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        瀾滄江中下游流域植被NDVI時(shí)空演變特征

        2022-10-28 07:44:54袁澤申陳晨晨李伯根王雨春
        人民珠江 2022年10期
        關(guān)鍵詞:瀾滄江高程植被

        袁澤申,陳晨晨,李伯根,王雨春

        (1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056004;2.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518102;3.云南省水文水資源局,云南 昆明 650000;4.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

        植被作為土地覆蓋最重要的組成部分,在水土保持、調(diào)節(jié)大氣、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著非常重要的作用[1]。大規(guī)模植被變化使流域下墊面格局發(fā)生劇烈變化,對區(qū)域水循環(huán)條件和水文過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[2]。植被變化還會影響流域水沙過程,進(jìn)而影響水庫調(diào)度運(yùn)行過程,因此,研究植被變化對流域水電開發(fā)具有重要意義。植被動(dòng)態(tài)研究是土地覆蓋研究的重要內(nèi)容,歸一化差值植被指數(shù)Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)作為植被生長和植被覆蓋度的最佳指標(biāo)[3],能夠反映時(shí)空尺度的植被覆蓋度信息,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)、環(huán)境和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。瀾滄江流域是湄公河流域的源頭地區(qū),而瀾滄江流域的上游地區(qū)是高原地區(qū),植被覆蓋度極低,整個(gè)瀾滄江流域的植被大量集中在中下游地區(qū),所以瀾滄江中下游流域的植被動(dòng)態(tài)是整個(gè)湄公河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在過去的20年時(shí)間里,中國興建了大量的水利水電設(shè)施,其中極大部分的梯級水庫坐落在瀾滄江流域。梯級大壩的建設(shè)改變了河道的走向,而河道泥沙輸運(yùn)作為水利發(fā)電安全的重要影響因素,又被植被覆蓋的變化程度影響。因此,研究瀾滄江中下游流域的植被覆蓋,對整個(gè)瀾滄江流域乃至湄公河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水利水電設(shè)施建設(shè)都有重要意義。

        瀾滄江被稱作“東方多瑙河”,是中國發(fā)展與東南亞關(guān)系的重要紐帶,同時(shí)也是湄公河的重要上游源頭,其生態(tài)環(huán)境變化對亞洲地區(qū)生態(tài)及國際關(guān)系都有深刻影響。因此,對瀾滄江中下游流域地區(qū)植被的分布規(guī)律及其動(dòng)態(tài)演變經(jīng)行研究,具有重大的生態(tài)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。OUYANG等[4]分析了湄公河上游植被覆蓋的垂直差異變化,得出了湄公河上游流域植被覆蓋NDVI在3 200 m以下和4 500 m以上的海拔高度對氣候因子的變化較為敏感。LI等[5]分析了梯級水電站對瀾滄江中下游河岸和高地植被的影響,發(fā)現(xiàn)梯級水電站對河岸和高地植被分布的影響比單個(gè)水電站更復(fù)雜,上游對植被分布的影響可能是與洪水相關(guān)的永久性變化,對植被分布的下游影響可能是與水文狀況變化相關(guān)的動(dòng)態(tài)相互作用。張景華等[6]使用2000—2010年MODIS NDVI數(shù)據(jù)和氣象站臺數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),瀾滄江流域植被生長對氣候響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)以及不同植被類型受氣溫和降水影響程度。

        近年來,對瀾滄江流域的植被覆蓋研究多基于不同氣候分區(qū),較少有研究從整個(gè)研究區(qū)的尺度上對植被覆蓋整體進(jìn)行等級劃分,進(jìn)而分析其時(shí)間的變化和空間的轉(zhuǎn)移,且研究對近幾年的時(shí)間尺度涉及較少。本次研究基于1998—2018年NDVI數(shù)據(jù)使用Mann-Kendall模型耦合Sen’s Slope斜率估計(jì)分析了研究區(qū)域植被覆蓋時(shí)空變化特征,分析其變化趨勢和突變時(shí)間,對未來瀾滄江中下游流域生物多樣性保護(hù)、水循環(huán)過程研究和完善流域水資源管理措施提供數(shù)據(jù)支撐。

        1 研究區(qū)域概況與方法

        1.1 研究區(qū)域概況

        瀾滄江流域地處中國西南部,流經(jīng)西藏、云南兩省(自治區(qū)),出中國國境后被稱為湄公河,是東南亞最大的國際河流[7]。瀾滄江的云南下半段,屬于瀾滄江的中下游流域,流域面積達(dá)78 000 km2,見圖1。研究區(qū)域地形南低北高,地貌復(fù)雜多樣,山高谷深,地勢起伏較大[7-8],加之西南季風(fēng)的影響使得流域內(nèi)降雨量呈現(xiàn)自下游向上游遞減的趨勢[5]。根據(jù)中國地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站2015年的地形和土地覆蓋分布數(shù)據(jù),研究區(qū)域的主要土地覆蓋是森林(占總面積的47%)和草地(占總面積的44%)。主要植被類型為亞熱帶和熱帶山地針葉林、亞熱帶和熱帶常綠闊葉林、高山嵩草草甸和雜草草甸[4]。

        1.2 研究方法

        1.2.1Mann-Kendall檢驗(yàn)

        Mann-Kendall是非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì),用于評估時(shí)間序列變化的顯著性。最初由Mann在1945年提出[9],后由Kendall進(jìn)一步完善[10],其優(yōu)點(diǎn)是不需要特定的樣本分布,不受離群值的干擾,在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[11-12]。其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值計(jì)算公式如下:

        (1)

        測試趨勢是在特定的顯著性水平上進(jìn)行的。當(dāng)|Z|>Z1-a/2,拒絕原假設(shè),時(shí)間序列存在顯著趨勢。Z1-a/2由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得到,本研究采用顯著性水平α= 0.05,Z1-a/2=1.96。

        (2)

        其中,n為時(shí)間數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),xi和xj分別為時(shí)間序列i和j(j>i)中的數(shù)據(jù)值,確定n(n-1)/2個(gè)sgn(xj-xi)插值函數(shù)。

        (3)

        (4)

        其中,n為數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù),P為綁定組的個(gè)數(shù),ti為第P組的數(shù)據(jù)值個(gè)數(shù)。如果沒有綁定組,則可以忽略此匯總過程[13]。

        1.2.2突變檢驗(yàn)

        首先定義待檢驗(yàn)時(shí)間序列為X(x1,x2,…,xn),以序列中后一個(gè)數(shù)值大于其之前所有數(shù)值的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值為新序列Pk,見式(5)、(6):

        (5)

        式中,i=2,…,n;j=1,…,n-1。

        (6)

        然后將Pk進(jìn)行累加求和得Sk,見式(7):

        (7)

        計(jì)算Sk的均值和方差,見式(8)、(9):

        (8)

        (9)

        求統(tǒng)計(jì)量UFk,見式(10):

        (10)

        按照待檢驗(yàn)時(shí)間序列的逆序列,重復(fù)式(6)—(10)進(jìn)行計(jì)算,所得結(jié)果進(jìn)行倒序并求負(fù),得到UBk統(tǒng)計(jì)量序列。本次突變研究給定顯著性水平α=0.05,臨界值U0.05=±1.96。將UFk和UBk統(tǒng)計(jì)量以及顯著性統(tǒng)計(jì)區(qū)域臨界線(±1.96),繪制到一張圖上。UFk和UBk的交點(diǎn)就是變異的開始時(shí)間,如果交點(diǎn)在臨界值之間,則突變達(dá)到顯著水平。在確定具體突變時(shí)間后,將突變檢驗(yàn)公式載入到ArcGIS中,計(jì)算出突變年份NDVI的UFk和UBk統(tǒng)計(jì)量的柵格影像,利用柵格計(jì)算器篩選處于顯著性統(tǒng)計(jì)區(qū)域臨界線內(nèi)UFk和UBk交點(diǎn)的柵格影像,來進(jìn)一步確定研究區(qū)域NDVI發(fā)生突變年份時(shí),發(fā)生突變的具體區(qū)域。

        1.2.3Sen’s Slope斜率估計(jì)

        使用Sen’s Slope 斜率估計(jì)[14]估算2000—2019年研究區(qū)域NDVI的年際變化。Sen’s Slope斜率估計(jì)是估算多年NDVI時(shí)間序列的所有連續(xù)數(shù)據(jù)組合的斜率的中位數(shù),見式(11):

        (11)

        式中,Slope為像元回歸方程的斜率,Ai為第i年的NDVI的中位數(shù),n為研究的時(shí)間長度。如果Slope>0,則NDVI呈上升趨勢,否則,呈下降趨勢。Sen’s Slope斜率估計(jì)作為一種非參數(shù)方法,已被證明在估計(jì)隨時(shí)間變化時(shí)非??煽縖11]。

        1.3 子流域劃分

        為了了解研究區(qū)域子流域的多年NDVI的時(shí)空分布變化,利用QGIS(Quantum GIS)軟件載入SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,根據(jù)研究區(qū)域地形和主要水系分布進(jìn)行子流域劃分,經(jīng)過水文計(jì)算后共得10個(gè)子流域S1—S10,子流域S1—S4、S5—S10分別位于瀾滄江中游和下游流域。

        1.4 數(shù)據(jù)來源

        以瀾滄江中下游流域?yàn)檠芯繉ο?,主要采集了該流?998—2018年21年間的NDVI數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云中Landsat 4-8 TM衛(wèi)星影像,下載范圍按照瀾滄江流域經(jīng)緯度(北緯21°30′至32°40′,東經(jīng)94°至101°50′)下載。該影像提供7個(gè)波段的影像圖,取近紅外和紅波段影像來計(jì)算NDVI(NDVI=(IR-R)/(IR+R))。利用ArcGIS將所得衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,批量拼接、格式轉(zhuǎn)換、重投影等,最后再采用最大值合成法MVC[15-16](Maximum Value Composites)得到1998—2018年逐年NDVI數(shù)據(jù),與中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行對比矯正后,再將其定義投影為WGS_1984_UTM_Zone_47N,從而進(jìn)行分析研究。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 瀾滄江中下游NDVI時(shí)間變化特征

        研究區(qū)域1998—2018年NDVI時(shí)空分布特征見圖2。利用ArcGIS軟件將研究區(qū)域各年的平均NDVI值提取出來見表1。

        年份NDVI年份NDVI19980.7720090.8119990.7620100.8020000.7520110.8020010.7620120.8220020.7620130.8320030.7820140.8620040.7920150.8620050.8020160.8620060.7920170.8720070.8020180.8620080.80——

        研究區(qū)域1998—2018年平均NDVI線性回歸分析結(jié)果見圖3。研究表明,NDVI整體上呈微弱上升趨勢,平均增長速度為5.8×10-3/a。而在1998—2018年中,NDVI最大的是2017年為0.87,最小的是2000年為0.75,總平均值為0.81,其中有8 a的年平均NDVI大于總平均水平,分別是2009、2012—2018年。研究區(qū)域1998—2018年平均NDVI分段趨勢變化分析結(jié)果見圖4,將21年數(shù)據(jù)平均分為5段,除1998—2002年段出現(xiàn)下降趨勢外,其余4段均呈上升趨勢。1998—2006年2個(gè)分段的年份NDVI無顯著性,其余3段均滿足5%的顯著性水平。其中2010—2014年NDVI值出現(xiàn)明顯提升,5年增加了0.066,達(dá)到了年平均增加值的2.7倍。以上結(jié)果表明:研究區(qū)域NDVI是在2000年后開始出現(xiàn)增長趨勢,且在2011—2014年有明顯提升。

        通過Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)對1998—2018這21年研究區(qū)域的NDVI進(jìn)行趨勢分析,總體21年的NDVI的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U為0.15,小于臨界判別統(tǒng)計(jì)量Uα/2=1.96(p=0.05),所以瀾滄江中下游流域的NDVI在1998—2018年呈不顯著遞增趨勢。Mann-Kendall突變分析的結(jié)果見圖5,其中在顯著性水平p=0.05下的臨界值為±1.96,UF與UB在顯著性水平內(nèi)出現(xiàn)交叉,這表明突變年份為2001年。綜上所述,研究區(qū)域植被覆蓋率呈上升趨勢但遞增不顯著,且在2001年發(fā)生突變后開始上升,雖然在2006、2010、2011、2015、2018年有下降,但并不影響整體的上升趨勢。

        2.2 瀾滄江中下游NDVI空間分布特征

        采用子流域劃分來研究NDVI的空間分布特征,更能體現(xiàn)研究區(qū)域NDVI的區(qū)域性特征。將研究區(qū)域劃分為10個(gè)子流域,10個(gè)子流域的NDVI在1998—2018年內(nèi)整體上均呈緩慢遞增趨勢,見圖6,其中S8、S9和S10這3個(gè)子流域的NDVI年平均遞增速度略低于整個(gè)研究區(qū)域的遞增速度,它們的年平均遞增速度分別是4.5×10-3、4.4×10-3、5.2×10-3/a;而子流域S6的NDVI年平均遞增速度最高,其NDVI的遞增速度為7.3×10-3/a。由上述數(shù)據(jù)可知:在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi),中部地區(qū)的NDVI年遞增速度較大,兩頭較低,其中以南部的S8和S9 2個(gè)子流域最為明顯。

        各年份的NDVI變化在空間上均呈現(xiàn)自北向南逐級遞增的趨勢,并有突出的區(qū)域特征性,以高程為列,結(jié)合圖1可看出,高程在1 700 m以上的區(qū)域,S1、S2、S3子流域在同一時(shí)期NDVI相比較其他區(qū)域大多時(shí)候處于低水平狀態(tài);而高程在1 300 m又是另一個(gè)分界線,研究區(qū)域內(nèi)的S8、S9、S10 3個(gè)子流域是高程1 300 m以下的區(qū)域,在同一時(shí)期NDVI相比較其他區(qū)域大多時(shí)候處于高水平狀態(tài)。從圖7中可以看出中下游子流域平均NDVI范圍在0.73~0.89,大部分處于0.82~0.86,每個(gè)子流域從1998—2018年都呈現(xiàn)遞增的趨勢,但是研究區(qū)域上游子流域的變化趨勢與研究區(qū)域整體的變化趨勢更為接近。

        將Sen’s Slope斜率估計(jì)與Mann-Kendall檢驗(yàn)?zāi)P婉詈戏治鲅芯繀^(qū)域NDVI的空間變化特征。由表2可知,嚴(yán)重退化區(qū)域占總體的0.11%,輕微退化區(qū)域占總體的1.39%,穩(wěn)定不變區(qū)域占總體的0.77%,輕微改善區(qū)域占總體的89.9%,明顯改善占總體的7.83%。從以上數(shù)據(jù)可得知,瀾滄江中下游流域NDVI呈輕微改善趨勢,小部分區(qū)域有明顯改善的特征。

        表2 研究區(qū)域NDVI空間變化特征

        分析NDVI在像元尺度上的變化趨勢,見圖8。從面積上看,輕微改善區(qū)所占比例最大,其次是明顯改善區(qū),嚴(yán)重退化區(qū)、輕微退化區(qū)和穩(wěn)定不變區(qū)所占比例極小,明顯改善區(qū)域主要分布在研究區(qū)域的下半段,屬于降水較多的低緯度地區(qū),剩余部分零星分布在研究區(qū)中部地區(qū),退化區(qū)域大部分是處于城市群附近。再對研究區(qū)進(jìn)行空間Mann-Kendall突變檢驗(yàn),得出22個(gè)突變點(diǎn),突變點(diǎn)均出現(xiàn)在退化區(qū)域,其中子流域S1中有7個(gè)突變點(diǎn),S7中有2個(gè)突變點(diǎn),S8中有4個(gè)突變點(diǎn),S9中有5個(gè)突變點(diǎn),S4、S6、S10均有1個(gè)突變點(diǎn),其余子流域沒有突變點(diǎn)。且大部分出現(xiàn)在高緯度地區(qū)的大理州和低緯度地區(qū)的西雙版納州,也與趨勢分析中NDVI年增速相對應(yīng)。以上結(jié)果可知:研究區(qū)域幾乎沒有植被退化情況,且總體的植被覆蓋正在緩慢提升,而提升較為緩慢的是處于高海拔地區(qū)的北部區(qū)域的大理以及NDVI本就處于高水平的南部區(qū)域的西雙版納。

        3 討論

        總體而言,研究區(qū)域多年(1998—2018年)平均NDVI呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征性,其變化梯度由北向南遞增,與高程變化相反。研究區(qū)域高程范圍在480~4 137 m,從圖7可看出區(qū)域性特征的2條分界線分別在1 700、1 300 m,高程在1 700~4 137 m區(qū)域的NDVI在同一時(shí)期處于低水平狀態(tài),而高程在480~1 300 m區(qū)域的NDVI在同一時(shí)期處于高水平狀態(tài),3個(gè)區(qū)域的NDVI有明顯的層次感,充分體現(xiàn)了研究區(qū)域NDVI的區(qū)域特征性。在低高程地區(qū)NDVI處于高水平狀態(tài)可能是充足的降水使土壤中的含水量大部分時(shí)間處于飽水狀態(tài),從而為植被的生長提供大量養(yǎng)分[6,17];而在高高程地區(qū)氣溫極低,降水少,生長環(huán)境較為惡劣,從而抑制了植被的生長,使其NDVI處于低水平狀態(tài)。但是近20年的全球氣溫升高也讓高高程地區(qū)的植被生長環(huán)境得到緩解,在高高程地區(qū)植被有所增長但是速度緩慢[18-19]。研究區(qū)域大部分地區(qū)的NDVI增加,表明1998—2018年的植被變化總體呈上升趨勢。這一結(jié)果與之前研究的中國西部地區(qū)NDVI值的變化趨勢相似[20]。時(shí)間序列的趨勢分析以及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)得出結(jié)果,2000年后出現(xiàn)增長趨勢,證明2000年的西部大開發(fā)戰(zhàn)略以及2002年的退耕還林政策的成功實(shí)施,使得研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境不斷改善。植被變化與氣候變化、人類活動(dòng)和地理因素的影響密不可分[21]。除了自然因素的影響,人類發(fā)展對NDVI的影響也是不可忽視的,近30 a來的城市化和工業(yè)化建設(shè),人類破壞了大量的植被以獲取經(jīng)濟(jì)上的建樹,當(dāng)城市規(guī)模較大時(shí),輻射效應(yīng)對NDVI的負(fù)面影響顯著,城市對植被破壞的影響遠(yuǎn)大于直接占用對NDVI的影響。城市規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致建設(shè)用地的增加,使地表覆蓋發(fā)生明顯改變,由植被水域等變化為人工不透水表面,例如柏油路面、水泥路面和建筑物頂?shù)?。城市輻射引起的植被退化問題應(yīng)引起重視。由于時(shí)間限制,沒能在NDVI、地區(qū)GDP以及人口密度上做出分析,用以深度研究人為因素對NDVI的影響。

        4 結(jié)論

        基于地理空間數(shù)據(jù)云中Landsat 4-5 TM衛(wèi)星影像分析瀾滄江中下游流域1998—2018年NDVI時(shí)空演變機(jī)制,得出結(jié)論如下:①用Mann-Kendall分析得出研究區(qū)域1998—2018年NDVI呈不顯著遞增,在2001年出現(xiàn)突變;②將研究區(qū)域劃分為10個(gè)子流域進(jìn)行區(qū)域分析得知研究區(qū)域NDVI均呈現(xiàn)自北向南逐級遞增的趨勢,有明顯的區(qū)域特征性;③Mann-Kendall模型耦合Sen’Slope估計(jì)對研究區(qū)域的NDVI進(jìn)行空間分布特征分析得出的結(jié)果表明,研究區(qū)域整體上無突出變化,一直呈緩慢上升趨勢,大理和西雙版納出現(xiàn)小范圍的退化聚集,突變點(diǎn)大多出現(xiàn)在城市附近,其突變產(chǎn)生可能與城市發(fā)展有關(guān)。

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