雅魯藏布江流域NDVI變化與風沙化土地演變的耦合關系

李海東，沈渭壽，蔡博峰，紀 迪，張曉勇

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，南京 210042;2.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012;3.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210036)

氣候變化是制約生態(tài)脆弱地區(qū)沙漠化的最主要和多變的環(huán)境因素，對植被退化、生物多樣性喪失和沙漠化發(fā)生發(fā)展有直接的影響［1-2］。歸一化差值植被指數(NDVI)是反映區(qū)域植被動態(tài)變化的最敏感指標，在某種程度上代表著土地覆蓋的動態(tài)變化［3］。近年來，許多學者對NDVI與氣候變化之間的關系進行了廣泛研究。Weiss等［4］分析了新墨西哥州不同季節(jié)以及年內植被與氣候的相關性，宋怡等［5］利用NDVI數據分析了我國寒旱地區(qū)植被生長狀況及其對各種氣候因子的響應關系，樸世龍等［6］利用NOAA/AVHRR數據研究指出青藏高原植被對全球變化的響應是最明顯的。同時，許多學者亦對氣候變化與沙漠化之間的影響做了大量的研究。魏文壽等［7］研究指出在沒有人為影響的條件下，古爾班通古特沙漠邊緣的沙漠化對氣候變化有著明顯的響應，其響應過程反映出沙漠化的敏感性和干旱氣候積累的滯后性;白美蘭等［8］研究指出氣候的變干、變暖以及局地性暴雨的增強，可以導致沙漠化進程的加快。由此可見，氣候變化與NDVI、土地沙漠化之間均存在著較強的相關性，然而，目前將NDVI與土地沙漠化、氣象數據相結合，系統分析三者之間關聯性的研究尚鮮有報道。

雅魯藏布江流域地勢高亢，平均海拔超過4000m，是我國第五大河(僅次于長江、黃河、黑龍江和珠江)和世界上海拔最高的大河。流域內物理凍融侵蝕作用廣泛，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。由于地表沙物質豐富、氣候干冷多風、植被稀疏低矮等，風沙地貌非常發(fā)育［9-11］。近20年來，西藏自治區(qū)在雅魯藏布江源區(qū)開展了國家級生態(tài)功能保護區(qū)的建設試點，在中部流域開展了大規(guī)模人工造林和圍欄封育等生態(tài)保護與建設工作，對區(qū)域風沙災害防治發(fā)揮了重要作用。但同時，由于受全球氣候變暖以及人類活動的影響，雅魯藏布江源區(qū)、中部流域的拉薩國際機場和日喀則機場周邊的風沙化土地近幾十年來仍呈緩慢的增長趨勢［12-14］。當前，在氣候波動和生態(tài)保護與建設的疊加作用下，雅魯藏布江流域植被生長狀況和風沙化土地變化之間的關聯性如何?以及氣候因素和人類活動對其耦合關系的影響等，這些問題亟待分析與討論。因此，開展流域內植被NDVI和風沙化土地變化的關聯性研究，分析NDVI、風沙化土地變化和氣候變化之間的耦合關系，對加強流域生態(tài)安全屏障建設、指導正在進行的風沙化土地生態(tài)恢復工作具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

雅魯藏布江由西向東橫跨西藏自治區(qū)的拉薩市、日喀則和山南地區(qū)的大部分和阿里、那曲、昌都地區(qū)的一小部分，涉及41個縣(市)，流域面積24.2萬km2，占西藏國土面積的20%。流域內地勢西高東低，南北高、中間低(圖1)。受西南季風的影響，流域內降水主要來源于印度洋孟加拉灣的暖濕氣流，由于南部喜馬拉雅山脈的阻隔，大部沿江而上形成降水，且從下而上逐漸減少。在下游干流兩側高山區(qū)形成由南向北、由東向西遞減的易貢藏布—尼洋河、尼洋河—干流河谷，以及雅魯藏布江大拐彎西南側若干個降水高值中心［15］。在喜馬拉雅山北麓，由于南來的氣流過喜馬拉雅山后的下沉作用，形成了一條狹長的雨影區(qū)，導致雅魯藏布江中上游降水量顯著減小。

雅魯藏布江流域內上下游氣候條件各異，下游地區(qū)為亞熱帶濕潤氣候，廣大中游地區(qū)屬溫帶森林草原氣候，上游谷地為溫帶草原氣候。雅魯藏布江上游地區(qū)，受環(huán)流形勢和水汽條件的限制，無暴雨產生，年降水量較小。中游河谷地形的主要特點是寬谷與峽谷相間，寬谷段河道平緩，叉流發(fā)達，多為游蕩性辮狀水道，枯水季節(jié)河床邊灘和心洲大片出露。流域中上游生態(tài)環(huán)境脆弱，干季大風盛行，河谷地區(qū)風沙危害嚴重，沙丘、沙丘鏈隨處可見。沙生植物主要有砂生槐(Sophora moorcroftiana)、固沙草(Orinus thoroldii)、三角草(Aristida triseta)、棘豆(Oxytropis sericopetala)、藏白蒿(Artemisia younghusbandii)、藏沙蒿(Artemisia wellbyi)等。

按河谷寬窄特征和行政界線，將雅魯藏布江流域自上而下劃分為4個寬谷段，即馬泉河寬谷、日喀則寬谷、山南寬谷和米林寬谷(圖1)，不同寬谷段的氣候特征見表1。流域內支流眾多，主要有多雄藏布、年楚河、拉薩河、尼洋河和帕隆藏布等。其中，多雄藏布、年楚河位于日喀則寬谷段，拉薩河位于山南寬谷段，尼洋河和帕隆藏布位于米林寬谷段。

圖1 雅魯藏布江流域的地貌特征和野外調查路線Fig.1 Morphologic characteristics of the Yarlung Zangbo River Basin and the field survey routes

表1 雅魯藏布江流域不同寬谷段的氣候特征Table 1 Climatic characteristics of different wide valley section in the Yarlung Zangbo River Basin

2 材料與方法

2.1 NDVI數據與處理方法

本研究所使用的植被NDVI數據包括1982—1998年的Pathfinder AVHRR NDVI數據集和1999—2010年的SPOT VEGETATION NDVI數據集。其中，Pathfinder AVHRR NDVI數據集是基于8km的從1981年7月至2001年12月的每10d合成的4個波段的光譜反射率(由于NOAA-13發(fā)射失敗，沒有使用Pathfinder AVHRR NDVI 1994的數據);SPOT VEGETATION NDVI數據集是基于1km的從1998年4月1日至2010年12月每10d合成的4個波段的光譜反射率及10d最大化NDVI數據集。

采用幾何校正、大氣校正、輻射校正等方法對上述數據進行預處理，采用最大合成法減少云、大氣、太陽高度角等的影響［16］。由于衛(wèi)星幾何視場角、大氣中的灰霾、云以及數據合成過程對NDVI的影響，因此不同數據集中的NDVI數據仍然有偏差［17］，本研究中使用Chen等［18］提出的三點平滑方法修正NDVI數據，并且運用ENVI軟件求取1982—2010年(不含1994)的NDVI的年平均值和植被生長季(7—9月)的平均值，用此值來表征雅魯藏布江流域植被覆蓋的年變化和植被生長季變化狀況。運用Mann-Kendall非參數檢驗法進行NDVI年變化的顯著性檢驗，其中，統計變量Z大于0時，表示某個NDVI呈上升趨勢;Z小于0時，則是下降趨勢。Z的絕對值≥1.28、1.64和2.32時，分別表示通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗。

2.2 風沙化土地類型劃分與遙感監(jiān)測

根據文獻［13-14］進行風沙化土地類型劃分和遙感解譯標志建立，其類型主要包括由風積活動引起的流動沙地、半固定沙地和固定沙地，以及由風蝕活動引起的裸露砂礫地和半裸露砂礫地。采用的遙感數據主要有1975、1990、2000和2008年TM/ETM+/MSS遙感影像，時相基本在秋冬季節(jié)。1975年MSS數據空間分辨率為60m，1990、2000和2008年的TM/ETM+數據空間分辨率均為30m。筆者于2008、2009和2010年，在雅魯藏布江流域進行了大量野外實地調查，觀察、記錄和復核了不同類型沙地的位置、分布特征以及沙地表面的色澤、紋理等特征，對比不同數據源的遙感影像數據，建立和校正了風沙化土地遙感解譯標志。

采用ERDASIMAGE 9.3軟件和ENVI 4.2軟件對圖像進行預處理，包括幾何校正、輻射校正和大氣校正。其中，像元重采樣采用最近鄰點法或雙線性插值法，影像的幾何糾正誤差一般不超過1—2個像元，以消除不同時期遙感數據空間分辨率大小不一致帶來的影響，達到動態(tài)分析的要求。通過遙感數據432波段RGB假彩色合成、直方圖匹配，使4期影像的色調基本保持一致，能夠較好地反映不同地類的差別等。根據風沙化土地遙感解譯標志，采用人機交互目視解譯方法進行不同類型的風沙化土地的遙感解譯，雅魯藏布江流域風沙化土地現狀與空間分布見表2。

表2 2008年雅魯藏布江流域風沙化土地現狀與分布Table 2 Status and distribution of different aeolian sandy land types in the Yarlung Zangbo River Basin in 2008

式中，WD為風沙化土地變化動態(tài)度，Ua為起始年風沙化土地面積，Ub為終結年風沙化土地面積，t為測算間隔年限。根據上述公式，可計算得到1975—1989年，1990—1999年和2000—2008年3個時期風沙化土地變化的動態(tài)度，進而獲得1975—2008年風沙化土地面積逐年面積數值。

2.3 灰色關聯分析

以灰色系統兩要素歷史數據序列之間的關聯度，來表征NDVI分別與風沙化土地、氣候變化因子(年降水

基于遙感監(jiān)測獲取的雅魯藏布江流域1975、1990、2000和2008年4期風沙化土地數據，計算不同時期風沙化土地變化的動態(tài)度，公式為:量和平均氣溫)兩要素之間的密切程度。關聯度的計算式如下:

式中，Rom為母序列o與子序列m的關聯度;N為數據序列的長度，即數據個數;Rom(t)為母序列o與子序列m在時刻t的關聯系數，其計算公式如下:

式中，Δmin、Δmax分別為各個時刻兩序列絕對差中的最小值和最大值;Δom(t)為t時刻兩序列的絕對差;ρ為分辨系數，ρ∈ (0，1) ，一般取 0.1—0.5，通常取0.5。

鑒于雅魯藏布江流域NDVI數據集的時間段為1982—2010年，風沙化土地數據時間段為1975—2008年，氣象數據為1957—2007年，為充分利用已有數據資源和計算的科學性，本研究選擇1982—2007年作為分析NDVI與風沙化土地、年降水量和平均氣溫之間關聯度的統一時間尺度，對所選取的上述原始數據進行標準化處理，通過計算相關標準化數據，分別開展1982—2007年流域NDVI年變化(1—12月)、植被生長季(7—9月)變化與風沙化土地、年降水量和平均氣溫之間的灰色關聯度研究。

3 結果與分析

3.1 流域NDVI的動態(tài)變化

由圖2可見，雅魯藏布江流域1982—2010年NDVI的年際變化總體上呈波動式增長的趨勢，但增加趨勢不顯著，未通過90%的顯著性檢驗(Mann-kendall檢驗Z值為0.435)。在2009年流域NDVI達到最高值，均為0.161，高于NDVI的多年均值0.145，其次是1990和1998年 NDVI較高，分別為0.159和0.156;在1982年流域NDVI最小，1983年和1987年次之。流域NDIV有3個快速增長期，分別為1982—1990年，1996—1998年和2000—1010年，其中1982—1990年增長最快。

由圖2可見，流域1982—2010年NDVI月均值的變化自1—12月隨著月份的增大，NDVI呈現先減小后增大、再減小的趨勢。NDVI峰值出現在8月份，其次為9月份，分別為0.213和0.212;NDVI最小值出現在4月份，3月份次之，分別為0.077和0.078。就不同寬谷NDVI的變化而言，下游的米林寬谷NDVI月均值最大，中部流域的山南寬谷和日喀則寬谷次之，江源區(qū)的馬泉河寬谷最小，流域內NDVI呈現由下游至中上游逐漸降低的趨勢;同時，NDVI峰值也由米林寬谷和山南寬谷的8月份，過渡到日喀則寬谷和馬泉河寬谷的9月份;NDVI最小值由米林寬谷的3月份，過渡到山南寬谷和日喀則寬谷的4月份，而馬泉河寬NDVI最小值則出現在2月份。由此可見，雅魯藏布江流域植被生長季的起始時間自下游至中上游隨海拔的增高，呈現不斷延遲、生長期不斷縮短的趨勢。

3.2 流域風沙化土地的演變趨勢

雅魯藏布江流域2008年共有風沙化土地273697.54hm2(表2)。其中，風積沙地以固定沙地面積最大，為91788.46hm2，其次是半固定沙地80810.58hm2，流動沙地面積較小，為33618.49hm2;風蝕沙地的裸露砂礫地面積為37436.67hm2，半裸露砂礫地面積為30043.3hm2。從空間分布特征來看，流域內風沙化土地呈現由江源區(qū)向中下游遞減的趨勢，以馬泉河寬谷最大，占風沙化土地總面積的50.28%，其它依次為日喀則寬谷、山南寬谷和米林寬谷，分別占25.52%、19.11%和5.08%。

由表3可見，1975—2008年流域風沙化土地呈緩慢增長趨勢。1975年風沙化土地面積為247697.24hm2，1990 年為 255754.61hm2，2000 年為269599.78hm2，2008 年擴展至 273697.54hm2，1975—2008 年共增長了10.5%，年均增長率為764.71hm2/a。其中，1975—1989年面積增加8057.38hm2，年均增長率為537.16hm2/a;1990—1999年面積增加 13845.17hm2，年均增長率為1384.52hm2/a;2000—2008年面積增加4097.76hm2，年均增長率為455.31hm2/a。可以看出，1990—1999年流域風沙化土地增長最快，增長率明顯高于1975—1989年、2000—2008年和2000—2008年。近34年來，各寬谷段的風沙化土地面積均有所增加，以馬泉河寬谷增加幅度最大(達11880.23hm2)，日喀則寬谷和山南寬谷次之(分別為 8378.70hm2和3162.12hm2)，米林寬谷最小(2579.24hm2)。

圖2 雅魯藏布江流域1982—2010年NDVI的動態(tài)變化Fig.2 Variations of the annual and monthly mean NDVI in the Yarlung Zangbo River Basin from 1982 to 2010

表3 1975—2008年雅魯藏布江流域不同類型風沙化土地的動態(tài)變化Table 3 Variations of aeolian sandy land types in the Yarlung Zangbo River Basin during 1975—2008

3.3 流域NDVI變化與風沙化土地演變的關聯性分析

由表4可見，1982—2007年雅魯藏布江流域NDVI變化的母序列分別與其對應的3個子序列(風沙化土地、年降水量和平均氣溫)的關聯序在不同寬谷段呈現較大的差異性。

表4 雅魯藏布江流域NDVI與風沙化土地、氣候因子(年降水量和平均氣溫)的關聯度Table 4 The correlation degree between NDVI and aeolian sandy land，climate factors(annual precipitation，mean temperature)，respectively

總體上來說，江源區(qū)的馬泉河寬谷NDVI的年變化(1—12月)和植被生長季(7—9月)變化均表現為受平均氣溫的影響最大，所不同的是，NDVI年變化受風沙化土地擴展的影響較大、生長季變化受年降水量的影響較大;中部流域的日喀則寬谷和山南寬谷NDVI年變化和植被生長季變化均表現為受年降水量的影響最大，平均氣溫的影響次之，風沙化土地擴展的影響最小;下游的米林寬谷NDVI年變化和植被生長季的變化差異較大，NDVI的年變化受風沙化土地擴展的影響最大，平均氣溫的影響次之，而植被生長季的變化受年降水量的影響最大，平均氣溫的影響次之。

就植被生長季NDVI的變化而言，馬泉河寬谷主要受平均氣溫和年降水量的影響，日喀則寬谷和山南寬谷主要受年降水量和平均氣溫的影響，米林寬谷主要受年降水量的影響。

4 討論

青藏高原由于其特殊的地形以及熱力動力作用，形成了從熱帶到寒帶、從濕潤到干旱等多種氣候條件與植被類型［19］，一直是氣候變化與植被演替研究的熱點區(qū)域［20-22］。雅魯藏布江流域橫貫青藏高原南部，海拔從150—7000多m，植被類型和氣候條件復雜多樣，是研究青藏高原植被生態(tài)與氣候變化響應的典型代表性區(qū)域。相關研究表明，氣候變化是引發(fā)區(qū)域植被變化最主要的原因，NDVI作為植物生長狀態(tài)和植被空間分布的指示因子，在一定程度上代表地表植被覆蓋情況［23-24］。雅魯藏布江流域1982—2010年NDVI的年際變化總體上呈波動式增長的趨勢(圖2)，與楊元合等［21］、付新峰等［24］和向波等［25］研究指出的青藏高原大部分地區(qū)的植被指數呈不同程度的上升趨勢相一致。

雅魯藏布江流域NDVI的空間分布及其動態(tài)變化受氣候條件和植被類型影響很大。就氣候條件而言，江源區(qū)的馬泉河寬谷年降水量和平均氣溫最低(分別為131.63mm和1.47℃)，下游的米林寬谷年降水量和平均氣溫最高(分別為676.70mm和8.79℃)，中部流域的山南寬谷和日喀則寬谷年降水量和平均氣溫介于前兩者之間(表1)，流域年降水量和平均氣溫呈現自下游向中上游逐漸降低的趨勢［26］。結合流域NDVI呈現由下游至中上游逐漸降低的趨勢(圖2)、以及風沙化土地總體上呈自下游向中上游逐漸增加的趨勢(表2)，可以看出，流域內NDVI的空間變化趨勢總體上與年降水量和平均氣溫相似，但與風沙化土地的變化趨勢相反。流域中上游(馬泉河寬谷、日喀則寬谷和山南寬谷)屬半干旱干旱氣候，其NDVI年變化主要受平均氣溫和年降水量的影響(表4)，與Nicholson等［27-29］指出的NDVI與年降水量、平均氣溫具有較好的相關性的結論結果相一致。

就植被類型而言，馬泉河寬谷的地帶性植被基本為高山草原、高山草甸、高山灌叢和高山沼澤草甸等類型［30］，且以高寒草原和草甸生態(tài)系統為主，日喀則寬谷和山南寬谷的植被基本上屬于同一植被型，即山地灌叢草原［31］和人工林［13-14］，米林寬谷植被基本為高山森林。流域內不同寬谷1982—2010年NDVI的多年平均值統計表明(圖3)，以森林植被為主的米林寬谷NDVI最大(0.219)，其它依次為山地灌叢草原和人工林為主的山南寬谷(0.174)和日喀則寬谷(0.114)，最小的為以高寒草原和草甸生態(tài)系統為主的馬泉河寬谷(0.072)。不同寬谷1982—2010年NDVI年際變化趨勢與流域NDVI年際變化相似(圖3)，亦表現為總體上呈波動式增長的趨勢但不顯著(Mann-kendall檢驗 Z 值分別為 0.654，0.470，0.708 和 0.638，均小于 1.28)。其中，馬泉河寬谷、日喀則寬谷和山南寬谷的NDVI年際變化波動較大，1988—1993年NDVI植被狀況較好;米林寬谷NDVI年際變化波動較小，總體上表現為穩(wěn)定增長狀態(tài)。

氣候變化和人類活動是當今土地沙漠化過程的兩大驅動力［2，32-33］，兩者均可引起或加劇植被退化和土地沙漠化，并可反過來對區(qū)域氣候造成一定的影響［34-35］。許多學者認為西藏高原土地沙漠化的發(fā)生發(fā)展是在干旱多風的氣候條件下，以緩慢的自然沙漠化過程為基礎，現代人類不合理的生產、生活方式加速與加劇了這一過程［11，36］。研究結果表明，1982—2010年雅魯藏布江流域NDVI總體上呈不斷增長的趨勢，同時，1975—2008年風沙化土地變化亦呈現緩慢增長的趨勢。這表明，近年來流域內開展的大規(guī)模人工植樹造林和草地圍欄封育等生態(tài)保護與建設工作，使得流域內植被狀況不斷好轉;但是，植被狀況的好轉并未能有效地遏制土地沙漠化的擴展，這可能與青藏高原生境脅迫條件下新營造的次生人工林和原生高寒植被生態(tài)系統的防風固沙功能較弱有關。加之，全球變暖和不合理的人為活動影響，流域內風沙化土地仍呈不斷擴展的趨勢。

5 結論

(1)雅魯藏布江流域1982—2010年NDVI的年際變化總體上呈波動式增長的趨勢，1982—1990年增長最快。流域NDVI峰值出現在8月份，其次為9月份;NDVI最小值出現在4月份，3月份次之。流域NDVI呈現由下游至中上游逐漸降低的趨勢，以米林寬谷NDVI最大，馬泉河寬谷最小。雅魯藏布江流域植被生長季的起始時間自下游至中上游隨海拔的增高，呈現不斷延遲、生長期不斷縮短的趨勢。

(2)雅魯藏布江流域2008年共有風沙化土地273 697.54hm2，呈現由江源區(qū)的馬泉河寬谷向中下游的日喀則寬谷、山南寬谷和米林寬谷遞減的趨勢。1975—2008年流域風沙化土地呈緩慢增長趨勢，以1990—1999年增長最快。就風沙化土地擴展對NDVI年變化的影響而言，自下游至江源區(qū)NDVI與風沙化土地變化的關聯度呈不斷減弱趨勢。流域風沙化土地擴展對NDVI的影響主要表現為每年10月—翌年6月的非植被生長季節(jié)。

圖3 雅魯藏布江流域不同寬谷段1982—2010年NDVI的動態(tài)變化Fig.3 Variations of the annual mean NDVI in different wide valley of the Yarlung Zangbo River Basin from 1982 to 2010

(3)雅魯藏布流域NDVI植被生長季變化主要受平均氣溫和年降水量的影響。江源區(qū)NDVI年變化和植被生長季變化受平均氣溫的影響最大，中部流域受年降水量的影響最大;下游NDVI年變化受風沙化土地擴展的影響最大，而NDVI植被生長季變化受年降水量的影響最大。總體來講，流域內不同寬谷段的氣候條件和植被類型對NDVI的空間分布及其動態(tài)變化影響較大。

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