石羊河流域上游植被時空變化及其對區(qū)域氣候的響應(yīng)

唐 志 光,馬 金 輝,李 朝 奎,彭 煥 華,梁 繼

(1.湖南科技大學地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南 湘潭 411201；2.蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，甘肅 蘭州 730000)

石羊河流域上游植被時空變化及其對區(qū)域氣候的響應(yīng)

唐 志 光1,馬 金 輝2,3,李 朝 奎1,彭 煥 華1,梁 繼1

(1.湖南科技大學地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南 湘潭 411201；2.蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，甘肅 蘭州 730000)

利用1999-2013年的SPOT-VEGETATION NDVI時間序列數(shù)據(jù)和降水、氣溫數(shù)據(jù)，對石羊河流域上游近15年的植被變化特征及其對降水和氣溫的響應(yīng)關(guān)系進行了研究。結(jié)果表明：研究區(qū)NDVI的空間分布具有明顯的垂直地帶性；近15年中，81.3%的地區(qū)植被生長季NDVI呈增長趨勢；研究區(qū)平均NDVI在春、夏、秋季及植被生長季的增長幅度分別為11.75%、9.62%、5.98%和7.75%，植被生長季在延長。氣候變化對研究區(qū)植被的影響隨植被類型及其生長季節(jié)的不同而具有明顯差異，體現(xiàn)出較大的時空異質(zhì)性；降水是影響研究區(qū)植被變化的主要因素。

石羊河流域；植被；NDVI；時空變化；氣候變化

0 引言

植被是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶，在水土保持及區(qū)域氣候研究中扮演著重要角色[1,2]。植被與氣候間的相互作用主要表現(xiàn)在兩方面：1)氣候是決定地球上植被狀況的最主要因素，而植被是氣候最鮮明的反映和綜合標志；2)不同的植被類型通過影響植被與大氣間的物質(zhì)(如CO2和水等)和能量(如太陽輻射、熱量等)交換影響氣候，改變后的氣候又通過植被與大氣間的這種物質(zhì)和能量的交換對植被生長產(chǎn)生影響，最終影響全球的碳平衡格局。因此，監(jiān)測植被的動態(tài)變化及其氣候響應(yīng)關(guān)系，已成為全球變化研究的重要內(nèi)容。

石羊河流域是我國西北干旱區(qū)頗受關(guān)注的水資源及生態(tài)環(huán)境脆弱地帶[3]，并且是甘肅省河西內(nèi)陸河流域中人口最多、水資源開發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問題最嚴重、水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展制約性最強的地區(qū)[4]。石羊河流域上游祁連山區(qū)是其河流的發(fā)源地和水源形成區(qū)，更是水資源短缺的中下游地區(qū)的用水來源地。該流域的植被也大都集中在上游的祁連山區(qū)，作為石羊河流域陸地生態(tài)系統(tǒng)的代表，對石羊河流域的水源涵養(yǎng)起著重要的作用。因此，研究石羊河流域上游植被的時空變化及其氣候響應(yīng)關(guān)系，對有效應(yīng)對氣候變化，實現(xiàn)石羊河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展及遏制荒漠化的發(fā)展態(tài)勢具有重要的現(xiàn)實意義，為研究和治理石羊河流域乃至干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生態(tài)環(huán)境問題提供可靠的理論依據(jù)。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度的重要遙感指標；NDVI遙感產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于全球及區(qū)域尺度上的植被時空變化監(jiān)測及其對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系研究。自1987年以來，我國西北地區(qū)正經(jīng)歷著由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的氣候轉(zhuǎn)型，氣溫和降水均呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，而且這種氣候轉(zhuǎn)型的態(tài)勢將延續(xù)下去[5,6]?，F(xiàn)有研究表明，在氣候變化的背景下，我國西北地區(qū)的植被也正發(fā)生顯著的變化[1,7-12]。雖然這些研究因研究范圍、選取數(shù)據(jù)以及時間跨度的不同，所得結(jié)果存在一定的差異，但多數(shù)研究[1,9-12]表明我國西北大多數(shù)地區(qū)的植被NDVI在過去近20年呈現(xiàn)增長的趨勢。在這樣的背景下，定量研究石羊河流域上游的植被變化趨勢及其氣候響應(yīng)機制更具有必要性和迫切性。本研究利用長時間系列的SPOT-VEGETATION NDVI數(shù)據(jù)集、氣溫和降水數(shù)據(jù)，旨在分析近15年石羊河流域上游(由東到西包括大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河8個子流域，面積約10 567 km2)植被的時空變化特征及其對區(qū)域氣候變化的響應(yīng)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

1.1.1 NDVI數(shù)據(jù) 本文所利用的植被NDVI數(shù)據(jù)集為1999年1月—2013年12月的SPOT-VEGETATION 逐旬NDVI產(chǎn)品，來源于http://free.vgt.vito.be/home.php網(wǎng)站。該數(shù)據(jù)由瑞典的Kiruna 地面站負責接收，并經(jīng)過了嚴格的質(zhì)量控制和預(yù)處理，最終生成逐日1 km 的全球數(shù)據(jù)[13]。其預(yù)處理包括輻射定標、幾何校正、大氣校正，以及利用清除云和大氣干擾的最大化合成法(MVC)[14]生成10 d 最大化合成的NDVI數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集已被廣泛應(yīng)用于植被動態(tài)變化研究中[8,15-18]。

1.1.2 氣象數(shù)據(jù)與處理 本研究中的氣象數(shù)據(jù)主要包括1998-2013年研究區(qū)域內(nèi)及周邊的39個氣象臺站的降水和氣溫資料。為了方便逐像元分析研究區(qū)NDVI變化對降水、氣溫的響應(yīng)關(guān)系，利用與回歸模型相結(jié)合的克里格插值方法對氣象臺站的氣溫和降水數(shù)據(jù)均進行了空間插值處理，插值后的空間分辨率為1 km(與NDVI數(shù)據(jù)一致)。通過建立降水/氣溫的回歸模型初步反演研究區(qū)降水/氣溫的空間分布,并利用克里格法對降水/氣溫回歸模型的殘差值進行修正。降水/氣溫回歸模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為研究區(qū)DEM(90 m)數(shù)據(jù)提取的地形因子,結(jié)合氣象站點的降水/氣溫分別建立其多元線性回歸方程。將各氣象站點的降水/氣溫觀測值減去多元線性回歸方法的預(yù)測數(shù)據(jù)得到殘差值,并對殘差進行普通克里格空間插值;最后用殘差空間插值結(jié)果修正回歸模型估算的降水/氣溫數(shù)據(jù)，得到修正后的研究區(qū)降水/氣溫空間分布數(shù)據(jù)。通過交叉驗證的方法，得出研究區(qū)降水和氣溫空間插值結(jié)果具有較高的精度，其平均誤差分別為9.25%和7.73%。

在研究區(qū)的高海拔地區(qū)，由于氣象臺站數(shù)據(jù)稀少，降水/氣溫的插值結(jié)果可能存在較大的偏差；然而，這并不會影響后文中的分析結(jié)果，因為在后文中這些高海拔的非植被覆蓋區(qū)未參與相關(guān)計算。

1.1.3 土地利用、DEM數(shù)據(jù) 研究中的植被類型劃分是以甘肅省2000年1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)集(來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心，http://westdc.westgis.ac.cn)為基礎(chǔ)，選用2008-2011年的Landsat5-TM遙感數(shù)據(jù)并結(jié)合高分辨率的Google Earth圖像，采用目視解譯的方法，最終按照研究需要(探討不同植被類型NDVI對氣候變化響應(yīng)的差異性)將研究區(qū)土地利用類型劃分為林地、草地、耕地和非植被類型，其中非植被類型為高海拔的冰雪、裸巖等無植被覆蓋區(qū),不參與植被變化的分析。還采用90 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)，主要用于提取地形因子輔助氣溫、降雨量數(shù)據(jù)的插值處理等。

1.2 主要分析方法

一元線性回歸可模擬每個像元的變化趨勢，對區(qū)域內(nèi)的逐像元模擬則可綜合反映區(qū)域的時空格局演變。該方法也常應(yīng)用于植被變化的定量分析中[8,19,20]。本研究采用該方法定量計算研究區(qū)NDVI的變化趨勢，公式如下：

(1)

式中：ΘSlope表示線性擬合回歸方程的趨勢線斜率，n為參與計算的總年份數(shù)，i為年序號，NDVIi表示第i年的春季平均NDVI。在本研究中通過式(1)計算得到的變化趨勢圖反映的是1999-2013年研究區(qū)的NDVI的總體變化趨勢。當ΘSlope>0 時，則表示NDVI在15年間呈增加的趨勢。

計算了近15年研究區(qū)NDVI的百分比變化幅度(η)，以反映近15年的NDVI變化量，公式如下：

(2)

對于植被NDVI與氣溫、降水之間相互關(guān)系的研究主要采用計算其皮爾遜相關(guān)系數(shù)的方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)NDVI空間分布特征

根據(jù)研究區(qū)1999年1月-2013年12月的逐旬SPOT-VEGETATIONNDVI數(shù)據(jù)集，計算得到石羊河流域上游近15年的年均NDVI、年最大值NDVI分布圖(圖1,見封3)。為了進一步分析研究區(qū)植被覆蓋與海拔高程間關(guān)系，將各柵格年最大值NDVI與其對應(yīng)的海拔高程作散點圖(圖2)。由圖1和圖2可以看出，植被NDVI的分布呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性。從東北向西南隨著海拔高度的增加NDVI值先增大后減少，植被呈現(xiàn)東南-西北方向的帶狀分布，年均NDVI小于0.1的地區(qū)主要分布在高海拔的冰雪、裸巖等無植被覆蓋區(qū)。在3 200m以下的地區(qū)，植被NDVI隨海拔的升高而增大，而在海拔3 200m以上，植被NDVI隨海拔的升高而減小。植被覆蓋較高的地區(qū)(年最大值NDVI>0.6)主要在海拔2 800～3 500m的地區(qū)(圖3)。植被覆蓋呈現(xiàn)這種垂直地帶性規(guī)律的原因可能有：在海拔2 800m以下的地區(qū)降雨量較少，氣溫相對較高，水分蒸發(fā)嚴重，因而植被覆蓋較差，而且隨著海拔升高降水量增加，植被覆蓋也增強；在海拔2 800～3 500m的地區(qū)降雨量較豐富，氣溫也適合植被生長，因而植被較茂盛；而在海拔3 500m以上，隨著海拔的升高氣溫逐漸降低，低氣溫成為制約植被生長的主要因素，因而植被覆蓋逐漸減少；到了海拔4 000m以上植被覆蓋稀疏或基本無植被，主要是冰雪、裸巖及其他未利用地。

圖2 年最大值NDVI與海拔高程關(guān)系Fig.2 The relationship of annual maximum NDVI and altitude

圖3 研究區(qū)年均NDVI、年降水量及年均氣溫的年際波動Fig.3 Interannual variations of annual mean NDVI,annual precipitation and annual mean temperature in the study area

2.2 研究區(qū)氣候及NDVI年際波動特征

從1999-2013年研究區(qū)年均NDVI、年降水量及年均氣溫的變化(圖3)可知近15年研究區(qū)NDVI呈增加趨勢，總體年均增長速度為0.002(R2=0.41),該植被NDVI增加的趨勢與我國西北地區(qū)植被活動的相關(guān)研究結(jié)論[9,12]一致。研究區(qū)年降水量和年均氣溫也呈增加趨勢，增長速度分別為3.138 mm(R2=0.19)和0.0194℃(R2=0.23)。其中，年均NDVI與年降水量的年際波動特征大致接近，體現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。年均NDVI與年降水的相關(guān)系數(shù)(R)為0.74，而與年均氣溫的相關(guān)系數(shù)(R)僅為0.15。

2.3 研究區(qū)NDVI的時空變化特征

為了反映研究區(qū)NDVI變化的時空格局特征，分別對春、夏和秋季以及整個生長季的NDVI進行逐像元的趨勢分析與百分比變化幅度計算。根據(jù)研究區(qū)NDVI的年內(nèi)波動特征，本研究中的植被生長季定義為3-11月，即包含春、夏、秋季。圖4顯示了1999-2013年研究區(qū)平均生長季NDVI的變化趨勢及其變化幅度。按照不同植被類型分區(qū)，統(tǒng)計了近15年各植被類型在不同季節(jié)的NDVI變化趨勢及變化幅度(表1)。

從圖4(見封3)可以看出，大部分地區(qū)的平均生長季NDVI體現(xiàn)出增加的趨勢，說明在近15年中大部分地區(qū)的植被覆蓋增強，植被狀況得到良好的改善。植被增強的區(qū)域面積比例占81.3%，其中研究區(qū)北部的大部分區(qū)域(包括東大河、金塔河以及西營河流域的下游等)植被改善較明顯，NDVI的變化趨勢斜率大于0.004(即年均NDVI的增長值大于0.004)，近15年變化幅度大于10%，并且 NDVI增長幅度大于20%的地區(qū)占研究區(qū)總面積的25%。植被退化的區(qū)域面積比例為19.7%，主要分布在植被覆蓋度低的高海拔地區(qū)。但是，從整個研究區(qū)看，近15年石羊河流域上游植被NDVI的總體趨勢是在增強，植被狀況得到改善。

表1 15年不同植被類型的NDVI變化趨勢(Θslope)及百分比變化幅度(η)Table 1 Annual increment of NDVI and increase rate of NDVI for different vegetation types during 1999-2013

從表1可以看出，近15年研究區(qū)平均生長季NDVI的增長趨勢及變化幅度分別為0.0025 a-1、7.75%。從不同植被類型看，林地、草地和耕地的平均生長季NDVI均呈增加的趨勢，其中，耕地增長最快，其近15年的平均生長季NDVI的增長趨勢為0.003 a-1，變化幅度為10.64%。從不同季節(jié)看，研究區(qū)NDVI增長最快的為夏季，達0.0048 a-1；春季增幅最大，近15年增長了11.75%；秋季增長最慢，增長趨勢和變化幅度分別為0.0019 a-1和5.98%。

不同植被類型的NDVI在各生長季均體現(xiàn)出增加趨勢，但其增長趨勢及幅度差異較大。其中，夏季林地的NDVI增長最快(0.0052 a-1)，春季耕地NDVI增幅最大(19.99%)。研究區(qū)春、秋季的NDVI增長趨勢表明，植被生長周期的開始日期在提前、結(jié)束日期在推后，植被生長季在延長。這與“在全球變暖背景下植被生長季在延長”的相關(guān)結(jié)論一致[21,22]。

2.4 NDVI對氣溫和降水變化的響應(yīng)

為探討研究區(qū)NDVI變化對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，逐像元計算了NDVI與氣溫、降水之間的相關(guān)系數(shù)，以構(gòu)建研究區(qū)氣候變化與植被覆蓋之間的關(guān)系(表2、表3)。

表2 不同類型植被NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between seasonal mean NDVI and precipitation for different vegetation types

注：*表示通過0.05的置信度檢驗。

表3 不同類型植被NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between seasonal mean NDVI and temperature for different vegetation types

注：**和*分別表示通過0.01和0.05的置信度檢驗。

從整個研究區(qū)生長季的NDVI看，其與降水呈明顯正相關(guān)(R=0.472,P=0.112)，而與氣溫的相關(guān)性較弱(R=0.054,P=0.857)；不同植被類型均體現(xiàn)出相似的特征。這說明本研究區(qū)，降水對植被生長季NDVI的影響要大于氣溫，是影響平均生長季NDVI的主要因素(表2、表3)。

無論是從生長季還是不同季節(jié)看，三種植被類型的NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)基本為耕地>草地>林地，說明降水對林地、草地和耕地的植被生長的促進作用依次增大。這可能是由于耕地集中在海拔相對低的地區(qū)，降水量較少，氣溫較高，蒸發(fā)量較大，因而降水是影響其植被狀況的主要因素，致使NDVI與降水的相關(guān)性大。而林地主要分布在海拔相對高的地區(qū)，降水量豐富，氣溫較低，蒸發(fā)量較小，降水量對植被狀況的影響相對較小，因而林地的NDVI與降水量的相關(guān)性小。各植被類型NDVI與降水的相關(guān)性在夏季較大(R均大于0.45)，夏季降水是促進植被生長的重要因素；而春、秋季NDVI與降水呈弱相關(guān)性(表2)。

雖然生長季NDVI與氣溫之間相關(guān)性較弱，但是研究區(qū)春季NDVI與氣溫呈現(xiàn)強正相關(guān)性，草地、耕地和林地與氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.532、0.575(P<0.01)和0.596(P<0.01)，說明春季氣溫對植被的生長具有明顯的促進作用。春季氣溫的上升可能是導(dǎo)致研究區(qū)春季平均NDVI上升的主要原因，是植被對全球變暖響應(yīng)的重要信號。夏季氣溫與三種植被的夏季NDVI均呈負相關(guān)，體現(xiàn)了夏季氣溫對三種植被夏季生長的抑制作用，這種抑制作用由大至小依次為耕地、林地和草地。夏季氣溫與植被NDVI的負相關(guān)性，主要是由于研究區(qū)夏季氣溫的升高加速地表水分的蒸發(fā)，從而抑制植被的生長(表3)。

3 結(jié)論

本文的主要研究結(jié)論如下：1)研究區(qū)NDVI的空間分布呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性。從東北向西南隨著海拔高度的增加NDVI的值先增大后減小，植被呈東南-西北方向帶狀分布。2)近15年，研究區(qū)大部分地區(qū)植被活動在增強，總體年均NDVI與生長季NDVI均呈增加趨勢，年均增長量分別為0.002和0.0025。生長季NDVI增強的區(qū)域占研究區(qū)面積的81.3%，主要分布在北部區(qū)域。不同類型植被的生長季NDVI以及春、夏、秋季的NDVI都在上升，植被生長季在延長。3)研究區(qū)年均NDVI、生長季NDVI變化都與降水量有較大的相關(guān)性，降水量是影響植被狀況的主要因素；氣溫對植被的影響主要體現(xiàn)在春季的促進作用和夏季的抑制作用，春季氣溫的上升可能是導(dǎo)致研究區(qū)春季平均NDVI上升的主要原因，是植被對全球變暖響應(yīng)的重要信號；不同類型植被體現(xiàn)出對降水和氣溫不同程度的敏感性，降水對三種植被類型的促進作用為耕地>草地>林地，春季氣溫的促進作用為林地>耕地>草地，夏季氣溫的抑制作用為耕地>林地>草地。

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Spatiotemporal Changes of Vegetation and the Responses to Temperature and Precipitation in Upper Shiyang River Basin

TANG Zhi-guang1,MA Jin-hui2,3,LI Chao-kui1,PENG Huan-hua1,LIANG Ji1

(1.National-LocalJointEngineeringLaboratoryofGeo-spatialInformationTechnology,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201;2.KeyLaboratoryofWestChina′sEnvironmentalSystem,MinistryofEducation,LanzhouUniversity,Lanzhou730000;3.InstituteofRSandGeographicalInformationSystem,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

The Shiyang River Basin is a typical arid inland river basin in northwestern China.It is also a well-known fragile area of water resource and ecological environment,and a sensitive area of climate change.The vegetation in Shiyang River Basin is mostly concentrated in its upstream,and plays an important role in ecological environment of this watershed.Therefore,studies on the spatiotemporal variation of vegetation in the upper Shiyang River Basin and the impacts of changing temperature and precipitation on the vegetation growth are of significance to dealing with climate change,realizing sustainable development of ecological environment in Shiyang River Basin.In this study,the spatiotemporal changes of vegetation growth in upper Shiyang River Basin together with their responses to climate changes were investigated using SPOT-VEGETATION Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)and climate datasets from 1999 to 2013.Results reveal that there is an obvious vertical zonal characteristic of the spatial distribution of NDVI.About 81.3% of the study area shows an increasing trend in growing season NDVI.The average NDVI of the study area increases at rates of 7.75% for the growing season(March-November),11.75% for spring(March-May),9.62% for summer(June-August),and 5.98% for autumn(September-November)over the study period.The increase of NDVI in spring and autumn suggests the growing season of the vegetation in this study area has been prolonged.The effects of climate changes on vegetation growth vary with the types of vegetation and seasons,which shows a large spatial and temporal heterogeneity.As compared with temperature,precipitation is the dominant climatic factor affecting the interannual variations of vegetation.

Shiyang River Basin;vegetation;NDVI;spatiotemporal changes;climate change

2015-11-13；

2016-02-26

國家自然科學基金項目(41501070、31400409、41101319);湖南科技大學校級科研項目(E51520)

唐志光(1985-)，男，博士，講師，主要從事環(huán)境遙感與GIS應(yīng)用方面的研究。E-mail：tangzhg11@lzb.ac.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.03.021

P935.1;P46

A

1672-0504(2016)03-0116-05