2000—2015年黑河流域中上游NDVI时空变化及其与气候的关系

尤南山 蒙吉军 孙慕天

北京大学城市与环境学院, 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京 100871;† 通信作者, E-mail： jijunm@pku.edu.cn

植被是陆地生态系统的重要组成部分, 是联结土壤和大气的自然纽带, 对地球系统的能量平衡起着至关重要的作用, 同时在气候系统、水文过程、土壤保持、生物循环及生态系统服务提供中发挥重要作用[1-2]。作为植物生长发育的必要环境因子,温度和降水等气候因子对植被的生长和物候等具有重要影响[3], 气候变化必然也影响植物的生长状态[4],因此, 植被常常被视为全球环境变化的重要“指示器”[5]。研究表明, 植被覆盖变化严重地受制于气候变化和人类活动的共同影响[6-7]。由于研究植被变化及其与气候因子的关系可为应对全球变化提供重要的理论依据[8], 近年来, 地表植被对外界干扰的响应成为全球变化科学研究的热点[9]。

归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index, NDVI)是表征植被活动的主要指标[10], 与植被覆盖度、生物量、叶面积指数以及土地利用等密切相关[11]。由于 NDVI 能很好地反映植被覆盖度,与植物不同生长期的生物量有较好的相关关系, 自20世纪80年代以来, NDVI广泛应用于研究全球和区域尺度上植被覆盖空间变化特征及其对气候的响应[12-17]。李晓兵等[18]研究了中国 1983—1992年NDVI 动态与气温和降水变化的关系, 发现从北到南, NDVI 的变化与气候条件变化的相关系数逐渐降低, 从东南到西北, NDVI的变化与气候条件变化的相关系数逐渐增加, 降水对 NDVI 的影响具有滞后性, 且具有显著的空间差异性。刘少华等[19]研究中国 1982—2006年 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性, 发现 NDVI 整体上呈减小趋势, 与≥10ºC积温和降水量分别呈微弱的负相关和正相关关系。姚镇海等[20]指出 2005—2014年我国各月平均 NDVI空间分布特征呈西北低、东南高的趋势, 与降水量或水汽压空间分布的宏观趋势一致, 并存在显著的季节性差异。白建军等[21]研究 2000—2010年陕北黄土高原 NDVI 的时空动态特征, 发现 NDVI 有大幅增长趋势, 但是存在空间差异性, NDVI 变化与气候的相关性不高。杜加强等[22]研究新疆 1982—2012年 NDVI 动态变化及其对气候变化以及人类活动的响应, 发现 NDVI 变化受水热条件和人类活动的共同控制, 且夏季主要受降水的控制。付新峰等[23]研究了雅鲁藏布江流域 NDVI 变化与气温和降水的关系。何月等[8]研究浙江 NDVI 的动态及其对气候的响应, 发现 NDVI 与湿润指数的关系比降水和气温更密切, 且 NDVI 变化对夏季降水和干湿程度的最大响应滞后两个月。

黑河流域位于我国西北内陆干旱区, 生态环境极度脆弱、敏感[24]。20 世纪后期以来, 黑河流域气候条件发生剧烈变化, 气温、降水、冰川融水以及河川径流均呈现增加的趋势, 温度的升高以及降水类型和强度的改变对植被生长产生显著影响。同时, 随着人口的不断增长和经济的飞速发展, 自然资源开发利用产生诸如土地荒漠化、草场退化和水资源短缺等一系列生态环境问题[25-26], 危及区域生态安全状况, 也严重制约社会经济的稳定持续发展。针对这些问题, 一系列水土资源管理措施和生态系统修复工程得以实施, 如“黑河流域分水方案”与“黑河流域生态防护林工程”的实施, “甘肃祁连山国家级自然保护区”和“张掖黑河湿地国家级自然保护区”的建设。因此, 在气候急剧变化、水土资源过度开发和生态建设持续进行的背景下, 研究黑河流域植被的动态变化及其与气候变化的关系, 对减缓和适应气候变化的生态后果、优化水土资源配置和评估生态保护政策绩效具有重要意义。周伟等[27]分析了黑河中上游不同类型草地 NDVI 对气候因子的响应特征, 彭小清等[28]研究了黑河流域 NDVI 变化与气候因子的关系。但是, 这类研究多从区域平均 NDVI 和气候因子出发, 或者局限于气象站点观测资料的相关性分析, 难以揭示 NDVI 响应气候变化的空间差异。基于上述背景, 本文以黑河流域水源涵养为主的上游和人类活动最为密集的中游为研究区, 基于 2000—2015年逐月 NDVI、月均温和月降水数据, 采用 RS, GIS 和数量统计分析等方法,试图从区域和像元两个尺度回答 2000年以来黑河流域中上游 NDVI 发生了怎样的变化、变化的时空分布特征以及与当地气候的关系等科学问题, 旨在为改善区域生态安全状况、进行生态系统管理提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

黑河是我国西北第二大内陆河, 地处青藏高原和内蒙古高原的过渡地带。黑河中上游总面积约6.9 万 km2, 行政区划包括青海省的祁连县, 甘肃省张掖市的甘州区、高台县、临泽县、民乐县、山丹县和肃南裕固族自治县, 以及嘉峪关市和酒泉市的肃州区和金塔县(图 1)。地势南高北低, 有高山、中山、低山丘陵和走廊平原等主要地貌单元, 海拔 1200～5565 m。年降水量 101～373 mm,年蒸发量 1639～2341 mm, 属温带大陆性干旱气候。植被地带属于温带荒漠区, 主要植被类型有荒漠、草原、草甸、森林、灌丛和栽培植被等。其中, 黑河上游以森林生态系统为主, 是整个流域的水源涵养区, 也是祁连山国家级自然保护区的重要组成部分;黑河中游则以绿洲、荒漠、草原生态系统为主, 绿洲灌溉农业发达, 是我国传统的商品粮基地之一。

本研究通过 MOD13A3 产品(https：//lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis/modis_products_ta ble/mod13a3)获取归一化植被指数(MODIS NDVI),反映植被生长状况。从 2000年 2 月到 2015年 12月, 共 191 期, 时间分辨率为月, 空间分辨率为 1000 m。在无云情况下, 数据处理采用时间加权平均算法, 否则采用最大值合成法(maximum value composite)。MODIS NDVI指数通过卫星监测的近红外波段与红外波段反射率之差除以两者之和来量化植被的光合作用, 在分析植被生长与气候变化的关系、评价气候变率对生态系统影响方面得到有效的运用[1,29–30]。气象观测数据主要来自中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.nmic.cn/home.do), 获取研究区内部和周边 20 个气象站(马鬃山、拐子湖、玉门镇、鼎新、金塔、酒泉、高台、临泽、阿拉善右旗、托勒、肃南、野牛沟、张掖、民乐、祁连、山丹、永昌、刚察、门源)从 2000年 1 月到 2015年12 月共 192 个月的月平均温度和月总降水量。植被类型数据从中国科学院植被图编辑委员会(2007)编制完成的《1：100 万中国植被类型图》中获取,由中国科学院寒区旱区科学数据中心提供。DEM数据来源于 CGIAR-CSI GeoPortal (http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)提供的 SRTM3 数字高程数据, 分辨率为 90 m。基础地理信息数据(研究区边界、行政区划边界、居民点等)来自于中国科学院寒区旱区科学数据中心的“数字黑河”项目(http：//heihe.westgis.ac.cn)。

2 研究方法

首先, 为反映植被变化的年际和年内特征, 根据研究区植被物候特点, 进行春季(3—5 月)、夏季(6—8 月)、秋季(9—11 月)和生长季(3—11 月)划分[22],采用各季节内 NDVI 的均值表征各季节植被生长状态, 用各季节内气温平均值和总降水量反映各季节的气候状况。

图1 研究区域地理位置Fig.1 Location of study area

然后, 分别从区域尺度和像元尺度, 对 NDVI与年份进行线性回归分析, 得到回归方程的斜率,用来表示 NDVI 变化速率和变化趋势。结合回归系数的显著性水平, 将黑河流域中上游 NDVI 变化情况划分为 6 个类型： 极显著降低、显著降低、不显著降低、不显著增加、显著增加和极显著增加(表1)。

第三, 对气温与降水量站点数据采用 Kriging方法插值得到栅格数据。鉴于黑河中上游海拔起伏较大, 对气温数据进行海拔校正。具体方法是, 先结合气象站海拔高程, 将气象站点温度校正到海平面温度, 然后在 Kriging 插值的基础上, 借助 DEM数据, 将海平面温度还原成地表真实气温。在此基础上, 分别从区域尺度和像元尺度计算不同季节NDVI 与气温和降水量的 Pearson 相关系数, 从而分析NDVI 与气候因素的相关性。结合相关系数的显著性水平, 将黑河中上游 NDVI 与气候的相关性划分为 6 个类型： 极显著负相关、显著负相关、不显著负相关、不显著正相关、显著正相关和极显著正相关(表1)。

表1 NDVI变化及其与气候相关性类型划分Table 1 Classify the vegetation dynamics and correlation of NDVI with climatic factors

最后, 在区域尺度上将逐月 NDVI 与当月、前一月和前两个月降水和气温进行相关分析, 通过相关系数来反映NDVI对气候响应的滞后性。

3 结果与分析

3.1 黑河流域中上游NDVI变化的时空格局

3.1.1 区域尺度的NDVI动态变化

图2 黑河流域中上游2000—2015年区域平均NDVI在春、夏、秋及生长季的变化趋势Fig.2 Trend of area-averaged NDVI in spring, summer, autumn and growing season from 2000 to 2015 in the middle and upper reaches of Heihe River Basin (HRB)

图2 显示 2000—2015年期间, 黑河中上游区域尺度上不同季节的 NDVI 逐年变化。1)NDVI 整体上偏低, 生长季多年平均 NDVI 为 0.17, 其中夏季多年平均 NDVI 最高(0.25), 秋季次之(0.16), 春季最低(0.12)。2)NDVI 在不同季节的年际波动均很明显, 生长季 NDVI 标准差和变异系数(标准差与平均值的比值)分别为 0.01 和 0.06; 而夏季 NDVI年际波动最剧烈, 标准差和变异系数分别达到 0.02和 0.09; 从绝对波动量(标准差)来看, 秋季(0.0077)大于春季(0.0060), 但春季的相对波动程度(变异系数为 0.050)略高于秋季(0.047)。3)NDVI 在春季、夏季、秋季以及生长季均呈极显著增加趋势(p＜0.01)。夏季 NDVI 增长速率最快,年绝对增长量(斜率)和相对增长率(斜率与 NDVI 均值之比)均为最大, 分别达到 0.0036 和 0.015; 而秋季 NDVI增长速率居中,年绝对增长量(0.0014)明显高于春季(0.001), 但相对增长率基本上与春季持平。总的来说, 区域尺度上 NDVI 在 2000—2015年期间逐步增加, 但不同季节 NDVI 增长速率差异明显, 其中夏季 NDVI 增长速率最大, 明显高于春季和秋季,而秋季的增长速率略高于春季。同时, NDVI 在不同季节的年际波动也不容忽视。

3.1.2 像元尺度的NDVI动态变化

2000—2015年期间, 黑河流域中上游逐像元NDVI在不同季节的变化趋势如图3和4所示。

1)生长季。总体来看, 生长季 NDVI 以增加趋势为主, 增加区域占总面积的 96.55%。其中, 极显著增加区域占 54.18%, 广泛分布于黑河中游地区,上游祁连山区分布较少(图 3(d))。在极显著增加区域(p＜0.01)内, NDVI增速存在较大差异。NDVI快速增长区(NDVI年增加量大于 0.005)主要位于张掖市、酒泉市以及嘉峪关市的绿洲地带, 这些绿洲多沿河流两侧分布, 主要为高覆盖草地、疏林地、高山草甸和灌木林地; NDVI 缓慢上升区(NDVI年增加量小于 0.003)主要位于张临高平原北侧以及金塔县北侧, 这些区域多为戈壁与荒漠, 植被覆盖度低,但植被呈现缓慢恢复的趋势。小部分区域 NDVI 呈现下降趋势, 其中呈现显著下降的区域(p＜0.01)占总面积的 0.13%, 主要位于张掖市市辖区、酒泉市市辖区以及其他县城所在地, 这些区域的植被受到人类活动干扰较大, 退化明显, NDVI年减少量能达到 0.001 以上。NDVI 变化不显著区域(p＞0.05)占整个研究区的 31.04%, 主要分布于流域的东部和南部, 东部山丹马场为高覆被草地, 南部祁连山区多为寒漠、冰川和永久性积雪, 这些区域NDVI变化的影响因素复杂, 难以用线性模型刻画。

2)各季节。从植被变化的显著性(表 2)来看,春、夏、秋3个季节共同的特征是NDVI极显著增加和不显著增加所占面积较大, 远高于其他 4 种变化类型, 但不同季节的NDVI变化存在一定的差异。春季 NDVI 极显著降低和显著降低区域(p＜0.05)明显多于其他季节, 主要分布在张掖绿洲和酒泉市肃州区; 夏季 NDVI 显著增加和极显著增加区域(p＜0.05)多于其他季节, 广泛地分布于黑河中上游区域, 尤其在中游地区分布集中; 秋季 NDVI 变化不显著区域(包括不显著降低和不显著增加,p＞0.05)多于其他季节, 主要分布于上游祁连山区和山丹马场,包括中游西北局部地区。

通过不同季节 NDVI 变化速率的空间分布图(图 4)和频数分布直方图(图 5)分析植被变化速率的大小, 发现不同季节的 NDVI 变化速率分布于 0～0.003 数值区间的比例均超过 50%, 表明大部分区域的 NDVI 在不同季节均呈现缓慢增加的态势。随着速率的增加, 像元数量都急剧下降, 表明 NDVI高速上升的区域仍较少, 但不同季节差异明显： 夏季像元减少的速率最慢, 秋季居中, 春季最快, 进一步说明夏季 NDVI 增速快于秋季, 而春季 NDVI的增速最缓。

3.2 黑河中上游NDVI与气候要素的相关性

3.2.1 区域尺度NDVI与气候要素的相关性

从表 3 可以看出, 生长季、春季和夏季 NDVI与相对应时期的降水呈正相关关系, 秋季的 NDVI与降水呈负相关关系; 而生长季、春季、夏季、秋季的NDVI与相应时期的气温都呈现正相关关系。但是, 只有生长季NDVI与降水的相关性达到0.05的显著性水平, 夏季 NDVI 与降水的相关性达到0.1 的显著性水平, 春季和秋季的显著性水平都较低; NDVI 与相应时期的气温在生长季和各个季节中的显著性水平均不高。从区域尺度来看, 生长季和夏季 NDVI 与降水相关性较气温要高, 而春季和秋季NDVI与温度相关性较高。

3.2.2 像元尺度NDVI与气候要素相关性

图3 黑河流域中上游2000—2015年逐像元NDVI在春、夏、秋及生长季变化趋势的显著性Fig.3 Significance of NDVI trend in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

图4 黑河流域中上游2000—2015年逐像元NDVI在春、夏、秋及生长季的变化趋势Fig.4 NDVI trend in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

表2 黑河流域中上游不同季节不同NDVI变化类型的面积百分比Table 2 Area percent of different types of vegetation change in different seasons in the middle and upper reaches of the HRB

图5 黑河流域中上游2000—2015年逐像元NDVI在春、夏、秋及生长季的变化速率的频数分布直方图Fig.5 Frequency distribution histogram of NDVI trend in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

1)NDVI 与降水的相关性。从图 6 可以看出,2000—2015年期间, 黑河中上游生长季NDVI与降水主要呈现正相关关系(图 6(d)), 其中显著正相关和极显著正相关地区占据整个流域上中游地区的29.28%, 主要分布于上中游交界地带以及流域的西北侧; 显著负相关和极显著负相关非常少见, 仅占0.16%。NDVI 与降水的正相关性在夏季表现最为突出(图 6(b)), 其中显著正相关和极显著正相关区域达到研究区的 37.87%, 主要分布于张临高平原的南北两侧以及金塔县北部大片区域, 这些区域多为低覆被草地、戈壁以及荒漠, 地下水埋深较深,人工灌渠难以到达, 植被生长的水分需求仅能通过降水提供, 故这些地区 NDVI 与降水呈现显著的正相关。相反地, 在植被覆盖良好的绿洲地区, 由于地下水的补给和有效的人工灌溉, 植被生长与当地降水并没有显著的相关性。NDVI 与降水的负相关在春季和秋季略有体现(图 6(a)和(c)), 主要零星地分布于上游的祁连山区。

2)NDVI 与气温的相关性。从图 7 可以看出,在 2000—2015年期间, 研究区生长季 NDVI 变化与相应时间内平均气温的相关性很小, 生长季NDVI 与气温存在显著相关性(包括极显著相关性)的区域仅占据1.63%。但是, 春季、夏季和秋季NDVI 与气温仍存在一定的正相关性, 其中显著正相关和极显著正相关区域分别占据整个中上游地区的 5.21%, 2.11%和 1.67%, 主要位于南部祁连山高寒地带(图 7(a)～(c)), 表明这些区域的植被生长在一定程度上受到温度的制约, 温度的上升有助于植被变绿。此外, 在流域东部和西北局部地区, 夏季NDVI与气温呈现显著的负相关关系。

表3 黑河流域上中游2000—2015年各季内NDVI与对应时段内平均温度、降水的相关性和显著性水平Table 3 Correlation of NDVI with averaged temperature and total precipitation in different period of time in the middle and upper reaches of the HRB

3.2.3 NDVI响应气候变化的时滞效应

植被对气候变化的响应具有“时滞效应”[18,31-32]。在植被生长的不同阶段, 气温和降水对植被生长的作用程度是不同的, 植被对降水和气温的响应程度和滞后时间也存在差异[8]。植被生长对气候的最大响应通过植被NDVI与当月、前一月及前两月气候要素的最大相关系数来反映[33], 如果时间上有滞后现象, 说明植被对气候要素的变化有时滞性。

表4 列出逐月 NDVI 与当月、前一月及前两月降水和气温的相关系数。NDVI 响应降水变化存在一定的时滞性, 2 月 NDVI与 1 月降水、8 月 NDVI与7 月降水存在显著的相关性; 同时, 6 月 NDVI与5月降水、7 月 NDVI与 6 月降水、7 月 NDVI 与 5月降水、8 月 NDVI 与 6 月降水也存在较为显著的相关性。这表明夏季NDVI对降水的响应普遍存在1 个月的时间滞后, 最长能滞后 2 个月。NDVI 响应气温变化的时滞性不明显, 仅 12 月 NDVI 与11月的气温存在相关性。

图6 黑河流域上中游2000—2015年春、夏、秋及生长季NDVI与降水的相关性Fig.6 Correlation of NDVI with precipitation in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

图7 黑河流域上中游2000—2015年春、夏、秋及生长季NDVI与气温的相关性Fig.7 Correlation of NDVI with temperature in spring, summer, autumn and growing season in the middle and upper reaches of the HRB

表4 黑河流域中上游逐月NDVI与前0～2个月气温和降水量的相关系数Table 4 Correlation coefficients of NDVI of current month with mean temperature and total precipitation of responding month and one or two month lag in the middle and upper reaches of the HRB

4 结论与讨论

2000—2015年期间, 在区域尺度上, 黑河流域中上游 NDVI 呈增加趋势, 说明植被整体变绿, 但存在明显的季节差异, 夏季 NDVI 增长速率最大,明显高于春季和秋季, 而秋季又略高于春季。夏季NDVI 的波动幅度也是三季最大。黑河流域中上游植被整体变绿与气候变化和人类活动密切相关。一方面, 受西风环流影响, 黑河流域降水量呈明显的增加趋势, 植被水分条件得到一定的改善[34]。另一方面, 生态保护政策得到加强, 祁连山自然保护区和黑河湿地自然保护区的建立, 以及封山育林、退耕还林还草系列工程的实施, 对区域植被恢复具有促进作用。

在像元尺度上, NDVI 快速增长区主要位于中游地区黑河干流两侧的绿洲地带, NDVI 缓慢上升区主要位于张临高平原北侧以及金塔县北侧, NDVI显著下降区主要位于张掖市市辖区、酒泉市市辖区以及其他县城所在地。黑河干流两侧绿洲地带植被增长最迅速, 与黑河干流径流增加直接相关。期间上游地区降水增多, 同时温度升高促进冰川积雪融化, 导致黑河径流量增加[35], 进而对地下水的侧向补给加强, 地下水水位抬升, 河流两侧植被水分压力得到有效缓解, 故NDVI增长最迅速[36]。

2000—2015年期间, 在区域尺度上, 夏季 NDVI与降水的相关性较高, 而春季和秋季 NDVI 与气温的相关性较高, 说明该地区植被生长在夏季主要由降水主导, 而在春、秋季受温度的影响更大。夏季气温普遍较高, 植被蒸散发剧烈, 水分需求大, 而春、秋季气温较低, 植被生理活动受温度限制较大。周伟等[27]的研究表明, 黑河流域中上游不同类型草地的限制因子不同, 典型草地与荒漠草地生长季 NDVI 与月平均降水量的相关性强于月平均气温, 而平原草地与高寒草甸草地生长季 NDVI 与月平均气温的相关性强于月平均降水量, 充分说明不同季节、不同植被类型 NDVI 与气候因子的相关性具有差异[22-33]。

在像元尺度上, 黑河流域中上游 NDVI 与降水量的相关性具有明显的空间差异。夏季 NDVI 与降水的显著相关性主要体现在张临高平原的南北两侧以及金塔县北部大片低覆被草地、戈壁以及荒漠。这些区域远离黑河干流, 灌渠难以到达, 地下水的水位较低, 植被生长所需水分主要来自降水, 因此NDVI 与降水量具有较强的相关性。人工绿洲地带 NDVI 与局地降水没有显著相关性。人工绿洲多位于黑河干流两侧, 具有较完善的灌溉系统, 植被所需有效水分主要来源于地下水和灌溉用水, 故与降水量的相关性较弱[37]。这反映出与人工绿洲相比,远离黑河干流的低覆被草地、戈壁以及荒漠对气候变化具有较强的敏感性和较弱的恢复力, 在应对未来气候变化时存在更大的生态风险。

黑河流域中上游 NDVI 对降水的响应具有时滞效应, 夏季NDVI对降水的响应普遍存在 1 个月的时间滞后, 最长能滞后 2 个月。NDVI响应降水变化的时滞效应主要是土壤水分补给滞后造成的, 时滞长短与土壤类型、植被根系分布特征紧密相关。彭小清等[28]指出, 黑河流域 NDVI 对降水的滞后时间约为 1 个月。此外, 黑河流域多年冻土和季节性冻土较为发育, 春季 NDVI 受到前一年秋季, 尤其是11月份降水量的影响。

植被是气候、地貌、土壤与人类活动长期相互作用的结果[8]。区域植被生长受水热条件共同控制,与气温和降水因子相比, 湿润指数、蒸散发等对植被的生长发挥了更重要的作用。除受气候变化的显著影响外, 人类活动对植被生长的影响也非常显著,尤其是土地利用造成的绿洲化、荒漠化、城镇化等过程, 也直接导致NDVI发生变化。