民勤綠洲植被與氣象因子關系探究

石媛媛，紀永福，張恒嘉，王雅云，李福強，姜田亮

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

隨著全球氣候變化及對地下水的不合理開采，以水為導向的水循環過程遭受破壞，河流干涸、地下水位降低、沙塵暴肆虐、土地沙漠化等生態環境問題日益突出。國內學者劉瓊榮等利用雙因子系統模型分析了徑流與降水對綠洲植被蓋度的影響。金曉媚利用MODIS NDVI數據分析了柴達木盆地植被覆蓋動態變化規律，指出氣象因素、地下水埋深等是植被變化的主要影響因素。馬艷萍采取6a作為時間尺度，利用灰色關聯法對民勤綠洲和沙漠的動態轉化過程的驅動因子進行了分析，并對關聯度進行排序。劉剛等對中國植被凈初級生產力(NPP)的時空變化與溫度、降雨量進行相關性分析，研究認為植被NPP有東南向西北遞減，植被分布主要由氣候條件決定。沈斌分別分析了那曲草地植被指數與生長季內、生長季間氣候因子的關系。崔林麗研究指出中國東部草地NDVI與氣溫、降水變化的相關系數最大，林地NDVI與氣溫、降水變化的相關系數較小[1- 6]。

已有的研究多從單一角度入手，沒有剔除多余指標，較為宏觀地研究植被與某地多種氣象因子共同作用下的關系，不能準確說明內在聯系。因此，本文以民勤荒漠綠洲為例，選擇氣象指標，利用主成分分析法揭示出影響氣象干旱的典型的敏感因子，并利用偏相關分析得出凈相關系數，通過對比分析，探討民勤荒漠綠洲植被指數與氣象敏感因子之間的密切關系，預測綠洲植被覆蓋度及綠洲面積演化方向，為干旱氣象條件下的植被生長及植被覆蓋度，綠洲面積恢復提供理論依據。

1 研究區概況

民勤縣位于甘肅省西北部，石羊河流域下游，總面積約為1.6×106hm2，東西北三面被巴丹吉林沙漠和騰格里兩大沙漠包圍。民勤縣屬于大陸性干旱氣候，多風沙、少降雨，全年平均日照時數3100h，年平均風速2.7m/s，年降雨量為113mm左右，多年平均有效降雨為64.4mm，蒸發量2644mm。年均氣溫8.3℃，低溫集中在1月、2月和12月，高溫出現在6—8月。地下水超采、石羊河來水量逐年減少、全球氣候變暖、不合理土地利用等原因直接或間接導致民勤盆地荒漠化嚴重、生態環境脆弱、植被種類及覆蓋度變化。民勤盆地天然沙生植被有70%以上退化，近年來該縣一直致力于建設防風固沙林、農田林網等，平均每年完成人工造林1.0414×104hm2，退耕還林2.1607×104hm2。人工造林保存面積達到15.324×104hm2以上，有效阻止了沙漠入侵并使部分沙化土地轉為人工綠洲。

2 研究方法及指標處理

2.1 主成分分析及指標選擇

主成分分析法是利用降維的思想，在損失很少信息的前提下，把多個相關性指標轉化成為幾個互不相關的綜合指標，克服了多變量之間的重疊性。轉化成的綜合指標即為主成分，且每個主成分都是原始變量的線性組合[7- 8]。引入貢獻率來表明選取主成分能夠反映原樣本信息量的程度，有效描述多個指標構成的樣本，當累積貢獻率大于85%時，選取的新的主成分包含原變量的大部分信息，即可以用主成分代替原變量。主成分數學表達式：

(1)

式中，Y1～Yp—主成分；X1～Xp—經過標準化的標準變量；u11～upp—特征向量矩陣。

本文從氣象因素入手研究民勤荒漠綠洲干旱驅動機制，選取6個指標，即X1、X2、X3、X4、X5、X6分別為年降水、年蒸發、平均濕度、平均風速、平均溫度、年日照時數。第一步進行標準化處理，公式如下：

(2)

(3)

(4)

數據來源為甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，見表1。數據處理采用SPSS19.0和Microsoft Office Excel 2007。

2.2 氣象因素與綠洲植被指數變化趨勢

平均溫度、年蒸發、平均濕度和年日照時數的年際變化如圖1—4所示。

圖1 多年溫度變化圖

圖2 多年蒸發量變化圖

表1 氣象指標及其標準化

圖3 年際濕度變化圖

圖4 年日照時數變化圖

從圖1—4可以看出，圖1溫度呈單峰曲線變化，低溫出現在1月、2月和12月，此時處在冬季上凍期，基本沒有植被生長，3月氣溫突破0℃并逐漸升溫，但氣溫普遍較低，不適宜植被發芽生長。4月末5月初植被才逐漸開始生長，7月為全年平均最高溫，9月溫度與5月氣溫比較接近，此時為植被生長最旺盛期，隨著氣溫逐漸降低至10月中旬，植被逐漸降低生長速率保存生命力，一年生植被枯萎死亡，11月為過渡期。圖2蒸發量與圖1中溫度變化趨勢相似，且隨著溫度升高而增大，最大值出現在7月，最小值出現在1月。圖3濕度值在1月、2月較大，多是由于降雪所致。此后降水減少，氣溫回升快，大風天氣多，蒸發旺盛，導致4月和5月濕度為全年最小，與春旱發生時間相對應。5月以后降雨逐漸增多呈波動增長，濕度值增長高峰出現在9月，這與降雨和蒸發有關。圖4所示年日照時數受海拔、水汽、地形等因素限制處在波動變化中，但平均年日照時數保持在3073.5h左右。

植被指數(NDVI)是監測植被變化的有效參數，用來表征植物生長狀況、植被覆蓋程度、植被生物量等的重要指標，已廣泛用于植被活動的研究。滑永春使用AFRISWIR2植被指數構建了像元二分模型，提取精度較高的植被覆蓋度[9]。本文參照滑永春研究成果，得到AFRISWIR2最大值Z1和最小值Z2，如圖5所示。自2007年實施《石羊河流域重點治理規劃》以來，地下水開采量減少，部分地區地下水位有所回升，民勤荒漠綠洲生態環境隨之改善，民勤綠洲面積也在動態變化中緩慢增長。2013—2015年，極低覆蓋度植被從76.854%增加到83.917%，中覆蓋度植被從2.761%增加到4.47%，而高覆蓋度植被從4.967%減少到3.027%。

圖5 植被指數變化及預測趨勢圖

3 結果與分析

3.1 氣象干旱驅動要素解析

綜合年降水X1、年蒸發X2、平均濕度X3、平均風速X4、平均溫度X5、年日照時數X6等6個指標進行統計分析。結果見表2，其中提取了2個主成分，累計方差貢獻率為85.844%，平均溫度與成分1緊密相關，成分2則與年蒸發關系較大，說明年蒸發量與平均溫度變化是氣象干旱的主要驅動因素。

使用Varimax法進行因子旋轉后得到因子負荷矩陣，通過轉換和計算變量命令來計算主成分特征向量矩陣，結果見表3。

由主成分特征向量矩陣得到主成分表達式(5)式和(6)式，實現主成分分析。

Y1=0.347X1-0.329X2+0.451X3-0.515X4+0.273X5+0.476X6

(5)

Y2=-0.445X1+0.575X2+0.255X3-0.081X4+0.631X5+0.032X6

(6)

表3中各因素的特征向量絕對值之和得出X2=X5>X1>X3>X6>X4，即年蒸發X2、平均溫度X5、降水量X1、平均濕度X3對氣候干旱的影響程度較大，年日照時數X6和風速X4的影響程度較小。

表2 氣象因子解析總方差

注：提取方法：主成分分析。

表3 因子負荷矩陣及特征向量矩陣

注：提取方法：主成分。旋轉法：具有Kaiser標準化的正交旋轉法。a.旋轉在3次迭代后收斂。表中沒有a，需作者復核。

表4 植被指數相關性分析

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

主成分系數表達式(5)中X3>X1，(6)式中X5>X2>X3，提取影響植被變化的驅動因子只能起到宏觀指導作用，并不能切實有效反映綠洲植被動態變化與影響因素的相關關系，因此還需采用偏相關分析法，解析影響因子與綠洲植被變化的關系。由圖5可知，最大植被指數Z1與最小植被指數Z2的變化呈現波動增長型，對其分別做線性預測，可以看出最大植被指數與最小植被指數都保持增長趨勢。

3.2 干旱驅動因子與植被指數變化的關系

為消除各因素之間的偽相關性，采用偏相關分析法，在控制其他變量的線性影響的同時有效揭示變量之間的真實關系，識別干擾變量并尋找隱含的相關性。針對民勤綠洲植被指數與影響因素分別做偏相關分析和簡單相關分析，進行差異性分析的同時深度解析干旱驅動因子與植被指數變化的關系，結果見表4。

由表4可知，偏相關性分析相對于簡單相關分析，變量與因變量之間的關系更加清晰，不存在無關變量的影響，因變量Z1與變量X5、X2、X3、X6的偏相關系數為0.98、-0.901、0.997、-0.041，因變量Z1與變量X5、X2、X3、X6的簡單相關系數為0.529、-0.367、0.668、0.666，其中在X5、X2、X3正負相關性一致，Z1與X5、X3之間的偏相關系數為0.98、0.997，表明平均溫度X5、平均濕度X3與最大植被指數Z1之間高度相關，Z1與年蒸發X2成負相關。Z1與X3之間的簡單相關系數在0.05水平上顯著相關，證明了濕度X3對植被的影響是不容忽視的一個重要方面。與年日照時數X6的相關關系不緊密，且簡單相關性系數在X6時出現較大反差，這是多變量之間相互影響所致。年日照時數X6變化雖然在一定程度上影響植被生長和分布，但由于部分數據不連續導致分析結果不夠精確，不能準確說明年日照時數與植被指數之間的關系，在后續的研究中還需大量的年日照時數數據來完善與植被覆蓋度、植被指數之間的關系。因變量Z2與變量X5的偏相關系數和簡單相關系數為0.827和0.576，反映出平均溫度X5與最小植被指數Z2的密切關系，同時因變量Z2與變量X5、X2、X3、X6的簡單相關系數大小關系與因變量Z1的偏相關性相同，驗證了偏相關分析結果的正確性。另外需要指出，降水量與植被指數的大小有關系，但由于水分條件較其他氣候因素對植被生長表現出更明顯的滯后效應，所以在進行偏相關分析時系數小于其他因素，但不表示沒有關系。

4 結論

植被覆蓋度、植被指數的變化是多種影響因素共同作用的結果，本研究只從氣象因素著手分析了單一因素與綠洲植被指數變化的關系。研究得出年蒸發、平均溫度、降水量、平均濕度對植被覆蓋度影響程度較大，本研究補充了前人研究的不足，得出蒸發量與濕度、綠洲植被指數有重要聯系。平均溫度、與植被覆蓋呈正相關關系，溫度是植物生長的一個重要外部條件，適合的溫度有利于植物的萌發和生長，植物生命活動旺盛，植物生長更加迅速。在干旱地區蒸發量X2與植被覆蓋呈負相關，蒸發量很大，大量水分散失，植被用來進行蒸騰作用的水量就越少，在其他因素不變的情形下，蒸發量的多少也直接影響著植被的生長，進而影響植被覆蓋度。平均濕度與植被覆蓋呈正相關關系，空氣濕度長期過低，造成葉片內部氣腔水氣壓與外界水氣壓相差過大，葉片內部水汽供應不足導致葉片邊緣和葉尖壞死，同時空氣濕度的大小影響植物氣孔的開閉，空氣濕度過大或過小都會導致氣孔關閉，植物氣孔關閉，二氧化碳不能進入葉肉細胞，光合作用減慢甚至停止，直接或間接地影響植被覆蓋度和植被指數的大小。

氣候變化和植被變化息息相關，相互影響。鮑艷等研究表明，植被覆蓋變化是引起區域氣候變化的主要因子，顯著影響著溫度、濕度的變化。戴聲佩運用最大合成法和趨勢分析法研究得出祁連山植被指數對氣溫變化的響應大于降水。本研究與孫艷玲的研究結果相似，認為我國溫度條件能明顯地影響植被生長，蒸發量、濕度條件對我國荒漠植被生長都有不可忽視的影響[10- 12]。當然，生態環境惡化，植被覆蓋度變化，不只在于氣候因素的影響，更在于人類不合理的開發利用模式，加劇了干旱和荒漠化進程。按照現有氣候條件，民勤荒漠綠洲生態系統的狀態較為穩定，通過調控水資源、提高農業水平、加強植被生態建設等措施，必然會影響民勤地區植被NDVI的變化。