劉 彬，楊 恒，徐 凡，陳子韶，徐 鵬，吳 卿*

(1.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450045； 2. 中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

0 引言

全球氣候暖化與陸地生態(tài)系統(tǒng)演變已成為全球變化研究的主要內容，氣候變化對區(qū)域及全球生態(tài)系統(tǒng)的影響及其反饋成為國內外研究的熱點[1].植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，是大氣圈、土壤圈和水圈之間相互耦合的紐帶[2,3].其中草地植被生態(tài)系統(tǒng)作為最為重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，是自然系統(tǒng)最為重要的天然屏障，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，包括防風固沙、調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土和促進生態(tài)平衡等[4,5].我國草地資源豐富、草地面積遼闊，是我國畜牧業(yè)發(fā)展的重要依托，對區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展扮演著極其重要的作用.

黃河流域草地生態(tài)意義巨大，然而快速的人口增長及其經濟活動引發(fā)了諸多嚴重的生態(tài)及生產問題[6].當前，流域草原生態(tài)赤字不斷上升，遠高于區(qū)域生態(tài)承載力，生活生產開發(fā)對自然平衡造成嚴重破壞.當前，黃河流域草地資源退化、沙化，水土流失嚴重，草地面積不斷縮小，生產力日趨降低，生物多樣性不斷減少，草地荒漠化問題日益突出，生態(tài)環(huán)境不斷惡化[7,8].黃河流域草地景觀的動態(tài)化監(jiān)測與分析對流域的生態(tài)環(huán)境保護與管理具有重要的實際意義.遙感數據具有精度高、連續(xù)時間長、覆蓋面積廣等優(yōu)點，其動態(tài)變化監(jiān)測分析能夠有效表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變特征[9-11].國內外諸多學者基于植被覆蓋指數數據對植被覆蓋變化趨勢做了大量研究，指出 植被覆蓋指數在植被動態(tài)監(jiān)測、區(qū)域土地覆被分類及植被分類等方面具有廣泛的應用前景.李雙雙[12]等采用斜率分析、Hurst指數等分析方法對西北陜甘寧黃土高原地區(qū)“退耕還林還草”的植被覆蓋變化進行了深入分析，指出2000年至2009年間研究區(qū)植被覆蓋呈現明顯增加趨勢.賀振[13]等基于1998年-2011年SPOT/VGT數據，對黃河流域植被覆蓋指數時空分布特征以及年際變化趨勢進行了初步探討，指出1998年以來，黃河流域植被覆蓋指數整體在不斷提高，生態(tài)環(huán)境有所改善.楊勝天[14]等基于MSS、TM和環(huán)境星CCD等多源遙感數據，分析了黃河中游地區(qū)渭河段土地利用轉變對植被的影響，指出了部分區(qū)域植被蓋度顯著恢復.

以上相關研究均取得了較為理想的研究成果，然而黃河流域地處我國干旱半干旱和半濕潤地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，在氣候變化敏感，作為流域最大的景觀構成，以草地景觀的動態(tài)變化為重點的相關分析仍不多見.本文以獨立的草地景觀分析為切入點，為區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)的治理與規(guī)劃工作的開展提供參考.鑒于上述情況，本文以MODIS數據為基礎，通過對大面積、長時間序列遙感數據的處理、分析，采用斜率分析和相關分析等方法，對黃河流域草地景觀面積、草地景觀植被時空變化特征及其生態(tài)響應進行深入探討，以期為黃河流域草地生態(tài)系統(tǒng)的管理、保護工作提供理論借鑒.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃河流域(32°35′～41°49′ N；95°10′～119°06′ E)幅員遼闊 (圖1)，下墊面差異顯著，地勢西高東低，從西到東橫跨青藏高原、內蒙古高原 、黃土高原和黃淮海平原4個地貌單元，發(fā)源于青海省巴顏喀拉山，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古自治區(qū)、陜西、山西、河南和山東9省，在山東入渤海，流域面積為79.46×104km2.西部河源地區(qū)平均海拔在4000 m以上，中部地區(qū)海拔在1000～2000 m之間，水土流失嚴重，東部海拔不超過100 m，主要由黃河沖積平原形成.黃河流域屬于大陸性氣候，氣候的差異顯著，氣候要素的年、季節(jié)變化大，降水為其主要限制性因素.流域年降水量200～600 mm，東南部屬半濕潤氣候，中部氣候較為干旱，西北部屬干旱氣候.流域內地貌類型多樣，生態(tài)系統(tǒng)復雜，主要土地利用類型為草地、農地和林地等，其中草地資源退化較為嚴重，持續(xù)的農業(yè)開發(fā)和過度畜牧加劇了區(qū)域水土流失和風沙侵蝕，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化.

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Location of Yellow River Basin

1.2 數據來源與處理

遙感數據來源于美國NASA(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)的MODIS MCD12Q1和MOD13Q1[15]的土地覆被和歸一化植被指數產品數據集，空間分辨率分別為500 m和1000 m.其中，MCD12Q1數據集進行加工生成逐年土地覆被數據，采用IGBP土地分類標準逐像元選取最高置信度進行土地覆被分類，時間范圍為2001年-2013年.MOD13Q1數據集用以生成相同時間尺度的逐月平均歸一化植被覆蓋指數 (植被覆蓋指數, Normalized differential vegetation index, NDVI).MODIS數據處理首先利用MRT (MODIS Reprojection Tool)等軟件進行格式轉換和投影轉換，解譯HDF格式數據，并采用最大值(MVC)合成法獲取逐月、年均植被覆蓋指數數據.其中，選取2010年草地面積對流域植被覆蓋指數進行裁剪，并基于Fragstas4.4 對流域草地景觀格局進行分析，最后通過Arcgis10.0、Origin 2017出圖.

1.3 研究方法

斜率分析法是對所有年份黃河流域草地景觀逐像元的變化趨勢進行分析、模擬，有效地反映了多年間流域草地景觀年均植被覆蓋指數空間變化分布特征.其中斜率分析法是基于ArcGIS平臺對研究區(qū)植被變化進行分析，計算公式如下：

(1)

式(1)中:n表示年份數，Yi表示不同的年份，Xi代表第i年要素值.當Slope>0時，呈增加趨勢，反之，則呈減小趨勢.

相關分析法是常用于研究兩個變量之間密切程度的統(tǒng)計方法，用以描述、分析兩要素之間的密切聯系，其中相關系數取值范圍位于[-1,1]之間，其計算公式如下：

(2)

2 結果與分析

2.1 流域草地景觀空間分布特征

2001年-2013年黃河流域草地景觀面積時間變化特征如圖2所示.

圖2 2001年-2013年黃河流域草地景觀面積時間變化Fig. 2 Temporal variation of grassland landscape in the Yellow River Basin from 2001 to 2013

由圖2可知，近13 a來黃河流域草地景觀面積顯著下降，凈降幅達到了7.34%.其中，草地面積下降率達到了-5.49%/10a，決定系數為0.758，下降趨勢為極顯著(p<0.001).草地景觀面積的逐年下降，反映了流域草地生態(tài)系統(tǒng)的明顯退化，這與人類經濟活動緊密相關，城鎮(zhèn)化以及農業(yè)過度開發(fā)影響著區(qū)域草地景觀面積的下降.2001年-2013年黃河流域草地景觀空間變化，如圖3、表1所示.基于MODIS土地利用類型數據，對黃河流域2001年、2013年草地景觀進行對比分析.研究區(qū)草地景觀面積下降明顯，其中向農地轉移最為顯著，達到了7.3%，主要集中涇河、渭河以及汾河流域.草地面積增加以林地、未開發(fā)用地為主，達到了2.3%和1.5%，集中于西北的寧夏、內蒙古河套等地.草地景觀空間變化特征反映了黃河流域工農業(yè)的快速發(fā)展是導致研究區(qū)草地面積不斷縮減的重要原因，尤其是渭河、汾河等地區(qū)，該區(qū)域地勢較為平坦，土壤較為肥沃.而寧夏、河套等地區(qū)草地面積的增加，則反映了該區(qū)域生態(tài)防護、管理工作的有效提高，區(qū)域“退耕還林還草”生態(tài)工程的開展促進了區(qū)域草地景觀面積不斷增加.

圖3 2001年、2013年黃河流域草地景觀空間變化紅色反映草地景觀面積減??；綠色表征草地景觀面積增加Fig. 3 Spatial variation of grassland landscape in the Yellow River Basin in the 2001 and 2013

表1 2001年-2013年黃河流域草地景觀空間變化及轉移方向Tab. 1 Spatial transfer direction of grassland landscape in the Yellow River Basin from 2001 to 2013

注：A濕地，B林地，C草地，D農地，E建設用地，F荒地

2.2 流域草地景觀植被覆蓋指數空間分布特征

黃河流域草地景觀植被覆蓋指數空間分布特征，如圖4所示.黃河流域草地景觀年均植被覆蓋指數(圖4a)西南部和中東部較高，北部與西北部較低，植被覆蓋指數高值區(qū)域集中于涇河、渭河流域以及南部秦嶺山區(qū)，區(qū)域降水相對較多，土壤較為肥沃，部分地區(qū)草地年均植被覆蓋指數達到了0.55以上.而北部和西部的六盤山、賀蘭山等山地草原，氣候較為干旱，降水稀少，多旱地草原，是流域草地景觀中年均植被覆蓋指數低值區(qū).圖4b所示，2001年-2013年流域年均植被覆蓋指數變化趨勢，呈東高西低的基本趨勢.中東部草地景觀植被覆蓋指數明顯增加，包括呂梁山地、陜北高原、寧夏中部等區(qū)域，部分植被覆蓋指數增長率達到了0.08/10a，而草地景觀明顯退化區(qū)域集中于流域景觀西部山區(qū)，尤其是黃土高原、甘肅祁連山地和青海中東部區(qū)域以及內蒙古河套地區(qū)，部分地區(qū)傾斜率達到了-0.05/10a.總體上，流域草地景觀的變化趨勢為中東部地區(qū)草地植被不斷改善，而西部地區(qū)草地景觀植被呈退化趨勢.

圖4 流域草地景觀植被覆蓋指數空間分布特征(a)與變化特征(b)紅色表示植被覆蓋指數趨于上升，藍色趨于下降Fig. 4 Spatial distribution characteristics (a) and its variation (b) of NDVI in grassland landscape in the Yellow River Basin

2.3 流域草地景觀植被覆蓋指數時間分布特征

黃河流域草地景觀年均植被覆蓋指數分布特征.黃河流域從圖 5a可以看出，草地景觀年均 植被覆蓋指數呈一定的下降趨勢，其中2003年最高，2013年較低，年均 植被覆蓋指數值在0.27～0.32之間波動，其中 2000年-2004 年草地植被覆蓋指數 波幅較大，但不存在明顯的趨勢特征.2001年-2013年黃河流域草地景觀月均植被覆蓋指數分布特征，如圖5b所示.黃河流域草地景觀月均植被覆蓋指數呈明顯的季節(jié)性變化趨勢，冬春較低，夏秋較高，與區(qū)域月均氣溫、降水變化相一致.月均植被覆蓋指數與氣溫、降水進行相關系數分別達到了0.77、0.71，通過了0.001極顯著檢驗.黃河流域草地景觀8月植被覆蓋指數最高，達到了0.55，而2月植被覆蓋指數最低，僅為0.15左右.春季3-5月，區(qū)域氣溫不斷回升，冰雪融水逐漸增加，區(qū)域草地開始返青與生長；夏季6-8月，黃河流域處于雨季，降水量相對充沛，草地植被處于生長期；秋季9-11月隨著氣溫、降水的逐步下降，草地逐漸轉枯，植被覆蓋指數不斷下降；冬季當年12月-次年2月，為植被休眠期，草地景觀以雪被及裸土為主，月均植被覆蓋指數處于全年中最低.

圖5 流域草地景觀植被覆蓋指數年均和月均變化特征Fig. 5 Temporal variation of annual and monthly of NDVI grassland landscape in the Yellow River Basin

2.4 草地景觀植被覆蓋指數與氣候因子的相關性

基于2001年-2013年黃河流域氣象數據，對研究區(qū)13 a氣溫、降水變化趨勢進行趨勢分析，以多年單月氣溫降水的斜率變化反映流域氣候要素增減趨勢.分析表明(表2)，流域近13 a來各月氣溫均呈增暖趨勢，冬春增溫顯著，夏秋次之，其中3、4、12月份增溫通過了0.05顯著檢驗.冬春降水有所增加，夏秋兩季減少，3、11月降水通過0.05顯著性檢驗.通過對逐月草地植被覆蓋指數數據與同期、滯后1月、滯后2月和滯后3月的氣溫、降水進行相關分析(表3)，其分析顯示流域草地景觀植被覆蓋指數與同期、滯后1～3月的氣溫、降水之間存在顯著的正相關，與滯后1月氣溫、降水之間的相關性最強，分別為0.89和0.83，通過0.01顯著性檢驗.草地景觀植被覆蓋指數的滯后性反映了植被生長對氣溫、降水變化的明顯響應，隨著滯后時長的增加，響應逐漸減弱.氣溫、降水是植被生長發(fā)育的主要限制因子，氣候的變化必然引起草地植被發(fā)生變化，而植被覆蓋指數與氣溫之間的高度相關性揭示了氣溫變化對草地植被生長的影響.

通過對近13 a年均植被覆蓋指數與單月氣溫、降水量之間的相關分析，指出單月多年變化對年均植被覆蓋指數的影響(表2).表2中指出 3、6、8、10及12月份氣溫呈增暖趨勢，其對應月份相關系數也明顯較高，說明草地植被覆蓋指數隨著氣溫的增暖而有所上升，春季3月氣溫的顯著增暖促進了流域植被的返青與生長，6、8月雨熱同季對草地植被生長影響顯著，10、12月氣溫增暖延長了流域部分地區(qū)植被生長期和落葉期.流域冬春兩季降水量與草地植被年均植被覆蓋指數相關系數多呈正相關，據表2所示，10月至次年5月降水呈一定增加趨勢，流域草地植被隨著降水的增加，植被覆蓋指數逐漸增加.

表2 黃河流域月均氣溫、降水的回歸系數Tab. 2 Regression coefficient between monthly temperature,precipitation and years in the Yellow River Basin

注：St、Sp分別表征月均氣溫、降水的回歸系數，

*和**分別表示通過0.05和0.01顯著性檢驗

表3 流域草地景觀植被覆蓋指數與流域氣溫、降水滯后性分析Tab. 3 Hysteresis analysis between NDVI and temperature, precipitation of grassland landscape

注：Rt、Rp分別表示月均氣溫、降水與植被覆蓋指數的相關系數，**表示通過0.01顯著性檢驗

表4 黃河流域單月氣溫、降水與年均草地景觀植被覆蓋指數相關性分析Tab. 4 Correlation analysis of monthly temperature,precipitation and annual NDVI of grassland landscape

注：Rt、Rp分別表征月均氣溫、降水與年份的相關系數，

*和**分別表示通過0.05和0.01顯著性檢驗

2.5 流域草地景觀變化的生態(tài)特征

2001年-2013年黃河流域草地景觀面積變化對流域景觀系統(tǒng)的結構與功能的響應，如圖6所示.景觀的聚集性以及生物多樣性指數是景觀生態(tài)安全的重要評價指標，能夠有效反映區(qū)域生態(tài)健康與安全，選取黃河流域景觀的聚集性指數與生物多樣性指數與草地面積變化進行擬合分析，以期分析草地面積變化對整個流域的生態(tài)健康的重要影響.草地景觀是黃河流域生態(tài)系統(tǒng)最為重要的組成，草地面積占到了流域面積的71%～63%，而隨著草地景觀面積的不斷縮小，必然對整個流域景觀的結構與功能產生重要影響.2001年-2013年黃河流域草地景觀面積與流域聚集性指數顯著相關，擬合系數達到了0.914，通過了0.001的極顯著檢驗，也反映了流域草地景觀面積不斷縮減是引起流域整體景觀趨于聚集的重要原因.草地景觀與SHDI、SIDI生物多樣性指數都呈顯著的負相關，隨著草地面積的不斷縮小，流域內生物多樣性指數SHDI、SHID顯著下降，決定系數都達到了0.9以上，通過了0.001的極顯著檢驗，說明了隨著草地面積的逐漸縮減，黃河流域生物多樣性顯著下降.總體上，草地景觀面積的不斷縮小，流域景觀趨于聚集，景觀破碎化程度下降，將會對流域物種的棲息地條件產生重要影響，而棲息地面積的減小是區(qū)域物種豐富性以及生態(tài)系統(tǒng)多樣性下降的主要驅動因素，引起流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與持續(xù)性不斷下降.

圖6 黃河流域草地景觀面積變化與景觀聚集性指數、生物多樣性指數擬合變化Fig. 6 Fitting variation between landscape area and landscape aggregation index,biodiversity index in the Yellow River Basin

3 討論

本文基于MODIS土地利用數據及植被數據，采用斜率分析以及相關分析等方法，對黃河流域草地景觀的面積變化、時空演變特征以及對整個流域景觀的結構與功能的響應進行深入探討，得到以下基本結論：(1)2001年-2013年間黃河流域草地景觀面積下降明顯.近13 a間流域草地景觀凈面積下降0.43%，其中向農地轉移最為顯著，達到了7.3%，主要集中涇河、渭河以及汾河流域，而草地面積增加以林地、未開發(fā)用地為主，達到了2.3%和1.5%，集中于寧夏、內蒙古河套等地.(2)近13 a間流域草地景觀西南和中東部地區(qū)年均植被覆蓋指數較高，北部與西北部較低.中東部年均植被覆蓋指數增長明顯，部分地區(qū)增長率達到了0.08/10a，尤其是汾河、渭河流域等地區(qū)，而西部甘肅、青海中東部草地植被退化較為明顯，局部下降率為-0.05/10a.(3)近13 a間流域草地景觀年均 植被覆蓋指數呈較明顯的下降趨勢，月均植被覆蓋指數呈明顯的季節(jié)性變化趨勢.夏秋較高，冬春較低，8月植被覆蓋指數最高的0.55，1月為最低的0.15.(4)流域草地景觀植被覆蓋指數與氣溫、降水之間存在較為明顯的相關性.草地景觀植被覆蓋指數與滯后1月的氣溫、降水敏感性明顯較高，決定系數分別為0.89、0.83，通過了0.01顯著性檢驗.(5)流域草地景觀的面積變化對黃河流域生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的響應.近13 a來草地景觀面積變化與流域聚集性指數、生物多樣性指數均呈顯著的負相關，均通過了0.001的極顯著檢驗，決定系數分別達到了0.914、0.94、0.99，說明了隨著草地景觀面積的不斷縮小，流域景觀格局的聚集性不斷增強，生物多樣性指數逐步下降，流域生態(tài)質量降低.

4 結論

本文研究結果能夠有效地反映黃河流域草地景觀及其植被覆蓋的變化狀況，對黃河區(qū)域草地生態(tài)環(huán)境的保護工作的開展、管理具有一定的實用性和針對性.同時本研究也存在著一定的局限性.首先，黃河流域地形復雜，氣候差異性顯著，生態(tài)變化敏感，歸一化植被覆蓋指數并不能充分描述流域范圍內草地景觀各類植被生長的動態(tài)變化特征.其次，草地景觀變化受氣候、人類活動的綜合影響強烈，草地景觀的植被變化并不能充分揭示流域生態(tài)健康演變規(guī)律，需進一步強化對整個流域景觀變化的驅動因子進行分析.最后，本研究僅限于對黃河流域草地景觀部分特征與規(guī)律進行反演與分析，接下來需結合流域地表反照率、土壤濕度、地表覆蓋度、地表溫度等影響因子的關系進行進一步探索，以期獲取本地區(qū)草地景觀動態(tài)變化更為翔實的特征與規(guī)律.