田夢琦，周建中，張勇傳，賈本軍，陳 璐

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 數(shù)字流域科學(xué)與技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

1 研究背景

位于長江上游末端的三峽水利樞紐工程舉世矚目，它是護(hù)民安邦的大國重器。水利工程運(yùn)行對流域氣象、水文和環(huán)境的影響是人們普遍關(guān)注的問題，盡管不少學(xué)者對水利工程脅迫下流域氣象、水文和環(huán)境響應(yīng)及演化規(guī)律開展了研究，但流域局地氣象水文要素和周邊環(huán)境是否受水庫蓄水作用的影響尚不明晰。三峽庫區(qū)受氣候變化和人類活動的雙重影響，植被覆蓋發(fā)生了顯著變化，同時水庫蓄水產(chǎn)生的局地氣候效應(yīng)可能對三峽周邊植被覆蓋產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，有必要解析三峽周邊植被覆蓋對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制以及三峽蓄水對此影響。

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，并對其影響突顯，在防治荒漠化和水土保持中發(fā)揮著重要作用[1]，因而植被覆蓋是表征生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)[2]。植被覆蓋通過影響碳儲量、水文循環(huán)和能量平衡，在氣候變化中起著關(guān)鍵作用[3]，同時，全球尺度的氣候變暖和相關(guān)水分脅迫的持續(xù)影響已成為生態(tài)系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動力，給植被生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大的影響[4]。植被覆蓋與氣候因子之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，是全球氣候變化的敏感指示器[2,5]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)可以補(bǔ)償光照條件、土壤顏色、坡度和觀測方向差異造成的變化，被廣泛認(rèn)為是監(jiān)測區(qū)域和全球植被變化的有效指標(biāo)[6]。

宋怡等[7]利用GIMMS AVHRR NDVI數(shù)據(jù)對中國寒旱區(qū)植被覆蓋的情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并分析植被動態(tài)對氣候變化的響應(yīng)，認(rèn)為中國寒旱區(qū)大部分區(qū)域植被變化與降水和溫度均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；武正麗等[8]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)研究祁連山植被覆蓋變化及其與氣候因子的相關(guān)性，結(jié)果表明祁連山春季大部分地區(qū)NDVI與氣溫呈顯著正相關(guān)，夏季NDVI與降水呈顯著正相關(guān)，秋、冬季NDVI與降水、氣溫的相關(guān)性不明顯；袁沫汐等[9]利用NDVI作為表征，研究湖北省地區(qū)植被覆蓋變化及其對氣候因子的響應(yīng)，結(jié)果表明降水量對湖北植被NDVI年變化起有重要影響；方利等[10]采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)，分析黑龍江流域植被覆蓋對氣候變化的響應(yīng)，研究表明植被NDVI對氣候響應(yīng)的季節(jié)差異顯著，且不同類型植被對氣候因子的響應(yīng)不一致；韓繼沖等[11]研究了1999—2015年長江流域上游植被覆蓋對氣候的響應(yīng)，認(rèn)為植被覆蓋對氣候的響應(yīng)具有空間異質(zhì)性；吳昌廣等[12]基于MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)，研究了三峽庫區(qū)年最大植被覆蓋度的時空變化及其驅(qū)動力，結(jié)果表明降水是影響庫區(qū)植被覆蓋度年際波動的主導(dǎo)因子；張?zhí)m等[13]和向菲菲等[14]也對三峽庫區(qū)植被變化的氣候驅(qū)動因子進(jìn)行了研究。但目前關(guān)于三峽區(qū)域的植被覆蓋對氣候響應(yīng)的研究多集中于單一動態(tài)變化的角度，通常將整個研究區(qū)域視為一個整體，沒有考慮植被覆蓋對氣候響應(yīng)規(guī)律的空間異質(zhì)性，尤其是對三峽水庫蓄水對響應(yīng)規(guī)律的影響認(rèn)識十分有限，而植被覆蓋對氣候變化的響應(yīng)是動態(tài)的、非線性的，僅研究植被覆蓋與氣候要素之間的線性關(guān)系無法探明其物理機(jī)制和規(guī)律。

本文擬采用偏相關(guān)方法辨識三峽水庫周圍以NDVI為表征的植被變化的氣候驅(qū)動要素，解析植被覆蓋與氣候的響應(yīng)關(guān)系，以探明三峽水庫蓄水前后該區(qū)域NDVI對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，并量化蓄水對響應(yīng)機(jī)制的影響，進(jìn)而為氣候變化和人類活動下流域水資源適應(yīng)性利用及水庫負(fù)面效應(yīng)緩解提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域

三峽水庫庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，跨越鄂中山區(qū)峽谷及川東嶺谷地帶，北屏大巴山、南依川鄂高原。Wu等[15]研究表明，三峽水庫對氣候的影響范圍是地域性的(約100 km量級)，而不是過去一些研究估計(jì)的局部性影響(約10 km量級)[16]。據(jù)此，本文研究區(qū)域確定為三峽長江上游干流區(qū)間寸灘至宜昌段外圍100 km緩沖區(qū)，并以三峽水庫蓄水后的水陸分界線為基準(zhǔn)，沿徑向每10 km劃分一個分區(qū)研究三峽水庫蓄水的影響。研究區(qū)域高程約為-12～3 070 m之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量1 000～1 800 mm。研究區(qū)域土地類型多樣，丘陵、山地面積大，平地面積小，土地結(jié)構(gòu)復(fù)雜、垂直差異明顯。在2003年蓄水水位從66 m提升到135 m，2010年首次達(dá)到正常蓄水位175 m，三峽水庫蓄水引起沿江附近下墊面變化。水域面積的增加將增強(qiáng)當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)能力，可能會改變?nèi)龒{庫區(qū)及周邊區(qū)域的氣溫、降水，進(jìn)而影響植被覆蓋。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

3.1.1 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可以準(zhǔn)確反映地表植被覆蓋狀況?；谶B續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1 km，采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)對其進(jìn)行處理得到1998年4月—2017年12月各年月尺度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集[17]，最大值合成法具有降低大氣效應(yīng)、減少云污染，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.2 氣象數(shù)據(jù)

1998—2017年月降水量和月平均氣溫的柵格數(shù)據(jù)，由中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載的28個氣象站點(diǎn)及湖北省氣象局獲得57個氣象站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和反距離權(quán)重空間插值計(jì)算得到。位于研究區(qū)域范圍內(nèi)的85個氣象站分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Study areas and distribution of meteorologicalstations

3.2 研究方法

為充分考慮降水、氣溫以及植被覆蓋的時空異質(zhì)性，采用格網(wǎng)分析法和偏相關(guān)分析法，以探明三峽水庫蓄水前后研究區(qū)域內(nèi)各柵格單元(5 km×5 km)植被覆蓋對降水、氣溫變化的響應(yīng)規(guī)律。

3.2.1 偏相關(guān)系數(shù)法

(1)

式中，rxy、rxz和ryz分別表示3個變量x、y、z兩兩之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。x與y的 Pearson相關(guān)系數(shù)rxy計(jì)算公式為

3.2.2 網(wǎng)格分析法

研究區(qū)域面積約為22×104km2，NDVI分辨率為1 km×1 km，以此柵格作為基準(zhǔn)分析單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時，數(shù)量過多且計(jì)算量巨大。為有效避免上述問題，在權(quán)衡計(jì)算代價(jià)與計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，本文采用5 km×5 km網(wǎng)格為基準(zhǔn)分析單元。對于邊界網(wǎng)格處理，如若其質(zhì)心在研究區(qū)域內(nèi)即作為一個基準(zhǔn)分析單元納入統(tǒng)計(jì)，由此研究區(qū)域最終劃分為8 933個基準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)分析單元。

4 結(jié)果分析

4.1 蓄水前后植被演化的氣候因子篩選

以2003年6月為三峽水庫蓄水前后時間界限，計(jì)算1998—2017年蓄水前后研究區(qū)域月尺度NDVI和月降水量、月均氣溫之間的偏相關(guān)系數(shù)，如圖2所示。

圖2 三峽水庫蓄水前后NDVI與氣溫、降水量的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of partial correlation coeffi-cients of NDVI against temperature and precipitationbefore and after Three Gorges impoundment

由圖2(a)和圖2(c)可知:

(1)剔除氣溫影響后，蓄水前NDVI與月降水量的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.390～0.427之間，偏相關(guān)系數(shù)|r|≥0.4閾值的區(qū)域僅占0.02%。

(2)蓄水后NDVI與月降水量的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.225～0.312之間，未發(fā)現(xiàn)偏相關(guān)系數(shù)>0.4的區(qū)域。

由圖2(b)和圖2(d)可知:

(1)剔除降水影響后，蓄水前NDVI與月均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)介于0.080～0.913之間，偏相關(guān)系數(shù)|r|≥0.4閾值的地區(qū)占研究區(qū)域的99.41%，相關(guān)性顯著，其中，中度相關(guān)(0.4≤|r|<0.6)的區(qū)域占4.33%，高度相關(guān)(0.6≤|r|<0.8)的區(qū)域占71.95%，極高相關(guān)(|r|≥0.8)的區(qū)域占23.13%。

(2)蓄水后NDVI與月均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)介于0.005～0.840之間，偏相關(guān)系數(shù)|r|≥0.4閾值的區(qū)域占97.41%，其中，中度相關(guān)(0.4≤|r|<0.6)的區(qū)域占22.50%，高度相關(guān)(0.6≤|r|<0.8)的區(qū)域占74.61%，極高相關(guān)(|r|≥0.8)的區(qū)域占0.30%。

(3)氣溫與NDVI的偏相關(guān)系數(shù)<0.4的區(qū)域主要位于三峽大壩下游的平原丘陵地帶，主要用地類型為城鎮(zhèn)用地或灌溉農(nóng)田，人類活動干擾導(dǎo)致植被覆蓋與氣溫的相關(guān)性較弱；偏相關(guān)系數(shù)高的地區(qū)大多位于山區(qū)，水汽充足，溫度適宜，人類活動干擾較少，因而植被覆蓋與氣溫的相關(guān)性較好。

研究表明，蓄水后，植被與氣溫、降水量的偏相關(guān)系數(shù)普遍降低。植被和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)相較于蓄水前，中度相關(guān)區(qū)域的占比升高了18.17%，高度相關(guān)區(qū)域的占比升高了2.66%，但極高相關(guān)區(qū)域的占比降低22.83%；而植被和降水量的偏相關(guān)系數(shù)相較于蓄水前，相關(guān)區(qū)域占比變化不大。觀察NDVI與氣溫、降水量的偏相關(guān)系數(shù)的數(shù)值大小以及相關(guān)區(qū)域占比，發(fā)現(xiàn)氣溫與植被的相關(guān)關(guān)系明顯強(qiáng)于降水，研究區(qū)域植被主要受氣溫影響[11,13-14]，且不同區(qū)域的偏相關(guān)程度不同，植被覆蓋對氣溫和降水量變化的動態(tài)響應(yīng)具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，不同地區(qū)間動態(tài)響應(yīng)關(guān)系存在一定差異。

圖3 1998—2017年研究區(qū)域年尺度NDVI變化Fig.3 Average NDVI change in research areafrom 1998 to 2017

4.2 蓄水前后植被覆蓋對氣溫的響應(yīng)規(guī)律

計(jì)算1998—2017年研究區(qū)域年尺度NDVI的面平均值，如圖3所示。NDVI變化呈現(xiàn)波動上升趨勢，其在2003年攀升幅度最大，2003年的NDVI值相比2002年增大了4.91%，與此同時，三峽水庫在2003年蓄水水位從66 m提升到135 m。從NDVI的年際變化來看，2003年NDVI的升高或許與三峽水庫蓄水有一定關(guān)系，推測三峽水庫蓄水對其周邊植被可能產(chǎn)生一定影響。由于植被變化受人類活動和氣候影響較大，且關(guān)系復(fù)雜，而精確區(qū)分并量化兩者分別對植被的影響還存在一定困難[18]，因此本文聚焦于三峽蓄水對于氣候-植被的響應(yīng)關(guān)系影響，并嘗試量化。

在人類活動及氣候變化雙重影響下，植被總是在不斷地適應(yīng)外界條件的改變，使其自身活動更為有利，該過程是動態(tài)、非線性的[5]，因此有必要更進(jìn)一步研究這種非線性的響應(yīng)關(guān)系。前述研究表明氣溫與NDVI的相關(guān)性強(qiáng)于降水，且降水的偏相關(guān)系數(shù)普遍很低，因此在研究其非線性響應(yīng)關(guān)系時，重點(diǎn)考慮氣溫驅(qū)動因子。而植被覆蓋對氣溫變化的動態(tài)響應(yīng)具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，不同地區(qū)間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系存在一定的差異，因此也有必要進(jìn)行分區(qū)研究。

以三峽水庫蓄水后的水陸分界線為基準(zhǔn)，沿徑向每10 km劃分一個分區(qū)，將1998年4月至2017年12月各分區(qū)逐月氣溫、NDVI數(shù)據(jù)提取并進(jìn)行面平均處理，并以2003年6月為三峽水庫蓄水前后時間界限，繪制各分區(qū)的氣溫-NDVI散點(diǎn)圖如圖4所示。由圖4可知，蓄水后的散點(diǎn)多位于蓄水前散點(diǎn)的上方，即在同一氣溫條件下蓄水后的NDVI值較大，且蓄水前后差異明顯。進(jìn)一步分析散點(diǎn)的整體趨勢可知，蓄水前后NDVI值與氣溫均呈非線性關(guān)系，且逼近二階非線性結(jié)構(gòu)。為此，可采用二次函數(shù)描述水庫蓄水前后NDVI與氣溫的非線性響應(yīng)關(guān)系，如式(3)所示。

y=ax2+bx+c。

(3)

式中：y為NDVI；x為氣溫；a、b、c為回歸系數(shù)。

圖4 不同分區(qū)NDVI-氣溫的響應(yīng)關(guān)系Fig.4 Response relations of NDVI-temperature in different zones

進(jìn)一步采用最小二乘法擬合得到非線性回歸系數(shù)a、b、c，如表1所示。

表1 NDVI與氣溫的二次函數(shù)關(guān)系擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of quadratic functionrelationship between NDVI and temperature

此外，相應(yīng)的二次函數(shù)對應(yīng)的二次曲線如圖4所示，且由決定系數(shù)R2可知擬合效果較好。

由圖4可知，當(dāng)氣溫>25 ℃時，斜率≤0.02，此時，NDVI隨氣溫的變化趨于平緩，即氣溫升高對植被生長的促進(jìn)作用逐漸減弱而抑制作用增強(qiáng)。結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)氣象站點(diǎn)月均氣溫處于-2.7～33.7 ℃的范圍，且植被生長參考適宜溫度約為23.31 ℃[19]可知，二次函數(shù)刻畫的植被-氣溫響應(yīng)關(guān)系與實(shí)際情況較為吻合，可以較好地解釋植被-氣溫響應(yīng)關(guān)系中的物理機(jī)制。

為探明三峽水庫蓄水前后NDVI對氣溫響應(yīng)關(guān)系的演化，對式(3)求導(dǎo)，以dy/dx此作為敏感性指標(biāo)進(jìn)行刻畫，同時取蓄水前后敏感性指標(biāo)差值的絕對值作為敏感性變異指標(biāo)，觀察蓄水前后NDVI對氣溫的敏感性變化。不同分區(qū)NDVI對氣溫的敏感性變化如圖5所示。

圖5中，Ⅰ和Ⅱ分別表示蓄水前后敏感性指標(biāo)的值。由圖5可知，氣溫存在一個閾值Tc(圖中以虛線標(biāo)出)。當(dāng)氣溫TTc時，蓄水后NDVI對氣溫的敏感性低于蓄水前，且蓄水前后敏感性變異隨著氣溫的升高而增大；且分區(qū)不同，氣溫閾值也不盡相同。上述表明蓄水前后NDVI對氣溫的敏感性存在變異，即三峽水庫蓄水在一定程度上影響了植被覆蓋對氣溫的敏感性，且敏感性變異方向與氣溫閾值有關(guān)。

圖5 三峽水庫蓄水前后不同分區(qū)NDVI對氣溫敏感性變化Fig.5 Changes of sensitivity of NDVI in different zones to temperature before and after impoundmentof the Three Gorges Reservoir

為表征蓄水前后NDVI對氣溫響應(yīng)規(guī)律的差異，定義了差異指標(biāo)D，即

(4)

其中,

(5)

式中:f1(x)和f2(x)分別為蓄水前后擬合得到NDVI對氣溫的響應(yīng)規(guī)律;β為蓄水后與蓄水前的差函數(shù)絕對值最大時x的取值。

圖6 不同分區(qū)NDVI-氣溫響應(yīng)規(guī)律的差異指標(biāo)變化Fig.6 Changes in the difference index of NDVI- temperature response in different zones

由圖6可知，隨著觀測區(qū)與三峽水庫的距離增加,差異性指標(biāo)D整體呈現(xiàn)減小的趨勢，表明蓄水前后植被對氣溫響應(yīng)規(guī)律的差異性隨著觀測區(qū)與三峽水庫的距離增加而減小，即植被對氣溫的響應(yīng)規(guī)律受蓄水影響大小程度隨著分區(qū)與三峽水庫距離不同而變化，且距離增大而影響程度減小。

5 結(jié) 論

(1)在長江上游干流區(qū)間寸灘至宜昌段及外圍100 km的區(qū)域內(nèi)，蓄水后氣溫、降水量的偏相關(guān)系數(shù)普遍降低，植被覆蓋對氣溫和降水變化的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，并且氣溫是植被覆蓋變化的主要驅(qū)動因素。

(2)研究方法提出的二次函數(shù)可以有效地刻畫蓄水前后植被覆蓋對氣溫的響應(yīng)規(guī)律，且較好地解釋了植被-氣溫響應(yīng)關(guān)系中的物理機(jī)制。氣溫對植被具有促進(jìn)和抑制的雙重作用，當(dāng)氣溫超過閾值時，氣溫升高對植被生長的促進(jìn)作用逐漸減弱而抑制作用增強(qiáng)。

(3)植被覆蓋對氣溫的響應(yīng)規(guī)律在一定程度上受三峽水庫蓄水影響。蓄水前后NDVI對氣溫的敏感性存在變異，且這種敏感性變異方向與氣溫閾值相關(guān)，當(dāng)氣溫低于閾值時，蓄水后敏感性向升高方向變異，而當(dāng)氣溫高于閾值時，蓄水后敏感性向降低方向變異。

(4)隨著分區(qū)與三峽水庫距離的增加，植被覆蓋對氣溫的響應(yīng)規(guī)律受蓄水影響程度遞減。