黃河三角洲NDVI時(shí)空演化特征及其驅(qū)動(dòng)因素*

安樂生 趙全升 周葆華 劉貫群

(1. 安慶師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 安慶 246133; 2. 中國海洋大學(xué)環(huán)境工程系 青島 266100; 3.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)系青島 266071)

植被既是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體, 也是人類重要的環(huán)境資源和物質(zhì)資源。它具有截留降雨、減少雨滴擊濺、減緩地表徑流、保土固土等功能, 是土壤侵蝕與水土流失的主要監(jiān)測因子, 在地球的能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)中起著特殊而重要的作用(張寶慶等, 2011;趙麗紅等, 2016)。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo), 也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子, 對于區(qū)域環(huán)境變化和監(jiān)測研究具有重要意義(馬志勇等, 2007)。植被覆蓋度的測量可分為地面測量(田間尺度)和遙感估算(區(qū)域尺度)兩種方法。目前已經(jīng)發(fā)展了植被指數(shù)法(North, 2002; Liu et al,2016)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?Van De voorde et al, 2008)、像元分解模型法(Johnson et al, 2012; 李恒凱等, 2014)等很多基于遙感反演手段的植被覆蓋度估算方法(沈芳等, 2006; 程紅芳等, 2008; 周葆華等, 2014; 趙麗紅等, 2016), 其中最為常見也較為實(shí)用的是利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)近似估算植被覆蓋度。

當(dāng)前, NDVI研究側(cè)重于植被覆蓋時(shí)空演變遙感監(jiān)測與分析, 以及生物量估算、區(qū)域蒸散發(fā)、土壤水分反演等領(lǐng)域, 偏好探討NDVI與氣候因子之間的相互關(guān)系, 而在環(huán)境因子和人為因素對其影響方面研究較為欠缺(李明杰等, 2011; 張景華等, 2015; 田義超等, 2016)。近年來, 黃河流域(劉綠柳等, 2006)包括黃河三角洲地區(qū)(李明杰等, 2011)NDVI時(shí)空動(dòng)態(tài)及其與降水、溫度、徑流之間的關(guān)系偶見討論, 但對NDVI時(shí)空變化的自然和人為影響因素分析仍然有限。黃河三角洲地理位置獨(dú)特, 自然條件特殊, 生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。該地區(qū)地下水淺埋, 且鹽分含量很高(陰離子中 Cl-占比很高), 對土壤鹽漬化及植被生長發(fā)育具有重要影響(安樂生等, 2015)。此外, 區(qū)域還受到黃河下游調(diào)水調(diào)沙及生態(tài)補(bǔ)水等人為活動(dòng)影響。因此, 本研究擬在分析NDVI空間分布及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上, 側(cè)重于多重驅(qū)動(dòng)因素的關(guān)鍵作用行為探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一, 位于渤海灣南岸和萊州灣西岸, 可分為古黃河三角洲和現(xiàn)代黃河三角洲兩部分?，F(xiàn)代黃河三角洲是指 1855年黃河改道入渤海后淤積形成的、以寧海為頂點(diǎn), 東起淄脈溝, 西至徒駭河, 向海伸展到16m等深線附近的扇形堆積體。研究區(qū)屬小清河以北黃泛平原區(qū), 地勢低平, 海拔高度低于 15m, 地面坡降為 1/8000—1/12000。區(qū)內(nèi)地下水位埋深普遍較淺, 一般為 0.5—2.0m, 崗地與河灘高地較深, 坡地次之, 洼地與濱海低地最淺(大部分小于1.0m)。潛水Cl-、Na+和總?cè)芙庑怨腆w(TDS)含量很高, 而 HCO3-、CO32-和 K+含量很低(安樂生等, 2011; 丁喜桂等, 2014)。

圖1 研究區(qū)及采樣布置示意Fig.1 Sampling stations in the study area

研究區(qū)東、北以海岸線為界, 西、南分別延伸至黃河三角洲北部自然保護(hù)區(qū)(1976年以前引洪的黃河故道)西端和東部自然保護(hù)區(qū)(黃河入海口)的南端(118°34′— 119°15′E, 37°36′— 38°09′N), 總 面 積 約2719.8km2, 其中 1855年以后的現(xiàn)代黃河三角洲占86.5%, 見圖 1(a)。黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)由東、北兩部分組成, 總面積約 1530.0km2。保護(hù)區(qū)共有種子植物42科、390多種, 以禾本科、豆科、菊科、藜科居多, 植被覆蓋率約為55%, 其中典型植被翅堿蓬、蘆葦和檉柳分布較廣。

1.2 研究方法

本研究遙感資料選用“對地觀測數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”中LANDSAT系列影像數(shù)據(jù)共4景, 成像時(shí)間分別為2002年10月15日、2006年10月2日、2008年10月7日及2013年10月5日。環(huán)境數(shù)據(jù)主要是2006—2010年黃河三角洲濱海濕地綜合地質(zhì)調(diào)查與評價(jià)項(xiàng)目 151個(gè)采樣站位的潛水氯離子質(zhì)量濃度[c(Cl-)]和表層土壤氯離子含量[w(Cl-)](考慮 Cl-在土壤和潛水中含量或濃度很高, 且對植物生長具有較強(qiáng)的抑制脅迫作用), 見圖1(b)。背景數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)(來源于2000年2月美國地質(zhì)調(diào)查局SRTM地形高程數(shù)據(jù))、相關(guān)時(shí)段區(qū)域(東營市)水文氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、黃河水利委員會(huì)(黃委)發(fā)布的黃河下游調(diào)水調(diào)沙與生態(tài)補(bǔ)水資料等。

以 4幅遙感影像作為植被空間分布與植被覆蓋動(dòng)態(tài)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 根據(jù)野外調(diào)查及該地區(qū)植被研究的既有成果, 闡明區(qū)域NDVI時(shí)空分布狀況。通過ENVI 4.8軟件提取上述4景影像的NDVI, 之后將其導(dǎo)入 ArcGIS 10.2軟件中生成 NDVI分級分布圖,同時(shí)利用SPSS 17.0軟件制作重采樣后(將Cellsize由原來的 30m調(diào)整為 1000m, 從而減小圖像的柵格數(shù),便于后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析)的 NDVI頻數(shù)分布圖, 再結(jié)合地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)空間分布及有關(guān)水文氣象資料等, 探討區(qū)域NDVI變化的時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)因素。其中地形分布利用 SRTM 數(shù)據(jù)由MICRODEM軟件生成。表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)空間分布借助ArcGIS 10.2軟件地統(tǒng)計(jì)模塊, 在數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 采用Ordinary Kriging方法分別對二者進(jìn)行線性無偏插值后獲得。

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI空間分布特征

結(jié)合野外調(diào)查, 由圖2(a—d)可以看出, NDVI≤0的區(qū)域?yàn)榉侵脖环植紖^(qū), NDVI＞0的區(qū)域?yàn)橹脖环植紖^(qū)。近海地帶特別是東南和東北部光灘和蝦蟹池NDVI很低, 鮮有植被分布。其中, NDVI＜-0.1的區(qū)域主要是庫塘、鹽田、蝦蟹池; NDVI在-0.1—0之間的區(qū)域主要是潮灘和裸地。黃河現(xiàn)行河道和刁口故道兩側(cè)地區(qū)植被覆蓋程度較高、長勢總體較好, NDVI普遍在 0.2以上, 離河道越近 NDVI越高, 顯著表明黃河河道、故道水系(淡水)促進(jìn)植被發(fā)育生長。譬如東部自然保護(hù)區(qū)中部(大汶流管理站附近)、黃河現(xiàn)行流路與刁口故道交匯區(qū)、孤島水庫西側(cè)等典型區(qū)域NDVI一般超過0.4, 局部地區(qū)NDVI在0.5以上, 這些區(qū)域主要是一些優(yōu)質(zhì)玉米地和蘆葦蕩(黃河三角洲地區(qū)發(fā)育有大片天然的蘆葦蕩, 蕩內(nèi)蘆葦生長密集,葦葉闊大、厚實(shí), 導(dǎo)致植被覆蓋率很高)。

從空間格局來看, 黃河三角洲地區(qū) NDVI可分為高、中、低值區(qū)。其中, 高值區(qū)NDVI＞0.4, 為高植被覆蓋區(qū), 分布在黃河現(xiàn)行河道和刁口故道兩側(cè)區(qū)域,距河道或故道約1.0—7.5km, 整體呈斜“Y”形狀展布;低值區(qū) NDVI＜0.1, 為稀疏植被覆蓋區(qū), 主要是海岸帶的沿岸陸地部分, 沿海岸線向陸地延伸約 5.0—10.0km, 沿海岸線呈條帶狀分布; 中值區(qū) NDVI在 0.1至0.4之間, 為中等植被覆蓋區(qū), 主要以3大斑塊分布于黃河現(xiàn)行流路(或刁口故道)與海岸帶之間的過渡區(qū)域, 具體包括: 刁口故道西側(cè)區(qū)(渤海農(nóng)場—綦家屋子地區(qū))、神仙溝兩側(cè)區(qū)域(孤島水庫—孤北水庫—孤東水庫—黃河口管理站地區(qū))和大汶流管理站西南部地區(qū)。

2.2 NDVI年際動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖 2(a—d)是遙感影像提取 NDVI的運(yùn)算結(jié)果。2002、2006、2008、2013年10月研究區(qū)NDVI計(jì)算結(jié)果分別為-0.60—0.61、-0.44—0.50、-0.65—0.71、-0.32—0.64。2002年, 研究區(qū)有近 50%區(qū)域的NDVI＜0, 在黃河現(xiàn)行河道和刁口故道附近 NDVI高值像元分布較少, 甚至出現(xiàn)無植被覆蓋區(qū), 導(dǎo)致河道與故道兩側(cè) NDVI斜“Y”形展布規(guī)律不明顯, 說明該年度植物生長發(fā)育形勢較差, 區(qū)域植被覆蓋率偏低。2006、2008、2013年 NDVI低值區(qū)面積逐漸減小, 而中、高值區(qū)面積在擴(kuò)展。2008年較2006年高值像元明顯增多, 致使黃河現(xiàn)行河道和刁口故道兩側(cè)區(qū)域NDVI斜“Y”形分布態(tài)勢完全呈現(xiàn)。在黃河入?？诘貐^(qū), 上述年份NDVI＞0的區(qū)域逐年增加, 且NDVI值逐年上升, 以2013年最為明顯, 反映出河口地區(qū)植物分布范圍不斷擴(kuò)大, 植被覆蓋度增大, 生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。

圖 2(e—h)是在圖 2(a—d)的基礎(chǔ)上, 對柵格數(shù)據(jù)重采樣(Cellsize由30m變?yōu)?000m)后的NDVI頻數(shù)分布, 可以清晰地看出, 研究區(qū)各年份 10月 NDVI均近似服從正態(tài)分布, 2002、2006、2008、2013年10月區(qū)域 NDVI均值分別為-0.04、0.06、0.10、0.16, 各年份 NDVI＞0的面積分別約為 1253、1733、1742、2175km2(由大于零的柵格個(gè)數(shù)乘以重采樣后的柵格像元大小確定), 占區(qū)域總面積的百分比分別是43.67%、60.01%、66.82%、81.77%。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 2002至2013年, 研究區(qū)NDVI＞0的柵格數(shù)隨年份明顯增加, 柵格單元屬性(NDVI)的頻數(shù)分布變量均值近似由0向0.2移動(dòng), 頻率分布曲線形狀漸趨正態(tài), 表明黃河三角洲地區(qū) NDVI總體呈增加的態(tài)勢,區(qū)域植被覆蓋狀況明顯增加, 尤其是濱海地區(qū)天然植被的恢復(fù)面積擴(kuò)大, 總體長勢好轉(zhuǎn)。

2.3 影響NDVI時(shí)空分布的主要因素

2.3.1 環(huán)境因素影響 NDVI整體空間分布格局植被生長主要受制于氣候條件和水鹽等環(huán)境因素。在同一尺度范圍下, 氣候因子的空間變異通常較環(huán)境因子弱。顯然, 黃河三角洲地區(qū)水位、水分、鹽分等水鹽環(huán)境條件與離海遠(yuǎn)近有很大關(guān)系, 加之黃河淡水補(bǔ)給, 海陸兩相作用、河海兩相交匯導(dǎo)致水鹽因子產(chǎn)生更為顯著的空間變異(安樂生等, 2011)。由圖 3可知, 地形高度、表層土壤 w(Cl-)和潛水 c(Cl-)在空間分布上具有一定的方向性, 即由內(nèi)陸(東部自然保護(hù)區(qū)西端)到海岸線, 地形高度由 12—14m逐漸降至0—2m, 而表層土壤 w(Cl-)由低于 1.0g/kg增至超過10.0g/kg, 潛水 c(Cl-)則從小于 2.0g/L較快升至25.0g/L以上, 這一高度或濃度分布特征與NDVI高、中、低值區(qū)分布匹配較好。此外, 從黃河現(xiàn)行流路或刁口故道向?yàn)I海地區(qū)觀察可以發(fā)現(xiàn), 地形緩降、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)漸增的趨勢在此方向上也較為清晰, 這一分布趨勢也恰與黃河現(xiàn)行河道和刁口故道兩側(cè)區(qū)域NDVI呈斜“Y”形分布態(tài)勢吻合。

圖2 不同年份黃河三角洲地區(qū)NDVI及其頻率分布Fig.2 NDVI and its frequency of the Huanghe (Yellow) River Delta in different years

結(jié)合151個(gè)采樣站位NDVI與地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)的相關(guān)性分析可知, NDVI與地形高度呈正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)(R)為 0.33; 與表層土壤w(Cl-)和潛水 c(Cl-)均呈負(fù)相關(guān), R分別為 0.740和0.737, NDVI與表層土壤 w(Cl-)和潛水 c(Cl-)相關(guān)性較好。事實(shí)上, 地形因素對植被的影響, 主要通過影響地下水位、潛水與土壤中鹽分遷移等因素實(shí)現(xiàn), 也就是說, 地形高度的植被效應(yīng), 一定程度上可歸到水鹽因子當(dāng)中?？紤]到黃河三角洲地區(qū)地下水埋深普遍較淺, 地下水位、土壤水分含量空間變異相對于水土環(huán)境中鹽分含量較弱。又因表層土壤 w(Cl-)和潛水c(Cl-)間 R為 0.643, 表明潛水 c(Cl-)對土壤 w(Cl-)影響顯著, 潛水 c(Cl-)一定程度上控制著土壤 w(Cl-)的空間分布與變異(安樂生等, 2015), 進(jìn)而影響到植被的分布生長?？梢? 地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)等環(huán)境因素綜合作用影響區(qū)域NDVI空間分布格局, 尤其是潛水c(Cl-)的關(guān)鍵控制作用更為明顯。

圖3 地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)空間分布(地形高度由美國地質(zhì)調(diào)查局2000年2月SRTM數(shù)據(jù)生成)Fig.3 The spatial distribution of terrain elevation, w(Cl-) of surface soil layer, and c(Cl-) of phreatic water

2.3.2 氣候條件造成 NDVI年際動(dòng)態(tài)變化 研究區(qū)主要位于東營市的墾利縣和刁口區(qū), 該地區(qū)降水和氣溫等相關(guān)數(shù)據(jù)可借鑒東營市水文氣象資料。1997—2002年, 黃河流域連年干旱少雨。其中, 東營市1997年遭受了自1916年以來的特大夏旱, 6、7月份全市平均降水量僅 54.6mm, 為歷史同期水平的21.0%; 2002年東營市降水量為 356.1mm, 較常年偏少37.6%(少214.6mm)。2003年以后降水逐漸恢復(fù)至常年水平, 2003—2013年東營市年均降水量為556.4mm。區(qū)域降水由稀少轉(zhuǎn)為正常, 顯然有利于植被的生長, 并導(dǎo)致 NDVI數(shù)據(jù)增大。1997—2013年,該地區(qū)年均氣溫變化穩(wěn)定, 年均氣溫平均值為13.6°C。各年份年均氣溫圍繞均值上下波動(dòng), 幅度在0.5°C以內(nèi)。其中, 最低氣溫出現(xiàn)在2003年為13.2°C,這一定程度上受2003年降雨量(782.3mm)較大影響。顯然, 氣溫的起伏波動(dòng)影響地表和潛水蒸發(fā), 勢必對植被生長產(chǎn)生影響。

圖4 1997—2013年東營市各年份年均降水量與氣溫變化Fig.4 Changes of annual precipitation and air temperature in Dongying city during 1997—2013

李明杰等(2011)認(rèn)為黃河三角洲地區(qū)NDVI與降水、氣溫均有較高的相關(guān)系數(shù), R分別為0.63、0.81, 在考慮植被生長發(fā)育與降水、溫度延遲特性的情況下,并以延遲1個(gè)月的數(shù)據(jù)為參考, R分別可達(dá)到0.75、0.89?？梢? 氣溫和降水綜合作用于植被生長發(fā)育,二者的年際動(dòng)態(tài)變化也會(huì)引起植被覆蓋度和 NDVI數(shù)據(jù)的波動(dòng)。此外, 雨水除補(bǔ)充植物生長所需的水分外, 在黃河三角洲這一特定地區(qū), 雨水徑流還有沖刷淋溶土壤鹽分的重要作用。結(jié)合 1997—2013年降水前期少、后期漸多并趨于正常的顯著變化, 可以認(rèn)為在研究時(shí)間內(nèi), 降水對該區(qū)域NDVI在年際上呈現(xiàn)良性變化具有重要影響。

2.3.3 生態(tài)調(diào)度人為影響過水區(qū)域 NDVI分布前已述及, 黃河現(xiàn)行河道和刁口故道兩側(cè)區(qū)域 NDVI呈斜“Y”形分布, 植被長勢較好。從圖2(a—d)可進(jìn)一步看出, 無論較干旱的 2002年, 還是降雨量已有緩和的 2006、2008、2013年, 黃河現(xiàn)行流路和故道兩側(cè)NDVI明顯高于其他地區(qū), 說明黃河及其故道對維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要作用, 尤其是生態(tài)脆弱、環(huán)境敏感的河口三角洲濕地。事實(shí)上, 在上世紀(jì) 90年代, 黃河水資源供需矛盾突出, 出現(xiàn)年年斷流, 導(dǎo)致尾閭?cè)侵奚鷳B(tài)系統(tǒng)受到持續(xù)破壞。為實(shí)現(xiàn)黃河功能性不斷流, 加強(qiáng)流域生態(tài)環(huán)境管理和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控, 1998年黃河水利委員會(huì)(黃委)對黃河流域水資源實(shí)施統(tǒng)一管理調(diào)度。

2002—2009年, 黃委連續(xù)實(shí)施了9次汛前黃河調(diào)水調(diào)沙(歷時(shí) 133d)。2008年, 結(jié)合第 8次調(diào)水調(diào)沙,黃委首次有計(jì)劃地開展了對黃河河口三角洲的生態(tài)調(diào)水。2008、2009年分別向河口三角洲15萬畝濕地人工補(bǔ)水量分別為1355.6、1507.7萬m3, 生態(tài)補(bǔ)水后,東部自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)濕地水深平均增幅分別為0.3、0.4m, 保護(hù)區(qū)低覆蓋(30%以下)植被面積2009年較2008年增加了89%(見表1), 河口地區(qū)濕地面積逐漸增加, 指示性植被蘆葦在發(fā)芽和生長旺盛期的生態(tài)用水得以保障, 區(qū)域生態(tài)環(huán)境不斷改善(李國英等,2011)。2010年, 黃委在繼續(xù)實(shí)施汛前調(diào)水調(diào)沙及向河口三角洲生態(tài)調(diào)水的同時(shí), 適時(shí)開展了刁口河流路恢復(fù)過水試驗(yàn)工程, 向刁口故道調(diào)水3608萬m3。刁口河實(shí)現(xiàn)全線過水, 河道過水面積達(dá)到 23.3km2,自然保護(hù)區(qū)進(jìn)水800萬m3, 面積達(dá)13.4km2。刁口故道生態(tài)補(bǔ)水基本上遏制了故道植被逆向演替趨勢,受損的敏感生境和濕地植被結(jié)構(gòu)得到修復(fù)。

表1 2008—2010年黃河三角洲河口濕地生態(tài)補(bǔ)水及成效Tab.1 Ecological water replenishment and effectiveness onto the Huanghe (Yellow) River Delta wetland in 2008—2010

可見, 持續(xù)開展的黃河下游生態(tài)調(diào)度對過水區(qū)域特別是河口地區(qū)植物正常生長、濕地植被恢復(fù)及其順向演替、NDVI良性變化等有顯著的促進(jìn)作用。河口補(bǔ)水的環(huán)境效益和生態(tài)恢復(fù)效果, 將因調(diào)水的較長期實(shí)施和生態(tài)系統(tǒng)趨變因素影響演替的延遲性,而逐步得到顯現(xiàn)和發(fā)展。

3 結(jié)論

(1) 黃河三角洲地區(qū) 2002、2006、2008、2013年 10月的 NDVI范圍分別為-0.60—0.61、-0.44—0.50、0.65—0.71、-0.32—0.64, 均值分別為-0.04、0.06、0.10、0.16, NDVI＞0 的面積分別約為 1253、1733、1742、2175km2, 分別占區(qū)域總面積的 43.67%、60.01%、66.82%、81.77%。區(qū)域 NDVI總體呈逐漸增加的態(tài)勢, 表明區(qū)域植被覆蓋增加, 尤其是濱海地區(qū)天然植被的恢復(fù)面積逐漸擴(kuò)大, 總體長勢好轉(zhuǎn)。

(2) 在空間格局上, 近海地帶特別是東南和東北部光灘和蝦蟹池NDVI很低, 鮮有植被分布; 黃河現(xiàn)行河道和刁口故道兩側(cè)地區(qū)植被覆蓋程度較高、長勢總體較好。該地區(qū)NDVI可分為高、中、低值區(qū), 分別對應(yīng)高植被覆蓋區(qū)(NDVI＞0.4)、中等植被覆蓋區(qū)(NDVI為0.1—0.4)和稀疏植被覆蓋區(qū)(NDVI＜0.1), 且按離海遠(yuǎn)近, 在區(qū)域范圍內(nèi)分別呈現(xiàn)斜“Y”、斑塊和條帶狀布置。

(3) 地形高度、地下水和土壤水鹽條件(尤其是潛水氯離子濃度)等環(huán)境因素影響NDVI整體空間分布格局, 區(qū)域降水和氣溫等氣候條件造成 NDVI年際動(dòng)態(tài)變化, 而持續(xù)開展的黃河下游生態(tài)調(diào)度對過水區(qū)域特別是河口地區(qū)NDVI良性變化具有顯著的促進(jìn)作用。

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