劉虹濤，秦新永，何華，王飛，黃昆

（1.甘肅省白龍江林業(yè)科學(xué)研究所，甘 肅蘭州 730000；2.甘肅白龍江森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 舟曲 746300；3.甘肅省白龍江林業(yè)生態(tài)監(jiān)測和調(diào)查規(guī)劃院，甘肅 蘭州 730000）

白龍江流域是我國滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)之一，生態(tài)脆弱[1-3]，在人為和自然因素的影響下，易造成環(huán)境退化，而頻發(fā)的災(zāi)害反過來加劇了流域生態(tài)脆弱性[4]。作為多功能體，植被對維持生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要[5-7]。歸一化植被指數(shù)（normalized differential vegetation index，NDVI）是反映地表植被狀況的遙感指標[8]，對分析植被與氣候關(guān)系、衡量地表植被和區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有重要指示作用[9-10]。近年來，眾多學(xué)者利用NDVI研究了植被動態(tài)變化及其與氣候因素的關(guān)系等[11-12]。然而，相關(guān)研究多以較大尺度或僅將像元NDVI最大值與氣候因素做相關(guān)分析為主[13-15]，忽略了較小尺度下NDVI的空間變化對植被與氣候因素之間關(guān)系的影響?；诖?，本文利用NDVI探討2000—2017年白龍江流域植被時空變化，及其對氣溫、降水、相對濕度和日照的響應(yīng)，以期揭示白龍江流域植被變化的驅(qū)動因素,為流域內(nèi)植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白龍江流域地處青藏高原、黃土高原、四川盆地交界處，102.5°～105.7°E、32.7°～34.4°N，位于新生代印度-亞洲板塊碰撞變形帶，主要包括甘南藏族自治州的碌曲縣、迭部縣和舟曲縣，甘肅隴南市的宕昌縣、文縣和武都區(qū)，以及四川廣元市青川縣等。全域海拔578～4 523 m，主要的地貌類型有河谷地貌、山地地貌和黃土地貌等。屬山地氣候，年均氣溫6～14.9 ℃，年均降水400～850 mm，溫度和降水由西北向東南逐漸增加，且降雨集中多暴雨。海拔由高到低植被分布依次為：高山草甸或基巖（4 100 m以上）、高山灌木林（3 700～4 100 m）、亞高山針葉林（800～3 700 m）。土壤類型為高山草甸土、棕壤、褐土等。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)來源于AtmosphereArchive and Distribution System網(wǎng)站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），分辨率 1 km，時間為 2000—2017年。年均氣溫數(shù)據(jù)來源于European Center for Medium-Range Weather Forecasts （ECMWF）網(wǎng)站（http://apps.ecmwf.int/datasets），年均降水數(shù)據(jù)來源于Climatic Research Unit （CRU）網(wǎng)站（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.03），分辨率1 km，時間為2000—2017年。年均相對濕度和年總?cè)照諘r數(shù)數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://www.geodata.cn），時間為 2000—2015年，分辨率1 km。2016—2017年相對濕度和日照時數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值V3.0（http://data.cma.cn/）。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心 （https://www.resdc.cn/Default.aspx），分辨率 250 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)由全國DEM數(shù)據(jù)和ArcGIS 10.2水文分析工具提取獲得。以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS 10.2進行填充洼地、流向分析、流量分析、河網(wǎng)分析、河流分級和柵格河網(wǎng)矢量化后獲得白龍江流域矢量邊界數(shù)據(jù)及流域內(nèi)河流數(shù)據(jù)。NDV數(shù)據(jù)是利用python對其進行邊界裁剪，使用MODISMRT工具進行預(yù)處理后，在ArcGIS 10.2中使用均值合成法合成后所得。年均氣溫、年總降水量、年相對濕度、年總?cè)照諘r數(shù)柵格數(shù)據(jù)經(jīng)ArcGIS 10.2重投影工具統(tǒng)一坐標系后，利用研究區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)對其進行掩膜提取，由此獲得所需研究區(qū)數(shù)據(jù)。2016—2017年年相對濕度和年總?cè)照諘r數(shù)柵格數(shù)據(jù)由中國地面氣候資料日值V3.0數(shù)據(jù)中氣象站點原始數(shù)據(jù)按年度累加整理后，利用ArcGIS 10.2反距離權(quán)重法對數(shù)據(jù)進行插值，最后得到各年度的年相對濕度及日照時數(shù)柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用線性最小二乘回歸的方法對年均NDVI以及年均氣溫、年總降水量、年相對濕度以及年均日照時數(shù)利用公式（1）進行計算，分析每個像元值在2000—2017年變化趨勢。

式中，slope表示變化斜率，單位為每年；n=18代表總年份數(shù)，i表示第幾年，表示第i年變量的值，分別代表年均NDVI、年均氣溫、年總降水量、年均相對濕度以及年均日照時數(shù)。slope＞0表示各變量在這 18 年間的變化趨勢為增加，反之slope＜0，表示變化趨勢減少。

通過計算Spearman秩相關(guān)系數(shù)并進行相關(guān)性分析，其計算公式：

式中，Ri、Si分別為變量在各自順序排列樣本中所占位置的次序（即秩），為 Ri、Si的均值，n=18代表總年份數(shù)。對線性趨勢Spearman相關(guān)分析的結(jié)果用F檢驗的方法對其顯著性進行檢驗公式如下:

式中，QR代表回歸平方和，回歸自由度為1，QE代表殘差平方和，n-2代表殘差自由度。i=1，2，3，……，n。wi為第i年變量y的值。為 i與變量w的線性回歸值，為變量w的n年平均。

3 結(jié)果與分析

3.1 全流域植被NDVI和氣候因素的變化趨勢

研究區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)F檢驗結(jié)果p-value＜0.1（封二，圖1a），即絕大多數(shù)地區(qū)通過檢驗，slope結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，slope的結(jié)果是可信的，p-value＜0.1的地區(qū)占研究區(qū)總面積的97.02%。2000—2017年植被年均NDVI變化趨勢范圍是－0.006 4～0.013 9，年均NDVI連續(xù)增加幅度為0～0.013 9，增加區(qū)域占比99.73%；減少幅度為－ 0.006 4～0，減少區(qū)域占比0.27%（封二，圖1b），及少許連續(xù)減少區(qū)域主要分布在迭部縣西部和武都區(qū)西北部。這表明白龍江流域大部分地區(qū)植被覆蓋呈增加趨勢，生態(tài)恢復(fù)效果明顯。

研究區(qū)氣溫雖都呈增加趨勢，但沒有地區(qū)通過檢驗。降水通過檢驗的地區(qū)占研究區(qū)17.66%，通過檢驗的地區(qū)，都呈增加趨勢（封二，圖2a、b），其中上游增加趨勢比下游明顯（封二，圖2c、d）。相對濕度增加幅度為0～0.200 0，減少幅度為－0.285 7～0，總?cè)照諘r數(shù)增加幅度為0～9.428 6，減少幅度為－22%～0%（封二，圖2e）。其中相對濕度通過檢驗的地區(qū)主要分布在河流中上游，占研究區(qū)45.09%（封二，圖2f），總?cè)照諘r數(shù)通過檢驗的地區(qū)主要分布于流域中游的宕昌縣、上游的碌曲縣和若爾蓋縣，占研究區(qū)32.56%（封二，圖2h）。

3.2 全流域植被NDVI和氣候因素的相關(guān)關(guān)系

植被年均NDVI與各氣候因素的空間相關(guān)性分析結(jié)果表明，大部分區(qū)域年均氣溫與年均NDVI無相關(guān)關(guān)系，少部分呈顯著正相關(guān)，主要分布在中游地區(qū)（封三，圖3a、b）。除極少部分區(qū)域外，流域內(nèi)年總降水量與年均NDVI呈顯著正相關(guān)，其中上游高海拔和下游河干流周邊區(qū)域相關(guān)性較強（封三，圖3c、d）。氣溫和降水量與植被覆蓋度的關(guān)系，在高彥凈等人的研究中也得以證實[4]，表明該區(qū)域植被對氣溫和降水的響應(yīng)相對一致，且植被對氣溫和降水的需求都存在上升的空間[10]。在中上游地區(qū)，年均NDVI與年相對濕度顯著負相關(guān)（封三，圖3e），而在下游存在少部分地區(qū)二者顯著正相關(guān)（封三，圖3f）。年總?cè)照諘r數(shù)與年均NDVI之間的關(guān)系與年相對濕度類似（封三，圖3g、i）。相對濕度和日照時數(shù)與植被覆蓋的關(guān)系，和徐麗萍、張含玉和劉靜等人的研究結(jié)果類似[10,17-18]。

上游地區(qū)地勢起伏較大，地廣人稀，因此根據(jù)已有研究推斷，在本研究區(qū)氣候因素對植被覆蓋的影響強于人為因素[19]。盡管白龍江流域上游地區(qū)氣溫和降水都呈增加趨勢，但變化不顯著或僅有極少部分區(qū)域變化顯著（封三）。結(jié)合上游地區(qū)相對濕度呈顯著減少趨勢，以及其與植被覆蓋呈顯著負相關(guān)來看，河流上游空氣條件相對干燥，導(dǎo)致降雨量的減少，使得上游地區(qū)土壤水分條件相對貧乏[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，植被處于水分貧乏的條件下，相對濕度的增加可能會降低植物葉片氣孔導(dǎo)度，從而對植被的生長產(chǎn)生負效應(yīng)[20-21]。與此同時，中上游地區(qū)的總?cè)照諘r數(shù)與年均NDVI呈顯著負相關(guān)（封三，圖4i），可能也與該區(qū)域水分相對缺乏有關(guān)。通常，日照時數(shù)影響植物進行光合作用的時間長短，日照時數(shù)減少，植物進行光合作用所儲存的能量越少，因此用于植被生長的能量分配越少，越不利于植被的生長發(fā)育[22]。但當植物受到水分脅迫時，光照對植物的影響應(yīng)考慮到光合有效輻射和植物對光的抑制效應(yīng)[10,23]。

在下游少部分地區(qū)，相對濕度和總?cè)照諘r數(shù)與年均NDVI顯著正相關(guān)，如流域與四川盆地交界處、武都區(qū)北部和青川縣等地，表明相對濕度和總?cè)照諘r數(shù)在該區(qū)域還未達到植被生長的需求限度[10]。與此同時，流域中下游所處溫帶半濕潤-亞熱帶濕潤氣候區(qū)，相比于上游來說，氣溫和降水都有所增加，水分條件充足[24]，因此，隨著日照時數(shù)和相對濕度的增加，即使蒸發(fā)速率加快，但不會影響植被光合作用能力的增加，從而促進植被生長[25-26]。

總的來說，植被覆蓋呈顯著增加的區(qū)域與氣候因素的相關(guān)性較弱。例如宕昌縣、武都區(qū)和文縣等地的植被覆蓋呈顯著增加，但該區(qū)域氣溫和降水與其的相關(guān)性較弱，說明氣溫和降水對該區(qū)域植被覆蓋的增加影響有限，存在其他因素也會使植被覆蓋增加。近年來，隨著白龍江流域生態(tài)建設(shè)的實施，如宕昌縣1989—2008年、武都區(qū)1999—2009年分別造林552.6 km2和1 471.2 km2，勢必會增加該區(qū)域的植被覆蓋。因此，植被覆蓋的增加是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果[4]。值得注意的是，下游地區(qū)植被覆蓋類型多以喬木為主[4]，但本研究由于遙感影像分辨率不高，不能對人工林和天然林進行區(qū)分[27]，所以在今后的研究中，關(guān)于下游地區(qū)植被覆蓋對氣候變化的響應(yīng)，應(yīng)剔除或充分考慮灌溉等人為因素的影響。

4 結(jié)論

本文基于MOD13A3/NDVI歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，使用線性趨勢分析、Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析的方法，分析了2000—2017年白龍江流域植被覆蓋和氣候因素的變化及其相關(guān)關(guān)系，探討了植被覆蓋對氣候因素的響應(yīng)，得出以下結(jié)論:

1）從2000至2017年，白龍江流域全域植被覆蓋增加趨勢明顯，通過檢驗變化區(qū)域占總面積的97.02%，表明該流域近18年植被覆蓋整體提高，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)明顯。建議保持現(xiàn)有的生態(tài)建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略，并在此基礎(chǔ)上進一步改善該流域生態(tài)環(huán)境。

2）在全流域大部分地區(qū)，植被覆蓋與氣溫和降水呈正相關(guān)，與相對濕度和日照時數(shù)呈負相關(guān)，表明白龍江流域植被對不同氣候因素的響應(yīng)比較一致，即植被與氣候因子的關(guān)系具有空間同質(zhì)性特點。

3）全流域少部分地區(qū)，植被覆蓋呈顯著增加的區(qū)域與氣候因素的相關(guān)性較弱，表明氣溫和降水對該區(qū)域植被覆蓋的增加影響有限，可能是生態(tài)建設(shè)的原因使植被覆蓋增加。因此，2000—2017年白龍江流域植被覆蓋的增加是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。