2002—2016年華北平原植被生長(zhǎng)狀況及水文要素時(shí)空特征分析

曹艷萍, 秦 奮,龐營(yíng)軍,趙 芳,黃金亭

1 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開(kāi)封 475004 2 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開(kāi)封 475004 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091

陸地表面植被是監(jiān)測(cè)全球氣候變化的敏感指示器,是陸地地表生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分,也是鏈接大氣、水體和土壤的紐帶[1]。氣候和水分環(huán)境是植被生長(zhǎng)狀況的重要影響因素；而植被生長(zhǎng)狀態(tài)變化又將改變陸地地表下墊面屬性,進(jìn)一步影響氣候調(diào)節(jié)、水土保持以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。地表植被變化是氣候變化、人類活動(dòng)等多種因素共同作用的結(jié)果。因此,研究植被變化及其與氣候、水文環(huán)境因子之間的關(guān)系可為應(yīng)對(duì)氣候和水環(huán)境變化提供重要的理論依據(jù),也是有效預(yù)測(cè)生物圈對(duì)自然氣候系統(tǒng)和人類活動(dòng)反饋的前提。

降水、土壤水直接影像區(qū)域植被生長(zhǎng)。而當(dāng)光照充足、降水有限時(shí),地下水是土壤水補(bǔ)給的重要來(lái)源,因而地下水也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。Koirala等[3]利用一系列高分辨率數(shù)據(jù)對(duì)全球尺度上地下水和植被的關(guān)系做了研究,結(jié)果表明全球2/3的植被區(qū)的總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)至少在一個(gè)季節(jié)內(nèi)與地下水位(WTD)有關(guān)：濕潤(rùn)地區(qū)的GPP和WTD主要呈負(fù)相關(guān),干旱區(qū)主要呈正相關(guān)。

華北平原是中國(guó)重要的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,也是重要的糧棉油生產(chǎn)基地[4]。水資源短缺是該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要限制因素。近年來(lái),隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,用水量急劇增加；同時(shí)降水量明顯減少,造成了華北平原水資源匱乏,地表干枯；連年超采地下水,使地下水位持續(xù)下降,形成大面積地下水漏斗區(qū)。因此,迫切需要分析華北平原植被生長(zhǎng)狀況及水文要素時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。

對(duì)于大、中尺度研究區(qū)域,遙感方法是監(jiān)測(cè)其植被變化的有效手段。植被指數(shù)是植被覆蓋度、植被初級(jí)生產(chǎn)力等植被生態(tài)參數(shù)的重要指示器。研究表明,歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)是目前最為廣泛應(yīng)用的植被指數(shù)[5]。但是由于NDVI算法本身并非線性,對(duì)于覆蓋度較高的天然植被和農(nóng)作物區(qū)域,NDVI飽和現(xiàn)象比較嚴(yán)重,且土壤背景的干擾噪聲也在一定程度上損害NDVI的空間一致性；增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)較好解決了NDVI的紅光飽和、大氣和土壤背景的干擾影響,更加適合高植被覆蓋度的區(qū)域[6]。

表1中列舉一些基于不同植被指標(biāo)在中國(guó)不同區(qū)域的相關(guān)研究。盡管基于遙感的植被狀況相關(guān)研究逐漸增多,多數(shù)研究集中在氣候或人類活動(dòng)有關(guān)因素與植被變化之間的定量關(guān)系。探究氣候變化且人口活動(dòng)密集區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況及其與水文要素變化關(guān)系對(duì)于區(qū)域植被利用與保護(hù)有一定意義。本文分析華北平原MODIS EVI植被指數(shù)、關(guān)鍵水文要素的時(shí)空分布特征和變化趨勢(shì),重點(diǎn)探討不同生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)植被生長(zhǎng)狀況和水文要素的關(guān)系。

1 研究區(qū)域概況

華北平原是我國(guó)三大平原之一,主要農(nóng)業(yè)區(qū)域之一；位于中國(guó)東部沿海,地跨112.4°—122.7°E, 32.5°—40.6°N,北抵燕山山麓,南達(dá)大別山北側(cè),西依太行山-伏牛山,東鄰渤海和黃海。研究區(qū)域總面積約39.2萬(wàn)km2,除山東半島為丘陵外,大部分地區(qū)為平原；土地利用類型多為耕地。

研究區(qū)屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候,年均氣溫8—15 ℃,年均降水500—900 mm。降水集中分布在6—9月份,四季變化明顯,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。華北平原是以旱作為主的農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)作物以一年兩熟為主,主要的糧食作物是冬小麥、夏玉米,主要經(jīng)濟(jì)作物是棉花和花生。華北平原人均水資源量?jī)H為456 m3/年,不足全國(guó)的1/6。地表水時(shí)空分布不均,地下水已成為華北平原經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支柱。

表1 基于遙感監(jiān)測(cè)分析中國(guó)不同區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況

為探討不同生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)植被生長(zhǎng)的變化特征,將研究區(qū)域已有自然分區(qū)按照地形和綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃等分為4個(gè)子區(qū)域(圖 1)[15],分別為：燕山-太行山山麓平原區(qū)、冀魯豫低洼平原區(qū)、黃淮平原區(qū)、山東丘陵農(nóng)林區(qū)。山東丘陵農(nóng)林區(qū)的植被以落葉闊葉林為主,其他3個(gè)子區(qū)域的植被以農(nóng)作物為主,僅在太行山、燕山山麓邊緣等生長(zhǎng)灌叢、小片落葉闊葉林、喬木等植被。如圖 1所示,2002—2016年間該區(qū)域EVI分布范圍為0—0.75,黃淮平原區(qū)、冀魯豫低洼平原區(qū)中南部地區(qū)的植被生長(zhǎng)最佳,燕山-太行山山麓平原區(qū)、冀魯豫低洼平原區(qū)的北部和山東丘陵農(nóng)林區(qū)的部分地區(qū)植被覆蓋度較低。

圖1 華北平原增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index,EVI)在2002—2016年間多年均值空間分布Fig.1 Spatial distribution of multi-year averaged enhanced vegetation index (EVI) from 2002 to 2016 over North China Plain

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 MODIS EVI數(shù)據(jù)

本文采用2002—2016年的Terra MODIS傳感器的0.05°空間分辨率的L3級(jí)逐月增強(qiáng)型植被指數(shù)(MODIS/Terra Vegetation Indices Monthly L3 Global 0.05deg CMG),源于NASA陸地分布式數(shù)據(jù)檔案中心(Land Processes Distributed Active Archive Center,LPDAAC)。

EVI的計(jì)算公式為：

(1)

其中G為增益因子,L為背景調(diào)整項(xiàng),C1和C2為擬合系數(shù)；ρB、ρR、ρNIR分別為MODIS的藍(lán)光、紅光和近紅外波段的光譜反射率。MODIS EVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)反演過(guò)程中,G=2.5,L=1,C1=6,C2=7.5。

基于月EVI數(shù)據(jù),根據(jù)國(guó)際通用的最大值合成法(Maximum Value Composite,MVC)得到研究區(qū)域2002—2016年的逐年EVI最大值序列圖譜,代表年內(nèi)生長(zhǎng)季的植被狀態(tài)。此外,基于最大值合成法思路,根據(jù)公式2求研究區(qū)域逐格網(wǎng)的逐年EVI最小值序列圖譜,代表年內(nèi)非生長(zhǎng)季的植被狀態(tài)。

EVIi=min(EVIi,j)

(2)

式中,EVIi指i(i=2002—2016)年的EVI數(shù)據(jù),EVIi,j指i年的j月(j=1—12)的EVI數(shù)據(jù)。

2.2 GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文采用GRACE CSR RL05 Mascon水儲(chǔ)量變化量數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為月,空間分辨率為0.5°。該水儲(chǔ)量變化量在垂直方向上是地下水、土壤水、地表水、冰雪水和生物含水量等五部分變化量的集成量[16]。研究表明基于Mascon算法反演得到的水儲(chǔ)量變化量精度更高[17]。

本文基于GRACE水儲(chǔ)量變化量和Global Land Data Assimilation System (GLDAS)的土壤水和雪水當(dāng)量數(shù)據(jù),根據(jù)公式3,反演得到華北平原地下水?dāng)?shù)據(jù)集。Feng等[18]利用GRACE重力衛(wèi)星反演2003—2010年間華北平原地下水,研究時(shí)段內(nèi)由于農(nóng)業(yè)灌溉抽取地下水造成該地區(qū)地下水以(2.2±0.3) cm/a的速率減少,與地下水井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相一致。

ΔGW=TWSA-ΔSM-ΔSWE

(3)

式中,Δ代表變化量,GW是地下水,TWSA是水儲(chǔ)量變化量,SM是土壤水,SWE是雪水當(dāng)量。

2.3 GLDAS數(shù)據(jù)

本文采用最新版本GLDAS- 2.1的Noah模型的輸出變量,包括0.25°×0.25°空間分辨率的月時(shí)間尺度的土壤水和雪水當(dāng)量,時(shí)間跨度為2000.01—至今。數(shù)據(jù)獲取后,基于ArcMap平臺(tái)進(jìn)行投影(WGS84地理坐標(biāo)系)；從規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)集中裁剪出研究區(qū)域的柵格數(shù)據(jù)；將0.25°數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣得到0.5°空間格網(wǎng)數(shù)據(jù)；最后基于月土壤水和雪水當(dāng)量,分別求得其在2002—2016年間的月距平值,即月值(土壤水或雪水當(dāng)量)減去2002—2016年間所有月份的平均值。

2.4 降水?dāng)?shù)據(jù)

2002—2015年間的降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)區(qū)域高時(shí)空地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集[19]。該套數(shù)據(jù)覆蓋整個(gè)中國(guó),時(shí)間跨度為1979—2015年,時(shí)間分辨率為3 h,空間分辨率為0.1°。從基金委國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)—寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn/)獲取。

2016年的降水?dāng)?shù)據(jù)采用Global Precipitation Measurement(簡(jiǎn)稱GPM)最新的3級(jí)融合降水產(chǎn)品IMERG(Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM),空間分辨率為0.1°×0.1°,時(shí)間分辨率為月。從NASA降水測(cè)量計(jì)劃網(wǎng)站(www.pmm.nasa.gov)獲得。

2.5 一元線性回歸法

本文采用一元線性回歸法分析每個(gè)像元的植被和水文變量在2002—2016年間的變化趨勢(shì),計(jì)算公式為：

(4)

式中,θslope表示趨勢(shì)線的斜率；n表示年份,i表示第i年(1≤i≤n),Yi表示第i年Y值,Y表示植被指數(shù)、水文要素等變量。

關(guān)于時(shí)間序列趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法很多,本文采用非參數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱MK趨勢(shì)檢驗(yàn)法)[20]進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)。

2.6 植被與水文要素的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)系數(shù)能夠定量描述兩個(gè)變量之間線性關(guān)系的緊密程度。對(duì)于兩個(gè)要素x與y,如果它們的樣本值分別為xi與yi(i=1,2,……,n),則它們之間的相關(guān)系數(shù)被定義為：

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 華北平原EVI和水文要素年內(nèi)分布特征

圖 2為華北平原EVI、降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水月值的年內(nèi)分布特征圖,由2002—2016年間月值求平均得到,例如1月降水量,為2002—2016年間15個(gè)1月份降水量的平均值。如圖 2所示華北平原降水集中分布在6—9月份；7月份為峰值,高達(dá)124.3 mm。植被指數(shù)EVI與降水年內(nèi)分布基本一致,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9。不同于降水的典型“單峰”年內(nèi)分布特征,華北平原EVI年內(nèi)呈“雙峰”分布特征,于5月份,8月份分別達(dá)到峰值,這一分布特征與華北平原的農(nóng)作物生長(zhǎng)季相匹配,5月份是冬小麥生長(zhǎng)高峰期,8月份是夏玉米及其他非農(nóng)作物生長(zhǎng)峰值期。2002—2016年間水儲(chǔ)量大致呈典型單峰年內(nèi)分布特征,在豐水季(6—9月份)水儲(chǔ)量變化量處于年內(nèi)峰值。由EVI年內(nèi)分布特征發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域5月份植被指數(shù)EVI處于次峰值,但是6月份EVI處于明顯低谷值；水儲(chǔ)量在6月份也處于嚴(yán)重虧損狀態(tài),與該月份EVI的低谷狀態(tài)相一致。6月份上旬是小麥農(nóng)作物收割期,下旬是玉米等農(nóng)作物播種期,小麥農(nóng)作物的收割造成植被覆蓋降低,EVI值減少。而6月份玉米等農(nóng)作物的播種期后需要大面積灌溉,抽取大量地下水滿足農(nóng)作物需求,造成區(qū)域水儲(chǔ)量、地下水的嚴(yán)重減少。區(qū)域年內(nèi)月EVI與土壤水相關(guān)系數(shù)為0.59,二者的峰值時(shí)刻相一致(8月份)。已有研究表明華北平原地下水是該區(qū)域水儲(chǔ)量減少的主要因素[18],由圖 2可知,地下水在7月份和11月份出現(xiàn)低谷值,7月份的明顯低谷值是華北平原夏季農(nóng)作物需求大量地下水導(dǎo)致的,11月份低谷值是由抽取地下水灌溉冬小麥造成的。整體上,華北平原植被生長(zhǎng)和水文要素的年內(nèi)分布特征具有極強(qiáng)的相關(guān)性。

圖2 華北平原EVI、降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水的年內(nèi)分布Fig.2 Annual internal distribution of EVI, precipitation, water storage, soil moisture, groundwater of North China Plain

3.2 華北平原EVI和水文要素年際變化趨勢(shì)空間分布特征

基于月EVI影像,根據(jù)最大值合成法和最小值合成法分別得到2002—2016年間的逐年EVI最大值和最小值空間分布圖,利用一元線性回歸法計(jì)算得到該時(shí)期華北平原EVI年最大值和年最小值的變化趨勢(shì)空間分布圖(圖 3)。從空間格網(wǎng)變化速率的幅度可知,EVI年最小值年變化速率的幅度(-0.01/a—0.01/a)小于EVI年最大值變化速率的幅度(-0.02/a—0.02/a),且二者變化趨勢(shì)空間分布差異明顯。研究區(qū)域53%格網(wǎng)EVI年最大值的趨勢(shì)分析值為正值,表明這些格網(wǎng)的EVI年最大值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；47%格網(wǎng)EVI 年最大值趨勢(shì)分析值為負(fù)值,表明這些格網(wǎng)的EVI年最大值呈減少趨勢(shì)。研究區(qū)域81%格網(wǎng)EVI年最小值的趨勢(shì)分析值為正值,表明這些格網(wǎng)的EVI年最小值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；19%格網(wǎng)EVI 年最小值趨勢(shì)分析值為負(fù)值,表明這些格網(wǎng)的EVI年最小值呈減少趨勢(shì)。對(duì)EVI年最大值和EVI年最小值的變化趨勢(shì)分別進(jìn)行MK顯著性檢驗(yàn)。整個(gè)華北平原29%格網(wǎng)的EVI年最大值的年際變化通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.1)；49%格網(wǎng)的EVI年最小值的年際變化通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.1)。從空間分布特征發(fā)現(xiàn)：EVI年最大值顯著變化格網(wǎng)(P<0.1)集中分布在黃淮平原的南部地區(qū),冀魯豫低洼平原區(qū)北部,燕山-太行山山麓平原北部及山東丘陵農(nóng)林區(qū)的東部；EVI年最小值顯著變化格網(wǎng)(P<0.1)集中分布在黃淮平原區(qū)的中北部、西部及冀魯豫低洼平原區(qū)中南部地區(qū)。

圖3 華北平原EVI年最大值和年最小值的年際變化趨勢(shì)和MK顯著性檢驗(yàn)空間分布圖Fig.3 Spatial distributions of annual trend and their significance test for the EVI annual maximum and EVI annual minimum of North China PlainI: 燕山-太行山山麓平原區(qū)；II: 冀魯豫低洼平原區(qū)；III: 黃淮平原區(qū)；IV: 山東丘陵農(nóng)林區(qū)

對(duì)圖 3變化趨勢(shì)空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得整個(gè)華北平原及4個(gè)不同生態(tài)子區(qū)域的EVI年最大值和EVI年最小值在2002—2016年間的年際變化速率的平均值,見(jiàn)表2。研究時(shí)段內(nèi),整個(gè)華北平原及其子區(qū)域的EVI年最大值年際變化趨勢(shì)的區(qū)域格網(wǎng)平均值小于EVI年最小值年際變化趨勢(shì)的區(qū)域格網(wǎng)平均值。華北平原的EVI年最大值呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì),區(qū)域平均年際變化速率為0.001/10a,除黃淮平原區(qū)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),其他3個(gè)子區(qū)域呈減弱趨勢(shì),其中燕山-太行山山麓平原區(qū)的EVI年最大值年際減少速率最大,值為-0.008/10a,冀魯豫低洼平原區(qū)次之,速率為-0.007/10a,山東丘陵農(nóng)林區(qū)EVI年最大值以-0.003/10a的速率減少。華北平原EVI年最小值呈增長(zhǎng)趨勢(shì),速率為0.017/10a。4個(gè)子區(qū)域的EVI年最小值亦呈增長(zhǎng)趨勢(shì),其中黃淮平原區(qū)增長(zhǎng)速率最大(0.024/10a),冀魯豫低洼平原區(qū)次之(0.018/10a),山東丘陵農(nóng)林區(qū)EVI年最小值變化速率最小(0.010/10a)。2002—2016年間,黃淮平原區(qū)的EVI年最大值和年最小值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),其他3個(gè)子區(qū)域EVI年最大值呈減少趨勢(shì),而EVI年最小值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)?？傊?華北平原非生長(zhǎng)季植被狀況好轉(zhuǎn),生長(zhǎng)季的植被狀況除黃淮平原區(qū)植被好轉(zhuǎn)外,其他區(qū)域植被整體呈退化趨勢(shì)。

由圖 4華北平原的降水、水儲(chǔ)量變化量、土壤水及地下水的年際變化趨勢(shì)空間分布圖可知,2002—2016年間,燕山-太行山山麓平原區(qū)和冀魯豫低洼平原區(qū)降水呈增加趨勢(shì),山東丘陵農(nóng)林區(qū)和黃淮平原區(qū)的降水呈減少趨勢(shì)。整個(gè)研究區(qū)域的水儲(chǔ)量變化量呈減少趨勢(shì),且減少速率由東向西逐漸遞增,最小值達(dá)-2.4 mm/a。燕山-太行山山麓平原的中北部及山東丘陵農(nóng)林區(qū)中部局部地區(qū)的土壤水呈微弱增加趨勢(shì)；華北平原其他區(qū)域的土壤水呈減少趨勢(shì),且減少速率由北向南逐漸遞增,黃淮平原區(qū)達(dá)到最大減少速率,為-2 mm/a。由圖 4地下水變化率空間分布圖可知華北平原地下水呈減少趨勢(shì),中西部地區(qū)減少速率最大,為-1.6 mm/a；黃淮平原區(qū)南部3個(gè)格網(wǎng)和山東丘陵農(nóng)林區(qū)近海地區(qū)的1個(gè)格網(wǎng)的地下水呈微弱增加(高達(dá)0.25 mm/a),可忽略不計(jì)。

圖4 華北平原的降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水在2002—2016年間年際變化趨勢(shì)空間分布Fig.4 MK trend spatial distribution of precipitation, water storage, soil moisture and groundwater over North China Plain during 2002—2016

對(duì)圖 4變化趨勢(shì)空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得整個(gè)華北平原及4個(gè)不同生態(tài)子區(qū)域的降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水在2002—2016年間的年際變化速率的平均值,見(jiàn)表2。2002—2016年間,華北平原降水以-2.61 mm/a的速率減少；水儲(chǔ)量、土壤水和地下水均以不同速率呈減少趨勢(shì)。燕山-太行山山麓平原區(qū)和冀魯豫低洼平原區(qū)的降水的增多與EVI年最小值的增多呈正相關(guān)；水儲(chǔ)量、地下水、土壤水的減少趨勢(shì)與EVI年最大值的減少呈正相關(guān)。黃淮平原區(qū)的降水、水儲(chǔ)量、地下水和土壤水呈減少趨勢(shì),且土壤水減少速率是四個(gè)子區(qū)域中最大的,降水、水儲(chǔ)量、地下水、土壤水的減少趨勢(shì)與EVI年最大值和EVI年最小值的增大趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)。山東丘陵農(nóng)林區(qū)的降水減少速率較大,與該區(qū)域EVI年最大值的減少趨勢(shì)呈正相關(guān)關(guān)系,與EVI年最小值的增長(zhǎng)趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 討論

4.1 華北平原植被生長(zhǎng)狀況及與其他區(qū)域異同

表1展示了華北平原與其他地區(qū)(中國(guó)、青藏高原、黃土高原、黃河流域、珠江流域、塔里木河流域、京津冀地區(qū))的植被生長(zhǎng)狀況。基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)趙舒怡等[14]發(fā)現(xiàn)2001—2013年間華北平原植被覆蓋主要呈上升趨勢(shì)。本文基于MODIS EVI年最大值發(fā)現(xiàn)2001—2013年間華北平原植被亦呈增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖5),與已有研究結(jié)果相一致。不同區(qū)域或同一區(qū)域不同時(shí)段的植被生長(zhǎng)狀況存在異同,且不同區(qū)域氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)地表植被變化的貢獻(xiàn)量不同。青藏高原植被覆蓋主要受降水影響,黃土高原、黃河流域、塔里木河流域、華北平原植被覆蓋變化受氣候變化和人類活動(dòng)共同作用,珠江流域、京津冀城市群植被覆蓋主要受人類活動(dòng)影響。

表2華北平原及不同生態(tài)子區(qū)域的降水、水儲(chǔ)量、地下水、土壤水、EVI年最大值和EVI年最小值在2002—2016年間的年變化速率

Table2Annualchangeratesofprecipitation,waterstorage,groundwater,soilmoisture,EVIannualmaximumandEVIannualminimumoverNorthChinaPlainanditsdifferentecologiczonesfrom2002to2016

變量Variables華北平原North China plain燕山-太行山山麓平原Yanshan-taihang mountains piedmont plain冀魯豫低洼平原區(qū)Ji-lu-yu low lying plain山東丘陵農(nóng)林區(qū)Shandong hilly agroforestry region黃淮平原區(qū)Huang-huai plain降水Precipitation/ (mm/a)-2.618.737.23-10.67-9.80水儲(chǔ)量Water storage/ (mm/a)-1.19-1.41-1.29-1.23-1.07地下水Groundwater/ (mm/a)-0.75-0.96-1.01-0.85-0.53土壤水Soil moisture/ (mm/a)-0.53-0.15-0.43-0.38-0.93EVI年最大值EVI annual maximum/×10a0.001-0.008-0.007-0.0010.013EVI年最小值EVI annual minimum/×10a0.0170.0120.0180.0100.024

圖6為華北平原土地利用分布圖,主要包括耕地、草地、林地、水域、城鄉(xiāng)工礦建筑用地、未利用地6個(gè)一級(jí)類型,其中耕地面積約占總面積的72.4%,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積約為15.6%,草地、林地、水域、未利用地的分布面積分別為4.3%,3.5%,3.6%和0.6%。耕地以旱地為主,面積占耕地總面積的94.4%。黃淮平原區(qū)植被類型以農(nóng)作物為主,生長(zhǎng)季植被長(zhǎng)勢(shì)最佳,EVI值最高(圖1)；華北平原的林地和草地等自然植被占少部分,集中分布在山東丘陵農(nóng)林區(qū),該區(qū)域EVI指數(shù)低于黃淮平原區(qū)(圖1)；燕山-太行山山麓平原區(qū)北部和冀魯豫低洼平原區(qū)北部是城鄉(xiāng)、工礦、居民用地集中分布區(qū),該區(qū)域植被指數(shù)最低(圖1)。整體上,華北平原以農(nóng)作物為主,植被指數(shù)分布呈典型季節(jié)分布規(guī)律,人類活動(dòng)(例如灌溉、城市擴(kuò)張等)直接影響植被生長(zhǎng)狀況。

圖5 2001—2013年華北平原植被指數(shù)EVI年最大值年際分布圖Fig.5 Interannual distribution of EVI annual maximum over North China Plain from 2001 to 2013

圖6 華北平原土地覆蓋/土地利用分布圖Fig.6 Land cover/land use distribution of North China Plain

4.2 華北平原植被生長(zhǎng)與水文要素相關(guān)性分析

EVI年最大值和年最小值與降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水等水文要素多年時(shí)序數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。2002—2016年間,華北平原EVI年最大值與降水量、水儲(chǔ)量、土壤水和地下水的相關(guān)系數(shù)均為正值,而EVI年最小值與各水文變量的相關(guān)系數(shù)均成負(fù)值,且后者絕對(duì)值大于前者的絕對(duì)值(表3)。從相關(guān)性角度分析,降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水的增多對(duì)EVI年最大值起正面作用,促使植被好轉(zhuǎn)；而EVI年最小值的增長(zhǎng)需要消耗更多水資源量。從相關(guān)系數(shù)數(shù)值上看,水儲(chǔ)量、土壤水、地下水與EVI年最大值及EVI年最小值的相關(guān)系數(shù)明顯大于降水,說(shuō)明華北平原植被與水儲(chǔ)量、土壤水和地下水的相關(guān)性更好,即水儲(chǔ)量、地下水、土壤水能夠更敏感地反映區(qū)域植被的動(dòng)態(tài)變化。

表3EVI年最大值和年最小值與降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水年時(shí)序數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

Table3CorrelationcoefficientbetweenEVIannualmaximum,EVIannualminimumandprecipitation,waterstorage,soilmoistureandgroundwater

變量Variables降水Precipitation水儲(chǔ)量Water storage土壤水Soil moisture地下水GroundwaterEVI最大值 EVI annual maximum0.030.380.410.41EVI最小值 EVI annual minimum-0.19-0.62-0.46-0.56

基于年時(shí)序數(shù)據(jù)和多年平均值,計(jì)算得到各變量年距平值。圖7為EVI年最大值、EVI年最小值、降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水2002—2016年間的年距平值時(shí)序分布。依據(jù)降水多年時(shí)序分布特征將華北平原氣候分為四個(gè)階段(表4),2002年,降水距平值為21世紀(jì)以來(lái)的極小值,定義為枯年；2003—2008年,多年平均降水距平值為66.4 mm,為豐年；2009—2014年,多年平均降水距平值為-48.7 mm,為枯年；2015—2016年,平均降水距平值為54.7 mm,為豐年。4個(gè)階段植被生長(zhǎng)狀況和水文要素的分布情況是：受2002年降水量極少影響,該年EVI年最大值、EVI年最小值、水儲(chǔ)量、土壤水和地下水等要素低于多年平均值；2003—2008年豐水年,EVI年最大值、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水等要素較2002年明顯增多,且較多年平均狀態(tài)高或者基本持平,EVI年最小值較多年平均狀態(tài)略微偏低；2009—2014年枯水年,EVI年最大值和EVI年最小值高于多年平均值,EVI年最大值較相鄰豐水年階段偏低,同時(shí)區(qū)域水儲(chǔ)量、土壤水和地下水較多年平均量偏低；2015—2016年豐水年,EVI年最小值多于多年平均值,而EVI年最大值、水儲(chǔ)量、土壤水和地下水等低于多年平均值,且分別低于上一時(shí)段的植被和水文要素狀態(tài)。

研究表明降水影響華北平原生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季的植被狀況,而植被生長(zhǎng)狀況還受人類活動(dòng)(如地下水灌溉、城市擴(kuò)張等)影響,并未與降水保持完全同步。這主要是因?yàn)槿A北平原的降水已不能滿足其植被生長(zhǎng)需求,為滿足植被生長(zhǎng)需求,需消耗水儲(chǔ)量、土壤水和地下水。目前,華北平原的農(nóng)業(yè)用水以抽取地下水灌溉為主。特別是冬小麥的大范圍種植,在解決糧食安全問(wèn)題的同時(shí),也帶來(lái)了地下水超采等問(wèn)題?！盀榫S持農(nóng)作物生長(zhǎng)消耗地下水”這一現(xiàn)象與本文結(jié)果“EVI年最小值與水儲(chǔ)量、土壤水、地下水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系”相一致。

圖7 EVI年最大值、EVI年最小值、降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水的年距平時(shí)序分布Fig.7 Annual anomalies of annual maximum EVI, annual minimum EVI, precipitation, water storage, soil moisture and groundwater

變量Variables20022003—20082009—20142015—2016降水Precipitation/mm-215.666.4-48.754.7EVI年最大值EVI annual maximum-0.0270.0040.002-0.006EVI年最小值EVI annual minimum-0.006-0.0050.0010.014水儲(chǔ)量Water storage/mm-4.70.5-5.1-13.3土壤水Soil moisture/mm-13.14.8-0.5-6.3地下水Groundwater/mm-3.2-0.8-4.9-12.3

5 結(jié)論

本文采用線性回歸、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、相關(guān)系數(shù)等方法,利用2002—2016年MODIS EVI植被指數(shù)及降水、水儲(chǔ)量、地下水和土壤水等數(shù)據(jù),分析華北平原植被生長(zhǎng)狀況和水文要素時(shí)空變化特征,探討植被生長(zhǎng)狀況與水文變化量之間的相關(guān)關(guān)系,得到以下結(jié)論：

(1)2002—2016年間,華北平原的EVI年最大值呈微弱增加趨勢(shì),速率為0.001/10a；EVI年最小值呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),速率為0.017/10a；區(qū)域降水、水儲(chǔ)量、土壤水、地下水等水文要素值均呈減少趨勢(shì)。

(2)黃淮平原區(qū)EVI年最大值、EVI年最小值呈增長(zhǎng)趨勢(shì),降水呈減少趨勢(shì)；燕山-太行山山麓平原區(qū)、冀魯豫低洼平原區(qū)的EVI年最大值呈減少趨勢(shì),EVI年最小值呈增長(zhǎng)趨勢(shì),降水呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；山東丘陵農(nóng)林區(qū)EVI年最大值呈減少趨勢(shì),EVI年最小值呈增長(zhǎng)趨勢(shì),降水呈減少趨勢(shì)。4個(gè)子區(qū)域的水儲(chǔ)量、土壤水、地下水均以不同速率呈減少趨勢(shì)。

(3)華北平原植被生長(zhǎng)狀況受水文要素、人類活動(dòng)(灌溉、土地利用)雙重影響。降水影響華北平原生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季的植被狀況,而植被生長(zhǎng)狀況由于還受人類活動(dòng)影響,并未與降水保持完全同步。生長(zhǎng)季植被生長(zhǎng)狀況與水儲(chǔ)量、土壤水、地下水呈正相關(guān)關(guān)系,非生長(zhǎng)季的植被生長(zhǎng)狀況與水儲(chǔ)量、土壤水、地下水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

華北平原水文要素變化十分重要,它關(guān)系到區(qū)域內(nèi)人類生存及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。從近十來(lái)年華北平原植被生長(zhǎng)狀況時(shí)空特征變化可以看出,華北平原植被生長(zhǎng)依賴降水和地下水,地下水在供給該地區(qū)植被生長(zhǎng)中發(fā)揮了極為重要的作用,但也存在較多問(wèn)題。本區(qū)降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足植被生長(zhǎng)需求,很多地區(qū)依靠地下水維持植被生長(zhǎng),而地下水消耗量大且更新慢,對(duì)未來(lái)植被生長(zhǎng)需求有一定的脅迫。在全球變暖的大背景下,如果人類活動(dòng)繼續(xù)加強(qiáng),將會(huì)使華北平原水資源日趨減少,對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境、人類生存以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生災(zāi)難性影響。因此,在氣候變化和人類活動(dòng)影響的大背景下,研究植被對(duì)水文變化的響應(yīng)機(jī)理,探討不同生態(tài)環(huán)境的植被生長(zhǎng)特征,可以為制定合理地下水開(kāi)采制度提供理論依據(jù),消除影響植被生長(zhǎng)的不利因素,對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極影響。下一步工作將定量計(jì)算出區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)華北平原水資源的消耗及植被生長(zhǎng)狀況的貢獻(xiàn)量,為制定合理有效的水資源管理制度、生態(tài)保護(hù)政策等提供理論依據(jù)。