黃河下游植被覆蓋度動態變化及其與水沙過程關系

李 瑤，戴文鴻，2，3，高 嵩，陳羿名，黃飛楊

（1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.河海大學 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；4.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007）

植被是指一個區域內所有植物的總和，是覆蓋地表的植物群落的總稱［1］。 植被調節水、碳和氮的循環，影響土壤的物理化學性質，為野生動物提供棲息地［2］。 其中，濱河植被是指在河流附近發育起來的植物群落［3］，是河岸交錯帶的重要組成部分。 濱河植被在河流系統中意義重大，當水流處于低能態時，植被根系固岸，減少河岸沖刷，植被莖葉降低水流流速，極大地滯留泥沙，控制地貌變化［4］；當水流處于高能態時，植被易被沖毀［5－6］，作用受限，生態價值削減。 因此，監測濱河植被動態變化對新時期河道生態建設、恢復河道生態價值是極為重要的。

影響植被動態變化的因素很多。 區域植被與氣溫、降水量這些氣候因子存在一定的相關性，并且不同區域響應時間不同［7－8］。 劉憲鋒等［9］認為中國植被覆蓋度與生長季平均氣溫和累計降水量的相關性均較強，且不同區域植被對氣溫、降水量的響應存在差異。不同時間尺度下，影響植被覆蓋度的主要氣候因子也不盡相同，但隨著時間尺度的增大，植被動態與各個氣候因子之間的相關性越來越強［2］。 除氣候因子外，有研究指出植被覆蓋度與地形之間存在明顯的相關性，海拔、坡度、坡向均會影響植被覆蓋度［10－12］。 除了自然因素，人類活動、城市化發展降低了植被覆蓋度，退耕還林等生態恢復措施有效增加了植被覆蓋度［13］。對這些影響因素與植被動態之間關系的研究，極大地揭示了植被動態變化的規律。

對于大區域整體植被動態而言，這些影響因素是相對完善的，但對于濱河植被，這些影響因素卻是不盡適用。 濱河植被生長于陸地與水生系統之間的緩沖帶，受區域水力和地形變化影響更直接。 許多研究致力于揭示洪水頻次與強度對濱河植被動態的影響［14－15］，并肯定了極端洪水在濱河植被演變中的主要作用，離河距離［16－17］以及水流作用下變化的地貌［18］等因素對濱河植被動態的影響也尤為重要，但目前國內針對水沙過程與植被生長關系的研究較少。 筆者基于MODIS－NDVI 數據，采用像元二分法，研究了黃河下游整體濱河植被時空分布，并在此基礎上結合黃河下游氣象和水文資料，進一步探討了水沙過程、降水量、氣溫與植被覆蓋度的相關關系。

1 研究區域概況及研究方法

1.1 研究區域概況

黃河下游灘地指從河南桃花峪到入海口黃河主河槽與兩岸大堤之間的灘地與河道的集合，地理位置為北緯34° 52′ 55″—37° 51′ 18″、 東 經113° 26′ 35″—119°20′02″。 黃河下游灘地承擔著汛期排洪、滯洪和滯沙的任務，也是灘區群眾生產和生活所必需的土地，總面積約3 544 km2，其中耕地約32 萬hm2，現存村莊2 056 個，居住人口約190 萬。

將黃河下游分為4 個河段：京廣鐵路橋至高村河段具有典型的游蕩河道特點，床面寬淺，主流常伴隨著較大的橫向遷移，灘區植被受水流橫向擾動較大；高村至艾山河段河道形態從游蕩河道向彎曲河道過渡，水流橫向運動得到一定的控制；艾山至利津河段經過河道整治，現為穩定的彎曲河道，平面變幅不大；利津以下為入海口河段。

1.2 數據源

本文所用數據集為美國國家航空航天局（NASA）戈 達 德 航 天 中 心LAADS DAAC （https：／ ／ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov／）的植被指數產品MOD13Q1，該數據集的空間分辨率為250 m、時間分辨率為16 d，研究時段為2001 年1 月初至2019 年12 月末。 結合ArcGIS 和ENVI 分析植被年際變化趨勢時，采用最大化合成法，該方法可以清晰且準確地顯示年度植被長勢最盛的情況。 進行年內月度植被變化分析時，對多年該月數據進行平均值合成，有利于得到年內變化的普遍規律。 水文數據來源于水文年鑒，氣象資料來源于中國氣象網（http：／／data.cma.cn）。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度

目前已有很多利用遙感影像數據提取植被覆蓋度的方法，較為實用的方法是利用植被指數近似估算植被覆蓋度FVC，常用的植被指數為NDVI。 本研究基于像元二分模型［10］求植被覆蓋度：

式中：NDVI1為由植被完全覆蓋像元的NDVI值；NDVI0為裸土或無植被覆蓋像元的NDVI值。

式中：NDVImin和NDVImax為區域內NDVI的最小、最大值，考慮到存在噪聲，分別取對應置信度為5%和95%的NDVI值為最小值、最大值；FVCmax和FVCmin分別為抽樣檢測得到的最高、最低植被覆蓋度。

因缺乏實測數據，故近似取最高植被覆蓋度FVCmax＝1，最低植被覆蓋度FVCmin＝0，計算可得植被覆蓋度：

1.3.2 變化趨勢分析及突變點檢驗

Theil－Sen 中值趨勢分析法是一種穩健的非參數統計趨勢計算方法，其計算公式如下：

式中：Xi和Xk為時間樣本序列；i、k為樣本序列號；n為樣本數；β為趨勢估計量；median為取中值函數。

當β＞0 時樣本序列整體呈上升趨勢，當β＝0 時樣本序列未見明顯趨勢，當β＜0 時樣本序列呈下降趨勢。 Theil－Sen 中值趨勢分析法結合Mann－Kendall 法可以顯示樣本序列數據變化趨勢的顯著性。

式中：S為檢驗統計量；Zc為標準化后的檢驗統計量。

對于指定置信度α水平下標準正態函數所對應的值Z1－α／2，當｜Zc｜＞Z1－α／2時表示變化趨勢顯著。 5%置信水平下，當β＞0、｜Zc｜≥1.96 時樣本序列顯著增加，β＞0、｜Zc｜＜1.96 時不顯著增加，β＜0、｜ Zc｜≥1.96 時顯著減少，β＜0、｜Zc｜＜1.96 時不顯著減少。

式中：Mj為累計數；Rk為Xk大于Xi（1≤i≤k）的累計數。

在樣本序列隨機獨立的情況下，定義統計量：

式中：UFj為標準正態分布統計量，是按樣本時間序列順序計算出來的統計量序列，而UBj為逆序重復上述過程，并對計算值取相反數得到的統計量，UF和UB曲線在置信區間內的交點為突變點；E（Mj）為累計數Mj的均值；var（Mj）為累計數Mj的方差。

1.3.3 相關性分析及多元線性回歸分析

Pearson 相關系數常用于描述兩個變量之間的相關性。 記樣本為（xi，yi），樣本數為n，則樣本的Pearson 相關系數r表示為

式中：xi、yi分別為兩個變量序列中第i個樣本；ˉx、ˉy為對應于兩個變量樣本序列的平均值。

相關系數r＞0 時兩個變量呈正相關，r＜0 時兩個變量呈負相關，｜r ｜越趨近于0 相關性越弱，｜r ｜越趨近于1 相關性越強。

設影響因變量的自變量有m個，分別為U1，U2，…，Um，回歸方程的形式如下：

式中：Y為估計值；b0，…，bm為非標準化的回歸系數。

為了剔除影響小的因素，采用逐步回歸分析法，變量入選和剔除的顯著性水平分別為0.05 和0.10，從而選出主要的影響因素。

2 結果分析

2.1 水沙及植被年際變化特征

黃河下游灘區2001—2019 年植被覆蓋度年際平均值在0.62～0.71 之間，花園口至入海口多年平均植被覆蓋度為0.68，β＝0，｜Zc｜＝1.58＜1.96，故全河段年平均植被覆蓋度無明顯變化。 其中：游蕩河段多年平均植被覆蓋度為0.79，β＝0，｜Zc｜＝0.61＜1.96，同全河段變化趨勢一致；過渡河段多年平均植被覆蓋度為0.83，β＝0，｜Zc｜＝0.79＜1.96，植被覆蓋度也發生顯著變化；彎曲河段多年平均植被覆蓋度為0.77，β＝0.001 7，｜Zc｜＝1.58＜1.96，植被覆蓋度不顯著增加；入海河口段多年平均植被覆蓋度為0.39，β＝0.001 3，｜Zc｜＝1.79＜1.96，呈不顯著增加趨勢。

圖1、圖2 為年徑流量和年輸沙量的M－K 突變檢驗結果，由圖1、圖2 可知，黃河下游各河段徑流量總體呈不顯著增加趨勢，突變發生在2002 年、2015 年、2017 年，年輸沙量無明顯變化趨勢，可能的突變點在2007 年。 由植被覆蓋度趨勢分析結果結合圖3 可得，2001 年以后，黃河下游河段植被覆蓋度除卻在2002年、2015 年有明顯降低外，其他年份基本持平。 根據該時期年徑流量和年輸沙量的M－K 突變點檢驗可知，2002 年、2015 年分別對應年徑流量的兩個突變點，根據《中國河流泥沙公報》，2002 年小浪底水庫首次成功進行調水調沙試驗，2015 年黃河進入下游河道的輸沙量首次為0，這兩年對應著黃河下游新的水沙變化階段的起點。 不同河型中，過渡河段植被覆蓋度明顯高于游蕩與彎曲河段，入海口河段植被覆蓋度遠遠低于總體平均值，4 種河型中，彎曲河段植被覆蓋度增長最快，其次為入海口河段。

圖1 2001—2019 年黃河下游年徑流量M－K 突變檢驗

圖2 2001—2019 年黃河下游年輸沙量M－K 突變檢驗

圖3 2001—2019 年黃河下游植被覆蓋度年際變化

2.2 植被年內變化特征

對黃河下游全河段及分河段進行年內植被覆蓋度分析，花園口至河口全河段植被覆蓋度最大值出現在7 月、8 月，均為0.64，植被覆蓋度最小值出現在1 月、2月、12 月，均為0.48，年內各月平均值為0.53。

由趨勢分析可得，全河段植被覆蓋度1—8 月β＝0.026 7，｜Zc｜＝2.35＞1.96，呈不顯著增加趨勢；8—12月β＝－0.036 7，｜Zc｜＝1.71＜1.96，全河段植被覆蓋度顯著下降。 游蕩河段月平均植被覆蓋度最大值在8月，為0.75，年內各月平均植被覆蓋度為0.63，其中：1—8 月β＝0.012 9，｜Zc｜＝1.36＜1.96，呈不顯著增加趨勢；8—12 月β＝－0.021 3，｜Zc｜＝0.24＜1.96，呈不顯著下降趨勢。 過渡河段月平均植被覆蓋度最大值出現在8 月，為0.76，年內各月平均植被覆蓋度為0.64，其中：1—8 月β＝0.03，｜Zc｜＝2.6＞1.96，呈顯著增加趨勢；8—12 月β＝－0.045 4，｜Zc｜＝0.73＜1.96，呈不顯著下降趨勢。 彎曲河段月平均植被覆蓋度最大值為0.74，出現在7 月，年內各月平均植被覆蓋度為0.59，其中：1—3 月β＝－0.04，｜Zc｜＝1.57＜1.96，呈不顯著下降趨勢；3—7 月，β＝0.071 3，｜Zc｜＝1.11＜1.96，呈不顯著增加趨勢；7—12 月，β＝－0.037 5，｜Zc｜＝1.8＜1.96，呈不顯著下降趨勢。 入海口河段月平均植被覆蓋度最大值為0.39，年內各月平均植被覆蓋度為0.26，其中：1—4 月β＝－0.045，｜Zc ｜＝0.94＜1.96，呈不顯著下降趨勢；4—10 月β＝0.04，｜Zc｜＝2.1＞1.96，呈顯著上升趨勢；10—12 月β＝－0.105，｜Zc｜＝1.04＜1.96，呈不顯著下降趨勢。

結合各河段植被覆蓋度和變化趨勢分析可以看出，游蕩河段全年植被覆蓋度較高，且年內變化幅度最小，相較于其他河型，始終處于較高的植被覆蓋下；過渡河段整體植被覆蓋度最高，但年內變化較為明顯，增幅高于游蕩河段，降幅僅次于入海口河段；彎曲河段植被覆蓋度低于游蕩及過渡河段，年內變化趨勢明顯，增幅最大，降幅僅大于游蕩河段；入海口河段植被覆蓋率遠低于其他河段，年內變化明顯，增幅僅次于彎曲河段，降幅最大。

2.3 植被橫向分布特征

近年來，一些學者探討了河岸植被對河流擾動的敏感性。 Bendix 等認為濱河植被帶內，洪水干擾和水資源供給水平沿河道橫向、縱向和時間均會變化，當河流橫向過程影響大時，植被分布和結構將與橫向變量相關，如橫斷面形狀以及離主河道的距離等［4］。 Lite等［19］指出河道橫向上，洪水擾動的強度和頻率通常隨距河道距離的增加而減小。 黃河下游濱河區域也展現出這一規律。

在黃河下游各河段建立緩沖條帶，以河道中心線為基準，兩側每隔250 m 設一緩沖條帶，對緩沖條帶內月均植被覆蓋度進行統計，結果如圖4 所示。由圖4 可知，離河距離1 km 范圍內，植被覆蓋度FVC與離河距離L近似成線性關系，表達式如下（R2為擬合優度）。

圖4 不同河段植被覆蓋度橫向分布

游蕩河段：FVC＝0.000 6L－ 0.012 7 （R2＝0.995 7）

過渡河段：FVC＝0.000 8L＋0.010 6 （R2＝0.913 2）彎曲河段：FVC＝0.000 8L＋0.086 9 （R2＝0.854 0）入海河口段：FVC＝0.000 5L＋0.062 2 （R2＝0.785 4）

在進行緩沖條帶設置時，部分河段堤距較小，離河距離較大處對應的緩沖條帶提取出來的FVC值設置為空，不參與河段植被覆蓋度計算。 以離河中心線1 km 處為界，1 km 以內為主河槽附近。 當河流由游蕩型轉為彎曲型時，植被覆蓋度隨之增大，彎曲河段植被覆蓋度最大。 1 km 以外，過渡和彎曲河段植被覆蓋度不再增大，維持一個穩定值，受堤距限制，對于過渡河段的植被覆蓋度統計限制在離河3 km 以內，對于彎曲河段限制在2 km 以內。 游蕩河段的植被覆蓋度雖然增速變慢，但仍處于增大的狀態，3 km 以外，游蕩河段植被覆蓋度超過了彎曲與過渡河段最終的穩定值。 從離河距離和植被覆蓋度的關系可以看出，水流橫向過程較多的游蕩河段河道對于濱河植被覆蓋度的橫向影響范圍最寬，過渡河段次之，彎曲河段植被覆蓋度在1 km 緩沖帶外便不再隨離河距離發生變化。

2.4 植被覆蓋度與降水量、溫度相關性分析

植被覆蓋度與氣象條件聯系緊密，植被覆蓋度的恢復取決于流域的水熱平衡［20］。 降水量和氣溫數據由開封、新鄉、菏澤、莘縣、惠民、濟南6 個氣象站數據插值得到，一年分4 個季度，每個季度樣本數為39 個，由于入海口河段缺少測站，因此暫不討論。 植被覆蓋度與降水量和氣溫的相關性計算結果見表1。

表1 植被覆蓋度與降水量和氣溫的相關系數

降水量與植被覆蓋度在第三季度顯著正相關；游蕩河段氣溫與植被覆蓋度在第一、第三季度顯著正相關，在第二、第四季度顯著負相關；過渡河段氣溫與植被覆蓋度在第二、第四季度顯著負相關，在第三季度正相關；彎曲河段氣溫與植被覆蓋度在第二、第三季度顯著正相關。 黃河下游降水量僅與植被覆蓋度單季度相關，而氣溫與植被覆蓋度的相關性是多季度的。

2.5 植被與河道水沙過程相關性分析

受研究區域水文資料限制，選取黃河下游7 個水文站（花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山、濼口、利津）2002—2014 年流量及其變幅與對應的植被覆蓋度進行Pearson 相關性分析，結果見表2，由于入海口河段無水文測站，因此暫不討論。

表2 植被覆蓋度與流量及流量變幅的相關系數

河道水流通過補給土壤水、淹沒、河岸沖刷以及灘槽交換等作用影響植被生長［21］，而流量作為河道重要的水文特征，對于植被影響是多方面的。 3—5 月河道流量較小，對植被的影響主要體現在補充土壤水，故而這個階段植被覆蓋度多與流量正相關，然而本文除卻彎曲河段，游蕩和過渡河段在該時期并未顯現出這一特征。 如圖5 所示，彎曲河段4 月植被覆蓋度與流量的顯著相關系數隨離河距離增加先增大后減小。 不同河段植被覆蓋度與流量在該階段表現出來的相關性差異受水分限制。 游蕩和過渡河段水流橫向過程范圍廣，供給水分區域較寬，水分限制低，而彎曲河段主河穩定，橫向過程受限制，近河區域水分供給較為充足，水分對植被生長的限制較弱，流量與植被覆蓋度的相關性不強，隨著離河距離增加，河水補充地下水，水分對植被生長的限制逐步恢復，流量與植被覆蓋度的相關性增強，而當離河距離超過1.25 km 之后相關性減弱。

汛期流量增大，水位上漲，流速加快，會加劇水流對河岸的沖刷侵蝕，引起植被面積大幅減少［22］。 如圖6 所示，游蕩河段6 月植被覆蓋度與河道流量顯著負相關，且其負相關性隨離河橫向距離增加而減弱，這可能是流量增加，水流橫向過程增強，沖毀植被引起的，離河1 km 以外負相關性增強，這可能與不同河距植被結構以及類型有關，比如近河道植被耐淹，遠河道植被耐淹性差等；過渡河段11 月植被覆蓋度與流量顯著負相關，且其與植被覆蓋度的負相關性隨離河距離增加而增強；彎曲河段11 月植被覆蓋度則與流量顯著正相關，且先隨離河距離增加相關系數減小，1 km 以外相關性基本不再變化，這可能是因為彎曲河段水流橫向過程受到限制，近河水分充足，對于流量的正向響應不強，遠河段對流量的響應更敏感。 洪水過后，河道流量降低，彎曲河段11 月植被覆蓋度與流量顯著正相關，且其正相關性隨離河距離的增加而減弱。 圖5（實線對應流量，虛線對應流量變幅）、圖6 中的數據值均通過了0.05 顯著性檢驗。

圖5 植被覆蓋度與流量及其變幅正相關性沿河橫向變化

圖6 植被覆蓋度與流量及其變幅負相關性沿河橫向變化

洪水脈沖引起的季節性漫灘是灘槽營養物質橫向交換的重要方式［23］，為灘區植被提供營養物質的同時也會沖刷、淹沒植被，故其對植被生長的影響是多樣的。 游蕩河段中，大的洪水脈沖意味著較強的水流橫向過程，易沖毀或淹沒植被［24］。 因此植被覆蓋度在6月、11 月與流量變幅顯著負相關，在11 月兩者相關性沿橫向變化沒有通過顯著性檢驗，6 月流量變幅與植被覆蓋度的負相關性隨離河距離的增大而減弱。

各河段9 月植被覆蓋度與流量變幅均顯著正相關。 由圖5 可知，各河段9 月植被覆蓋度與流量變幅的相關系數隨離河距離增大而降低，這意味著近河處的植被覆蓋度對流量變幅的正向響應強于遠河處。 原因可能是9 月處于夏季洪水退水期，河道流量小，流速降低，大的流量變幅意味著洪水快速退水，有利于富含有機質的細顆粒泥沙在灘區沉積，提供灘區植被生長的營養物質。 過渡河段11 月植被覆蓋度與流量變幅顯著負相關，且其負相關性隨離河距離的增加而減弱，離河1.25 km 以外負相關性略有增強。

表3 為植被覆蓋度與其他水沙過程變量相關系數，從表3 中可看出，各河段植被覆蓋度與水沙過程變量的顯著相關性主要集中在第二季度，此季度為該區域重要的植被生長季，游蕩河段與過渡河段的河面寬度、河段沖刷量、含沙量、單位水流功與植被覆蓋度顯著負相關。 彎曲河段河面寬度、河段沖刷量與植被覆蓋度顯著正相關，第一季度單位水流功與植被覆蓋度顯著負相關。

表3 植被覆蓋度與其他水沙過程變量的相關系數

游蕩和過渡河段水流橫向過程比彎曲河段劇烈，對于河岸的沖刷作用也大，易剝蝕岸灘土壤，致使植被覆蓋度下降的同時增加河道含沙量。 彎曲河段通過整治，水流的橫向過程受到一定限制，離河較遠處水分補給對植被生長的限制逐漸加強，故而在植被生長季，水流橫向過程反而有利于植被生長，且河道整治工程削弱了對河岸植被的沖刷，沖刷主要表現為下切河床。黃河下游彎曲段是黃河流域凌汛災害較為嚴重的河段，在第一季度，植被新生時期，單位水流功越大，流速越快，在該流量級別下，河段也趨向于增強河道蜿蜒性來增加河長，從而降低比降，以維持較小的單位水流功，流速與蜿蜒性的變化均會對新生植被生長產生干擾，從而使植被覆蓋度下降。

2.6 逐步多元線性回歸分析

基于逐步多元線性回歸分析，對各季度植被覆蓋度進行估計。 逐步法在向前引入每一個新自變量之后都要重新對已代入的自變量進行計算，以檢驗其有無繼續保留在方程中的價值，并以此為依據進行自變量的引入和剔除，直到沒有新的變量可以引入或剔除為止。 本次回歸計算選擇擬合度最高、顯著性通過0.05級別檢驗的變量擬合結果（見表4），包含了對植被覆蓋度貢獻高的變量及其擬合優度R2，其中P為月降水量，T為月均溫度，Q為月均流量，ΔQ為月流量變幅，E為沖刷量，“／”表示0.05 級別的顯著性檢驗下，在上述變量中未找到能夠表征植被覆蓋度的變量與對應擬合優度。

根據多元線性回歸結果，溫度與水流運動在多個季度、多個河段為植被覆蓋度的擬合做出貢獻，而降水僅在過渡河段第三季度對植被覆蓋度的擬合做出貢獻。 由表4 可得相較于其他季節，各河段第二季度植被覆蓋度的擬合結果最好，主要影響因素集中在溫度、流量以及流量變幅，由此可以看出，在第二季度，相較于降水量，黃河下游濱河區域植被受河道水流的影響更大。 其他季度擬合優度相對較低，表明這些變量對植被覆蓋度的影響較弱，可能存在其他主導的影響因子。

表4 逐步多元線性回歸擬合結果

3 結論

（1）2001—2019 年黃河下游濱河植被覆蓋度年際變化不明顯。 4 個河段中，游蕩河段植被覆蓋度年內變幅最小，且處于較高水平；過渡河段年均植被覆蓋度最高，但年內變化較大；彎曲河段植被覆蓋度僅高于入海口河段，入海口河段植被覆蓋度最低。

（2）水流橫向過程相對劇烈的游蕩河段對濱河植被覆蓋度的橫向影響范圍最寬，過渡河段次之，彎曲河段植被覆蓋度在1 km 條帶外便不再隨離河距離發生變化。

（3）降水對植被覆蓋度的影響集中體現在第三季度，氣溫多季度與區域內濱河植被覆蓋度顯著相關。

（4）游蕩河段植被覆蓋度與流量變幅在6 月、11月負相關，在9 月正相關，與流量在6 月負相關。 過渡河段植被覆蓋度與流量變幅在4 月、9 月正相關，在11月負相關，與流量在11 月負相關。 彎曲河段植被覆蓋度與流量變幅在9 月、11 月正相關，與流量在4 月、11月正相關。 其他水沙過程變量與植被覆蓋度的相關性多集中于第二季度。

（5）逐步多元回歸分析結果表明，相較于降水，氣溫及河道水沙過程在多個季度影響黃河下游多個河段的植被覆蓋度，故在研究該區域植被覆蓋度變化時，水沙過程的作用是不可忽視的。