石媛媛，紀(jì)永福，張恒嘉，王雅云，李福強(qiáng)，姜田亮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

隨著全球氣候變化及對地下水的不合理開采，以水為導(dǎo)向的水循環(huán)過程遭受破壞，河流干涸、地下水位降低、沙塵暴肆虐、土地沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出。國內(nèi)學(xué)者劉瓊榮等利用雙因子系統(tǒng)模型分析了徑流與降水對綠洲植被蓋度的影響。金曉媚利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了柴達(dá)木盆地植被覆蓋動態(tài)變化規(guī)律，指出氣象因素、地下水埋深等是植被變化的主要影響因素。馬艷萍采取6a作為時(shí)間尺度，利用灰色關(guān)聯(lián)法對民勤綠洲和沙漠的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程的驅(qū)動因子進(jìn)行了分析，并對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序。劉剛等對中國植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)的時(shí)空變化與溫度、降雨量進(jìn)行相關(guān)性分析，研究認(rèn)為植被NPP有東南向西北遞減，植被分布主要由氣候條件決定。沈斌分別分析了那曲草地植被指數(shù)與生長季內(nèi)、生長季間氣候因子的關(guān)系。崔林麗研究指出中國東部草地NDVI與氣溫、降水變化的相關(guān)系數(shù)最大，林地NDVI與氣溫、降水變化的相關(guān)系數(shù)較小[1- 6]。

已有的研究多從單一角度入手，沒有剔除多余指標(biāo)，較為宏觀地研究植被與某地多種氣象因子共同作用下的關(guān)系，不能準(zhǔn)確說明內(nèi)在聯(lián)系。因此，本文以民勤荒漠綠洲為例，選擇氣象指標(biāo)，利用主成分分析法揭示出影響氣象干旱的典型的敏感因子，并利用偏相關(guān)分析得出凈相關(guān)系數(shù)，通過對比分析，探討民勤荒漠綠洲植被指數(shù)與氣象敏感因子之間的密切關(guān)系，預(yù)測綠洲植被覆蓋度及綠洲面積演化方向，為干旱氣象條件下的植被生長及植被覆蓋度，綠洲面積恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

民勤縣位于甘肅省西北部，石羊河流域下游，總面積約為1.6×106hm2，東西北三面被巴丹吉林沙漠和騰格里兩大沙漠包圍。民勤縣屬于大陸性干旱氣候，多風(fēng)沙、少降雨，全年平均日照時(shí)數(shù)3100h，年平均風(fēng)速2.7m/s，年降雨量為113mm左右，多年平均有效降雨為64.4mm，蒸發(fā)量2644mm。年均氣溫8.3℃，低溫集中在1月、2月和12月，高溫出現(xiàn)在6—8月。地下水超采、石羊河來水量逐年減少、全球氣候變暖、不合理土地利用等原因直接或間接導(dǎo)致民勤盆地荒漠化嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱、植被種類及覆蓋度變化。民勤盆地天然沙生植被有70%以上退化，近年來該縣一直致力于建設(shè)防風(fēng)固沙林、農(nóng)田林網(wǎng)等，平均每年完成人工造林1.0414×104hm2，退耕還林2.1607×104hm2。人工造林保存面積達(dá)到15.324×104hm2以上，有效阻止了沙漠入侵并使部分沙化土地轉(zhuǎn)為人工綠洲。

2 研究方法及指標(biāo)處理

2.1 主成分分析及指標(biāo)選擇

主成分分析法是利用降維的思想，在損失很少信息的前提下，把多個(gè)相關(guān)性指標(biāo)轉(zhuǎn)化成為幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)，克服了多變量之間的重疊性。轉(zhuǎn)化成的綜合指標(biāo)即為主成分，且每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合[7- 8]。引入貢獻(xiàn)率來表明選取主成分能夠反映原樣本信息量的程度，有效描述多個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的樣本，當(dāng)累積貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，選取的新的主成分包含原變量的大部分信息，即可以用主成分代替原變量。主成分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

式中，Y1～Yp—主成分；X1～Xp—經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn)變量；u11～upp—特征向量矩陣。

本文從氣象因素入手研究民勤荒漠綠洲干旱驅(qū)動機(jī)制，選取6個(gè)指標(biāo)，即X1、X2、X3、X4、X5、X6分別為年降水、年蒸發(fā)、平均濕度、平均風(fēng)速、平均溫度、年日照時(shí)數(shù)。第一步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式如下：

(2)

(3)

(4)

數(shù)據(jù)來源為甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，見表1。數(shù)據(jù)處理采用SPSS19.0和Microsoft Office Excel 2007。

2.2 氣象因素與綠洲植被指數(shù)變化趨勢

平均溫度、年蒸發(fā)、平均濕度和年日照時(shí)數(shù)的年際變化如圖1—4所示。

圖1 多年溫度變化圖

圖2 多年蒸發(fā)量變化圖

表1 氣象指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)化

圖3 年際濕度變化圖

圖4 年日照時(shí)數(shù)變化圖

從圖1—4可以看出，圖1溫度呈單峰曲線變化，低溫出現(xiàn)在1月、2月和12月，此時(shí)處在冬季上凍期，基本沒有植被生長，3月氣溫突破0℃并逐漸升溫，但氣溫普遍較低，不適宜植被發(fā)芽生長。4月末5月初植被才逐漸開始生長，7月為全年平均最高溫，9月溫度與5月氣溫比較接近，此時(shí)為植被生長最旺盛期，隨著氣溫逐漸降低至10月中旬，植被逐漸降低生長速率保存生命力，一年生植被枯萎死亡，11月為過渡期。圖2蒸發(fā)量與圖1中溫度變化趨勢相似，且隨著溫度升高而增大，最大值出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在1月。圖3濕度值在1月、2月較大，多是由于降雪所致。此后降水減少，氣溫回升快，大風(fēng)天氣多，蒸發(fā)旺盛，導(dǎo)致4月和5月濕度為全年最小，與春旱發(fā)生時(shí)間相對應(yīng)。5月以后降雨逐漸增多呈波動增長，濕度值增長高峰出現(xiàn)在9月，這與降雨和蒸發(fā)有關(guān)。圖4所示年日照時(shí)數(shù)受海拔、水汽、地形等因素限制處在波動變化中，但平均年日照時(shí)數(shù)保持在3073.5h左右。

植被指數(shù)(NDVI)是監(jiān)測植被變化的有效參數(shù)，用來表征植物生長狀況、植被覆蓋程度、植被生物量等的重要指標(biāo)，已廣泛用于植被活動的研究?；来菏褂肁FRISWIR2植被指數(shù)構(gòu)建了像元二分模型，提取精度較高的植被覆蓋度[9]。本文參照滑永春研究成果，得到AFRISWIR2最大值Z1和最小值Z2，如圖5所示。自2007年實(shí)施《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》以來，地下水開采量減少，部分地區(qū)地下水位有所回升，民勤荒漠綠洲生態(tài)環(huán)境隨之改善，民勤綠洲面積也在動態(tài)變化中緩慢增長。2013—2015年，極低覆蓋度植被從76.854%增加到83.917%，中覆蓋度植被從2.761%增加到4.47%，而高覆蓋度植被從4.967%減少到3.027%。

圖5 植被指數(shù)變化及預(yù)測趨勢圖

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象干旱驅(qū)動要素解析

綜合年降水X1、年蒸發(fā)X2、平均濕度X3、平均風(fēng)速X4、平均溫度X5、年日照時(shí)數(shù)X6等6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果見表2，其中提取了2個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為85.844%，平均溫度與成分1緊密相關(guān)，成分2則與年蒸發(fā)關(guān)系較大，說明年蒸發(fā)量與平均溫度變化是氣象干旱的主要驅(qū)動因素。

使用Varimax法進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)后得到因子負(fù)荷矩陣，通過轉(zhuǎn)換和計(jì)算變量命令來計(jì)算主成分特征向量矩陣，結(jié)果見表3。

由主成分特征向量矩陣得到主成分表達(dá)式(5)式和(6)式，實(shí)現(xiàn)主成分分析。

Y1=0.347X1-0.329X2+0.451X3-0.515X4+0.273X5+0.476X6

(5)

Y2=-0.445X1+0.575X2+0.255X3-0.081X4+0.631X5+0.032X6

(6)

表3中各因素的特征向量絕對值之和得出X2=X5>X1>X3>X6>X4，即年蒸發(fā)X2、平均溫度X5、降水量X1、平均濕度X3對氣候干旱的影響程度較大，年日照時(shí)數(shù)X6和風(fēng)速X4的影響程度較小。

表2 氣象因子解析總方差

注：提取方法：主成分分析。

表3 因子負(fù)荷矩陣及特征向量矩陣

注：提取方法：主成分。旋轉(zhuǎn)法：具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法。a.旋轉(zhuǎn)在3次迭代后收斂。表中沒有a，需作者復(fù)核。

表4 植被指數(shù)相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

主成分系數(shù)表達(dá)式(5)中X3>X1，(6)式中X5>X2>X3，提取影響植被變化的驅(qū)動因子只能起到宏觀指導(dǎo)作用，并不能切實(shí)有效反映綠洲植被動態(tài)變化與影響因素的相關(guān)關(guān)系，因此還需采用偏相關(guān)分析法，解析影響因子與綠洲植被變化的關(guān)系。由圖5可知，最大植被指數(shù)Z1與最小植被指數(shù)Z2的變化呈現(xiàn)波動增長型，對其分別做線性預(yù)測，可以看出最大植被指數(shù)與最小植被指數(shù)都保持增長趨勢。

3.2 干旱驅(qū)動因子與植被指數(shù)變化的關(guān)系

為消除各因素之間的偽相關(guān)性，采用偏相關(guān)分析法，在控制其他變量的線性影響的同時(shí)有效揭示變量之間的真實(shí)關(guān)系，識別干擾變量并尋找隱含的相關(guān)性。針對民勤綠洲植被指數(shù)與影響因素分別做偏相關(guān)分析和簡單相關(guān)分析，進(jìn)行差異性分析的同時(shí)深度解析干旱驅(qū)動因子與植被指數(shù)變化的關(guān)系，結(jié)果見表4。

由表4可知，偏相關(guān)性分析相對于簡單相關(guān)分析，變量與因變量之間的關(guān)系更加清晰，不存在無關(guān)變量的影響，因變量Z1與變量X5、X2、X3、X6的偏相關(guān)系數(shù)為0.98、-0.901、0.997、-0.041，因變量Z1與變量X5、X2、X3、X6的簡單相關(guān)系數(shù)為0.529、-0.367、0.668、0.666，其中在X5、X2、X3正負(fù)相關(guān)性一致，Z1與X5、X3之間的偏相關(guān)系數(shù)為0.98、0.997，表明平均溫度X5、平均濕度X3與最大植被指數(shù)Z1之間高度相關(guān)，Z1與年蒸發(fā)X2成負(fù)相關(guān)。Z1與X3之間的簡單相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著相關(guān)，證明了濕度X3對植被的影響是不容忽視的一個(gè)重要方面。與年日照時(shí)數(shù)X6的相關(guān)關(guān)系不緊密，且簡單相關(guān)性系數(shù)在X6時(shí)出現(xiàn)較大反差，這是多變量之間相互影響所致。年日照時(shí)數(shù)X6變化雖然在一定程度上影響植被生長和分布，但由于部分?jǐn)?shù)據(jù)不連續(xù)導(dǎo)致分析結(jié)果不夠精確，不能準(zhǔn)確說明年日照時(shí)數(shù)與植被指數(shù)之間的關(guān)系，在后續(xù)的研究中還需大量的年日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)來完善與植被覆蓋度、植被指數(shù)之間的關(guān)系。因變量Z2與變量X5的偏相關(guān)系數(shù)和簡單相關(guān)系數(shù)為0.827和0.576，反映出平均溫度X5與最小植被指數(shù)Z2的密切關(guān)系，同時(shí)因變量Z2與變量X5、X2、X3、X6的簡單相關(guān)系數(shù)大小關(guān)系與因變量Z1的偏相關(guān)性相同，驗(yàn)證了偏相關(guān)分析結(jié)果的正確性。另外需要指出，降水量與植被指數(shù)的大小有關(guān)系，但由于水分條件較其他氣候因素對植被生長表現(xiàn)出更明顯的滯后效應(yīng)，所以在進(jìn)行偏相關(guān)分析時(shí)系數(shù)小于其他因素，但不表示沒有關(guān)系。

4 結(jié)論

植被覆蓋度、植被指數(shù)的變化是多種影響因素共同作用的結(jié)果，本研究只從氣象因素著手分析了單一因素與綠洲植被指數(shù)變化的關(guān)系。研究得出年蒸發(fā)、平均溫度、降水量、平均濕度對植被覆蓋度影響程度較大，本研究補(bǔ)充了前人研究的不足，得出蒸發(fā)量與濕度、綠洲植被指數(shù)有重要聯(lián)系。平均溫度、與植被覆蓋呈正相關(guān)關(guān)系，溫度是植物生長的一個(gè)重要外部條件，適合的溫度有利于植物的萌發(fā)和生長，植物生命活動旺盛，植物生長更加迅速。在干旱地區(qū)蒸發(fā)量X2與植被覆蓋呈負(fù)相關(guān)，蒸發(fā)量很大，大量水分散失，植被用來進(jìn)行蒸騰作用的水量就越少，在其他因素不變的情形下，蒸發(fā)量的多少也直接影響著植被的生長，進(jìn)而影響植被覆蓋度。平均濕度與植被覆蓋呈正相關(guān)關(guān)系，空氣濕度長期過低，造成葉片內(nèi)部氣腔水氣壓與外界水氣壓相差過大，葉片內(nèi)部水汽供應(yīng)不足導(dǎo)致葉片邊緣和葉尖壞死，同時(shí)空氣濕度的大小影響植物氣孔的開閉，空氣濕度過大或過小都會導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，植物氣孔關(guān)閉，二氧化碳不能進(jìn)入葉肉細(xì)胞，光合作用減慢甚至停止，直接或間接地影響植被覆蓋度和植被指數(shù)的大小。

氣候變化和植被變化息息相關(guān)，相互影響。鮑艷等研究表明，植被覆蓋變化是引起區(qū)域氣候變化的主要因子，顯著影響著溫度、濕度的變化。戴聲佩運(yùn)用最大合成法和趨勢分析法研究得出祁連山植被指數(shù)對氣溫變化的響應(yīng)大于降水。本研究與孫艷玲的研究結(jié)果相似，認(rèn)為我國溫度條件能明顯地影響植被生長，蒸發(fā)量、濕度條件對我國荒漠植被生長都有不可忽視的影響[10- 12]。當(dāng)然，生態(tài)環(huán)境惡化，植被覆蓋度變化，不只在于氣候因素的影響，更在于人類不合理的開發(fā)利用模式，加劇了干旱和荒漠化進(jìn)程。按照現(xiàn)有氣候條件，民勤荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)較為穩(wěn)定，通過調(diào)控水資源、提高農(nóng)業(yè)水平、加強(qiáng)植被生態(tài)建設(shè)等措施，必然會影響民勤地區(qū)植被NDVI的變化。