涇河上游植被覆蓋動態及其與降水徑流的關系

李巧玲，王榮克，董小濤，黃鵬年，顧瑋琪

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098；2.上海勘測設計研究院有限公司，上海200434；3.水利部綜合事業局，北京100053)

涇河上游植被覆蓋動態及其與降水徑流的關系

李巧玲1，王榮克2，董小濤3，黃鵬年1，顧瑋琪1

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098；2.上海勘測設計研究院有限公司，上海200434；3.水利部綜合事業局，北京100053)

采用Mann-Kendall法、雙累積曲線法和二維視圖技術分析涇河三關口以上流域1982年～2006年植被動態、降水及徑流變化，研究植被與降水徑流的關系。結果表明，降水量呈下降趨勢，流域逐年植被覆蓋從20世紀90年代中后期呈下降趨勢，均不顯著；徑流量呈顯著下降趨勢，且在1995年出現突變。植被與降水的關系不太密切，而植被類型改變對徑流減少的作用不可忽視。

植被覆蓋動態；歸一化植被指數；降水；徑流；涇河上游

0 引 言

歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index， NDVI)與植被綠色葉片生物量、植物光合作用能力及植被的生產力有很好的對應關系， 其變化在一定程度上能代表地表覆被變化[1- 3]。在各種NDVI數據中， AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer,先進甚高分辨率輻射儀，是裝載在美國國家海洋大氣局的第三代實用氣象觀測衛星上的主要傳感器) NDVI有20多年的數據積累，在植被的長期監測和研究中具有不可替代的優勢。目前，NDVI與降水、氣溫等氣候變量的相關性研究已取得一定進展，NDVI與徑流的關系研究還比較少[4]。

涇河為黃河的二級支流，黃河十大水系之一，流經寧夏、甘肅、陜西三省(區)，流域面積為 45 421 km2，是亞洲夏季風可影響到的內陸地域。流域南部年平均降水500 mm 以上，屬于冷溫帶半濕潤區。頡河是涇河一級支流，位于黃土高原西部寧(夏)南山區，變化環境下流域水土流失、水資源短缺等問題越來越突出，已成為制約經濟社會發展的重要因素。三關口水文站是頡河控制站。采用長序列GIMMS(Global Inventor Modeling and Mapping Studies美國航空航天局(NASA)全球監測與模型研究組)/ NDVI數據，選取三關口以上流域作為研究區域，從流域尺度上研究過去25年間(1982年～2006年)植被動態變化及其與降水、徑流的關系，探討植被變化對徑流的影響，對于水資源管理及生態環境治理具有重要的理論與現實意義[5]。

1 研究區概況

三關口水文站是六盤山東側半濕潤石山林區代表站。涇河三關口以上流域地處寧夏涇源縣內，流域面積為 218 km2，多年平均降水量為540 mm。流域內有大灣、瓦亭、什子等雨量站(圖略)。流域上游森林植被覆蓋率高，調蓄作用大，降雨季節變化明顯，7月～10月的徑流量占年徑流量的一半以上。冬季降水量較少，徑流主要靠地下水補給。多年平均徑流量(1970年～2007年)2 410萬m3。

2 數據與方法

2.1 數據的來源與處理

植被數據來自GIMMS發布的 GIMMS/NDVI 1982年～2006年的NDVI數據， 時間分辨率為15 d， 空間分辨率為8 km×8 km[6]。先提取計算三關口以上流域范圍內每半月的NDVI累計值，對一年內每月的NDVI累計值求算術平均，再求和得流域逐年的NDVI累計值。研究表明[7]，逐年的NDVI累計值與生物量高度相關，可以用來表征植被的年際變化。水文氣象數據包括1970年～2007年三關口以上流域各雨量站點的逐日降水量及三關口逐日徑流量，來源于寧夏水文水資源勘測局。流域面平均雨量采用算術平均法進行計算。

2.2 Mann-Kendall方法

采用Mann-Kendall法(非參數檢驗法)分析逐年NDVI累計值、降水量與徑流量的年際變化趨勢與突變點。該方法應用廣泛[8- 9]，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾。即，對具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列Sk；在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量

(1)

(2)

其中，UF1=0,ri,E(Sk),Var(Sk)由下列各式計算

(3)

E(Si)=i(i-1)/4

(4)

Var(Si)=i(i-1)(2i+5)/72

(5)

按時間序x的逆序xn,xn-1,…,x1，重復上述過程，重新計算UFi同時使UBi=-UFi,i=n,n-1,…,1。繪制UFi和UBi兩條曲線，若UFi或UBi的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。如果這兩條曲線在臨界線之間出現交點，且序列存在顯著變化趨勢，則該交點就是系列的突變點。

2.3 雙累積曲線方法

采用雙累積曲線方法分析降水徑流累積關系出現突變的時間，在直角坐標系中繪制1970年～2007年降水連續累積值與徑流連續累積值的關系線。該方法用于長期演變趨勢分析具有簡單和直觀的特點，應用也很廣泛[10]。如果雙積累曲線的斜率發生突變，則表示兩個變量之間的比值(常數)發生了改變，或者該比值可能不是常數。如果可以忽略比值是變量的可能性，那么斜率發生突變點所對應的年份就是兩個變量累積關系出現突變的時間[10- 11]。

3 結果與分析

3.1 年降水、NDVI及徑流序列分析

利用Mann-Kendall方法對三關口以上流域1982年～2006年逐年NDVI累計值及1970年～2007年逐年降水和徑流序列進行分析，顯著性檢驗(α=0.05)，結果如圖1所示。對于降水、NDVI和徑流資料都可以利用的時期(1982年～2006年)，年徑流量呈現下降趨勢，且減少趨勢顯著，突變點(UF與UB的交點)發生在1995年，其中最大年徑流量為4 998萬m3，出現在1992年，之后年徑流均未超過3 000萬m3；年降水量有波動，整體上也呈現下降趨勢，但不顯著；逐年NDVI累計值呈微弱的增加趨勢，之后呈微弱的下降趨勢，但不顯著，表明植被覆蓋變化趨勢不顯著。

3.2 降水、NDVI及徑流逐月變化特征

將時間序列數據以二維矩陣[月×年]表示，然后將二維矩陣以圖的形式表達。為了增強圖形的表達效果，采用插值方法(線性、平方和對數等)對每個點(或柵格)進行處理，并畫出等值線(見圖2)，其中NDVI累計值是實際值放大100倍的結果。

圖1 1982年～2006年逐年NDVI累計值、1970年～2007年逐年降水和徑流序列MK檢驗結果

圖2 1982年～2006年NDVI累計值、降水和徑流量的二維視

由圖2可以看出，流域NDVI累計值的最大值出現在7月～8月，其中1990年7月達最大值613(無量綱)，并從1997年開始呈現減少的趨勢，表明7月～8月植被覆蓋略有下降；最小值出現在1～3月，這些月份植被覆蓋變化微弱，1984年2月份NDVI累計值僅為142。降水量最大值出現在8月～9月，其中1992年8月最大，達315.9 mm；最小值出現在12月～次年3月，整月無降水的現象時有發生。徑流量最大值大多出現在8月～9月，有些年份出現在10月，例如2003年，其中1992年8月的徑流量達2 563萬m3；最小值出現在1月～3月，其中1998年1月的徑流量僅為56萬m3。

3.3 降水、NDVI及徑流的關系

由圖2及Mann-Kendall檢驗結果知，1982年～2006年，NDVI累計值與降水關系不太密切，植被受降水的影響不太大。可能主要是因為流域上游森林植被覆蓋率高，森林的根系發達可以獲取大量的水分，所以受到降水短缺的影響不會明顯體現。

在這段時期內，NDVI累計值、降水的長期變化趨勢均不顯著；而徑流量下降趨勢顯著，且發生了突變。進一步分析降水徑流雙累積曲線(見圖3)發現，該累積關系在1995年左右發生突變，1995年前雙累積線坡度較緩，斜率僅為4.26；1995年后雙累積線坡度較陡，斜率達6.75。這表明同樣的降水條件下，1995年后的年產流量小于1995年前的年產流量。1995年前后兩條擬合線精度都較高，1995年前相關系數為0.997 6，1995年后相關系數為0.998 4，說明降水-徑流關系在1995年前后確實發生了較大變化。

圖3 三關口以上流域降水-徑流深雙累積曲線

植被覆蓋變化較大的時期與徑流顯著變化的時期大致相同(20世紀90年代中后期)。這可能主要是因為墾荒、亂挖濫伐，使植被遭到破壞，植被類型從林地轉化為草地和農作物；再加上干旱，植被需水量增加；進而導致徑流量減少。雖然從2000年開始實施退耕還林還草工程，主要栽種了落葉松、山杏、山桃和刺槐等樹種[12]；但就落葉松而言，成材至少需要12～15 a，生長緩慢，植被質量不會馬上提高。

4 結 語

本文基于GIMMS/NDVI數據和水文氣象數據，采用Mann-Kendall法、雙累積曲線法和二維視圖技術研究了三關口以上流域1982年～2006年植被覆蓋動態變化及其與降水徑流的關系。結果表明：年降水量呈現減少趨勢，植被在20世紀90年代中后期呈現減少的趨勢，但均不顯著；徑流量呈現顯著下降趨勢；植被與降水之間的關系不太密切；降水量變化是徑流量變化的一個重要影響因素，植被變化對徑流量變化也起著重要作用。植被類型的改變在徑流量的減少中扮演著重要的角色，在徑流量的模擬與預報中不可忽視。需要指出的是，本文關于植被與降水徑流關系的分析多為定性分析，然而受土壤類型，地形地貌特征，植被類型及空間分布等多種因素的影響，三者之間的關系十分復雜。進一步探討變化環境下三者之間的定量關系，探討其物理成因，具有重要的理論和現實意義。

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(責任編輯 陳 萍)

Vegetation Dynamics and Its Relationship with Precipitation and Runoff in Upper Jinghe River Basin

LI Qiaoling1， WANG Rongke2， DONG Xiaotao3， HUANG Pengnian1， GU Weiqi1

(1. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， Jiangsu， China;2. Shanghai Investigation， Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434， China;3. Bureau of Comprehensive Development， Ministry of Water Resources， Beijing 100053， China)

The Mann-Kendall method， Double Mass Curve method and 2D visualization technique are employed to investigate the vegetation dynamics， precipitation and runoff trend， and the relationships between them in upper Jinghe River Basin between 1982 to 2006. The results show that a decreasing trend for annual precipitation during the whole available period and a decreasing trend for annual vegetation since the mid and late 1990s are both trends being not significant， the decreasing trend for annual runoff is significant and the break point of annual runoff is detected in 1995. The vegetation has no close relationship with precipitation in the basin， but it is not negligible to consider the impact of vegetation type changes on runoff reduction．

vegetation dynamics; NDVI; precipitation; runoff; upper Jinghe River Basin

2015- 01- 05

國家自然科學基金資助項目(41201028，41130639)

李巧玲(1982—)，女，河南許昌人，講師，博士，主要從事流域水文模擬及預報、流域水文過程對氣候變化的響應研究．

TV121；X171

A

0559- 9342(2015)11- 0021- 03