黃河三角洲NDVI時空演化特征及其驅動因素*

安樂生 趙全升 周葆華 劉貫群

(1. 安慶師范大學資源環境學院 安慶 246133; 2. 中國海洋大學環境工程系 青島 266100; 3.青島大學環境科學系青島 266071)

植被既是陸地生態系統的主體, 也是人類重要的環境資源和物質資源。它具有截留降雨、減少雨滴擊濺、減緩地表徑流、保土固土等功能, 是土壤侵蝕與水土流失的主要監測因子, 在地球的能量轉化和物質循環中起著特殊而重要的作用(張寶慶等, 2011;趙麗紅等, 2016)。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個重要指標, 也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子, 對于區域環境變化和監測研究具有重要意義(馬志勇等, 2007)。植被覆蓋度的測量可分為地面測量(田間尺度)和遙感估算(區域尺度)兩種方法。目前已經發展了植被指數法(North, 2002; Liu et al,2016)、經驗模型法(Van De voorde et al, 2008)、像元分解模型法(Johnson et al, 2012; 李恒凱等, 2014)等很多基于遙感反演手段的植被覆蓋度估算方法(沈芳等, 2006; 程紅芳等, 2008; 周葆華等, 2014; 趙麗紅等, 2016), 其中最為常見也較為實用的是利用歸一化植被指數(NDVI)近似估算植被覆蓋度。

當前, NDVI研究側重于植被覆蓋時空演變遙感監測與分析, 以及生物量估算、區域蒸散發、土壤水分反演等領域, 偏好探討NDVI與氣候因子之間的相互關系, 而在環境因子和人為因素對其影響方面研究較為欠缺(李明杰等, 2011; 張景華等, 2015; 田義超等, 2016)。近年來, 黃河流域(劉綠柳等, 2006)包括黃河三角洲地區(李明杰等, 2011)NDVI時空動態及其與降水、溫度、徑流之間的關系偶見討論, 但對NDVI時空變化的自然和人為影響因素分析仍然有限。黃河三角洲地理位置獨特, 自然條件特殊, 生態環境敏感脆弱。該地區地下水淺埋, 且鹽分含量很高(陰離子中 Cl-占比很高), 對土壤鹽漬化及植被生長發育具有重要影響(安樂生等, 2015)。此外, 區域還受到黃河下游調水調沙及生態補水等人為活動影響。因此, 本研究擬在分析NDVI空間分布及其動態變化規律的基礎上, 側重于多重驅動因素的關鍵作用行為探討。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一, 位于渤海灣南岸和萊州灣西岸, 可分為古黃河三角洲和現代黃河三角洲兩部分。現代黃河三角洲是指 1855年黃河改道入渤海后淤積形成的、以寧海為頂點, 東起淄脈溝, 西至徒駭河, 向海伸展到16m等深線附近的扇形堆積體。研究區屬小清河以北黃泛平原區, 地勢低平, 海拔高度低于 15m, 地面坡降為 1/8000—1/12000。區內地下水位埋深普遍較淺, 一般為 0.5—2.0m, 崗地與河灘高地較深, 坡地次之, 洼地與濱海低地最淺(大部分小于1.0m)。潛水Cl-、Na+和總溶解性固體(TDS)含量很高, 而 HCO3-、CO32-和 K+含量很低(安樂生等, 2011; 丁喜桂等, 2014)。

圖1 研究區及采樣布置示意Fig.1 Sampling stations in the study area

研究區東、北以海岸線為界, 西、南分別延伸至黃河三角洲北部自然保護區(1976年以前引洪的黃河故道)西端和東部自然保護區(黃河入海口)的南端(118°34′— 119°15′E, 37°36′— 38°09′N), 總 面 積 約2719.8km2, 其中 1855年以后的現代黃河三角洲占86.5%, 見圖 1(a)。黃河三角洲自然保護區由東、北兩部分組成, 總面積約 1530.0km2。保護區共有種子植物42科、390多種, 以禾本科、豆科、菊科、藜科居多, 植被覆蓋率約為55%, 其中典型植被翅堿蓬、蘆葦和檉柳分布較廣。

1.2 研究方法

本研究遙感資料選用“對地觀測數據共享計劃”中LANDSAT系列影像數據共4景, 成像時間分別為2002年10月15日、2006年10月2日、2008年10月7日及2013年10月5日。環境數據主要是2006—2010年黃河三角洲濱海濕地綜合地質調查與評價項目 151個采樣站位的潛水氯離子質量濃度[c(Cl-)]和表層土壤氯離子含量[w(Cl-)](考慮 Cl-在土壤和潛水中含量或濃度很高, 且對植物生長具有較強的抑制脅迫作用), 見圖1(b)。背景數據主要包括研究區DEM數據(來源于2000年2月美國地質調查局SRTM地形高程數據)、相關時段區域(東營市)水文氣象統計數據、黃河水利委員會(黃委)發布的黃河下游調水調沙與生態補水資料等。

以 4幅遙感影像作為植被空間分布與植被覆蓋動態研究的基礎數據, 根據野外調查及該地區植被研究的既有成果, 闡明區域NDVI時空分布狀況。通過ENVI 4.8軟件提取上述4景影像的NDVI, 之后將其導入 ArcGIS 10.2軟件中生成 NDVI分級分布圖,同時利用SPSS 17.0軟件制作重采樣后(將Cellsize由原來的 30m調整為 1000m, 從而減小圖像的柵格數,便于后續統計分析)的 NDVI頻數分布圖, 再結合地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)空間分布及有關水文氣象資料等, 探討區域NDVI變化的時空特征及其驅動因素。其中地形分布利用 SRTM 數據由MICRODEM軟件生成。表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)空間分布借助ArcGIS 10.2軟件地統計模塊, 在數據檢驗的基礎上, 采用Ordinary Kriging方法分別對二者進行線性無偏插值后獲得。

2 結果分析

2.1 NDVI空間分布特征

結合野外調查, 由圖2(a—d)可以看出, NDVI≤0的區域為非植被分布區, NDVI＞0的區域為植被分布區。近海地帶特別是東南和東北部光灘和蝦蟹池NDVI很低, 鮮有植被分布。其中, NDVI＜-0.1的區域主要是庫塘、鹽田、蝦蟹池; NDVI在-0.1—0之間的區域主要是潮灘和裸地。黃河現行河道和刁口故道兩側地區植被覆蓋程度較高、長勢總體較好, NDVI普遍在 0.2以上, 離河道越近 NDVI越高, 顯著表明黃河河道、故道水系(淡水)促進植被發育生長。譬如東部自然保護區中部(大汶流管理站附近)、黃河現行流路與刁口故道交匯區、孤島水庫西側等典型區域NDVI一般超過0.4, 局部地區NDVI在0.5以上, 這些區域主要是一些優質玉米地和蘆葦蕩(黃河三角洲地區發育有大片天然的蘆葦蕩, 蕩內蘆葦生長密集,葦葉闊大、厚實, 導致植被覆蓋率很高)。

從空間格局來看, 黃河三角洲地區 NDVI可分為高、中、低值區。其中, 高值區NDVI＞0.4, 為高植被覆蓋區, 分布在黃河現行河道和刁口故道兩側區域,距河道或故道約1.0—7.5km, 整體呈斜“Y”形狀展布;低值區 NDVI＜0.1, 為稀疏植被覆蓋區, 主要是海岸帶的沿岸陸地部分, 沿海岸線向陸地延伸約 5.0—10.0km, 沿海岸線呈條帶狀分布; 中值區 NDVI在 0.1至0.4之間, 為中等植被覆蓋區, 主要以3大斑塊分布于黃河現行流路(或刁口故道)與海岸帶之間的過渡區域, 具體包括: 刁口故道西側區(渤海農場—綦家屋子地區)、神仙溝兩側區域(孤島水庫—孤北水庫—孤東水庫—黃河口管理站地區)和大汶流管理站西南部地區。

2.2 NDVI年際動態變化規律

圖 2(a—d)是遙感影像提取 NDVI的運算結果。2002、2006、2008、2013年10月研究區NDVI計算結果分別為-0.60—0.61、-0.44—0.50、-0.65—0.71、-0.32—0.64。2002年, 研究區有近 50%區域的NDVI＜0, 在黃河現行河道和刁口故道附近 NDVI高值像元分布較少, 甚至出現無植被覆蓋區, 導致河道與故道兩側 NDVI斜“Y”形展布規律不明顯, 說明該年度植物生長發育形勢較差, 區域植被覆蓋率偏低。2006、2008、2013年 NDVI低值區面積逐漸減小, 而中、高值區面積在擴展。2008年較2006年高值像元明顯增多, 致使黃河現行河道和刁口故道兩側區域NDVI斜“Y”形分布態勢完全呈現。在黃河入海口地區, 上述年份NDVI＞0的區域逐年增加, 且NDVI值逐年上升, 以2013年最為明顯, 反映出河口地區植物分布范圍不斷擴大, 植被覆蓋度增大, 生態環境持續改善。

圖 2(e—h)是在圖 2(a—d)的基礎上, 對柵格數據重采樣(Cellsize由30m變為1000m)后的NDVI頻數分布, 可以清晰地看出, 研究區各年份 10月 NDVI均近似服從正態分布, 2002、2006、2008、2013年10月區域 NDVI均值分別為-0.04、0.06、0.10、0.16, 各年份 NDVI＞0的面積分別約為 1253、1733、1742、2175km2(由大于零的柵格個數乘以重采樣后的柵格像元大小確定), 占區域總面積的百分比分別是43.67%、60.01%、66.82%、81.77%。上述統計結果顯示, 2002至2013年, 研究區NDVI＞0的柵格數隨年份明顯增加, 柵格單元屬性(NDVI)的頻數分布變量均值近似由0向0.2移動, 頻率分布曲線形狀漸趨正態, 表明黃河三角洲地區 NDVI總體呈增加的態勢,區域植被覆蓋狀況明顯增加, 尤其是濱海地區天然植被的恢復面積擴大, 總體長勢好轉。

2.3 影響NDVI時空分布的主要因素

2.3.1 環境因素影響 NDVI整體空間分布格局植被生長主要受制于氣候條件和水鹽等環境因素。在同一尺度范圍下, 氣候因子的空間變異通常較環境因子弱。顯然, 黃河三角洲地區水位、水分、鹽分等水鹽環境條件與離海遠近有很大關系, 加之黃河淡水補給, 海陸兩相作用、河海兩相交匯導致水鹽因子產生更為顯著的空間變異(安樂生等, 2011)。由圖 3可知, 地形高度、表層土壤 w(Cl-)和潛水 c(Cl-)在空間分布上具有一定的方向性, 即由內陸(東部自然保護區西端)到海岸線, 地形高度由 12—14m逐漸降至0—2m, 而表層土壤 w(Cl-)由低于 1.0g/kg增至超過10.0g/kg, 潛水 c(Cl-)則從小于 2.0g/L較快升至25.0g/L以上, 這一高度或濃度分布特征與NDVI高、中、低值區分布匹配較好。此外, 從黃河現行流路或刁口故道向濱海地區觀察可以發現, 地形緩降、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)漸增的趨勢在此方向上也較為清晰, 這一分布趨勢也恰與黃河現行河道和刁口故道兩側區域NDVI呈斜“Y”形分布態勢吻合。

圖2 不同年份黃河三角洲地區NDVI及其頻率分布Fig.2 NDVI and its frequency of the Huanghe (Yellow) River Delta in different years

結合151個采樣站位NDVI與地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)的相關性分析可知, NDVI與地形高度呈正相關, 相關系數(R)為 0.33; 與表層土壤w(Cl-)和潛水 c(Cl-)均呈負相關, R分別為 0.740和0.737, NDVI與表層土壤 w(Cl-)和潛水 c(Cl-)相關性較好。事實上, 地形因素對植被的影響, 主要通過影響地下水位、潛水與土壤中鹽分遷移等因素實現, 也就是說, 地形高度的植被效應, 一定程度上可歸到水鹽因子當中。考慮到黃河三角洲地區地下水埋深普遍較淺, 地下水位、土壤水分含量空間變異相對于水土環境中鹽分含量較弱。又因表層土壤 w(Cl-)和潛水c(Cl-)間 R為 0.643, 表明潛水 c(Cl-)對土壤 w(Cl-)影響顯著, 潛水 c(Cl-)一定程度上控制著土壤 w(Cl-)的空間分布與變異(安樂生等, 2015), 進而影響到植被的分布生長。可見, 地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)等環境因素綜合作用影響區域NDVI空間分布格局, 尤其是潛水c(Cl-)的關鍵控制作用更為明顯。

圖3 地形高度、表層土壤w(Cl-)和潛水c(Cl-)空間分布(地形高度由美國地質調查局2000年2月SRTM數據生成)Fig.3 The spatial distribution of terrain elevation, w(Cl-) of surface soil layer, and c(Cl-) of phreatic water

2.3.2 氣候條件造成 NDVI年際動態變化 研究區主要位于東營市的墾利縣和刁口區, 該地區降水和氣溫等相關數據可借鑒東營市水文氣象資料。1997—2002年, 黃河流域連年干旱少雨。其中, 東營市1997年遭受了自1916年以來的特大夏旱, 6、7月份全市平均降水量僅 54.6mm, 為歷史同期水平的21.0%; 2002年東營市降水量為 356.1mm, 較常年偏少37.6%(少214.6mm)。2003年以后降水逐漸恢復至常年水平, 2003—2013年東營市年均降水量為556.4mm。區域降水由稀少轉為正常, 顯然有利于植被的生長, 并導致 NDVI數據增大。1997—2013年,該地區年均氣溫變化穩定, 年均氣溫平均值為13.6°C。各年份年均氣溫圍繞均值上下波動, 幅度在0.5°C以內。其中, 最低氣溫出現在2003年為13.2°C,這一定程度上受2003年降雨量(782.3mm)較大影響。顯然, 氣溫的起伏波動影響地表和潛水蒸發, 勢必對植被生長產生影響。

圖4 1997—2013年東營市各年份年均降水量與氣溫變化Fig.4 Changes of annual precipitation and air temperature in Dongying city during 1997—2013

李明杰等(2011)認為黃河三角洲地區NDVI與降水、氣溫均有較高的相關系數, R分別為0.63、0.81, 在考慮植被生長發育與降水、溫度延遲特性的情況下,并以延遲1個月的數據為參考, R分別可達到0.75、0.89。可見, 氣溫和降水綜合作用于植被生長發育,二者的年際動態變化也會引起植被覆蓋度和 NDVI數據的波動。此外, 雨水除補充植物生長所需的水分外, 在黃河三角洲這一特定地區, 雨水徑流還有沖刷淋溶土壤鹽分的重要作用。結合 1997—2013年降水前期少、后期漸多并趨于正常的顯著變化, 可以認為在研究時間內, 降水對該區域NDVI在年際上呈現良性變化具有重要影響。

2.3.3 生態調度人為影響過水區域 NDVI分布前已述及, 黃河現行河道和刁口故道兩側區域 NDVI呈斜“Y”形分布, 植被長勢較好。從圖2(a—d)可進一步看出, 無論較干旱的 2002年, 還是降雨量已有緩和的 2006、2008、2013年, 黃河現行流路和故道兩側NDVI明顯高于其他地區, 說明黃河及其故道對維護區域生態系統健康具有重要作用, 尤其是生態脆弱、環境敏感的河口三角洲濕地。事實上, 在上世紀 90年代, 黃河水資源供需矛盾突出, 出現年年斷流, 導致尾閭三角洲生態系統受到持續破壞。為實現黃河功能性不斷流, 加強流域生態環境管理和生態風險管控, 1998年黃河水利委員會(黃委)對黃河流域水資源實施統一管理調度。

2002—2009年, 黃委連續實施了9次汛前黃河調水調沙(歷時 133d)。2008年, 結合第 8次調水調沙,黃委首次有計劃地開展了對黃河河口三角洲的生態調水。2008、2009年分別向河口三角洲15萬畝濕地人工補水量分別為1355.6、1507.7萬m3, 生態補水后,東部自然保護區核心區濕地水深平均增幅分別為0.3、0.4m, 保護區低覆蓋(30%以下)植被面積2009年較2008年增加了89%(見表1), 河口地區濕地面積逐漸增加, 指示性植被蘆葦在發芽和生長旺盛期的生態用水得以保障, 區域生態環境不斷改善(李國英等,2011)。2010年, 黃委在繼續實施汛前調水調沙及向河口三角洲生態調水的同時, 適時開展了刁口河流路恢復過水試驗工程, 向刁口故道調水3608萬m3。刁口河實現全線過水, 河道過水面積達到 23.3km2,自然保護區進水800萬m3, 面積達13.4km2。刁口故道生態補水基本上遏制了故道植被逆向演替趨勢,受損的敏感生境和濕地植被結構得到修復。

表1 2008—2010年黃河三角洲河口濕地生態補水及成效Tab.1 Ecological water replenishment and effectiveness onto the Huanghe (Yellow) River Delta wetland in 2008—2010

可見, 持續開展的黃河下游生態調度對過水區域特別是河口地區植物正常生長、濕地植被恢復及其順向演替、NDVI良性變化等有顯著的促進作用。河口補水的環境效益和生態恢復效果, 將因調水的較長期實施和生態系統趨變因素影響演替的延遲性,而逐步得到顯現和發展。

3 結論

(1) 黃河三角洲地區 2002、2006、2008、2013年 10月的 NDVI范圍分別為-0.60—0.61、-0.44—0.50、0.65—0.71、-0.32—0.64, 均值分別為-0.04、0.06、0.10、0.16, NDVI＞0 的面積分別約為 1253、1733、1742、2175km2, 分別占區域總面積的 43.67%、60.01%、66.82%、81.77%。區域 NDVI總體呈逐漸增加的態勢, 表明區域植被覆蓋增加, 尤其是濱海地區天然植被的恢復面積逐漸擴大, 總體長勢好轉。

(2) 在空間格局上, 近海地帶特別是東南和東北部光灘和蝦蟹池NDVI很低, 鮮有植被分布; 黃河現行河道和刁口故道兩側地區植被覆蓋程度較高、長勢總體較好。該地區NDVI可分為高、中、低值區, 分別對應高植被覆蓋區(NDVI＞0.4)、中等植被覆蓋區(NDVI為0.1—0.4)和稀疏植被覆蓋區(NDVI＜0.1), 且按離海遠近, 在區域范圍內分別呈現斜“Y”、斑塊和條帶狀布置。

(3) 地形高度、地下水和土壤水鹽條件(尤其是潛水氯離子濃度)等環境因素影響NDVI整體空間分布格局, 區域降水和氣溫等氣候條件造成 NDVI年際動態變化, 而持續開展的黃河下游生態調度對過水區域特別是河口地區NDVI良性變化具有顯著的促進作用。

丁喜桂, 葉思源, 趙廣明等, 2014. 黃河三角洲濱海濕地演化及其對碳與營養成分的扣留. 海洋與湖沼, 45(1): 94—102

馬志勇, 沈濤, 張軍海等, 2007. 基于植被覆蓋度的植被變化分析. 測繪通報, (3): 45—48

田義超, 梁銘忠, 2016. 北部灣沿海地區植被覆蓋對氣溫和降水的旬響應特征. 自然資源學報, 31(3): 488—502

劉綠柳, 肖風勁, 2006. 黃河流域植被 NDVI與溫度、降水關系的時空變化. 生態學雜志, 25(5): 477—481, 502

安樂生, 周葆華, 趙全升等, 2015. 黃河三角洲土壤氯離子空間變異特征及其控制因素. 地理科學, 35(3): 358—364

安樂生, 趙全升, 葉思源等, 2011. 黃河三角洲地下水關鍵水鹽因子及其植被效應. 水科學進展, 22(5): 689—695

李國英, 盛連喜, 2011. 黃河調水調沙的模式及其效果. 中國科學: 技術科學, 41(6): 826—832

李明杰, 侯西勇, 應蘭蘭等, 2011. 近十年黃河三角洲 NDVI時空動態及其對氣溫和降水的響應特征. 資源科學, 33(2):322—327

李恒凱, 劉小生, 李博等, 2014. 紅壤區植被覆蓋變化及與地貌因子關系——以贛南地區為例. 地理科學, 34(1):103—109

沈芳, 周云軒, 張杰等, 2006. 九段沙濕地植被時空遙感監測與分析. 海洋與湖沼, 37(6): 498—504

張寶慶, 吳普特, 趙西寧, 2011. 近 30a黃土高原植被覆蓋時空演變監測與分析. 農業工程學報, 27(4): 287—293

張景華, 封志明, 姜魯光等, 2015. 瀾滄江流域植被 NDVI與氣候因子的相關性分析. 自然資源學報, 30(9):1425—1435

周葆華, 尹劍, 金寶石等, 2014. 30年來武昌湖濕地退化過程與原因. 地理學報, 69(11): 1697—1706

趙麗紅, 王屏, 歐陽勛志等, 2016. 南昌市植被覆蓋度時空演變及其對非氣候因素的響應. 生態學報, 36(12): 3723—3733

程紅芳, 章文波, 陳鋒, 2008. 植被覆蓋度遙感估算方法研究進展. 國土資源遙感, (1): 13—18

Johnson B, Tateishi R, Kobayashi T, 2012. Remote sensing of fractional green vegetation cover using spatially-interpolated endmembers. Remote Sensing, 4(9): 2619—2634

Liu X F, Zhu X F, Pan Y Z et al, 2016. Vegetation dynamics in Qinling-Daba Mountains in relation to climate factors between 2000 and 2014. Journal of Geographical Sciences,26(1): 45—58

North P R J, 2002. Estimation of fAPAR, LAI, and vegetation fractional cover from ATSR-2 imagery. Remote Sensing of Environment, 80(1): 114—121

Van De Voorde T, Vlaeminck J, Canters F, 2008. Comparing different approaches for mapping urban vegetation cover from landsat ETM+ data: a case study on Brussels. Sensors,8(6): 3880—3902