獅泉河流域植被演變特征研究

許永江，翟文亮，唐 見，趙科鋒，許永麗

（1. 阿里地區水利局，西藏 噶爾 859400；2. 長江科學院 流域水環境研究所，武漢430010；3.流域水資源與生態環境科學湖北省重點實驗室，武漢 430010；4.延安市水電工程有限公司，陜西 延安 716000）

1 研究背景

植被以呼吸作用、光合作用與水分、大氣及土壤發生緊密聯系，在減緩氣候變化和維持生態系統平衡等方面發揮重要作用[1]。氣候變化顯著影響了區域植被覆蓋的生長消退及分布，因此，研究植被演變規律、響應機制能夠全面揭示氣候變化對生態系統的影響[2]。歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是表征植物長勢和營養信息的重要參數之一，廣泛應用于植被動態變化評估。研究區域氣候變化與NDVI 的內在聯系及致變規律[3-5]，對于預測植被演變特征具有重要價值。目前，國內植被覆蓋研究主要集中在黃土高原、三江源區，巖溶喀斯特地貌區和長江流域等[6]，西南區域、青藏高原西部區域的研究相對較少。

獅泉河是西藏自治區阿里地區最大的一條河流，位于青藏高原西部邊陲，流域內氣候呈高寒缺氧、干燥少雨的特點[7]，獨特的氣候條件和地理環境，造就了當地獨特的高寒草地系統[8]，在我國水源涵養及利用、生物多樣性保護等方面起著重要的生態屏障作用。近年來，受氣候變化和過度發展旅游業、畜牧業等人類活動影響，流域內植被生長受到明顯的限制，草地退化日趨嚴重，生態系統植物多樣性降低[7]。但由于流域內自然環境惡劣，人口稀少，社會經濟發展相對緩慢，基礎科研相對滯后，植被動態變化研究鮮有報道。高寒草地生態系統變化將會對當地生態安全產生深遠影響，進而直接或間接地對我國乃至東南亞的生態安全產生影響。

本研究基于2000—2015 年的NDVI 數據、DEM數據和氣象數據，分析獅泉河流域植被覆蓋時空演變特征，揭示植被分布與地形地貌的內在聯系及響應特征，預測獅泉河流域NDVI 的變化趨勢。

2 研究區概況

獅泉河位于東經79°10′—81°48′，北緯31°19′—33°01′，發源于岡底斯山主峰岡仁波齊峰北面的冰川湖，源頭海拔高程5 828 m，在扎西崗轉向西北方向流入克什米爾地區，流出國境后稱為印度河。獅泉河在我國境內流域集水面積2.7 萬km2，是阿里地區最大的一條河流[9]，見圖1。

圖1 獅泉河流域地形概況

依據中國植被分區系統[10]，獅泉河流域屬青藏高原高寒荒漠地帶。獅泉河流域植被類型主要有草原、荒漠、灌叢等。獅泉河流域植被生長期主要在5—9 月[11]。由于地廣人稀，流域內人類活動對植被生態系統干擾較小。開展植被覆蓋演變特征規律研究，可以為獅泉河流域合理科學制定植被恢復、管理和利用政策提供支撐。

3 數據與方法

3.1 數據處理

研究數據主要包括植被覆蓋數據（NDVI）、DEM 數據和氣象數據。NDVI 數據使用的是MODND1M 中國500M NDVI 月合成產品，該產品的空間分辨率為500 m，時間分辨率為月，時間跨度為2000 年1 月—2015 年12 月。通過網站（http：//www.gscloud.cn）下載全國NDVI 月數據，基于獅泉河流域邊界提取獅泉河流域NDVI。進一步利用ArcGIS 10.2 軟件Map Algebra 工具進一步合成獅泉河流域季尺度、年尺度植被指數數據集。

DEM 數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云，研究選用SRTM 30 m 分辨率的DEM 數據。利用ArcGIS 10.2 軟件水文分析工具箱對DEM 數據進行填洼、生成流向、劃分河網、生成流域邊界。

獅泉河流域水文氣象監測發展滯后，監測點極其稀疏，流域僅1 個國家級氣象站點。為了確保研究數據的準確性，氣象數據選用CRU TS4.05 數據[12]，選用的氣象因子包括降水、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫月尺度數據，空間分辨率為0.5°×0.5°，對氣象數據采用雙線性插值法，分辨率與NDVI 數據空間分辨率一致，合成季尺度與年尺度氣象數據。

3.2 研究方法

（1）相關系數法。相關系數表征了變量之間的線性相關程度的統計量。利用相關系數法分析獅泉河流域NDVI 與坡度之間的相關關系，探討坡度對流域植被覆蓋的影響。

（2）偏相關分析法。偏相關分析方法把其余變量視作常數，可得到消除其余變量影響后的兩要素之間的偏相關系數[13]。研究中采用偏相關系數來分析獅泉河流域NDVI 與氣溫、降雨之間的關系。

（3）Mann-Kendall 趨勢檢驗法。Mann-Kendall方法具有計算簡單、計算結果不受序列少數異常值干擾的優點，近些年廣泛應用于時間序列的變化趨勢分析[14]。該方法通過計算時間序列的統計量Z 值來表征時間序列數據變化趨勢的顯著性，如果Z 的絕對值大于Z1-α/2，變化趨勢不顯著，反之，則變化趨勢顯著。

（4）Hurst 指數法。Hurst 指數能夠表征時間序列自相似性和長期依賴性[15]。本研究采用結果更具可靠性的R/S 分析法[16]估算獅泉河流域Hurst 指數。根據Hurst 指數的大小可以判斷NDVI 序列的持續性，包括三種形式：0.5＜H＜1，表明NDVI 序列是一個持續性序列，具有長期相關的特征，且H越接近1，持續性越強；H=0.5，則為隨機序列；0＜H＜0.5，則NDVI 序列具有反持續性，H 越接近0，反持續性越強[17]。

4 研究結果與討論

4.1 獅泉河流域植被時空變化特征

獅泉河流域生長季NDVI 平均值范圍為0.13～0.19，大于全年平均值的0.1～0.15，遠小于同位于青藏高原的三江源年均值0.22[11]。獅泉河流域年和季尺度的NDVI 變化趨勢如圖2 所示。2000—2015年間，在年和季尺度上，獅泉河流域NDVI 總體上呈現不顯著上升趨勢。生長季回歸直線斜率為0.001，略小于年NDVI 的回歸直線斜率0.0014。這說明在流域退牧還草政策和氣溫升高的影響下，獅泉河流域植被退化得到遏制，植被生長呈好轉趨勢。

圖2 獅泉河流域2000—2015 年NDVI 變化趨勢分析

獅泉河流域2000—2015 年NDVI MK 值（Mann-Kendall 趨勢檢驗法中Z 統計量）分布見圖3。從空間分布上看，獅泉河流域NDVI MK 值總體散亂、局部聚集，具有明顯的區域差異。海拔相對較低、水熱條件較好的河谷灘地NDVI MK 值為正，植被覆蓋有增加趨勢，但不顯著；海拔相對較高、水熱條件不佳的山地NDVI MK 值為負，植被覆蓋有減小趨勢，同樣不顯著。獅泉河和噶爾藏布源頭地區的自然條件較差，土壤水分含量相對較低，NDVI 有不顯著減少趨勢。

圖3 獅泉河流域2000—2015 年NDVI MK 值分布

4.2 獅泉河流域植被與坡度的相關分析

將坡度進行等級劃分，分析不同坡度等級下NDVI 均值和變化趨勢。根據獅泉河流域坡度分布特征，0～60°坡度以3°為間隔分20 個等級、60～75°坡度為1 個等級。

由圖4 可知，NDVI 隨坡度升高呈逐漸下降的變化趨勢。當地土壤貧瘠、水分空間分布差異性極大，坡度越小，土層厚度越大，蓄積水分越多，可以為植被提供較好的生長環境，NDVI 越大，反之亦然。對2000—2015 年各坡度等級的NDVI 均值與坡度做相關分析，相關系數為-0.86～-0.96，均呈顯著負相關。

圖4 獅泉河流域2000—2015 年NDVI 與坡度關系

4.3 獅泉河流域植被未來變化趨勢

對獅泉河流域2000—2015 年NDVI 年均值、生長季均值逐像元進行Hurst 指數計算，分析獅泉河流域植被的穩定性、持續性，確定獅泉河流域植被覆蓋情況未來演化趨勢與過去的關系（見圖5）。獅泉河流域Hurst 指數年均值、生長季均值均在0～1 之間，其中生長季均值Hurst 指數略高于年均值。Hurst 指數高值是指0.5 ＜H ＜1，此時未來變化趨勢與過去一致，高值集中分布在獅泉河中下游河谷灘地、支流噶爾藏布、赤左藏布、朗曲河谷等土壤較厚、水分充足的區域；低值是指0 ＜H ＜0.5，此時未來變化趨勢與過去相反，低值集中分布在河流源頭山地或丘陵區等坡度較陡、水土易流失區域，其他區域較為混雜。

圖5 獅泉河流域2000—2015 年NDVI Hurst 值分布

4.4 獅泉河流域植被與氣象的相關關系分析

獅泉河流域NDVI 和氣象因子的相關系數、偏相關系數如表1 所示，NDVI 與氣溫、降水的相關系數均大于偏相關系數，說明降水、氣溫同時對NDVI起作用，且氣溫對NDVI 的影響更大。NDVI 與氣溫關系密切，與當月、后一月、后兩月的氣溫相關系數都大于0.5（通過顯著性檢驗），與后一月的氣溫相關性最大，與后兩月的氣溫相關性次之，表現出明顯滯后性。降水對NDVI 的影響較小，與后1 月NDVI 偏相關系數最大，達到0.15，與其余月份偏相關系數較小且不顯著。獅泉河流域土層淺薄、蒸發大、水土易流失，土壤蓄積水分作用差，大大降低了降水對植被生長的促進作用。總的來看，獅泉河流域屬于典型的高原干冷大陸型氣候[18]，植被生長對水熱條件的敏感程度差異較大，獅泉河流域植被生長對氣候因子響應基本都存在1～2 個月的滯后。

表1 獅泉河流域NDVI 與氣候因子的相關系數、偏相關系數

4.5 獅泉河流域造林綠化工程措施建議

近年來，為全力打造高原邊疆生態屏障，有效改善阿里地區惡劣的自然生態環境，阿里地區以造林綠化工程為主不斷加大林業建設投入。2016—2018 年，阿里地區累計實施造林2.7 萬余畝，總投資1.429 億元[19]，取得了一定的綠化效果。阿里地區不同區域植樹造林效果差異明顯，獅泉河鎮城市道路綠化帶歷經樹種選育、培土澆水、保暖救治等多環節依然成活率較低，昆莎鄉附近綠化林鮮有人工保育卻郁郁蔥蔥。究其原因，獅泉河鎮雖位于獅泉河兩畔但土壤水分不足（地勢相對較高），人工澆水不能及時補充水分，植物生長受限，而昆莎鄉位于地勢較低的獅泉河中下游河谷，土壤水分充足，植物能夠正常生長。這進一步印證了獅泉河流域Hurst 指數分布與土壤水分高度相關的結論，即在獅泉河中下游河谷灘地、噶爾藏布、赤左藏布、朗曲河谷等土壤較厚、水分充足的區域植樹造林成活率較高，在其他區域需要更高的成本和養護才能維持植物生長。

總體來說，降水少、蒸發大、土壤保水能力差成就了阿里地區獨特的土壤水分條件，土壤水分也因此成為阿里地區植物生長限制性因素。改善水分結構，增加土壤保水能力，從根源上消除或緩解植物生長的限制性因素，能夠大大降低維護保育成本，有效提高植物成活率。

5 結論

（1）獅泉河流域植被指數NDVI 在時間尺度上（年和季）呈現上升趨勢，但不顯著；在空間尺度上，水熱條件較好的河谷灘地植被覆蓋有增加趨勢，但不顯著。

（2）獅泉河流域植被覆蓋整體較低，與坡度顯著負相關。坡度越大，土壤水分條件越差，植被覆蓋越低。

（3）氣溫相對降水對植被生長影響較大。流域土層淺薄、土壤蓄積水分作用差，大大降低了降水對植被生長的促進作用。

（4）土層厚度大、水分充足的河谷灘地有較強的持續性，未來植被出現增長趨勢。

（5）流域植物生長限制性因素為土壤水分。建議增加土壤保水能力，有效提高植樹成活率。