黃河流域甘肅段植被覆蓋度時(shí)空變化及對(duì)氣候因子的響應(yīng)

陸 蔭, 張 強(qiáng), 李曉紅, 楊淑霞, 楊 青

(甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 甘肅 蘭州 730020)

植被信息是研究全球變化和生態(tài)環(huán)境的重要參考數(shù)據(jù)，對(duì)植被生長(zhǎng)展開(kāi)時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能夠反映出其所處的生態(tài)環(huán)境狀況及變化[1-3]。植被覆蓋度指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影占區(qū)域總面積的百分比，是監(jiān)測(cè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)，能夠間接反映區(qū)域的氣候變化[2-4]。目前利用遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植被覆蓋的技術(shù)已越發(fā)成熟，估算方法也趨于完善，直接利用遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品并借助模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域植被覆蓋的有效估算[5-7]。

植被覆蓋的演變是自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素綜合作用的產(chǎn)物，在有關(guān)地表植被覆蓋與氣候因子的相關(guān)性研究方面，主要集中在NDVI或植被覆蓋度變化對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)[8-19]。Xu等[10]研究中國(guó)干旱區(qū)新疆植被變化對(duì)氣候的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)降水和氣溫對(duì)植被的影響存在地區(qū)差異及植被類型差異，且具有延遲效應(yīng)。Park和Sohn[11]對(duì)東亞地區(qū)植被變化的研究表明在50°N以南的干旱、半干旱地區(qū)植被變化的原因在于局部降水的突變。Liu等[12]對(duì)全球植被覆蓋變化的研究認(rèn)為1982—2004年植被改善與氣候變暖密切相關(guān)，隨后二者關(guān)系逐漸減弱，降水與植被變化呈正相關(guān)，2005年后相關(guān)性更明顯，特別在干旱地區(qū)。李登科等[13]分析了退耕還林后陜西省植被覆蓋度變化及其對(duì)氣候的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)退耕還林等生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施一定程度上降低了植被生長(zhǎng)對(duì)氣候因子的敏感性。韓飛飛等人[14]研究發(fā)現(xiàn)阿勒泰地區(qū)全區(qū)66.71%的區(qū)域植被覆蓋度變化與氣溫呈負(fù)相關(guān)。趙玉[15]發(fā)現(xiàn)在月尺度上渭南市植被覆蓋變化與降雨量和氣溫相關(guān)系數(shù)較高且對(duì)降水量的響應(yīng)更敏感。張斯琦等人[16]分析柴達(dá)木盆地2000—2015年植被覆蓋度變化與環(huán)境因子的關(guān)系發(fā)現(xiàn)降水貢獻(xiàn)最大且氣溫主要通過(guò)影響蒸散發(fā)等間接影響植被覆蓋度。陳金牛、宋鵬飛等[17-18]研究發(fā)現(xiàn)氣溫增加對(duì)植被覆蓋變化影響較降水更加明顯。金凱等[19]研究中國(guó)1982—2015年植被覆蓋變化與氣候的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在不同地區(qū)植被覆蓋對(duì)氣溫和降水變化的響應(yīng)有很大差異且干旱和半干旱地區(qū)的植被覆蓋對(duì)降水變化較敏感。以上研究表明，受地形、區(qū)位等影響，不同區(qū)域的植被覆蓋度對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異明顯。

黃河流域上游甘肅隴中、隴東黃土高原植被覆蓋較低[20-21]，隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)自然環(huán)境惡劣，水土流失嚴(yán)重，是典型的黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)，也是我國(guó)生態(tài)恢復(fù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)區(qū)域[22-23]。本文通過(guò)研究黃河流域甘肅段不同時(shí)間尺度植被覆蓋變化及對(duì)氣候因子的響應(yīng)，旨在宏觀把握該區(qū)域2000—2018年植被覆蓋的時(shí)空演變，更加明確氣候變化背景下該區(qū)域植被覆蓋對(duì)氣溫和降水的時(shí)空響應(yīng)規(guī)律，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和規(guī)劃提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域甘肅段位于黃河流域上游，是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。在行政區(qū)劃上，黃河流域甘肅段跨越甘肅省9個(gè)市州，分別為蘭州市、天水市、白銀市、定西市、慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪?、臨夏州、甘南州、武威市，總面積為1.46×105km2，約占全省總面積的32%[24]。黃河流域甘肅段平均海拔約2 200 m，地勢(shì)西高東低，自西南向東北依次為甘南高原區(qū)、隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)、隴東黃土高原區(qū)，其中甘南高原區(qū)是黃河上游重要的水源補(bǔ)給區(qū)，隴中與隴東黃土高原區(qū)為黃河重要的泥沙來(lái)源地。受地形特征影響，該段氣候較為敏感，自西向東為甘南高寒濕潤(rùn)區(qū)、隴中北部冷溫帶半干旱區(qū)、隴中南部冷溫帶半濕潤(rùn)區(qū)[25]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)MODIS/NDVI來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(https:∥earthdata.nasa.gov/)，本研究選用的是2000—2018年MOD13Q1產(chǎn)品，其時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。具體選取原則：選擇每年5—9月為研究時(shí)相，因該時(shí)間段為植被的主要生長(zhǎng)季，植被生長(zhǎng)茂盛、云量較少且持續(xù)性強(qiáng)，能較好的反映區(qū)域植被覆蓋度的變化情況。預(yù)處理方面基于MRT工具對(duì)該區(qū)域原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重投影等操作，之后對(duì)每年生長(zhǎng)季的時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成，得到每年最大NDVI數(shù)據(jù)以此來(lái)計(jì)算植被覆蓋度。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，選擇研究區(qū)及周邊50個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2018年的逐日氣溫與逐日降水量數(shù)據(jù)集?；贏NUSPLIN軟件對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行月尺度插值，得到研究區(qū)月平均溫度與月降水量的柵格數(shù)據(jù)。

為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確度，所有數(shù)據(jù)經(jīng)處理統(tǒng)一時(shí)間序列為2000—2018年，空間分辨率為250 m，投影類型為WGS-1 984-Albers坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度估測(cè) 像元二分模型操作簡(jiǎn)便，且精度高，是一種被廣泛應(yīng)用的植被覆蓋度估算方法。其原理[26]是以一個(gè)像元內(nèi)的全部遙感影像信息為數(shù)據(jù)源，將像元表達(dá)為由綠色植被成分貢獻(xiàn)的信息Sv以及由土壤成分所貢獻(xiàn)的信息Ss兩部分組成，設(shè)像元的植被覆蓋度為fv，則該混合像元的植被成分貢獻(xiàn)的信息Sv可以表達(dá)為：

Sv=fv·Sveg

而該混合像元的土壤成分貢獻(xiàn)的信息Ss可以表示為：

Ss=(1-fv)·Ssoil

將NDVI與該模型結(jié)合，基于ENVI軟件截取研究區(qū)范圍內(nèi)植被NDVI對(duì)應(yīng)5%與95%的閾值，分別作為NDVIsoil，NDVIveg，最終得到基于NDVI的植被覆蓋度模型：

fv=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中：NDVIsoil為純土壤像元的植被指數(shù)值，理論上接近于0，但由于大氣效應(yīng)、光照、土壤水分等因素的影響，其值一般在-0.1～0.2之間變化；NDVIveg為純植被像元的植被指數(shù)值，理論上接近于1，但也會(huì)隨著時(shí)空及植被類型等的變化而變化。

1.3.2 趨勢(shì)分析法 一元線性回歸分析法通過(guò)模擬每個(gè)像元的變化趨勢(shì)來(lái)反映其在區(qū)域內(nèi)的空間變化特征[27]?；?000—2018年黃河流域甘肅段每年生長(zhǎng)季的平均植被覆蓋度，在像元尺度上計(jì)算植被覆蓋度的變化斜率S：

式中：S為回歸斜率；n為監(jiān)測(cè)年數(shù)；i為年份；fi為第i年對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度。其中，回歸斜率為正，即植被覆蓋度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，反之植被覆蓋度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。結(jié)合F檢驗(yàn)法，取顯著性水平0.05與0.01對(duì)該回歸方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.3.3 相關(guān)分析法 借鑒穆少杰等[28]對(duì)植被NPP與氣候因子之間的相關(guān)分析，本文基于像元尺度，分析植被覆蓋度與平均氣溫和降水量的相關(guān)性，采用Pearson相關(guān)系數(shù)表示兩因子之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)R的計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域甘肅段植被覆蓋度的空間分布

基于MODIS NDVI基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用像元二分模型計(jì)算了研究區(qū)生長(zhǎng)季的植被覆蓋度，并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)[29]：極低覆蓋度(fc<10%)、低覆蓋度(10%75%)。圖1為2000—2018年黃河流域甘肅段植被覆蓋度的空間變化圖。由圖1可知，黃河流域甘肅段近19 a的平均植被覆蓋度空間分布差異明顯。其中甘南高原區(qū)、定西南部區(qū)域、天水市南部邊緣、平?jīng)鍪形髂喜考皯c陽(yáng)市東部等區(qū)域的植被覆蓋度最高，占總面積的31.74%；植被中高覆蓋度主要分布于臨夏州與天水市中部、平?jīng)鍪袞|西部、慶陽(yáng)市南部部分區(qū)域，占總面積的16.43%；黃河流域甘肅段中部區(qū)域及慶陽(yáng)市西部與北部少數(shù)區(qū)域的植被覆蓋類型為中覆蓋度，占總面積的21.50%；植被低覆蓋主要集中于黃河流域甘肅段的北部(即蘭州市、白銀市東南部及慶陽(yáng)市西北部)，占總面積的21.14%；而白銀市北部區(qū)域植被覆蓋度最低，占總面積的9.2%。

圖1 研究區(qū)2000-2018年植被覆蓋度空間分布

圖2為2000—2018年黃河流域甘肅段植被覆蓋度變化及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果空間分布。2000—2018年黃河流域甘肅段的植被覆蓋度呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)，平均改善面積為36.64%。其中蘭州市北部、臨夏州中部、定西市北部與中部、慶陽(yáng)市多數(shù)區(qū)域、天水市南部、平?jīng)鍪袞|西部區(qū)域等的植被覆蓋度改善顯著(p<0.05，p<0.01)，所占面積比分別為12.54%，24.1%。植被覆蓋度顯著減少與極顯著減少的區(qū)域所占面積比分別為1.96%和2.24%，主要位于甘南州地區(qū)。

圖2 研究區(qū)2000-2018年植被覆蓋度空間變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

2.2 黃河流域甘肅段植被覆蓋度年際變化

圖3為2000—2018年黃河流域甘肅段及各市州平均植被覆蓋度的年際變化特征。從圖3可以得到，研究區(qū)近19 a的植被覆蓋度維持在47.47%～61.05%之間，整體呈增加趨勢(shì)，年增速為0.53%。年均植被覆蓋度在2000年最低(47.47%)，2013年最高(61.05%)，多年平均值為54.26%，可見(jiàn)該區(qū)域植被覆蓋的總體水平較高，且增長(zhǎng)速度較快。植被覆蓋度高于研究區(qū)多年均值的市州為甘南州、天水市、平?jīng)鍪?、臨夏州及定西市，其多年均值分別為88.08%，64.46%，64.21%，56.27%和55.21%，以甘南州的覆蓋狀況最好；而武威市、慶陽(yáng)市、蘭州市、白銀市的平均植被覆蓋度低于研究區(qū)多年均值，其多年均值分別為52.97%，50.61%，26.85%和15.12%，以白銀市的植被覆蓋狀況最差。

從具體變化趨勢(shì)來(lái)看，研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢(shì)可分為以下兩個(gè)階段：2000—2013年為植被覆蓋度持續(xù)增加階段，即由2000年47.47%增加至2013年61.05%，這與該段時(shí)間甘肅省大力實(shí)施退耕還林、“三北”防護(hù)林、“三化”草原治理等生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程密切相關(guān)[30]；2013—2018年為植被覆蓋度波動(dòng)減少階段，其中由于持續(xù)性高溫及異常大氣環(huán)流等因素的影響[31]，植被覆蓋度在2016年達(dá)到低值52.56%，而2018年回升至60.18%。從各市州的變化來(lái)看，除甘南州與武威市的植被覆蓋度波動(dòng)減少以外，其余市州的植被覆蓋度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中以平?jīng)鍪械脑黾铀俣茸羁?，?.96/a，其次為慶陽(yáng)市與天水市，分別為0.76/a，0.75/a，而蘭州市的增加速度最慢，僅為0.32/a。

圖3 研究區(qū)及不同市州2000-2018年植被覆蓋度年際變化

2.3 黃河流域甘肅段植被覆蓋度與氣候因子的關(guān)系

通過(guò)區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到黃河流域甘肅段植被覆蓋度與降水、氣溫在生長(zhǎng)季及春、夏、秋3個(gè)季節(jié)尺度上的相關(guān)性。表1為近19 a黃河流域甘肅段平均植被覆蓋度與降水量的相關(guān)性分析結(jié)果。由表1可知，研究區(qū)平均植被覆蓋度與降水量在不同時(shí)間尺度上整體呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，其中植被覆蓋度與生長(zhǎng)季降水量的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.702，達(dá)極顯著水平(p<0.01)；其次與夏季降水量的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.684，達(dá)極顯著水平(p<0.01)。植被覆蓋度與春季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.570，達(dá)顯著水平(p<0.05)；而與秋季降水量的相關(guān)性差，差異不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為0.049。

表2為近19 a黃河流域甘肅段平均植被覆蓋度與氣溫的相關(guān)性分析結(jié)果。不同階段植被覆蓋度與氣溫整體呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。其中植被覆蓋度與春季及秋季氣溫的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.452，植被覆蓋度與生長(zhǎng)季均溫、夏季均溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.381，0.374。

表1 植被覆蓋度與降水量的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示相關(guān)性顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)。下同。

進(jìn)一步從像元尺度上分析黃河流域甘肅段植被覆蓋度與生長(zhǎng)季降水量、生長(zhǎng)季均溫的空間相關(guān)性。從圖4可以看出，2000—2018年黃河流域甘肅段植被覆蓋度與生長(zhǎng)季降水量的相關(guān)系數(shù)介于-0.805～0.888之間，整體上呈現(xiàn)正相關(guān)。顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度與降水相關(guān)性極顯著(p<0.01)和顯著(p<0.05)的像元比例分別達(dá)到3.4%和11.6%。呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在蘭州市西南部、臨夏州東部、甘南州西北角、白銀市南部以及定西市中部、慶陽(yáng)市西部較大范圍，這些區(qū)域植被覆蓋度與降水的相關(guān)系數(shù)普遍在0.5～0.8之間，部分達(dá)到0.8以上。而結(jié)合該區(qū)域2000—2018年植被覆蓋度空間變化趨勢(shì)來(lái)看，呈顯著正相關(guān)的區(qū)域其植被覆蓋度也主要呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，說(shuō)明該階段降水是影響這些區(qū)域植被改善的有利因素。

表2 植被覆蓋度與氣溫的相關(guān)系數(shù)

圖4 研究區(qū)2000-2018年植被覆蓋度與降水相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)空間分布

從圖5可以看出，2000—2018年黃河流域甘肅段植被覆蓋度與生長(zhǎng)季均溫的相關(guān)系數(shù)介于-0.995～0.922之間，整體上正負(fù)相關(guān)并存，以正相關(guān)為主。顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度與氣溫相關(guān)性極顯著(p<0.01)的像元比例達(dá)到2.9%，相關(guān)性顯著(p<0.05)和較顯著(p<0.1)的像元比例分別達(dá)到7.7%和12.8%。呈顯著正相關(guān)的區(qū)域集中分布在蘭州市西南部，相關(guān)系數(shù)普遍在0.5～0.8之間，部分達(dá)到0.8以上。呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在慶陽(yáng)市北部與東部，相關(guān)系數(shù)普遍在-0.5～-0.8之間。

3 討 論

由于甘南地區(qū)的植被類型以高寒草甸草原為主，該地區(qū)植被豐厚且長(zhǎng)勢(shì)較好，因而植被覆蓋度較高；定西市、天水市、平?jīng)鍪泻蛻c陽(yáng)市的植被類型以農(nóng)業(yè)與草原為主，植被生長(zhǎng)較好，而白銀市北部與蘭州市部分區(qū)域由于水資源極度匱乏、沙漠化嚴(yán)重，該地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況較差，因而植被覆蓋度最低。由此形成了黃河流域甘肅段植被覆蓋度自西南向東北不斷遞減的分布態(tài)勢(shì)。

近19 a的黃河流域甘肅段植被覆蓋度整體呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)。由于甘南瑪曲縣與碌曲縣草場(chǎng)嚴(yán)重超載過(guò)牧、鼠蟲(chóng)害及毒雜草的影響，該區(qū)植被明顯退化，這與王偉軍等[32-34]的研究結(jié)果基本一致。2000年以來(lái)政府貫徹的植被建設(shè)政策和當(dāng)?shù)厝藗兊闹矘?shù)造林等活動(dòng)，一定程度上有效促進(jìn)了植被的恢復(fù)[35]。胡春艷等[36]的研究表明2000—2015年甘肅慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪兄胁亢蜄|南部、天水市與定西市多數(shù)區(qū)域、臨夏與蘭州部分區(qū)域的植被覆蓋明顯改善，這與本文隴中、隴東地區(qū)的植被顯著改善結(jié)果相一致。

圖5 研究區(qū)2000-2018年植被覆蓋度與氣溫相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)空間分布

2000—2018年植被覆蓋度與氣溫呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，這可能是因?yàn)辄S河流域甘肅段的地貌主要以黃土高原區(qū)為主，該地區(qū)氣候干旱少雨，植被對(duì)氣溫的響應(yīng)較低。在空間上，蘭州市西南部的植被覆蓋度與氣溫顯著正相關(guān)，而慶陽(yáng)市北部與東部區(qū)域的植被覆蓋度與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)。19 a植被覆蓋度與降水量也呈顯著正相關(guān)，且呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在蘭州市西南部、臨夏州東部、甘南州西北角、白銀市南部以及定西市中部、慶陽(yáng)市西部等區(qū)域，這可能是因?yàn)橐陨蠀^(qū)域的海拔較低，溫度對(duì)植被生長(zhǎng)限制較小，因而植被覆蓋度與降水量呈顯著正相關(guān)，降水是影響這些區(qū)域植被改善的有利因素。楊尚武[20]的研究選用1999—2013年的SPOT NDVI數(shù)據(jù)與氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析，得到甘肅隴中、隴東黃土高原干旱區(qū)，由于降水稀少、氣溫高、蒸發(fā)量大，植被對(duì)降水的響應(yīng)高于氣溫，這與本文研究結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2018年期間，黃河流域甘肅段多年平均植被覆蓋度的空間分布差異明顯。甘南州及周邊少數(shù)區(qū)域的植被覆蓋度最高，其次為臨夏州與天水市中部、平?jīng)鍪袞|西部、慶陽(yáng)市部分南部區(qū)域，植被為中高覆蓋度，而白銀市北部區(qū)域的植被覆蓋度最低。

(2) 2000—2018年期間，黃河流域甘肅段的植被覆蓋度整體呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)，空間上以蘭州市北部、臨夏州中部、定西市北部與中部、慶陽(yáng)市多數(shù)區(qū)域、天水市南部、平?jīng)鍪袞|西部區(qū)域等的植被改善最為顯著(p<0.05，p<0.01)，而甘南州地區(qū)4.2%的植被明顯退化(p<0.05，p<0.01)。

(3) 2000—2018年期間，黃河流域甘肅段的植被覆蓋度整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，時(shí)間上以2013年為界呈現(xiàn)“先持續(xù)增加后波動(dòng)減少”的變化趨勢(shì)。其中2000年的植被覆蓋度最低，為47.47%，而2013年植被覆蓋度最高，達(dá)到61.05%。分地區(qū)來(lái)看，甘南州的植被覆蓋狀況最好，白銀市最差，19 a來(lái)除甘南州與武威市的植被覆蓋度波動(dòng)減少以外，其余市州的植被覆蓋度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中以平?jīng)鍪械脑黾铀俣茸羁欤骄磕暝鲩L(zhǎng)0.96%。

(4) 2000—2018年期間，降水量對(duì)黃河流域甘肅段植被覆蓋度的影響要大于氣溫，其中植被覆蓋度與生長(zhǎng)季降水量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.702(p<0.01)；與氣溫呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。在空間上，隴中干旱區(qū)域的植被覆蓋度對(duì)生長(zhǎng)季降水量的響應(yīng)高于氣溫生長(zhǎng)季均溫。