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        2001?2016 年祁連山地區(qū)植被覆蓋度對(duì)干旱的響應(yīng)

        2021-04-20 07:17:28劉佳茹王建邦
        草業(yè)科學(xué) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:祁連山覆蓋度尺度

        劉佳茹,趙 軍,王建邦

        (1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

        植被覆蓋度(fractional vegetation cover,F(xiàn)VC)是表示地表植被數(shù)量的參數(shù),能夠在一定程度上反映地表植被覆蓋的生長(zhǎng)狀況和趨勢(shì)[1]。作為評(píng)價(jià)氣候變化影響與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[2],F(xiàn)VC在生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)、土地荒漠化、水文、大氣污染等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3-6],研究FVC 的方法包括逐點(diǎn)調(diào)查法[7]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蚚8]、像元二分模型[9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]等。

        干旱是長(zhǎng)時(shí)間水分匱缺導(dǎo)致的自然災(zāi)害,具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的特點(diǎn)[11]。在全球氣候變暖的條件下,干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響最大[12],呈現(xiàn)出常態(tài)化趨勢(shì),極端干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度不斷增加,由此導(dǎo)致的損失也隨之增加[13]。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(standardized precipitation evaportranspiration index,SPEI )常用來(lái)表征氣候的干旱程度。計(jì)算多尺度SPEI 有利于判斷不同時(shí)間段的干旱狀況,能更有效地監(jiān)測(cè)和評(píng)估區(qū)域干旱程度[14]。

        植被在生長(zhǎng)過(guò)程中需要良好的氣候條件,因此FVC與區(qū)域氣候干旱條件和干旱程度密切相關(guān)[15],它們之間的關(guān)系成為研究熱點(diǎn)。很多學(xué)者利用不同類型的遙感數(shù)據(jù)分析FVC 在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)[16-18],結(jié)合氣象數(shù)據(jù)研究FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)[19]。大部分研究成果中顯示,F(xiàn)VC 與干旱程度呈正相關(guān)關(guān)系[20]。干旱半干旱地區(qū)FVC 對(duì)土地荒漠化極為敏感,因此研究FVC 對(duì)干旱程度的響應(yīng)具有重要意義[21]。

        祁連山地區(qū)是西北干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)保護(hù)功能區(qū)及河西多條內(nèi)陸河的發(fā)源地,近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使人地關(guān)系緊張,人類活動(dòng)對(duì)祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響加劇,加之祁連山大陸性氣候特征,降水量少,氣候干燥,加劇了干旱的影響。21世紀(jì)以來(lái),伴隨著全球氣溫升高等氣候變化,祁連山地區(qū)氣溫升高降水量增加,極端氣候事件頻發(fā),冷暖夜日數(shù)增加、強(qiáng)降水日數(shù)增加,導(dǎo)致冰川消融加快、河川徑流量增加,F(xiàn)VC 增加,干旱程度變小,氣候向暖濕化發(fā)展[22]。因此,從不同尺度深入研究SPEI 對(duì)FVC 的影響對(duì)了解祁連山地區(qū)FVC 與干旱之間的關(guān)系十分必要。本研究利用MODIS NDVI 產(chǎn)品通過(guò)像元二分模型計(jì)算得到祁連山地區(qū)FVC,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到SPEI,分析植被覆蓋時(shí)空變化趨勢(shì)以及對(duì)多尺度干旱的響應(yīng)關(guān)系,以期了解祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況與研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

        祁連山地區(qū)位于青藏高原、蒙新高原和黃土高原交匯地帶,跨越甘肅省西部和青海省東北部邊境(35.5° ? 40° N,95° ? 104° E),由多條西北至東南走向平行山脈和其形成的寬闊谷地組成(圖1)。祁連山地區(qū)地理位置特殊,東起烏鞘嶺,南靠茶卡?共和盆地及柴達(dá)木盆地,西至當(dāng)金山口,北臨河西走廊,東西長(zhǎng)約800 km,南北寬約300 km[23-24],地勢(shì)險(xiǎn)峻,由東北向西南逐漸升高。祁連山地區(qū)是典型高原大陸性荒漠氣候,年均溫0.6 ℃,年降水量為400~700 mm,由東向西逐漸減少,夏季降水多且濕潤(rùn),冬季降水少且干燥,為西北地區(qū)多條內(nèi)陸河提供水源補(bǔ)給。植被類型多種多樣呈垂直地帶性規(guī)律[25]。

        1.2 研究數(shù)據(jù)

        本研究選取2001?2016 年MODIS NDVI 數(shù)據(jù),空間分辨率為250 m,時(shí)間分辨率為16 d,來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天局(https://modis.gsfc.nasa.gov/)。采用最大值合成法,排除云、大氣和太陽(yáng)高度角的干擾,得到月NDVI。選取植被生長(zhǎng)季5 月 ? 9 月的NDVI 求平均值得到年NDVI。氣象數(shù)據(jù)選取祁連山地區(qū)及周邊35 個(gè)氣象站點(diǎn)2001?2016 年月平均氣溫和降水量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://cdc.cma.gov.cn)。

        1.3 研究方法

        1.3.1 計(jì)算植被覆蓋度

        采用像元二分模型[15,26]計(jì)算植被覆蓋度(FVC)。假設(shè)一個(gè)像元的地表由有植被覆蓋部分與無(wú)植被覆蓋部分組成,傳感器觀測(cè)到的光譜信息也由這兩個(gè)組分因子線性加權(quán)合成,各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比率[27]。由于不同的影像在計(jì)算過(guò)程中的權(quán)重也不相同,本研究采用在5%置信度范圍內(nèi)累計(jì)頻率為95%對(duì)應(yīng)的NDVI 作為NDVIv,累計(jì)頻率為5%對(duì)應(yīng)的NDVI 作為NDVIs值[9]。公式如下:

        式中:NDVI 為像元植被覆蓋部分和非植被覆蓋部分的加權(quán)平均值,NDVIs為無(wú)植被覆蓋像元或純裸土像元的NDVI,NDVIv為全植被覆蓋區(qū)域像元NDVI。

        1.3.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)

        評(píng)估和監(jiān)測(cè)干旱程度的方法有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index, SPI)[28]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)等,SPEI 結(jié)合了SPI 多尺度和溫度變化影響[29],是研究氣候變暖條件下干旱的有效工具。采用Thornthwaite 方法,公式如下[30-31]:

        1)計(jì)算潛在蒸散量(potential evapotranspiration,PET):

        式中:PET 為潛在蒸散量;Ti為月平均溫度;i 為月;H 為年熱量指數(shù);A 為常數(shù),由H 決定,A = 0.492 +0.179H ? 0.000 077 1H2+ 0.000 000 675H3。

        2)計(jì)算水平衡(D):

        式中:Pi為月降水量;PETi為月潛在蒸散量。

        3)采用三參數(shù)的log-logistic 概率分布對(duì)Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化,計(jì)算相應(yīng)的SPEI 指數(shù):

        參數(shù)α、β、γ 計(jì)算公式如下:

        式中:Γ 為階乘函數(shù),ω0、ω1、ω2為數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩。

        式中:N 為參與計(jì)算的月份數(shù)量,ωs為概率加權(quán)矩。

        對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化:

        式中:常數(shù)c0= 2.515 517,c2= 0.802 853,c3= 0.010 328,d1= 1.432 788,d2= 0.189 269,d3= 0.001 208。

        根據(jù)國(guó)家氣象局制定的SPEI 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)祁連山區(qū)域干旱等級(jí)進(jìn)行劃分,SPEI > ?0.5 為無(wú)旱,?1 < SPEI ≤ ?0.5 為輕旱,?1.5 < SPEI ≤ ?1 為中旱,?2 < SPEI ≤ ?1.5 為重旱,SPEI ≤ ?2 為特旱。

        1.3.3 Theil-Sen 趨勢(shì)分析和Mann-Kendall 檢驗(yàn)

        利用非參數(shù)化趨勢(shì)度(Sen)[32]分析方法計(jì)算植被覆蓋度變化趨勢(shì),并通過(guò)Mann-Kendall 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[33]檢驗(yàn)變化趨勢(shì)顯著性[34-35]。

        1) Sen 趨勢(shì)分析方法不需要樣本服從一定的分布,且不受異常值干擾,具有一定的規(guī)避性。公式如下:

        式中:β 為植被覆蓋度變化趨勢(shì);i、j 為時(shí)間序列;FVCH(j)、FVCH(i)分別為第j 年和第i 年植被覆蓋度。

        2) Mann-Kendall 檢驗(yàn)是判斷Sen 趨勢(shì)顯著性。

        設(shè)定時(shí)間序列:FVCH(i),i = 1,2,···,n,標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z 定義為:

        S 統(tǒng)計(jì)量定義為:

        式中:FVCH(i)和FVCH(j)分別為第i 年和第j 年植被覆蓋度。

        在給定顯著性水平α 下,當(dāng)|Z| > Z(1?α)/2時(shí),表示研究序列在α 水平上存在顯著變化。若通過(guò)置信度95%的顯著性檢驗(yàn)視為顯著,若通過(guò)置信度90%的顯著性檢驗(yàn)則視為弱顯著。

        1.3.4 Hurst 指數(shù)

        通過(guò)Hurst 指數(shù)[36-37]來(lái)分析祁連山地區(qū)FVC 未來(lái)演變趨勢(shì)。R/S(重標(biāo)極差)分析方法是一種定量描述時(shí)間序列信息的長(zhǎng)程相關(guān)思想的分析方法,其原理是根據(jù)時(shí)間序列{FVCH(t)}(t = 1,2,3,···,n)定義均值序列:

        1)累計(jì)離差:

        2)極差:

        3)標(biāo)準(zhǔn)差:

        考慮比值R(τ)/S(τ)≌R/S,若存在R/S∝τH,說(shuō)明時(shí) 間 序 列{FVCH(t)},t = 1,2,3,···,n 存 在Hurst 現(xiàn)象。H 為Hurs 指數(shù),當(dāng)0.5 < H < 1,表明該時(shí)間序列為持續(xù)性序列,且未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去一致;當(dāng)H =0.5,表明時(shí)間序列為隨機(jī)序列,不存在長(zhǎng)期相關(guān)性;當(dāng)0 <H < 0.5,表明該時(shí)間序列為反持續(xù)性,且未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相反。

        1.3.5 FVC 與SPEI 相關(guān)性分析

        基于像元尺度,進(jìn)行FVC 與SPEI 的相關(guān)性分析,公式如下:

        式中:R 為FVC、SPEI 兩變量的相關(guān)系數(shù);FVCi為第i 年植被覆蓋度;SPEIi為第i 年年平均標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)。

        2 結(jié)果分析

        2.1 祁連山地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢(shì)

        2.1.1 祁連山地區(qū)植被覆蓋度時(shí)間變化分析

        2001?2016 年祁連山地區(qū)FVC 整體呈增加趨勢(shì),增長(zhǎng)速率為每10 年0.019,速度緩慢。2001 年FVC 最低,為0.420 4;2011 年FVC 最大,為0.469 5。2001?2016 年FVC 動(dòng) 態(tài) 變 化 波 動(dòng) 明 顯,2002?2008年波動(dòng)幅度較小,2008?2016 年波動(dòng)較大,16 年間FVC 平均值為0.452 2 (圖2)。2001?2009年與16 年間植被覆蓋FVC 平均值差值為?0.031 7~0.001 2,表明在此期間植被生長(zhǎng)狀況雖有所好轉(zhuǎn),但較為緩慢,可能與受人類活動(dòng)影響以及氣溫和降水有關(guān),與2001?2009 年SPEI 指數(shù)變化趨勢(shì)相近;除2014 年外,2010?2016 年FVC 均高于16 年間平均值,表明FVC 長(zhǎng)勢(shì)開始好轉(zhuǎn),與國(guó)家建立自然保護(hù)區(qū)以及退耕還林還草等相關(guān)政策的實(shí)施有關(guān)。從FVC 季節(jié)變化來(lái)看(圖2),季節(jié)變化明顯,夏季FVC 最高,秋季和春季次之。

        圖2 2001?2016 年植被覆蓋度年際和季節(jié)變化趨勢(shì)Figure 2 The change of inter-annual and seasonal fractional vegetation cover from 2001 to 2016

        2.1.2 祁連山地區(qū)植被覆蓋度空間變化分析

        圖3 2001?2016 年植被覆蓋度空間動(dòng)態(tài)Figure 3 Spatial distribution and variation of fractional vegetation cover from 2001 to 2016

        2001?2016 年祁連山地區(qū)FVC 整體格局呈現(xiàn)出東南高西北低的分布特征,F(xiàn)VC 區(qū)域差異性明顯,達(dá)坂山、大通山、青海南山以及青海湖周邊FVC 較高,黨河南山、野馬南山、柴達(dá)木山以及宗務(wù)隆山FVC 較低(圖3)。由2001?2016 年祁連山地區(qū)FVC的變化趨勢(shì)可以看出,77.13%的區(qū)域植被覆蓋度呈改善趨勢(shì),最大改善速率為0.04·a?1,22.87%的區(qū)域植被覆蓋度呈退化趨勢(shì),最大退化速率為0.06·a?1。為檢驗(yàn)FVC 的變化趨勢(shì),本研究計(jì)算了2001?2016年祁連山地區(qū)FVC 的Sen 趨勢(shì)度,并進(jìn)行了MK 檢驗(yàn)。將MK 檢驗(yàn)結(jié)果劃分為顯著變化(Z ≥ 1.96 或Z ≤ ?1.96)、弱顯著變化(?1.96 < Z ≤ ?1.65 或1.65 <Z < 1.96)和無(wú)顯著變化(?1.65 < Z ≤ 1.65),Sen 趨勢(shì)度結(jié)果劃分改善區(qū)域(Sen ≥ 0)和退化區(qū)域(Sen <0)。將Sen 趨勢(shì)分析和MK 檢驗(yàn)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行疊加,得到像元尺度上FVC 變化趨勢(shì)數(shù)據(jù),并將結(jié)果分為6 種變化類型(表1),可以看出,得到改善的區(qū)域占總面積的77.13%,發(fā)生退化的區(qū)域占22.87%。

        2001?2016 年祁連山地區(qū)植被覆蓋度改善的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被覆蓋度退化的區(qū)域(圖4),顯著改善的區(qū)域零星分布在祁連山邊緣區(qū)域及高海拔地區(qū),這是由于降水的明顯增加及祁連山自然保護(hù)區(qū)的設(shè)立,同時(shí)大力開展退耕還林、封山育林等保護(hù)措施,還有高海拔地區(qū)人為影響較小,利于植被生長(zhǎng)。弱顯著改善區(qū)域主要分布在青海南山、黨河南山、疏勒南山及走廊南山。弱顯著退化區(qū)域主要分布在各城市區(qū)域周邊及青海湖和大通河附近,表明城市擴(kuò)張及人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度有影響。顯著退化區(qū)域零星分布在祁連山中東段。

        表1 植被覆蓋度變化趨勢(shì)分類Table 1 stype of trend of fractional vegetation cover change

        2.2 祁連山地區(qū)植被覆蓋度未來(lái)趨勢(shì)特征

        祁連山地區(qū)植被覆蓋度的Hurst 指數(shù)均值為0.471 2,其中Hurst 指數(shù)小于0.5 的區(qū)域面積比例為63.36%,大于0.5 的區(qū)域面積比例為36.64%,表明祁連山地區(qū)植被覆蓋度的負(fù)向特征較強(qiáng)。通過(guò)將植被覆蓋度變化趨勢(shì)結(jié)果和Hurst 指數(shù)結(jié)果進(jìn)行疊加得到耦合信息。將結(jié)果劃分為持續(xù)退化、由退化到改善、持續(xù)改善、由改善到退化4 種類型。

        持續(xù)改善的面積比例為28.10%,主要分布在大雪山、冷龍嶺附近及青海省烏蘭縣西北部的柴達(dá)木山;持續(xù)退化的面積比例為8.59%,零散分布在各城市周邊區(qū)域、宗務(wù)隆山、拉脊山附近和烏鞘嶺以南部分區(qū)域;由退化到改善的面積比例為14.08%,零星分布在祁連山中東段的門源縣境內(nèi)、達(dá)坂山以及拉脊山部分地區(qū);由改善到退化的面積比例最大,為49.23%,主要分布在祁連山西段魚卡河、柴達(dá)木山西南部和疏勒河上游區(qū)域以及青海湖以西(圖5)。由改善到退化的區(qū)域需要政府部門持續(xù)關(guān)注并加大力度進(jìn)行保護(hù)。

        圖4 2001?2016 年年均植被覆蓋度變化趨勢(shì)Figure 4 Trend of inter-annual fractional vegetation coverage from 2001 to 2016

        圖5 植被覆蓋度未來(lái)變化空間分布Figure 5 Spatial distribution of future changes in fractional vegetation cover

        2.3 祁連山地區(qū)SPEI 時(shí)空變化趨勢(shì)

        2.3.1 不同時(shí)間尺度的祁連山地區(qū)SPEI 年際變化分析

        圖6 祁連山地區(qū)多時(shí)間尺度SPEI 長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特征Figure 6 Long-term dynamic characteristics of multi-time scale SPEI in Qilian Mountains

        根據(jù)2001?2016 年祁連山地區(qū)不同尺度的SPEI變化趨勢(shì)(圖6)可以看出,1、3、6、12 個(gè)月尺度的SPEI 均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且下降速度與時(shí)間尺度呈正比,干旱化趨勢(shì)增強(qiáng)。根據(jù)不同時(shí)間尺度SPEI 年際變化來(lái)看,時(shí)間尺度越短,干濕交替周期越頻繁,時(shí)間尺度越大,干濕變化越平緩,周期越大。1 和3 個(gè)月尺度的SPEI對(duì)短期降水和溫度都較為敏感,SPEI 波動(dòng)周期較短,體現(xiàn)了祁連山地區(qū)旱澇無(wú)常的特性;6 個(gè)月尺度的SPEI 干旱持續(xù)半年之久的頻率較大,數(shù)值波動(dòng)也較大。1 個(gè)月尺度上,2001?2002 和2013?2014 年干旱頻率較高且干旱持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),2013 年全年8 個(gè)月時(shí)間處于輕度干旱狀態(tài);3 個(gè) 月 尺 度 上, 2001?2003 年, 2006?2007、 2008?2009 和2012?2013 年干旱頻率也較高,2006 年全年9 個(gè)月處于干旱狀態(tài),2011 年全年10 個(gè)月處于干旱狀態(tài);6 個(gè)月尺度上,2001?2002、2006?2007 和2011?2012 年干旱頻率較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),2013 年全年處于輕度和中度干旱狀態(tài);12 個(gè)月尺度上,2006?2007 和2008?2010 年,2011?2012 和2013?2014 年干旱頻率較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),2009 年全年處于輕度干旱狀態(tài)。由此得出,根據(jù)不同時(shí)間尺度的 SPEI 反映的干旱程度及周期,可以判斷不同干旱類型的干濕交替狀況。1 個(gè)月和3 個(gè)月的SPEI 對(duì)短期氣溫和降水較敏感,3 個(gè)月SPEI 可以反映區(qū)域的氣象干旱,如空氣濕度;6 個(gè)月SEPI 可以反映區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱,如土壤水分含量情況;12 個(gè)月SPEI 可以反映水文干旱,如河流徑流量狀況。

        2.3.2 季節(jié)、年尺度的祁連山地區(qū)SPEI 年際變化

        季節(jié)尺度上的SPEI 可以反映季節(jié)干旱變化。選取35 個(gè)氣象站點(diǎn)的2 月、5 月、8 月的SPIE 值分別代表春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)的干旱情況。2001?2016 年祁連山地區(qū)16 年間有9 年春季處于干旱狀態(tài),2001 年為中度干旱,其他8 年為輕度干旱;夏季有一半年份處于干旱狀態(tài),2001 年也為中度干旱,其他年份為輕度干旱;秋季也有一半年份處于干旱狀態(tài),均為輕度干旱;2006 年、2011 年和2013 年春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)均處于輕度干旱(圖7)。秋季SPEI年際變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì),干旱加強(qiáng),春季和夏季SPEI呈現(xiàn)上升趨勢(shì),干旱度降低。年尺度干旱變化如圖8所示,2001?2016 年祁連山地區(qū)SPEI 呈線性下降趨勢(shì),下降速率為每10 年0.059,干旱趨勢(shì)增強(qiáng),16 年間接近一半年份處于干旱狀態(tài),2013 年為最干旱年為中度干旱(結(jié)果通過(guò)α = 0.05置信度檢驗(yàn))。

        圖7 祁連山地區(qū)季節(jié)尺度SPEI 長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特征Figure 7 Long-term seasonal dynamic characteristics of SPEI

        圖8 2001?2016 年祁連山地區(qū)年尺度SPEI 年際變化Figure 8 Inter-annual variation of SPEI from 2001 to 2016

        2.3.3 祁連山地區(qū)SPEI 動(dòng)態(tài)分析

        2001?2016 年祁連山絕大多數(shù)地區(qū)處于濕潤(rùn)狀態(tài),中段和東段部分地區(qū)處于輕度干旱狀態(tài)(圖9a)。中段、西段西北部和東段西部SPEI呈增加趨勢(shì),干旱化程度降低,濕潤(rùn)度增加;剩余區(qū)域SPEI 呈下降趨勢(shì),趨于干旱,干旱化程度增加(圖9b)。總體上來(lái)看,2001?2016 年祁連山地區(qū)干旱化程度呈降低趨勢(shì),說(shuō)明氣候條件往好的方向發(fā)展。

        圖9 2001?2016 年祁連山地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)空間動(dòng)態(tài)Figure 9 Spatial distribution and variation of standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI)in Qilian Mountains from 2001 to 2016

        2.4 植被覆蓋度對(duì)干旱指數(shù)的響應(yīng)

        2.4.1 年尺度SPEI 與植被覆蓋度的相關(guān)分析

        2001?2016 年祁連山地區(qū)年均FVC 和年均SPEI相關(guān)性分析表明(圖10a),整個(gè)研究區(qū)平均相關(guān)系數(shù)為0.039,正相關(guān)區(qū)域占55.2%,其中通過(guò)P < 0.05和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為18.8%和2.3%,負(fù)相關(guān)區(qū)域占44.8%,其中通過(guò)P < 0.05 和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為4%和0.8%。由此可以看出,SPEI 與FVC 之間具有一定的相關(guān)性,即年尺度上FVC 與SPEI 之間呈正相關(guān)關(guān)系,SPE 值越大,干旱程度越低,F(xiàn)VC 越高,通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域越大。

        2.4.2 季節(jié)尺度SPEI 與FVC 的相關(guān)分析

        圖10 2001?2016 年祁連山地區(qū)不同時(shí)間尺度植被覆蓋度(FVC)與標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)的相關(guān)關(guān)系Figure 10 Correlation between fractional vegetation cover(FVC) and standardized precipitation evapotranspiration(SPEI)index at different times in Qilian Mountains from 2001 to 2016

        對(duì)2001?2016 年季節(jié)尺度上祁連山地區(qū)FVC和SPEI 進(jìn)行相關(guān)性分析得出,祁連山地區(qū)春季、夏季、秋季的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.056、0.212 和0.058,呈正相關(guān)關(guān)系。春季(圖10b) FVC 與SPEI 正相關(guān)區(qū)域占62.7%,其中通過(guò)P < 0.05 和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為2.9%和1.1%,負(fù)相關(guān)區(qū)域占37.3%,其中通過(guò)P < 0.05 和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為1.3%和0.4%;夏季(圖10c) FVC與SPEI 正相關(guān)區(qū)域占76.6%,其中通過(guò)P < 0.05 和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為12.1%和4.6%,負(fù)相關(guān)區(qū)域占23.4%,其中通過(guò)P < 0.05 和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為1%和0.3%;秋季(圖10d)FVC 與SPEI 正相關(guān)區(qū)域占59.2%,其中通過(guò)P < 0.05和P < 0.01 檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為4%和1%,負(fù)相關(guān)區(qū)域占40.8%,其中通過(guò)P < 0.05 和P < 0.01檢驗(yàn)的區(qū)域面積占比分別為2.3%和0.7%。季節(jié)尺度上夏季祁連山地區(qū)FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度最為明顯,春季和秋季次之,說(shuō)明FVC 與SPEI 之間顯著性越高,F(xiàn)VC 對(duì)干旱的響應(yīng)也就越明顯。

        3 討論與結(jié)論

        陳京華[38]對(duì)2000?2014 年祁連山植被指數(shù)NDVI 與降水和氣溫進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示夏季NDVI 與降水和氣溫的相關(guān)性較高,春季和秋季次之。本研究通過(guò)對(duì)不同時(shí)間尺度的FVC 和SPEI 進(jìn)行分析,在年尺度上,F(xiàn)VC 與SPEI 呈正相關(guān)關(guān)系,表明SPEI 越大,F(xiàn)VC 越高;在季節(jié)尺度上,夏季相關(guān)性最大,其次是春季、秋季,F(xiàn)VC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度與年尺度相同,F(xiàn)VC 與SPEI 相關(guān)系數(shù)越大,表明FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)也就越明顯。本研究在季節(jié)尺度上得到的結(jié)果與以往研究結(jié)果基本一致。了解FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度,對(duì)祁連山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的實(shí)用性。但是,本研究只是分析了FVC 對(duì)SPEI 的響應(yīng),沒有考慮不同土地利用類型的FVC 對(duì)SPEI 的響應(yīng),而且只考慮了氣象因素對(duì)FVC 的影響,沒有綜合人為因素以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)FVC 的影響;還有關(guān)于SPEI 的計(jì)算,受數(shù)據(jù)的限制性采用了比較簡(jiǎn)單實(shí)用的Thornthwaite 方法,在后續(xù)的研究中可以采用更為精確的FAO Penman-Monteith 方法提高SPEI 計(jì)算精度,以便更好地反映祁連山地區(qū)FVC 對(duì)干旱的響應(yīng)程度。

        本研究得出以下結(jié)論:

        1) 2001?2016 年 祁 連 山 地 區(qū)FVC 年 均 值 為0.452 2,整體上屬于中覆蓋度,分布特征為東南高西北低,區(qū)域差異明顯,整體上呈增加趨勢(shì)。季節(jié)尺度上,夏季FVC 最高,秋季和春季次之。16 年間,F(xiàn)VC 改善區(qū)域遠(yuǎn)大于退化區(qū)域,F(xiàn)VC 未來(lái)由改善到退化的面積為49.23%,主要分布在祁連山西段魚卡河、柴達(dá)木山西南部和疏勒河上游區(qū)域以及青海湖以西,在后續(xù)的發(fā)展中要加大力度進(jìn)行保護(hù)。

        2) 2001?2016 年祁連山地區(qū)不同尺度的SPEI 均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),大部分區(qū)域處于濕潤(rùn)狀態(tài),總體上祁連山地區(qū)干旱化程度呈降低趨勢(shì)。季節(jié)尺度上,祁連山地區(qū)秋季SPEI 呈下降趨勢(shì),干旱加強(qiáng),春季和夏季SPEI 成上升趨勢(shì),干旱度降低。

        3)年尺度上,祁連山地區(qū)FVC 與SPEI 整體上呈正相關(guān)關(guān)系。季節(jié)尺度上,夏季FVC 與SPEI 相關(guān)性最大,春季和秋季次之。說(shuō)明FVC 與SPEI 之間顯著性越高,F(xiàn)VC 對(duì)干旱的響應(yīng)也就越明顯。

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