展。同时由于不同地区气候要素对NDVI的响应程度不同，鉴于气候要素对NDVI的影响具有空间异质性，本文通过揭示NDVI对气象要素的相关性，全面分析杭锦旗植被动态规律，探寻杭锦旗在荒漠化防治过程中存在的问题，为该区域植被保护、水土保持、防沙治沙与生态环境建设提供科学依据。
图1研究区地理位置及行政区划
注：基于内蒙古自治区自然资源厅标准地图（审图号：蒙S（2020）028号）制作，底图边界无修改
Fig.1Location of study area and administrative division
本研究利用趋势分析方法分析杭锦旗近20年NDVI的变化趋势，利用空间转移矩阵和物理重心模型从空间上分析NDVI的变化规律，同时结合相关性分析探究以温度和降水为显著因子的气候要素对各区域NDVI的影响。
式中：趋势线斜率slope为NDVI随时间的变化趋势；n为研究年限跨度，本文为21；i=1，2，3，…，21；NDVIi 为第i年的NDVI的平均值。当slope>0时，表明在该研究时段内NDVI呈增长趋势，且数值越大增加越明显；当slope=0时，表明在该研究时段内NDVI基本不变；当slope<0时，表明在该研究时段内NDVI呈退化趋势，且数值越大退化越明显。对线性趋势结果采用F检验法进行显著性检验。根据显著性检验结果将变化趋势分为4个等级：显著退化（slope<0，P<0.05），轻微退化（slope<0，P≥0.05），轻微改善（slope>0，P≥0.05），显著改善（slope>0，P<0.05）。
式中：FVC为植被覆盖度；NDVImax和NDVImin为置信区间内NDVI的最小值和最大值。本研究采用0.5%置信度截取NDVI的上下阈值，选取累计频率99.5%的NDVI值作为NDVImax，累计频率为0.5%的NDVI值作为NDVImin。
式中：Xt 、Yt 分别代表植被各等级FVC的重心坐标；Ni 为第i个栅格的平均FVC；xi 、yi 为第i个平面空间单元的坐标值；n为研究年限跨度。
式中：Rxy，z 为将变量z固定后变量x与变量y之间的偏相关系数；x为NDVI值；y为气温；z为降水量；Rxy 、Rxz 、Ryz 分别为NDVI与气温、NDVI与降水以及气温与降水的线性相关系数。本研究采用t检验法进行偏相关系数的显著性检验：
图22000—2020年杭锦旗NDVI年际变化
Fig.2Inter-annual variations of NDVI in Hanggin Banner from 2000 to 2020
图32000—2020年杭锦旗NDVI变化趋势（A）及变化显著性（B）
注：基于内蒙古自治区自然资源厅标准地图（审图号：蒙S（2020）028号）制作，底图边界无修改
Fig.3The variation tendency（A） and the significance （B） of variation tendency of annual NDVI in Hanggin Banner from 2000 to 2020
图42000—2020年杭锦旗平均植被覆盖度（A）及其分等级（B）空间分布
注：基于内蒙古自治区自然资源厅标准地图（审图号：蒙S（2020）028号）制作，底图边界无修改
Fig.4Spatial distribution of average vegetation coverage （A） and its different types （B） in Hanggin Banner from 2000 to 2020
图5植被覆盖分级格局
注：基于内蒙古自治区自然资源厅标准地图（审图号：蒙S（2020）028号）制作，底图边界无修改
Fig.5The spatial distribution of vegetation cover types every five years
图6植被覆盖分级面积占比变化
Fig.6Area change of vegetation cover type every five years
表1杭锦旗植被覆盖分级格局转移矩阵（km2 ）
Table 1 The transfer matrix of vegetations cover in Hanggin Banner
图72000—2020年不同植被覆盖分级重心迁移变化
Fig.7The migration and variation of center of vegetation cover in 2000-2020
图82000—2020年年降水量（A）和年均气温（B）变化
Fig.8Variation of annual precipitation （A） and average annual temperature （B） from 2000 to 2020
图92000—2020年杭锦旗NDVI与年降水量相关系数（A）和显著性检验（B）
注：基于内蒙古自治区自然资源厅标准地图（审图号：蒙S（2020）028号）制作，底图边界无修改
Fig.9The spatial distribution of correlation coefficent （A） and significances （B） between NDVI and annual precipitation in Hanggin Banner from 2000 to 2020
图102000—2020年杭锦旗NDVI与年均气温相关系数（A）和显著性检验（B）
注：基于内蒙古自治区自然资源厅标准地图（审图号：蒙S（2020）028号）制作，底图边界无修改
Fig.10The spatial distribution of correlation （A） and significances （B） between NDVI and average annual temperature in Hanggin Banner from 2000 to 2020
2000—2020年杭锦旗区域NDVI呈现缓慢增加，植被增加面积占比约97.5%；区域植被具有东南高西北低的空间分布格局。
2000—2020年杭锦旗区域内以中等植被覆盖为主，除较低植被覆盖面积大幅减少62.35%及低植被覆盖面积减少36.39%外，其余植被面积均增加，其中较高植被覆盖面积增加最大，增幅为150.12%。高和较高植被覆盖度区域存在由北向南扩张的趋势，中等和较低植被覆盖度区域存在由南向北扩张趋势。
Spatiotemporal vegetation cover variations associated with climate change and ecological restoration in the Loess Plateau
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