毛烏素沙地周邊地區相對濕度與NDVI變化研究

蘆 鑫，殷淑燕

(1.陜西師范大學 地理科學與旅游學院，陜西 西安 710119;2.陜西師范大學 地理學國家級實驗教學示范中心,陜西 西安 710119)

在全球氣候變暖的背景下,各區域的降水、氣溫及其他氣候要素均發生了不同程度的變化。相對濕度是衡量空氣中水汽壓的指標,它的大小對降水和氣溫存在較大的敏感性,其中相對濕度與降水呈正相關,與氣溫呈負相關[1]。植被覆蓋在很大程度上受降水量變化的影響,研究表明植被覆蓋與降水量呈正相關[2-6]。在北方農牧交錯帶,植被變化與氣溫普遍存在負相關[7]。而相對濕度作為表征氣溫與降水平衡的指標,在一定程度上必然與植被覆蓋存在緊密聯系。

目前植被覆蓋與氣候變化之間的響應已成為許多學者的研究對象,主要集中于毛烏素沙地在內的整個黃土高原地區[8-11]、北方草地、西北地區或包括其部分地區的陜西省等研究區域。毛烏素沙地及周邊地區是對氣候變化響應敏感的地區之一,目前對該區植被與氣候響應的研究主要從溫度、降水的年際變化角度分析植被的水分收支平衡與群落類型演變[12-13],以及對毛烏素沙地氣候變化與植被覆蓋的單獨分析[14-18];主要采用的研究方法是基于遙感影像反演植被覆蓋度,建立植被指數與氣候因子之間的關系[19-21],而對毛烏素沙地植被變化與氣候因子相對濕度的關系研究較少。大多數研究從時間尺度探討植被與氣候因子的響應關系，并指出降水量和氣溫的變化均影響著植被覆蓋的變化,其中降水對植被的影響更為顯著[22]。然而，不同地區氣溫和降水的時間分布不均勻,且兩者還受其他因子的影響。本文選取衡量氣溫和降水平衡的相對濕度作為主要的氣候因子研究,基于1981—2015年研究區的GIMMS NDVI數據以及18個氣象站點的相對濕度數據,分別從時間、空間和穩定性三角度分析該地區植被指數與相對濕度時空變化特征及二者間的聯系,以期進一步解釋NDVI與氣候系統變化機理之間的相互作用,并對當前毛烏素沙地周邊地區生態修復提供理論支持與科學參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

毛烏素沙地位于內蒙古自治區、陜西省和寧夏回族自治區三省交界處,包括13個行政區,總面積約為4.22×104km2。毛烏素沙地周邊地區位于我國季風區的西陲,農牧交錯地帶以及陜北黃土高原向鄂爾多斯高原的過渡區。且為黃河流經地段,多年平均降水量從東南向西減少,在440mm至250mm之間變化。植被地帶多為干草原亞地帶、荒漠草原亞地帶,植被種類有草原與灌叢植被、沙生灌叢以及灘地上的草甸、沼澤植被等。考慮到毛烏素沙地數據的限制,選取毛烏素沙地周邊地區為研究區(見圖1)。

圖 1 毛烏素沙地周邊地區氣象站點分布圖Fig.1 Distribution map of meteorological stations in Mu Us peripheral area

1.2 數據來源和方法

1.2.1 數據來源 氣象數據選用由中國氣象局國家氣象信息中心資料服務室提供的中國標準氣象站點的地面月平相對濕度、降水、氣溫等。數據通過嚴格的篩選,將時間尺度統一在1981年1月至2015年12月,其中月數值完整站點最終為18個(見圖1)。

GIMMS NDVI數據為長期監測植被變化的數據源,具有覆蓋時間較長的優勢,故本文選取GIMMS NDVI為植被指數的研究數據。1981—2006年GIMMS NDVI長時間數據集來源于寒旱區科學研究中心,2007—2015年GIMMS NDVI長時間數據集來源于美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA),空間分辨率為8km,時間分辨率為15d,整套數據均經過預處理,包括大氣校正、輻射校正、幾何校正、真值恢復等。

1.2.2 研究方法

1)時段界線的確定

1998年中國開始進行退耕還林,這一變化必將導致局地小氣候的變化。結合人類活動的實施與研究區相對濕度的變化特征,故將研究時段1981—2015年劃分為時段1:1981—1999年,時段2:2000—2015年。

2)時間序列分析利用

1981—2015年年平均相對濕度和7～8月的NDVI值,對其進行統計分析,并計算其線性傾向率與五年滑動平均,并結合M-K法,對其長時間序列變化進行突變檢驗。

3)穩定度分析

針對相對濕度和NDVI采用適用于此指標的方法進行統計。平均相對濕度和NDVI分別計算氣候傾向率和NDVI綠度變化率(GRC)作為變化率來衡量穩定程度。

4)GRC綠度變化率(Greenness Rate of Change,GRC)

GRC可以反映某一時間段內植被的變化趨勢。具體算法參考文獻[23-25],其定義為:

當GRC <-0.006,NDVI顯著減少;

-0.006 < GRC <-0.001,NDVI輕度減少;

-0.001 < GRC < 0.001,NDVI基本不變;

0.001 < GRC < 0.006,NDVI輕度增加;

GRC> 0.006,NDVI顯著增加。

5)空間分析

反距離權重插值法具有有普適性,適用于氣象站點分布均勻區域。文中選取18個均勻分布于毛烏素沙地周邊地區的氣象站點數據,利用反距離權重插值法對相對濕度與NDVI值進行插值計算,通過掩膜提取制作空間分布圖。其中因未涉及沙地腹地站點數據,故文中沙地腹地空間分布與實際存在差異。

6)相關分析

利用SPSS軟件中相關分析程序分析年均相對濕度、氣溫、降水等氣候因子與NDVI的相關程度。

2 結果分析

2.1 相對濕度長期變化趨勢特征

2.1.1 相對濕度時間序列變化 1981—2015年毛烏素沙地周邊地區年均相對濕度整體上波動變化中呈微弱下降趨勢(圖2), 變化傾向率為-5.5%/10a,但未通過0.05的信度檢驗,表明近35年來毛烏素周邊地區氣候呈趨干化發展。研究區多年平均相對濕度為52.66%,平均相對濕度最低值為2005年的47.87%,比多年平均值低5.35%,最高值為2003年的58.37%,比多年平均值多5.15%,最高值與最低值相差達10.5%,可見區域內相對濕度波動程度較明顯。從5a滑動平均趨勢可知,近35年毛烏素沙地周邊地區相對濕度經歷了“低—高—低—高—低—高”的干濕交替變化趨勢,1988—1994年相對濕度持續高于多年均值,2004—2015年相對濕度持續低于多年均值。從M-K趨勢可以發現1995年之前相對濕度基本處于穩定狀態,但1995年之后相對濕度整體處于下降趨勢;1995—2005年下降趨勢明顯大于2006—2016年的變化,2005年后相對濕度變化較平穩,且有微弱的上升變化,這一結果與其線性趨勢變化基本一致,2006—2015年相對濕度線性傾向率為0.49%/10a。

2.1.2 相對濕度的穩定度分析 從圖3可知,1981—2015年毛烏素沙地周邊地區平均相對濕度變化傾向率為-0.32%～0.12%之間,呈下降趨勢范圍明顯大于增加趨勢范圍,即研究區在空間上整體呈下降變化。相對濕度變化傾向率低于-0.20的區域主要分布在毛烏素沙地外圍西部的寧夏平原,這可能與寧夏平原受黃河影響有關,河流流經以及水庫的調節,使其局部小氣候發生改變,河流豐水期,氣候較濕潤,而河流枯水期,氣候較干旱,氣候變率較大,故相對濕度變化傾向率較大;相對濕度變化傾向率介于-0.20%～-0.10%之間的地區主要分布在研究區東部,尤以沙地邊緣為主,相對濕度變化傾向率介于-0.10%～0%之間的地區主要分布在研究區北部、沙地西部邊緣及南部部分地區,其原因可能是沙地邊緣的中西部及研究區北部主要以旱生植被為主,降水量少,且降水變率小,河流流經少,受氣候變化的影響程度相對較東部小,且近年來氣溫升溫幅度大,可能導致相對濕度趨于降低;東部及沙地東部邊緣,因受黃河影響,其濕度變化率較沙地內部大;而南部地區受山地氣候影響,變化率較大。相對濕度高于0%的地區主要分布在南部的同心及東南部橫山、綏德等地區。

圖2 1981—2015年毛烏素沙地周邊地區相對濕度變化趨勢Fig.2 Changes of relative humidity in Mu Us peripheral area from 1981 to 2015

圖 3 毛烏素沙地周邊地區相對濕度變化率Fig.3 Contours of Relative Humidity Relative Variability of Mu Us peripheral area

2.1.3 相對濕度的空間分析 由圖4可知,1981—2015年毛烏素沙地周邊地區相對濕度呈現由東南向西北逐步減少,研究區內較濕潤的地區主要集中在毛烏素沙地外圍東南和東部的陜西省(延安、河曲等)及西部寧夏平原,這可能主要與該區域河流豐富以及處于山地迎風坡有關;較干旱區主要集中在研究區西北部及北部,可能主要是受其河流流經較少的影響。時段1與時段2,研究區相對濕度分別為46.51% ～ 60.43%和46.00% ～ 59.43%之間,最高值、最低值分別降低了1%和0.51%。時段1與時段2相比,2000年之后毛烏素沙地周邊地區整體相對濕度低于2000年之前;濕度>56%的地區略有減小;濕度>54%的地區由時段1時的研究區東南部和東部縮減為時段2的東南部;濕度<50%的地區呈現向南、向東擴張趨勢,惠農、東勝、包頭等地相對濕度下降明顯。

2.2 NDV長期變化趨勢特征

2.2.1 NDVI時間變化特征 從圖5可知,1981—2015年毛烏素沙地周邊地區NDVI值整體上波動變化中呈上升變化趨勢,增加趨勢為0.32/10a；2006—2015年NDVI增加趨勢明顯高于1981—2015年的變化,其線性傾向率為1.02/10a。NDVI近35年年均值為0.30,最低值為1982年的0.20,比多年均值低0.10；最高值為2013年的0.40,比多年均值高0.10,可見近年來植被指數有了很大變化。從M-K檢驗趨勢線可知:1981—1998年NDVI值處于平穩的微弱上升變化;1998—2006年NDVI出現短暫下降;2006年后,UF曲線與UB曲線在2007年左右出現一個交點,且UF曲線開始快速上升變化,在2010年前后超過0.05的顯著性檢驗,即表明NDVI值在2007年開始出現顯著的增加趨勢。

圖 4 毛烏素沙地周邊地區相對濕度空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of relative humidity in Mu Us peripheral area

毛烏素沙地周邊地區處于溫帶濕潤氣候、溫帶干旱、半干旱氣候的交錯帶,植被類型以森林草原、灌木、旱生草本為主。研究區NDVI值變化的原因可能與人類植樹種草有關。90年代后退耕還林意識增強,開始逐漸植樹種草。80年代初NDVI值處于低值狀態,特別是1982年達到低值,這可能與當時“農村土地家庭承包責任制”政策的實施以及植被人為破壞較嚴重有關;90年代后城市建設及農村土地制度禁止濫開墾土地,植被覆蓋保持相對穩定狀態。1999年開始實行退耕還林政策,植被指數有較大的提高,但1999—2005年植被指數并沒有持高狀態,反而出現一個下降趨勢,這可能與植被種植初期,需對環境有一個適應階段,故植被成活率低[13]。據有關研究顯示,黃土高原退耕還林初期,其植被成活率只有30%左右[13]。2005年之后,植被與環境適應良好,加之植樹種草行為得到社會的廣泛關注并付諸行動,NDVI值出現突增狀態。

圖5 1981—2015年毛烏素沙地周邊地區NDVI變化趨勢Fig.5 Changes of NDVI in Mu Us peripheral area from 1981 to 2015

2.2.2 NDVI的穩定度分析 1981—2015年研究區NDVI綠度變化率,將研究區植被覆蓋波動程度分為5級:顯著減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、顯著增加[22-25]。由圖6可知,1981—2015年毛烏素沙地周邊地區整體保持輕度增加的面積最大,且全區87.09%的區域屬于增加狀態。研究區沒有植被顯著減少的區域;在研究區北部包頭市存在較小范圍的綠度輕度減少,占全區面積的3.23%,未通過顯著性檢驗;植被綠度基本不變區主要分布在毛烏素沙地外圍東西側(興縣、烏海市、包頭市部分地區),范圍較小,占全區面積的9.68%,也未通過顯著性檢驗;植被綠度增加區覆蓋全區,其中東南部陜西省境內(延安、榆林、橫山)存在顯著增加趨勢,占全區面積的12.90%,基本通過0.05的信度檢驗。

圖6 毛烏素沙地周邊地區NDVI綠度變化率Fig.6 NDVI Green Change Rate in Mu Us peripheral area

2.2.3 NDVI的空間分析 NDVI值的取值范圍為[-1,1]。在植被生長季內,定義NDVI像元數值<0.35為低植被覆蓋,介于0.35 ～ 0.55之間為中等植被覆蓋,大于0.55為高植被覆蓋[26-27]。由圖7可知,研究區NDVI<0.35的低植被區占研究區面積的74.19%,0.350.55的高植被覆蓋區占研究區面積的3.23%,且NDVI值呈現東部及東南部高,西北部低,西部寧夏平原綠洲區高于周邊地區。時段1與時段2,研究區NDVI值分別在0.10 ～ 0.70和0.13 ～ 0.67之間,平均值分別為0.28和0.32,與時段Ⅰ相比增加了0.04,其中最低值增加了0.03,最高值減少了0.03;且NDVI值<0.20的范圍變小,NDVI>0.20的范圍擴大,尤以沙地西部邊緣、研究區西北部及北部NDVI值由0.20 ～ 0.25變為0.25 ～ 0.30,研究區東部及東南部NDVI值>0.35的范圍明顯增加。

毛烏素沙地周邊地區主要植被類型為東南部暖溫帶的森林草原、沙地內部半荒漠地帶的旱生植被以及西部寧夏平原河流沖刷形成的綠洲地帶。研究區植被指數空間分布東南高西北低,原因可能為東部和東南部地處溫帶季風氣候的邊緣,且為高原山地迎風坡,有利于夏季東部濕潤氣流的進入,降水較多,且河流較豐富,有利于植被生長,故其植被覆蓋較多,相對濕度較大;研究區西北部由于地勢的影響,濕潤氣流受阻,降水較小,且河流流經較少,相對濕度減弱,植被覆蓋也由森林草原過渡為草原荒漠,且該區處于農牧交錯區,歷史上受人類活動影響,植被破壞較嚴重,致土地退化,至今未完全恢復,故其NDVI值小;而西部寧夏平原因地勢南高北低,地勢平坦,黃河流經,且沖刷形成良好的土壤條件,引水灌溉方便,故植被發育良好。研究區空間分布反應了植被與水分的響應。

圖7 毛烏素沙地周邊地區NDVI空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of NDVI in Mu Us peripheral area

2.3 NDVI變化影響因素分析

從表1可知,植被指數(NDVI)與降水量呈顯著正相關,相關系數為0.51;NDVI與平均相對濕度呈弱正相關,相關系數為0.28,未通過顯著性檢驗;NDVI與氣溫相關系數為0.05,未通過顯著性檢驗。平均相對濕度與降水量呈顯著正相關, 與氣溫呈顯著負相關, 相關系數分別為0.53和-0.34。降水量與NDVI、相對濕度均呈極顯著正相關,與氣溫之間存在負效應。即當氣溫穩定時,降水量增加,相對濕度加大,植被指數增加;與此同時,植被指數增加,降水量增加,且植被具有涵養水源的生態作用,使得相對濕度也隨之增加。降水量與氣溫綜合影響相對濕度的大小,降水量的增減主要影響植被指數,相對濕度與植被指數通過降水量這一中介,間接發生相互作用。

表1 毛烏素沙地周邊地區相對濕度與氣候因子、NDVI相關性統計分析

Tab.1 Correlation analysis of correlation between relative humidity and climatic factors and NDVI in Mu Us peripheral area

指標NDVI相對濕度降水量平均氣溫 植被指數10.280.51**0.05 平均相對濕度0.2810.53**-0.34* 降 水 量0.51**0.53**1-0.10 平均氣溫0.05-0.34*-0.101

注:**在置信度為 0.01 時,相關性是顯著的;*在置信度為 0.05 時,相關性是顯著的。

圖8 1981—2015年毛烏素沙地周邊地區主要氣候因子及NDVI的M-K趨勢變化Fig.8 M-K trend changes of the main climatic factors and NDVI in Mu Us peripheral area from 1981 to 2015

從圖8可知,NDVI值UF曲線變化趨勢為1981—1998年NDVI值處于穩定期,1998—2006年NDVI值出現短暫下降,2006年后開始快速上升,且在2013年超過0.05的信度檢驗。相對濕度UF曲線變化趨勢為除1986年外,1981—1994年相對濕度無明顯變化,1994—2001年相對濕度開始迅速下降,2001—2003年短暫上升,2003年后基本處于穩定狀態。降水量UF曲線變化趨勢為1982—1998年降水量呈微弱下降趨勢,1998—2015年降水量處于波動變化,其中1998—2000年和2004—2006和2007—2011年,降水量呈微弱下降趨勢,2000—2004年和2011—2014年降水量呈上升變化。氣溫UF曲線變化趨勢為1982—1986年氣溫呈短暫下降趨勢,1986—1996年氣溫呈上升變化,1996年之后氣溫開始快速上升,且在1998年超過0.05的信度檢驗。對比NDVI與各氣候因子變化趨勢發現,1981—1996年,除極端年份(1982—1986年)外,氣候變化較穩定,NDVI、降水量、相對濕度三者變化趨勢一致,與氣溫變化趨勢無明顯相關性,這基本符合氣象學變化規律(降水量增加,相對濕度上升,有利于植被生長;相反,降水稀少,相對濕度也較低,阻礙了植被生長;溫度適度上升,有利于植被的生長,但溫度過高,則會使植被蒸騰作用加劇,地表水分蒸發加快,從而空氣中的相對濕度下降)。1996年之后,人類工業活動加劇,氣候快速升溫,加速了研究區地表水的蒸發,以及生活用水與工業用水的增加等,這些因素致相對濕度與降水量呈減少趨勢。1999年后,開始大規模退耕還林。還林初期(1999—2006年)植被對環境需要適應,植被存活率低,甚至影響當地生態環境,此階段NDVI值呈下降趨勢,對降水量和相對濕度影響較弱;2006年之后,植被生存環境開始穩定,植被存活率增加,此階段NDVI值開始快速上升,降水量與相對濕度理論上應受植被影響呈增加趨勢,但是三者變化曲線并不一致。1998年后溫度呈顯著升溫趨勢,理論上降水量、相對濕度應該呈下降趨勢,但事實上兩者的變化程度均很小。這些變化體現了NDVI與相對濕度、降水量、氣溫等氣候因子的相互作用。退耕還林后,氣溫適度升高,為植被生長提供了有利條件,但快速增溫,相對蒸發量加大,使相對濕度與降水量呈下降趨勢。而植被的增加則在一定程度上使相對濕度與降水量的下降程度減小,削弱了氣溫對相對濕度與降水量的影響。由圖8可知,在2013年后降水量與相對濕度出現增加趨勢。故在氣候變暖的背景下,植被的增加在一定程度上有利于調節氣候。

3 結 論

1)毛烏素沙地周邊地區近35年平均相對濕度為波動變化中呈下降趨勢, 變化傾向率為-5.5%/10a,2005年后相對濕度下降趨勢減弱,甚至出現微弱上升變化,變化傾向率為0.49%/10a;平均相對濕度在空間上表現出由東南向西北分布且逐步遞減;時段1(1981—1999年)年和時段2(2000—2015年)相對濕度范圍分別為46.51～60.43%和46.00～59.43%。與時段1相比,時段2相對濕度<50%的區域范圍擴大,主要分布在研究區西北部、北部地區;相對濕度>50%的區域縮小,主要為研究區整體向東南減少;黃河流經地寧夏平原、研究區東部和東南部山地段相對濕度變率較大,沙地西部邊緣及研究區西北、北部地區相對濕度變率較小。

2)1981—2015年,毛烏素沙地周邊地區植被指數呈增加趨勢,變化傾向率為0.32/10a;2005年后NDVI值開始快速上升,變化傾向率為1.02/10a。其空間上表現為東部、東南部高,西北部低,周邊寧夏平原、黃河東部流經區高于沙地邊緣區及西北庫布其沙漠。1981—1999年與2000—2015年,NDVI值范圍分別為0.10～0.70和0.13～0.67。與時段1相比,沙地西部邊緣、西北部及研究區北部植被指數有明顯增加變化。毛烏素沙地周邊地區87.09%的區域,NDVI值呈輕度增加趨勢,其中東南部NDVI值呈顯著增加變化。

3)1981—2015年, 毛烏素沙地周邊地區NDVI與相對濕度存在弱正相關,與降水量呈顯著正相關;相對濕度與降水量呈顯著正相關,與氣溫呈顯著負相關。1981—1996年,氣候變化穩定期,NDVI、相對濕度、降水量變化趨勢呈現一致性,即氣溫基本穩定時,降水量增加,相對濕度增加,也有利于植被生長,相反降水量減少,相對濕度減少,也不利于植被生長;1996—2015年,氣候快速增溫期,一定程度上滿足了植被生長需求,但是溫度過高,使得相對蒸發量增加,致降水量與相對濕度有所降低。1999年后人為退耕還林致NDVI值上升,一定程度上減弱了相對濕度與降水量的下降程度。

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