額濟(jì)納植被覆蓋變化及對(duì)地下水埋深的響應(yīng)

趙玉

摘要：利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立了1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋時(shí)空數(shù)據(jù)集，借助Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析等方法，探討了額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋時(shí)空分布特征及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，揭示了研究區(qū)植被覆蓋變化對(duì)地下水位埋深的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)年平均歸一化植被指數(shù)（NDVI）為0.072～0.089，從年際變化特征看，額濟(jì)納地區(qū)NDVI值呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，從空間分布特征看，額濟(jì)納地區(qū)NDVI值的空間分布格局呈現(xiàn)斑塊狀分布;從地下水位埋深空間分布特征看，沿河流流向，東河、西河地下水位埋深呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度;時(shí)空變化;趨勢(shì)分析;地統(tǒng)計(jì)分析;額濟(jì)納

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

植被作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成因子，在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡中發(fā)揮著重要作用[1]。地表植被變化影響區(qū)域生態(tài)平衡和局部氣候特征[2]，而植被蓋度是衡量地表植被長勢(shì)和定量評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康程度的重要指標(biāo)[3-4]。由遙感數(shù)據(jù)反演得到的歸一化植被指數(shù)（NDVI）可以反映區(qū)域植被的綜合情況，是表征大尺度植被覆蓋變化的指標(biāo)[5-6]。國內(nèi)外諸多學(xué)者揭示了不同時(shí)空尺度上植被指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征[7-8]、驅(qū)動(dòng)機(jī)制[9-10]，以及植被覆蓋變化對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)等[11-12]。

額濟(jì)納地區(qū)位于黑河下游，地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，降水稀少，水資源短缺，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。近20a來，黑河上游過度開發(fā)，中游需水量增加，導(dǎo)致下游額濟(jì)納地區(qū)水資源短缺[13]、植被衰退、綠洲萎縮[14]、生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展[15]。因此，開展額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征分析對(duì)內(nèi)陸干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境研究具有重要意義。有關(guān)學(xué)者對(duì)黑河下游額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了大量研究[16-19]，但長時(shí)間尺度上黑河下游植被覆蓋對(duì)地下水位埋深響應(yīng)的研究較少。本文借助遙感技術(shù)手段，基于1998-2015年MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)額濟(jì)納地區(qū)植被分布特征進(jìn)行分析，揭示研究區(qū)1998年以來植被覆蓋的時(shí)空分布特征及其動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并結(jié)合地下水位埋深數(shù)據(jù)，探討地下水位影響下的植被覆蓋特征，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

額濟(jì)納地區(qū)地處亞歐大陸腹地，屬典型溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，干旱少雨，冬寒夏熱，多年平均降水量為38.5mm，降水集中在6-9月，多年平均氣溫為8.1℃。額濟(jì)納地區(qū)地帶性土壤為石膏灰棕漠土和灰棕漠土，非地帶性土壤為鹽堿土和湖盆低地沼澤土[20]。研究區(qū)植被結(jié)構(gòu)簡單、類型單調(diào)[21]，代表性植物有胡楊、梭梭和沙棗等喬木，怪柳、黑果構(gòu)杞、白刺和駱駝刺等灌木，苦豆子、蘆葦、芨芨草、駱駝蓬等草類[22]。

1.2 數(shù)據(jù)收集

近年來，遙感技術(shù)因信息量大、覆蓋范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)和成本低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用到植被特征的定量監(jiān)測(cè)中[23]。本文采用的1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)NDVI資料來源于黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心。為揭示黑河下游額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋對(duì)地下水位埋深的響應(yīng)機(jī)制，收集了1995-2015年12眼長期觀測(cè)潛水井水位埋深數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

（1）Mann-Kendall檢驗(yàn)法。 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法是用于提取趨勢(shì)變化的有效工具，因其使用范圍廣、人為因素影響小以及定量化程度高等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列變化趨勢(shì)分析中[24-25]。設(shè)時(shí)間序列為x_i（i=1，2，…，n），F(xiàn)_i（x）為樣本x_i的分布函數(shù)。原假設(shè)H₀：F_i（x）=…=F_n（x），為n個(gè)獨(dú)立的且隨機(jī)變量同分布的樣本，即序列存在趨勢(shì)性特征。備擇假設(shè)H₁是雙邊檢驗(yàn)。對(duì)于所有的k，j≤n，且k≠j，x_k和x_j的分布是不同的。檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S的計(jì)算公式為

當(dāng)n≥10時(shí)，將S標(biāo)準(zhǔn)化得到：式中：n為樣本數(shù);S為近似正態(tài)分布;E[S]為該統(tǒng)計(jì)量的期望;Var（S）為該統(tǒng)計(jì)量的方差。

在雙邊檢驗(yàn)中，在給定的顯著性水平（α）上，當(dāng)時(shí)，接受原假設(shè)H₀;當(dāng)時(shí)，表明時(shí)間序列呈顯著下降趨勢(shì);當(dāng)時(shí)，表明時(shí)間序列呈顯著上升趨勢(shì)。當(dāng)|Z|大于等于1.28、1.64和2.32時(shí)，分別代表通過了信度90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

（2）地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是揭示變量空間變異特性的主要手段之一，用于研究地理變量的空間變異與空間結(jié)構(gòu)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)由分析空間變異與結(jié)構(gòu)的變異函數(shù)及其參數(shù)（主要包括基臺(tái)值、塊金值、分維度和變程4個(gè)參數(shù)）和空間局部估計(jì)的Kriging插值兩部分組成，目前已在地球物理、地質(zhì)、生態(tài)、土壤等領(lǐng)域有較廣泛應(yīng)用[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被指數(shù)時(shí)間分布特征

1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)年均NDVI值為0.072～0.089，最小值和最大值分別出現(xiàn)在2002年、2012年，見圖1。研究區(qū)年均NDVI值表現(xiàn)為波動(dòng)式上升趨勢(shì)，平均增長率為0.020/10a。由圖1中線性擬合方程可知，隨著時(shí)間的推移，研究區(qū)植被覆蓋度呈增大趨勢(shì)。

額濟(jì)納地區(qū)NDVI值的Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為2.99，且通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋度呈增大趨勢(shì)。Mann-Kendal趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了圖1結(jié)果，即研究區(qū)植被覆蓋度有所提升，綠洲植被得以恢復(fù)。

2.2 植被指數(shù)空間分布特征

1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)NDVI空間分布情況見圖2。研究區(qū)NDVI在空間上表現(xiàn)為斑塊狀分布格局，且1998年、 2003年和2015年NDVI值空間分布格局一致，即NDVI高值區(qū)主要分布在東河、西河兩岸及額濟(jì)納旗政府所在地和古日乃湖區(qū)。

2.3 地下水位埋深空間分布特征

基于黑河下游長期觀測(cè)井的地下水位埋深數(shù)據(jù)，選擇1998年、2003年和2015年6月的地下水位埋深數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)地下水位埋深的空間分布特征。進(jìn)行空間變異分析前，將GPS觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.2軟件，分析其趨勢(shì)性和各向異性，并采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包GS+進(jìn)行半方差函數(shù)模擬和模型擬合，在前期分析的基礎(chǔ)上，借助ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行Kriging最優(yōu)內(nèi)插，三期數(shù)據(jù)的空間插值結(jié)果見圖3。整體上看，東河、西河河道附近的地下水位埋深小于遠(yuǎn)離河道地區(qū)的。沿東河從狼心山到東居延海，地下水位埋深呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在東居延海地區(qū)地下水位埋深較大。沿西河從狼心山到西居延海，地下水位埋深同樣呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，地下水位埋深在賽漢陶來地區(qū)最小，在北戈壁至西居延海地區(qū)最大?？傮w來說，沿河流流向，東河和西河地下水位埋深呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。

2.4 植被指數(shù)對(duì)地下水位埋深變化的響應(yīng)

植被作為聯(lián)結(jié)地下水和土壤等要素的自然紐帶，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)[27]。研究區(qū)1998-2015年地下水位埋深與植被指數(shù)空間分布疊置結(jié)果見圖4。研究區(qū)NDVI值表征的綠色植被主要分布在東河、西河和古日乃湖區(qū)。不同年份NDVI高值區(qū)大部分出現(xiàn)在2～4m的地下水位埋深區(qū)。馮起等[28]以0.1m為間距繪制了研究區(qū)2010年地下水位埋深與相應(yīng)的NDVI平均值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵滤宦裆顬?.4～4.2m時(shí)，NDVI平均值在0.11附近波動(dòng)，說明植被發(fā)育較好;當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?.2m時(shí)，NDVI值明顯減小，植被發(fā)育較差。2.4～4.2m是黑河下游植被生長較適宜的地下水位埋深。同時(shí)，借助2011年黑河下游典型優(yōu)勢(shì)植物隨機(jī)抽樣調(diào)查結(jié)果，模擬和計(jì)算了額濟(jì)納地區(qū)主要植被及其植被蓋度隨地下水位埋深梯度變化的對(duì)數(shù)正態(tài)擬合模型的相關(guān)參數(shù)，見表1（其中：μ為樣本數(shù)學(xué)期望;δ為樣本方差;X_pm為眾數(shù)，表示植物出現(xiàn)頻率最大值對(duì)應(yīng)的地下水位埋深;E（X）為地下水位埋深數(shù)學(xué)期望;δ（X）為地下水位埋深均方差）。由表1可知，黑河下游額濟(jì)納地區(qū)主要植被最適地下水位埋深為2.0～3.0m，其中蘆葦更適宜在較小的地下水位埋深條件下生長，而羅布麻和駱駝刺比較耐旱。

3 結(jié)論

以黑河下游額濟(jì)納地區(qū)為研究區(qū)，揭示了該區(qū)植被覆蓋時(shí)空分布特征，探討了植被覆蓋對(duì)地下水位埋深的響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果表明：1998-2015年額濟(jì)納地區(qū)植被指數(shù)隨時(shí)間推移表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，NDVI值平均增長率為0.02/10a，說明黑河流域分水政策實(shí)施以來，額濟(jì)納地區(qū)植被覆蓋度呈增大趨勢(shì)，綠洲植被得以恢復(fù);額濟(jì)納地區(qū)NDVI值呈現(xiàn)斑塊狀空間分布格局，不同時(shí)期NDVI值空間分布格局較為一致，高值區(qū)主要分布于西河上段、西河中段、東河上段和額濟(jì)納旗政府附近;從地下水位埋深空間分布特征看，東河、西河河道附近的地下水位埋深小于遠(yuǎn)離河道地區(qū)的，沿東河、西河河流方向，地下水位埋深均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì);由植被覆蓋度和地下水位埋深空間分布疊置結(jié)果可知，額濟(jì)納地區(qū)植被的生長發(fā)育受地下水位埋深控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋春橋，游松財(cái)，劉高煥，等.那曲地區(qū)草地植被時(shí)空格局與變化及其人文因素影響研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2012，21（3）：1-10.

[2]戴聲佩，張勃，王強(qiáng)，等.祁連山草地植被NDVI變化及其對(duì)氣溫降水的旬響應(yīng)特征[J].資源科學(xué)，2010，32（9）：1769-1776.

[3]張一平，張克映，馬友鑫，等.西雙版納熱帶地區(qū)不同植被覆蓋地域徑流特征[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1997，3（4）：25-30.

[4]KOGAN F N.Application of Vegetation Index and BrightnessTemperature for Drought Detection[J].Advances in SpaceResearch，1995，15（11）：91-100.

[5]孫智輝，劉志超，雷延鵬，等.延安北部丘陵溝壑區(qū)植被指數(shù)變化及其與氣候的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（2）：533-540.

[6]范錦龍，張曉煜.寧夏近18年植被動(dòng)態(tài)變化遙感時(shí)序分析[J].干旱區(qū)研究，2009，26（1）：53-58.

[7]SHABANOW N，ZHOU L，KNYAZIKHIN Y，et a1.Analysis0f Interannual Changes in Northern Vegetation Activity Ob-served in AVHR Data from 1981 to 1994[J].IEEE Trans-actions on Geoscience and Remote Sensing，2002，40（1）：115-130.

[8]陳效逑，王恒.1982-2003年內(nèi)蒙古植被帶和植被覆蓋度的時(shí)空變化[J].地理學(xué)報(bào)，2009，64（1）：84-94.

[9]BIRTWISTLE A N，LAITURI M，BLEDSOE B，et al.UsingNDVI to Measure Precipitation in Semi-Arid Landscapes[J].Journal 0f Arid Environments，2016，131：15-24.

[10]ZHOU D C，ZHAO S Q，ZHANG L X，et al.RemotelySensed Assessment 0f Urbanization Effects on VegetationPhenology in Chinas 32 Major Cities[J].Remote Sensingof Environment，2016，176：272-281.

[11]李作偉，吳榮軍，馬玉平.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)三江源地區(qū)植被生產(chǎn)力的影響[J].冰川凍土，2016，38（3）：804-810.

[12]DAAN B，GABRIELA s s，HARM B，et al.The Responseof Arctic Vegetation to the Summer Climate：Relation Be-tween ShrubCover，NDVI，SurfaceAlbedoandTemperature[J].Environmental Research Letters，2011，6（3）：435-502.

[13]肖生春，肖洪浪.近百年來人類活動(dòng)對(duì)黑河流域水環(huán)境的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2004，18（3）：57-62.

[14]ZHANG Y C，YU J J，WANG P，et al.Vegetation Re-sponses to Integrated Water Management in the EjinaBasin，Northwest China[J].Hydrology Preeesses，2011，25：3448-3461.

[15]龔家棟，董光榮，李森，等.黑河下游額濟(jì)納綠洲環(huán)境及綜合治理[J].中國沙漠，1998，18（1）：44-50.

[16]宋鵬飛，白利平，王國強(qiáng)，等.黑河流域地下水埋深與氣候變化對(duì)植被覆蓋的影響研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，50（5）：549-554.

[17]金曉媚.黑河下游額濟(jì)納綠洲荒漠植被與地下水位埋深的定量關(guān)系[J].地學(xué)前緣，2010，17（6）：181-186.

[18]張麗，董增川，黃曉玲.干旱區(qū)典型植物生長與地下水位關(guān)系的模型研究[J].中國沙漠，2004，24（1）：110-113.

[19]趙文智，常學(xué)禮，何志斌，等.額濟(jì)納荒漠綠洲植被生態(tài)需水量研究[J].中國科學(xué)（D輯），2006，36（6）：559-566.

[20]金曉媚，胡光成，李文梅.中國西北地區(qū)額濟(jì)納綠洲植被蓋度與黑河流量的滯后效應(yīng)研究[J].地學(xué)前緣，2008，15（4）：198-203.

[21]席海洋，馮起，司建華，等.額濟(jì)納綠洲不同植被覆蓋下的土壤特性的時(shí)空變化[J].中國沙漠，2011，31（1）：68-75.

[22]付愛紅，陳亞寧，李衛(wèi)紅.中國黑河下游荒漠河岸林植物群落水分利用策略研究[J].中國科學(xué)（地球科學(xué)），2014，44（4）：693-705.

[23]張一馳，于靜沽，喬茂云，等.黑河流域生態(tài)輸水對(duì)下游植被變化影響研究[J].水利學(xué)報(bào)，2011，42（7）：757-765.

[24]PARUELO J M，EPSTEIN H E，LAUENROTH w K，et al.ANPP Estimates from NDVI fnr the Central GrasslandRegion of the United States[J].Eedogy，1997，78（3）：953-958.

[25]FERI C，SCHAR C.Detection Probability of Trend in RareEnents：Theory and Application to Heavy Precipitation in theAlpine Region[J].Journal of Climate，2011，14：1568-1584.

[26]曹潔萍，遲道才，武立強(qiáng)，等.Mann-Kendall檢驗(yàn)方法在降水趨勢(shì)分析中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2008（5）：35-40.

[27]呂京京.海流兔河流域地下水對(duì)植被指數(shù)分布的影響研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2013：1-116.

[28]馮起，司建華，席海洋，等.黑河下游生態(tài)水需求與生態(tài)水量調(diào)控[M].北京：科學(xué)出版社，2015：1-202.