基于植被狀態指數的甘肅省2000-2019年干旱時空特征分析

張 瑾, 王 斌, 白建軍

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119)

目前常用進行農業干旱監測的手段有利用站點數據進行監測和利用遙感數據進行監測兩種。前者常用的干旱指數有PDSI(帕默爾干旱指數)[8]、SPI(標準化降水指數)[9]、SPEI(標準化降水蒸散指數)[10]、CI(綜合指數)[11]和K指數等[12]。由于干旱是持續性、區域性事件，僅憑借站點數據進行空間插值來監測農業干旱不僅精度低，并且具有一定的不確定性。遙感可以獲得多波段、多時段的地表變化信息，從而能夠監測各種地球表面自然災害的時空動態變化情況，補充了傳統的站點監測的不足，逐漸成為干旱監測領域的前沿與熱點[3,13-15]。植被狀態指數(VCI)是以歸一化植被指數(NDVI)為基礎數據計算得到的遙感指數，VCI定義為當期NDVI與NDVI多年最小值的差值與NDVI多年最大值和最小值的差值的比值，通過對NDVI進行逐像元歸一化處理，減少了水分之外的地理和生態因子對NDVI空間變異的影響[16-18]。

甘肅省位于我國西北干旱半干旱地區，其農業發展深受干旱事件影響。目前，對甘肅省干旱特征的研究主要分為采用單一指數評價氣象干旱或農業干旱和研究不同干旱指標在甘肅省的適用性兩類。已有研究大多使用站點數據計算干旱指數來探討甘肅省干旱時空特征，對柵格數據的分析較少。甘肅省的農業用水來自降水、冰川融水和灌溉三方面，因此利用降水數據計算得到的干旱指數并不能準確反映甘肅省農業干旱情況，本文排除不同農業用水供給源的影響，使用可以反映植被生長狀況的NDVI數據計算得到的植被狀態指數(VCI)作為表征干旱程度的指標，利用逐月植被狀態指數和年均植被狀態指數來反映甘肅省春、夏、秋三季干旱情況變化趨勢；同時，結合氣象站點的觀測數據，探究植被狀態指數和降水的相關性；此外，通過計算干旱頻率和干旱面積占比來反映甘肅省干旱分布的時空特征，為甘肅省開展抗旱減災工作提供科學參考。

1 研究區概況

甘肅省地處中國西北內陸，位于黃河上游，地理坐標為32°11′—42°57′N，92°13′—108°46′E，位于黃土高原、青藏高原和內蒙古高原的交匯帶[19]。地勢自西南向東北傾斜，地形狹長，海拔587～5 485 m，年平均氣溫8℃。甘肅省地形復雜多樣，與海洋距離較遠導致暖濕氣團不易到達，屬于典型的大陸性干旱半干旱季風氣候，受到季風的影響，甘肅省的降水多集中在6—8月，年平均降水量約為400 mm[20]。全省共有12個地級市和2個自治州。甘肅省地形狹長，地勢西部高東北部低，地貌復雜多樣，山地、高原、平川、沙漠和戈壁交錯分布。一般將甘肅省分為五大地區，分別是河西地區(包括嘉峪關、酒泉、張掖、武威、金昌)，隴中地區(包括蘭州、白銀、天水、定西、臨夏)，隴東地區(包括慶陽、平涼)，隴南地區(隴南)，甘南地區(甘南)。甘肅省自然災害頻發，其中干旱災害最為嚴重，據統計，每年農作物平均受旱面積8.268 4×105hm2，減產糧食(50～100)×104t[21]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據資料來源

本研究采用MODIS系列的NDVI合成產品。使用來自中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)時間跨度為2000年1月—2019年12月的NDVI月合成產品，空間分辨率為1 km。采用的氣象數據是中國地面氣候資料月值數據集中甘肅省2000年1月—2019年12月的逐月降水數據，來自中國氣象數據網(http:∥www.nmic.cn)。土地利用數據為2018年甘肅省土地利用合成產品，來自中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。

2.2 研究方法

2.2.1 農業干旱識別方法 植被覆蓋區的植被指數變化由兩類因素導致：生態系統因素和極端天氣因素。極端天氣因素不能由植被指數直接進行監測。植被狀態指數是由來自美國國家海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的Kogan等[22]提出的。假設VCI指數的變化只受極端天氣因素的影響，從而將生態系統因素與極端天氣因素剝離開來。由于氣象因子與植被覆蓋狀況和長勢密切相關，假設NDVI的最小值出現在不利天氣條件下(如干旱)，NDVI的最大值出現在最佳天氣條件下。利用長時序的NDVI數據計算NDVImax和NDVImin，根據某時段NDVI與NDVImax或NDVImin的差值可以反映出植被在當前氣象條件下的生境狀況。本研究將植被狀態指數作為識別農業干旱的指標，以月為基本時間尺度，計算研究時段內逐月的VCI值，計算方法如下：

(1)

式中:VCIi為某年第i月的植被狀態指數,其值越小表示該時期植被長勢越差,干旱程度越嚴重;NDVIi為某年第i月的NDVI值;NDVImax和NDVImin分別為研究時段內NDVI的最大和最小值。VCI取值為0～1,根據VCI值的大小,可將農業干旱分為5個等級[23]。

⑤泄流渠斷面形式及尺寸。冰磧湖泄流渠斷面可選用的形式有梯形、多邊形、矩形及復式斷面等。在應急搶險過程中泄流渠通常選用梯形。渠道斷面可分為寬淺與窄深兩類。寬淺斷面水流穩定，不易引起渠底沖刷，但所需斷面較大，位置選取較為困難。窄深斷面利于利用水流挾帶能力，逐步擴寬切深斷面。泄流渠過水斷面尺寸取決于泄流流量、允許抗沖流速和施工能力的要求。泄流渠一般設計為窄深狀，以便充分利用水流的挾帶能力，逐步擴寬切深斷面。渠底坡度的選取應以不引起淤積、沖刷為宜，經驗取值1/400～1/10 000。可分段進行設計，入口段宜為低坡或逆坡，中間段宜為平坡，下游段取較大坡度。

2.2.2 農業干旱評估指標

(1) 計算干旱面積占比(Pn)。通過計算某一區域發生農業干旱的面積與區域總面積的比值可以反映農業干旱的覆蓋范圍和嚴重程度，計算公式如下：

(2)

式中:s為發生農業干旱的面積；S為研究區域的總面積。本文通過計算發生農業干旱的像元個數和研究區域總像元個數的比值得到干旱面積占比；根據Pn的大小,將農業干旱的影響范圍分為5級[24]。

(2) 干旱發生頻率(Pm)。通過計算某一區域農業干旱發生次數與總時序長度的比值，來反映農業干旱發生的頻繁程度。計算公式如下：

(3)

式中:f為研究時段內農業干旱發生次數；F為研究時段總長度。

3 結果與分析

3.1 基于VCI的甘肅省農業干旱事件識別

通過計算研究時段內逐月植被狀態指數，得到甘肅省2000—2019年逐月植被狀態指數(VCI)時序變化圖(圖1)。研究時段內共180個月份的數據中僅有38個月的VCI值大于0.6，即僅有38個月份甘肅省未發生農業干旱，其余月份旱情集中在輕旱與中旱之間。僅在2006年1月和2016年1月出現特旱；重旱集中出現在春季。研究時段內VCI呈現緩慢上升的趨勢，即2000—2019年甘肅省的旱情逐步緩解。

注：圖中每一個數據點表示研究時段內逐月的數據，下圖同。圖1 甘肅省2000-2019年逐月VCI時序變化

3.2 甘肅省農業干旱空間特征分析

通過對研究時段內干旱頻率進行計算，得到甘肅省2000—2019年農業干旱頻率空間分布圖(圖2)。春季甘肅省農業干旱頻率主要集中在60%～100%，呈現西北高東南低的空間特征，其中河西地區和隴中地區的定西等地干旱最為嚴重，干旱頻率超過了60%，由于河西地區土地利用類型主要是戈壁和沙漠，植被覆蓋度低且春季降水較少，水源涵養功能弱，土壤干燥缺水；加之在植被覆蓋較弱的區域，NDVI指數會出現監測不到的情況，也會導致植被狀態指數的偏低；隴中地區屬于旱作物區，降水為地表主要水源補給，春季旱情高發會影響作物前期生長。甘南地區、隴南地區和隴東地區干旱頻率較低，這些地區植被覆蓋度高，土壤保水性能好。夏季為4個季節中旱情最輕的季節，這是甘肅省降水季節分布不均和夏季冰川融水增多共同導致的結果，干旱頻率高的地區分布在河西地區，該地區夏季溫度高、降水少且植被覆蓋度低；隴南地區、甘南地區和隴東地區干旱頻率最低，介于0～20%；干旱頻率在40%～60%的地區僅呈條帶狀分布于河西地區和隴中地區。秋季僅有隴中地區的干旱頻率較夏季有所降低，其余地區干旱頻率均上升，空間分布上與夏季相似。

圖2 甘肅省2000-2019年農業干旱頻率空間分布

3.3 甘肅省農業干旱時間特征分析

通過計算研究時段內逐月的農業干旱面積占比，得到甘肅省2000—2019年逐月農業干旱面積占比時序變化圖(圖3)。研究時段內，甘肅省整體上以全域性干旱為主，僅2012年8月、9月和2013年7月、8月為局域性干旱?？傮w上干旱面積占比呈現緩慢減少的趨勢，表明甘肅省的農業干旱情況正在逐步緩解，這與VCI緩慢上升表示甘肅省農業旱情正在逐步緩解的趨勢基本一致。

圖3 甘肅省2000-2019年逐月農業干旱面積占比時序變化

3.4 長時序降水量與VCI的相關性分析

農業干旱是土壤缺失水分所導致的結果，本文通過分別計算VCI值和當期降水量、滯后一個月降水量和滯后兩個月降水量的相關系數，來探究VCI與降水量的相關性。

如圖4所示，降水量和VCI值存在較高的相關性，但僅憑折線-柱狀組合圖無法得出兩者間具體的相關系數，因此在SPSS 25.0中分別對逐月VCI值和當期降水量、滯后一個月降水量、滯后兩個月降水量進行Spearman相關性分析，得到VCI值和當期降水量、滯后一個月降水量和滯后兩個月降水量的相關系數分別為0.827**，0.767**，0.116，**代表顯著性水平為0.001。

圖4 甘肅省2000-2019年逐月VCI和降水量時序變化

由于水資源匱乏，甘肅省大部分地區為雨養農業區，雖也有部分地區依靠地理位置優勢可以將冰川融水作為農業補給水源，但這種方式不僅可實行的區域較少且對時間的依賴性較強。通過計算發現：甘肅省的植被狀態指數與當月降水量的相關性最高，相關系數達到了0.827；其次是滯后一個月的相關系數，為0.767；植被狀態指數與滯后兩個月的降水量相關系數最小，僅為0.116。甘肅省植被狀態指數與當月和滯后一個月的降水量的相關系數均高于0.7，說明甘肅省地區降水是影響植被生長的重要因素，這是甘肅省水資源空間分布不均且年降水量少導致的結果。

3.5 五大地區農業干旱時空特征分析

甘肅省分為河西、隴中、隴東、甘南和隴南五大地區，每個地區的土地利用類型、植被覆蓋情況以及氣候類型都不盡相同，從整個甘肅省尺度分析的結果并不能細致地反映不同地區的干旱時空特征，有必要縮小空間尺度分析五大地區每個地區的農業干旱時空特征。其中甘南地區和隴南地區的氣候類型以及植被覆蓋度等情況相似，因此將兩個地區合并為隴南及甘南地區進行分析。

如圖5—6所示，研究時段內所有地區的旱情總體上均呈現出逐漸緩解的趨勢。其中，河西地區北部旱情加重，南部旱情緩解。河西地區北部土地利用類型以沙漠和戈壁為主，植被覆蓋量少，且僅為稀疏的小灌木，以梭梭〔Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge〕、檸條(CaraganakorshinskiiKom.)、紅柳(TamarixramosissimaLcdcb)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)等抗旱性植物為主。歸一化植被指數是對植被活動的度量，在河西地區北部植被活動弱的地區，歸一化植被指數無法正確反映植被的生長狀況，進而無法反映該區域農業干旱的狀況；而位于河西地區南部的地區，土地利用類型以林地和草地為主，歸一化植被指數可以很好地反映植被的生長狀況。酒泉、張掖、金昌和武威等市的干旱頻率從2000年開始顯著下降，這與近年來河西走廊地區大力發展灌溉農業有密切關系，河西走廊地區是西北內陸著名的灌溉農業區，它提供了全省幾乎全部的棉花、90%的甜菜、60%以上的商品糧、40%以上的油料、啤酒大麥和瓜果蔬菜。研究時段內河西地區2006年中旱、重旱和特旱的發生比例均呈現下降的趨勢，輕旱和無旱的發生比例呈現上升的趨勢。近年來，政府積極采取退耕還林、退耕還草等措施將易造成水土流失的耕地根據先陡坡后緩坡的原則，逐步停止耕種，根據土質的差異，因地制宜地恢復植被，合理利用資源，加大在防治荒漠化方面的投入，在草方格中種植梭梭、花棒等抗旱性植物，河西地區最廣泛的沙質荒漠化得到了遏制，生態環境有了很大改善，干旱情況也得到了緩解。

圖5 五大地區2000-2019年干旱頻率空間分布

圖6 五大地區不同旱情占比

隴中地區廣泛分布有黃土，溝壑縱橫，植被覆蓋較差，黃土地區表層土壤涵養水的能力較弱，大量降水被消耗于蒸發、下滲和流失[25]。研究時段內，隴中地區旱情逐漸緩解，北部地區最為顯著，2000年北部地區干旱頻率以80%及以上為主，而2019年北部地區干旱頻率以40%～60%為主，干旱頻率80%以上的地區僅有零星分布。特旱和重旱發生的比例大幅下降，其中重旱發生的比例減少了近50%；發生輕旱、中旱和無旱的比例呈現增加的趨勢。近年來，人們逐漸意識到了生態環境的重要性，加上在政府的支持下隴中地區眾多市縣實施退耕還林、退耕還草工程，生態環境得到了有效改善，隴中地區的旱情得到顯著緩解。

自有歷史文獻記載以來，隴東地區的人們為了生存毀林開荒，地表植被資源被亂砍濫伐，森林草地面積不斷下降，地表植被覆蓋率極低，逐漸增加的裸露的黃土面積使得水土流失加劇，生態環境遭到嚴重破壞。近年來，在“十三五”構建“兩屏三帶”生態安全戰略格局的政策支持下，隴東地區生態環境逐步好轉。研究時段內，隴東地區北部和中部的旱情由干旱頻率80%以上為主變為40%～60%為主，中部一些地區干旱頻率僅為20%～40%。從不同旱情占比情況來看，研究時段內發生無旱和特旱的比例均接近于0，發生重旱的比例顯著下降，到了2019年時已接近0，發生中旱的比例也呈現下降的趨勢，僅有發生輕旱的比例顯著上升，由最開始的0上升到約70%。“十三五”規劃明確了我國以“兩屏三帶”為主體的生態安全戰略格局，黃土高原川滇生態屏障重點要加強水土流失防治和天然植被保護，北方防沙帶重點要加強防護林建設、草原保護和防風固沙，對暫不具備治理條件的沙化土地實行封禁保護。

隴南及甘南地區在甘肅省起著重要的生態屏障的作用，隴南地區植被覆蓋率高，為各種動植物生長繁殖提供了優渥的條件。甘南地區處于長江和黃河的上游，水資源豐富；森林資源豐富，占全省林地總面積的30%，是甘肅重要的畜牧業生產基地。隴南及甘南地區旱情在五大地區中最輕，僅有東北部地區旱情較重，但截至2019年，東北部地區旱情得到了極大緩解，干旱頻率以20%～40%為主。整個隴南及甘南地區僅有個別地區干旱頻率高于60%。從不同旱情占比情況來看，隴南及甘南地區發生特旱和重旱的比例一直接近于0，發生中旱的比例呈現下降的趨勢，發生輕旱和無旱的比例大幅上升。

研究時段內，甘肅省旱情雖有反復，但整體上呈現旱情緩解的趨勢。

3.6 基于土地利用類型的甘肅省農業干旱空間分析

土壤水分是土壤中的重要組成物質，也是決定土壤生產力的重要因素之一。農業干旱發生的一個重要原因是土壤水分不能滿足農作物水分需求，使農作物無法正常生長，進而導致生物量和產量減少。而植被覆蓋和土地利用影響著土壤水分的含量及其分布[26]。甘肅省的未利用地主要是分布在河西地區的西北部和東北部的沙漠和戈壁，林地和草地主要分布在河西地區的南部以及甘南、隴南、隴東地區(圖7)。不同用地類型發生不同程度旱情的比例見表1。

表1 不同土地利用類型旱情分布 %

圖7 2018年甘肅省土地利用類型空間分布

不同用地類型發生不同程度旱情的比例不同。耕地發生輕旱的比例最高，其次是無旱，發生特旱的比例僅為0.05%，雖然甘肅省降水在時間和空間上分布都不均，但多地發展灌溉農業，一定程度上彌補了降水量的不足，減少了旱情的發生。林地和草地發生無旱的比例最高，其次是輕旱，林地和草地植被覆蓋度高，土壤保水性能好。甘肅省的未利用地主要是河西地區的沙漠和戈壁，土壤肥力和保水性能都較差，植被覆蓋僅是矮小的灌木，發生重旱和特旱的比例最高，達到了19.849 2%，10.162 9%。近年來，當地的人們探索出了草方格和種植梭梭、花棒等抗旱性植物來改善沙漠化的方法，這種方法成本低，見效快，已經成為了河西地區最常用的治沙手段，遏制著巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠前進的步伐。

不同類型的用地類型發生不同程度旱情的比例不同，導致的原因也不同，要因地制宜對不同用地類型和不同程度的旱情提出不同的科學決策，最大程度上緩解甘肅省的旱情。

4 結 論

(1) 研究時段內，VCI指數集中在0.3～0.6，呈現緩慢上升的趨勢，表明甘肅省的旱情集中在輕旱與中旱之間，且有逐漸緩解的趨勢。從時間分布來看，甘肅省旱情春季最為嚴重，其次是秋季。

(2) 研究時段內，甘肅省一直表現為全域性干旱為主，呈現西北高東南低的格局，但干旱面積占比的值呈現緩慢下降的趨勢，表示甘肅省旱情正在逐漸緩解，這與VCI反映的趨勢基本一致。

(3) VCI與當月的降水量相關性最好，相關系數為0.827，結果表明降水是影響植被生長的重要因素，這是甘肅省水資源空間分布不均導致的結果。

(4) 不同用地類型發生干旱的比例不同，其中林地和草地發生干旱的比例最低，未利用地發生干旱的比例最高。

(5) 甘肅省各個地區的氣候格局、土地利用類型和農業生產用水源均有較大差異，要根據實際情況制定緩解農業干旱的相關政策。旱情最重的河西地區未利用地類型面積占比較大，應種植抗旱作物，提高植被覆蓋度，減少裸地面積占比，改善生態環境；其余地區應著重發展灌溉農業，減少水資源時空分布不均對農業帶來的影響。