額濟納植被覆蓋變化及對地下水埋深的響應

趙玉

摘要：利用MODIS衛星遙感數據，建立了1998-2015年額濟納地區植被覆蓋時空數據集，借助Mann-Kendall趨勢檢驗和地統計學分析等方法，探討了額濟納地區植被覆蓋時空分布特征及其動態變化規律，揭示了研究區植被覆蓋變化對地下水位埋深的響應機制。結果表明：1998-2015年額濟納地區年平均歸一化植被指數（NDVI）為0.072～0.089，從年際變化特征看，額濟納地區NDVI值呈波動性上升趨勢，從空間分布特征看，額濟納地區NDVI值的空間分布格局呈現斑塊狀分布;從地下水位埋深空間分布特征看，沿河流流向，東河、西河地下水位埋深呈現先增大后減小的變化趨勢。

關鍵詞：植被覆蓋度;時空變化;趨勢分析;地統計分析;額濟納

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A

植被作為全球陸地生態系統的重要組成因子，在維持生態系統平衡中發揮著重要作用[1]。地表植被變化影響區域生態平衡和局部氣候特征[2]，而植被蓋度是衡量地表植被長勢和定量評價生態系統健康程度的重要指標[3-4]。由遙感數據反演得到的歸一化植被指數（NDVI）可以反映區域植被的綜合情況，是表征大尺度植被覆蓋變化的指標[5-6]。國內外諸多學者揭示了不同時空尺度上植被指數的動態變化特征[7-8]、驅動機制[9-10]，以及植被覆蓋變化對氣候變化和人類活動的響應等[11-12]。

額濟納地區位于黑河下游，地處西北內陸干旱區，降水稀少，水資源短缺，生態系統脆弱。近20a來，黑河上游過度開發，中游需水量增加，導致下游額濟納地區水資源短缺[13]、植被衰退、綠洲萎縮[14]、生態環境惡化，嚴重影響區域陸地生態系統發展[15]。因此，開展額濟納地區植被覆蓋時空動態變化特征分析對內陸干旱區綠洲生態系統環境研究具有重要意義。有關學者對黑河下游額濟納地區植被覆蓋動態變化進行了大量研究[16-19]，但長時間尺度上黑河下游植被覆蓋對地下水位埋深響應的研究較少。本文借助遙感技術手段，基于1998-2015年MODIS衛星遙感數據對額濟納地區植被分布特征進行分析，揭示研究區1998年以來植被覆蓋的時空分布特征及其動態變化趨勢，并結合地下水位埋深數據，探討地下水位影響下的植被覆蓋特征，以期為區域生態環境變化研究提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

額濟納地區地處亞歐大陸腹地，屬典型溫帶大陸性干旱氣候區，干旱少雨，冬寒夏熱，多年平均降水量為38.5mm，降水集中在6-9月，多年平均氣溫為8.1℃。額濟納地區地帶性土壤為石膏灰棕漠土和灰棕漠土，非地帶性土壤為鹽堿土和湖盆低地沼澤土[20]。研究區植被結構簡單、類型單調[21]，代表性植物有胡楊、梭梭和沙棗等喬木，怪柳、黑果構杞、白刺和駱駝刺等灌木，苦豆子、蘆葦、芨芨草、駱駝蓬等草類[22]。

1.2 數據收集

近年來，遙感技術因信息量大、覆蓋范圍廣、時效性強和成本低等優勢，被廣泛運用到植被特征的定量監測中[23]。本文采用的1998-2015年額濟納地區NDVI資料來源于黑河計劃數據管理中心。為揭示黑河下游額濟納地區植被覆蓋對地下水位埋深的響應機制，收集了1995-2015年12眼長期觀測潛水井水位埋深數據。

1.3 研究方法

（1）Mann-Kendall檢驗法。 Mann-Kendall趨勢檢驗法是用于提取趨勢變化的有效工具，因其使用范圍廣、人為因素影響小以及定量化程度高等優點，而被廣泛應用于時間序列變化趨勢分析中[24-25]。設時間序列為x_i（i=1，2，…，n），F_i（x）為樣本x_i的分布函數。原假設H₀：F_i（x）=…=F_n（x），為n個獨立的且隨機變量同分布的樣本，即序列存在趨勢性特征。備擇假設H₁是雙邊檢驗。對于所有的k，j≤n，且k≠j，x_k和x_j的分布是不同的。檢驗的統計量S的計算公式為

當n≥10時，將S標準化得到：式中：n為樣本數;S為近似正態分布;E[S]為該統計量的期望;Var（S）為該統計量的方差。

在雙邊檢驗中，在給定的顯著性水平（α）上，當時，接受原假設H₀;當時，表明時間序列呈顯著下降趨勢;當時，表明時間序列呈顯著上升趨勢。當|Z|大于等于1.28、1.64和2.32時，分別代表通過了信度90%、95%和99%的顯著性檢驗。

（2）地統計學分析。地統計學是揭示變量空間變異特性的主要手段之一，用于研究地理變量的空間變異與空間結構。地統計學由分析空間變異與結構的變異函數及其參數（主要包括基臺值、塊金值、分維度和變程4個參數）和空間局部估計的Kriging插值兩部分組成，目前已在地球物理、地質、生態、土壤等領域有較廣泛應用[26]。

2 結果與分析

2.1 植被指數時間分布特征

1998-2015年額濟納地區年均NDVI值為0.072～0.089，最小值和最大值分別出現在2002年、2012年，見圖1。研究區年均NDVI值表現為波動式上升趨勢，平均增長率為0.020/10a。由圖1中線性擬合方程可知，隨著時間的推移，研究區植被覆蓋度呈增大趨勢。

額濟納地區NDVI值的Mann-Kendall趨勢性檢驗的統計量Z為2.99，且通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明1998-2015年額濟納地區植被覆蓋度呈增大趨勢。Mann-Kendal趨勢性檢驗結果進一步驗證了圖1結果，即研究區植被覆蓋度有所提升，綠洲植被得以恢復。

2.2 植被指數空間分布特征

1998-2015年額濟納地區NDVI空間分布情況見圖2。研究區NDVI在空間上表現為斑塊狀分布格局，且1998年、 2003年和2015年NDVI值空間分布格局一致，即NDVI高值區主要分布在東河、西河兩岸及額濟納旗政府所在地和古日乃湖區。

2.3 地下水位埋深空間分布特征

基于黑河下游長期觀測井的地下水位埋深數據，選擇1998年、2003年和2015年6月的地下水位埋深數據，分析研究區地下水位埋深的空間分布特征。進行空間變異分析前，將GPS觀測點數據導入ArcGIS10.2軟件，分析其趨勢性和各向異性，并采用地統計學軟件包GS+進行半方差函數模擬和模型擬合，在前期分析的基礎上，借助ArcGIS 10.2軟件進行Kriging最優內插，三期數據的空間插值結果見圖3。整體上看，東河、西河河道附近的地下水位埋深小于遠離河道地區的。沿東河從狼心山到東居延海，地下水位埋深呈現先增大后減小的變化趨勢，在東居延海地區地下水位埋深較大。沿西河從狼心山到西居延海，地下水位埋深同樣呈現先增大后減小的變化趨勢，地下水位埋深在賽漢陶來地區最小，在北戈壁至西居延海地區最大?？傮w來說，沿河流流向，東河和西河地下水位埋深呈先增大后減小的變化趨勢。

2.4 植被指數對地下水位埋深變化的響應

植被作為聯結地下水和土壤等要素的自然紐帶，是生態系統的重要組成部分，也是生態系統健康狀況的重要指標[27]。研究區1998-2015年地下水位埋深與植被指數空間分布疊置結果見圖4。研究區NDVI值表征的綠色植被主要分布在東河、西河和古日乃湖區。不同年份NDVI高值區大部分出現在2～4m的地下水位埋深區。馮起等[28]以0.1m為間距繪制了研究區2010年地下水位埋深與相應的NDVI平均值的關系，發現當地下水位埋深為2.4～4.2m時，NDVI平均值在0.11附近波動，說明植被發育較好;當地下水位埋深大于4.2m時，NDVI值明顯減小，植被發育較差。2.4～4.2m是黑河下游植被生長較適宜的地下水位埋深。同時，借助2011年黑河下游典型優勢植物隨機抽樣調查結果，模擬和計算了額濟納地區主要植被及其植被蓋度隨地下水位埋深梯度變化的對數正態擬合模型的相關參數，見表1（其中：μ為樣本數學期望;δ為樣本方差;X_pm為眾數，表示植物出現頻率最大值對應的地下水位埋深;E（X）為地下水位埋深數學期望;δ（X）為地下水位埋深均方差）。由表1可知，黑河下游額濟納地區主要植被最適地下水位埋深為2.0～3.0m，其中蘆葦更適宜在較小的地下水位埋深條件下生長，而羅布麻和駱駝刺比較耐旱。

3 結論

以黑河下游額濟納地區為研究區，揭示了該區植被覆蓋時空分布特征，探討了植被覆蓋對地下水位埋深的響應機制，結果表明：1998-2015年額濟納地區植被指數隨時間推移表現為顯著上升趨勢，NDVI值平均增長率為0.02/10a，說明黑河流域分水政策實施以來，額濟納地區植被覆蓋度呈增大趨勢，綠洲植被得以恢復;額濟納地區NDVI值呈現斑塊狀空間分布格局，不同時期NDVI值空間分布格局較為一致，高值區主要分布于西河上段、西河中段、東河上段和額濟納旗政府附近;從地下水位埋深空間分布特征看，東河、西河河道附近的地下水位埋深小于遠離河道地區的，沿東河、西河河流方向，地下水位埋深均呈現先增大后減小的變化趨勢;由植被覆蓋度和地下水位埋深空間分布疊置結果可知，額濟納地區植被的生長發育受地下水位埋深控制。

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