袁瑞強(qiáng) ，青 松 ,2*

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010022）

0 引 言

【研究意義】植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組分之一，具有連接大氣、土壤和水文等生態(tài)要素的作用，可為自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生產(chǎn)生活提供強(qiáng)有力的保障[1]。植被的時(shí)空變化會(huì)引起地表參數(shù)的變化[2]，從而影響地表能量和水量的收支平衡。目前對(duì)長(zhǎng)時(shí)期的植被變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和影響因素分析已成為全球變化研究的重要內(nèi)容[3]，并可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。黃河流域地勢(shì)起伏劇烈，自然條件地域差異明顯，是我國(guó)重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶。由于水資源條件先天不足，干旱是流域的基本特征[4]，水的可用性指標(biāo)深刻影響著流域內(nèi)的植被狀況。監(jiān)測(cè)黃河流域植被變化情況，探討植被活動(dòng)與水的可用性指標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)指導(dǎo)黃河流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義，有利于流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及政策的制定。

【研究進(jìn)展】遙感具有時(shí)間序列長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，成為區(qū)域尺度植被動(dòng)態(tài)研究的理想化工具。AVHRR（advanced very high resolution radiometer）遙感影像時(shí)間跨度長(zhǎng)和分辨率較高，許多學(xué)者應(yīng)用其植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）對(duì)大尺度植被覆蓋變化及其與氣候的關(guān)系進(jìn)行了研究[5-8]。水分是植被變化的主要驅(qū)動(dòng)力，在全球61%以上的植被變化中占主導(dǎo)地位[9]。降水是探討水分條件對(duì)植被綠度影響最常用的指標(biāo)，然而，降水只能提供關(guān)于地表水條件的間接信息[10]。同時(shí)，土壤水分與植被關(guān)系的大規(guī)模調(diào)查也受到根系區(qū)土壤水分檢測(cè)準(zhǔn)確性的制約[11]。最近，由GRACE衛(wèi)星獲取的陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)被用作一種新的指標(biāo)來(lái)探索其對(duì)植被的影響。GRACE 衛(wèi)星采用近極地軌道星載GPS 跟蹤、非保守力加速儀以及高精度星間距離測(cè)量等新技術(shù)，監(jiān)測(cè)地球重力場(chǎng)變化信息。在季節(jié)性或年際較短時(shí)間尺度上，地球重力場(chǎng)變化主要是由地球表層大氣壓力、海底壓力和陸地水儲(chǔ)量變化引起的，而在陸地區(qū)域重力場(chǎng)的變化主要原因則是水儲(chǔ)量的變化。GRACE 衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演TWSA 原理是先求算出地球表面的密度變化，然后將密度變化轉(zhuǎn)化為等效水高的變化，所以從水文學(xué)的角度看，陸地水儲(chǔ)量的變化包括地下水、土壤含水率、地表水和植被冠層含水率的變化[12]。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)植被生長(zhǎng)對(duì)TWSA 很敏感，TWSA 可以捕捉到植被綠度的季節(jié)變化和年際變化[13-16]。但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，進(jìn)行黃河流域植被動(dòng)態(tài)變化研究及探究植被與TWSA的響應(yīng)關(guān)系較少，難以為黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供可靠的支撐。

【切入點(diǎn)】以往對(duì)黃河流域NDVI 的研究可以概括為流域、柵格2 種尺度下NDVI 變化規(guī)律及其對(duì)氣候的相互關(guān)系，對(duì)NDVI 與TWSA 的研究涉及較少，同時(shí)GRACE 數(shù)據(jù)存在周期性缺失和粗分辨率的缺點(diǎn)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本文使用基于模型的降尺度研究方法得到連續(xù)的、更精細(xì)化的水儲(chǔ)量變化時(shí)間序列，然后利用降尺度之后的TWSA 和GIMMS NDVI 遙感數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析全球變化背景下該區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)季植被時(shí)空分布格局及其對(duì)TWSA 的敏感性，研究自然環(huán)境變化趨勢(shì)，為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域位于96°—119°E，32°—42°N 之間，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東9 省（圖1），流域面積約為80 萬(wàn)km2。流域幅員遼闊，地勢(shì)西高東低，西部河源地區(qū)平均海拔在4 000 m 以上；中部地區(qū)海拔在1 000～2 000 m之間，為黃土地貌，水土流失嚴(yán)重；東部地區(qū)海拔不超過(guò)100 m，主要由沖積平原形成。黃河流域?qū)俅箨懶詺夂?，從東南部到西北部氣候依次為半濕潤(rùn)、半干旱、干旱氣候[17]。流域內(nèi)主要的植被覆蓋類型為草地、林地、灌木和農(nóng)田。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

黃河流域絕大多數(shù)地區(qū)每年4 月上旬植被開(kāi)始返青，到10 月中下旬氣溫開(kāi)始降低，植被停止生長(zhǎng)，故將研究區(qū)內(nèi)的生長(zhǎng)季確定為4—10 月[18]。本文選用2002—2015 年GIMMS NDVI 月值數(shù)據(jù)，采用最大值合成方法（maximum value composites，MVC）將15 d的GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)合成月NDVI 數(shù)據(jù)。空間和時(shí)間分辨率分別為8 km 和15 d，此數(shù)據(jù)集對(duì)云、太陽(yáng)高度角、儀器視場(chǎng)角、氣溶膠的影響進(jìn)行了校正，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量。同期的TWS 數(shù)據(jù)來(lái)自3 個(gè)獨(dú)立中心（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、德克薩斯大學(xué)空間研究中心和德國(guó)研究中心）的release-5 球諧產(chǎn)品，3 種產(chǎn)品均使用歷史均值作為基線[19]。本文使用的GRACE 數(shù)據(jù)為噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提供的2002—2015 年月平均陸地水儲(chǔ)量距平（TWSA）數(shù)據(jù)，其距平的基線為2004—2009年月平均陸地水儲(chǔ)量值，空間分辨率為1°，利用GLDAS-NOAH 陸地水文模型數(shù)據(jù)為參考對(duì)TWSA 數(shù)據(jù)進(jìn)行降尺度，將TWSA 的空間分辨率處理為0.25°。為了使GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)與TWSA 數(shù)據(jù)具有相同的空間分辨率，將GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)重采樣至0.25°。將NDVI 序列數(shù)據(jù)進(jìn)行距平處理，從NDVI 月觀測(cè)數(shù)據(jù)減去長(zhǎng)期的月平均值計(jì)算NDVI 的月距平值。

圖1 黃河流域位置及DEM Fig.1 Location and DEM map of the Yellow River Basin

1.3 研究方法

1.3.1 GRACE 降尺度方法

如前所述，GRACE 數(shù)據(jù)具有周期性數(shù)據(jù)缺失和粗空間分辨率的缺點(diǎn)，為了解決這一問(wèn)題，本文利用WAN 等[20]基于模型的方法對(duì)GRACE 數(shù)據(jù)進(jìn)行降尺度。以空間分辨率為0.25°的GLDAS_NOAH 陸地水文模型數(shù)據(jù)為參考對(duì)TWSA 數(shù)據(jù)進(jìn)行降尺度，將TWSA 的空間分辨率處理為0.25°。

1.3.2 趨勢(shì)分析法

本文使用Mann-Kendall（M-K）趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)2002—2015 年NDVI 和TWSA 數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。利用Theil-Sen Median 趨勢(shì)分析方法計(jì)算變量的斜率，計(jì)算式為：

式中：S是Sen趨勢(shì)分析的斜率；xi和i是第i年和第j年的NDVI值（1≤j

1.3.3 相關(guān)分析法

采用Pearson 相關(guān)分析探討NDVI 與TWSA 之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的顯著性以P<0.05 來(lái)評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI 時(shí)空分布特征

2.1.1 NDVI 時(shí)間分布特征

基于像元對(duì)黃河流域2002—2015年生長(zhǎng)季NDVI值取平均得到每年生長(zhǎng)季植被NDVI均值。通過(guò)對(duì)黃河流域年均NDVI及各年NDVI偏差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖2）可知，2002—2015 年，黃河流域的NDVI 均值在0.39～0.44之間，平均值為0.42，最大值出現(xiàn)在2012年，達(dá)到0.44，超過(guò)平均值0.02，最小值則在2006年，為0.39，低于平均值0.03。2002—2015年黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增速為0.35%/a，個(gè)別年際變化波動(dòng)性較大。黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI 在2002—2015 年 出 現(xiàn)2 個(gè) 明 顯 地 減 少 階 段（2010—2011年和2012—2014年）、2個(gè)增加階段（2006—2010年和2011—2012年），14 a間黃河流域植被覆蓋情況整體轉(zhuǎn)好，NDVI值在2012年達(dá)到峰值，與賀振等[21]、田智慧等[22]的研究結(jié)果相符。2011年黃河流域的NDVI出現(xiàn)明顯的低峰值，這可能與該年的暴雨[23]有關(guān)，導(dǎo)致水土流失、植被覆蓋度降低。

圖2 2002—2015年黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI年際變化和偏離分析 Fig.2 Interannual changes and deviations of vegetation NDVI during the growing season in the Yellow River Basin from 2002 to 2015

2.1.2 NDVI 空間分布特征

將2002—2015年黃河流域植被生長(zhǎng)季NDVI累加后的平均值作為研究區(qū)14 a的NDVI值，同時(shí)根據(jù)不同的植被指數(shù)的變化情況，將研究區(qū)植被覆蓋劃分為無(wú)植被區(qū)（NDVI≤0.2）、極低植被區(qū)（0.20.6）[24]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 2002—2015 年黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI 空間分布 Fig.3 Spatial distribution of vegetation NDVI in the growing season of the Yellow River Basin from 2002 to 2015

黃河流域的植被分布在空間分布上表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異特征，整體上由東南向西北呈帶狀遞減分布，其差異與自然地理?xiàng)l件和水熱條件有關(guān)。NDVI低值區(qū)主要分布于東北部的毛烏素沙漠以及北部的內(nèi)蒙古地區(qū)，由于這些地區(qū)自然環(huán)境惡劣，NDVI相對(duì)較低。流域西南河源地區(qū)和青海高原，地勢(shì)較高且大陸性氣候較強(qiáng)，降水稀少，植被覆蓋度較低，NDVI較低。高值區(qū)主要分布在流域下游的平原地區(qū)，這是由于這些地區(qū)地勢(shì)平坦，水熱條件好，有大量的農(nóng)田分布，植被NDVI普遍較高。陜北高原南部植被NDVI較高，流域上流的西北部的祁連山區(qū)由于林地種植導(dǎo)致植被NDVI較高，與顏明等[25]的研究結(jié)果相符。

2.2 NDVI 動(dòng)態(tài)變化特征

基于像元尺度對(duì)黃河流域2002—2015 年植被NDVI 的年際變化進(jìn)行Theil-sen 趨勢(shì)分析，得到研究區(qū)每個(gè)像元的NDVI 變化趨勢(shì)。由于不存在斜率嚴(yán)格等于0 的區(qū)域，因此依據(jù)NDVI 實(shí)際情況（S 平均值為0.0006），將S 介于-0.0006～0.0006 之間的數(shù)值視為穩(wěn)定變化，S>0.0006 為上升趨勢(shì)，S<-0.0006 為下降趨勢(shì)，基于Theil-sen 趨勢(shì)分析結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)方法，在像元尺度的NDVI 變化趨勢(shì)分級(jí)結(jié)果如圖4 和表1 所示，將結(jié)果分為顯著增加、顯著減少（P<0.1）和不顯著變化3個(gè)等級(jí)。黃河流域植被NDVI的變化趨勢(shì)呈明顯的地域性空間差異特征，植被NDVI變化斜率穩(wěn)定在-0.002～0.003之間。由圖4可知，植被NDVI 顯著增加的區(qū)域主要分布在黃河流域的陜西、山西和甘肅的南部。植被NDVI 顯著減少區(qū)域零星分布于流域南部及下游區(qū)域。

通過(guò)對(duì)植被NDVI 不同變化程度所占面積比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）可知，2002—2015 年黃河流域大部分區(qū)域NDVI 變化表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，其中能通過(guò)90%顯著性水平具有增加趨勢(shì)的區(qū)域面積為46.40%，僅有1.58%的區(qū)域表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)。不顯著變化的區(qū)域的面積約占52.02%。整體上大部分區(qū)域呈輕微增加，表明近14 a 來(lái)黃河流域大部分地區(qū)植被覆蓋在轉(zhuǎn)好。

圖4 2002—2015 年黃河流域NDVI 變化趨勢(shì)及變化趨勢(shì)顯著性 Fig.4 NDVI Change Trend and Significance of Change Trend in the Yellow River Basin from 2002 to 2015

表1 2002—2015 年黃河流域NDVI 變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì) Table 1 Statistics of NDVI Change Trend in the Yellow River Basin from 2002 to 2015

2.3 TWSA 對(duì)生長(zhǎng)季植被NDVI 的影響

2.3.1 TWSA 的變化分析

基于像元尺度對(duì)黃河流域2002—2015 年TWSA年際變化進(jìn)行Theil-sen 趨勢(shì)分析，得到研究區(qū)每個(gè)像元的TWSA 變化趨勢(shì)（圖5）。黃河流域2002—2015年TWSA 呈逐年下降的趨勢(shì)，流域上游的河源地區(qū)TWSA 較多，流域東部地區(qū)TWSA 較少。TWSA 從西向東呈遞減趨勢(shì)，TWSA 上升的區(qū)域主要分布在流域的西部河源地區(qū)，下降區(qū)域主要分布在黃河流域中部的黃土高原、北部?jī)?nèi)蒙古地區(qū)以及東南部。

圖5 2002—2015 年黃河流域TWSA 空間分布及變化趨勢(shì) Fig.5 TWSA spatial distribution and change trend in the Yellow River Basin from 2002 to 2015

2.3.2 植被NDVI 與TWSA 的關(guān)系

圖6表示月NDVI距平值與月TWSA 的變化曲線。從圖6 可以看出，2002—2015 年黃河流域的TWSA有下降的趨勢(shì)，NDVI 有上升的趨勢(shì)。NDVI 具有明顯的季節(jié)性變化，表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，其中最大值在夏季。整體來(lái)說(shuō)TWSA的變化過(guò)程與NDVI較相似，說(shuō)明植被NDVI 的年內(nèi)變化特點(diǎn)和TWSA 較為吻合。

通過(guò)計(jì)算2002—2015 年黃河流域植被NDVI 與TWSA 之間的相關(guān)系數(shù)，可知植被NDVI 和TWSA 的響應(yīng)呈顯著的空間差異性。植被NDVI 與TWSA 的相關(guān)系數(shù)在-0.48～0.72，植被NDVI 與TWSA 呈正相關(guān)的面積占總面積的50.82%，主要分布在黃河上游的河源地區(qū)、甘肅和寧夏的南部和內(nèi)蒙古東部等地區(qū)；呈負(fù)相關(guān)的面積占總面積的49.18%，主要分布在流域的中部地區(qū)，尤其是內(nèi)蒙古的南部、陜西省和山西省。對(duì)TWSA 與植被NDVI 的相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行了顯著性T檢驗(yàn)。由圖7 可知，28.90%的區(qū)域通過(guò)P<0.05 水平的檢驗(yàn)，顯著相關(guān)區(qū)域主要分布在黃河上游的河源地區(qū)和甘肅的南部，中下游地區(qū)相關(guān)性較弱甚至呈負(fù)相關(guān)。

圖6 2002—2015 黃河流域生長(zhǎng)季（4—10）月NDVI 與TWSA 的變化曲線 Fig.6 Changes in NDVI and TWSA during the growing season (April to October) of the Yellow River Basin from 2002 to 2015

圖7 2002—2015 黃河流域生長(zhǎng)季NDVI 與TWSA 相關(guān)性的空間分布 Fig.7 Spatial distribution of the correlation between NDVI and TWSA in the growing season of the Yellow River Basin from 2002 to 2015

3 討 論

本研究表明，2002—2015 年黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI 總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，大部分區(qū)域NDVI 變化表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中顯著增加的區(qū)域主要分布在黃河流域的陜西省、山西省和甘肅省的南部。表明隨著國(guó)家的生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程的實(shí)施，流域生態(tài)環(huán)境得到改善，植被覆蓋度明顯增加，生態(tài)效益逐漸呈現(xiàn)。在黃河上游的河源地區(qū)TWSA 和植被NDVI 呈顯著正相關(guān)，主要原因是：上游的植被類型主要是高寒草甸和草地，降雨稀少，植被所需水分主要來(lái)自土壤水分、地下水和冰雪融水，因此，TWSA 對(duì)此區(qū)域的植被生長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)也有學(xué)者表明，較干旱地區(qū)植被NDVI 對(duì)TWSA 的響應(yīng)更敏感[26]。而在內(nèi)蒙古自治區(qū)南部、陜西省、山西省等地區(qū)相關(guān)性不大甚至呈負(fù)相關(guān)。農(nóng)業(yè)管理水平（特別是灌溉農(nóng)業(yè)）的提高和植被建設(shè)工程（比如退耕還林）的實(shí)施可在局部甚至區(qū)域尺度有效增加植被覆蓋[27]。在省域尺度上，陜西省和山西省的植被恢復(fù)受人類活動(dòng)的影響較大，2 個(gè)地區(qū)1987—2015 年生長(zhǎng)季植被NDVI 增加的貢獻(xiàn)率平均超過(guò)65%[3]。人類活動(dòng)的加入，無(wú)疑會(huì)使這些地區(qū)TWSA 和植被NDVI 的相關(guān)性減弱甚至呈負(fù)相關(guān)。2002—2015 年黃河流域中下游地區(qū)TWSA 都出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，這可能也與氣候趨于暖干化背景下的人類活動(dòng)有關(guān)。一些研究表明黃土高原及下游區(qū)域，TWSA 的枯竭與地下水位的下降有密切關(guān)系。黃河流域的中下游地區(qū)分布有大量以灌溉為主的農(nóng)田，灌溉的抽取會(huì)造成地下水和河流的迅速枯竭，TWSA 急劇下降[28]，所以TWSA 與這些區(qū)域植被NDVI 相關(guān)性較弱。

以往的研究表明，降水對(duì)植被的生長(zhǎng)影響較大[21]。但是沒(méi)有考慮到其他水的可用性指標(biāo)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，非降水水源（例如土壤水、地下水和冰雪融水）對(duì)于夏季降水稀少地區(qū)的植被來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

不同地區(qū)植被NDVI 對(duì)TWSA 的響應(yīng)頗為復(fù)雜，目前對(duì)兩者之間的響應(yīng)還缺乏全面系統(tǒng)的研究。筆者選取TWSA 數(shù)據(jù)，揭示了黃河流域生長(zhǎng)季植被NDVI對(duì)TWSA 的響應(yīng)情況，對(duì)植被NDVI 與水熱條件響應(yīng)研究進(jìn)行補(bǔ)充。但TWSA 空間分辨率存在不足，目前可以獲取的TWSA 數(shù)據(jù)范圍是2002—2015 年，未來(lái)應(yīng)該使用更高的分辨率數(shù)據(jù)和更先進(jìn)的數(shù)值模型工具定量研究植被對(duì)TWSA 的響應(yīng)，以便更系統(tǒng)地研究這種響應(yīng)機(jī)制。

4 結(jié) 論

1）黃河流域2002—2015 年生長(zhǎng)季植被年NDVI均值為0.42，總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增速為0.35%/a，個(gè)別年際變化波動(dòng)性較大。空間分布上，黃河流域NDVI 表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異特征，整體上由東南向西北呈帶狀遞減分布。

2）植被NDVI 顯著上升的區(qū)域主要分布在黃河流域中部的陜西省、山西省以及甘肅省南部，植被NDVI 顯著下降區(qū)域零星分布于流域南部及下游區(qū)域，流域大部分區(qū)域NDVI 呈緩慢增加趨勢(shì)。

3）NDVI與TWSA在上游河源區(qū)和甘肅南部呈顯著正相關(guān)，是由黃河流域的水熱條件導(dǎo)致的，中上游降水稀少，TWSA 對(duì)植被的影響較大；而在中下游地區(qū)相關(guān)性較弱甚至呈負(fù)相關(guān)，與人類活動(dòng)的加入有關(guān)。