李巧玲，王榮克，董小濤，黃鵬年，顧瑋琪

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200434；3.水利部綜合事業(yè)局，北京100053)

涇河上游植被覆蓋動態(tài)及其與降水徑流的關(guān)系

李巧玲1，王榮克2，董小濤3，黃鵬年1，顧瑋琪1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200434；3.水利部綜合事業(yè)局，北京100053)

采用Mann-Kendall法、雙累積曲線法和二維視圖技術(shù)分析涇河三關(guān)口以上流域1982年～2006年植被動態(tài)、降水及徑流變化，研究植被與降水徑流的關(guān)系。結(jié)果表明，降水量呈下降趨勢，流域逐年植被覆蓋從20世紀(jì)90年代中后期呈下降趨勢，均不顯著；徑流量呈顯著下降趨勢，且在1995年出現(xiàn)突變。植被與降水的關(guān)系不太密切，而植被類型改變對徑流減少的作用不可忽視。

植被覆蓋動態(tài)；歸一化植被指數(shù)；降水；徑流；涇河上游

0 引 言

歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index， NDVI)與植被綠色葉片生物量、植物光合作用能力及植被的生產(chǎn)力有很好的對應(yīng)關(guān)系， 其變化在一定程度上能代表地表覆被變化[1- 3]。在各種NDVI數(shù)據(jù)中， AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer,先進(jìn)甚高分辨率輻射儀，是裝載在美國國家海洋大氣局的第三代實(shí)用氣象觀測衛(wèi)星上的主要傳感器) NDVI有20多年的數(shù)據(jù)積累，在植被的長期監(jiān)測和研究中具有不可替代的優(yōu)勢。目前，NDVI與降水、氣溫等氣候變量的相關(guān)性研究已取得一定進(jìn)展，NDVI與徑流的關(guān)系研究還比較少[4]。

涇河為黃河的二級支流，黃河十大水系之一，流經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省(區(qū))，流域面積為 45 421 km2，是亞洲夏季風(fēng)可影響到的內(nèi)陸地域。流域南部年平均降水500 mm 以上，屬于冷溫帶半濕潤區(qū)。頡河是涇河一級支流，位于黃土高原西部寧(夏)南山區(qū)，變化環(huán)境下流域水土流失、水資源短缺等問題越來越突出，已成為制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。三關(guān)口水文站是頡河控制站。采用長序列GIMMS(Global Inventor Modeling and Mapping Studies美國航空航天局(NASA)全球監(jiān)測與模型研究組)/ NDVI數(shù)據(jù)，選取三關(guān)口以上流域作為研究區(qū)域，從流域尺度上研究過去25年間(1982年～2006年)植被動態(tài)變化及其與降水、徑流的關(guān)系，探討植被變化對徑流的影響，對于水資源管理及生態(tài)環(huán)境治理具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義[5]。

1 研究區(qū)概況

三關(guān)口水文站是六盤山東側(cè)半濕潤石山林區(qū)代表站。涇河三關(guān)口以上流域地處寧夏涇源縣內(nèi)，流域面積為 218 km2，多年平均降水量為540 mm。流域內(nèi)有大灣、瓦亭、什子等雨量站(圖略)。流域上游森林植被覆蓋率高，調(diào)蓄作用大，降雨季節(jié)變化明顯，7月～10月的徑流量占年徑流量的一半以上。冬季降水量較少，徑流主要靠地下水補(bǔ)給。多年平均徑流量(1970年～2007年)2 410萬m3。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)的來源與處理

植被數(shù)據(jù)來自GIMMS發(fā)布的 GIMMS/NDVI 1982年～2006年的NDVI數(shù)據(jù)， 時間分辨率為15 d， 空間分辨率為8 km×8 km[6]。先提取計算三關(guān)口以上流域范圍內(nèi)每半月的NDVI累計值，對一年內(nèi)每月的NDVI累計值求算術(shù)平均，再求和得流域逐年的NDVI累計值。研究表明[7]，逐年的NDVI累計值與生物量高度相關(guān)，可以用來表征植被的年際變化。水文氣象數(shù)據(jù)包括1970年～2007年三關(guān)口以上流域各雨量站點(diǎn)的逐日降水量及三關(guān)口逐日徑流量，來源于寧夏水文水資源勘測局。流域面平均雨量采用算術(shù)平均法進(jìn)行計算。

2.2 Mann-Kendall方法

采用Mann-Kendall法(非參數(shù)檢驗(yàn)法)分析逐年NDVI累計值、降水量與徑流量的年際變化趨勢與突變點(diǎn)。該方法應(yīng)用廣泛[8- 9]，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾。即，對具有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列Sk；在時間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計量

(1)

(2)

其中，UF1=0,ri,E(Sk),Var(Sk)由下列各式計算

(3)

E(Si)=i(i-1)/4

(4)

Var(Si)=i(i-1)(2i+5)/72

(5)

按時間序x的逆序xn,xn-1,…,x1，重復(fù)上述過程，重新計算UFi同時使UBi=-UFi,i=n,n-1,…,1。繪制UFi和UBi兩條曲線，若UFi或UBi的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。如果這兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，且序列存在顯著變化趨勢，則該交點(diǎn)就是系列的突變點(diǎn)。

2.3 雙累積曲線方法

采用雙累積曲線方法分析降水徑流累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時間，在直角坐標(biāo)系中繪制1970年～2007年降水連續(xù)累積值與徑流連續(xù)累積值的關(guān)系線。該方法用于長期演變趨勢分析具有簡單和直觀的特點(diǎn)，應(yīng)用也很廣泛[10]。如果雙積累曲線的斜率發(fā)生突變，則表示兩個變量之間的比值(常數(shù))發(fā)生了改變，或者該比值可能不是常數(shù)。如果可以忽略比值是變量的可能性，那么斜率發(fā)生突變點(diǎn)所對應(yīng)的年份就是兩個變量累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時間[10- 11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降水、NDVI及徑流序列分析

利用Mann-Kendall方法對三關(guān)口以上流域1982年～2006年逐年NDVI累計值及1970年～2007年逐年降水和徑流序列進(jìn)行分析，顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，結(jié)果如圖1所示。對于降水、NDVI和徑流資料都可以利用的時期(1982年～2006年)，年徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，且減少趨勢顯著，突變點(diǎn)(UF與UB的交點(diǎn))發(fā)生在1995年，其中最大年徑流量為4 998萬m3，出現(xiàn)在1992年，之后年徑流均未超過3 000萬m3；年降水量有波動，整體上也呈現(xiàn)下降趨勢，但不顯著；逐年NDVI累計值呈微弱的增加趨勢，之后呈微弱的下降趨勢，但不顯著，表明植被覆蓋變化趨勢不顯著。

3.2 降水、NDVI及徑流逐月變化特征

將時間序列數(shù)據(jù)以二維矩陣[月×年]表示，然后將二維矩陣以圖的形式表達(dá)。為了增強(qiáng)圖形的表達(dá)效果，采用插值方法(線性、平方和對數(shù)等)對每個點(diǎn)(或柵格)進(jìn)行處理，并畫出等值線(見圖2)，其中NDVI累計值是實(shí)際值放大100倍的結(jié)果。

圖1 1982年～2006年逐年NDVI累計值、1970年～2007年逐年降水和徑流序列MK檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 1982年～2006年NDVI累計值、降水和徑流量的二維視

由圖2可以看出，流域NDVI累計值的最大值出現(xiàn)在7月～8月，其中1990年7月達(dá)最大值613(無量綱)，并從1997年開始呈現(xiàn)減少的趨勢，表明7月～8月植被覆蓋略有下降；最小值出現(xiàn)在1～3月，這些月份植被覆蓋變化微弱，1984年2月份NDVI累計值僅為142。降水量最大值出現(xiàn)在8月～9月，其中1992年8月最大，達(dá)315.9 mm；最小值出現(xiàn)在12月～次年3月，整月無降水的現(xiàn)象時有發(fā)生。徑流量最大值大多出現(xiàn)在8月～9月，有些年份出現(xiàn)在10月，例如2003年，其中1992年8月的徑流量達(dá)2 563萬m3；最小值出現(xiàn)在1月～3月，其中1998年1月的徑流量僅為56萬m3。

3.3 降水、NDVI及徑流的關(guān)系

由圖2及Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果知，1982年～2006年，NDVI累計值與降水關(guān)系不太密切，植被受降水的影響不太大。可能主要是因?yàn)榱饔蛏嫌紊种脖桓采w率高，森林的根系發(fā)達(dá)可以獲取大量的水分，所以受到降水短缺的影響不會明顯體現(xiàn)。

在這段時期內(nèi)，NDVI累計值、降水的長期變化趨勢均不顯著；而徑流量下降趨勢顯著，且發(fā)生了突變。進(jìn)一步分析降水徑流雙累積曲線(見圖3)發(fā)現(xiàn)，該累積關(guān)系在1995年左右發(fā)生突變，1995年前雙累積線坡度較緩，斜率僅為4.26；1995年后雙累積線坡度較陡，斜率達(dá)6.75。這表明同樣的降水條件下，1995年后的年產(chǎn)流量小于1995年前的年產(chǎn)流量。1995年前后兩條擬合線精度都較高，1995年前相關(guān)系數(shù)為0.997 6，1995年后相關(guān)系數(shù)為0.998 4，說明降水-徑流關(guān)系在1995年前后確實(shí)發(fā)生了較大變化。

圖3 三關(guān)口以上流域降水-徑流深雙累積曲線

植被覆蓋變化較大的時期與徑流顯著變化的時期大致相同(20世紀(jì)90年代中后期)。這可能主要是因?yàn)閴ɑ摹y挖濫伐，使植被遭到破壞，植被類型從林地轉(zhuǎn)化為草地和農(nóng)作物；再加上干旱，植被需水量增加；進(jìn)而導(dǎo)致徑流量減少。雖然從2000年開始實(shí)施退耕還林還草工程，主要栽種了落葉松、山杏、山桃和刺槐等樹種[12]；但就落葉松而言，成材至少需要12～15 a，生長緩慢，植被質(zhì)量不會馬上提高。

4 結(jié) 語

本文基于GIMMS/NDVI數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall法、雙累積曲線法和二維視圖技術(shù)研究了三關(guān)口以上流域1982年～2006年植被覆蓋動態(tài)變化及其與降水徑流的關(guān)系。結(jié)果表明：年降水量呈現(xiàn)減少趨勢，植被在20世紀(jì)90年代中后期呈現(xiàn)減少的趨勢，但均不顯著；徑流量呈現(xiàn)顯著下降趨勢；植被與降水之間的關(guān)系不太密切；降水量變化是徑流量變化的一個重要影響因素，植被變化對徑流量變化也起著重要作用。植被類型的改變在徑流量的減少中扮演著重要的角色，在徑流量的模擬與預(yù)報中不可忽視。需要指出的是，本文關(guān)于植被與降水徑流關(guān)系的分析多為定性分析，然而受土壤類型，地形地貌特征，植被類型及空間分布等多種因素的影響，三者之間的關(guān)系十分復(fù)雜。進(jìn)一步探討變化環(huán)境下三者之間的定量關(guān)系，探討其物理成因，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Vegetation Dynamics and Its Relationship with Precipitation and Runoff in Upper Jinghe River Basin

LI Qiaoling1， WANG Rongke2， DONG Xiaotao3， HUANG Pengnian1， GU Weiqi1

(1. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， Jiangsu， China;2. Shanghai Investigation， Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434， China;3. Bureau of Comprehensive Development， Ministry of Water Resources， Beijing 100053， China)

The Mann-Kendall method， Double Mass Curve method and 2D visualization technique are employed to investigate the vegetation dynamics， precipitation and runoff trend， and the relationships between them in upper Jinghe River Basin between 1982 to 2006. The results show that a decreasing trend for annual precipitation during the whole available period and a decreasing trend for annual vegetation since the mid and late 1990s are both trends being not significant， the decreasing trend for annual runoff is significant and the break point of annual runoff is detected in 1995. The vegetation has no close relationship with precipitation in the basin， but it is not negligible to consider the impact of vegetation type changes on runoff reduction．

vegetation dynamics; NDVI; precipitation; runoff; upper Jinghe River Basin

2015- 01- 05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201028，41130639)

李巧玲(1982—)，女，河南許昌人，講師，博士，主要從事流域水文模擬及預(yù)報、流域水文過程對氣候變化的響應(yīng)研究．

TV121；X171

A

0559- 9342(2015)11- 0021- 03