摘 要：全球氣候變暖及人類活動(dòng)的影響下，黃河流域內(nèi)蒙古段干旱事件增加，強(qiáng)度加重，干旱又通過水文循環(huán)影響區(qū)域植被生長(zhǎng)，從而破壞生態(tài)平衡?；跇?biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（SPEI）數(shù)據(jù)集、陸地儲(chǔ)水量數(shù)據(jù)以及歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，采用slope趨勢(shì)性分析、Pearson相關(guān)系數(shù)等方法，分析黃河流域內(nèi)蒙古段2003—2019年氣象干旱（SPEI）、水文干旱（SWSI）時(shí)空變化，并探究其對(duì)植被NDVI的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)氣象干旱呈下降趨勢(shì)（0. 012 3/a），而水文干旱呈上升趨勢(shì)（0. 02/a），均在研究區(qū)巴彥淖爾市地區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，干旱強(qiáng)度高的特點(diǎn)；植被NDVI整體呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)（0. 002 9/a），僅在巴彥淖爾市和呼和浩特市部分地區(qū)出現(xiàn)植被明顯退化的現(xiàn)象；SPEI與NDVI呈顯著正相關(guān)的面積占比為22. 65%，SWSI與NDVI呈顯著正相關(guān)的面積占比為43. 63%，SPEI、SWSI與NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)地區(qū)主要在巴彥淖爾市西部；干旱對(duì)植被的影響具有滯后性，氣象干旱和水文干旱分別集中在1、10月和1月，大部分地區(qū)的植被短期內(nèi)受水文干旱的影響較大。

關(guān)鍵詞：氣象干旱；水文干旱；NDVI；時(shí)滯影響；黃河流域內(nèi)蒙古段

中圖分類號(hào)：TV21；P426. 616 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）10-0051-14

Effect of Meteorological and Hydrological Drought Changes on Vegetation NDVI in InnerMongolia Section of Yellow River Basin

LU Jiaqi1， MENG Fanhao1，2*， LUO Min1，2， CHEN Hongguang1，2

（1. College of Geographical Science， Inner Mongolia Normal University， Hohhot 010022， China; 2. Key Laboratory of Remote Sensingand Geographic Information System， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010022， China）

Abstract： Under the influence of global warming and human activities， drought events in the Inner Mongolia section of the Yellow River Basin have increased in number and intensity， affecting the regional vegetation growth through the hydrological cycle and destroying ecological balance. Based on the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） dataset， terrestrial water storage data， and normalized vegetation index （NDVI） data， this paper analyzes the spatial and temporal changes of meteorological droughts （SPEI） and hydrological droughts （SWSI） in the Inner Mongolia section of the Yellow River Basin during 2003—2019 and investigates their impacts on vegetation growth. The results indicate that the meteorological drought in the study area shows a decreasing trend （0. 012 3/a）， while the hydrological drought shows an increasing trend （0. 02/a）， both of which feature long duration and a high droughtintensity in the study area of Bayannur city; the vegetation NDVI as a whole show a significant increasing trend （0. 002 9/a）， and obvious vegetation degradation appeared in some parts of Bayannur city and Hohhot city only. SPEI and NDVI are significantly positively correlated in 22. 65% of the area; SWSI and NDVI are significantly positively correlated in 43. 63% of the area; SPEI， SWSI， and NDVI are significantly negatively correlated mainly in the western part of Bayannur City. The effect of drought on vegetation is hysteretic; meteorological drought and hydrological drought are concentrated in January， October， and January， respectively， and the vegetation in most areas is affected more by hydrological drought in the short term.

Keywords： meteorological drought; hydrological drought; NDVI; lag effects; Inner Mongolia section of the Yellow River Basin

近年來，受全球變暖影響，水循環(huán)機(jī)制加速，導(dǎo)致極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)，其中干旱的次數(shù)和強(qiáng)度明顯上升［1］。干旱是指在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（通常為一個(gè)季節(jié)、一年或更長(zhǎng)時(shí)間）由于降水不足引起的水分收支不平衡的缺水現(xiàn)象［2-3］。通常情況下，干旱可以分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱這4種類型［4］。氣象干旱是導(dǎo)致其他干旱類型事件發(fā)生的基本條件［5-6］，而水文干旱的發(fā)生不僅受氣候變化的影響，還與地表水循環(huán)過程相關(guān)，通常指的是流域水量虧損現(xiàn)象［7］。由于植被容易受干旱引起的水分脅迫而進(jìn)一步影響其生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響植被生產(chǎn)力，持續(xù)嚴(yán)重的干旱甚至?xí)?dǎo)致大量植被的死亡［8］。因此有關(guān)植被對(duì)干旱的響應(yīng)研究對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外許多研究人員對(duì)干旱如何影響植被進(jìn)行了廣泛研究。Vicente等［8］利用年度和月度尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）來分析其與歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)干旱地區(qū)的植被對(duì)短期干旱反應(yīng)更敏感，而濕潤(rùn)地區(qū)的植被對(duì)長(zhǎng)期干旱反應(yīng)更敏感。Guo等［9］通過三維聚類算法來分析研究區(qū)域內(nèi)干旱事件的時(shí)空分布，并結(jié)合SPEI干旱指數(shù)與3種植被指數(shù)來探討干旱對(duì)植被的影響，研究表明水分脅迫是影響植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素；Breshears等［10］分析了全球變暖背景下干旱對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，指出當(dāng)干旱持續(xù)時(shí)間達(dá)到15個(gè)月時(shí)，可導(dǎo)致90%以上的植被死亡。郭雪嬌［11］利用SP（I Standardized Precipitation Index）與NDVI的相關(guān)性探究海河流域植被對(duì)水文干旱的響應(yīng)，研究表明，春冬兩季植被受水文干旱影響最大。肖祖香等［12］在三江源地區(qū)進(jìn)行植被對(duì)水文干旱的響應(yīng)研究中，表明該區(qū)域月度和季度干旱事件引起黃河源西南部地區(qū)植被減少。已有研究大多關(guān)注在不同尺度和使用不同的單一干旱指數(shù)探討干旱對(duì)植被的影響，有關(guān)多種干旱類型及其對(duì)植被影響的研究相對(duì)較少，難以全面了解干旱對(duì)植被的影響［13-14］。

在氣候變暖及人類活動(dòng)的影響下，黃河流域內(nèi)蒙古段呈現(xiàn)耕地顯著增加，草地和荒地顯著減少，輕度沙漠化土地占比緩慢增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)［15-16］。由干旱導(dǎo)致的草場(chǎng)退化以及作物受旱災(zāi)而引起產(chǎn)量下滑，嚴(yán)重影響流域生態(tài)健康及人民的生產(chǎn)生活。然而，目前對(duì)該區(qū)域多干旱類型對(duì)植被影響的研究相對(duì)較少。SPEI遵循水量平衡原理并結(jié)合蒸發(fā)數(shù)據(jù)，因此考慮因素更全面，更為嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)，被充分利用在氣象干旱的評(píng)估當(dāng)中。佟斯琴［17］在2019年利用SPEI指數(shù)來探討內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱時(shí)空變化，研究結(jié)果顯示SPEI指數(shù)在揭示內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱演變特征方面適用性良好。標(biāo)準(zhǔn)化陸地水儲(chǔ)量指數(shù)（Standardized Water Storage Index，SWSI）是一種水文干旱指標(biāo)，可以用來評(píng)價(jià)陸地水資源的虧損情況［18］。李曉英等［19］對(duì)SPI、VCI（Vegetation Condition Index）和SWSI進(jìn)行對(duì)比分析，得出SWSI整體表現(xiàn)較為良好，能夠有效監(jiān)測(cè)淮河流域旱情。因此，本研究以黃河流域內(nèi)蒙古段為研究區(qū)，通過對(duì)氣象干旱指數(shù)SPEI和水文干旱指數(shù)SWSI在近20 a的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并結(jié)合植被NDVI進(jìn)行相關(guān)性與時(shí)滯性分析，以探究氣象干旱與水文干旱對(duì)植被的影響。研究結(jié)果可為黃河流域內(nèi)蒙古段氣象干旱與水文干旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境治理及草地植被動(dòng)態(tài)防護(hù)提供理論支持和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

黃河流域內(nèi)蒙古段處于黃河流域最北端，屬于黃河流域中上游，位于北緯37°30'～41°50'，東經(jīng)106°00'～113°00'，流經(jīng)內(nèi)蒙古7個(gè)盟市，流域面積15. 5×104 km2，干流全長(zhǎng)約為830 km（圖1）。研究區(qū)海拔825～2 353 m，地形以高平原為主，擁有較大的地貌單元，如黃土高原、鄂爾多斯高原、河套平原等，其中河套平原屬黃河沖積平原，常出現(xiàn)許多氣象、水文事件［20］。該區(qū)域?qū)俑珊怠敫珊禋夂騾^(qū)，年均溫4～6 ℃，春季易發(fā)干旱、冬季漫長(zhǎng)寒冷。自然景觀由西向東從荒漠、草原、草甸到灌木、針葉、闊葉林逐漸過渡。研究區(qū)中西部荒漠區(qū)域?yàn)闉跆m布和沙漠邊緣地帶以及庫布齊沙漠，栽培植被主要分布在巴彥淖爾市內(nèi)的河套灌區(qū)，其為亞洲最大的一首制灌區(qū)，在農(nóng)業(yè)種植灌溉方面發(fā)揮著重要的支撐作用［20］。其他大部分地區(qū)植被覆蓋類型主要以草原為主，占總面積的52. 28%。

1. 2 數(shù)據(jù)來源

本文用于研究氣象干旱的SPEI數(shù)據(jù)來源于夏浩銘等［21］基于隨機(jī)森林回歸模型計(jì)算的2001—2020年全國范圍1 km分辨率月尺度SPEI數(shù)據(jù)集，通過格式轉(zhuǎn)換及掩膜提取等預(yù)處理，提取了該數(shù)據(jù)集中2003—2019年黃河流域內(nèi)蒙古段的SPEI數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集適用于研究黃河流域氣象干旱時(shí)空動(dòng)態(tài)研究［22］。本文用于計(jì)算SWSI的陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)來自于發(fā)布在PANGAEA地球和環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的全球陸地水儲(chǔ)量（GLWS2. 0）數(shù)據(jù)集（https：//doi. pangaea. de/10. 1594/PANGAEA. 954742），其時(shí)空分辨率為0. 5°/月，為保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，本文將上述柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一為WGS_1984坐標(biāo)系統(tǒng)，并重采樣為1 km。歸一化植被指數(shù)（NDVI）為來源于美國陸地過程分布數(shù)據(jù)檔案中心（https：//lpdaacsvc. cr.usgs. gov/appeears/）的NDVI數(shù)據(jù)集L3級(jí)產(chǎn)品MOD13A3 v061，時(shí)空分辨率為1 km/16 d。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射校正、幾何校正等預(yù)處理后得到年尺度的NDVI數(shù)據(jù)。本研究將NDVI<0. 15的區(qū)域進(jìn)行掩膜處理，認(rèn)作無植被區(qū)［23］。

1. 3 研究方法

1. 3. 1 干旱指數(shù)計(jì)算

本研究分別采用SPEI和SWSI作為黃河流域內(nèi)蒙古段氣象和水文干旱的表征。SPEI的計(jì)算方法是首先計(jì)算降水量與潛在蒸散量的差值序列，得到其累積概率值，再對(duì)其進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化［24］。根據(jù)GB/T 20481—2017《國家氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［25］，SPEI干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化陸地水儲(chǔ)量指數(shù)SWSI，需先用正態(tài)Q-Q圖對(duì)GRACE衛(wèi)星模擬的黃河流域內(nèi)蒙古段2003—2019年逐月陸地總水儲(chǔ)量變化量數(shù)據(jù)的實(shí)際分布與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的偏離程度進(jìn)行評(píng)估，見圖2。樣本點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)分位數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的理論分位數(shù)分布近似在一條直線上，說明陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)與正態(tài)分布的偏差不大，因此，SWSI表示為式（1）：

式中：Si，j為第i年j月的陸地水儲(chǔ)量變化量；Sj，mean為j月份的陸地水儲(chǔ)量變化量均值；Sj，ad為j月份的陸地水儲(chǔ)量變化量標(biāo)準(zhǔn)差。SWSI對(duì)干旱的表征標(biāo)準(zhǔn)同SPEI。

1. 3. 2 干旱頻率分析

干旱頻率作為干旱識(shí)別中重要的特征變量之一，通常能夠反映一個(gè)地域內(nèi)干旱發(fā)生的頻發(fā)程度［26］，以SPEI和SWSI像元為基本單位，計(jì)算黃河流域內(nèi)蒙古段的干旱頻率空間分布，見式（2）：

式中：f為SPEI和SWSI各像元的干旱頻率；n為SPEI和SWSI各像元上發(fā)生的干旱次數(shù)；N為研究時(shí)段。1. 3. 3 基于游程理論的干旱評(píng)估游程理論作為一種可以有效識(shí)別出持續(xù)災(zāi)害事件的強(qiáng)度、歷時(shí)和頻率等特征變量信息的重要手段，在干旱特征識(shí)別中被廣泛應(yīng)用［27］。其具體識(shí)別流程為：首先選定一個(gè)干旱閾值標(biāo)準(zhǔn)，再將干旱指數(shù)時(shí)間序列值與該閾值進(jìn)行比較，若某一時(shí)刻的干旱指數(shù)的值小于該閾值，說明這一時(shí)刻發(fā)生了干旱事件［28］，見圖3。在干旱發(fā)展過程中，其SPEI或SWSI值之和的絕對(duì)值為干旱強(qiáng)度，其值越大表明干旱越劇烈，干旱強(qiáng)度可用于衡量干旱的嚴(yán)重程度［29］。干旱歷時(shí)是指一次干旱事件自開始到結(jié)束所持續(xù)的時(shí)間，數(shù)值上等于干旱結(jié)束的時(shí)間減去干旱發(fā)生的時(shí)間，單位為月。

1. 3. 4 趨勢(shì)分析

基于一元線性回歸方法計(jì)算NDVI和干旱指數(shù)的年際變化趨勢(shì)，并通過最小二乘法擬合的斜率反映，當(dāng)斜率大于0時(shí)，說明有增大的趨勢(shì)，當(dāng)斜率小于0時(shí)，說明有下降的趨勢(shì)。變化趨勢(shì)見式（3）：

式中：Slope為NDVI或干旱指數(shù)的變化趨勢(shì)；n為時(shí)

間序列長(zhǎng)度；Xi為研究對(duì)象x第i年的平均值。

1. 3. 5 Sen's+Mann-Kendall趨勢(shì)分析

Sen's趨勢(shì)分析方法是一種利用中位數(shù)函數(shù)研究長(zhǎng)時(shí)間序列的分析方法，但其本身不能實(shí)現(xiàn)序列趨勢(shì)顯著性判斷。Mann-Kendall是一種用于評(píng)估序列趨勢(shì)的有效工具，它可以避免少數(shù)異常數(shù)據(jù)的影響，提高統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果的可靠性。因此引入該方法對(duì)序列趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到Sen's + Mann-Kendall趨勢(shì)分析方法［30-32］，以用于分析SPEI、SWSI及NDVI的空間變化趨勢(shì)，并對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。1. 3. 6 相關(guān)性分析通過計(jì)算NDVI與對(duì)應(yīng)的干旱指數(shù)相關(guān)系數(shù)，表示其與氣象干旱與水文干旱的相關(guān)性，見式（4）：

式中：n為研究時(shí)間段的累計(jì)年數(shù)rxy表示x和y的相關(guān)系數(shù)；xi、yi為第i年x和y的值；xˉ、yˉ為2個(gè)要素樣本值的平均值；rxy在-1～1，隨著rxy絕對(duì)值的增大，說明NDVI與干旱指數(shù)的相關(guān)性越強(qiáng)，反之越弱，當(dāng)rxy＞0表示相關(guān)性為正，rxy＜0，表示相關(guān)性為負(fù)［33］。最后采用T檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，將NDVI與干旱指數(shù)的相關(guān)程度劃分為顯著相關(guān)（0 ≤ P < 0. 05）和不顯著相關(guān)（P ≥ 0. 05）。

1. 3. 7 滯后性分析

本文采用最大相關(guān)系數(shù)及滯后時(shí)間定量表征不同干旱對(duì)植被的月際滯后效應(yīng)，見式（5）、（6）：

Rj= cor （P，SPEIj） （5）

Rmax= max（Rj） （6）式中：P為NDVI；Rj為SPEI和NDVI之間的相關(guān)系數(shù)；cor為皮爾遜相關(guān)函數(shù)；j為不同時(shí)間尺度；Rmax為NDVI對(duì)應(yīng)的不同干旱中的最大相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 黃河流域內(nèi)蒙古段氣象干旱與水文干旱的時(shí)空變化特征

2. 1. 1 黃河流域內(nèi)蒙古段氣象干旱時(shí)空變化特征

圖4a所示，SPEI在研究期間有下降趨勢(shì)（0. 012 3/a）。SPEI的最高與最低值分別出現(xiàn)在2003、2009年，其中SPEI在2003—2005、2008—2009、2012—2013年3個(gè)時(shí)間段呈顯著的下降趨勢(shì)，2005—2007、2009—2012年2個(gè)時(shí)間段有小幅回升。與桑婧［34］對(duì)黃河流域內(nèi)蒙古段降水量的研究中降水量的年際變化趨勢(shì)大體一致。整體而言，2012年以后研究區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)干旱的情況。

為了對(duì)黃河流域內(nèi)蒙古段年氣象干旱趨勢(shì)進(jìn)行定量分析，選用Sen's趨勢(shì)分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)共同反映旱情的空間變化趨勢(shì)。圖4b、4c所示，SPEI年空間變化趨勢(shì)為-0. 046～0. 038/a，區(qū)域上總體呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)（-0. 007/a）（P >0. 05）。SPEI呈顯著下降趨勢(shì)的地區(qū)主要分布在研究區(qū)西北部的巴彥淖爾市南部。參考陳永喆等［35］對(duì)黃河流域內(nèi)蒙古段的降水量、年均徑流、蒸散發(fā)等因素進(jìn)行分析得出，SPEI呈下降趨勢(shì)的地區(qū)近20 a降水量有下降趨勢(shì)，且蒸散量有上升趨勢(shì)?？傮w而言，從空間角度來看，干旱趨勢(shì)由南向北逐漸上升。

就年尺度氣象干旱頻率而言，黃河流域內(nèi)蒙古段年氣象干旱現(xiàn)象較為普遍（圖5a—5e），近20 a黃河流域內(nèi)蒙古段年氣象干旱平均發(fā)生頻率為33. 04%。在2003—2019年，黃河流域內(nèi)蒙古段不同等級(jí)氣象干旱頻率分析表明：研究區(qū)北部輕、中度干旱的發(fā)生頻率較高。嚴(yán)重干旱高頻區(qū)集中在包頭市、呼和浩特市及烏蘭察布市北部。極端干旱極少發(fā)生，頻率僅在0～3. 43%，偶見于鄂爾多斯市東南部和呼和浩特東北部少數(shù)區(qū)域。

通過應(yīng)用游程理論識(shí)別方法，本研究分析了2003—2019年黃河流域內(nèi)蒙古段氣象干旱的平均歷時(shí)、歷時(shí)總和及平均強(qiáng)度、強(qiáng)度總和。結(jié)果表明（圖6a—6d），該時(shí)期氣象干旱平均與歷時(shí)總和展現(xiàn)出較一致的空間分布模式，高值區(qū)主要位于鄂爾多斯市西部、巴彥淖爾市南部、包頭市南部、呼和浩特市及烏蘭察布市西部。干旱強(qiáng)度總和的高值區(qū)也與干旱歷時(shí)總和的高值區(qū)相似。這表明氣象干旱的歷時(shí)與強(qiáng)度在空間分布上呈正相關(guān)，指示長(zhǎng)期干旱往往伴隨更大干旱強(qiáng)度。此外，也觀察到短歷時(shí)但高強(qiáng)度的干旱事件，這種情況下，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水資源短缺。

2. 1. 2 黃河流域內(nèi)蒙古段水文干旱時(shí)空變化特征

圖7a所示，黃河流域內(nèi)蒙古段近20 a整體有變濕潤(rùn)的趨勢(shì)，SWSI總體呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)（0. 02/a）， SWSI的最高與最低值分別出現(xiàn)在2003、2006年。同SPEI一樣，于2003—2005年呈較明顯下降趨勢(shì)，2005—2011年SWSI值均在-0. 2以下，表明這期間發(fā)生了持續(xù)性干旱，2011年以后SWSI呈顯著上升趨勢(shì)，研究區(qū)總體呈現(xiàn)濕潤(rùn)化的情況。

利用Sen's趨勢(shì)分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)共同分析了2003—2019年黃河流域內(nèi)蒙古段的水文干旱空間變化趨勢(shì)（圖7b、7c），發(fā)現(xiàn)SWSI空間變化趨勢(shì)為-0. 022～0. 018/a，從東部向西部逐漸減小，呈顯著下降和顯著上升趨勢(shì)分別占總面積的14. 32%、26. 68%。顯著的下降趨勢(shì)主要出現(xiàn)在巴彥淖爾市中西部及其與鄂爾多斯市交界區(qū)，可能是由于氣候變化加劇了區(qū)域蒸散發(fā)，以及過度開采地下水和不合理的水資源管理導(dǎo)致水資源減少。

2003—2019年黃河流域內(nèi)蒙古段的年尺度水文干旱頻率分析表明（圖8a—8e），干旱發(fā)生頻率介于37. 74%～66. 17%。大部分地區(qū)年際水文干旱頻率超過50%。從不同等級(jí)水文干旱的發(fā)生頻率來看，研究區(qū)發(fā)生輕度水文干旱與中度干旱頻率較高，高頻區(qū)主要位于鄂爾多斯市的中西部、巴彥淖爾市西部以及烏蘭察布市東部。嚴(yán)重干旱主要以巴彥淖爾市西部和鄂爾多斯市東南部為高頻區(qū)。極端水文干旱較為罕見，頻率為0～6. 86%，主要分布于巴彥淖爾市東南部和鄂爾多斯市西南部少數(shù)地區(qū)。

在2003—2019年，黃河流域內(nèi)蒙古段的水文干旱特征表現(xiàn)出明顯的地域差異（圖9a—9d）：干旱歷時(shí)的分析顯示，巴彥淖爾市西部呈現(xiàn)出單次干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)但頻次較低的特點(diǎn)；相比之下，其他地區(qū)雖然平均歷時(shí)較短，但由于干旱頻繁，總歷時(shí)相對(duì)更長(zhǎng)。干旱強(qiáng)度分析顯示，阿拉善盟、烏海市和巴彥淖爾市東部是水文干旱強(qiáng)度總和較大的區(qū)域；與此相對(duì)，巴彥淖爾市西部和呼和浩特市東部等地水文干旱強(qiáng)度相對(duì)較低。

2. 2 黃河流域內(nèi)蒙古段植被NDVI時(shí)空變化特征

從黃河流域內(nèi)蒙古段NDVI年際變化時(shí)間序列看（圖10a），年均值為0. 18～0. 23，多年平均NDVI值為0. 19，總體呈顯著增加趨勢(shì)（P <0. 01）。黃河流域內(nèi)蒙古段主要植被類型是草地和農(nóng)田，占流域面積80%以上，其中鄂爾多斯市草地占比最高，巴彥淖爾市和呼和浩特市農(nóng)田占比較高。圖10b展現(xiàn)了黃河流域內(nèi)蒙古段植被覆蓋多年平均空間分布特點(diǎn)，研究區(qū)西北部有烏蘭布和沙漠和庫布齊沙漠，整體的植被覆蓋度偏低，空間上除河套灌區(qū)和呼和浩特市部分地區(qū)外，NDVI整體由西到東逐漸上升。

黃河流域內(nèi)蒙古段各地區(qū)NDVI序列隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖11。2003—2019年，研究區(qū)植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，研究區(qū)東部地區(qū)海拔較低的地方NDVI上升趨勢(shì)顯著。但在巴彥淖爾市河套灌區(qū)部分區(qū)域呈現(xiàn)NDVI顯著減少趨勢(shì)，其中烏梁素海常年有蘆葦水草覆蓋，植被覆蓋顯著減少可能與近年水質(zhì)改善有關(guān)［36］，而烏拉特后旗與杭錦后旗局部地區(qū)主要植被類型為荒漠植被和農(nóng)田，植被覆蓋顯著減少可能與近年沙漠化進(jìn)程有關(guān)［37］。

2. 3 植被NDVI與氣象干旱和水文干旱相關(guān)分析

2. 3. 1 氣象干旱對(duì)植被NDVI的影響

為了研究黃河流域內(nèi)蒙古段植被NDVI和SPEI之間的年際關(guān)系，通過相關(guān)性分析法在空間上逐像元計(jì)算了兩者之間的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，圖12為黃河流域內(nèi)蒙古段NDVI與SPEI年際相關(guān)系數(shù)的空間分布。結(jié)果表明，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)的22. 65%，主要分布在研究區(qū)NDVI值較低的地區(qū)，如鄂爾多斯西南部地區(qū)；呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)的10. 37%，主要分布在研究區(qū)NDVI值較高的地區(qū)，如巴彥淖爾市與呼和浩特市南部。由此可知，氣象干旱對(duì)植被有一定的影響，但影響不是特別顯著。

由于氣象干旱對(duì)植被的影響具有一定的滯后性，因此本文對(duì)黃河流域內(nèi)蒙古段植被對(duì)氣象干旱的滯后效應(yīng)進(jìn)行分析。將NDVI序列與滯后時(shí)間為0～12個(gè)月的月尺度SPEI進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)最大的月份定為最佳滯后時(shí)間。植被對(duì)氣象干旱的滯后時(shí)間空間分布見圖13，研究區(qū)氣象干旱對(duì)植被的滯后性表明，在低植被覆蓋度地區(qū)，NDVI對(duì)氣象干旱的滯后時(shí)間多為1個(gè)月左右；在植被覆蓋度較高的地區(qū)，滯后時(shí)間主要在9—11個(gè)月。整體來看，黃河流域內(nèi)蒙古段植被對(duì)氣象干旱的滯后時(shí)間平均在6個(gè)月左右，僅部分低植被覆蓋度地區(qū)滯后時(shí)間在1個(gè)月，研究區(qū)大部分植被對(duì)氣象干旱的響應(yīng)較慢。

2. 3. 2 水文干旱對(duì)植被NDVI的影響

為研究黃河流域內(nèi)蒙古段植被對(duì)同期水文干旱的響應(yīng)關(guān)系，本文對(duì)2003—2019年NDVI與年尺度SWSI進(jìn)行了相關(guān)性分析，圖14為黃河流域內(nèi)蒙古段年尺度NDVI與SWSI相關(guān)系數(shù)及其顯著性水平的空間分布，研究區(qū)呈顯著正相關(guān)面積占比為43. 63%，主要分布在研究區(qū)東北部邊緣以及研究區(qū)南部的草原地區(qū)。研究區(qū)呈顯著負(fù)相關(guān)面積占比為5. 96%，集中分布在巴彥淖爾市西部地區(qū)，原因可能是由于該地區(qū)屬農(nóng)業(yè)灌溉集中區(qū)域，在灌期會(huì)使用黃河水、地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，導(dǎo)致了地區(qū)水儲(chǔ)量減少；但農(nóng)業(yè)的發(fā)展使耕地面積增加促進(jìn)了植被覆蓋度的提高［38］。

為了解2003—2019年黃河流域內(nèi)蒙古段水文干旱累積效應(yīng)對(duì)植被NDVI變化的時(shí)間滯后影響，利用最大像元相關(guān)性所對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，定量表征黃河流域內(nèi)蒙古段水文干旱對(duì)植被NDVI的滯后效應(yīng)。研究區(qū)植被對(duì)水文干旱的滯后時(shí)間空間分布見圖15?？梢钥闯觯S河流域內(nèi)蒙古段植被NDVI對(duì)水文干旱SWSI的滯后時(shí)間在各月均有分布，以滯后一個(gè)月的像元為主，主要分布在巴彥淖爾市北部、包頭市東部、呼和浩特和鄂爾多斯大部分地區(qū)，不同植被類型及植被覆蓋度被對(duì)水文干旱的響應(yīng)存在差異。

3 討論

本文探討了氣象干旱與水文干旱對(duì)植被的影響，有助于揭示植被對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)于黃河流域內(nèi)蒙古段氣象干旱與水文干旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境治理及草地植被動(dòng)態(tài)防護(hù)具有重要意義。但研究還存在以下不足：由于本研究引用的是數(shù)據(jù)集，其本身就有一定的精度誤差，且SPEI涉及的氣象因素有限不能夠完整的反映氣象干旱；水文干旱以陸地水儲(chǔ)量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算出的SWSI為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，但因其分辨率略低，可能對(duì)水文干旱的監(jiān)測(cè)不夠細(xì)致。在時(shí)空特征的研究結(jié)果表明， SPEI整體呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)，但不同地區(qū)存在明顯的空間差異。這一點(diǎn)與顧錫羚［39］結(jié)論一致。SWSI整體呈上升趨勢(shì)，但在巴彥淖爾市呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，原因可能是該區(qū)域人類活動(dòng)如農(nóng)業(yè)灌溉為當(dāng)?shù)厮Y源增添了負(fù)擔(dān)［40］。申叢林等［41］對(duì)植被覆蓋時(shí)空變化的研究中NDVI呈現(xiàn)不顯著增長(zhǎng)，與本文結(jié)果一致。這一現(xiàn)象可能與氣候變化和近年在黃河流域內(nèi)蒙古段推進(jìn)的生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目有關(guān)，例如三北防護(hù)林項(xiàng)目、退耕還林還草、沙漠化治理等，這些項(xiàng)目促進(jìn)了區(qū)域植被恢復(fù)和覆蓋度的提升［35］。

在相關(guān)性分析中，NDVI與水文干旱的相關(guān)性更強(qiáng)，原因可能與下墊面植被類型不同有關(guān)，草原對(duì)陸地水儲(chǔ)量變化的響應(yīng)比耕地大。袁瑞強(qiáng)［42］在對(duì)蒙古高原植被對(duì)陸地水儲(chǔ)量的響應(yīng)研究中表明，草原、荒漠草原與陸地水儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。從植被對(duì)2種干旱的滯后時(shí)間上看，研究區(qū)植被對(duì)氣象干旱滯后時(shí)間多在10個(gè)月左右，而對(duì)水文干旱滯后時(shí)間多在1個(gè)月左右，這可能與氣象干旱和水文干旱之間存在時(shí)滯性聯(lián)系有關(guān)，在陳令儀等［43］對(duì)黃河流域氣象與水文干旱的時(shí)滯性研究中，發(fā)現(xiàn)黃河流域內(nèi)蒙古段水文干旱較氣象干旱滯后8—9個(gè)月，與本文的結(jié)果相符。綜上所述，本研究對(duì)黃河流域內(nèi)蒙古段的氣象干旱、水文干旱和植被覆蓋變化進(jìn)行了深入的分析，為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。然而，仍需進(jìn)一步研究氣象、水文和植被之間的復(fù)雜關(guān)系，以更好地應(yīng)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

本文基于2003—2019年SPEI數(shù)據(jù)、SWSI數(shù)據(jù)以及NDVI數(shù)據(jù)，通過一元線性回歸、Sen's + Mann-Kendall趨勢(shì)分析以及Pearson相關(guān)系數(shù)等方法分析了黃河流域內(nèi)蒙古段17 a氣象干旱、水文干旱以及NDVI時(shí)空變化特征及NDVI對(duì)2種干旱的響應(yīng)特征，主要結(jié)論如下：①2003—2019年，黃河流域內(nèi)蒙古段SPEI呈下降趨勢(shì)，而SWSI呈上升趨勢(shì)，在研究區(qū)北部和東部地區(qū)氣象干旱歷時(shí)和強(qiáng)度較高，對(duì)水文干旱的歷時(shí)與強(qiáng)度的分析表明，研究區(qū)水文干旱強(qiáng)度大的地方歷時(shí)較短；②研究區(qū)NDVI總體呈顯著增加趨勢(shì)，從空間上看，僅在巴彥淖爾市河套灌區(qū)和呼和浩特市部分地區(qū)植被出現(xiàn)退化的現(xiàn)象；③氣象干旱與水文干旱分別存在不同特征的影響，SPEI與NDVI呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在荒漠以及荒漠草原等NDVI較低的地區(qū)，占研究區(qū)的22. 65%，而SWSI與NDVI呈顯著正相關(guān)的地區(qū)占43. 63%，主要分布在草原地區(qū)。植被對(duì)氣象干旱的滯后時(shí)間多集中在1、10月，而對(duì)水文干旱的滯后時(shí)間集中在1月。

參考文獻(xiàn)：

［1］ CHU H S，VENEVSKY S，WU C， et al. NDVI-based vegetationdynamics and its response to climate changes at Amur-Heilongjiang River Basin from 1982 to 2015［J］. Science of the Total Environment， 2019， 650： 2051-2062.

［2］吳杰峰. 水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)及大型水庫的影響［D］. 福州：福建師范大學(xué)， 2017.

［3］ FENG K，SU X L，ZHANG G X， et al. Development of a new integrated hydrological drought index （SRGI） and its application in the Heihe River Basin， China［J］. Theoretical and Applied Climatology， 2020， 141（1/2）： 43-59.

［4］任璐. 基于Copula的汾河上游水文干旱頻率的多時(shí)間尺度分析［D］. 太原：太原理工大學(xué)，2016.

［5］DIKSHIT A，PRADHAN B，HUETE A. An improved SPEI drought forecasting approach using the long short-term memory neural network［J］. Journal of Environmental Management， 2021， 283. DOI： 10. 1016/j. jenvman. 2021. 111979.

［6］薛華柱，李陽陽，董國濤. 基于SPEI指數(shù)分析河西走廊氣象干旱時(shí)空變化特征［J］. 中國農(nóng)業(yè)氣象， 2022， 43（11）： 923-934.

［7］趙雪花，趙茹欣. 水文干旱指數(shù)在汾河上游的適用性分析［J］. 水科學(xué)進(jìn)展， 2016， 27（4）： 512-519.

［8］VICENTE-SERRANO SM，GOUVEIA C，CAMARERO J J， etal. Response of vegetation to drought time-scales across global land biomes［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2012， 110（1）： 52-57.

［9］GUO H，BAO A M，NDAYISABA F， et al. Space-timecharacterization of drought events and their impacts on vegetation in Central Asia［J］. Journal of Hydrology， 2018， 564： 1165-1178.

［10］BRESHEARS D D，COBB N S，RICH P M， et al. Regionalvegetation die-off in response to global-change-type drought［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2005， 102（42）： 15144-15148.

［11］郭雪嬌. 海河流域水文干旱特征及對(duì)植被的影響研究［D］. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2021.

［12］肖祖香，朱雙，羅顯剛，等. 三江源區(qū)多尺度水文干旱特征及植被的響應(yīng)［J］. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，49（6）：515-520，582.

［13］FAN Q，ZHAO A，ZHANG A，et al. Analysis of Spatiotemporal Characteristics of Drought and Flood in the Haihe River Basin from 1965 to 2015［J］. Singapore： Springer， 2019： 360-373.

［14］李夢(mèng)婷，李春光. 1961—2020年黃土高原地區(qū)氣象干旱時(shí)空演變特征研究［J］. 人民珠江，2023，44（11）：1-10.

［15］康健. 基于地理探測(cè)器的黃河流域內(nèi)蒙古段土地沙漠化時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.

［16］樊宇. 黃河內(nèi)蒙古段凌汛孕災(zāi)環(huán)境時(shí)空變化規(guī)律研究［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

［17］佟斯琴. 氣候變化背景下內(nèi)蒙古地區(qū)氣象干旱時(shí)空演變及預(yù)估研究［D］. 長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2019.

［18］王文，王鵬，崔巍. 長(zhǎng)江流域陸地水儲(chǔ)量與多源水文數(shù)據(jù)對(duì)比分析［J］. 水科學(xué)進(jìn)展，2015，26（6）： 759-768.

［19］李曉英，吳淑君，王穎，等. 淮河流域陸地水儲(chǔ)量與干旱指標(biāo)分析［J］. 水資源保護(hù)，2020，36（6）：80-85.

［20］史小紅，李暢游，賈克力. 烏梁素海污染現(xiàn)狀及驅(qū)動(dòng)因子分析［J］. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007（4）：37-39，117.

［21］夏浩銘，趙曉陽，趙偉. 基于隨機(jī)森林回歸模型的高分辨率SPEI數(shù)據(jù)集開發(fā)方法：CN202211123216. 8［P］. 2023-01-24.

［22］趙曉陽. 黃河流域干熱變化及對(duì)植被影響研究［D］.開封： 河南大學(xué)， 2023.

［23］烏日汗. 2001-2016年內(nèi)蒙古植被動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)， 2020.

［24］田甜，黃強(qiáng)，郭愛軍，等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)的渭河流域干旱演變特征分析［J］. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2016，35（2）：16-27.

［25］氣象干旱等級(jí)： GB /T 20481—2017［ S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

［26］何鑫，吳吉東，李穎，等. 基于SPEI的遼西地區(qū)氣象干旱時(shí)空分布特征［J］. 干旱區(qū)地理，2017，40（2）：340-347.

［27］馬秀峰，夏軍. 游程概率統(tǒng)計(jì)原理及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［28］和吉. 區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策研究［D］. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2015.

［29］李運(yùn)剛，何嬌楠，李雪. 基于SPEI和SDI指數(shù)的云南紅河流域氣象水文干旱演變分析［J］. 地理科學(xué)進(jìn)展， 2016， 35（6）： 758-767.

［30］謝勇，王爽，王恒陽，等. 東北三省NDVI時(shí)空變化特征及對(duì)氣候因子的響應(yīng)［J］. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2024，40（1）：71-78.

［31］郭富印，劉曉煌，張文博，等. 2000—2040年黃河流域（河南段）生境質(zhì)量時(shí)空格局演變及驅(qū)動(dòng)力分析［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2024（3）：599-611.

［32］奧勇，汪雅，王曉峰，等.近二十年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素分析［J/OL］.自然資源遙感：1-11［2024-05-13］. http：//kns. cnki. net/kcms/detail/10. 1759. p. 20231127.0757. 006. html.

［33］索玉霞，王正興，劉闖，等. 中亞地區(qū)1982年至2002年植被指數(shù)與氣溫和降水的相關(guān)性分析［J］. 資源科學(xué)，2009，31（8）：1422-1429.

［34］桑婧. 1981—2017年黃河流域內(nèi)蒙古段氣候及植被生態(tài)變化狀況［J］. 內(nèi)蒙古氣象，2021（1）：33-38，45.

［35］陳永喆，崔艷紅，張才金，等. 變化環(huán)境下黃河流域內(nèi)蒙古段植被與水文要素的時(shí)空協(xié)同演變［J］. 水資源保護(hù)，2024，40（2）： 141-149.

［36］李鳳云，曹冬梅，夏春雨，等. 2015—2022年烏梁素海水質(zhì)狀況及富營(yíng)養(yǎng)化程度分析［J］. 廣東水利水電，2023（9）：13-17， 23.

［37］康健，楊光，韓雪瑩，等. 黃河流域內(nèi)蒙古段土地沙漠化動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)力分析［J］. 草學(xué)，2022（6）：32-42.

［38］田雅楠，馬龍，吳全. 黃河流域內(nèi)蒙古段土地利用演變與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］. 生態(tài)科學(xué)， 2023，42（5）：103-113.

［39］顧錫羚. 全球變暖背景下內(nèi)蒙古草原植被因旱損失評(píng)估研究［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2023.

［40］王成坤. 河套灌區(qū)湖泊水體時(shí)空分布變化遙感監(jiān)測(cè)及其驅(qū)動(dòng)力分析［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2023.

［41］申叢林，楊光，韓雪瑩，等. 近20年內(nèi)蒙古黃河流域植被覆蓋時(shí)空變化［J］. 西部資源，2022（6）：174-179.

［42］袁瑞強(qiáng). 蒙古高原植被NDVI對(duì)陸地水儲(chǔ)量的響應(yīng)分析［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)， 2021.

［43］陳令儀，朱秀芳，唐誼娟，等. 黃河流域氣象水文干旱時(shí)滯效應(yīng)與影響因素分析［J］. 地理科學(xué)，2023，43（10）：1861-1868.