丁妍妍，馮克鵬,2,3*

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021;3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021)

0 引言

在全球氣候與區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的背景下，植被時(shí)空演變是氣候變化、水土保持、土地利用等自然和人類活動(dòng)多種因素綜合作用的結(jié)果[1]。多種氣候因子影響著地表植被的時(shí)空分布[2]，其中以降水對植被生長的影響最為突出[3]。區(qū)域植被與降水的響應(yīng)關(guān)系及變化特征是氣候變化與生態(tài)響應(yīng)的研究熱點(diǎn)之一。遙感技術(shù)作為一種對地觀測的有力工具，可進(jìn)行不同空間尺度長序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，已成為研究植被-氣候關(guān)系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源[4]。自1972年以來，眾多學(xué)者通過植物的光譜特性來監(jiān)測植被生長狀態(tài)，結(jié)果表明，由可見光和近紅外波段組合得到的多種植被指數(shù)能夠定性、定量地評價(jià)植被覆蓋及其生長情況[5]。其中，歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)與植被覆蓋度明顯相關(guān)，在研究植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化及其與氣候變化、人類活動(dòng)的關(guān)系中得到了廣泛應(yīng)用[6]。國內(nèi)外學(xué)者在不同區(qū)域研究了NDVI 對氣溫和降水的響應(yīng)特征，高江波等[7]指出氣候因素對植被生長的影響具有空間差異性，干旱及半干旱的北方地區(qū)影響植被生長的主要?dú)夂蛞蛩厥墙邓?；濕潤的南方地區(qū)則是氣溫。李奇虎等[8]指出西北干旱區(qū)在1981—2016年氣溫上升、降水增多的氣候背景下，植被覆蓋率和NDVI值都呈現(xiàn)增加的趨勢，生態(tài)效應(yīng)趨于良性發(fā)展。

流域植被是河流生態(tài)系統(tǒng)的主體，能夠充當(dāng)氣候變化的敏感指示器[9]。因此，研究流域植被的時(shí)空變化特征及其與降水之間的響應(yīng)關(guān)系，對該地區(qū)的水資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境治理具有重要意義。寧夏地處我國內(nèi)陸中部偏北，屬溫帶大陸性氣候，降水稀少，是我國水資源最貧乏的地區(qū)之一。寧夏中南部地區(qū)溝壑叢生，嚴(yán)重干旱，生態(tài)極其脆弱。該區(qū)域有11個(gè)行政縣區(qū)，其中9個(gè)在脫貧之前屬于貧困縣，目前仍然是鄉(xiāng)村振興的主戰(zhàn)場。在這種背景下，位于寧夏中南部的4條河流(清水河、涇河、葫蘆河和苦水河)，不僅是當(dāng)?shù)厝伺c社會(huì)經(jīng)濟(jì)賴以生存和發(fā)展的資源，而且對生態(tài)功能持續(xù)和恢復(fù)發(fā)揮著十分重要的作用。顏長珍等[10]結(jié)合RS技術(shù)與GIS技術(shù)處理TM影像，研究了寧夏草地覆蓋情況及空間分布特征。張?jiān)獥澋萚11]利用MODIS NDVI影像分析了寧夏NDVI動(dòng)態(tài)變化對降水的響應(yīng)。趙慧等[12]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，研究了寧夏年最大NDVI時(shí)空變化特征及其與氣候、人類活動(dòng)的關(guān)系。以上研究都以整個(gè)寧夏區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，無法具體地了解寧夏中南部主要流域的植被覆蓋時(shí)空變化情況。

植被覆蓋時(shí)空變化研究離不開對遙感影像的分析。傳統(tǒng)的影像分析需要經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、信息提取和地學(xué)分析等流程，該流程在長時(shí)間序列的遙感影像分析中存在數(shù)據(jù)獲取難、數(shù)據(jù)量大和解譯處理效率低等缺點(diǎn)。2011年，Moore和Hansen在美國地球物理聯(lián)合會(huì)秋季會(huì)議上介紹了一種全新的云計(jì)算平臺(tái)——谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)。該平臺(tái)通過遙感云計(jì)算技術(shù)為研究人員節(jié)省大量的數(shù)據(jù)下載和預(yù)處理時(shí)間，使研究人員可以將更多精力投入到后續(xù)的科學(xué)分析工作中。李晶等[13]基于GEE平臺(tái)，對1987—2020年黃河流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。谷雷等[14]基于GEE平臺(tái)的遙感影像計(jì)算NDVI值，并合成其年度最大NDVI值，分析1999—2018年云南省植被覆蓋度變化趨勢。眾多研究表明，基于GEE遙感云平臺(tái)進(jìn)行遙感影像的處理相較于傳統(tǒng)的遙感分析手段具有明顯優(yōu)勢，能極大地縮短影像處理時(shí)間，提高工作效率。GEE已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[15]、土地覆蓋變化[16]及植被變化[17]等領(lǐng)域。

本文以寧夏中南部清水河、葫蘆河、涇河以及苦水河流域作為研究區(qū)域，基于GEE平臺(tái)，提取研究區(qū)域31年(1989—2019年)NDVI，對不同時(shí)空尺度流域植被覆蓋的時(shí)空演變特征和趨勢進(jìn)行分析，進(jìn)而與同期中國地面降水日值格點(diǎn)數(shù)據(jù)采用相關(guān)歸因分析法揭示寧夏中南部河流流域內(nèi)植被覆蓋變化對降水的響應(yīng)，回答寧夏中南部流域在氣候變化進(jìn)程中流域植被生態(tài)是否退化的關(guān)鍵問題，期望對該地區(qū)流域管理、生態(tài)脆弱性評估和水資源分配提供參考依據(jù)。

1 流域概況

1.1 清水河流域

清水河分布于寧夏和甘肅境內(nèi)(105°00′E～107°07′E，35°36′N～37°37′N)，是寧夏境內(nèi)流入黃河的最大一級支流，發(fā)源地為六盤山東麓固原市原州區(qū)開城鎮(zhèn)境內(nèi)的黑刺溝腦。清水河全長320 km，流域總面積14 481 km2，其中，寧夏境內(nèi)流域面積13 500 km2[18]。清水河流域土壤以灰褐土、黑壚土、灰鈣土為主要地帶性土壤。左岸支流水系相對右岸分部較多，且左岸流域面積超過右岸一半，左岸大小支流共有30余條。清水河流域?qū)贉貛О敫珊禋夂騾^(qū)，區(qū)域氣溫由北向南遞減，流域內(nèi)多年平均降水量453億立方米，平均降水量335 mm。清水河屬于典型的非季節(jié)性山區(qū)河流，年徑流量分布不均勻，由南向北遞減，年平均徑流量約為1.65億立方米。

1.2 苦水河流域

苦水河位于寧夏鹽池縣和靈武市境內(nèi)(106°02′E～107°15′E ，37°03′N～38°05′N)，是寧夏黃河段一級支流，又名山水河。河長224 km，寬100～200 m，流域面積5 218 km2，寧夏境內(nèi)4 942 km2。流域內(nèi)主要有黃土丘陵和鄂爾多斯緩坡丘陵2大地貌類型[19]。苦水河流域土壤主要是黑壚土、黃綿土、淡灰鈣土、新積土、風(fēng)沙土和灌淤土等。流域內(nèi)的植被屬于荒漠草原植被，種類極其稀少，種群結(jié)構(gòu)單一，植被覆蓋率較低。流域水系主要有苦水河、甜水河、沙溝和小河4條支流水系。該流域地處寧夏中部干旱區(qū)，受大陸西風(fēng)氣流的控制，呈現(xiàn)大陸性氣候特征。流域內(nèi)降水稀少，多年平均降水量為248 mm?？嗨邮堑湫偷募竟?jié)性山區(qū)河流，實(shí)測多年平均流量為2.940 m3/s。

1.3 涇河流域

涇河是渭河的一級支流，發(fā)源于寧夏涇源縣尾巴梁東南六盤山東麓(106°15′E～107°33′E，35°13′N～37°22′N)。流域地貌為黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)、土石丘陵區(qū)、黃土丘陵林區(qū)和黃土階地區(qū)5種地貌類型。流域土壤多為黑壚土、黃綿土和灰褐土等，土質(zhì)疏松，長期以來水土流失嚴(yán)重，是黃河泥沙的主要來源之一。涇河流域主要支流有暖水河、頡河、洪河、蒲河和茹河等支流。該流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，降水和氣溫由東南向西北遞減，沿六盤山山脊自南向北年降水量在800～430 mm，流域多年平均降水量506.8 mm。涇河是寧夏水資源最豐富的地區(qū)，水量多、水質(zhì)好，徑流地區(qū)變化大，年徑流深在15～300 mm。

1.4 葫蘆河流域

葫蘆河是渭河的一級支流之一，發(fā)源于六盤山西麓及其余脈月亮山(105°20′E～106°13′E，35°33′N～36°15′N)。流域面積3 281 km2，河長120 km。葫蘆河一級支流主要有渝河、濫泥河。流域平均年降水量491 mm，年徑流量1.69億立方米，平均含沙量87 kg/ m3。

寧夏中南部流域情況如圖1所示。

圖1 寧夏中南部流域Fig.1 Watersheds in central and southern Ningxia

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

2.1.1 流域河網(wǎng)

從地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)獲取ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)，經(jīng)過DEM鑲嵌，重采樣至精細(xì)分辨率后，流域矢量范圍裁剪，然后利用GIS工具進(jìn)行寧夏中南部流域河網(wǎng)提取以及流域分割，結(jié)果如圖2所示。

(a) 清水河流域

2.1.2 降水?dāng)?shù)據(jù)

本文選用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集，時(shí)間跨度為1989—2019年。該數(shù)據(jù)集為國家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項(xiàng)整編的中國地面高密度臺(tái)站(2 472個(gè)國家級氣象觀測站)降水資料，利用ANUSPLIN薄盤樣條法(Thin Plate Spline，TPS)進(jìn)行空間插值生成，并經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。本文將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與DEM數(shù)據(jù)相同的投影類型和柵格大小，并以研究區(qū)域進(jìn)行裁剪，在柵格尺度對1989—2019年的日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，形成研究區(qū)域的年、季節(jié)降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.1.3 植被覆蓋度

目前已經(jīng)發(fā)展了多種利用遙感估算植被覆蓋度的方法，較為簡單易用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度，其中，NDVI與植被覆蓋度顯著相關(guān)。因此本文選用NDVI作為表征寧夏中南部流域植被覆蓋度的指標(biāo)。

通過GEE平臺(tái)，調(diào)用了1989—2019年覆蓋研究區(qū)域的Landsat 5 TM，Landsat 7 ETM+，Landsat 8 OLI的地表反射率產(chǎn)品(Landsat SR)數(shù)據(jù)。各衛(wèi)星地表反射率產(chǎn)品的基本信息如表1所示，空間分辨率為30 m，影像使用數(shù)量如圖3所示。

表1 GEE平臺(tái)中Landsat SR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息

圖3 研究區(qū)域不同Landsat衛(wèi)星影像的使用數(shù)量Fig.3 Quantity of Landsat satellite images used in different watersheds

GEE云端存檔的Landsat SR數(shù)據(jù)均已經(jīng)過幾何和大氣校正，通過對其進(jìn)行時(shí)空篩選、去云處理并構(gòu)建歸一化函數(shù)，可用于計(jì)算研究區(qū)NDVI：

(1)

式中，NIR表示近紅外波段；R表示紅光波段；NDVI∈[-1,1]。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI最大合成法

最大合成法(Maximum Value Composite，MVC)是指在一定的合成周期內(nèi)選取NDVI最大值作為新的NDVI值。衛(wèi)星遙感影像普遍受到云層干擾，最大值合成法可以在一定程度上削弱云層對影像的影響[20]。本文基于GEE平臺(tái)生成了1989—2019年全年以及植被生長期和非植被生長期內(nèi)的最大合成NDVI數(shù)據(jù)，并取其像元平均值代表該時(shí)段內(nèi)寧夏中南部4個(gè)流域的植被覆蓋狀態(tài)。

2.2.2 趨勢分析法

本文采用一元線性回歸分析柵格尺度NDVI的變化趨勢。該方法在一定時(shí)間內(nèi)采用最小二乘法逐像元擬合年際NDVI的斜率，用以綜合反映植被覆蓋的時(shí)空演變特征[21]，優(yōu)點(diǎn)是可以利用不同時(shí)段數(shù)據(jù)值的擬合消除異常因素對植被的影響[22]：

(2)

式中，slope為變化趨勢；NDVIm為第m年的NDVI值；n為研究時(shí)序。當(dāng)slope>0時(shí)，表明NDVI呈增加趨勢；反之，則表明NDVI呈下降趨勢。

趨勢的顯著性分析采用F檢驗(yàn)，用以檢驗(yàn)變化趨勢的可信度：

(3)

2.2.3 NDVI變化的判定與分級

為定量分析寧夏中南部流域1989—2019年NDVI的空間變化特征，結(jié)合逐像元NDVI趨勢分析法，得出各個(gè)流域植被不同等級的像元個(gè)數(shù)。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，將變化趨勢分為6個(gè)等級：極顯著改善、顯著改善、不顯著改善、極顯著退化、顯著退化和不顯著退化[23]，如表2所示。

表2 NDVI變化程度分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 相關(guān)系數(shù)

為了揭示寧夏中南部流域植被覆蓋變化對降水的響應(yīng)密切程度，通過計(jì)算同年份的年最大值NDVI和降水時(shí)間序列之間的皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)，同時(shí)基于像元的相關(guān)性分析，以相關(guān)系數(shù)表示流域NDVI與降水的空間相關(guān)性，計(jì)算公式為[24]：

(4)

通過t檢驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算公式為：

(5)

式中，n為研究期年數(shù)；m為自變量個(gè)數(shù)。

2.2.5 NDVI與年降水相關(guān)程度等級劃分

為定量分析寧夏中南部流域NDVI與降水在空間上的相關(guān)程度，根據(jù)相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，將相關(guān)程度分為6個(gè)等級：極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)、不顯著正相關(guān)、極顯著負(fù)相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)和不顯負(fù)相關(guān)，如表3所示。

表3 NDVI與降水的相關(guān)性判定

3 結(jié)果分析

3.1 降水年際變化趨勢

寧夏中南部流域1989—2019年年降水量變化如圖4所示。1989—2019年寧夏中南部清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域多年平均降水量分別為352.92，305.22，451.0，462.89 mm，4個(gè)流域的降水量迥異，空間分布不均衡。苦水河流域多年平均降水量最少，主要是由于該流域地處寧夏中南部干旱區(qū)，受大陸西風(fēng)的影響，呈現(xiàn)大陸性氣候特征。從擬合方程的斜率可以看出，苦水河流域降水量呈現(xiàn)不顯著波動(dòng)下降趨勢，下降速率為0.589 mm/a，其他流域降水隨年際呈現(xiàn)不顯著上升趨勢。葫蘆河流域的年降水量增速最大，為2.2 mm/a，清水河和涇河流域的降水量上升速率分別為0.34，1.48 mm/a。

圖4 寧夏中南部流域1989—2019年年降水量變化Fig.4 Variation in annual precipitation in central and southern watersheds of Ningxia from 1989 to 2019

3.2 NDVI時(shí)間演變特征

3.2.1 NDVI年際變化特征

1989—2019年，寧夏中南部4個(gè)流域NDVI的年際變化趨勢如圖5所示。在過去的31年，4個(gè)流域NDVI呈緩慢上升趨勢，涇河和葫蘆河流域上升最快，都以0.078/10a(R2分別為0.61，0.54，均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn))的速率上升；苦水河流域上升速度最慢，以0.038/10a (R2=0.37，p<0.01)的速率上升；清水河流域NDVI以0.052/10a(R2=0.48，p<0.01)的速率增長。

1989—2019年4個(gè)流域的NDVI均值對比為：涇河流域(0.440)>葫蘆河流域(0.435)>清水河流域(0.297)>苦水河流域(0.245)。整體上，位于南部山區(qū)的流域植被覆蓋狀況優(yōu)于位于中部干旱帶的流域。由于寧夏南部山區(qū)緯度低，且位于東南季風(fēng)的迎風(fēng)坡，降水多，所以植被覆蓋度高。由圖5可以看出，寧夏中南部4個(gè)流域植被覆蓋在2018年達(dá)到了近31年最好水平。值得關(guān)注的是，2002—2005年清水河流域NDVI值存在連續(xù)4年的減少過程，結(jié)合寧夏氣候及干旱數(shù)據(jù)，考慮因旱災(zāi)而導(dǎo)致的植被覆蓋減少。

圖5 寧夏中南部流域NDVI年際變化Fig.5 Inter-annual variation of NDVI in central and southern Ningxia watersheds

3.2.2 植被生長期/非生長期NDVI變化

在植被不同的生長期，植被覆蓋度有很大的差異。在北方地區(qū)，植被生長期一般為3—10月，其他月份大部分植被處于枯死或休眠狀態(tài)，所以2個(gè)階段的NDVI有不同的變化特征。本文采用趨勢分析法分析1989—2019年研究區(qū)植被生長期(3—10月)及非植被生長期(11月—次年2月)NDVI變化趨勢，采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，各流域的變化趨勢如圖6所示。

1989—2019年植被生長期，清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域的NDVI均值分別為0.296，0.245，0.441，0.435，非植被生長期NDVI均值為0.120，0.104，0.184，0.153。植被生長期和非植被生長期NDVI都呈顯著上升趨勢。清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域植被生長期NDVI上升速率分別為0.052/10a，0.038/10a，0.052/10a，0.077/10a，序列t檢驗(yàn)均為p<0.01。其中，清水河和苦水河流域的上升速率與其年NDVI上升速率相同。非植被生長期，清水河、苦水河、涇河、葫蘆河流域NDVI上升速率分別為0.03/10a，0.022/10a，0.03/10a，0.041/10a，都通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)水平，上升速率均小于其流域的年NDVI上升速率。非植被生長期NDVI的上升，考慮退耕還林常綠植被的種植在增加。

(a) 清水河流域

3.3 NDVI空間變化

寧夏中南部流域多年NDVI空間變化差異明顯，如圖7所示。清水河、葫蘆河、涇河以及葫蘆河流域NDVI呈改善趨勢的區(qū)域面積占比均超過80%，分別為96.19%，86.60%，97.21%，96.96%，如表4所示。

(a) 清水河流域

表4 NDVI變化趨勢分級統(tǒng)計(jì)

清水河流域內(nèi)，極顯著和顯著改善區(qū)域占比為70.17%，其中極顯著改善區(qū)域(53.54%)主要分布于清水河、長沙河、莧麻河等支流沿岸，以及海原縣東部和固原市北部地區(qū)；顯著改善區(qū)域(17.17%)零散分布于整個(gè)流域；極顯著退化和顯著退化區(qū)域僅占0.69%，主要分布于流域中各城市周圍。苦水河流域地勢極顯著改善和顯著改善占整個(gè)流域面積的50.57%，其中極顯著改善區(qū)域(38.17%)主要分布于流域的西北角以及羅山自然保護(hù)區(qū)周圍；極顯著退化和顯著退化僅占1.82%，主要沿太陽山分布；不顯著退化區(qū)域(11.59%)主要分布于羅山腳下、甜水河右岸、臭馬井子溝等支流兩岸。涇河流域的極顯著改善區(qū)域占比為72.78%，占整個(gè)流域的大多部分；顯著改善區(qū)域(9.41%)分布于隆德縣東部地區(qū)以及涇源縣境內(nèi)的暖水河、盛義河沿岸以及彭陽縣北部的小河河岸兩側(cè)；不顯著改善區(qū)域(15.02%)主要分布于六盤山、暖水河沿岸、鹽池縣東南部等地區(qū)；極顯著退化(0.36%)和顯著退化(0.16%)區(qū)域占比很小，主要分布在流域內(nèi)的城市周圍；不顯著退化區(qū)域(2.27%)沿小勾峽、二龍河、禿井溝武家溝等河流分布。葫蘆河流域內(nèi)，極顯著改善和顯著改善區(qū)域占整個(gè)流域面積的79.71%，不顯著改善區(qū)域(17.25%)主要沿葫蘆河及各個(gè)支流兩岸和六盤山附近分布；極顯著退化和顯著退化區(qū)域(0.75%)主要分布于西吉縣、隆德縣等城市周圍。

上述結(jié)果表明，寧夏中南部流域植被覆蓋總體呈現(xiàn)北少南多的趨勢，退化區(qū)主要分布于北部地勢起伏相對較大的地區(qū)、河岸兩側(cè)(苦水河、涇河和葫蘆河流域)以及大城市所在地區(qū)；改善區(qū)主要分布于羅山自然保護(hù)區(qū)以及六盤山所在地區(qū)、清水河流域內(nèi)的河岸兩側(cè)。

退耕還林還草、自然保護(hù)區(qū)的建立等是植被覆蓋顯著改善的重要因素，氣候暖濕化則是流域生態(tài)改善的重要基礎(chǔ)性因素。

3.4 NDVI對降水的響應(yīng)

3.4.1 時(shí)間尺度相關(guān)性

寧夏中南部流域1989—2019年NDVI年均值與年降水顯著相關(guān)，如圖8所示，即隨著降水的增加，NDVI呈增加趨勢。4個(gè)流域的NDVI隨降水的增長率大小依次為清水河流域(0.07/100 mm)>涇河流域(0.05/100 mm)=葫蘆河流域(0.05/100 mm)>苦水河流域(0.04/100 mm)，均通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

由圖8可以看出，4個(gè)流域植被覆蓋與降水量整體上均為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.391～0.565，屬中等程度相關(guān)。其中，清水河流域年NDVI與年降水相關(guān)性最好，說明植被與降水關(guān)系緊密，尤其在西北干旱、半干旱地區(qū)。

(a) 清水河流域

3.4.2 空間尺度相關(guān)性

為進(jìn)一步分析寧夏中南部流域NDVI與年降水空間的關(guān)系，本文對其進(jìn)行逐像元相關(guān)分析，得到流域NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)空間分布，如圖9所示，相關(guān)性分級統(tǒng)計(jì)如表5所示。

(a) 清水河流域

表5 NDVI與降水相關(guān)性分級統(tǒng)計(jì)

清水河流域NDVI與年降水的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.57～0.86，NDVI與年降水呈正相關(guān)的區(qū)域占清水河流域總面積的96.55%，分布在流域大部分區(qū)域。NDVI與年降水呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域僅占流域總面積的3.45%，主要分布在海原縣周圍以及流域內(nèi)河岸兩側(cè)。苦水河流域NDVI與年降水的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.52～0.79，NDVI與年降水呈正相關(guān)的區(qū)域占苦水河流域總面積的94.02%，分布在流域南部地區(qū)，且在羅山自然保護(hù)區(qū)周圍更為顯著。NDVI與年降水呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的5.98%，主要集中在吳忠市利通區(qū)周圍以及河岸兩側(cè)。

涇河流域NDVI與年降水的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.54～0.80，NDVI與年降水呈正相關(guān)的區(qū)域占涇河流域總面積的97.13%，呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域僅占流域的2.87，主要分布于城市周圍；葫蘆河流域NDVI與年降水的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.618～0.73，空間差異性顯著，呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的94.91%，其中92.18%的區(qū)域呈現(xiàn)不顯著正相關(guān)，散布于整個(gè)流域。呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域僅占流域的4.91%，主要沿河岸兩側(cè)分布?？傮w上，寧夏中南部流域NDVI與年降水呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的比例較大。降水對植被的生長和變化具有不可忽視的作用[25]，干旱、半干旱區(qū)域制約植被生長的因子主要為水分，近31年來寧夏中南部流域降水量的增加，是促進(jìn)植被生長的因素之一。

3.4.3 年NDVI與降水的動(dòng)態(tài)關(guān)系

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)域NDVI與降水時(shí)間上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，將年NDVI及歸一化后的降水值做聯(lián)合對比分析，如圖10所示?？梢钥闯?，1989—2019年降水與NDVI的變化趨勢吻合較好。

通過分段擬合分析，發(fā)現(xiàn)近31年的寧夏中南部流域NDVI變化可分為2個(gè)階段：①1989—2002年，清水河、涇河以及葫蘆河流域NDVI呈不顯著增加趨勢，增速分別為0.027/10a，0.023/10a，0.079/10a，苦水河流域NDVI呈不顯著減少趨勢，減少速率為0.003/10a。在該時(shí)間段內(nèi)，降水呈不顯著減少趨勢，在這種背景下，NDVI有所增加，說明降水對植被生長的影響有一定的滯后性[26]，同時(shí)也與從1978年開始的國家三北防護(hù)林工程大規(guī)模植樹造林活動(dòng)有關(guān)。② 2003—2019年，NDVI增速明顯大于前一期，4個(gè)流域均呈顯著增加趨勢，增速大小依次為涇河流域(0.016 3/a)、葫蘆河流域(0.014 9/a)、清水河流域(0.012 8/a)和苦水河流域(0.010 3/a)。該階段初期，流域降水均處于逐漸增加趨勢，NDVI出現(xiàn)上升趨勢。同時(shí)與寧夏從2000年以來實(shí)施大面積退耕還林(還草)、封山禁牧等工程有關(guān)。該政策的實(shí)施，大幅度提升了寧夏的植被覆蓋度，極大地改善了整個(gè)寧夏的生態(tài)環(huán)境狀況。不同時(shí)間段NDVI及降水增速統(tǒng)計(jì)如表6所示。

(a) 清水河流域

表6 不同時(shí)間段的NDVI及降水增速統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

本文基于1989—2019年NDVI和降水?dāng)?shù)據(jù)，利用線性回歸分析和相關(guān)分析對寧夏中南部流域的清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域植被覆蓋的時(shí)空演變特征以及其對降水的響應(yīng)進(jìn)行了分析，主要研究結(jié)論如下：

① 從時(shí)間上看，近31年寧夏中南部流域NDVI均呈顯著增長趨勢，且植被生長期的NDVI增長速率遠(yuǎn)大于非植被生長期。1989—2019年，4個(gè)流域NDVI與降水主要以正相關(guān)為主，清水河流域NDVI與降水的相關(guān)性系數(shù)最大，為0.565；2003—2019年，4個(gè)流域NDVI均隨降水的不顯著增加呈顯著上升趨勢，說明流域NDVI的顯著增加，除了與降水有關(guān)，還響應(yīng)了其他氣候因素以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境調(diào)控政策等多種因素的變化。

② 從空間上看，寧夏中南部流域植被覆蓋呈改善趨勢的面積在增大，涇河流域?yàn)?7.21%，苦水河流域?yàn)?6.60%，葫蘆河流域?yàn)?6.96%，清水河流域?yàn)?6.19%。NDVI和降水呈極顯著和顯著正相關(guān)區(qū)域面積占比為：清水河流域69.69%、涇河流域50.7%、苦水河流域44.9%、葫蘆河流域2.91%。葫蘆河流域內(nèi)，呈不顯著正相關(guān)的區(qū)域達(dá)92.18%，而極顯著和顯著正相關(guān)的區(qū)域僅為2.91%，說明在該流域內(nèi)，降水量的變化還不足以完全解釋流域植被覆蓋的增長。

本研究采用的NDVI數(shù)據(jù)時(shí)間序列長，可以較好地反映植被在時(shí)空尺度上的變化，但未進(jìn)行NDVI年內(nèi)變化研究，有待進(jìn)一步完善。NDVI作為流域植被覆蓋監(jiān)測的有效表征指標(biāo)，降水并不能唯一、全面地解釋其變化特征，需進(jìn)一步結(jié)合其他氣候因素，實(shí)地調(diào)查、政策調(diào)控等資料，研究人類活動(dòng)日益趨強(qiáng)過程對植被覆蓋的影響。