黄河流域内蒙古段植被时空变化特征及条带状分布成因

张皓月, 占车生,*, 夏 军, 胡 实, 宁理科, 邓晓娟

1 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101

2 中国科学院禹城综合试验站,北京 100101

3 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101

4 武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072

5 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101

6 中国科学院大学,北京 100049

作为地球系统的重要组成部分,植被对气候变化和人类活动的响应是当前全球变化研究的热点之一[1—5]。植被覆盖度(FVC)是反映一个地区植被面积占有情况或资源丰富程度的重要生态参数[6],近年来发生着不同程度和方式的变化。然而,大部分关于植被变化的研究多集中在分析其在区域尺度上与气候、环境因子、人类活动的相关性[7—9],往往忽略了植被赖以赋存的水文地质条件对其产生的非地带性的控制作用。因此,本文将着重探讨区域性地质背景在植被变化中发挥的作用,揭示植被生态与水文地质的关联性。黄河流域内蒙古段地处我国北部干旱、半干旱地区,既是我国重要的生态屏障区，又是粮食主产区[10—11]。监测该区域FVC的动态变化,研究其与气象因子以及人类活动的关系,评估大尺度区域地质背景在FVC变化过程中发挥的作用,对评价生态系统环境质量、维持良好的生态系统功能以及加强对植被时空格局的认识具有重要意义。

气候变化和人类活动对植被具有显著的影响。降水和温度是地带性植被生长的两大主控因子[12—13],一方面降雨和温度通过影响植被的蒸腾与光合生理特征[14—15],对植物的种类、盖度、高度、物种多样性及生物量等生态学特征产生影响；另一方面,降雨和温度通过改变土壤物理特性,例如土壤有效积温和水分含量,从而调节土壤有机碳的光合、呼吸和分解过程,进而间接对植被生长与分布产生深远影响[16—17]。内蒙古地区降水对年际FVC变化具有显著正效应,尤其是在2000年以前[18—19]。2000年之后随着土地利用方式的剧烈转变[20],降水对植被生长的正效应有所削弱,特别是在草地生态系统中[21]。同样的现象也发生在黄土高原地区,随着三北防护林、退耕还草工程的开展,植被对气候变化的响应变得不敏感[22]。

此外,地貌通过直接控制水分与热量的再分配,也间接影响着土壤和植被变化[23—24]。负地形(低海拔)往往比正地形(高海拔)湿度更大、温度更低[25],这种水分可获得性的差异会影响土壤的理化性质[26],最终导致不同地貌条件有其主导的植被类型[27]。所以一定区域内的地貌条件在与水文、植被、土壤等自然地理要素的互馈中,往往起着核心作用。而地貌的形成及其特征又受到构造运动的控制,因此,在研究地貌对植被影响时应同时加强对构造活动背景的认识。黄河流域内蒙古段构造运动活跃[28—29],不断塑造地貌的过程中,影响植被的生长和分布特征。然而,区域性活动构造对植被产生的影响仍缺乏研究。

本文选取2000—2018年逐月气象数据、中分辨率成像光谱仪(MODIS) 250 m分辨率的归一化植被指数(NDVI)数据以及五期(2000、2005、2010、2015、2018年)土地利用数据,对近20年以来黄河流域内蒙古段及其中4个重点区域的FVC时空变化特征和驱动因素进行分析。利用Mann-Kendall(M-K)分析法和变异系数对FVC进行趋势评估和稳定性评价。最后着重针对三条带状的植被变化趋势特征进行成因探讨。

1 研究区概况

黄河流域中游内蒙古段全长830 km,由宁夏石嘴山市进入内蒙古自治区,流经乌海、巴彦淖尔、鄂尔多斯、包头和呼和浩特,由准格尔旗出境。研究区北部为阴山山脉,中部为平原和沙漠,其中乌兰布和与库布其沙漠分别位于河套灌区西部与南部,南部为鄂尔多斯高原。研究区处在干旱半干旱区,干旱少雨、蒸发强烈、昼夜温差大,属典型的中温带大陆性季风气候。年降水量在120—420 mm之间,集中在6—8月,潜在蒸散量超过2000 mm；年均气温在6.6℃左右。流域内包括我国设计灌溉面积最大的河套灌区；浑河、大黑河以及十大孔兑均为黄河流经内蒙古的重要支流(图1),其中浑河与大黑河处于半湿润区,十大孔兑在半干旱区。

图1 研究区及4个重点区域的地理位置及地形地貌图

2 数据和方法

2.1 数据

研究数据主要包括NDVI、气象数据、土地利用以及大气环流因子数据。MODIS NDVI数据来源于植被指数MOD13Q1系列产品(http://modis.gs.nasa.gov/),时间分辨率为16 d、空间分辨率为250 m。利用MRT(Modis reprojection tools)和ArcGIS 10.2软件对2000—2018年NDVI数据进行拼接、裁剪、投影转换等一系列预处理,最后采用最大合成法获得每年NDVI最大值数据。气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)的月值数据集,包含2000—2018年黄河流域内蒙古段24个气象站的月降水量和月平均温度,采用克里金差值方法将气象数据内插为250 m。土地利用/土地覆盖数据(2000、2005、2010、2015、2018年)来源于中国科学院资源环境科学数据中心[30](http://www.resdc.cn),根据土地资源及其利用属性,划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6类,空间分辨率为30 m。大气环流因子选择美国海洋与大气管理局气候预测中心提供的北大西洋涛动指数(NAO)和太平洋年际振荡指数(PDO)(https://psl.noaa.gov/data/climateindices/list/),时间范围为2000—2018年,在月数据基础上平均得到年指数。高程数据来源于SRTM 250 m(https://srtm.csi.cgiar.org/wp-content/uploads/files/250m/),空间分辨率为250 m。

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分法

采用像元二分法提取FVC,像元二分法是假定一个像元所覆盖的实际地表面积由植被部分和无植被两部分所构成,每个像元FVC的计算公式为：

(1)

式中,FVC为植被覆盖度；NDVIsoil表示裸土或无植被覆盖区域的NDVI值,NDVIveg为完全植被覆盖区的NDVI值,结合研究区植被的实际情况和NDVI像元值频率统计结果分析,最终选取累计频率在0.5%处的NDVI值代表NDVIsoil和累计频率在99.5%处的NDVI值代表NDVIveg。

将计算得到的FVC参照已有的分类标准[31]进行等级划分,具体划分类型包括：裸土(FVC<10%)、低覆盖(10%≤FVC<30%)、中低覆盖(30%≤FVC<45%)、中覆盖(45%≤FVC<60%)和高覆盖(FVC≥60%)。

2.2.2 趋势分析

本文采用于M-K趋势分析法检验2000—2018年FVC长时间序列趋势的统计显著性。M-K是一种非参数突变检验统计量[32—33],其计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,n是时间序列个数,当n>10时,Umk收敛于标准正态分布；m是时间序列中重复出现的数据组的个数；ti是第i组重复数据组中的重复数据个数；S为xi与xj的大小关系。对于给定的置信水平a,若|Z|>Z1-α/2,则认为存在显著的变化趋势,Z为正值代表增加趋势,Z为负值代表减少趋势。本文中,a=0.05为显著变化,a=0.1为轻微变化。

通过Sen斜率可以得到每个像元FVC变化的趋势值,其计算公式如下：

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(6)

式中,Slope代表斜率,median为中位数函数,xj、xi为时序数据。

2.2.3 稳定性分析

本文通过变异系数(CV)反映FVC的波动程度。CV是概率分布离散程度的归一化量度,用来表征数据的离散程度,定义为标准差与平均值之比,计算公式为：

(7)

3 结果

3.1 植被覆盖度的空间格局

2000—2018年研究区多年平均FVC的空间格局如图2所示,西部河套灌区以及中东部地区多年FVC均值较高,西北部和西南部山区及沙漠一带FVC较低。因地形平坦、土壤肥沃,灌区FVC均值高于60%,其中70%左右的区域为高覆盖区,15%左右的地区FVC值在45%—60%之间。大黑河和浑河流域以中高盖度植被为主,其占比均高达87%。十大孔兑地区近70%的地区以中低和低盖度植被为主,裸土面积约占流域面积的7%(图2)。

图2 研究区及4个子区域植被覆盖度的空间格局与统计特征

3.2 气象条件与土地利用

3.2.1 气象因子

年降雨量、年均温度与年均FVC随时间变化特征如图3所示。降雨量和温度均呈缓慢波动上升趋势,年均温度经历了先下降后上升的过程。FVC呈显著上升趋势(P<0.01),与年降雨量变化趋势基本一致(R2= 0.60),说明研究区FVC变化主要受到降水增加的影响。通过进一步计算2000—2018年间区域尺度上FVC与年降雨量、年均温的偏相关系数,得到整个研究区FVC与年降雨量、年均温的偏相关系数分别为0.78和0.19,前者通过P<0.001的显著性检验,后者未通过95%的显著性检验,再一次说明黄河流域内蒙古段的水分条件是制约植被生长的主要因素[15]。

区域降水量的增多与大气环流有关。研究区大部分(西北干旱半干旱地区)处在西风区,部分(东部半湿润地区)在东亚夏季风区[34]。大气环流因子,例如NAO和PDO等,共同控制着区域降水量的变化[35—36]。2000年以来,NAO与PDO指数逐渐偏正(图3),指示西风增强,而东亚夏季风的影响减弱[37—38],导致以西风区为主体的研究区降水量增加。通过比较年均NAO及PDO指数与年降水量的散点(图3),发现区域降水量与NAO指数的最大相关性存在一年的偏移,很可能是降水对前期大气环流变化响应的滞后效应导致。

图3 年均植被覆盖度与年降水量、年均温度、大气环流指数(PDO和NAO)的年际变化以及降水与FVC随前一年NAO的散点分布特征

3.2.2 土地利用变化

2000年以来,研究区有5%的面积土地类型发生了变化(图4)。其中黄河干流沿线以及乌梁素海周边耕地转变为草地,导致其FVC呈下降趋势；部分城市群的建筑面积扩大,也造成了FVC的下降。而灌区与沙漠地区分别受到耕地面积增加以及植树造林的影响,FVC呈上升趋势。

流域尺度上,除大黑河流域外,各子区域土地利用发生变化的区域FVC均呈现上升趋势(图4)。由于耕地的增加,河套灌区、十大孔兑流域和浑河流域,FVC上升面积占比较大,分别占变化土地面积的70%、77%、90%。大黑河流域由于耕地和草地向建设用地转换,FVC下降面积占变化土地面积的一半。

图4 覆盖类型变化的土地中植被覆盖度(FVC)的变化特征

3.3 植被年际变化趋势及稳定性

3.3.1 植被覆盖度的年际变化趋势

2000—2018年间,研究区FVC总体上表现为增加趋势(图5)。其中河套灌区南部和西部的库布其沙漠与乌兰布和沙漠一带FVC明显提高,主要得益于近20年三北防护林工程建设[39—40]。而北部部分山区有轻微的下降趋势,但并不显著。值得注意的是,河套段FVC存在三条显著的条带状变化特征,分别位于阴山断裂带前的盆地段、现今的黄河干流段以及河套盆地与鄂尔多斯台地的边界隐伏断裂段；前者呈显著上升趋势,后两者呈显著降低趋势。

图5 植被覆盖度的M-K变化趋势及显著性检验分布图

不同土地利用类型FVC变化差异显著(图6)。72%的耕地FVC呈增加趋势,显著下降的部分主要分布于河流附近和城市边缘。34%的林区FVC存在下降趋势,呈条带状集中分布于研究区东部。草地FVC主要以上升为主(75%),退化草地主要分布于河套灌区的东北部和南部山区。未利用地的植被退化占比为22%,主要分布于河套盆地与鄂尔多斯台地交界的东西走向断裂带。

图6 各地类植被覆盖度变化及其统计特征

3.3.2 植被覆盖度年际变化的稳定性

2000—2018年研究区FVC变化的稳定性特征如图7所示。北部阴山山脉自西向东FVC稳定性越来越好。阴山山脉的西、中、东段植被类型分别以温带荒漠山地植被、温带草原区山地植被以及温带森林区山地植被为主,随着水分条件的改善,物种多样性逐渐增加[41],使得生态系统抗干扰能力增强[42—43],FVC变化趋于稳定。位于阴山山脉西段、河套灌区北部的山前过渡带,植被表现为对气候变化的强烈波动。同样地,黄河干流沿线FVC表现为高波动；河套盆地与鄂尔多斯台地的边界断裂一带,FVC的稳定性也较差。

研究区中西部河套灌区以及东部大黑河与浑河地区FVC变化最为稳定(图7),三个区域FVC变化的CV值低于0.2的占比分别为80%,70%和63%。灌区农田生态系统变化受人类活动主导,东部大黑河流域及浑河流域自然植被生态系统降雨充沛,均对气候变化的敏感度较低。而低盖度植被区,例如十大孔兑地区和以未利用土地类型为主的河套灌区南部的库布其沙漠地区,FVC变化波动性较大。其中十大孔兑地区相对大黑河及浑河流域降水较少,64.3%的区域CV值介于0.2—0.4之间；对于FVC较低的沙漠地区,尽管在一系列绿色工程的积极作用下FVC呈上升趋势,但生态仍然十分脆弱,受气候变化的干扰较大。

图7 FVC变化的年际稳定性空间分布及其在4个子区域的统计特征

4 讨论

4.1 植被覆盖度变化的驱动因素

研究区FVC的年际变化主要受到气候与人类活动的双重作用。从FVC与降水和温度的相关性空间分布可以看出(图8),在土地利用类型不变的情况下,FVC的驱动因子与FVC的相关程度存在明显的区域差异。大部分地区FVC与降水呈显著正相关,而与温度关系不显著。前人从空间大尺度上也得到植被与年际降水的关系更加密切[18,20,44]。尤其在以自然植被为主的北部和南部山区,区域内低FVC值的荒漠草原植被对水分条件的响应具有高敏感度[45],表现为FVC与降水极显著正相关。而在东部覆盖有森林的大黑河以及浑河流域,FVC值较大、且稳定性较强,与降水和温度的相关性相对前者较小。因此,水分条件是制约干旱半干旱地区植被生长的重要因素,植被与降水两者的相关显著性水平与植被种类和本身盖度有关。而在河套灌区,引黄灌溉强烈影响植被覆盖变化,导致其与降水和温度相关性均不显著,该结果也与前人结果一致[46]。

图8 FVC与年降水量和年均温度的相关性

4.2 河套段植被变化的条带状特征及成因探讨

河套段FVC年际变化的空间分布存在三条显著的条带状特征。FVC在阴山断裂、河套盆地北部的山前地带呈条带状显著上升。非地带性植被的生长依赖于地下水,而山前地下水的赋存环境是连片的冲洪积扇群。由于山体隆升,冲洪积扇十分发育,植被易在扇缘相的地下水溢出带富集。前人资料[47]显示,2008—2018年间山前地下水埋深逐渐减小。因此,通过山前导水断裂运移的地下水不断补给植被,使得FVC显著上升。而在阴山山前过渡带,由于盆山交界带地表高差较大,土壤储水能力较差；且受到山体继承性隆升的构造运动影响[48—49],稳定期相对较短,地表难以形成较厚的土壤层,因此不利于植被的生长,表现为FVC的高波动,即植被对气候变化的强烈响应。

黄河干流一带FVC存在显著的降低趋势,很可能与近20年间沿河一带土地利用变化以及城市的扩张有关[50]。图4和图6可以明显看出,沿河一带的土地利用主要由农田转为草地。并且,在黄河河道的频繁摆动中,河漫滩植被易被淹没,表现为干流沿线FVC的高波动特征。

在河套盆地与鄂尔多斯台地的边界隐伏断裂处[51],FVC呈线状显著降低。由于该区域地表为风成砂覆盖,地表水下渗能力强；在近期地震活动的拉张应力作用下[52],沙漠以下的河湖相沉积物破碎,使得地下水迅速沿着条带状透水断裂下渗而难以维持浅表水分,从而导致植被根际层缺水而盖度降低。该边界断裂带的FVC稳定性也表现得较差,很可能也与周缘活动性断裂及地震活动有关[53],难以形成稳定的地下水补给条件。

5 结论

本研究利用黄河流域内蒙古段2000—2018年NDVI、气象、不同时期的土地利用数据,利用M-K趋势分析、变异系数稳定性分级以及相关性统计对整个研究区及其中4个重点区域近20年来FVC的时空变化及驱动因素进行了分析,并针对河套段三条显著的条带状FVC变化特征进行了探讨。主要结论如下：

近20年来,研究区自然植被受降水增多的影响,灌区农田受耕地面积增加的作用,沙漠地区受三北防护林工程建设的响应,均表现为FVC增大。而沿黄河干流和城市群的植被生态系统分别受土地利用方式以及城市扩张的影响,表现为FVC显著减小。高盖度植被对气候变化的响应较小。例如,灌区农田生态系统变化受人类活动主导；大黑河流域及浑河流域物种多样性丰富、生态系统较稳定。而低盖度植被区,例如水分条件较差的十大孔兑地区以及沙漠地区,FVC变化波动性较大,生态相对脆弱。

河套段三条显著的条带状FVC变化特征表明地质构造运动和地表过程也间接影响着植被分布。在河套平原北部山前扇缘地区,植被赋存在带状分布的地下水溢出带,受到地下水储量增多的不断补给,表现为FVC显著上升；而在山前过渡带,构造运动及其造成的较大地表高差使得土壤层较薄且储水能力较差,表现为FVC的高波动。黄河干流一带,河道的频繁摆动导致沿线FVC的高波动。河套盆地与鄂尔多斯台地的边界断裂处,在隐伏断裂和地震活动下,地下水易沿带状透水断裂下渗,难以维持浅表水分和稳定的水分补给条件,导致FVC呈线状显著降低和较差的稳定性。