內(nèi)蒙古四子王旗干旱變化特征及與植被覆蓋關(guān)系研究

韓美娟 金額爾德木吐 郭恩亮 蘇志剛

摘 要：本文基于1961年-2018年四子王旗地面降水和氣溫日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0），計(jì)算該區(qū)域23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)（SPEI），并且運(yùn)用森式斜率法分析了研究區(qū)干旱空間分布情況，運(yùn)用2000年-2018年Modis NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分法模型計(jì)算了植被覆蓋度，分析研究區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋度的變化情況.最后利用相關(guān)性分析方法進(jìn)一步研究干旱和植被覆蓋之間的關(guān)系.研究表明：（1）四子王旗地區(qū)1961年-2018年整體上SPEI為下降趨勢(shì)，但2000年-2018年在SPEI年際變化上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，干旱情況有所改善.（2）2000年-2018年生長(zhǎng)季植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì).（3）2000年-2018年來(lái)SPEI與DNVI呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，63.9%區(qū)域SPEI與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系.本文的研究結(jié)果表明干旱對(duì)植被覆蓋情況有較大影響.

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)（SPEI）;歸一化植被指數(shù)（NDVI）;像元二分法;相關(guān)性;四子王旗

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）10-0118-05

1 前言

近年來(lái)干旱已經(jīng)成為我們國(guó)家甚至整個(gè)地球都面對(duì)的自然災(zāi)害問(wèn)題，它所涉及的范圍廣，時(shí)間也相對(duì)比較長(zhǎng)，頻率也是越來(lái)越高，導(dǎo)致負(fù)面影響越來(lái)越大.在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)、氣候等方面都造成了一定的影響.而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響更為顯著，植被的減少是一部分是因?yàn)楦珊祵?dǎo)致植被減少可以在一定程度上造成土地退化，生物的多樣性減少，水土流失等，進(jìn)一步影響生態(tài)環(huán)境惡化[1].因此，對(duì)于研究一個(gè)地區(qū)的干旱變化特征與植被覆蓋關(guān)系具有很重要的意義.

近年一部分學(xué)者在某些區(qū)域或者全球范圍內(nèi)，在干旱變化特征及植被覆蓋方面做出了很多研究，如國(guó)外學(xué)者利用SPEI分析了1982年—2006年地中海和1961年—2012年捷克地區(qū)的干旱變化時(shí)空特征[3-4].胡子瑛、周俊菊等學(xué)者關(guān)于中國(guó)北方氣候干濕變化及干旱演變特征方面得出1960s是最為濕潤(rùn)年代，2000s是最為干旱年代.不同的干濕區(qū)干濕變化趨勢(shì)也是差異顯著，不同干濕區(qū)在不同季節(jié)干濕變化也是差別較大等結(jié)論[5].李虹雨學(xué)者在關(guān)于內(nèi)蒙古地區(qū)氣候因子變化及干旱特征研究中得出內(nèi)蒙古地區(qū)除西部年際、春、秋、冬四季，東部春、冬兩季、中部春、秋兩季氣候趨濕潤(rùn)外，其他時(shí)間均趨于干旱情況[6].徐建文、局輝等發(fā)現(xiàn)黃淮海平原在春夏兩個(gè)季節(jié)中隨著溫度的升高有趨向于干旱化的現(xiàn)象，同時(shí)該地區(qū)蒸散以及降水由于在空間上的不平衡性，導(dǎo)致了該地區(qū)的干旱特征出現(xiàn)了明顯的南北差異.嚴(yán)曉瑜學(xué)者研究若爾蓋濕地植被年際的生長(zhǎng)狀況與降水、氣溫等氣候因子有明顯的相關(guān)性，其中影響植被最重要的因素就是氣溫，同時(shí)植被生長(zhǎng)季的NDVI與氣候因子又存在一定的空間差異等[8].包剛、包玉海等建立了植被覆蓋度與高光譜反射率數(shù)據(jù)的三種轉(zhuǎn)換方式的關(guān)系模型，對(duì)不同轉(zhuǎn)換方式在植被覆蓋度估算中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)做了對(duì)比分析，得出植被冠層反射率數(shù)據(jù)與植被覆蓋度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系[9].

地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季多風(fēng)干旱，夏季炎熱短暫，秋季相對(duì)涼爽，年蒸發(fā)量是降水量近8.1倍，是導(dǎo)致作物，牧草受旱的重要原因之一.地勢(shì)高寒，晝夜溫差較大，風(fēng)沙不斷，寒暑變化比較劇烈.因此本文通過(guò)利用NDVI數(shù)據(jù)與SPEI指標(biāo)，來(lái)研究我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗干旱變化特征與植被覆蓋的關(guān)系.

2 研究區(qū)概況

四子王旗隸屬我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，地理位置在大青山北麓，烏蘭察布市西北部，北接蒙古國(guó)，東部與烏蘭察布市察右中旗、察右后旗及錫林郭勒盟蘇尼特右旗毗鄰，南與烏蘭察布市卓資縣、西連包頭市達(dá)爾汗茂名安聯(lián)合旗，地理坐標(biāo)為北緯41°13′～43°24′，東經(jīng)110°23′～113°03，總面積241.33萬(wàn)hm2[10]，國(guó)境104.12公里（圖1）.

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的SPEI數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），運(yùn)用了1961年—2018年四子王旗研究區(qū)及周邊共23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0）和地面氣溫日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0）.NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天航空局NASA的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13A1，空間分辨率為500m×500m，時(shí)間分辨率為16日.選取2000年—2018年研究區(qū)植被覆蓋度遙感圖像，共228幅.運(yùn)用ENVI5.0對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪處理后，通過(guò)IDL編程進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算并進(jìn)行最大合成等處理，最后研究分析四子王旗地區(qū)干旱變化特征及與植被覆蓋關(guān)系.

3.2 研究方法

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI

四子王旗地區(qū)23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)1961年—2018年地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0）和地面氣溫日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0）來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng).標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI是指標(biāo)準(zhǔn)化潛在蒸散與降水的差值，它用來(lái)衡量一個(gè)地區(qū)的干濕度與該地區(qū)平均狀態(tài)的偏離程度[2].其中SPEI干旱等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[11]如下表1：，

并且，為了更好地了解SPEI的性能，采用了滑動(dòng)累計(jì)方法統(tǒng)計(jì)了包括1、3、6和12月尺度的SPEI的年變化趨勢(shì)，以及春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的SPEI變化趨勢(shì)，利用以上表格劃分標(biāo)準(zhǔn)作2000年—2018年年際SPEI干旱等級(jí)空間分布圖.

3.2.2 像元二分模型

像元二分模型近來(lái)常用于表征植被覆蓋度，它又是混合像元分解模型中較為簡(jiǎn)單的模型，模型中輸入的參數(shù)相對(duì)容易獲取并且計(jì)算出的結(jié)果可靠，所以也是它被廣泛運(yùn)用的有利因素.植被覆蓋度其實(shí)是指一些草、灌、喬和農(nóng)作物等植被的枝葉、冠層在一定區(qū)域的垂直投影面積占該區(qū)域總面積的百分比.假設(shè)像元由全裸土和全植被組成，其中S1為純植被所覆蓋的像元，S2為純裸土所覆蓋的像元，S為研究區(qū)域的整體覆蓋的像元[12].則植被覆蓋度F1的計(jì)算公式如下：

F1=（S-S2）/（S1-S2）? ?（6）

由于植被覆蓋度與NDVI有顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此可以將植被覆蓋度與像元二分模型相結(jié)合估算出植被覆蓋度，式子如下：

F1=（NDVI-NDVImin）/（NDVImax-NDVImin） （7）

其中：區(qū)域內(nèi)NDVI的最大值為NDVImax，NDVImin為區(qū)域內(nèi)NDVI的最小值.由于存在不可避免的噪聲影響，根據(jù)圖像的實(shí)際情況來(lái)決定NDVImax和NDVImin取置信度范圍以?xún)?nèi)的最大值和最小值[13].提取研究區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中NDVI值得積累率NDVImax為95%，NDVImin為5%.

3.2.3 Mann-Kendall突變分析法

本文利用M-K（Mann-Kendall）突變分析法來(lái)分析研究四子王旗地區(qū)干濕變化的突變點(diǎn).M-K趨勢(shì)分析法相對(duì)于線性回歸方法來(lái)說(shuō)，它非參數(shù)檢驗(yàn)，不需要方差正態(tài)性假設(shè)，可以檢驗(yàn)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，同時(shí)還允許缺值等特點(diǎn)[11].UF、UB是M-K統(tǒng)計(jì)量，它們的取值范圍是負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮的，并且當(dāng)UF〈0時(shí)，說(shuō)明這時(shí)的時(shí)間序列為下降趨勢(shì)，反之為上升趨勢(shì)，當(dāng)UF超于臨界值，就說(shuō)明趨勢(shì)比較明顯.當(dāng)UF、UB它們交于臨界值范圍之內(nèi)時(shí)，該交點(diǎn)被稱(chēng)為突變點(diǎn)，此時(shí)為突變時(shí)間開(kāi)始點(diǎn)[2].

3.2.4 森式斜率估計(jì)法

Sen式斜率估計(jì)法表示在一個(gè)線性趨勢(shì)單位時(shí)間內(nèi)趨勢(shì)減少或者增加的量[14].本文采用Sen式斜率計(jì)算變化趨勢(shì)，避免了數(shù)據(jù)分布形態(tài)對(duì)分析結(jié)果以及時(shí)間序列缺失的影響，同時(shí)也剔除了一些異常值對(duì)時(shí)間序列的影響.計(jì)算公式如下：

式中，表示為Sen式斜率，Xa和Xb分別為a和b時(shí)間序列值[15].

3.2.5 相關(guān)系數(shù)法

通常研究分析兩個(gè)變量之間的相互關(guān)系通過(guò)相關(guān)分析法，這種方法早被廣泛利用.通過(guò)計(jì)算四子王旗2000年—2018年年際SPEI值與NDVI之間的相關(guān)系數(shù)R，來(lái)直觀有效的說(shuō)明兩者之間的密切聯(lián)系[16]，其公式如下：

式中，n表示年份數(shù)19（2000-2018），xi和yi表示相關(guān)分析的兩個(gè)變量;xl和yl分別表示變量樣本值的平均值[16].

4 結(jié)果與分析

4.1 內(nèi)蒙古四子王旗干旱變化特征

由圖2a我們可以看到，近58年來(lái)四子王旗地區(qū)年SPEI指數(shù)以0.105×10a-1的速度減少，整體呈現(xiàn)出干旱的趨勢(shì).1961年—2000年近40年內(nèi)只在1965年、1966年、1997年出現(xiàn)了中度干旱現(xiàn)象，其他大多年份都屬于正常范圍內(nèi)的，但是在2000年-2014年份內(nèi)，除了2003年，其他年份都處于干旱狀態(tài)，在2005年達(dá)到了極端干旱，2001年、2007年、2009年干旱也是比較嚴(yán)重，達(dá)到了重度干旱.到2015年—2018年有很大的改觀恢復(fù)了正常，但由趨勢(shì)圖可看出變化波動(dòng)比較大.圖三（b）M-K趨勢(shì)分析圖檢驗(yàn)結(jié)果，紅色實(shí)線為UF值，藍(lán)色虛線為UB值，上下兩虛線為臨界線.分析顯示，四子王旗地區(qū)年均SPEI指數(shù)波動(dòng)較為頻繁，由UF曲線可見(jiàn)，從20世紀(jì)70年代中期以后整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，以2006年—2015年下降趨勢(shì)最為明顯（超過(guò)臨界線），在0.05顯著水平下，1964年為突變時(shí)間的開(kāi)始.

為了更好地說(shuō)明四子王旗地區(qū)干旱的變化特征，繪制了圖2中1月、3月、6月，12月不同尺度的隨時(shí)間變化的SPEI值圖.通過(guò)對(duì)四幅圖的比較，四個(gè)時(shí)間尺度的SPEI均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).但是在不同時(shí)間段SPEI值也是有所不同的，在1961年—2000年，不同尺度下的SPEI大多時(shí)間都處于正常范圍，但是在2000年—2018年期間，四個(gè)時(shí)間尺度SPEI波動(dòng)較大，出現(xiàn)不同程度的干旱現(xiàn)象.

圖3四幅圖以1961年—2018年四子王旗地區(qū)3月尺度的SPEI指數(shù)來(lái)表示干旱的季節(jié)特征，可以清晰地看到，研究區(qū)在春、夏、秋三個(gè)季節(jié)的SPEI指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明干旱程度有所增加，而冬季的SPEI指數(shù)是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，也就是說(shuō)近年來(lái)冬季呈現(xiàn)濕潤(rùn)化趨勢(shì).在春季和秋季SPEI變化的趨勢(shì)不是很明顯，冬夏兩季節(jié)的變化相對(duì)明顯些，秋季到冬季明顯的表現(xiàn)由干旱轉(zhuǎn)濕潤(rùn)，而整體上看夏季加劇了干旱的程度.

通過(guò)四子王旗2000年—2018年SPEI年際變化統(tǒng)計(jì)圖，可以得出在2000年—2018年SPEI年際變化線性趨勢(shì)整體上呈現(xiàn)為上升，說(shuō)明一些區(qū)域的干旱情況有了一定程度的改善.通過(guò)顯著性95%的四子王旗干旱sen斜率變化趨勢(shì)分析圖，彩色區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)顯著性95%的區(qū)域，在這部分區(qū)域內(nèi)，偏綠色部分為干旱減少變化顯著的區(qū)域，偏紅色部分為干旱減少變化不顯著的區(qū)域，這兩幅圖反映的情況具有一致性，整體上干濕度有所改善恢復(fù).

4.2 內(nèi)蒙古四子王旗植被覆蓋變化特征

利用了四子王旗及周邊23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)提供的2000年-2018年每個(gè)月份的植被覆蓋遙感圖像共228幅，利用Arcgis的像元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將每年植物生長(zhǎng)季月份（文中所取4-10月份）的植被覆蓋度作最大合成，根據(jù)19年的遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的19幅植被覆蓋度分類(lèi)結(jié)果圖，本文選取其中六個(gè)年份的圖，進(jìn)行象征性分析19年的變化趨勢(shì).從圖6反應(yīng)的情況看，在2000年—2018年植被覆蓋情況整體上是恢復(fù)的狀態(tài)，植被覆蓋度處于上升趨勢(shì).從不同年份的變化趨勢(shì)上看，從2000年到2001年，植被覆蓋度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，低植被覆蓋度區(qū)域大面積增加，2002年到2004年植被覆蓋情況有所增加，2003年的變化情況最為明顯.在2005年植被覆蓋度整體上又出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，在2006年到2013年每年的植被覆蓋情況都發(fā)生不同程度的上升現(xiàn)象，直到2014年植被覆蓋再次出現(xiàn)明顯的下降，低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度的區(qū)域大面積增加.基于2014年的植被覆蓋情況，從2015年起直到2018年植被覆蓋上升速度相對(duì)較大，較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度區(qū)域大面積增加.

4.3 內(nèi)蒙古四子王旗干旱及植被覆蓋關(guān)系研究

利用四子王旗及周邊23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)提供的2000年—2018年的年均SPEI和NDVI數(shù)據(jù)，計(jì)算并做出了如圖7的植被覆蓋度與干旱的相關(guān)性分布圖，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)63.9%區(qū)域SPEI與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，表明整體變化上看大部分干旱程度減弱的情況下，植被覆蓋度也有一定程度的增加.同時(shí)在其他外界等各種原因的影響下，也有27.6%的區(qū)域SPEI與NDVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明研究區(qū)19年以來(lái)SPEI與NDVI存在較好的正相關(guān).再利用以上通過(guò)顯著性95%的四子王旗干旱與植被覆蓋度森式斜率變化趨勢(shì)分析結(jié)果，做出如圖7所示的植被覆蓋度與干旱的顯著性圖，同以上分析相似.圖片彩色區(qū)域?yàn)橹脖桓采w度與干旱通過(guò)顯著性95%的區(qū)域，偏綠色部分為植被覆蓋度與干旱變化顯著的區(qū)域，偏紅色為變化相對(duì)不顯著的區(qū)域，整體上看研究區(qū)大面積上出現(xiàn)不同趨勢(shì)程度的變化狀態(tài).

5 結(jié)論與展望

利用四子王旗23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)提供的氣象數(shù)據(jù)，分析四子王旗干旱變化特征及與植被覆蓋關(guān)系影響的研究結(jié)果如下：

（1）四子王旗地區(qū)1961年—2018年整體上SPEI為上升趨勢(shì)，在不同尺度上也是為下降趨勢(shì)，在SPEI季節(jié)變化上，春、夏、秋季呈下降趨勢(shì)，冬季為上升趨勢(shì).但2000年—2018年在SPEI年際變化上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，干旱情況有所改善.

（2）2000年—2018年生長(zhǎng)季植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì).相對(duì)于2000年，到2018年低及較低植被覆蓋度的區(qū)域較少2.5%，較高及高植被覆蓋度區(qū)域增加了2.2%.

（3）2000年—2018年來(lái)SPEI與DNVI呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，63.9%區(qū)域SPEI與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明研究區(qū)63.9%的區(qū)域干旱程度在減弱的情況下，植被在生長(zhǎng)季的覆蓋度也有一定的提高.

干旱變化特征與植被覆蓋之間的關(guān)系還存在其他元素的影響，同時(shí)干旱變化特征與植被覆蓋的研究是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間系列研究.本文對(duì)四子王旗干旱變化特征與植被覆蓋關(guān)系研究的時(shí)間序列較短，只用23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)還不夠全面，在今后的研究當(dāng)中需要進(jìn)一步考慮到數(shù)據(jù)的精確性.文中對(duì)植被覆蓋度的分類(lèi)還不夠細(xì)，使用的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)以降水量為基礎(chǔ)，所以分析出的干旱變化特征未考慮到氣溫、土壤、以及連續(xù)無(wú)降水日等方面對(duì)干旱變化的影響.對(duì)于以上存在問(wèn)題，在今后的研究中需進(jìn)一步完善，提高準(zhǔn)確性.

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