宁夏中南部流域植被覆盖变化及其对降水的响应

丁妍妍，冯克鹏,2,3*

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021;2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021;3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川 750021)

0 引言

在全球气候与区域生态环境变化的背景下，植被时空演变是气候变化、水土保持、土地利用等自然和人类活动多种因素综合作用的结果[1]。多种气候因子影响着地表植被的时空分布[2]，其中以降水对植被生长的影响最为突出[3]。区域植被与降水的响应关系及变化特征是气候变化与生态响应的研究热点之一。遥感技术作为一种对地观测的有力工具，可进行不同空间尺度长序列的动态监测，已成为研究植被-气候关系的基础数据源[4]。自1972年以来，众多学者通过植物的光谱特性来监测植被生长状态，结果表明，由可见光和近红外波段组合得到的多种植被指数能够定性、定量地评价植被覆盖及其生长情况[5]。其中，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)与植被覆盖度明显相关，在研究植被覆盖动态变化及其与气候变化、人类活动的关系中得到了广泛应用[6]。国内外学者在不同区域研究了NDVI 对气温和降水的响应特征，高江波等[7]指出气候因素对植被生长的影响具有空间差异性，干旱及半干旱的北方地区影响植被生长的主要气候因素是降水；湿润的南方地区则是气温。李奇虎等[8]指出西北干旱区在1981—2016年气温上升、降水增多的气候背景下，植被覆盖率和NDVI值都呈现增加的趋势，生态效应趋于良性发展。

流域植被是河流生态系统的主体，能够充当气候变化的敏感指示器[9]。因此，研究流域植被的时空变化特征及其与降水之间的响应关系，对该地区的水资源保护、生态环境治理具有重要意义。宁夏地处我国内陆中部偏北，属温带大陆性气候，降水稀少，是我国水资源最贫乏的地区之一。宁夏中南部地区沟壑丛生，严重干旱，生态极其脆弱。该区域有11个行政县区，其中9个在脱贫之前属于贫困县，目前仍然是乡村振兴的主战场。在这种背景下，位于宁夏中南部的4条河流(清水河、泾河、葫芦河和苦水河)，不仅是当地人与社会经济赖以生存和发展的资源，而且对生态功能持续和恢复发挥着十分重要的作用。颜长珍等[10]结合RS技术与GIS技术处理TM影像，研究了宁夏草地覆盖情况及空间分布特征。张元栋等[11]利用MODIS NDVI影像分析了宁夏NDVI动态变化对降水的响应。赵慧等[12]基于MODIS NDVI数据，研究了宁夏年最大NDVI时空变化特征及其与气候、人类活动的关系。以上研究都以整个宁夏区域为研究对象，无法具体地了解宁夏中南部主要流域的植被覆盖时空变化情况。

植被覆盖时空变化研究离不开对遥感影像的分析。传统的影像分析需要经过数据获取、预处理、信息提取和地学分析等流程，该流程在长时间序列的遥感影像分析中存在数据获取难、数据量大和解译处理效率低等缺点。2011年，Moore和Hansen在美国地球物理联合会秋季会议上介绍了一种全新的云计算平台——谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)。该平台通过遥感云计算技术为研究人员节省大量的数据下载和预处理时间，使研究人员可以将更多精力投入到后续的科学分析工作中。李晶等[13]基于GEE平台，对1987—2020年黄河流域植被覆盖度时空变化特征进行分析。谷雷等[14]基于GEE平台的遥感影像计算NDVI值，并合成其年度最大NDVI值，分析1999—2018年云南省植被覆盖度变化趋势。众多研究表明，基于GEE遥感云平台进行遥感影像的处理相较于传统的遥感分析手段具有明显优势，能极大地缩短影像处理时间，提高工作效率。GEE已广泛应用于农业生产[15]、土地覆盖变化[16]及植被变化[17]等领域。

本文以宁夏中南部清水河、葫芦河、泾河以及苦水河流域作为研究区域，基于GEE平台，提取研究区域31年(1989—2019年)NDVI，对不同时空尺度流域植被覆盖的时空演变特征和趋势进行分析，进而与同期中国地面降水日值格点数据采用相关归因分析法揭示宁夏中南部河流流域内植被覆盖变化对降水的响应，回答宁夏中南部流域在气候变化进程中流域植被生态是否退化的关键问题，期望对该地区流域管理、生态脆弱性评估和水资源分配提供参考依据。

1 流域概况

1.1 清水河流域

清水河分布于宁夏和甘肃境内(105°00′E～107°07′E，35°36′N～37°37′N)，是宁夏境内流入黄河的最大一级支流，发源地为六盘山东麓固原市原州区开城镇境内的黑刺沟脑。清水河全长320 km，流域总面积14 481 km2，其中，宁夏境内流域面积13 500 km2[18]。清水河流域土壤以灰褐土、黑垆土、灰钙土为主要地带性土壤。左岸支流水系相对右岸分部较多，且左岸流域面积超过右岸一半，左岸大小支流共有30余条。清水河流域属温带半干旱气候区，区域气温由北向南递减，流域内多年平均降水量453亿立方米，平均降水量335 mm。清水河属于典型的非季节性山区河流，年径流量分布不均匀，由南向北递减，年平均径流量约为1.65亿立方米。

1.2 苦水河流域

苦水河位于宁夏盐池县和灵武市境内(106°02′E～107°15′E ，37°03′N～38°05′N)，是宁夏黄河段一级支流，又名山水河。河长224 km，宽100～200 m，流域面积5 218 km2，宁夏境内4 942 km2。流域内主要有黄土丘陵和鄂尔多斯缓坡丘陵2大地貌类型[19]。苦水河流域土壤主要是黑垆土、黄绵土、淡灰钙土、新积土、风沙土和灌淤土等。流域内的植被属于荒漠草原植被，种类极其稀少，种群结构单一，植被覆盖率较低。流域水系主要有苦水河、甜水河、沙沟和小河4条支流水系。该流域地处宁夏中部干旱区，受大陆西风气流的控制，呈现大陆性气候特征。流域内降水稀少，多年平均降水量为248 mm。苦水河是典型的季节性山区河流，实测多年平均流量为2.940 m3/s。

1.3 泾河流域

泾河是渭河的一级支流，发源于宁夏泾源县尾巴梁东南六盘山东麓(106°15′E～107°33′E，35°13′N～37°22′N)。流域地貌为黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、土石丘陵区、黄土丘陵林区和黄土阶地区5种地貌类型。流域土壤多为黑垆土、黄绵土和灰褐土等，土质疏松，长期以来水土流失严重，是黄河泥沙的主要来源之一。泾河流域主要支流有暖水河、颉河、洪河、蒲河和茹河等支流。该流域属于温带大陆性气候，降水和气温由东南向西北递减，沿六盘山山脊自南向北年降水量在800～430 mm，流域多年平均降水量506.8 mm。泾河是宁夏水资源最丰富的地区，水量多、水质好，径流地区变化大，年径流深在15～300 mm。

1.4 葫芦河流域

葫芦河是渭河的一级支流之一，发源于六盘山西麓及其余脉月亮山(105°20′E～106°13′E，35°33′N～36°15′N)。流域面积3 281 km2，河长120 km。葫芦河一级支流主要有渝河、滥泥河。流域平均年降水量491 mm，年径流量1.69亿立方米，平均含沙量87 kg/ m3。

宁夏中南部流域情况如图1所示。

图1 宁夏中南部流域Fig.1 Watersheds in central and southern Ningxia

2 数据与方法

2.1 数据资料

2.1.1 流域河网

从地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)获取ASTER GDEM 30 m分辨率数字高程(DEM)数据，经过DEM镶嵌，重采样至精细分辨率后，流域矢量范围裁剪，然后利用GIS工具进行宁夏中南部流域河网提取以及流域分割，结果如图2所示。

(a) 清水河流域

2.1.2 降水数据

本文选用中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)的中国地面降水日值0.5°×0.5°格点数据集，时间跨度为1989—2019年。该数据集为国家气象信息中心基础资料专项整编的中国地面高密度台站(2 472个国家级气象观测站)降水资料，利用ANUSPLIN薄盘样条法(Thin Plate Spline，TPS)进行空间插值生成，并经过严格的质量控制。本文将原始数据转换为与DEM数据相同的投影类型和栅格大小，并以研究区域进行裁剪，在栅格尺度对1989—2019年的日降水数据进行汇聚，形成研究区域的年、季节降水数据。

2.1.3 植被覆盖度

目前已经发展了多种利用遥感估算植被覆盖度的方法，较为简单易用的方法是利用植被指数近似估算植被覆盖度，其中，NDVI与植被覆盖度显著相关。因此本文选用NDVI作为表征宁夏中南部流域植被覆盖度的指标。

通过GEE平台，调用了1989—2019年覆盖研究区域的Landsat 5 TM，Landsat 7 ETM+，Landsat 8 OLI的地表反射率产品(Landsat SR)数据。各卫星地表反射率产品的基本信息如表1所示，空间分辨率为30 m，影像使用数量如图3所示。

表1 GEE平台中Landsat SR数据的相关信息

图3 研究区域不同Landsat卫星影像的使用数量Fig.3 Quantity of Landsat satellite images used in different watersheds

GEE云端存档的Landsat SR数据均已经过几何和大气校正，通过对其进行时空筛选、去云处理并构建归一化函数，可用于计算研究区NDVI：

(1)

式中，NIR表示近红外波段；R表示红光波段；NDVI∈[-1,1]。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI最大合成法

最大合成法(Maximum Value Composite，MVC)是指在一定的合成周期内选取NDVI最大值作为新的NDVI值。卫星遥感影像普遍受到云层干扰，最大值合成法可以在一定程度上削弱云层对影像的影响[20]。本文基于GEE平台生成了1989—2019年全年以及植被生长期和非植被生长期内的最大合成NDVI数据，并取其像元平均值代表该时段内宁夏中南部4个流域的植被覆盖状态。

2.2.2 趋势分析法

本文采用一元线性回归分析栅格尺度NDVI的变化趋势。该方法在一定时间内采用最小二乘法逐像元拟合年际NDVI的斜率，用以综合反映植被覆盖的时空演变特征[21]，优点是可以利用不同时段数据值的拟合消除异常因素对植被的影响[22]：

(2)

式中，slope为变化趋势；NDVIm为第m年的NDVI值；n为研究时序。当slope>0时，表明NDVI呈增加趋势；反之，则表明NDVI呈下降趋势。

趋势的显著性分析采用F检验，用以检验变化趋势的可信度：

(3)

2.2.3 NDVI变化的判定与分级

为定量分析宁夏中南部流域1989—2019年NDVI的空间变化特征，结合逐像元NDVI趋势分析法，得出各个流域植被不同等级的像元个数。根据显著性检验结果，将变化趋势分为6个等级：极显著改善、显著改善、不显著改善、极显著退化、显著退化和不显著退化[23]，如表2所示。

表2 NDVI变化程度分级标准

2.2.4 相关系数

为了揭示宁夏中南部流域植被覆盖变化对降水的响应密切程度，通过计算同年份的年最大值NDVI和降水时间序列之间的皮尔逊(Pearson)相关系数，同时基于像元的相关性分析，以相关系数表示流域NDVI与降水的空间相关性，计算公式为[24]：

(4)

通过t检验方法进行相关系数的显著性检验，计算公式为：

(5)

式中，n为研究期年数；m为自变量个数。

2.2.5 NDVI与年降水相关程度等级划分

为定量分析宁夏中南部流域NDVI与降水在空间上的相关程度，根据相关系数和显著性检验结果，将相关程度分为6个等级：极显著正相关、显著正相关、不显著正相关、极显著负相关、显著负相关和不显负相关，如表3所示。

表3 NDVI与降水的相关性判定

3 结果分析

3.1 降水年际变化趋势

宁夏中南部流域1989—2019年年降水量变化如图4所示。1989—2019年宁夏中南部清水河、苦水河、泾河和葫芦河流域多年平均降水量分别为352.92，305.22，451.0，462.89 mm，4个流域的降水量迥异，空间分布不均衡。苦水河流域多年平均降水量最少，主要是由于该流域地处宁夏中南部干旱区，受大陆西风的影响，呈现大陆性气候特征。从拟合方程的斜率可以看出，苦水河流域降水量呈现不显著波动下降趋势，下降速率为0.589 mm/a，其他流域降水随年际呈现不显著上升趋势。葫芦河流域的年降水量增速最大，为2.2 mm/a，清水河和泾河流域的降水量上升速率分别为0.34，1.48 mm/a。

图4 宁夏中南部流域1989—2019年年降水量变化Fig.4 Variation in annual precipitation in central and southern watersheds of Ningxia from 1989 to 2019

3.2 NDVI时间演变特征

3.2.1 NDVI年际变化特征

1989—2019年，宁夏中南部4个流域NDVI的年际变化趋势如图5所示。在过去的31年，4个流域NDVI呈缓慢上升趋势，泾河和葫芦河流域上升最快，都以0.078/10a(R2分别为0.61，0.54，均通过了0.01水平的显著性检验)的速率上升；苦水河流域上升速度最慢，以0.038/10a (R2=0.37，p<0.01)的速率上升；清水河流域NDVI以0.052/10a(R2=0.48，p<0.01)的速率增长。

1989—2019年4个流域的NDVI均值对比为：泾河流域(0.440)>葫芦河流域(0.435)>清水河流域(0.297)>苦水河流域(0.245)。整体上，位于南部山区的流域植被覆盖状况优于位于中部干旱带的流域。由于宁夏南部山区纬度低，且位于东南季风的迎风坡，降水多，所以植被覆盖度高。由图5可以看出，宁夏中南部4个流域植被覆盖在2018年达到了近31年最好水平。值得关注的是，2002—2005年清水河流域NDVI值存在连续4年的减少过程，结合宁夏气候及干旱数据，考虑因旱灾而导致的植被覆盖减少。

图5 宁夏中南部流域NDVI年际变化Fig.5 Inter-annual variation of NDVI in central and southern Ningxia watersheds

3.2.2 植被生长期/非生长期NDVI变化

在植被不同的生长期，植被覆盖度有很大的差异。在北方地区，植被生长期一般为3—10月，其他月份大部分植被处于枯死或休眠状态，所以2个阶段的NDVI有不同的变化特征。本文采用趋势分析法分析1989—2019年研究区植被生长期(3—10月)及非植被生长期(11月—次年2月)NDVI变化趋势，采用t检验法进行显著性检验，各流域的变化趋势如图6所示。

1989—2019年植被生长期，清水河、苦水河、泾河和葫芦河流域的NDVI均值分别为0.296，0.245，0.441，0.435，非植被生长期NDVI均值为0.120，0.104，0.184，0.153。植被生长期和非植被生长期NDVI都呈显著上升趋势。清水河、苦水河、泾河和葫芦河流域植被生长期NDVI上升速率分别为0.052/10a，0.038/10a，0.052/10a，0.077/10a，序列t检验均为p<0.01。其中，清水河和苦水河流域的上升速率与其年NDVI上升速率相同。非植被生长期，清水河、苦水河、泾河、葫芦河流域NDVI上升速率分别为0.03/10a，0.022/10a，0.03/10a，0.041/10a，都通过了0.01的显著性检验水平，上升速率均小于其流域的年NDVI上升速率。非植被生长期NDVI的上升，考虑退耕还林常绿植被的种植在增加。

(a) 清水河流域

3.3 NDVI空间变化

宁夏中南部流域多年NDVI空间变化差异明显，如图7所示。清水河、葫芦河、泾河以及葫芦河流域NDVI呈改善趋势的区域面积占比均超过80%，分别为96.19%，86.60%，97.21%，96.96%，如表4所示。

(a) 清水河流域

表4 NDVI变化趋势分级统计

清水河流域内，极显著和显著改善区域占比为70.17%，其中极显著改善区域(53.54%)主要分布于清水河、长沙河、苋麻河等支流沿岸，以及海原县东部和固原市北部地区；显著改善区域(17.17%)零散分布于整个流域；极显著退化和显著退化区域仅占0.69%，主要分布于流域中各城市周围。苦水河流域地势极显著改善和显著改善占整个流域面积的50.57%，其中极显著改善区域(38.17%)主要分布于流域的西北角以及罗山自然保护区周围；极显著退化和显著退化仅占1.82%，主要沿太阳山分布；不显著退化区域(11.59%)主要分布于罗山脚下、甜水河右岸、臭马井子沟等支流两岸。泾河流域的极显著改善区域占比为72.78%，占整个流域的大多部分；显著改善区域(9.41%)分布于隆德县东部地区以及泾源县境内的暖水河、盛义河沿岸以及彭阳县北部的小河河岸两侧；不显著改善区域(15.02%)主要分布于六盘山、暖水河沿岸、盐池县东南部等地区；极显著退化(0.36%)和显著退化(0.16%)区域占比很小，主要分布在流域内的城市周围；不显著退化区域(2.27%)沿小勾峡、二龙河、秃井沟武家沟等河流分布。葫芦河流域内，极显著改善和显著改善区域占整个流域面积的79.71%，不显著改善区域(17.25%)主要沿葫芦河及各个支流两岸和六盘山附近分布；极显著退化和显著退化区域(0.75%)主要分布于西吉县、隆德县等城市周围。

上述结果表明，宁夏中南部流域植被覆盖总体呈现北少南多的趋势，退化区主要分布于北部地势起伏相对较大的地区、河岸两侧(苦水河、泾河和葫芦河流域)以及大城市所在地区；改善区主要分布于罗山自然保护区以及六盘山所在地区、清水河流域内的河岸两侧。

退耕还林还草、自然保护区的建立等是植被覆盖显著改善的重要因素，气候暖湿化则是流域生态改善的重要基础性因素。

3.4 NDVI对降水的响应

3.4.1 时间尺度相关性

宁夏中南部流域1989—2019年NDVI年均值与年降水显著相关，如图8所示，即随着降水的增加，NDVI呈增加趋势。4个流域的NDVI随降水的增长率大小依次为清水河流域(0.07/100 mm)>泾河流域(0.05/100 mm)=葫芦河流域(0.05/100 mm)>苦水河流域(0.04/100 mm)，均通过0.05显著性水平检验。

由图8可以看出，4个流域植被覆盖与降水量整体上均为正相关关系，相关系数在0.391～0.565，属中等程度相关。其中，清水河流域年NDVI与年降水相关性最好，说明植被与降水关系紧密，尤其在西北干旱、半干旱地区。

(a) 清水河流域

3.4.2 空间尺度相关性

为进一步分析宁夏中南部流域NDVI与年降水空间的关系，本文对其进行逐像元相关分析，得到流域NDVI与降水的相关系数空间分布，如图9所示，相关性分级统计如表5所示。

(a) 清水河流域

表5 NDVI与降水相关性分级统计

清水河流域NDVI与年降水的相关系数范围为-0.57～0.86，NDVI与年降水呈正相关的区域占清水河流域总面积的96.55%，分布在流域大部分区域。NDVI与年降水呈负相关的区域仅占流域总面积的3.45%，主要分布在海原县周围以及流域内河岸两侧。苦水河流域NDVI与年降水的相关系数范围为-0.52～0.79，NDVI与年降水呈正相关的区域占苦水河流域总面积的94.02%，分布在流域南部地区，且在罗山自然保护区周围更为显著。NDVI与年降水呈负相关的区域占流域总面积的5.98%，主要集中在吴忠市利通区周围以及河岸两侧。

泾河流域NDVI与年降水的相关系数范围为-0.54～0.80，NDVI与年降水呈正相关的区域占泾河流域总面积的97.13%，呈负相关的区域仅占流域的2.87，主要分布于城市周围；葫芦河流域NDVI与年降水的相关系数范围为-0.618～0.73，空间差异性显著，呈正相关的区域占流域总面积的94.91%，其中92.18%的区域呈现不显著正相关，散布于整个流域。呈负相关的区域仅占流域的4.91%，主要沿河岸两侧分布。总体上，宁夏中南部流域NDVI与年降水呈正相关的区域占流域总面积的比例较大。降水对植被的生长和变化具有不可忽视的作用[25]，干旱、半干旱区域制约植被生长的因子主要为水分，近31年来宁夏中南部流域降水量的增加，是促进植被生长的因素之一。

3.4.3 年NDVI与降水的动态关系

为了进一步分析研究区域NDVI与降水时间上的动态响应变化，将年NDVI及归一化后的降水值做联合对比分析，如图10所示。可以看出，1989—2019年降水与NDVI的变化趋势吻合较好。

通过分段拟合分析，发现近31年的宁夏中南部流域NDVI变化可分为2个阶段：①1989—2002年，清水河、泾河以及葫芦河流域NDVI呈不显著增加趋势，增速分别为0.027/10a，0.023/10a，0.079/10a，苦水河流域NDVI呈不显著减少趋势，减少速率为0.003/10a。在该时间段内，降水呈不显著减少趋势，在这种背景下，NDVI有所增加，说明降水对植被生长的影响有一定的滞后性[26]，同时也与从1978年开始的国家三北防护林工程大规模植树造林活动有关。② 2003—2019年，NDVI增速明显大于前一期，4个流域均呈显著增加趋势，增速大小依次为泾河流域(0.016 3/a)、葫芦河流域(0.014 9/a)、清水河流域(0.012 8/a)和苦水河流域(0.010 3/a)。该阶段初期，流域降水均处于逐渐增加趋势，NDVI出现上升趋势。同时与宁夏从2000年以来实施大面积退耕还林(还草)、封山禁牧等工程有关。该政策的实施，大幅度提升了宁夏的植被覆盖度，极大地改善了整个宁夏的生态环境状况。不同时间段NDVI及降水增速统计如表6所示。

(a) 清水河流域

表6 不同时间段的NDVI及降水增速统计

4 结束语

本文基于1989—2019年NDVI和降水数据，利用线性回归分析和相关分析对宁夏中南部流域的清水河、苦水河、泾河和葫芦河流域植被覆盖的时空演变特征以及其对降水的响应进行了分析，主要研究结论如下：

① 从时间上看，近31年宁夏中南部流域NDVI均呈显著增长趋势，且植被生长期的NDVI增长速率远大于非植被生长期。1989—2019年，4个流域NDVI与降水主要以正相关为主，清水河流域NDVI与降水的相关性系数最大，为0.565；2003—2019年，4个流域NDVI均随降水的不显著增加呈显著上升趋势，说明流域NDVI的显著增加，除了与降水有关，还响应了其他气候因素以及区域生态环境调控政策等多种因素的变化。

② 从空间上看，宁夏中南部流域植被覆盖呈改善趋势的面积在增大，泾河流域为97.21%，苦水河流域为86.60%，葫芦河流域为96.96%，清水河流域为96.19%。NDVI和降水呈极显著和显著正相关区域面积占比为：清水河流域69.69%、泾河流域50.7%、苦水河流域44.9%、葫芦河流域2.91%。葫芦河流域内，呈不显著正相关的区域达92.18%，而极显著和显著正相关的区域仅为2.91%，说明在该流域内，降水量的变化还不足以完全解释流域植被覆盖的增长。

本研究采用的NDVI数据时间序列长，可以较好地反映植被在时空尺度上的变化，但未进行NDVI年内变化研究，有待进一步完善。NDVI作为流域植被覆盖监测的有效表征指标，降水并不能唯一、全面地解释其变化特征，需进一步结合其他气候因素，实地调查、政策调控等资料，研究人类活动日益趋强过程对植被覆盖的影响。