额济纳植被覆盖变化及对地下水埋深的响应

赵玉

摘要：利用MODIS卫星遥感数据，建立了1998-2015年额济纳地区植被覆盖时空数据集，借助Mann-Kendall趋势检验和地统计学分析等方法，探讨了额济纳地区植被覆盖时空分布特征及其动态变化规律，揭示了研究区植被覆盖变化对地下水位埋深的响应机制。结果表明：1998-2015年额济纳地区年平均归一化植被指数（NDVI）为0.072～0.089，从年际变化特征看，额济纳地区NDVI值呈波动性上升趋势，从空间分布特征看，额济纳地区NDVI值的空间分布格局呈现斑块状分布;从地下水位埋深空间分布特征看，沿河流流向，东河、西河地下水位埋深呈现先增大后减小的变化趋势。

关键词：植被覆盖度;时空变化;趋势分析;地统计分析;额济纳

中图分类号：X523 文献标志码：A

植被作为全球陆地生态系统的重要组成因子，在维持生态系统平衡中发挥着重要作用[1]。地表植被变化影响区域生态平衡和局部气候特征[2]，而植被盖度是衡量地表植被长势和定量评价生态系统健康程度的重要指标[3-4]。由遥感数据反演得到的归一化植被指数（NDVI）可以反映区域植被的综合情况，是表征大尺度植被覆盖变化的指标[5-6]。国内外诸多学者揭示了不同时空尺度上植被指数的动态变化特征[7-8]、驱动机制[9-10]，以及植被覆盖变化对气候变化和人类活动的响应等[11-12]。

额济纳地区位于黑河下游，地处西北内陆干旱区，降水稀少，水资源短缺，生态系统脆弱。近20a来，黑河上游过度开发，中游需水量增加，导致下游额济纳地区水资源短缺[13]、植被衰退、绿洲萎缩[14]、生态环境恶化，严重影响区域陆地生态系统发展[15]。因此，开展额济纳地区植被覆盖时空动态变化特征分析对内陆干旱区绿洲生态系统环境研究具有重要意义。有关学者对黑河下游额济纳地区植被覆盖动态变化进行了大量研究[16-19]，但长时间尺度上黑河下游植被覆盖对地下水位埋深响应的研究较少。本文借助遥感技术手段，基于1998-2015年MODIS卫星遥感数据对额济纳地区植被分布特征进行分析，揭示研究区1998年以来植被覆盖的时空分布特征及其动态变化趋势，并结合地下水位埋深数据，探讨地下水位影响下的植被覆盖特征，以期为区域生态环境变化研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

额济纳地区地处亚欧大陆腹地，属典型温带大陆性干旱气候区，干旱少雨，冬寒夏热，多年平均降水量为38.5mm，降水集中在6-9月，多年平均气温为8.1℃。额济纳地区地带性土壤为石膏灰棕漠土和灰棕漠土，非地带性土壤为盐碱土和湖盆低地沼泽土[20]。研究区植被结构简单、类型单调[21]，代表性植物有胡杨、梭梭和沙枣等乔木，怪柳、黑果构杞、白刺和骆驼刺等灌木，苦豆子、芦苇、芨芨草、骆驼蓬等草类[22]。

1.2 数据收集

近年来，遥感技术因信息量大、覆盖范围广、时效性强和成本低等优势，被广泛运用到植被特征的定量监测中[23]。本文采用的1998-2015年额济纳地区NDVI资料来源于黑河计划数据管理中心。为揭示黑河下游额济纳地区植被覆盖对地下水位埋深的响应机制，收集了1995-2015年12眼长期观测潜水井水位埋深数据。

1.3 研究方法

（1）Mann-Kendall检验法。 Mann-Kendall趋势检验法是用于提取趋势变化的有效工具，因其使用范围广、人为因素影响小以及定量化程度高等优点，而被广泛应用于时间序列变化趋势分析中[24-25]。设时间序列为x_i（i=1，2，…，n），F_i（x）为样本x_i的分布函数。原假设H₀：F_i（x）=…=F_n（x），为n个独立的且随机变量同分布的样本，即序列存在趋势性特征。备择假设H₁是双边检验。对于所有的k，j≤n，且k≠j，x_k和x_j的分布是不同的。检验的统计量S的计算公式为

当n≥10时，将S标准化得到：式中：n为样本数;S为近似正态分布;E[S]为该统计量的期望;Var（S）为该统计量的方差。

在双边检验中，在给定的显著性水平（α）上，当时，接受原假设H₀;当时，表明时间序列呈显著下降趋势;当时，表明时间序列呈显著上升趋势。当|Z|大于等于1.28、1.64和2.32时，分别代表通过了信度90%、95%和99%的显著性检验。

（2）地统计学分析。地统计学是揭示变量空间变异特性的主要手段之一，用于研究地理变量的空间变异与空间结构。地统计学由分析空间变异与结构的变异函数及其参数（主要包括基台值、块金值、分维度和变程4个参数）和空间局部估计的Kriging插值两部分组成，目前已在地球物理、地质、生态、土壤等领域有较广泛應用[26]。

2 结果与分析

2.1 植被指数时间分布特征

1998-2015年额济纳地区年均NDVI值为0.072～0.089，最小值和最大值分别出现在2002年、2012年，见图1。研究区年均NDVI值表现为波动式上升趋势，平均增长率为0.020/10a。由图1中线性拟合方程可知，随着时间的推移，研究区植被覆盖度呈增大趋势。

额济纳地区NDVI值的Mann-Kendall趋势性检验的统计量Z为2.99，且通过了0.01水平的显著性检验，说明1998-2015年额济纳地区植被覆盖度呈增大趋势。Mann-Kendal趋势性检验结果进一步验证了图1结果，即研究区植被覆盖度有所提升，绿洲植被得以恢复。

2.2 植被指数空间分布特征

1998-2015年额济纳地区NDVI空间分布情况见图2。研究区NDVI在空间上表现为斑块状分布格局，且1998年、 2003年和2015年NDVI值空间分布格局一致，即NDVI高值区主要分布在东河、西河两岸及额济纳旗政府所在地和古日乃湖区。

2.3 地下水位埋深空间分布特征

基于黑河下游长期观测井的地下水位埋深数据，选择1998年、2003年和2015年6月的地下水位埋深数据，分析研究区地下水位埋深的空间分布特征。进行空间变异分析前，将GPS观测点数据导入ArcGIS10.2软件，分析其趋势性和各向异性，并采用地统计学软件包GS+进行半方差函数模拟和模型拟合，在前期分析的基础上，借助ArcGIS 10.2软件进行Kriging最优内插，三期数据的空间插值结果见图3。整体上看，东河、西河河道附近的地下水位埋深小于远离河道地区的。沿东河从狼心山到东居延海，地下水位埋深呈现先增大后减小的变化趋势，在东居延海地区地下水位埋深较大。沿西河从狼心山到西居延海，地下水位埋深同样呈现先增大后减小的变化趋势，地下水位埋深在赛汉陶来地区最小，在北戈壁至西居延海地区最大。总体来说，沿河流流向，东河和西河地下水位埋深呈先增大后减小的变化趋势。

2.4 植被指数对地下水位埋深变化的响应

植被作为联结地下水和土壤等要素的自然纽带，是生态系统的重要组成部分，也是生态系统健康状况的重要指标[27]。研究区1998-2015年地下水位埋深与植被指数空间分布叠置结果见图4。研究区NDVI值表征的绿色植被主要分布在东河、西河和古日乃湖区。不同年份NDVI高值区大部分出现在2～4m的地下水位埋深区。冯起等[28]以0.1m为间距绘制了研究区2010年地下水位埋深与相应的NDVI平均值的关系，发现当地下水位埋深为2.4～4.2m时，NDVI平均值在0.11附近波动，说明植被发育较好;当地下水位埋深大于4.2m时，NDVI值明显减小，植被发育较差。2.4～4.2m是黑河下游植被生长较适宜的地下水位埋深。同时，借助2011年黑河下游典型优势植物随机抽样调查结果，模拟和计算了额济纳地区主要植被及其植被盖度随地下水位埋深梯度变化的对数正态拟合模型的相关参数，见表1（其中：μ为样本数学期望;δ为样本方差;X_pm为众数，表示植物出现频率最大值对应的地下水位埋深;E（X）为地下水位埋深数学期望;δ（X）为地下水位埋深均方差）。由表1可知，黑河下游额济纳地区主要植被最适地下水位埋深为2.0～3.0m，其中芦苇更适宜在较小的地下水位埋深条件下生长，而罗布麻和骆驼刺比较耐旱。

3 结论

以黑河下游额济纳地区为研究区，揭示了该区植被覆盖时空分布特征，探讨了植被覆盖对地下水位埋深的响应机制，结果表明：1998-2015年额济纳地区植被指数随时间推移表现为显著上升趋势，NDVI值平均增长率为0.02/10a，说明黑河流域分水政策实施以来，额济纳地区植被覆盖度呈增大趋势，绿洲植被得以恢復;额济纳地区NDVI值呈现斑块状空间分布格局，不同时期NDVI值空间分布格局较为一致，高值区主要分布于西河上段、西河中段、东河上段和额济纳旗政府附近;从地下水位埋深空间分布特征看，东河、西河河道附近的地下水位埋深小于远离河道地区的，沿东河、西河河流方向，地下水位埋深均呈现先增大后减小的变化趋势;由植被覆盖度和地下水位埋深空间分布叠置结果可知，额济纳地区植被的生长发育受地下水位埋深控制。

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