2000—2015年黑河流域中上游NDVI時(shí)空變化及其與氣候的關(guān)系

尤南山 蒙吉軍 孫慕天

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871;? 通信作者, E-mail： jijunm@pku.edu.cn

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 是聯(lián)結(jié)土壤和大氣的自然紐帶, 對(duì)地球系統(tǒng)的能量平衡起著至關(guān)重要的作用, 同時(shí)在氣候系統(tǒng)、水文過(guò)程、土壤保持、生物循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供中發(fā)揮重要作用[1-2]。作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要環(huán)境因子,溫度和降水等氣候因子對(duì)植被的生長(zhǎng)和物候等具有重要影響[3], 氣候變化必然也影響植物的生長(zhǎng)狀態(tài)[4],因此, 植被常常被視為全球環(huán)境變化的重要“指示器”[5]。研究表明, 植被覆蓋變化嚴(yán)重地受制于氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響[6-7]。由于研究植被變化及其與氣候因子的關(guān)系可為應(yīng)對(duì)全球變化提供重要的理論依據(jù)[8], 近年來(lái), 地表植被對(duì)外界干擾的響應(yīng)成為全球變化科學(xué)研究的熱點(diǎn)[9]。

歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index, NDVI)是表征植被活動(dòng)的主要指標(biāo)[10], 與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)以及土地利用等密切相關(guān)[11]。由于 NDVI 能很好地反映植被覆蓋度,與植物不同生長(zhǎng)期的生物量有較好的相關(guān)關(guān)系, 自20世紀(jì)80年代以來(lái), NDVI廣泛應(yīng)用于研究全球和區(qū)域尺度上植被覆蓋空間變化特征及其對(duì)氣候的響應(yīng)[12-17]。李曉兵等[18]研究了中國(guó) 1983—1992年NDVI 動(dòng)態(tài)與氣溫和降水變化的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)從北到南, NDVI 的變化與氣候條件變化的相關(guān)系數(shù)逐漸降低, 從東南到西北, NDVI的變化與氣候條件變化的相關(guān)系數(shù)逐漸增加, 降水對(duì) NDVI 的影響具有滯后性, 且具有顯著的空間差異性。劉少華等[19]研究中國(guó) 1982—2006年 NDVI 與氣候因子的年際變化及相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn) NDVI 整體上呈減小趨勢(shì), 與≥10oC積溫和降水量分別呈微弱的負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系。姚鎮(zhèn)海等[20]指出 2005—2014年我國(guó)各月平均 NDVI空間分布特征呈西北低、東南高的趨勢(shì), 與降水量或水汽壓空間分布的宏觀趨勢(shì)一致, 并存在顯著的季節(jié)性差異。白建軍等[21]研究 2000—2010年陜北黃土高原 NDVI 的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征, 發(fā)現(xiàn) NDVI 有大幅增長(zhǎng)趨勢(shì), 但是存在空間差異性, NDVI 變化與氣候的相關(guān)性不高。杜加強(qiáng)等[22]研究新疆 1982—2012年 NDVI 動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化以及人類活動(dòng)的響應(yīng), 發(fā)現(xiàn) NDVI 變化受水熱條件和人類活動(dòng)的共同控制, 且夏季主要受降水的控制。付新峰等[23]研究了雅魯藏布江流域 NDVI 變化與氣溫和降水的關(guān)系。何月等[8]研究浙江 NDVI 的動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候的響應(yīng), 發(fā)現(xiàn) NDVI 與濕潤(rùn)指數(shù)的關(guān)系比降水和氣溫更密切, 且 NDVI 變化對(duì)夏季降水和干濕程度的最大響應(yīng)滯后兩個(gè)月。

黑河流域位于我國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū), 生態(tài)環(huán)境極度脆弱、敏感[24]。20 世紀(jì)后期以來(lái), 黑河流域氣候條件發(fā)生劇烈變化, 氣溫、降水、冰川融水以及河川徑流均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì), 溫度的升高以及降水類型和強(qiáng)度的改變對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響。同時(shí), 隨著人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展, 自然資源開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生諸如土地荒漠化、草場(chǎng)退化和水資源短缺等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[25-26], 危及區(qū)域生態(tài)安全狀況, 也嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。針對(duì)這些問(wèn)題, 一系列水土資源管理措施和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程得以實(shí)施, 如“黑河流域分水方案”與“黑河流域生態(tài)防護(hù)林工程”的實(shí)施, “甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”和“張掖黑河濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”的建設(shè)。因此, 在氣候急劇變化、水土資源過(guò)度開(kāi)發(fā)和生態(tài)建設(shè)持續(xù)進(jìn)行的背景下, 研究黑河流域植被的動(dòng)態(tài)變化及其與氣候變化的關(guān)系, 對(duì)減緩和適應(yīng)氣候變化的生態(tài)后果、優(yōu)化水土資源配置和評(píng)估生態(tài)保護(hù)政策績(jī)效具有重要意義。周偉等[27]分析了黑河中上游不同類型草地 NDVI 對(duì)氣候因子的響應(yīng)特征, 彭小清等[28]研究了黑河流域 NDVI 變化與氣候因子的關(guān)系。但是, 這類研究多從區(qū)域平均 NDVI 和氣候因子出發(fā), 或者局限于氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料的相關(guān)性分析, 難以揭示 NDVI 響應(yīng)氣候變化的空間差異?；谏鲜霰尘? 本文以黑河流域水源涵養(yǎng)為主的上游和人類活動(dòng)最為密集的中游為研究區(qū), 基于 2000—2015年逐月 NDVI、月均溫和月降水?dāng)?shù)據(jù), 采用 RS, GIS 和數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析等方法,試圖從區(qū)域和像元兩個(gè)尺度回答 2000年以來(lái)黑河流域中上游 NDVI 發(fā)生了怎樣的變化、變化的時(shí)空分布特征以及與當(dāng)?shù)貧夂虻年P(guān)系等科學(xué)問(wèn)題, 旨在為改善區(qū)域生態(tài)安全狀況、進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

黑河是我國(guó)西北第二大內(nèi)陸河, 地處青藏高原和內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶。黑河中上游總面積約6.9 萬(wàn) km2, 行政區(qū)劃包括青海省的祁連縣, 甘肅省張掖市的甘州區(qū)、高臺(tái)縣、臨澤縣、民樂(lè)縣、山丹縣和肅南裕固族自治縣, 以及嘉峪關(guān)市和酒泉市的肅州區(qū)和金塔縣(圖 1)。地勢(shì)南高北低, 有高山、中山、低山丘陵和走廊平原等主要地貌單元, 海拔 1200～5565 m。年降水量 101～373 mm,年蒸發(fā)量 1639～2341 mm, 屬溫帶大陸性干旱氣候。植被地帶屬于溫帶荒漠區(qū), 主要植被類型有荒漠、草原、草甸、森林、灌叢和栽培植被等。其中, 黑河上游以森林生態(tài)系統(tǒng)為主, 是整個(gè)流域的水源涵養(yǎng)區(qū), 也是祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的重要組成部分;黑河中游則以綠洲、荒漠、草原生態(tài)系統(tǒng)為主, 綠洲灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá), 是我國(guó)傳統(tǒng)的商品糧基地之一。

本研究通過(guò) MOD13A3 產(chǎn)品(https：//lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis/modis_products_ta ble/mod13a3)獲取歸一化植被指數(shù)(MODIS NDVI),反映植被生長(zhǎng)狀況。從 2000年 2 月到 2015年 12月, 共 191 期, 時(shí)間分辨率為月, 空間分辨率為 1000 m。在無(wú)云情況下, 數(shù)據(jù)處理采用時(shí)間加權(quán)平均算法, 否則采用最大值合成法(maximum value composite)。MODIS NDVI指數(shù)通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的近紅外波段與紅外波段反射率之差除以兩者之和來(lái)量化植被的光合作用, 在分析植被生長(zhǎng)與氣候變化的關(guān)系、評(píng)價(jià)氣候變率對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響方面得到有效的運(yùn)用[1,29–30]。氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.nmic.cn/home.do), 獲取研究區(qū)內(nèi)部和周邊 20 個(gè)氣象站(馬鬃山、拐子湖、玉門鎮(zhèn)、鼎新、金塔、酒泉、高臺(tái)、臨澤、阿拉善右旗、托勒、肅南、野牛溝、張掖、民樂(lè)、祁連、山丹、永昌、剛察、門源)從 2000年 1 月到 2015年12 月共 192 個(gè)月的月平均溫度和月總降水量。植被類型數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院植被圖編輯委員會(huì)(2007)編制完成的《1：100 萬(wàn)中國(guó)植被類型圖》中獲取,由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于 CGIAR-CSI GeoPortal (http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)提供的 SRTM3 數(shù)字高程數(shù)據(jù), 分辨率為 90 m?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(研究區(qū)邊界、行政區(qū)劃邊界、居民點(diǎn)等)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“數(shù)字黑河”項(xiàng)目(http：//heihe.westgis.ac.cn)。

2 研究方法

首先, 為反映植被變化的年際和年內(nèi)特征, 根據(jù)研究區(qū)植被物候特點(diǎn), 進(jìn)行春季(3—5 月)、夏季(6—8 月)、秋季(9—11 月)和生長(zhǎng)季(3—11 月)劃分[22],采用各季節(jié)內(nèi) NDVI 的均值表征各季節(jié)植被生長(zhǎng)狀態(tài), 用各季節(jié)內(nèi)氣溫平均值和總降水量反映各季節(jié)的氣候狀況。

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Location of study area

然后, 分別從區(qū)域尺度和像元尺度, 對(duì) NDVI與年份進(jìn)行線性回歸分析, 得到回歸方程的斜率,用來(lái)表示 NDVI 變化速率和變化趨勢(shì)。結(jié)合回歸系數(shù)的顯著性水平, 將黑河流域中上游 NDVI 變化情況劃分為 6 個(gè)類型： 極顯著降低、顯著降低、不顯著降低、不顯著增加、顯著增加和極顯著增加(表1)。

第三, 對(duì)氣溫與降水量站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用 Kriging方法插值得到柵格數(shù)據(jù)。鑒于黑河中上游海拔起伏較大, 對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行海拔校正。具體方法是, 先結(jié)合氣象站海拔高程, 將氣象站點(diǎn)溫度校正到海平面溫度, 然后在 Kriging 插值的基礎(chǔ)上, 借助 DEM數(shù)據(jù), 將海平面溫度還原成地表真實(shí)氣溫。在此基礎(chǔ)上, 分別從區(qū)域尺度和像元尺度計(jì)算不同季節(jié)NDVI 與氣溫和降水量的 Pearson 相關(guān)系數(shù), 從而分析NDVI 與氣候因素的相關(guān)性。結(jié)合相關(guān)系數(shù)的顯著性水平, 將黑河中上游 NDVI 與氣候的相關(guān)性劃分為 6 個(gè)類型： 極顯著負(fù)相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)、不顯著負(fù)相關(guān)、不顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)(表1)。

表1 NDVI變化及其與氣候相關(guān)性類型劃分Table 1 Classify the vegetation dynamics and correlation of NDVI with climatic factors

最后, 在區(qū)域尺度上將逐月 NDVI 與當(dāng)月、前一月和前兩個(gè)月降水和氣溫進(jìn)行相關(guān)分析, 通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)反映NDVI對(duì)氣候響應(yīng)的滯后性。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑河流域中上游NDVI變化的時(shí)空格局

3.1.1 區(qū)域尺度的NDVI動(dòng)態(tài)變化

圖2 黑河流域中上游2000—2015年區(qū)域平均NDVI在春、夏、秋及生長(zhǎng)季的變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of area-averaged NDVI in spring, summer, autumn and growing season from 2000 to 2015 in the middle and upper reaches of Heihe River Basin (HRB)

圖2 顯示 2000—2015年期間, 黑河中上游區(qū)域尺度上不同季節(jié)的 NDVI 逐年變化。1)NDVI 整體上偏低, 生長(zhǎng)季多年平均 NDVI 為 0.17, 其中夏季多年平均 NDVI 最高(0.25), 秋季次之(0.16), 春季最低(0.12)。2)NDVI 在不同季節(jié)的年際波動(dòng)均很明顯, 生長(zhǎng)季 NDVI 標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值)分別為 0.01 和 0.06; 而夏季 NDVI年際波動(dòng)最劇烈, 標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別達(dá)到 0.02和 0.09; 從絕對(duì)波動(dòng)量(標(biāo)準(zhǔn)差)來(lái)看, 秋季(0.0077)大于春季(0.0060), 但春季的相對(duì)波動(dòng)程度(變異系數(shù)為 0.050)略高于秋季(0.047)。3)NDVI 在春季、夏季、秋季以及生長(zhǎng)季均呈極顯著增加趨勢(shì)(p＜0.01)。夏季 NDVI 增長(zhǎng)速率最快,年絕對(duì)增長(zhǎng)量(斜率)和相對(duì)增長(zhǎng)率(斜率與 NDVI 均值之比)均為最大, 分別達(dá)到 0.0036 和 0.015; 而秋季 NDVI增長(zhǎng)速率居中,年絕對(duì)增長(zhǎng)量(0.0014)明顯高于春季(0.001), 但相對(duì)增長(zhǎng)率基本上與春季持平?？偟膩?lái)說(shuō), 區(qū)域尺度上 NDVI 在 2000—2015年期間逐步增加, 但不同季節(jié) NDVI 增長(zhǎng)速率差異明顯, 其中夏季 NDVI 增長(zhǎng)速率最大, 明顯高于春季和秋季,而秋季的增長(zhǎng)速率略高于春季。同時(shí), NDVI 在不同季節(jié)的年際波動(dòng)也不容忽視。

3.1.2 像元尺度的NDVI動(dòng)態(tài)變化

2000—2015年期間, 黑河流域中上游逐像元NDVI在不同季節(jié)的變化趨勢(shì)如圖3和4所示。

1)生長(zhǎng)季。總體來(lái)看, 生長(zhǎng)季 NDVI 以增加趨勢(shì)為主, 增加區(qū)域占總面積的 96.55%。其中, 極顯著增加區(qū)域占 54.18%, 廣泛分布于黑河中游地區(qū),上游祁連山區(qū)分布較少(圖 3(d))。在極顯著增加區(qū)域(p＜0.01)內(nèi), NDVI增速存在較大差異。NDVI快速增長(zhǎng)區(qū)(NDVI年增加量大于 0.005)主要位于張掖市、酒泉市以及嘉峪關(guān)市的綠洲地帶, 這些綠洲多沿河流兩側(cè)分布, 主要為高覆蓋草地、疏林地、高山草甸和灌木林地; NDVI 緩慢上升區(qū)(NDVI年增加量小于 0.003)主要位于張臨高平原北側(cè)以及金塔縣北側(cè), 這些區(qū)域多為戈壁與荒漠, 植被覆蓋度低,但植被呈現(xiàn)緩慢恢復(fù)的趨勢(shì)。小部分區(qū)域 NDVI 呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 其中呈現(xiàn)顯著下降的區(qū)域(p＜0.01)占總面積的 0.13%, 主要位于張掖市市轄區(qū)、酒泉市市轄區(qū)以及其他縣城所在地, 這些區(qū)域的植被受到人類活動(dòng)干擾較大, 退化明顯, NDVI年減少量能達(dá)到 0.001 以上。NDVI 變化不顯著區(qū)域(p＞0.05)占整個(gè)研究區(qū)的 31.04%, 主要分布于流域的東部和南部, 東部山丹馬場(chǎng)為高覆被草地, 南部祁連山區(qū)多為寒漠、冰川和永久性積雪, 這些區(qū)域NDVI變化的影響因素復(fù)雜, 難以用線性模型刻畫。

2)各季節(jié)。從植被變化的顯著性(表 2)來(lái)看,春、夏、秋3個(gè)季節(jié)共同的特征是NDVI極顯著增加和不顯著增加所占面積較大, 遠(yuǎn)高于其他 4 種變化類型, 但不同季節(jié)的NDVI變化存在一定的差異。春季 NDVI 極顯著降低和顯著降低區(qū)域(p＜0.05)明顯多于其他季節(jié), 主要分布在張掖綠洲和酒泉市肅州區(qū); 夏季 NDVI 顯著增加和極顯著增加區(qū)域(p＜0.05)多于其他季節(jié), 廣泛地分布于黑河中上游區(qū)域, 尤其在中游地區(qū)分布集中; 秋季 NDVI 變化不顯著區(qū)域(包括不顯著降低和不顯著增加,p＞0.05)多于其他季節(jié), 主要分布于上游祁連山區(qū)和山丹馬場(chǎng),包括中游西北局部地區(qū)。

通過(guò)不同季節(jié) NDVI 變化速率的空間分布圖(圖 4)和頻數(shù)分布直方圖(圖 5)分析植被變化速率的大小, 發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)的 NDVI 變化速率分布于 0～0.003 數(shù)值區(qū)間的比例均超過(guò) 50%, 表明大部分區(qū)域的 NDVI 在不同季節(jié)均呈現(xiàn)緩慢增加的態(tài)勢(shì)。隨著速率的增加, 像元數(shù)量都急劇下降, 表明 NDVI高速上升的區(qū)域仍較少, 但不同季節(jié)差異明顯： 夏季像元減少的速率最慢, 秋季居中, 春季最快, 進(jìn)一步說(shuō)明夏季 NDVI 增速快于秋季, 而春季 NDVI的增速最緩。

3.2 黑河中上游NDVI與氣候要素的相關(guān)性

3.2.1 區(qū)域尺度NDVI與氣候要素的相關(guān)性

從表 3 可以看出, 生長(zhǎng)季、春季和夏季 NDVI與相對(duì)應(yīng)時(shí)期的降水呈正相關(guān)關(guān)系, 秋季的 NDVI與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系; 而生長(zhǎng)季、春季、夏季、秋季的NDVI與相應(yīng)時(shí)期的氣溫都呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。但是, 只有生長(zhǎng)季NDVI與降水的相關(guān)性達(dá)到0.05的顯著性水平, 夏季 NDVI 與降水的相關(guān)性達(dá)到0.1 的顯著性水平, 春季和秋季的顯著性水平都較低; NDVI 與相應(yīng)時(shí)期的氣溫在生長(zhǎng)季和各個(gè)季節(jié)中的顯著性水平均不高。從區(qū)域尺度來(lái)看, 生長(zhǎng)季和夏季 NDVI 與降水相關(guān)性較氣溫要高, 而春季和秋季NDVI與溫度相關(guān)性較高。

3.2.2 像元尺度NDVI與氣候要素相關(guān)性

圖3 黑河流域中上游2000—2015年逐像元NDVI在春、夏、秋及生長(zhǎng)季變化趨勢(shì)的顯著性Fig.3 Significance of NDVI trend in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

圖4 黑河流域中上游2000—2015年逐像元NDVI在春、夏、秋及生長(zhǎng)季的變化趨勢(shì)Fig.4 NDVI trend in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

表2 黑河流域中上游不同季節(jié)不同NDVI變化類型的面積百分比Table 2 Area percent of different types of vegetation change in different seasons in the middle and upper reaches of the HRB

圖5 黑河流域中上游2000—2015年逐像元NDVI在春、夏、秋及生長(zhǎng)季的變化速率的頻數(shù)分布直方圖Fig.5 Frequency distribution histogram of NDVI trend in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

1)NDVI 與降水的相關(guān)性。從圖 6 可以看出,2000—2015年期間, 黑河中上游生長(zhǎng)季NDVI與降水主要呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖 6(d)), 其中顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)地區(qū)占據(jù)整個(gè)流域上中游地區(qū)的29.28%, 主要分布于上中游交界地帶以及流域的西北側(cè); 顯著負(fù)相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)非常少見(jiàn), 僅占0.16%。NDVI 與降水的正相關(guān)性在夏季表現(xiàn)最為突出(圖 6(b)), 其中顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)區(qū)域達(dá)到研究區(qū)的 37.87%, 主要分布于張臨高平原的南北兩側(cè)以及金塔縣北部大片區(qū)域, 這些區(qū)域多為低覆被草地、戈壁以及荒漠, 地下水埋深較深,人工灌渠難以到達(dá), 植被生長(zhǎng)的水分需求僅能通過(guò)降水提供, 故這些地區(qū) NDVI 與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。相反地, 在植被覆蓋良好的綠洲地區(qū), 由于地下水的補(bǔ)給和有效的人工灌溉, 植被生長(zhǎng)與當(dāng)?shù)亟邓](méi)有顯著的相關(guān)性。NDVI 與降水的負(fù)相關(guān)在春季和秋季略有體現(xiàn)(圖 6(a)和(c)), 主要零星地分布于上游的祁連山區(qū)。

2)NDVI 與氣溫的相關(guān)性。從圖 7 可以看出,在 2000—2015年期間, 研究區(qū)生長(zhǎng)季 NDVI 變化與相應(yīng)時(shí)間內(nèi)平均氣溫的相關(guān)性很小, 生長(zhǎng)季NDVI 與氣溫存在顯著相關(guān)性(包括極顯著相關(guān)性)的區(qū)域僅占據(jù)1.63%。但是, 春季、夏季和秋季NDVI 與氣溫仍存在一定的正相關(guān)性, 其中顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)區(qū)域分別占據(jù)整個(gè)中上游地區(qū)的 5.21%, 2.11%和 1.67%, 主要位于南部祁連山高寒地帶(圖 7(a)～(c)), 表明這些區(qū)域的植被生長(zhǎng)在一定程度上受到溫度的制約, 溫度的上升有助于植被變綠。此外, 在流域東部和西北局部地區(qū), 夏季NDVI與氣溫呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 黑河流域上中游2000—2015年各季內(nèi)NDVI與對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)平均溫度、降水的相關(guān)性和顯著性水平Table 3 Correlation of NDVI with averaged temperature and total precipitation in different period of time in the middle and upper reaches of the HRB

3.2.3 NDVI響應(yīng)氣候變化的時(shí)滯效應(yīng)

植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有“時(shí)滯效應(yīng)”[18,31-32]。在植被生長(zhǎng)的不同階段, 氣溫和降水對(duì)植被生長(zhǎng)的作用程度是不同的, 植被對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)程度和滯后時(shí)間也存在差異[8]。植被生長(zhǎng)對(duì)氣候的最大響應(yīng)通過(guò)植被NDVI與當(dāng)月、前一月及前兩月氣候要素的最大相關(guān)系數(shù)來(lái)反映[33], 如果時(shí)間上有滯后現(xiàn)象, 說(shuō)明植被對(duì)氣候要素的變化有時(shí)滯性。

表4 列出逐月 NDVI 與當(dāng)月、前一月及前兩月降水和氣溫的相關(guān)系數(shù)。NDVI 響應(yīng)降水變化存在一定的時(shí)滯性, 2 月 NDVI與 1 月降水、8 月 NDVI與7 月降水存在顯著的相關(guān)性; 同時(shí), 6 月 NDVI與5月降水、7 月 NDVI與 6 月降水、7 月 NDVI 與 5月降水、8 月 NDVI 與 6 月降水也存在較為顯著的相關(guān)性。這表明夏季NDVI對(duì)降水的響應(yīng)普遍存在1 個(gè)月的時(shí)間滯后, 最長(zhǎng)能滯后 2 個(gè)月。NDVI 響應(yīng)氣溫變化的時(shí)滯性不明顯, 僅 12 月 NDVI 與11月的氣溫存在相關(guān)性。

圖6 黑河流域上中游2000—2015年春、夏、秋及生長(zhǎng)季NDVI與降水的相關(guān)性Fig.6 Correlation of NDVI with precipitation in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

圖7 黑河流域上中游2000—2015年春、夏、秋及生長(zhǎng)季NDVI與氣溫的相關(guān)性Fig.7 Correlation of NDVI with temperature in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

表4 黑河流域中上游逐月NDVI與前0～2個(gè)月氣溫和降水量的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of NDVI of current month with mean temperature and total precipitation of responding month and one or two month lag in the middle and upper reaches of the HRB

4 結(jié)論與討論

2000—2015年期間, 在區(qū)域尺度上, 黑河流域中上游 NDVI 呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明植被整體變綠, 但存在明顯的季節(jié)差異, 夏季 NDVI 增長(zhǎng)速率最大,明顯高于春季和秋季, 而秋季又略高于春季。夏季NDVI 的波動(dòng)幅度也是三季最大。黑河流域中上游植被整體變綠與氣候變化和人類活動(dòng)密切相關(guān)。一方面, 受西風(fēng)環(huán)流影響, 黑河流域降水量呈明顯的增加趨勢(shì), 植被水分條件得到一定的改善[34]。另一方面, 生態(tài)保護(hù)政策得到加強(qiáng), 祁連山自然保護(hù)區(qū)和黑河濕地自然保護(hù)區(qū)的建立, 以及封山育林、退耕還林還草系列工程的實(shí)施, 對(duì)區(qū)域植被恢復(fù)具有促進(jìn)作用。

在像元尺度上, NDVI 快速增長(zhǎng)區(qū)主要位于中游地區(qū)黑河干流兩側(cè)的綠洲地帶, NDVI 緩慢上升區(qū)主要位于張臨高平原北側(cè)以及金塔縣北側(cè), NDVI顯著下降區(qū)主要位于張掖市市轄區(qū)、酒泉市市轄區(qū)以及其他縣城所在地。黑河干流兩側(cè)綠洲地帶植被增長(zhǎng)最迅速, 與黑河干流徑流增加直接相關(guān)。期間上游地區(qū)降水增多, 同時(shí)溫度升高促進(jìn)冰川積雪融化, 導(dǎo)致黑河徑流量增加[35], 進(jìn)而對(duì)地下水的側(cè)向補(bǔ)給加強(qiáng), 地下水水位抬升, 河流兩側(cè)植被水分壓力得到有效緩解, 故NDVI增長(zhǎng)最迅速[36]。

2000—2015年期間, 在區(qū)域尺度上, 夏季 NDVI與降水的相關(guān)性較高, 而春季和秋季 NDVI 與氣溫的相關(guān)性較高, 說(shuō)明該地區(qū)植被生長(zhǎng)在夏季主要由降水主導(dǎo), 而在春、秋季受溫度的影響更大。夏季氣溫普遍較高, 植被蒸散發(fā)劇烈, 水分需求大, 而春、秋季氣溫較低, 植被生理活動(dòng)受溫度限制較大。周偉等[27]的研究表明, 黑河流域中上游不同類型草地的限制因子不同, 典型草地與荒漠草地生長(zhǎng)季 NDVI 與月平均降水量的相關(guān)性強(qiáng)于月平均氣溫, 而平原草地與高寒草甸草地生長(zhǎng)季 NDVI 與月平均氣溫的相關(guān)性強(qiáng)于月平均降水量, 充分說(shuō)明不同季節(jié)、不同植被類型 NDVI 與氣候因子的相關(guān)性具有差異[22-33]。

在像元尺度上, 黑河流域中上游 NDVI 與降水量的相關(guān)性具有明顯的空間差異。夏季 NDVI 與降水的顯著相關(guān)性主要體現(xiàn)在張臨高平原的南北兩側(cè)以及金塔縣北部大片低覆被草地、戈壁以及荒漠。這些區(qū)域遠(yuǎn)離黑河干流, 灌渠難以到達(dá), 地下水的水位較低, 植被生長(zhǎng)所需水分主要來(lái)自降水, 因此NDVI 與降水量具有較強(qiáng)的相關(guān)性。人工綠洲地帶 NDVI 與局地降水沒(méi)有顯著相關(guān)性。人工綠洲多位于黑河干流兩側(cè), 具有較完善的灌溉系統(tǒng), 植被所需有效水分主要來(lái)源于地下水和灌溉用水, 故與降水量的相關(guān)性較弱[37]。這反映出與人工綠洲相比,遠(yuǎn)離黑河干流的低覆被草地、戈壁以及荒漠對(duì)氣候變化具有較強(qiáng)的敏感性和較弱的恢復(fù)力, 在應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化時(shí)存在更大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

黑河流域中上游 NDVI 對(duì)降水的響應(yīng)具有時(shí)滯效應(yīng), 夏季NDVI對(duì)降水的響應(yīng)普遍存在 1 個(gè)月的時(shí)間滯后, 最長(zhǎng)能滯后 2 個(gè)月。NDVI響應(yīng)降水變化的時(shí)滯效應(yīng)主要是土壤水分補(bǔ)給滯后造成的, 時(shí)滯長(zhǎng)短與土壤類型、植被根系分布特征緊密相關(guān)。彭小清等[28]指出, 黑河流域 NDVI 對(duì)降水的滯后時(shí)間約為 1 個(gè)月。此外, 黑河流域多年凍土和季節(jié)性凍土較為發(fā)育, 春季 NDVI 受到前一年秋季, 尤其是11月份降水量的影響。

植被是氣候、地貌、土壤與人類活動(dòng)長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果[8]。區(qū)域植被生長(zhǎng)受水熱條件共同控制,與氣溫和降水因子相比, 濕潤(rùn)指數(shù)、蒸散發(fā)等對(duì)植被的生長(zhǎng)發(fā)揮了更重要的作用。除受氣候變化的顯著影響外, 人類活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響也非常顯著,尤其是土地利用造成的綠洲化、荒漠化、城鎮(zhèn)化等過(guò)程, 也直接導(dǎo)致NDVI發(fā)生變化。