黃河源區(qū)植被NDVI演變及其與降水、氣溫的關(guān)系

管曉祥, 劉翠善, 鮑振鑫, 金君良,4, 王國慶,4

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 南京 210098; 2.水利部 應(yīng)對氣候變化研究中心, 南京 210029; 3.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210029; 4.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院, 南京 210098)

植被作為地表覆被系統(tǒng)中的主要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)條件，也是連接土壤、大氣、水分和人類生產(chǎn)生活用地的自然紐帶[1]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)是反映區(qū)域植被生長狀態(tài)及植被覆蓋程度的最佳指示因子，與植被覆蓋度、凈初級生產(chǎn)力及葉面積指數(shù)等具有良好的相關(guān)性[2-3]，因此NDVI被廣泛用來監(jiān)測區(qū)域或全球植被和生態(tài)環(huán)境變化[4-5]。基于NDVI監(jiān)測植被動態(tài)變化以及分析其對氣候演變和人類活動的響應(yīng)己經(jīng)成為全球變化研究中的熱點(diǎn)問題[6]。

大量研究表明，植被變化主要受氣候變化(如氣溫和降水的變化)的影響[4,7]。國內(nèi)外學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)來監(jiān)測植被覆蓋變化，并在像元尺度[8]、氣象站點(diǎn)尺度[9]或者流域平均尺度[10]將NDVI與氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析或回歸分析以探尋植被覆蓋與氣象因子之間存在的響應(yīng)關(guān)系。例如姜欣彤等[7]基于高程分段，研究了黃河源區(qū)NDVI變化與水熱條件空間分布格局的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)源頭高海拔地區(qū)以及下游流域出口地區(qū)降水量較低，降水是主要驅(qū)動因子，而在中等海拔地區(qū)降水量豐沛，植被演變主要受氣溫影響。除氣候因素外，人類活動(如人工生態(tài)恢復(fù)工程和城市化)也會在一定程度上影響區(qū)域的植被覆蓋變化[2,11-12]。Evans和Geerken[13]提出了殘差分析法，即通過構(gòu)建NDVI與影響因子的回歸方程，計(jì)算方程殘差，從而分離氣候變化和人類活動對植被覆蓋的影響，該方法簡單有效，在之后的人類活動對植被覆蓋變化的影響研究中廣范使用。易浪等[2]基于此方法在黃土高原區(qū)建立生長季植被NDVI與氣溫降水的回歸關(guān)系，通過殘差來表征人類活動在黃土高原不同地區(qū)對植被影響的正負(fù)作用，結(jié)果表明退耕還林還草工程極大地促進(jìn)了該地區(qū)的植被恢復(fù)，而城市擴(kuò)張、亂砍亂伐以及過度放牧則導(dǎo)致植被NDVI的降低。在三江源區(qū)，2000年以來的三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)及相關(guān)實(shí)踐舉措對植被恢復(fù)起到顯著的積極作用，但生態(tài)措施的實(shí)施效果存在空間差異[3]。劉憲峰等[14]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了2000—2011年黃河源區(qū)植被覆蓋的時空變化特征及驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)植被整體呈增加趨勢，植被覆蓋的增加主要與氣候的暖濕化、三江源國家級自然保護(hù)區(qū)建立、生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施有關(guān)。

黃河源區(qū)地理位置處于青藏高原東北部，是黃河上游主要產(chǎn)流區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)，也是黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域。由于其獨(dú)特的自然環(huán)境，生態(tài)環(huán)境脆弱，高寒植被系統(tǒng)的演變不僅決定著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和畜牧業(yè)生產(chǎn)，對整個黃河流域的生態(tài)安全和水資源的形成也具有重要影響。因此，研究黃河源區(qū)植被覆蓋的變化及其對氣候變化的響應(yīng)，對于理解黃河流域和青藏高原環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的演變具有重要意義[15-16]。目前對黃河源區(qū)多時間尺度(季節(jié)尺度)NDVI演變進(jìn)行相關(guān)關(guān)系及歸因分析的研究尚有不足，定量化區(qū)分氣候因素與人類活動對黃河源區(qū)內(nèi)植被情勢變化的手段需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。本文利用趨勢分析和相關(guān)性分析的方法在像元尺度上對黃河源區(qū)1982—2018年不同季節(jié)植被NDVI進(jìn)行時空變化分析，揭示植被演變的空間連續(xù)性和異質(zhì)性；并利用復(fù)直線回歸分析方法和殘差分析法，定量分析氣候因素和人為因素對植被動態(tài)變化的影響，實(shí)現(xiàn)氣候因素與人類活動對植被指數(shù)影響的定量區(qū)分。

1 研究流域及數(shù)據(jù)來源

黃河發(fā)源于青藏高原東北巴顏喀拉山北麓，黃河源區(qū)通常是指位于黃河干流唐乃亥斷面以上的區(qū)域，集水面積約為12.2萬km2，占整個黃河流域面積的15%左右。流域內(nèi)分布高山、盆地、峽谷、湖泊和沼澤等地貌，地勢西高東低(圖1)。研究區(qū)多年平均年降水量約為508 mm，多年平均天然徑流量為205億m3，降水產(chǎn)流多集中于夏秋季。具有典型內(nèi)陸高原氣候特征，冷熱兩季交替，干濕季分明，無明顯的四季之分，氣溫東南高、西北低。

黃河源區(qū)內(nèi)以及周邊的16個氣象站點(diǎn)的降水、氣溫觀測資料通過國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)下載獲取，并采用基于高程修正方法結(jié)合IDW(Inverse Distance Weighted)對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，依據(jù)已有研究結(jié)果在利用氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)對氣溫進(jìn)行空間插值時，設(shè)定氣溫的垂直遞減率為-0.55℃/100 m[7]。1982—2018年的歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)來源于NASA發(fā)布的基于NOAA氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球8 km數(shù)據(jù)集，時間分辨率為15 d，該數(shù)據(jù)集是目前持續(xù)時間最長的連續(xù)數(shù)據(jù)集，具有覆蓋范圍廣、時間跨度長和較強(qiáng)的植被監(jiān)測能力等優(yōu)點(diǎn)[17]。為方便在不同時間尺度研究NDVI演變特點(diǎn)，采用年最大值合成法(Maximum Value Composite, MVC)獲得NDVI月值，此方法可以有效減少大氣中來自云、氣溶膠、云陰影、視角以及太陽高度角的影響，以各月份的平均值作為季度或年NDVI的結(jié)果。

圖1 黃河源區(qū)地形、水系及氣象站分布

2 研究方法

2.1 趨勢檢驗(yàn)方法

本文除采用線性回歸法之外，還選擇Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法(簡稱MK法)診斷時間序列演變的趨勢特征及其顯著性。利用線性回歸法計(jì)算要素的變化率，即氣候傾向率，用來反映要素變化的方向和劇烈程度。MK法具有檢驗(yàn)范圍寬、受人為影響較小的特點(diǎn)，是目前水文、氣象系列趨勢檢驗(yàn)方法中應(yīng)用較多且具有理論意義的一種方法。其統(tǒng)計(jì)量MK值的絕對值大于1.96時，即說明趨勢在0.05置信水平上顯著，MK為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢，具體計(jì)算公式詳見參考文獻(xiàn)[18]。

2.2 殘差分析法

殘差分析法通過剔除NDVI長時間序列變化中降水、氣溫因素的影響來剝離植被覆蓋變化中自然因素和人為因素。利用NDVI和降水量、氣溫做多元線性回歸分析，并計(jì)算出NDVI的預(yù)測值和真實(shí)值之間的差值，以此表征人類活動因素對植被覆蓋變化的正負(fù)影響，即殘差趨勢法。該方法在研究中得到了廣泛的應(yīng)用[2-3,19]，多元線性回歸方程表達(dá)式如下：

NDVI=a·P+b·T+c

(1)

式中:P和T分別代表降水(mm)和氣溫(℃)。利用遙感觀測的NDVI數(shù)據(jù)以及實(shí)測降水氣溫?cái)?shù)據(jù),計(jì)算得到3個回歸方程參數(shù)a,b,c的值;NDVI殘差計(jì)算公式為:

ε=NDVI真實(shí)值-NDVI預(yù)測值

(2)

式中:NDVI預(yù)測值為根據(jù)多元線性回歸模型預(yù)測的NDVI值；NDVI真實(shí)值即是NDVI時間數(shù)據(jù)集。NDVI殘差ε為正值時,表示人類活動對流域內(nèi)植被生長產(chǎn)生正面作用;若ε<0,人類活動產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河源區(qū)降水、氣溫變化特征

基于MK趨勢檢驗(yàn)法，計(jì)算并分析了黃河源區(qū)以內(nèi)8個代表性氣象臺站的降水和氣溫系列的變化趨勢。四季劃分如下：每年3—5月份為春季，6—8月份為夏季，9—11月份為秋季，12月至下一年1月、2月份為冬季。就氣溫變化趨勢而言，1982年以來年均氣溫升高顯著，所有氣象站點(diǎn)的四季以及年氣溫系列MK趨勢檢驗(yàn)結(jié)果都表明，源區(qū)內(nèi)升溫現(xiàn)象顯著，通過0.05水平置信度檢驗(yàn)(MK都大于1.96)，平均升溫率達(dá)到了0.54℃/10 a，該結(jié)論與張成鳳等[20]和王棟等[21]研究結(jié)果一致，具體計(jì)算值在本文中略去。就降水系列演變結(jié)果而言(圖2)，不同站點(diǎn)1982—2018年不同季節(jié)降水量的變化趨勢各不相同，在春季多數(shù)站點(diǎn)降水呈現(xiàn)增加趨勢，但是趨勢不顯著(MK<1.96)，源頭處瑪多站和下游河南站、興海站春季降水未發(fā)生顯著變化；夏季降水量變化率最大，但MK檢驗(yàn)結(jié)果表明趨勢不顯著；而所有氣象站點(diǎn)冬季的降水都呈現(xiàn)減少趨勢，源頭瑪多站和黃河源區(qū)下游地帶減少趨勢顯著。就年降水系列而言，MK值都在±0.5之間，黃河源區(qū)內(nèi)降水量年際略有波動，但無明顯趨勢。

圖2 黃河源區(qū)8個氣象站不同季節(jié)降水變化氣侯傾向率和趨勢檢驗(yàn)MK值

3.2 黃河源區(qū)NDVI變化特征

3.2.1 NDVI時間變化特征 經(jīng)計(jì)算，黃河源區(qū)流域1982—2018年流域面均NDVI值為0.335，1982年以來年NDVI變化率為0.016/a，MK值為3.21，表明黃河源區(qū)NDVI值呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，流域植被覆蓋情況向良好方向發(fā)展。4個季節(jié)流域NDVI值年際變化情況如圖3所示(圖中S表示變化斜率)，結(jié)果表明各個季節(jié)NDVI值都呈現(xiàn)上升的趨勢，而且趨勢顯著(MK值都在1.96之上)；其中夏季和秋季NDVI值增長率較大，在0.015/a以上；春季和冬季NDVI增長率相近，約為0.013/a。

3.2.2 NDVI空間變化特征 為分析黃河源區(qū)NDVI演變的空間特征，計(jì)算各個像元NDVI變化的MK值，其空間分布結(jié)果如圖4所示，相對應(yīng)的MK值超過制頻率曲線如圖5所示。結(jié)果表明，達(dá)日站以下的下游地區(qū)NDVI值的增加趨勢比較顯著。黃河源頭(鄂陵湖、扎陵湖附近及以上地區(qū))NDVI值的變化較不顯著，源區(qū)中下游地區(qū)春、夏、秋季NDVI值都有顯著的上升趨勢，超過95%的像元NDVI呈現(xiàn)增長趨勢(MK>0)，其中65%的地區(qū)趨勢顯著(MK>1.96)，冬季NDVI增長趨勢顯著的地區(qū)不超過40%。綜合而言，黃河源區(qū)多數(shù)地區(qū)NDVI值全年呈現(xiàn)增長趨勢，植被狀況呈現(xiàn)良好改善態(tài)勢，而中下游地區(qū)這一趨勢比源頭區(qū)更為顯著。

圖3 黃河源區(qū)不同季節(jié)NDVI變化趨勢

圖4 黃河源區(qū)NDVI變化趨勢MK檢驗(yàn)結(jié)果空間分布

圖5 黃河源區(qū)NDVI趨勢檢驗(yàn)MK值超過頻率分布曲線

3.3 降水、氣溫對NDVI的影響

為分析氣候要素對黃河源區(qū)植被狀況變化的影響，選擇降水和氣溫兩個氣候因子與NDVI做相關(guān)性分析，計(jì)算各季節(jié)的相關(guān)系數(shù)，其空間分布如圖6所示，統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù)分布情況結(jié)果如圖7所示，描述氣候因子與NDVI相關(guān)關(guān)系顯著性空間分布如圖8所示。

圖6顯示1982—2018年源區(qū)內(nèi)NDVI與降水多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是在冬季，相關(guān)系數(shù)低于0(見圖6和圖7)，且超過60%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)低于-0.4，從圖8可以看出絕大多數(shù)(超過90%)地區(qū)負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著。春季約有超過32%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在0以上，主要集中于黃河源區(qū)東南較為濕潤的中游地區(qū)(久治—瑪曲一帶)，說明春季該地區(qū)雨量的增加(圖2)有助于植被的生長，對NDVI的增長起到正面作用，從圖3也可以看出久治—瑪曲一帶春季NDVI增長格外顯著，MK值多在4以上。在秋季，降水和NDVI之間的相關(guān)系數(shù)大多數(shù)(約85%)都在-0.2，0.2之間(見圖7)，中下游地區(qū)相關(guān)系數(shù)值在0附近(見圖6)，p值大于0.05，以上表明秋季降水與NDVI變化無顯著關(guān)系。在夏季，約有超過50%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在0以上，主要集中于流域的源頭區(qū)(鄂陵湖、扎陵湖周邊，瑪多縣一帶)，瑪多氣象站觀測到的夏季降水年增長率為10 mm/a(圖2)，對植被生長具有促進(jìn)作用。

圖6 黃河源區(qū)NDVI與降水、氣溫因子的相關(guān)性

就氣溫與NDVI相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果而言，黃河源區(qū)NDVI與氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)都大于0。就年尺度以及春夏兩季而言，氣溫的升高對植被生長起到顯著的正面促進(jìn)作用。秋冬兩季，氣溫與NDVI的相關(guān)系數(shù)對比春夏兩季較小，其超過頻率曲線在春夏兩季的下方(圖7)，相關(guān)系數(shù)在0.2～0.6，相較而言顯著的相關(guān)性(p<0.05)多發(fā)生在黃河源區(qū)東南部的濕潤地區(qū)。

圖7 黃河源區(qū)降水和氣溫與NDVI相關(guān)系數(shù)超過頻率分布曲線

圖8 黃河源區(qū)NDVI與降水、氣溫因子相關(guān)檢驗(yàn)p值空間分布

3.4 人類活動對NDVI的影響

除了氣候波動影響流域內(nèi)植被生長外，人類活動對流域下墊面情勢的改變也起到顯著作用。殘差值的正負(fù)以及變化即可反映人類活動對植被覆被變化的影響。將1982—2018年以2000年為節(jié)點(diǎn)劃分為2個歷史階段，分別進(jìn)行多元線性回歸模型分析，計(jì)算得到2個時期NDVI殘差多年平均值的結(jié)果及其空間分布如圖9所示，其超過頻率曲線見圖10。

殘差分析結(jié)果表明，1982—2000年階段夏秋兩季，超過90%的地區(qū)殘差多年平均值小于0，而2000年之后(2001—2018年)超過90%的地區(qū)殘差均值大于0(見圖10)，達(dá)日站—久治站區(qū)間和河南站—興海站區(qū)間尤為明顯(見圖9)，說明人類活動對該地區(qū)植被的影響較為顯著、即2000年之前該地區(qū)受人類活動影響、NDVI值較預(yù)測值偏小、2000年之后人類活動的影響對植被生長其正面作用，實(shí)測NDVI值大于預(yù)測值。在冬季，2個歷史時期的NDVI殘差均值絕大多數(shù)(超過95%，見圖10)落在[-0.01,0.01]區(qū)間，說明在冬季人類活動對流域植被變化(NDVI演變情勢)的影響微弱。就年系列而言，2000年之后人類活動所導(dǎo)致的植被退化情勢減緩，黃河源區(qū)植被情況得到一定的改善。

圖9 黃河源區(qū)1982-2000年、2001-2018年時期NDVI殘差多年平均值空間分布

圖10 NDVI殘差均值超過頻率分布曲線

4 討 論

本文研究結(jié)果表明1982—2018年黃河源區(qū)年平均NDVI與氣溫存在顯著的正相關(guān)性。一般而言，水熱條件較好的情況有利于植被生長，高寒山區(qū)氣溫上升可延長植被生長季并增加其光合作用，從而促進(jìn)植被生長[22-23]，尤其是在流域內(nèi)降水相對豐富的地區(qū)[11]。就季節(jié)而言，流域春季氣溫對NDVI的影響最大，這是因?yàn)榇杭径酁橹脖簧L季，植被生長的增溫效應(yīng)較其他季節(jié)更為明顯，這一結(jié)論與Richardson等[24]的研究結(jié)果較為一致。1982—2018年黃河源區(qū)NDVI與降水量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系較弱，即降水對流域NDVI的影響不顯著。Wang等[25]研究表明在氣候濕潤或降水較為豐富的地區(qū)，降水量波動并不是植被生長的主要限制因子。而在干旱缺水的地區(qū)，降水少，蒸發(fā)大，則植被生長對降水量極為敏感，NDVI與降水量的相關(guān)性也更高[26-28]。

就黃河源區(qū)而言，其年降水量從東南(800 mm左右)到西北(300 mm左右)遞減，多年平均天然徑流量為205億m3，約占黃河天然總徑流量(利津站)的38%，相對黃河流域中下游其他地區(qū)來說，水資源較為豐富，而源區(qū)平均海拔在4 km以上，熱量條件不足是限制植被生長的主要因素。此外，黃河源地方政府自2003年起開展實(shí)施退牧還草和減畜工程，2015年平均牲畜存欄量減少至1 959.8萬頭，減幅達(dá)到8.6%[29]。同時2000年國家批準(zhǔn)成立三江源國家級自然保護(hù)區(qū)和一期工程，對黃河源區(qū)等地的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極影響[12]，植被的增加趨勢是以氣候因素為主的氣候暖濕化與保護(hù)工程疊加效應(yīng)的結(jié)果。

不過在多數(shù)關(guān)于植被NDVI演變與氣溫關(guān)系的研究中，著重日均氣溫對植被NDVI的影響，而神祥金等[30]指出植被NDVI對日最高氣溫與日最最低氣溫變化的響應(yīng)存在明顯差異，夏季青藏高原植被NDVI與平均日最低氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，而與日平均最高氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)系[31]，而在沼澤地區(qū)平均日最低氣溫的升高對植被生長的促進(jìn)效果比平均日最高氣溫更加顯著[30]。可以看出，不同地表類型(森林、草地或凍土等)下日平均、最高、最低氣溫對植被NDVI的影響并不一致，升溫背景下植被NDVI演變是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)過程，其作用機(jī)理與影響程度還需進(jìn)一步的研究與對比驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

(1) 黃河源區(qū)自1982年以來氣溫升高顯著，平均升溫率達(dá)到了0.54℃/10 a，各個季節(jié)氣象站點(diǎn)的升溫現(xiàn)象都通過了0.05水平的置信度檢驗(yàn)。流域內(nèi)降水年際內(nèi)略有波動，變化趨勢不顯著，冬季降水略有減少趨勢，春夏兩季降水波動幅度較大。研究區(qū)內(nèi)超過90%的地區(qū)NDVI值全年呈增長趨勢，即流域內(nèi)植被狀況呈現(xiàn)改善態(tài)勢，而且中下游地區(qū)這一趨勢比上游源頭區(qū)更為顯著。

(2) 黃河源區(qū)NDVI與氣象因子相關(guān)分析結(jié)果表明，NDVI與氣溫呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，即氣溫的升高對植被生長起到積極的正面促進(jìn)作用。而NDVI與降水之間相關(guān)系數(shù)多為負(fù)數(shù)，在夏季約有50%的地區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系，源頭瑪多縣地區(qū)降水的增加有助于植被生長；除冬季之外，NDVI與降水之間的相關(guān)性并不顯著(p>0.05)。

(3) 就NDVI殘差分析結(jié)果而言，冬季人類活動對流域植被變化(NDVI演變情勢)的影響微弱；達(dá)日站—久治站區(qū)間和河南站—興海站區(qū)間受人類活動影響較為顯著，2000年之后人類活動所導(dǎo)致的植被退化情勢減緩，黃河源區(qū)植被情況得到一定的改善。