摘" 要：隨著全球變暖，干旱成為全球危害最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對農(nóng)業(yè)等事關(guān)人類福祉的領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。該文以重要農(nóng)牧區(qū)——長江南源為研究區(qū)，基于地表溫度數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)計算出2000年以來長江南源溫度植被干旱指數(shù)，并以該指數(shù)對長江南源植被生長季的干旱狀況進(jìn)行時空動態(tài)監(jiān)測分析。結(jié)果表明，2000年以來，干旱和偏旱的區(qū)域在長江南源的北部、中部和東北部，占源區(qū)面積的33.33%；濕潤和偏濕的區(qū)域在研究區(qū)域的南部、西南部，占源區(qū)面積的37.02%。長江南源56.41%的區(qū)域趨向干旱，41.96%的區(qū)域趨向濕潤。濕潤區(qū)域在2000—2004年間呈收縮態(tài)勢，占長江南源的面積比重由42.54%下降到35.25%；2004—2011年，呈擴(kuò)張態(tài)勢，所占面積比重上升到38.84%，2011年后呈收縮態(tài)勢，所占面積比重下降到36.79%?？傮w來看，TVDI有較強(qiáng)可靠性，可用于長江南源乃至三江源區(qū)干旱監(jiān)測預(yù)警工作。

關(guān)鍵詞：溫度植被干旱指數(shù)；時空分異；干旱；農(nóng)業(yè)旱災(zāi)；三江源

中圖分類號：S165.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）05-0059-07

Abstract： With global warming， drought has become one of the most serious natural disasters in the world， which has a great impact on agriculture and other areas related to human well-being. This studycal culated the Temperature Vegetation Dryness Index （TVDI） of the southern source region of the Yangtze River since 2000 based on the Land Surface Temperature （LST） products and Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） products， and used the TVDI to monitor and analyze the spatio-temporal dynamic of drought of the growing season in the southern source region of the Yangtze River. The results show that， since 2000， the arid and arid areas have been centralized in the north， middle and northeast of the southern source of the Yangtze River， accounting for 33.33% of the source area; the humid and humid areas are in the south and southwest of the study area， accounting for 37.02% of the source area. 56.41% of the areas in the southern source of the Yangtze River tend to be dry， and 41.96% of the areas tend to be humid. The humid area showed a shrinking trend from 2000 to 2004， and the proportion of the area in the southern source of the Yangtze River decreased from 42.54% to 35.25%. The proportion of the humid area increased to 38.84% during 2004—2011， and the proportion of the humid area decreased to 36.79% after 2011. As a whole， TVDI can be used for drought monitoring and early warning in the southern source region of the Yangtze River and even the Three River Source Region due to its reliability.

Keywords： Temperature Vegetation Dryness Index（TVDI）; spatio-temporal differentiation; dryness; agricultural drought; Three River Source Region

當(dāng)今世界已進(jìn)入“人類世（Anthropocene）”，面臨著氣候變化和人類活動帶來的諸多挑戰(zhàn)[1]。全球變暖已成為一個不爭的事實，這導(dǎo)致眾多水文、氣象等要素變化，使得干旱、洪澇等事件時常顯現(xiàn)[2]。未來，我國發(fā)生驟旱的風(fēng)險正呈顯著上升態(tài)勢[2]。干旱的發(fā)生常常導(dǎo)致水分減少、農(nóng)作物減產(chǎn)、土地退化等一系列問題，已成為全球危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[3]。

我國是世界上重要的糧食生產(chǎn)國之一，同時也是全球最容易受到干旱嚴(yán)重影響的國家之一[2]。三江源區(qū)是我國重要的生態(tài)安全屏障，同時也是重要的農(nóng)牧區(qū)之一，在一系列生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程的實施下，三江源區(qū)的生態(tài)狀況已呈現(xiàn)出“初步遏制，局部好轉(zhuǎn)”的態(tài)勢[4-6]，但是仍然面臨干旱帶來的挑戰(zhàn)[7]。首先，干旱事件常有發(fā)生[8-9]。例如，2017年7月的高溫少雨導(dǎo)致三江源全域出現(xiàn)氣象干旱，核心區(qū)達(dá)到重度氣象干旱[10]。再者，三江源區(qū)氣候變化存在顯著的區(qū)域差異，東南部干旱加劇[11]、長江南源和黃河源區(qū)暖干化態(tài)勢顯著[12-15]，進(jìn)而導(dǎo)致在生態(tài)保護(hù)工程實施后，三江源仍然存在大量草原退化狀態(tài)不變的情況[16]以及大量草甸輕度趨干和少量草甸中、重度趨干的情況[17]。此外，三江源區(qū)氣溫增溫速率是全球平均水平的2倍以上，氣溫升高未來將可能誘發(fā)源區(qū)由變濕轉(zhuǎn)向變干，進(jìn)而使得全域暖干化顯現(xiàn)[5，11，18]。綜上，面對三江源區(qū)特別是長江南源的干旱及其發(fā)展態(tài)勢，開展干旱監(jiān)測工作顯得十分必要和迫切。

傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測雖然精度高，但是需要耗費大量精力建設(shè)站點，并且覆蓋范圍有限。而遙感監(jiān)測具有覆蓋范圍廣、實時動態(tài)的優(yōu)點[19-20]。由此，諸多學(xué)者運用遙感手段開展農(nóng)牧區(qū)干旱動態(tài)監(jiān)測研究。表觀熱慣量模型、微波遙感監(jiān)測、冠層溫度遙感監(jiān)測和溫度植被干旱指數(shù)等方法都已用于干旱遙感監(jiān)測[19-20]，但優(yōu)缺點各異，表觀熱慣量模型主要適用于裸土區(qū)，微波遙感對遙感監(jiān)測設(shè)備配置要求極高，冠層溫度遙感監(jiān)測易受自然條件和監(jiān)測設(shè)備影響而產(chǎn)生誤差[21-22]。綜合考慮時效性、可靠性和區(qū)域適應(yīng)性，本文采用溫度植被干旱指數(shù)開展研究區(qū)干旱時空動態(tài)變化監(jiān)測。

溫度植被干旱指數(shù)由學(xué)者Sandholt等[23]提出，其在歸一化植被指數(shù)（NDVI）和地表溫度（LST）基礎(chǔ)上計算獲得溫度植被干旱指數(shù)（Temperature Vegetation Dryness Index，簡稱為TVDI）。該指數(shù)可反演地表水分情況，進(jìn)而表征干旱程度和用于干旱動態(tài)監(jiān)測[19-22]?？紤]到研究區(qū)6—8月是植被生長最為旺盛的季節(jié)以及夏季易發(fā)生干旱現(xiàn)象，本文選取6—8月的MODIS NDVI和MODIS LST數(shù)據(jù)產(chǎn)品計算研究區(qū)TVDI，并結(jié)合同時期儀器監(jiān)測站點的土壤表層濕度進(jìn)行相關(guān)性驗證，而后利用計算得出的TVDI進(jìn)行2000年以來研究區(qū)6—8月的干旱時空動態(tài)變化監(jiān)測與分析，以期為研究區(qū)干旱監(jiān)測與評價工作提供科學(xué)依據(jù)。

1" 研究區(qū)概況

長江南源一般指當(dāng)曲流域[24]。當(dāng)曲全長331 km，流域范圍為92.14°—94.62°E，32.40°—33.96°N，海拔范圍為4 500～5 947 m，總面積約為1.67×104 km2。該流域位于青海省境內(nèi)，實際包含了青海省玉樹藏族自治州雜多縣查旦鄉(xiāng)，以及西藏自治區(qū)那曲市聶榮縣永曲鄉(xiāng)、查當(dāng)鄉(xiāng)、安多縣瑪榮鄉(xiāng)和多瑪鄉(xiāng)4個移民管理鄉(xiāng)，總計5個鄉(xiāng)（圖1）。農(nóng)牧業(yè)均為各鄉(xiāng)的支柱性產(chǎn)業(yè)，流域內(nèi)5個鄉(xiāng)的農(nóng)牧業(yè)年收入總計已超過1億元，交通運輸、商業(yè)飲食、采集、建筑業(yè)和手工業(yè)等業(yè)態(tài)也呈發(fā)展態(tài)勢。近年來，當(dāng)曲流域內(nèi)旱災(zāi)時有發(fā)生，對牧草生長產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[14]。流域內(nèi)為盆地地形，四周為山脈、與其他水系的分水嶺。從流域邊界范圍來看，南部為唐古拉山脈，東部、北部是當(dāng)曲與瀾滄江的分水嶺，西部是當(dāng)曲與布曲的分水嶺。以天曲匯入當(dāng)曲口為界，該河口以上為當(dāng)曲上游，以下為當(dāng)曲下游。且上游區(qū)域地勢平緩，排水不暢，沼澤發(fā)育顯著[25]。

2" 數(shù)據(jù)與方法

2.1" 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的遙感數(shù)據(jù)包括地表溫度（LST）數(shù)據(jù)產(chǎn)品和歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)產(chǎn)品。地表溫度數(shù)據(jù)來源于MODIS衛(wèi)星的MOD11A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d。歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)來源于MODIS衛(wèi)星的MOD13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為16 d。所下載的上述2個數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時間跨度為2000—2014年，已下載各年6—8月的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)已經(jīng)過云污染、大氣、太陽高度角等方面去干擾處理和丟失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)以及拼接、投影等預(yù)處理工作，并由當(dāng)曲流域邊界裁切所得，用以分析當(dāng)曲流域干旱變化態(tài)勢。青藏高原邊界數(shù)據(jù)來源于相關(guān)文獻(xiàn)[26]，當(dāng)曲流域邊界數(shù)據(jù)來源于相關(guān)文獻(xiàn)[27]。

2.2" 研究方法

2.2.1" TVDI計算方法

溫度植被干旱指數(shù)已被研究驗證可表征土壤濕度狀況[23]，并常用來監(jiān)測干旱狀況[19-20]，特別是對于農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的監(jiān)測[28-29]。

TVDI計算公式如下

TVDI=（Ts-Tsmin）/（Tsmax-Tsmin）， （1）

Tsmax=a1+b1×NDVI，（2）

Tsmin=a2+b2×NDVI，" （3）

式中：Ts為任意像元的地表溫度，研究中可用已下載LST數(shù)據(jù)表征；Tsmax為某一NDVI值對應(yīng)的最高地表溫度，亦稱為Ts-NDVI三角形特征空間的干邊，Tsmin為某一NDVI值對應(yīng)的最低地表溫度，亦稱為Ts-NDVI三角形特征空間的濕邊[30]。TVDI的閾值為0～1，在閾值范圍內(nèi)，TVDI的值越大，表征土壤濕度越低，干旱程度越大，旱情越嚴(yán)重，反之亦然[28-30]。

2.2.2" 變化趨勢分析

運用ArcGIS軟件的采樣分析工具，在流域中任意采集樣點，并得到這些樣點在不同年份的TVDI值，而后建立以時間為X值、TVDI為Y值的線性回歸分析方程，若X值的系數(shù)k在0～0.02，表明TVDI值有增加的趨勢，則研究區(qū)域有變干的趨勢，反之，當(dāng)系數(shù)k在-0.02～0，則研究區(qū)域有變濕的趨勢。系數(shù)k在其余范圍內(nèi)的，則為異常區(qū)域[14]。

2.2.3" 驗證檢驗

溫度植被干旱指數(shù)計算出來后，我們將先前布設(shè)的儀器監(jiān)測站點的土壤表層濕度與同時期同地點的溫度植被干旱指數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，以驗證遙感監(jiān)測結(jié)果的可靠性[14]。

3" 研究結(jié)果

3.1" 干旱時空分布

根據(jù)TVDI的通用干旱監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域的TVDI按照0～0.3、0.3～0.5、0.5～0.6、0.6～0.75和0.75～1劃分為5個等級，分別對應(yīng)濕潤、偏濕、正常、偏旱和干旱。

通過計算可知，2000年以來，長江南源各年植被生長最旺盛季節(jié)（6—8月）的TVDI區(qū)域均值總體在0.52～0.56波動。從研究區(qū)域TVDI均值的各地差異（圖2）來看，干旱和偏旱的區(qū)域在當(dāng)曲流域北部、中部和東北部，占流域面積的33.33%；濕潤和偏濕的區(qū)域在當(dāng)曲流域南部、西南部，占流域面積的37.02%；其余為濕度正常區(qū)域。在后續(xù)分析中，我們將濕潤和偏濕區(qū)域合并統(tǒng)計為濕潤區(qū)域，將干旱和偏旱區(qū)域合并統(tǒng)計為干旱區(qū)域。

從年際變化情況（圖3）來看，濕潤區(qū)域在2000—2004年間呈收縮態(tài)勢，占流域面積的比重由42.54%下降到35.25%；2004—2011年，呈擴(kuò)張態(tài)勢，占流域面積比重上升到38.84%，2011—2014年呈收縮態(tài)勢，占流域面積比重下降到36.79%。干旱區(qū)域在同時期的變化態(tài)勢與濕潤區(qū)域相反。而2000—2014年，正常區(qū)域則呈小幅波動上升態(tài)勢，占流域面積的比重由23.79%上升到29.29%?？傮w來看，2011—2014年，濕潤區(qū)域呈現(xiàn)出一定程度的收縮態(tài)勢。

3.2" 干旱變化趨勢

根據(jù)本文研究方法中提及的“變化趨勢分析”方法，可獲得研究區(qū)域2000年以來6—8月TVDI的變化趨勢（圖4）。由圖4可知，研究區(qū)域內(nèi)56.41%的區(qū)域趨向干旱，41.96%的區(qū)域趨向濕潤，趨向干旱的區(qū)域所占面積比例高于趨向濕潤的區(qū)域所占面積比例，其余區(qū)域的變化為異常。

3.3" 干旱監(jiān)測結(jié)果驗證

本文將TVDI計算結(jié)果與同時期儀器監(jiān)測的土壤表層（5 cm深度）濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者有顯著的相關(guān)關(guān)系（r=0.773，plt;0.01）。這表明本文計算的TVDI能客觀反映土壤水分狀況，可以作為土壤旱情監(jiān)測指標(biāo)，并可為后續(xù)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)監(jiān)測提供相關(guān)參考。

4" 結(jié)論

本文基于TVDI對2000年以來長江南源植被生長最旺盛季節(jié)（6—8月）干旱狀況進(jìn)行反演和時空分析，并結(jié)合儀器實地監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究結(jié)果進(jìn)行了驗證。主要結(jié)果如下。

1）存在顯著的區(qū)域差異。2000年以來，在長江南源干旱（TVDI值為0.75～1）和偏旱（TVDI值為0.6～0.75）的區(qū)域聚集于北部、中部和東北部，所占面積比例達(dá)到長江南源總面積的1/3；濕潤（TVDI值為0～0.3）和偏濕（TVDI值為0.3～0.5）的區(qū)域集中在南部、西南部，所占面積比例約為長江南源總面積的37%；長江南源其余約30%的區(qū)域為正常區(qū)域。

2）具有明顯的時間變化特征。通過由時間和TVDI組成的線性回歸分析方程的系數(shù)可知，2000年以來，在長江南源中56.41%的區(qū)域趨向干旱，主要集中在西部、南部；41.96%的區(qū)域趨向濕潤，聚集于北部、東部；其余1.63%的區(qū)域為變化異常區(qū)域。TVDI變化具有階段性特征。濕潤區(qū)域在2000—2004年、2004—2011年以及2011年以后分別呈現(xiàn)收縮、擴(kuò)張、收縮的態(tài)勢，所占面積比例先由2000年占長江南源總面積的42.54%下降到2004年占長江南源總面積的35.25%，而后上升到2011年占長江南源總面積的38.84%。2011年后，濕潤區(qū)域所占長江南源總面積的比例下降到36.79%。

3）TVDI表征土壤旱情可靠性較高。通過將TVDI與儀器監(jiān)測獲得的土壤表層濕度進(jìn)行相關(guān)性分析可知，兩者顯著相關(guān)（r=0.773，plt;0.01），進(jìn)而表明TVDI可靠性較高，可用于長江南源乃至三江源區(qū)干旱監(jiān)測預(yù)警工作。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（42101293）

第一作者簡介：趙志龍（1988-），男，博士，副教授。研究方向為社會-生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性。

*通信作者：胡曾曾（1989-），女，博士，助理研究員。研究方向為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。