劉 瀏，牛乾坤，衡靜霞，李 浩，徐宗學(xué)

雅魯藏布江流域干濕轉(zhuǎn)換特征及植被動態(tài)響應(yīng)

劉 瀏1,2，牛乾坤1,2，衡靜霞1,2，李 浩1,2，徐宗學(xué)3,4

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083；3. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 4. 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

為準(zhǔn)確識別氣候變化條件下高寒流域干濕特征及植被動態(tài)響應(yīng)，該研究以青藏高原東南部的雅魯藏布江流域?yàn)槔?，基于全球陸面?shù)據(jù)同化系統(tǒng)（global land data assimilation system，GLDAS）數(shù)據(jù)集，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI），結(jié)合歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）探討了雅魯藏布江流域干濕轉(zhuǎn)換特征及其對植被的影響。結(jié)果表明：GLDAS的降水與氣溫?cái)?shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)一致性較好，可以用于分析雅魯藏布江流域干濕轉(zhuǎn)換特征；1982－2015年間雅魯藏布江流域總體呈現(xiàn)濕潤化趨勢，但2000年前后流域干濕時(shí)空特征發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即時(shí)間上，2000年以前流域呈現(xiàn)濕潤化趨勢，2000年以后呈現(xiàn)干旱化趨勢，空間上，流域內(nèi)干旱地區(qū)逐漸變濕，濕潤地區(qū)逐漸變干；流域內(nèi)約71.83%的區(qū)域SPEI與NDVI呈正相關(guān)，流域植被受流域干濕條件影響較大，降水和氣溫是植被動態(tài)變化的主要驅(qū)動因素；流域內(nèi)92.17%以上的區(qū)域SPEI與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，表明土壤含水量亦是影響流域干濕特性不可忽視的因素。該研究結(jié)果可為辨識高原及高寒區(qū)水循環(huán)變化過程及其驅(qū)動機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

遙感；氣候變化；植被；干濕特征；GLDAS；GIMMS；青藏高原

0 引 言

全球變暖已是不爭的事實(shí)[1-2]。地表溫度的升高會加快地表水體的蒸散發(fā)速率，提高大氣水汽含量，改變降水的時(shí)間和空間分布形態(tài)，也進(jìn)一步影響了陸地干濕演變特征[3]。陸地干濕狀態(tài)的改變會對流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。而植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是環(huán)境變化的指示器。研究植被變化與陸地干濕演變之間的互饋關(guān)系已經(jīng)成為生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）綜合考慮了降水和蒸散發(fā)，能夠在不同時(shí)間尺度上評估干濕變化的演變特征[4-5]。戚穎等[6]利用SPEI指數(shù)研究了黑龍江地區(qū)玉米生育期內(nèi)干濕變化對玉米產(chǎn)量的影響。羅登澤等[7]采用SPEI指數(shù)，利用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析若爾蓋濕地的干濕時(shí)空演變特征。柴榮繁等[8]基于SPEI指數(shù)研究了中國干濕變化趨勢，認(rèn)為中國由西北向東南呈現(xiàn)“濕潤-干旱-濕潤”的空間分布形態(tài)。植被是連接土壤、水體和大氣的自然紐帶，能夠充分反映環(huán)境演變。歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）常常被用來反映植被生長狀態(tài)及其空間分布[9]。周玉科[10]采用格蘭杰效應(yīng)分析研究了青藏高原植被NDVI與平均氣溫和降水的響應(yīng)關(guān)系。張佳琦等[11]采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了三江平原地區(qū)植被時(shí)空變化特征以及對氣候的響應(yīng)機(jī)理。然而，針對高海拔地區(qū)的植被動態(tài)變化與干濕狀態(tài)間的互饋關(guān)系研究較為少見。

雅魯藏布江位于青藏高原東南部，海拔高，地形復(fù)雜，氣候多樣，是研究氣候變化的熱點(diǎn)地區(qū)，且近年來氣候變化顯著。周順武等[12]分析表明雅魯藏布江流域中游地區(qū)夏季氣溫存在明顯上升趨勢，1980年突變增暖較為顯著；而夏季降水存在下降趨勢。You等[13]基于站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)分析了雅魯藏布江流域氣溫、降水和潛在蒸散發(fā)的長時(shí)間變化趨勢，發(fā)現(xiàn)流域變暖幅度相對較高，降水和潛在蒸散發(fā)降低趨勢更強(qiáng)，表現(xiàn)出對全球變暖的強(qiáng)烈敏感性。因此，本研究聚焦于青藏高原東南部的雅魯藏布江流域，基于SPEI指數(shù)研究流域干濕演變特征，采用NDVI反映植被動態(tài)變化，最后分析流域內(nèi)植被變化與陸地干濕狀態(tài)間的互饋關(guān)系，旨在明晰氣候變化背景下雅魯藏布江流域干濕演變特征和植被動態(tài)變化之間的響應(yīng)關(guān)系，為高海拔地區(qū)的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

雅魯藏布江流域是世界上海拔最高的流域之一，位于青藏高原東南部（28°00′～31°16′N，82°00′～97°07′E），主要由多雄藏布河、年楚河、拉薩河、尼洋河以及帕隆藏布河等5條主要支流組成，流域面積約24萬km2，平均海拔在4 000 m以上，地形復(fù)雜，氣候多變[14]。流域氣候主要受孟加拉灣和印度洋的暖濕氣流影響，區(qū)域差異明顯，自東南向西北、自下游到上游降水及氣溫呈現(xiàn)逐漸減少的空間分布形態(tài)。流域多年平均降水量為300～500 mm，但降水年內(nèi)分布不均，6—9月期間降水量約占整個(gè)流域年平均降水量的60%～90%。受高程起伏影響，流域氣候和植被空間差異性較大，呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性，隨著海拔增高，植被覆蓋逐漸減少，研究區(qū)自高向低形成了高山冰雪帶、高山寒凍風(fēng)化帶、高山寒帶、山地寒溫帶、山地溫帶、山地亞熱帶、熱帶等。研究區(qū)域概況如圖1所示。

圖1 雅魯藏布江流域概況

1.2 研究數(shù)據(jù)

NDVI已被廣泛應(yīng)用于檢測和量化大范圍的植被動態(tài)變化[15]，目前已有多種遙感衛(wèi)星遙感儀可提供NDVI數(shù)據(jù)，與其他植被指數(shù)數(shù)據(jù)集相比，本研究采用的美國航空航天局（NASA）開發(fā)的GIMMS NDVI第三代數(shù)據(jù)集（global inventory modeling and mapping studies，GIMMS-NDVI3g，http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/ 3g/）時(shí)間數(shù)列更長，覆蓋范圍更廣，具有較強(qiáng)的植被動態(tài)變化表征能力，已被證明是描述植被生長動態(tài)變化最好的數(shù)據(jù)集之一[16]，且有研究表明GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集在青藏高原地區(qū)在反映動態(tài)變化方面明顯好于MODIS NDVI[17]?？臻g分辨率為8 km×8 km，時(shí)間從1982年1月至2015年12月。同時(shí)為進(jìn)一步降低云、大氣、太陽輻射角等對NDVI數(shù)值的影響，本研究采用Savitzky-Golay濾波，最大值合成等方法對GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以保證研究數(shù)據(jù)的可靠性和研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)GLDAS（global land data assimilation system）是由美國戈達(dá)德空間飛行中心和環(huán)境預(yù)報(bào)中心聯(lián)合開發(fā)的高分辨的陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（http://ldas.gsfc.nasa.gov/gldas/GLDAS vegetation.php)，該數(shù)據(jù)集融合了地面觀測資料及遙感衛(wèi)星觀測資料，數(shù)據(jù)來源比較廣泛，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為3 h和月，包含CLM（community land model），NOAH（NCEP，OSU，air force and office of hydrology），MOSAIC和VIC（variable infiltration capacity）4種不同模式的數(shù)據(jù)[18]。與其他遙感數(shù)據(jù)相比GLDAS數(shù)據(jù)空間分辨率及時(shí)間分辨率較高，時(shí)間跨度長（1970至今），共包含降水、氣溫、土壤含水量等在內(nèi)的28個(gè)數(shù)據(jù)變量，數(shù)據(jù)變量豐富，同時(shí)由于雅魯藏布江流域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)匱乏，尤其上游地區(qū)基本沒有氣象站點(diǎn)分布，因而本研究選取GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)提供的月平均氣溫、降水、及土壤含水量數(shù)據(jù)分析雅魯藏布江流域干濕變化特征，時(shí)間范圍保持與GIMMS數(shù)據(jù)一致，即1982—2015年。

本研究使用的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），包括雅魯藏布江流域及其周邊20個(gè)國家基本氣象站的降水和平均氣溫的日序列資料，時(shí)間為1982—2015年，統(tǒng)一處理為月降水和月平均氣溫，用于評估GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)在雅魯藏布江流域的適用性。

1.3 研究方法

SPEI是在SPI（standardized precipitation index）的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散發(fā)量（potential evapotranspiration，PET）構(gòu)建的，與SPI相似，是基于概率模型的干旱指數(shù)[5,19]。SPEI主要考慮水資源投入和水資源產(chǎn)出，其計(jì)算結(jié)果表示在一定時(shí)期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中的水量過剩或水分虧缺情況。本研究中SPEI計(jì)算步驟可分為：基于Thornthwaite方法計(jì)算潛在蒸散發(fā)量（PET），計(jì)算降水與蒸散的差值；基于“歷史同月的累積水分虧缺量服從Log-logistic分布”這一假說，計(jì)算概率密度函數(shù)和累積概率，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布求得SPEI。具體計(jì)算方法如下[5]：

首先，計(jì)算潛在蒸散發(fā)量以及降水與潛在蒸散發(fā)的差值

式中為選擇的時(shí)間尺度；為序列的樣本數(shù)，=1,2,3…,；D為降水量與潛在蒸散量的差值；P為月降水量，mm；PET為月潛在蒸散量，mm。

其次，D數(shù)據(jù)序列的標(biāo)準(zhǔn)化：類似于SPI，SPEI采用3個(gè)參數(shù)的Log-logistic對D數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到概率分布函數(shù)()，其具體計(jì)算公式如下

式中()為概率分布函數(shù)，，，分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)，可由線性距法估算得到。

最后對擬合的概率分布函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)換，獲得對應(yīng)的SPEI值。

=1?()（3）

其中，常數(shù)0=2.515 5，1=0.802 9，2=0.010 3，1= 1.432 8，2=0.189 2和3=0.001 3[19]。SPEI負(fù)值表示干燥狀態(tài)，正值表示潮濕狀態(tài)。表1列出了基于SPEI的干旱等級分類標(biāo)準(zhǔn)。

表1 SPEI氣象干旱指數(shù)分類[20]

為描述SPEI和NDVI在1982—2015年間的時(shí)空變化趨勢，采取一元線性回歸法對研究區(qū)域內(nèi)的SPEI和NDVI的進(jìn)行分析。其具體計(jì)算公式如下

式中slope表示NDVI和SPEI的變化趨勢，表示研究時(shí)間范圍，34，C表示第年的SPEI或NDVI。對NDVI和SPEI的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（<0.01，極顯著變化；<0.05，顯著變化；>0.05，變化不顯著）。

本研究基于像元尺度分析NDVI和SPEI的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下

GLDAS-NOAH降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)在雅魯藏布江流域的適用性評估，采用相關(guān)系數(shù)（）、均方根誤差（RMSE）、平均偏差（MB）、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NSE），計(jì)算公式如下

2 結(jié)果與分析

2.1 GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)適用性評估

本研究采用1982—2015年雅魯藏布江流域內(nèi)及其周邊20個(gè)氣象站點(diǎn)月降水量和平均氣溫，對應(yīng)各氣象站點(diǎn)所在網(wǎng)格的GLDAS-NOAH月數(shù)據(jù)，通過、RMSE、MB，NSE 4個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，綜合評估GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)在雅魯藏布江流域的適用性。

2.1.1 GLDAS-NOAH降水?dāng)?shù)據(jù)適用性評估

實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)與GLDAS-NOAH降水?dāng)?shù)據(jù)的、RMSE、MB，NSE4個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 GLDAS-NOAH降水與站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

除波密站外（=0.57），GLDAS-NOAH月降水與站點(diǎn)實(shí)測月降水相關(guān)系數(shù)較高（0.80），表明GLDAS-NOAH可以較好地捕捉流域降水時(shí)態(tài)分布特征。呂洋等[21]對TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在雅魯藏布江流域的適用性研究中關(guān)于波密站降水也得出了相似的結(jié)論。除嘉黎、波密、丁青、類烏奇、那曲5個(gè)站點(diǎn)外，其余站點(diǎn)MB均大于0，表明GLDAS-NOAH月降水?dāng)?shù)據(jù)要偏大于站點(diǎn)實(shí)測月降水，變幅為?22.99～49.95 mm，占對應(yīng)站點(diǎn)實(shí)測多年平均降水量的0.07%～17.47%。RMSE范圍在21.23～81.45 mm，占對應(yīng)站點(diǎn)實(shí)測多年平均降水量的4.20%～29.44%。NSE變幅為?4.7～0.84，其中NSE小于0的4個(gè)站點(diǎn)與MB、RMSE偏差最大的4個(gè)站點(diǎn)保持一致（波密站除外），主要?dú)w因于站點(diǎn)周邊地形起伏劇烈，落差可高達(dá)4 000m以上，而測站本身地處河谷地區(qū)，測站的點(diǎn)尺度降水量無法準(zhǔn)確反映GLDAS-NOAH網(wǎng)格（0.25°×0.25°，約625 km2）平均降水量。因此，應(yīng)進(jìn)一步評估GLDAS-NOAH對于雅魯藏布江流域降水垂直帶性的模擬能力。

2.1.2 GLDAS-NOAH氣溫?cái)?shù)據(jù)適用性評估

GLDAS-NOAH氣溫?cái)?shù)據(jù)的評估結(jié)果如表3所示。相較于降水，GLDAS-NOAH對于氣溫時(shí)態(tài)分布特征的模擬效果更好（>0.80）；除嘉黎、那曲2個(gè)站點(diǎn)外，其余站點(diǎn)MB均小于0（?6.85℃≤MB≤?0.04℃），表明GLDAS-NOAH模擬的氣溫要低于站點(diǎn)實(shí)測氣溫；與降水模擬結(jié)果相似，GLDAS-NOAH模擬的月氣溫在波密站的效果最差（MB=6.85℃，RMSE=7.25℃，NSE=?0.63），而其他站點(diǎn)，GLDAS-NOAH對月氣溫的模擬效果明顯好于降水，體現(xiàn)在較小的RMSE≤5.37℃和較高的NSE（0.28≤NSE≤0.97）。

表3 GLDAS-NOAH氣溫?cái)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

2.1.3 流域尺度GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)適用性評估

考慮實(shí)測站點(diǎn)與GLDAS-NOAH網(wǎng)格尺度的不匹配，以及雅魯藏布江流域顯著的氣候垂直帶性，本研究進(jìn)一步評估了GLDAS-NOAH在流域尺度及不同高程帶的模擬能力。如圖2所示，GLDAS-NOAH模擬的降水、氣溫與實(shí)測降水、氣溫時(shí)間變化趨勢一致性較好，相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.97和0.99。然而，與站點(diǎn)尺度的評估結(jié)果一致，即GLDAS-NOAH模擬的流域降水較實(shí)測值偏高，而氣溫較實(shí)測值偏低。本研究核心問題在于辨識流域的干濕變化趨勢，而非干濕狀況的絕對值，并且適用性評估結(jié)果表明GLDAS-NOAH在站點(diǎn)尺度和流域尺度，均能較好地表征降水和氣溫的時(shí)程分布形態(tài)，因此GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)可以用于開展雅魯藏布江流域干濕趨勢變化的時(shí)間特征研究。

如表4所示，將20個(gè)氣象站點(diǎn)及其對應(yīng)的GLDAS-NOAH網(wǎng)格按高程分為4組，即：0～3 500 m、>3 500～4 000、>4 000～4 500、>4 500～5 000 m。GLDAS-NOAH模擬的降水和氣溫均隨高程的增加而降低，與實(shí)測數(shù)據(jù)保持一致，可以較好地表征流域氣候的垂直地帶分布特征。對于降水而言，GLDAS-NOAH在>3 500～4 000和>4 000～4 500 m 2個(gè)高程帶模擬的均值分別為640.4和619.7 mm，而觀測降水的均值分別為457.6和500.4 mm，相較于其他2個(gè)高程帶誤差較大，這主要?dú)w因于流域上游的隆子站（3 922 m），尼木站（3 813 m）和江孜站（4 025 m）與所對應(yīng)的GLDAS-NOAH網(wǎng)格平均降水的偏差較大，且流域上游高海拔地區(qū)實(shí)測站點(diǎn)稀疏。GLDAS-NOAH模擬的降水變幅在4個(gè)高程帶均與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近。相較于降水，GLDAS-NOAH對于氣溫垂直地帶性的模擬效果更好，除了誤差最大的波密站（2 926 m）所處的0～3 500 m高程帶，其他3個(gè)高程帶的均值和變幅均與實(shí)測數(shù)據(jù)較為一致。因此，GLDAS-NOAH模擬的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)可以用于探討雅魯藏布江流域干濕趨勢變化的空間特征。

表4 GLDAS-NOAH模擬降水和平均氣溫垂直地帶性特征評估

2.2 雅魯藏布江流域干濕演變特征

本研究分別計(jì)算了1、3、6和12個(gè)月這4種時(shí)間尺度的SPEI值，如圖3所示。其中SPEI 1表示計(jì)算該月SPEI時(shí)僅考慮當(dāng)月的水分虧缺情況；SPEI 3表示計(jì)算該月SPEI時(shí)考慮包含當(dāng)月在內(nèi)的3個(gè)月的水分虧缺情況，SPEI 6、SPEI 12以此類推。流域尺度上，各 SPEI 指數(shù)的變化曲線基本吻合，SPEI與NDVI的相關(guān)性分析表明，SPEI 12與NDVI相關(guān)性高于其他時(shí)間尺度的SPEI，具有更好的代表性，因此本研究采用SPEI 12探討流域的干濕演變特征。

注：SPEI 1、SPEI 3、SPEI 6和SPEI 12分別指1、3、6和12個(gè)月尺度的SPEI指數(shù)值。

2.2.1 干濕轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)

本研究基于年和生長季2個(gè)時(shí)間尺度探討雅魯藏布江流域干濕轉(zhuǎn)換特征，并根據(jù)雅魯藏布江植被生長狀況選取5—9月為生長季。為確定流域干濕轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，本研究選取Yamamoto、滑動t、Mann-Kendall（M-K）3種突變檢驗(yàn)方法[22]，分別對研究區(qū)年及生長季SPEI進(jìn)行突變檢驗(yàn)，如表5所示。對于年SPEI，Yamamoto和滑動檢測出SPEI分別于1998年、1997年發(fā)生突變；對于生長季SPEI，滑動檢測到SPEI于1997年發(fā)生突變。已有研究表明雅魯藏布江流域降水、氣溫、潛在蒸散發(fā)在2000年前后均發(fā)生了顯著變化[23-24]，結(jié)合SPEI的突變檢驗(yàn)結(jié)果，本研究推斷雅魯藏布江流域干濕狀況在20世紀(jì)90年代末發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

表5 年和生長季SPEI突變檢驗(yàn)結(jié)果

干濕轉(zhuǎn)換年份的確定是本研究的核心，SPEI突變檢驗(yàn)已推斷出流域干濕轉(zhuǎn)換發(fā)生在上世紀(jì)90年代末。SPEI的線性變化趨勢（圖4）進(jìn)一步表明，若以2000年為分界點(diǎn)，年SPEI在2000年前后呈現(xiàn)相反的變化趨勢，即2000年前以0.022/a的速率上升，2000年后以0.025/a的速率下降（<0.1，=16），研究區(qū)日趨干旱。與年SPEI相似，生長季SPEI在2000年前后也呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，即2000年前以0.016/a的速率上升，2000年后以0.021/a的速率下降?？傮w而言，1982－2015年雅魯藏布江流域總體呈現(xiàn)濕潤化趨勢，但進(jìn)入21世紀(jì)以后流域表現(xiàn)出顯著的干旱化趨勢。

圖4 SPEI在年和生長季的變化情況

徑流作為流域干濕狀況最直接的指示因子，已被廣泛用于流域干濕轉(zhuǎn)換特征研究[14,24-25]。為進(jìn)一步驗(yàn)證流域干濕轉(zhuǎn)換是否發(fā)生在2000年，本研究選取奴下水文站1982－2015年徑流資料進(jìn)行趨勢分析。奴下水文站位于雅魯藏布江流域下游，控制約80%的流域面積，其徑流量可以有效反映全流域干濕狀況。奴下水文站徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：以2000年為分界點(diǎn)，1982—1999年徑流量呈顯著增加趨勢（<0.1），2000—2015年徑流量呈顯著減少趨勢（<0.1）。若以1998—1999或其他任一年份為分界點(diǎn)，對所劃分的2個(gè)時(shí)間段的徑流量進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，均無法同時(shí)得出顯著增加和顯著減少趨勢。因此，本研究確定雅魯藏布江流域干濕轉(zhuǎn)換發(fā)生在2000年。

注：陰影代表SPEI突變檢驗(yàn)推斷出的干濕轉(zhuǎn)換時(shí)期

2.2.2 干濕轉(zhuǎn)換空間特征

雅魯藏布江流域氣象條件空間變異性大，為準(zhǔn)確反映流域內(nèi)干濕變化趨勢，本研究通過克里金插值分別得出2000年前后雅魯藏布江流域年以及生長季SPEI的空間分布圖，如圖6所示。對于年和生長季SPEI，2000年前研究區(qū)干旱地區(qū)主要集中于流域上游東部和中游地區(qū)，濕潤地區(qū)主要集中于上游西部和下游東南部，在2000年后研究區(qū)干旱地區(qū)主要集中于上游西部和下游東南部，表明雅魯藏布江流域2000前后干濕地區(qū)在空間上發(fā)生反轉(zhuǎn)。雅魯藏布江流域1982－2015年間呈現(xiàn)濕潤化趨勢主要與中游地區(qū)變濕有關(guān)，而2000年以后流域呈現(xiàn)干旱化趨勢主要?dú)w因于上游西部以及下游東南部變干。

圖6 年和生長季SPEI的空間分布

為進(jìn)一步探討2000年前后雅魯藏布江流域干濕特性空間反轉(zhuǎn)的原因，本研究基于像元尺度分析1982－2015年的年和生長季SPEI的變化趨勢并對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，如圖7所示?？梢钥闯鲅鹏敳夭冀饔蛏嫌挝鞑亢拖掠螙|南部呈現(xiàn)干旱化趨勢，而上游東部和中游地區(qū)呈現(xiàn)濕潤化趨勢，與圖6干濕狀況空間分布特征一致。就年SPEI而言，研究區(qū)內(nèi)55.47%的區(qū)域SPEI呈現(xiàn)上升的趨勢，即趨于濕潤化。其中，呈極顯著增加和顯著增加區(qū)域主要分布在中游地區(qū)；呈極顯著減少和顯著減少區(qū)域主要分布在研究區(qū)上游西北部及下游東南部地區(qū)。與年SPEI相似，研究區(qū)55.62%的區(qū)域生長季SPEI呈上升趨勢，其顯著性檢驗(yàn)的空間分布特征與年SPEI的保持一致。

注：P<0.01表示極顯著變化，P<0.05表示顯著變化，P>0.05表示變化不顯著，↓表示下降，↑表示上升，下同。

綜上所述，雅魯藏布江流域年及生長季SPEI時(shí)空變化特征基本一致，即在2000年前后流域干濕轉(zhuǎn)換的時(shí)空特征均發(fā)生反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。時(shí)間上，2000年以前流域呈現(xiàn)濕潤化趨勢，2000年以后呈現(xiàn)干旱化趨勢（圖4）；空間上，2000年以前濕潤地區(qū)主要集中在上游東部和下游東南部，2000年以后濕潤地區(qū)轉(zhuǎn)為上游西部和中游地區(qū)，干旱地區(qū)逐漸變濕，濕潤地區(qū)日趨干旱。

2.3 植被動態(tài)變化特征

根據(jù)雅魯藏布江流域SPEI時(shí)間變化特性，以2000年為分界點(diǎn)，分析年和生長季NDVI的時(shí)間變化趨勢，如圖8所示。就年平均NDVI而言，流域多年平均NDVI為0.27，1982－2015年間NDVI在0.25～0.28之間波動，整體以0.0002/a的速率顯著上升（<0.1，=34)，流域植被覆蓋度逐漸提高。但在2000年前后年平均NDVI呈完全相反的變化趨勢，即在2000年前NDVI以0.001/a的速率顯著上升（<0.1，=18），2000年后NDVI以0.0006/a的速率顯著降低（<0.1，=16)。生長季NDVI多年平均值0.34，變幅為0.31～0.35，以0.0002/a的速率不顯著上升（>0.1，=34）。與年NDVI相似，生長季NDVI在2000年前后也呈現(xiàn)出完全相反的變化趨勢，即2000年前NDVI以0.0015/a的速率顯著上升（<0.1，=18），2000年后NDVI以0.0009/a的速率顯著降低（<0.1，=16）。1982－2015年流域植被動態(tài)變化與干旱的時(shí)間變化趨勢保持一致，表明2000年以前流域植被覆蓋增加主要與流域逐漸變濕有關(guān)，而2000年以后流域植被覆蓋逐漸降低則與流域日趨干旱化有關(guān)。

圖8 年和生長季NDVI變化情況

年和生長季的NDVI空間分布如圖9所示。就年平均NDVI而言，雅魯藏布江流域約61.08%的區(qū)域NDVI值在0.1～0.3之間，多集中于中上游地區(qū)及下游高海拔地區(qū)，僅有5.59%的區(qū)域NDVI值在0.7以上，多集中于中游地區(qū)和下游東南部地區(qū)。流域內(nèi)從西北向東南NDVI逐漸升高，植被覆蓋逐漸增強(qiáng)，生長季流域內(nèi)植被覆蓋情況與年平均情況保持一致。

圖9 年和生長季NDVI空間分布

年和生長季NDVI在1982－2015年間的slope值及其顯著性空間分布如圖10所示。就年平均NDVI而言，流域內(nèi)約有60.1%區(qū)域NDVI的slope值大于0，即植被覆蓋度提升逐漸升高。其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，NDVI呈極顯著增加和顯著增加的區(qū)域主要分布于中游地區(qū)，極顯著減少和顯著減少的區(qū)域主要分布于上游西北部及下游東南部地區(qū)。與年尺度NDVI變化特性相似，生長季NDVI呈增加趨勢（slope>0）的區(qū)域約占整個(gè)流域面積的58.35%，其顯著性檢驗(yàn)的空間分布特征與年平均NDVI的保持一致。

圖10 年和生長季NDVI空間變化趨勢及顯著性檢驗(yàn)

雅魯藏布江上游地區(qū)植被覆蓋幾乎不發(fā)生變化或變化不顯著，這可能是由于雅魯藏布江流域上游地區(qū)土地覆蓋類型多為戈壁灘、冰川及高原草甸，受氣候變化影響較小；而在中游地區(qū)，除區(qū)域邊緣當(dāng)雄等高海拔地區(qū)外，其余地區(qū)植被覆蓋多呈顯著上升趨勢；流域下游地區(qū)，植被覆蓋多呈現(xiàn)出極顯著降低的趨勢，這與呂洋等[26]針對雅魯藏布江流域NDVI時(shí)空變化研究成果一致。結(jié)合流域干濕狀況的空間變化特征，可以發(fā)現(xiàn)流域中游地區(qū)和上游東部等逐漸濕潤地區(qū)的植被覆蓋逐漸增強(qiáng)，而下游地區(qū)和上游西部等干旱化地區(qū)的植被覆蓋逐漸降低。

2.4 植被對流域干濕轉(zhuǎn)換的響應(yīng)

本研究基于像元尺度，對1982－2015年雅魯藏布江流域年和生長季SPEI與NDVI進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖11所示。

注：P<0.01表示極顯著相關(guān)，P<0.05表示顯著相關(guān)，P>0.05表示相關(guān)不顯著，“+”表示正相關(guān)，“-”表示負(fù)相關(guān)，下同

年尺度上，流域約71.83%的區(qū)域SPEI和NDVI呈正相關(guān)。其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，SPEI與NDVI呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域主要集中在中游和上游地區(qū)的交界處以及下游地區(qū)的東南部；SPEI與NDVI呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域多集中于中游的東部地區(qū)和下游的西北部地區(qū)。生長季內(nèi)，流域約66.15%的區(qū)域SPEI與NDVI呈正相關(guān)，生長季SPEI與NDVI不同相關(guān)程度的空間分布與年NDVI與SPEI相關(guān)性的空間分布保持一致。

綜上所述，雅魯藏布江流域植被動態(tài)變化與流域干濕時(shí)空變化特征基本保持一致，即時(shí)間上，2000年以前流域呈現(xiàn)濕潤化趨勢，流域內(nèi)植被覆蓋逐漸增強(qiáng)，2000年后呈現(xiàn)干旱化趨勢，流域植被覆蓋逐漸降低；空間上，流域上游西部和下游東南部地區(qū)呈現(xiàn)變干趨勢，植被覆蓋逐漸降低，中游地區(qū)和上游東部地區(qū)呈現(xiàn)濕潤化趨勢，植被覆蓋逐漸增強(qiáng)。

2.5 流域干濕轉(zhuǎn)換的驅(qū)動因素

流域干濕特性是降水、氣溫等變化的綜合效應(yīng)，全球氣候變暖已導(dǎo)致干旱等極端事件頻發(fā)[2]。此外，土壤含水量是連接水循環(huán)、碳循環(huán)、能量循環(huán)的紐帶[27-28]，也是將植被生長和降水聯(lián)系起來的關(guān)鍵因素[29-30]。因此，辨識流域干濕特性變化的驅(qū)動因素，對生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源配置和社會經(jīng)濟(jì)等方面具有重要意義[31]。本研究基于GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)，分析了雅魯藏布江流域年和生長季降水、氣溫、潛在蒸散發(fā)的空間變化特征，結(jié)果表明年和生長季各氣候要素空間變化趨勢基本一致。如圖12所示，上游西部和下游東南部地區(qū)降水逐漸減少，氣溫和潛在蒸散發(fā)則呈升高趨勢；上游東部和中游西部地區(qū)降水、氣溫、潛在蒸散發(fā)均呈上升趨勢；中游東部地區(qū)降水呈增加趨勢，而氣溫和潛在蒸散發(fā)則呈降低趨勢。對比SPEI的空間分布及空間變化趨勢分析可以看出，流域內(nèi)濕潤化地區(qū)，降水呈增加趨勢，氣溫和潛在蒸散發(fā)呈降低趨勢，而流域內(nèi)干旱化地區(qū)，降水呈降低趨勢，氣溫和潛在蒸散發(fā)則呈升高趨勢。因此，流域2000年前后干濕特征的空間反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，主要?dú)w因于研究區(qū)降水、氣溫及潛在蒸散發(fā)的空間特征變化。

本研究提取GLDAS-NOAH數(shù)據(jù)集中的4層土壤含水量數(shù)據(jù)，土層深度分別為0～10、>10～40、>40～100、>100～200 cm，以4層土壤含水率之和表征研究區(qū)的土壤水含量。研究區(qū)域年和生長季的土壤含水量和SPEI之間的相關(guān)性分析及其顯著性檢驗(yàn)如圖13所示，就年平均土壤含水率和SPEI的相關(guān)分析可知，流域土壤含水率與SPEI的相關(guān)系數(shù)范圍為?0.204～0.923，且流域約99.59%區(qū)域的土壤含水率與SPEI之間呈正相關(guān)關(guān)系。其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，流域內(nèi)土壤含水率與SPEI呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域約占整個(gè)流域面積的92.17%。生長季土壤含水量與SPEI的相關(guān)系數(shù)范圍為?0.206～0.938，流域約99.65%的區(qū)域土壤含水率與SPEI呈正相關(guān)關(guān)系，其中，呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域約占整個(gè)流域面積的97.66%。由此可見雅魯藏布江流域干濕變化除受降水、氣溫影響外，土壤含水量也是不可忽視的驅(qū)動因素。

圖12 降水、氣溫、潛在蒸散發(fā)空間變化趨勢及其顯著性分析

圖13 年和生長季SPEI與土壤含水量相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)

3 結(jié) 論

基于全球陸面同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)GLDAS-NOAH，在其適應(yīng)性分析的基礎(chǔ)上，采用SPEI和NDVI，通過slope指數(shù)和相關(guān)分析探討1982－2015年雅魯藏布江流域干濕時(shí)空演變特征及植被的動態(tài)響應(yīng)，得出以下主要結(jié)論：

1）雅魯藏布江流域整體呈濕潤化趨勢，但2000年前后SPEI的時(shí)空特征均發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即時(shí)間上，2000年以前流域呈現(xiàn)濕潤化趨勢，2000年以后呈現(xiàn)干旱化趨勢；空間上，流域內(nèi)干旱地區(qū)逐漸變濕，濕潤地區(qū)逐漸變干，干濕地區(qū)空間分布發(fā)生反轉(zhuǎn)。

2）雅魯藏布江流域NDVI整體上呈現(xiàn)上升趨勢，即植被覆蓋逐漸升高，但2000年前后NDVI的時(shí)空特征也發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即時(shí)間上，2000年以前流域內(nèi)植被覆蓋逐漸增強(qiáng)，2000年以后流域內(nèi)植被覆蓋逐漸減弱；空間上，在植被覆蓋較好的區(qū)域，NDVI逐漸降低，植被覆蓋較弱的地區(qū)，NDVI呈現(xiàn)升高趨勢。

3）流域內(nèi)約71.83%的地區(qū)SPEI與NDVI呈正相關(guān)，且主要集中于中下游地區(qū)等植被覆蓋較好的地區(qū)，流域內(nèi)SPEI與NDVI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域所占面積較少，且不顯著。雅魯藏布江流域植被動態(tài)受干濕特征影響較大，氣溫和降水是影響植物覆蓋的主要因素。此外，流域內(nèi)92.17%以上的區(qū)域SPEI與土壤含水量呈正相關(guān)，表明土壤含水量也是反映流域干濕狀況不可忽視的驅(qū)動因素。

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Characteristics of dry and wet conversion and dynamic vegetation response in Yarlung Zangbo River basin

Liu Liu1,2, Niu Qiankun1,2, Heng Jingxia1,2, Li Hao1,2, Xu Zongxue3,4

(1.100083,;100083,;3.100875,;4.100875,)

Understanding the mechanisms underlying drying-wetting cycles and their consequence for vegetation dynamic is important for sustainable eco-environmental development in alpine regions. We investigated these in this paper by taking the Yarlung Zangbo River (YZR) basin in southeast Qinghai-Tibet Plateau as an example. The standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) in the region was calculated using the global land data assimilation system (GLDAS) from 1982 to 2015 to represent the drying-wetting cycles. The spatiotemporal variation of the dry-wet cycles and the responsive vegetation dynamic was investigated using the remotely sensed NDVI (normal difference vegetation index) from GIMMS (global inventory modeling and mapping studies). The results showed that: 1) Spatiotemporal variation of both precipitation and surface air temperature calculated from GLDAS agreed well with the ground-truth data. 2) The spatiotemporal changes in the dry-wet cycles calculated from the SPEI from 1982 to 2015 showed that the YZR basin became increasingly wet from 1982-1999 but changed course in 2000 and has been become increasingly drier since. In particular, the arid areas showed a tendency of wetting whereas the humid areas tended to become drying. 3) The overall vegetation calculated from the NDVI had been in increase from 1982 to 2000 but changed course in 2000 and has been in decline since. In terms of spatial distribution, areas with higher NDVI value represented vegetation degradation, while areas with lower NDVI represented an improvement in vegetation. 4) Approximately 71.83% of the areas saw a positive correlation between the SPEI and NDVI, mainly in the middle and low reaches of the basin which have a high vegetation coverage. Areas showing negative correlation between SPEI and NDVI were small and not statistically significant. The high consistency between spatiotemporal variation of the NDVI and SPEI indicated that the drying-wetting cycles played an important role in vegetation dynamics. 5) The driving forces of the dry-wet cycles were precipitation, surface air temperature, potential evapotranspiration and soil water content, which were consistent with that estimated from SPEI. In addition, the SPEI showed that soil water content was the dominant factor impacting the drying-wetting in 92.17% of the areas in the region. Results of this study have important implications for evaluating water cycles and the associated vegetation dynamics in alpine regions.

remote sensing; climate change; vegetation; dry-wet regime; GLDAS; GIMMS; Qinghai-Tibet Plateau

劉 瀏,牛乾坤,衡靜霞,李 浩，徐宗學(xué). 雅魯藏布江流域干濕轉(zhuǎn)換特征及植被動態(tài)響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(2)：175－184. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.021 http://www.tcsae.org

Liu Liu, Niu Qiankun, Heng Jingxia, Li Hao, Xu Zongxue. Characteristics of dry and wet conversion and dynamic vegetation response in Yarlung Zangbo River basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 175－184. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.021 http://www.tcsae.org

2019-04-09

2019-12-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91647202，51961145104）

劉 瀏，博士，副教授，研究方向：水文學(xué)及水資源。Email：liuliu@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.021

S127

A

1002-6819(2020)-02-0175-10