2000—2017年白龍江流域植被對氣候變化的響應

劉虹濤，秦新永，何華，王飛，黃昆

（1.甘肅省白龍江林業(yè)科學研究所，甘 肅蘭州 730000；2.甘肅白龍江森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 舟曲 746300；3.甘肅省白龍江林業(yè)生態(tài)監(jiān)測和調查規(guī)劃院，甘肅 蘭州 730000）

白龍江流域是我國滑坡、泥石流等地質災害高發(fā)區(qū)之一，生態(tài)脆弱[1-3]，在人為和自然因素的影響下，易造成環(huán)境退化，而頻發(fā)的災害反過來加劇了流域生態(tài)脆弱性[4]。作為多功能體，植被對維持生態(tài)環(huán)境至關重要[5-7]。歸一化植被指數(shù)（normalized differential vegetation index，NDVI）是反映地表植被狀況的遙感指標[8]，對分析植被與氣候關系、衡量地表植被和區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有重要指示作用[9-10]。近年來，眾多學者利用NDVI研究了植被動態(tài)變化及其與氣候因素的關系等[11-12]。然而，相關研究多以較大尺度或僅將像元NDVI最大值與氣候因素做相關分析為主[13-15]，忽略了較小尺度下NDVI的空間變化對植被與氣候因素之間關系的影響?；诖?，本文利用NDVI探討2000—2017年白龍江流域植被時空變化，及其對氣溫、降水、相對濕度和日照的響應，以期揭示白龍江流域植被變化的驅動因素,為流域內植被恢復和生態(tài)環(huán)境改善提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白龍江流域地處青藏高原、黃土高原、四川盆地交界處，102.5°～105.7°E、32.7°～34.4°N，位于新生代印度-亞洲板塊碰撞變形帶，主要包括甘南藏族自治州的碌曲縣、迭部縣和舟曲縣，甘肅隴南市的宕昌縣、文縣和武都區(qū)，以及四川廣元市青川縣等。全域海拔578～4 523 m，主要的地貌類型有河谷地貌、山地地貌和黃土地貌等。屬山地氣候，年均氣溫6～14.9 ℃，年均降水400～850 mm，溫度和降水由西北向東南逐漸增加，且降雨集中多暴雨。海拔由高到低植被分布依次為：高山草甸或基巖（4 100 m以上）、高山灌木林（3 700～4 100 m）、亞高山針葉林（800～3 700 m）。土壤類型為高山草甸土、棕壤、褐土等。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)來源于AtmosphereArchive and Distribution System網站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），分辨率 1 km，時間為 2000—2017年。年均氣溫數(shù)據(jù)來源于European Center for Medium-Range Weather Forecasts （ECMWF）網站（http://apps.ecmwf.int/datasets），年均降水數(shù)據(jù)來源于Climatic Research Unit （CRU）網站（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.03），分辨率1 km，時間為2000—2017年。年均相對濕度和年總日照時數(shù)數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心網站（http://www.geodata.cn），時間為 2000—2015年，分辨率1 km。2016—2017年相對濕度和日照時數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值V3.0（http://data.cma.cn/）。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心 （https://www.resdc.cn/Default.aspx），分辨率 250 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)由全國DEM數(shù)據(jù)和ArcGIS 10.2水文分析工具提取獲得。以DEM數(shù)據(jù)為基礎，利用ArcGIS 10.2進行填充洼地、流向分析、流量分析、河網分析、河流分級和柵格河網矢量化后獲得白龍江流域矢量邊界數(shù)據(jù)及流域內河流數(shù)據(jù)。NDV數(shù)據(jù)是利用python對其進行邊界裁剪，使用MODISMRT工具進行預處理后，在ArcGIS 10.2中使用均值合成法合成后所得。年均氣溫、年總降水量、年相對濕度、年總日照時數(shù)柵格數(shù)據(jù)經ArcGIS 10.2重投影工具統(tǒng)一坐標系后，利用研究區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)對其進行掩膜提取，由此獲得所需研究區(qū)數(shù)據(jù)。2016—2017年年相對濕度和年總日照時數(shù)柵格數(shù)據(jù)由中國地面氣候資料日值V3.0數(shù)據(jù)中氣象站點原始數(shù)據(jù)按年度累加整理后，利用ArcGIS 10.2反距離權重法對數(shù)據(jù)進行插值，最后得到各年度的年相對濕度及日照時數(shù)柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用線性最小二乘回歸的方法對年均NDVI以及年均氣溫、年總降水量、年相對濕度以及年均日照時數(shù)利用公式（1）進行計算，分析每個像元值在2000—2017年變化趨勢。

式中，slope表示變化斜率，單位為每年；n=18代表總年份數(shù)，i表示第幾年，表示第i年變量的值，分別代表年均NDVI、年均氣溫、年總降水量、年均相對濕度以及年均日照時數(shù)。slope＞0表示各變量在這 18 年間的變化趨勢為增加，反之slope＜0，表示變化趨勢減少。

通過計算Spearman秩相關系數(shù)并進行相關性分析，其計算公式：

式中，Ri、Si分別為變量在各自順序排列樣本中所占位置的次序（即秩），為 Ri、Si的均值，n=18代表總年份數(shù)。對線性趨勢Spearman相關分析的結果用F檢驗的方法對其顯著性進行檢驗公式如下:

式中，QR代表回歸平方和，回歸自由度為1，QE代表殘差平方和，n-2代表殘差自由度。i=1，2，3，……，n。wi為第i年變量y的值。為 i與變量w的線性回歸值，為變量w的n年平均。

3 結果與分析

3.1 全流域植被NDVI和氣候因素的變化趨勢

研究區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)F檢驗結果p-value＜0.1（封二，圖1a），即絕大多數(shù)地區(qū)通過檢驗，slope結果在誤差范圍內，slope的結果是可信的，p-value＜0.1的地區(qū)占研究區(qū)總面積的97.02%。2000—2017年植被年均NDVI變化趨勢范圍是－0.006 4～0.013 9，年均NDVI連續(xù)增加幅度為0～0.013 9，增加區(qū)域占比99.73%；減少幅度為－ 0.006 4～0，減少區(qū)域占比0.27%（封二，圖1b），及少許連續(xù)減少區(qū)域主要分布在迭部縣西部和武都區(qū)西北部。這表明白龍江流域大部分地區(qū)植被覆蓋呈增加趨勢，生態(tài)恢復效果明顯。

研究區(qū)氣溫雖都呈增加趨勢，但沒有地區(qū)通過檢驗。降水通過檢驗的地區(qū)占研究區(qū)17.66%，通過檢驗的地區(qū)，都呈增加趨勢（封二，圖2a、b），其中上游增加趨勢比下游明顯（封二，圖2c、d）。相對濕度增加幅度為0～0.200 0，減少幅度為－0.285 7～0，總日照時數(shù)增加幅度為0～9.428 6，減少幅度為－22%～0%（封二，圖2e）。其中相對濕度通過檢驗的地區(qū)主要分布在河流中上游，占研究區(qū)45.09%（封二，圖2f），總日照時數(shù)通過檢驗的地區(qū)主要分布于流域中游的宕昌縣、上游的碌曲縣和若爾蓋縣，占研究區(qū)32.56%（封二，圖2h）。

3.2 全流域植被NDVI和氣候因素的相關關系

植被年均NDVI與各氣候因素的空間相關性分析結果表明，大部分區(qū)域年均氣溫與年均NDVI無相關關系，少部分呈顯著正相關，主要分布在中游地區(qū)（封三，圖3a、b）。除極少部分區(qū)域外，流域內年總降水量與年均NDVI呈顯著正相關，其中上游高海拔和下游河干流周邊區(qū)域相關性較強（封三，圖3c、d）。氣溫和降水量與植被覆蓋度的關系，在高彥凈等人的研究中也得以證實[4]，表明該區(qū)域植被對氣溫和降水的響應相對一致，且植被對氣溫和降水的需求都存在上升的空間[10]。在中上游地區(qū)，年均NDVI與年相對濕度顯著負相關（封三，圖3e），而在下游存在少部分地區(qū)二者顯著正相關（封三，圖3f）。年總日照時數(shù)與年均NDVI之間的關系與年相對濕度類似（封三，圖3g、i）。相對濕度和日照時數(shù)與植被覆蓋的關系，和徐麗萍、張含玉和劉靜等人的研究結果類似[10,17-18]。

上游地區(qū)地勢起伏較大，地廣人稀，因此根據(jù)已有研究推斷，在本研究區(qū)氣候因素對植被覆蓋的影響強于人為因素[19]。盡管白龍江流域上游地區(qū)氣溫和降水都呈增加趨勢，但變化不顯著或僅有極少部分區(qū)域變化顯著（封三）。結合上游地區(qū)相對濕度呈顯著減少趨勢，以及其與植被覆蓋呈顯著負相關來看，河流上游空氣條件相對干燥，導致降雨量的減少，使得上游地區(qū)土壤水分條件相對貧乏[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，植被處于水分貧乏的條件下，相對濕度的增加可能會降低植物葉片氣孔導度，從而對植被的生長產生負效應[20-21]。與此同時，中上游地區(qū)的總日照時數(shù)與年均NDVI呈顯著負相關（封三，圖4i），可能也與該區(qū)域水分相對缺乏有關。通常，日照時數(shù)影響植物進行光合作用的時間長短，日照時數(shù)減少，植物進行光合作用所儲存的能量越少，因此用于植被生長的能量分配越少，越不利于植被的生長發(fā)育[22]。但當植物受到水分脅迫時，光照對植物的影響應考慮到光合有效輻射和植物對光的抑制效應[10,23]。

在下游少部分地區(qū)，相對濕度和總日照時數(shù)與年均NDVI顯著正相關，如流域與四川盆地交界處、武都區(qū)北部和青川縣等地，表明相對濕度和總日照時數(shù)在該區(qū)域還未達到植被生長的需求限度[10]。與此同時，流域中下游所處溫帶半濕潤-亞熱帶濕潤氣候區(qū)，相比于上游來說，氣溫和降水都有所增加，水分條件充足[24]，因此，隨著日照時數(shù)和相對濕度的增加，即使蒸發(fā)速率加快，但不會影響植被光合作用能力的增加，從而促進植被生長[25-26]。

總的來說，植被覆蓋呈顯著增加的區(qū)域與氣候因素的相關性較弱。例如宕昌縣、武都區(qū)和文縣等地的植被覆蓋呈顯著增加，但該區(qū)域氣溫和降水與其的相關性較弱，說明氣溫和降水對該區(qū)域植被覆蓋的增加影響有限，存在其他因素也會使植被覆蓋增加。近年來，隨著白龍江流域生態(tài)建設的實施，如宕昌縣1989—2008年、武都區(qū)1999—2009年分別造林552.6 km2和1 471.2 km2，勢必會增加該區(qū)域的植被覆蓋。因此，植被覆蓋的增加是人為因素和自然因素共同作用的結果[4]。值得注意的是，下游地區(qū)植被覆蓋類型多以喬木為主[4]，但本研究由于遙感影像分辨率不高，不能對人工林和天然林進行區(qū)分[27]，所以在今后的研究中，關于下游地區(qū)植被覆蓋對氣候變化的響應，應剔除或充分考慮灌溉等人為因素的影響。

4 結論

本文基于MOD13A3/NDVI歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，使用線性趨勢分析、Spearman秩相關系數(shù)分析的方法，分析了2000—2017年白龍江流域植被覆蓋和氣候因素的變化及其相關關系，探討了植被覆蓋對氣候因素的響應，得出以下結論:

1）從2000至2017年，白龍江流域全域植被覆蓋增加趨勢明顯，通過檢驗變化區(qū)域占總面積的97.02%，表明該流域近18年植被覆蓋整體提高，生態(tài)環(huán)境恢復明顯。建議保持現(xiàn)有的生態(tài)建設發(fā)展戰(zhàn)略，并在此基礎上進一步改善該流域生態(tài)環(huán)境。

2）在全流域大部分地區(qū)，植被覆蓋與氣溫和降水呈正相關，與相對濕度和日照時數(shù)呈負相關，表明白龍江流域植被對不同氣候因素的響應比較一致，即植被與氣候因子的關系具有空間同質性特點。

3）全流域少部分地區(qū)，植被覆蓋呈顯著增加的區(qū)域與氣候因素的相關性較弱，表明氣溫和降水對該區(qū)域植被覆蓋的增加影響有限，可能是生態(tài)建設的原因使植被覆蓋增加。因此，2000—2017年白龍江流域植被覆蓋的增加是人為因素和自然因素共同作用的結果。