黄河三角洲NDVI时空演化特征及其驱动因素*

安乐生 赵全升 周葆华 刘贯群

(1. 安庆师范大学资源环境学院 安庆 246133; 2. 中国海洋大学环境工程系 青岛 266100; 3.青岛大学环境科学系青岛 266071)

植被既是陆地生态系统的主体, 也是人类重要的环境资源和物质资源。它具有截留降雨、减少雨滴击溅、减缓地表径流、保土固土等功能, 是土壤侵蚀与水土流失的主要监测因子, 在地球的能量转化和物质循环中起着特殊而重要的作用(张宝庆等, 2011;赵丽红等, 2016)。植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个重要指标, 也是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因子, 对于区域环境变化和监测研究具有重要意义(马志勇等, 2007)。植被覆盖度的测量可分为地面测量(田间尺度)和遥感估算(区域尺度)两种方法。目前已经发展了植被指数法(North, 2002; Liu et al,2016)、经验模型法(Van De voorde et al, 2008)、像元分解模型法(Johnson et al, 2012; 李恒凯等, 2014)等很多基于遥感反演手段的植被覆盖度估算方法(沈芳等, 2006; 程红芳等, 2008; 周葆华等, 2014; 赵丽红等, 2016), 其中最为常见也较为实用的是利用归一化植被指数(NDVI)近似估算植被覆盖度。

当前, NDVI研究侧重于植被覆盖时空演变遥感监测与分析, 以及生物量估算、区域蒸散发、土壤水分反演等领域, 偏好探讨NDVI与气候因子之间的相互关系, 而在环境因子和人为因素对其影响方面研究较为欠缺(李明杰等, 2011; 张景华等, 2015; 田义超等, 2016)。近年来, 黄河流域(刘绿柳等, 2006)包括黄河三角洲地区(李明杰等, 2011)NDVI时空动态及其与降水、温度、径流之间的关系偶见讨论, 但对NDVI时空变化的自然和人为影响因素分析仍然有限。黄河三角洲地理位置独特, 自然条件特殊, 生态环境敏感脆弱。该地区地下水浅埋, 且盐分含量很高(阴离子中 Cl-占比很高), 对土壤盐渍化及植被生长发育具有重要影响(安乐生等, 2015)。此外, 区域还受到黄河下游调水调沙及生态补水等人为活动影响。因此, 本研究拟在分析NDVI空间分布及其动态变化规律的基础上, 侧重于多重驱动因素的关键作用行为探讨。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河三角洲是我国三大河口三角洲之一, 位于渤海湾南岸和莱州湾西岸, 可分为古黄河三角洲和现代黄河三角洲两部分。现代黄河三角洲是指 1855年黄河改道入渤海后淤积形成的、以宁海为顶点, 东起淄脉沟, 西至徒骇河, 向海伸展到16m等深线附近的扇形堆积体。研究区属小清河以北黄泛平原区, 地势低平, 海拔高度低于 15m, 地面坡降为 1/8000—1/12000。区内地下水位埋深普遍较浅, 一般为 0.5—2.0m, 岗地与河滩高地较深, 坡地次之, 洼地与滨海低地最浅(大部分小于1.0m)。潜水Cl-、Na+和总溶解性固体(TDS)含量很高, 而 HCO3-、CO32-和 K+含量很低(安乐生等, 2011; 丁喜桂等, 2014)。

图1 研究区及采样布置示意Fig.1 Sampling stations in the study area

研究区东、北以海岸线为界, 西、南分别延伸至黄河三角洲北部自然保护区(1976年以前引洪的黄河故道)西端和东部自然保护区(黄河入海口)的南端(118°34′— 119°15′E, 37°36′— 38°09′N), 总 面 积 约2719.8km2, 其中 1855年以后的现代黄河三角洲占86.5%, 见图 1(a)。黄河三角洲自然保护区由东、北两部分组成, 总面积约 1530.0km2。保护区共有种子植物42科、390多种, 以禾本科、豆科、菊科、藜科居多, 植被覆盖率约为55%, 其中典型植被翅碱蓬、芦苇和柽柳分布较广。

1.2 研究方法

本研究遥感资料选用“对地观测数据共享计划”中LANDSAT系列影像数据共4景, 成像时间分别为2002年10月15日、2006年10月2日、2008年10月7日及2013年10月5日。环境数据主要是2006—2010年黄河三角洲滨海湿地综合地质调查与评价项目 151个采样站位的潜水氯离子质量浓度[c(Cl-)]和表层土壤氯离子含量[w(Cl-)](考虑 Cl-在土壤和潜水中含量或浓度很高, 且对植物生长具有较强的抑制胁迫作用), 见图1(b)。背景数据主要包括研究区DEM数据(来源于2000年2月美国地质调查局SRTM地形高程数据)、相关时段区域(东营市)水文气象统计数据、黄河水利委员会(黄委)发布的黄河下游调水调沙与生态补水资料等。

以 4幅遥感影像作为植被空间分布与植被覆盖动态研究的基础数据, 根据野外调查及该地区植被研究的既有成果, 阐明区域NDVI时空分布状况。通过ENVI 4.8软件提取上述4景影像的NDVI, 之后将其导入 ArcGIS 10.2软件中生成 NDVI分级分布图,同时利用SPSS 17.0软件制作重采样后(将Cellsize由原来的 30m调整为 1000m, 从而减小图像的栅格数,便于后续统计分析)的 NDVI频数分布图, 再结合地形高度、表层土壤w(Cl-)和潜水c(Cl-)空间分布及有关水文气象资料等, 探讨区域NDVI变化的时空特征及其驱动因素。其中地形分布利用 SRTM 数据由MICRODEM软件生成。表层土壤w(Cl-)和潜水c(Cl-)空间分布借助ArcGIS 10.2软件地统计模块, 在数据检验的基础上, 采用Ordinary Kriging方法分别对二者进行线性无偏插值后获得。

2 结果分析

2.1 NDVI空间分布特征

结合野外调查, 由图2(a—d)可以看出, NDVI≤0的区域为非植被分布区, NDVI＞0的区域为植被分布区。近海地带特别是东南和东北部光滩和虾蟹池NDVI很低, 鲜有植被分布。其中, NDVI＜-0.1的区域主要是库塘、盐田、虾蟹池; NDVI在-0.1—0之间的区域主要是潮滩和裸地。黄河现行河道和刁口故道两侧地区植被覆盖程度较高、长势总体较好, NDVI普遍在 0.2以上, 离河道越近 NDVI越高, 显著表明黄河河道、故道水系(淡水)促进植被发育生长。譬如东部自然保护区中部(大汶流管理站附近)、黄河现行流路与刁口故道交汇区、孤岛水库西侧等典型区域NDVI一般超过0.4, 局部地区NDVI在0.5以上, 这些区域主要是一些优质玉米地和芦苇荡(黄河三角洲地区发育有大片天然的芦苇荡, 荡内芦苇生长密集,苇叶阔大、厚实, 导致植被覆盖率很高)。

从空间格局来看, 黄河三角洲地区 NDVI可分为高、中、低值区。其中, 高值区NDVI＞0.4, 为高植被覆盖区, 分布在黄河现行河道和刁口故道两侧区域,距河道或故道约1.0—7.5km, 整体呈斜“Y”形状展布;低值区 NDVI＜0.1, 为稀疏植被覆盖区, 主要是海岸带的沿岸陆地部分, 沿海岸线向陆地延伸约 5.0—10.0km, 沿海岸线呈条带状分布; 中值区 NDVI在 0.1至0.4之间, 为中等植被覆盖区, 主要以3大斑块分布于黄河现行流路(或刁口故道)与海岸带之间的过渡区域, 具体包括: 刁口故道西侧区(渤海农场—綦家屋子地区)、神仙沟两侧区域(孤岛水库—孤北水库—孤东水库—黄河口管理站地区)和大汶流管理站西南部地区。

2.2 NDVI年际动态变化规律

图 2(a—d)是遥感影像提取 NDVI的运算结果。2002、2006、2008、2013年10月研究区NDVI计算结果分别为-0.60—0.61、-0.44—0.50、-0.65—0.71、-0.32—0.64。2002年, 研究区有近 50%区域的NDVI＜0, 在黄河现行河道和刁口故道附近 NDVI高值像元分布较少, 甚至出现无植被覆盖区, 导致河道与故道两侧 NDVI斜“Y”形展布规律不明显, 说明该年度植物生长发育形势较差, 区域植被覆盖率偏低。2006、2008、2013年 NDVI低值区面积逐渐减小, 而中、高值区面积在扩展。2008年较2006年高值像元明显增多, 致使黄河现行河道和刁口故道两侧区域NDVI斜“Y”形分布态势完全呈现。在黄河入海口地区, 上述年份NDVI＞0的区域逐年增加, 且NDVI值逐年上升, 以2013年最为明显, 反映出河口地区植物分布范围不断扩大, 植被覆盖度增大, 生态环境持续改善。

图 2(e—h)是在图 2(a—d)的基础上, 对栅格数据重采样(Cellsize由30m变为1000m)后的NDVI频数分布, 可以清晰地看出, 研究区各年份 10月 NDVI均近似服从正态分布, 2002、2006、2008、2013年10月区域 NDVI均值分别为-0.04、0.06、0.10、0.16, 各年份 NDVI＞0的面积分别约为 1253、1733、1742、2175km2(由大于零的栅格个数乘以重采样后的栅格像元大小确定), 占区域总面积的百分比分别是43.67%、60.01%、66.82%、81.77%。上述统计结果显示, 2002至2013年, 研究区NDVI＞0的栅格数随年份明显增加, 栅格单元属性(NDVI)的频数分布变量均值近似由0向0.2移动, 频率分布曲线形状渐趋正态, 表明黄河三角洲地区 NDVI总体呈增加的态势,区域植被覆盖状况明显增加, 尤其是滨海地区天然植被的恢复面积扩大, 总体长势好转。

2.3 影响NDVI时空分布的主要因素

2.3.1 环境因素影响 NDVI整体空间分布格局植被生长主要受制于气候条件和水盐等环境因素。在同一尺度范围下, 气候因子的空间变异通常较环境因子弱。显然, 黄河三角洲地区水位、水分、盐分等水盐环境条件与离海远近有很大关系, 加之黄河淡水补给, 海陆两相作用、河海两相交汇导致水盐因子产生更为显著的空间变异(安乐生等, 2011)。由图 3可知, 地形高度、表层土壤 w(Cl-)和潜水 c(Cl-)在空间分布上具有一定的方向性, 即由内陆(东部自然保护区西端)到海岸线, 地形高度由 12—14m逐渐降至0—2m, 而表层土壤 w(Cl-)由低于 1.0g/kg增至超过10.0g/kg, 潜水 c(Cl-)则从小于 2.0g/L较快升至25.0g/L以上, 这一高度或浓度分布特征与NDVI高、中、低值区分布匹配较好。此外, 从黄河现行流路或刁口故道向滨海地区观察可以发现, 地形缓降、表层土壤w(Cl-)和潜水c(Cl-)渐增的趋势在此方向上也较为清晰, 这一分布趋势也恰与黄河现行河道和刁口故道两侧区域NDVI呈斜“Y”形分布态势吻合。

图2 不同年份黄河三角洲地区NDVI及其频率分布Fig.2 NDVI and its frequency of the Huanghe (Yellow) River Delta in different years

结合151个采样站位NDVI与地形高度、表层土壤w(Cl-)和潜水c(Cl-)的相关性分析可知, NDVI与地形高度呈正相关, 相关系数(R)为 0.33; 与表层土壤w(Cl-)和潜水 c(Cl-)均呈负相关, R分别为 0.740和0.737, NDVI与表层土壤 w(Cl-)和潜水 c(Cl-)相关性较好。事实上, 地形因素对植被的影响, 主要通过影响地下水位、潜水与土壤中盐分迁移等因素实现, 也就是说, 地形高度的植被效应, 一定程度上可归到水盐因子当中。考虑到黄河三角洲地区地下水埋深普遍较浅, 地下水位、土壤水分含量空间变异相对于水土环境中盐分含量较弱。又因表层土壤 w(Cl-)和潜水c(Cl-)间 R为 0.643, 表明潜水 c(Cl-)对土壤 w(Cl-)影响显著, 潜水 c(Cl-)一定程度上控制着土壤 w(Cl-)的空间分布与变异(安乐生等, 2015), 进而影响到植被的分布生长。可见, 地形高度、表层土壤w(Cl-)和潜水c(Cl-)等环境因素综合作用影响区域NDVI空间分布格局, 尤其是潜水c(Cl-)的关键控制作用更为明显。

图3 地形高度、表层土壤w(Cl-)和潜水c(Cl-)空间分布(地形高度由美国地质调查局2000年2月SRTM数据生成)Fig.3 The spatial distribution of terrain elevation, w(Cl-) of surface soil layer, and c(Cl-) of phreatic water

2.3.2 气候条件造成 NDVI年际动态变化 研究区主要位于东营市的垦利县和刁口区, 该地区降水和气温等相关数据可借鉴东营市水文气象资料。1997—2002年, 黄河流域连年干旱少雨。其中, 东营市1997年遭受了自1916年以来的特大夏旱, 6、7月份全市平均降水量仅 54.6mm, 为历史同期水平的21.0%; 2002年东营市降水量为 356.1mm, 较常年偏少37.6%(少214.6mm)。2003年以后降水逐渐恢复至常年水平, 2003—2013年东营市年均降水量为556.4mm。区域降水由稀少转为正常, 显然有利于植被的生长, 并导致 NDVI数据增大。1997—2013年,该地区年均气温变化稳定, 年均气温平均值为13.6°C。各年份年均气温围绕均值上下波动, 幅度在0.5°C以内。其中, 最低气温出现在2003年为13.2°C,这一定程度上受2003年降雨量(782.3mm)较大影响。显然, 气温的起伏波动影响地表和潜水蒸发, 势必对植被生长产生影响。

图4 1997—2013年东营市各年份年均降水量与气温变化Fig.4 Changes of annual precipitation and air temperature in Dongying city during 1997—2013

李明杰等(2011)认为黄河三角洲地区NDVI与降水、气温均有较高的相关系数, R分别为0.63、0.81, 在考虑植被生长发育与降水、温度延迟特性的情况下,并以延迟1个月的数据为参考, R分别可达到0.75、0.89。可见, 气温和降水综合作用于植被生长发育,二者的年际动态变化也会引起植被覆盖度和 NDVI数据的波动。此外, 雨水除补充植物生长所需的水分外, 在黄河三角洲这一特定地区, 雨水径流还有冲刷淋溶土壤盐分的重要作用。结合 1997—2013年降水前期少、后期渐多并趋于正常的显著变化, 可以认为在研究时间内, 降水对该区域NDVI在年际上呈现良性变化具有重要影响。

2.3.3 生态调度人为影响过水区域 NDVI分布前已述及, 黄河现行河道和刁口故道两侧区域 NDVI呈斜“Y”形分布, 植被长势较好。从图2(a—d)可进一步看出, 无论较干旱的 2002年, 还是降雨量已有缓和的 2006、2008、2013年, 黄河现行流路和故道两侧NDVI明显高于其他地区, 说明黄河及其故道对维护区域生态系统健康具有重要作用, 尤其是生态脆弱、环境敏感的河口三角洲湿地。事实上, 在上世纪 90年代, 黄河水资源供需矛盾突出, 出现年年断流, 导致尾闾三角洲生态系统受到持续破坏。为实现黄河功能性不断流, 加强流域生态环境管理和生态风险管控, 1998年黄河水利委员会(黄委)对黄河流域水资源实施统一管理调度。

2002—2009年, 黄委连续实施了9次汛前黄河调水调沙(历时 133d)。2008年, 结合第 8次调水调沙,黄委首次有计划地开展了对黄河河口三角洲的生态调水。2008、2009年分别向河口三角洲15万亩湿地人工补水量分别为1355.6、1507.7万m3, 生态补水后,东部自然保护区核心区湿地水深平均增幅分别为0.3、0.4m, 保护区低覆盖(30%以下)植被面积2009年较2008年增加了89%(见表1), 河口地区湿地面积逐渐增加, 指示性植被芦苇在发芽和生长旺盛期的生态用水得以保障, 区域生态环境不断改善(李国英等,2011)。2010年, 黄委在继续实施汛前调水调沙及向河口三角洲生态调水的同时, 适时开展了刁口河流路恢复过水试验工程, 向刁口故道调水3608万m3。刁口河实现全线过水, 河道过水面积达到 23.3km2,自然保护区进水800万m3, 面积达13.4km2。刁口故道生态补水基本上遏制了故道植被逆向演替趋势,受损的敏感生境和湿地植被结构得到修复。

表1 2008—2010年黄河三角洲河口湿地生态补水及成效Tab.1 Ecological water replenishment and effectiveness onto the Huanghe (Yellow) River Delta wetland in 2008—2010

可见, 持续开展的黄河下游生态调度对过水区域特别是河口地区植物正常生长、湿地植被恢复及其顺向演替、NDVI良性变化等有显著的促进作用。河口补水的环境效益和生态恢复效果, 将因调水的较长期实施和生态系统趋变因素影响演替的延迟性,而逐步得到显现和发展。

3 结论

(1) 黄河三角洲地区 2002、2006、2008、2013年 10月的 NDVI范围分别为-0.60—0.61、-0.44—0.50、0.65—0.71、-0.32—0.64, 均值分别为-0.04、0.06、0.10、0.16, NDVI＞0 的面积分别约为 1253、1733、1742、2175km2, 分别占区域总面积的 43.67%、60.01%、66.82%、81.77%。区域 NDVI总体呈逐渐增加的态势, 表明区域植被覆盖增加, 尤其是滨海地区天然植被的恢复面积逐渐扩大, 总体长势好转。

(2) 在空间格局上, 近海地带特别是东南和东北部光滩和虾蟹池NDVI很低, 鲜有植被分布; 黄河现行河道和刁口故道两侧地区植被覆盖程度较高、长势总体较好。该地区NDVI可分为高、中、低值区, 分别对应高植被覆盖区(NDVI＞0.4)、中等植被覆盖区(NDVI为0.1—0.4)和稀疏植被覆盖区(NDVI＜0.1), 且按离海远近, 在区域范围内分别呈现斜“Y”、斑块和条带状布置。

(3) 地形高度、地下水和土壤水盐条件(尤其是潜水氯离子浓度)等环境因素影响NDVI整体空间分布格局, 区域降水和气温等气候条件造成 NDVI年际动态变化, 而持续开展的黄河下游生态调度对过水区域特别是河口地区NDVI良性变化具有显著的促进作用。

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