2001?2016 年祁連山地區(qū)植被覆蓋度對(duì)干旱的響應(yīng)

劉佳茹，趙 軍，王建邦

（1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是表示地表植被數(shù)量的參數(shù)，能夠在一定程度上反映地表植被覆蓋的生長(zhǎng)狀況和趨勢(shì)[1]。作為評(píng)價(jià)氣候變化影響與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[2]，F(xiàn)VC在生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)、土地荒漠化、水文、大氣污染等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3-6]，研究FVC 的方法包括逐點(diǎn)調(diào)查法[7]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8]、像元二分模型[9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]等。

干旱是長(zhǎng)時(shí)間水分匱缺導(dǎo)致的自然災(zāi)害，具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的特點(diǎn)[11]。在全球氣候變暖的條件下，干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響最大[12]，呈現(xiàn)出常態(tài)化趨勢(shì)，極端干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度不斷增加，由此導(dǎo)致的損失也隨之增加[13]。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(standardized precipitation evaportranspiration index，SPEI )常用來(lái)表征氣候的干旱程度。計(jì)算多尺度SPEI 有利于判斷不同時(shí)間段的干旱狀況，能更有效地監(jiān)測(cè)和評(píng)估區(qū)域干旱程度[14]。

植被在生長(zhǎng)過(guò)程中需要良好的氣候條件，因此FVC與區(qū)域氣候干旱條件和干旱程度密切相關(guān)[15]，它們之間的關(guān)系成為研究熱點(diǎn)。很多學(xué)者利用不同類型的遙感數(shù)據(jù)分析FVC 在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)[16-18]，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)研究FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)[19]。大部分研究成果中顯示，F(xiàn)VC 與干旱程度呈正相關(guān)關(guān)系[20]。干旱半干旱地區(qū)FVC 對(duì)土地荒漠化極為敏感，因此研究FVC 對(duì)干旱程度的響應(yīng)具有重要意義[21]。

祁連山地區(qū)是西北干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)保護(hù)功能區(qū)及河西多條內(nèi)陸河的發(fā)源地，近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使人地關(guān)系緊張，人類活動(dòng)對(duì)祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響加劇，加之祁連山大陸性氣候特征，降水量少，氣候干燥，加劇了干旱的影響。21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著全球氣溫升高等氣候變化，祁連山地區(qū)氣溫升高降水量增加，極端氣候事件頻發(fā)，冷暖夜日數(shù)增加、強(qiáng)降水日數(shù)增加，導(dǎo)致冰川消融加快、河川徑流量增加，F(xiàn)VC 增加，干旱程度變小，氣候向暖濕化發(fā)展[22]。因此，從不同尺度深入研究SPEI 對(duì)FVC 的影響對(duì)了解祁連山地區(qū)FVC 與干旱之間的關(guān)系十分必要。本研究利用MODIS NDVI 產(chǎn)品通過(guò)像元二分模型計(jì)算得到祁連山地區(qū)FVC，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到SPEI，分析植被覆蓋時(shí)空變化趨勢(shì)以及對(duì)多尺度干旱的響應(yīng)關(guān)系，以期了解祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

祁連山地區(qū)位于青藏高原、蒙新高原和黃土高原交匯地帶，跨越甘肅省西部和青海省東北部邊境(35.5° ? 40° N，95° ? 104° E)，由多條西北至東南走向平行山脈和其形成的寬闊谷地組成(圖1)。祁連山地區(qū)地理位置特殊，東起烏鞘嶺，南靠茶卡?共和盆地及柴達(dá)木盆地，西至當(dāng)金山口，北臨河西走廊，東西長(zhǎng)約800 km，南北寬約300 km[23-24]，地勢(shì)險(xiǎn)峻，由東北向西南逐漸升高。祁連山地區(qū)是典型高原大陸性荒漠氣候，年均溫0.6 ℃，年降水量為400～700 mm，由東向西逐漸減少，夏季降水多且濕潤(rùn)，冬季降水少且干燥，為西北地區(qū)多條內(nèi)陸河提供水源補(bǔ)給。植被類型多種多樣呈垂直地帶性規(guī)律[25]。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究選取2001?2016 年MODIS NDVI 數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天局(https://modis.gsfc.nasa.gov/)。采用最大值合成法，排除云、大氣和太陽(yáng)高度角的干擾，得到月NDVI。選取植被生長(zhǎng)季5 月 ? 9 月的NDVI 求平均值得到年NDVI。氣象數(shù)據(jù)選取祁連山地區(qū)及周邊35 個(gè)氣象站點(diǎn)2001?2016 年月平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://cdc.cma.gov.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 計(jì)算植被覆蓋度

采用像元二分模型[15,26]計(jì)算植被覆蓋度(FVC)。假設(shè)一個(gè)像元的地表由有植被覆蓋部分與無(wú)植被覆蓋部分組成，傳感器觀測(cè)到的光譜信息也由這兩個(gè)組分因子線性加權(quán)合成，各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比率[27]。由于不同的影像在計(jì)算過(guò)程中的權(quán)重也不相同，本研究采用在5%置信度范圍內(nèi)累計(jì)頻率為95%對(duì)應(yīng)的NDVI 作為NDVIv，累計(jì)頻率為5%對(duì)應(yīng)的NDVI 作為NDVIs值[9]。公式如下：

式中：NDVI 為像元植被覆蓋部分和非植被覆蓋部分的加權(quán)平均值，NDVIs為無(wú)植被覆蓋像元或純裸土像元的NDVI，NDVIv為全植被覆蓋區(qū)域像元NDVI。

1.3.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)

評(píng)估和監(jiān)測(cè)干旱程度的方法有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index, SPI)[28]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)等，SPEI 結(jié)合了SPI 多尺度和溫度變化影響[29]，是研究氣候變暖條件下干旱的有效工具。采用Thornthwaite 方法，公式如下[30-31]:

1)計(jì)算潛在蒸散量(potential evapotranspiration,PET)：

式中：PET 為潛在蒸散量；Ti為月平均溫度；i 為月；H 為年熱量指數(shù)；A 為常數(shù)，由H 決定，A = 0.492 +0.179H ? 0.000 077 1H2+ 0.000 000 675H3。

2)計(jì)算水平衡(D)：

式中：Pi為月降水量；PETi為月潛在蒸散量。

3)采用三參數(shù)的log-logistic 概率分布對(duì)Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化，計(jì)算相應(yīng)的SPEI 指數(shù)：

參數(shù)α、β、γ 計(jì)算公式如下：

式中：Γ 為階乘函數(shù)，ω0、ω1、ω2為數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩。

式中：N 為參與計(jì)算的月份數(shù)量，ωs為概率加權(quán)矩。

對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

式中：常數(shù)c0= 2.515 517，c2= 0.802 853，c3= 0.010 328，d1= 1.432 788，d2= 0.189 269，d3= 0.001 208。

根據(jù)國(guó)家氣象局制定的SPEI 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)祁連山區(qū)域干旱等級(jí)進(jìn)行劃分，SPEI ＞ ?0.5 為無(wú)旱，?1 ＜ SPEI ≤ ?0.5 為輕旱，?1.5 ＜ SPEI ≤ ?1 為中旱，?2 ＜ SPEI ≤ ?1.5 為重旱，SPEI ≤ ?2 為特旱。

1.3.3 Theil-Sen 趨勢(shì)分析和Mann-Kendall 檢驗(yàn)

利用非參數(shù)化趨勢(shì)度(Sen)[32]分析方法計(jì)算植被覆蓋度變化趨勢(shì)，并通過(guò)Mann-Kendall 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[33]檢驗(yàn)變化趨勢(shì)顯著性[34-35]。

1) Sen 趨勢(shì)分析方法不需要樣本服從一定的分布，且不受異常值干擾，具有一定的規(guī)避性。公式如下：

式中：β 為植被覆蓋度變化趨勢(shì)；i、j 為時(shí)間序列；FVCH(j)、FVCH(i)分別為第j 年和第i 年植被覆蓋度。

2) Mann-Kendall 檢驗(yàn)是判斷Sen 趨勢(shì)顯著性。

設(shè)定時(shí)間序列：FVCH(i)，i = 1，2，···，n，標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z 定義為：

S 統(tǒng)計(jì)量定義為：

式中：FVCH(i)和FVCH(j)分別為第i 年和第j 年植被覆蓋度。

在給定顯著性水平α 下，當(dāng)|Z| ＞ Z(1?α)/2時(shí)，表示研究序列在α 水平上存在顯著變化。若通過(guò)置信度95%的顯著性檢驗(yàn)視為顯著，若通過(guò)置信度90%的顯著性檢驗(yàn)則視為弱顯著。

1.3.4 Hurst 指數(shù)

通過(guò)Hurst 指數(shù)[36-37]來(lái)分析祁連山地區(qū)FVC 未來(lái)演變趨勢(shì)。R/S(重標(biāo)極差)分析方法是一種定量描述時(shí)間序列信息的長(zhǎng)程相關(guān)思想的分析方法，其原理是根據(jù)時(shí)間序列{FVCH(t)}(t = 1，2，3，···，n)定義均值序列：

1)累計(jì)離差：

2)極差：

3)標(biāo)準(zhǔn)差：

考慮比值R(τ)/S(τ)≌R/S，若存在R/S∝τH，說(shuō)明時(shí) 間 序 列{FVCH(t)}，t = 1，2，3，···，n 存 在Hurst 現(xiàn)象。H 為Hurs 指數(shù)，當(dāng)0.5 ＜ H ＜ 1，表明該時(shí)間序列為持續(xù)性序列，且未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去一致；當(dāng)H =0.5，表明時(shí)間序列為隨機(jī)序列，不存在長(zhǎng)期相關(guān)性；當(dāng)0 ＜H ＜ 0.5，表明該時(shí)間序列為反持續(xù)性，且未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相反。

1.3.5 FVC 與SPEI 相關(guān)性分析

基于像元尺度，進(jìn)行FVC 與SPEI 的相關(guān)性分析，公式如下：

式中：R 為FVC、SPEI 兩變量的相關(guān)系數(shù)；FVCi為第i 年植被覆蓋度；SPEIi為第i 年年平均標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 祁連山地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢(shì)

2.1.1 祁連山地區(qū)植被覆蓋度時(shí)間變化分析

2001?2016 年祁連山地區(qū)FVC 整體呈增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率為每10 年0.019，速度緩慢。2001 年FVC 最低，為0.420 4；2011 年FVC 最大，為0.469 5。2001?2016 年FVC 動(dòng) 態(tài) 變 化 波 動(dòng) 明 顯，2002?2008年波動(dòng)幅度較小，2008?2016 年波動(dòng)較大，16 年間FVC 平均值為0.452 2 (圖2)。2001?2009年與16 年間植被覆蓋FVC 平均值差值為?0.031 7～0.001 2，表明在此期間植被生長(zhǎng)狀況雖有所好轉(zhuǎn)，但較為緩慢，可能與受人類活動(dòng)影響以及氣溫和降水有關(guān)，與2001?2009 年SPEI 指數(shù)變化趨勢(shì)相近；除2014 年外，2010?2016 年FVC 均高于16 年間平均值，表明FVC 長(zhǎng)勢(shì)開始好轉(zhuǎn)，與國(guó)家建立自然保護(hù)區(qū)以及退耕還林還草等相關(guān)政策的實(shí)施有關(guān)。從FVC 季節(jié)變化來(lái)看(圖2)，季節(jié)變化明顯，夏季FVC 最高，秋季和春季次之。

圖2 2001?2016 年植被覆蓋度年際和季節(jié)變化趨勢(shì)Figure 2 The change of inter-annual and seasonal fractional vegetation cover from 2001 to 2016

2.1.2 祁連山地區(qū)植被覆蓋度空間變化分析

圖3 2001?2016 年植被覆蓋度空間動(dòng)態(tài)Figure 3 Spatial distribution and variation of fractional vegetation cover from 2001 to 2016

2001?2016 年祁連山地區(qū)FVC 整體格局呈現(xiàn)出東南高西北低的分布特征，F(xiàn)VC 區(qū)域差異性明顯，達(dá)坂山、大通山、青海南山以及青海湖周邊FVC 較高，黨河南山、野馬南山、柴達(dá)木山以及宗務(wù)隆山FVC 較低(圖3)。由2001?2016 年祁連山地區(qū)FVC的變化趨勢(shì)可以看出，77.13%的區(qū)域植被覆蓋度呈改善趨勢(shì)，最大改善速率為0.04·a?1，22.87%的區(qū)域植被覆蓋度呈退化趨勢(shì)，最大退化速率為0.06·a?1。為檢驗(yàn)FVC 的變化趨勢(shì)，本研究計(jì)算了2001?2016年祁連山地區(qū)FVC 的Sen 趨勢(shì)度，并進(jìn)行了MK 檢驗(yàn)。將MK 檢驗(yàn)結(jié)果劃分為顯著變化(Z ≥ 1.96 或Z ≤ ?1.96)、弱顯著變化(?1.96 ＜ Z ≤ ?1.65 或1.65 ＜Z ＜ 1.96)和無(wú)顯著變化(?1.65 ＜ Z ≤ 1.65)，Sen 趨勢(shì)度結(jié)果劃分改善區(qū)域(Sen ≥ 0)和退化區(qū)域(Sen ＜0)。將Sen 趨勢(shì)分析和MK 檢驗(yàn)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行疊加，得到像元尺度上FVC 變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果分為6 種變化類型(表1)，可以看出，得到改善的區(qū)域占總面積的77.13%，發(fā)生退化的區(qū)域占22.87%。

2001?2016 年祁連山地區(qū)植被覆蓋度改善的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被覆蓋度退化的區(qū)域(圖4)，顯著改善的區(qū)域零星分布在祁連山邊緣區(qū)域及高海拔地區(qū)，這是由于降水的明顯增加及祁連山自然保護(hù)區(qū)的設(shè)立，同時(shí)大力開展退耕還林、封山育林等保護(hù)措施，還有高海拔地區(qū)人為影響較小，利于植被生長(zhǎng)。弱顯著改善區(qū)域主要分布在青海南山、黨河南山、疏勒南山及走廊南山。弱顯著退化區(qū)域主要分布在各城市區(qū)域周邊及青海湖和大通河附近，表明城市擴(kuò)張及人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度有影響。顯著退化區(qū)域零星分布在祁連山中東段。

表1 植被覆蓋度變化趨勢(shì)分類Table 1 stype of trend of fractional vegetation cover change

2.2 祁連山地區(qū)植被覆蓋度未來(lái)趨勢(shì)特征

祁連山地區(qū)植被覆蓋度的Hurst 指數(shù)均值為0.471 2，其中Hurst 指數(shù)小于0.5 的區(qū)域面積比例為63.36%，大于0.5 的區(qū)域面積比例為36.64%，表明祁連山地區(qū)植被覆蓋度的負(fù)向特征較強(qiáng)。通過(guò)將植被覆蓋度變化趨勢(shì)結(jié)果和Hurst 指數(shù)結(jié)果進(jìn)行疊加得到耦合信息。將結(jié)果劃分為持續(xù)退化、由退化到改善、持續(xù)改善、由改善到退化4 種類型。

持續(xù)改善的面積比例為28.10%，主要分布在大雪山、冷龍嶺附近及青海省烏蘭縣西北部的柴達(dá)木山；持續(xù)退化的面積比例為8.59%，零散分布在各城市周邊區(qū)域、宗務(wù)隆山、拉脊山附近和烏鞘嶺以南部分區(qū)域；由退化到改善的面積比例為14.08%，零星分布在祁連山中東段的門源縣境內(nèi)、達(dá)坂山以及拉脊山部分地區(qū)；由改善到退化的面積比例最大，為49.23%，主要分布在祁連山西段魚卡河、柴達(dá)木山西南部和疏勒河上游區(qū)域以及青海湖以西(圖5)。由改善到退化的區(qū)域需要政府部門持續(xù)關(guān)注并加大力度進(jìn)行保護(hù)。

圖4 2001?2016 年年均植被覆蓋度變化趨勢(shì)Figure 4 Trend of inter-annual fractional vegetation coverage from 2001 to 2016

圖5 植被覆蓋度未來(lái)變化空間分布Figure 5 Spatial distribution of future changes in fractional vegetation cover

2.3 祁連山地區(qū)SPEI 時(shí)空變化趨勢(shì)

2.3.1 不同時(shí)間尺度的祁連山地區(qū)SPEI 年際變化分析

圖6 祁連山地區(qū)多時(shí)間尺度SPEI 長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特征Figure 6 Long-term dynamic characteristics of multi-time scale SPEI in Qilian Mountains

根據(jù)2001?2016 年祁連山地區(qū)不同尺度的SPEI變化趨勢(shì)(圖6)可以看出，1、3、6、12 個(gè)月尺度的SPEI 均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降速度與時(shí)間尺度呈正比，干旱化趨勢(shì)增強(qiáng)。根據(jù)不同時(shí)間尺度SPEI 年際變化來(lái)看，時(shí)間尺度越短，干濕交替周期越頻繁，時(shí)間尺度越大，干濕變化越平緩，周期越大。1 和3 個(gè)月尺度的SPEI對(duì)短期降水和溫度都較為敏感，SPEI 波動(dòng)周期較短，體現(xiàn)了祁連山地區(qū)旱澇無(wú)常的特性；6 個(gè)月尺度的SPEI 干旱持續(xù)半年之久的頻率較大，數(shù)值波動(dòng)也較大。1 個(gè)月尺度上，2001?2002 和2013?2014 年干旱頻率較高且干旱持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，2013 年全年8 個(gè)月時(shí)間處于輕度干旱狀態(tài)；3 個(gè) 月 尺 度 上， 2001?2003 年， 2006?2007、 2008?2009 和2012?2013 年干旱頻率也較高，2006 年全年9 個(gè)月處于干旱狀態(tài)，2011 年全年10 個(gè)月處于干旱狀態(tài)；6 個(gè)月尺度上，2001?2002、2006?2007 和2011?2012 年干旱頻率較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，2013 年全年處于輕度和中度干旱狀態(tài)；12 個(gè)月尺度上，2006?2007 和2008?2010 年，2011?2012 和2013?2014 年干旱頻率較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，2009 年全年處于輕度干旱狀態(tài)。由此得出，根據(jù)不同時(shí)間尺度的 SPEI 反映的干旱程度及周期，可以判斷不同干旱類型的干濕交替狀況。1 個(gè)月和3 個(gè)月的SPEI 對(duì)短期氣溫和降水較敏感，3 個(gè)月SPEI 可以反映區(qū)域的氣象干旱，如空氣濕度；6 個(gè)月SEPI 可以反映區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱，如土壤水分含量情況；12 個(gè)月SPEI 可以反映水文干旱，如河流徑流量狀況。

2.3.2 季節(jié)、年尺度的祁連山地區(qū)SPEI 年際變化

季節(jié)尺度上的SPEI 可以反映季節(jié)干旱變化。選取35 個(gè)氣象站點(diǎn)的2 月、5 月、8 月的SPIE 值分別代表春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)的干旱情況。2001?2016 年祁連山地區(qū)16 年間有9 年春季處于干旱狀態(tài)，2001 年為中度干旱，其他8 年為輕度干旱；夏季有一半年份處于干旱狀態(tài)，2001 年也為中度干旱，其他年份為輕度干旱；秋季也有一半年份處于干旱狀態(tài)，均為輕度干旱；2006 年、2011 年和2013 年春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)均處于輕度干旱(圖7)。秋季SPEI年際變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，干旱加強(qiáng)，春季和夏季SPEI呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，干旱度降低。年尺度干旱變化如圖8所示，2001?2016 年祁連山地區(qū)SPEI 呈線性下降趨勢(shì)，下降速率為每10 年0.059，干旱趨勢(shì)增強(qiáng)，16 年間接近一半年份處于干旱狀態(tài)，2013 年為最干旱年為中度干旱(結(jié)果通過(guò)α = 0.05置信度檢驗(yàn))。

圖7 祁連山地區(qū)季節(jié)尺度SPEI 長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特征Figure 7 Long-term seasonal dynamic characteristics of SPEI

圖8 2001?2016 年祁連山地區(qū)年尺度SPEI 年際變化Figure 8 Inter-annual variation of SPEI from 2001 to 2016

2.3.3 祁連山地區(qū)SPEI 動(dòng)態(tài)分析

2001?2016 年祁連山絕大多數(shù)地區(qū)處于濕潤(rùn)狀態(tài)，中段和東段部分地區(qū)處于輕度干旱狀態(tài)(圖9a)。中段、西段西北部和東段西部SPEI呈增加趨勢(shì)，干旱化程度降低，濕潤(rùn)度增加；剩余區(qū)域SPEI 呈下降趨勢(shì)，趨于干旱，干旱化程度增加(圖9b)?？傮w上來(lái)看，2001?2016 年祁連山地區(qū)干旱化程度呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明氣候條件往好的方向發(fā)展。

圖9 2001?2016 年祁連山地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)空間動(dòng)態(tài)Figure 9 Spatial distribution and variation of standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI)in Qilian Mountains from 2001 to 2016

2.4 植被覆蓋度對(duì)干旱指數(shù)的響應(yīng)

2.4.1 年尺度SPEI 與植被覆蓋度的相關(guān)分析

2001?2016 年祁連山地區(qū)年均FVC 和年均SPEI相關(guān)性分析表明(圖10a)，整個(gè)研究區(qū)平均相關(guān)系數(shù)為0.039，正相關(guān)區(qū)域占55.2%，其中通過(guò)P ＜ 0.05和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為18.8%和2.3%，負(fù)相關(guān)區(qū)域占44.8%，其中通過(guò)P ＜ 0.05 和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為4%和0.8%。由此可以看出，SPEI 與FVC 之間具有一定的相關(guān)性，即年尺度上FVC 與SPEI 之間呈正相關(guān)關(guān)系，SPE 值越大，干旱程度越低，F(xiàn)VC 越高，通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域越大。

2.4.2 季節(jié)尺度SPEI 與FVC 的相關(guān)分析

圖10 2001?2016 年祁連山地區(qū)不同時(shí)間尺度植被覆蓋度(FVC)與標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)的相關(guān)關(guān)系Figure 10 Correlation between fractional vegetation cover(FVC) and standardized precipitation evapotranspiration(SPEI)index at different times in Qilian Mountains from 2001 to 2016

對(duì)2001?2016 年季節(jié)尺度上祁連山地區(qū)FVC和SPEI 進(jìn)行相關(guān)性分析得出，祁連山地區(qū)春季、夏季、秋季的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.056、0.212 和0.058，呈正相關(guān)關(guān)系。春季(圖10b) FVC 與SPEI 正相關(guān)區(qū)域占62.7%，其中通過(guò)P ＜ 0.05 和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為2.9%和1.1%，負(fù)相關(guān)區(qū)域占37.3%，其中通過(guò)P ＜ 0.05 和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為1.3%和0.4%；夏季(圖10c) FVC與SPEI 正相關(guān)區(qū)域占76.6%，其中通過(guò)P ＜ 0.05 和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為12.1%和4.6%，負(fù)相關(guān)區(qū)域占23.4%，其中通過(guò)P ＜ 0.05 和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為1%和0.3%；秋季(圖10d)FVC 與SPEI 正相關(guān)區(qū)域占59.2%，其中通過(guò)P ＜ 0.05和P ＜ 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為4%和1%，負(fù)相關(guān)區(qū)域占40.8%，其中通過(guò)P ＜ 0.05 和P ＜ 0.01檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為2.3%和0.7%。季節(jié)尺度上夏季祁連山地區(qū)FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度最為明顯，春季和秋季次之，說(shuō)明FVC 與SPEI 之間顯著性越高，F(xiàn)VC 對(duì)干旱的響應(yīng)也就越明顯。

3 討論與結(jié)論

陳京華[38]對(duì)2000?2014 年祁連山植被指數(shù)NDVI 與降水和氣溫進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示夏季NDVI 與降水和氣溫的相關(guān)性較高，春季和秋季次之。本研究通過(guò)對(duì)不同時(shí)間尺度的FVC 和SPEI 進(jìn)行分析，在年尺度上，F(xiàn)VC 與SPEI 呈正相關(guān)關(guān)系，表明SPEI 越大，F(xiàn)VC 越高；在季節(jié)尺度上，夏季相關(guān)性最大，其次是春季、秋季，F(xiàn)VC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度與年尺度相同，F(xiàn)VC 與SPEI 相關(guān)系數(shù)越大，表明FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)也就越明顯。本研究在季節(jié)尺度上得到的結(jié)果與以往研究結(jié)果基本一致。了解FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度，對(duì)祁連山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的實(shí)用性。但是，本研究只是分析了FVC 對(duì)SPEI 的響應(yīng)，沒(méi)有考慮不同土地利用類型的FVC 對(duì)SPEI 的響應(yīng)，而且只考慮了氣象因素對(duì)FVC 的影響，沒(méi)有綜合人為因素以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)FVC 的影響；還有關(guān)于SPEI 的計(jì)算，受數(shù)據(jù)的限制性采用了比較簡(jiǎn)單實(shí)用的Thornthwaite 方法，在后續(xù)的研究中可以采用更為精確的FAO Penman-Monteith 方法提高SPEI 計(jì)算精度，以便更好地反映祁連山地區(qū)FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度。

本研究得出以下結(jié)論：

1) 2001?2016 年 祁 連 山 地 區(qū)FVC 年 均 值 為0.452 2，整體上屬于中覆蓋度，分布特征為東南高西北低，區(qū)域差異明顯，整體上呈增加趨勢(shì)。季節(jié)尺度上，夏季FVC 最高，秋季和春季次之。16 年間，F(xiàn)VC 改善區(qū)域遠(yuǎn)大于退化區(qū)域，F(xiàn)VC 未來(lái)由改善到退化的面積為49.23%，主要分布在祁連山西段魚卡河、柴達(dá)木山西南部和疏勒河上游區(qū)域以及青海湖以西，在后續(xù)的發(fā)展中要加大力度進(jìn)行保護(hù)。

2) 2001?2016 年祁連山地區(qū)不同尺度的SPEI 均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，大部分區(qū)域處于濕潤(rùn)狀態(tài)，總體上祁連山地區(qū)干旱化程度呈降低趨勢(shì)。季節(jié)尺度上，祁連山地區(qū)秋季SPEI 呈下降趨勢(shì)，干旱加強(qiáng)，春季和夏季SPEI 成上升趨勢(shì)，干旱度降低。

3)年尺度上，祁連山地區(qū)FVC 與SPEI 整體上呈正相關(guān)關(guān)系。季節(jié)尺度上，夏季FVC 與SPEI 相關(guān)性最大，春季和秋季次之。說(shuō)明FVC 與SPEI 之間顯著性越高，F(xiàn)VC 對(duì)干旱的響應(yīng)也就越明顯。