王 鵬，王雁鶴，韓小龍，韓 昊，張德明，張秉強(qiáng)

(中國地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心，青海 西寧 810000)

0 引言

植被覆蓋面積的大小可以反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的狀況，而多年植被覆蓋面積的變化則直觀反映了植被生態(tài)環(huán)境隨時(shí)間的變化規(guī)律[1-10]。作為我國西北干旱-半干旱地區(qū)的代表，黑河流域的植被覆蓋狀況能夠反映西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的整體情況，體現(xiàn)西北干旱地區(qū)的植被模式[11-12]。過去30 a中，由于氣候變化和人為影響，黑河流域的植被覆蓋發(fā)生了很大變化[13]。因此，近年來越來越多的專家學(xué)者開始關(guān)注黑河流域的植被空間分布和變化規(guī)律[14-21]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)對(duì)植被的物理特征十分敏感，通常被用來進(jìn)行區(qū)域尺度的植被分類和覆蓋度研究[22-24]。前人應(yīng)用NDVI估算植被覆蓋度的方法在其他地區(qū)提取的植被覆蓋度精度相對(duì)較高，平均可達(dá)79.4%[25-26]。李旭譜等[27]基于 SPOT VGT-NDVI 數(shù)據(jù)，分析了黑河流域1999—2010年間植被覆蓋變化情況，結(jié)果顯示流域內(nèi)的植被覆蓋有逐步改善的趨勢；韓輝邦等[28]利用1982—2006年NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)分析了黑河流域植被的周期性變化特征，指出氣溫與降水是影響植被變化的主要?dú)夂蛞蛩兀籑a等[29]根據(jù)AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)研究了1982—2001年黑河流域植被覆蓋的時(shí)空變化趨勢，發(fā)現(xiàn)1993年后黑河中、下游植被覆蓋整體趨勢略有減少。然而上述研究的時(shí)間較早，因此需要新的信息反映黑河流域當(dāng)前的植被覆蓋狀況。

本研究選取黑河流域1990—2019年間84個(gè)時(shí)相月度NDVI空間分布數(shù)據(jù)開展植被覆蓋度分析研究，使用像元二分模型估算植被覆蓋度，分析植被覆蓋度的空間分布格局，通過一元線性回歸方法討論植被覆蓋的時(shí)空變化趨勢。此外，本研究結(jié)合近30 a來的氣溫?cái)?shù)據(jù)探討了氣溫對(duì)植被覆蓋的影響，為黑河流域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)及城市發(fā)展決策提供了科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

黑河流域是中國西北干旱-半干旱地區(qū)第二大的內(nèi)陸河流域，位于E97.1°～102.0°、N37.7°～42.7°，流經(jīng)青海省、甘肅省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，總面積約14.3萬km2[30-31](圖1)。黑河流域?yàn)榈湫偷拇箨懶愿珊禋夂?，日照充足，氣候干燥，降水稀少，多年平均降水量?00～500 mm/a。流域境內(nèi)景觀分異強(qiáng)烈，從南到北分布了高山冰雪帶、草原森林帶、平原綠洲帶及荒漠戈壁帶等不同的自然地理單元，各個(gè)單元具有獨(dú)特的地質(zhì)地貌、水文氣象、土壤植被等條件。上游祁連山區(qū)為流域源頭，中游河西走廊是以灌溉農(nóng)田為主的人工綠洲，下游水資源量急劇減少，地貌景觀以戈壁、裸地、沙漠和草原為主，平均海拔約1 000 m，年降水量不到100 mm[29,32]。

圖1 研究區(qū)地理位置與2020年土地利用類型概圖Fig.1 Overview of the geographical location and 2020 land use types in the study area

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的NDVI數(shù)據(jù)部分下載于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)，空間分辨率為30 m。數(shù)據(jù)集包含1990、1995、2000、2005、2010、2015、2019年共7年84期月度NDVI影像。為了有效減少大氣中云、氣溶膠、云陰影、視角及太陽高度角的影響，數(shù)據(jù)基于最大值法(Max Value Composition，MVC)合成。數(shù)據(jù)集已經(jīng)過輻射校正、大氣校正等預(yù)處理，后期使用ArcMap工具對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行裁剪、鑲嵌等處理，通過軟件計(jì)算將流域植被覆蓋較好的4—10月NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到黑河流域年度NDVI數(shù)據(jù)集用于研究分析。

本研究使用的氣溫?cái)?shù)據(jù)下載于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/data)，從該網(wǎng)站下載黑河流域10個(gè)氣象臺(tái)站的日值氣溫?cái)?shù)據(jù)，其中上游臺(tái)站5個(gè)(阿柔站、埡口站、大沙龍站、景陽嶺站、司大隆站)，中游臺(tái)站3個(gè)(大滿超級(jí)站、花寨子站、張掖濕地站)，下游臺(tái)站2個(gè)(混合林站、荒漠站)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，挑選所需數(shù)據(jù)，本研究使用的大于0 ℃的年積溫是對(duì)站點(diǎn)全年大于0 ℃的日氣溫進(jìn)行累加的結(jié)果。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC)是指植被的葉、莖、枝在地面的垂直投影面積占單位面積的百分比[33]，與NDVI之間存在極強(qiáng)的線性關(guān)系[34]。像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度的計(jì)算公式為

(1)

式中：fvc為植被覆蓋度；NDVI為像元的歸一化植被指數(shù)值；NDVIsoil為無植被覆蓋像元的NDVI值；NDVIveg為完全由植被覆蓋的像元的NDVI值。

像元二分模型的主要思想為：假設(shè)像元光譜由純植物光譜與純裸土光譜線性混合而成，將植被覆蓋度定義為任一像元的NDVI在純植物像元植被指數(shù)(NDVIveg)與裸土植被指數(shù)(NDVIsoil)之間的線性插值。因此，計(jì)算植被覆蓋度的關(guān)鍵是NDVIsoil和NDVIveg的取值[35-37]。結(jié)合黑河流域植被覆蓋的實(shí)際情況和前人研究經(jīng)驗(yàn)[38-40]，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，本研究選定土地利用單元內(nèi)累積頻率為0.5%的值為NDVIsoil，土地利用單元內(nèi)累積頻率為99.5%的值為NDVIveg，代入式(1)，通過 ArcGIS 10.7運(yùn)算即得到研究區(qū)的歷年植被覆蓋度。

為了詳細(xì)比較不同時(shí)間和空間位置上的植被覆蓋情況，本研究根據(jù)FVC值對(duì)研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋情況進(jìn)行了分級(jí)。依據(jù)黑河流域的植被結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合前人的相關(guān)研究[40-41]，經(jīng)多方案試驗(yàn)并參考野外考查結(jié)果，將植被覆蓋情況分為5級(jí)(表1)。

表1 植被覆蓋度等級(jí)劃分Tab.1 Classification of vegetation coverage

2.2.2 植被覆蓋度變化趨勢計(jì)算

植被覆蓋度變化趨勢的估算通常使用一元線性回歸分析方法[42]，該方法不僅可以滿足在若干時(shí)間節(jié)點(diǎn)的長時(shí)段內(nèi)模擬變化趨勢的要求，還可以為認(rèn)識(shí)空間演變規(guī)律提供指示信息。本文采用該方法反映植被覆蓋度的變化規(guī)律，計(jì)算公式為

(2)

式中：n為研究時(shí)段的年數(shù)；fvci為第i年的植被覆蓋度；θslope是植被覆蓋度在研究年段期間的變化斜率，其正負(fù)可以指示植被覆蓋度的變化趨勢。當(dāng)θslope>0時(shí)，代表植被覆蓋情況改善，呈增加趨勢；當(dāng)θslope=0時(shí)，代表植被覆蓋度沒有變化，保持穩(wěn)定；當(dāng)θslope<0時(shí)，代表植被覆蓋情況退化，呈減少趨勢。此外，θslope值越大代表植被覆蓋度增加的速度越快，即植被覆蓋情況改善越迅速，反之則退化越迅速。因此，通過θslope值的正負(fù)及大小，可以判斷一個(gè)地區(qū)地表植被的活動(dòng)情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 植被覆蓋度空間格局分布特征

依據(jù)自然地理常識(shí)及前人研究[43]，選取黑河流域每年植被生長狀況較好的生長季(4—10月)的植被覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。根據(jù)研究年份生長季的植被覆蓋度數(shù)據(jù)制成研究區(qū)不同時(shí)期的植被覆蓋度等級(jí)空間分布圖(圖2)。黑河流域的植被覆蓋度表現(xiàn)出明顯的空間差異，流域內(nèi)以無植被覆蓋區(qū)為主，高、中高、中和低植被覆蓋區(qū)面積相對(duì)較小。在空間分布上，黑河流域的植被覆蓋度呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢，高、中高植被覆蓋主要分布在上游山區(qū)，中游平原地區(qū)主要為中高、低植被覆蓋，下游除額濟(jì)納旗和部分地區(qū)為中、低植被覆蓋外，其他區(qū)域主要為低植被覆蓋或無植被覆蓋，地貌景觀主要為荒漠。植被覆蓋情況出現(xiàn)區(qū)域差異是黑河流域水資源空間分布格局造成的:上游祁連山區(qū)降水量大，適宜的溫度促進(jìn)了冰川消融，水資源豐富;下游額濟(jì)納旗地區(qū)是荒漠草原區(qū)，降水量小，氣溫高，蒸發(fā)量大，水資源匱乏。

根據(jù)年植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，制成研究區(qū)不同時(shí)期各等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)表(表2)。由表2可知，1990—2019年，黑河流域有植被覆蓋區(qū)域的面積呈微弱上升的趨勢；1990—2000年間，無植被覆蓋區(qū)面積基本維持穩(wěn)定；2000年之后，無植被覆蓋區(qū)面積逐漸減少，無植被覆蓋區(qū)可能向其他的植被覆蓋類型轉(zhuǎn)化。1990—2000年，低植被、中植被覆蓋區(qū)面積略有減少，從2005年開始，低植被覆蓋區(qū)面積逐年上升，而中植被覆蓋區(qū)面積整體呈波動(dòng)上升趨勢，指示生態(tài)環(huán)境在逐漸恢復(fù)，恢復(fù)區(qū)主要分布于黑河流域下游，可能得益于2000年前后開始實(shí)施的黑河分水計(jì)劃。中高植被覆蓋區(qū)面積自1990年開始一直呈上升趨勢，大部分由無植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)換而來，高植被覆蓋區(qū)面積30 a間變化不大，無明顯變化趨勢。

(a)1990年 (b)1995年 (c)2000年

表2 黑河流域不同時(shí)期各等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Area statistics of each vegetation coverage in Heihe River Basin during different periods

3.2 植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢特征

將1990—2019年植被覆蓋度影像數(shù)據(jù)代入式(2)，在ArcMap 10.7 軟件中進(jìn)行制圖，得到黑河流域近30 a以來的植被覆蓋變化程度空間分布(圖3)。

圖3 1990—2019年黑河流域植被覆蓋變化程度空間分布Fig.3 Distribution of vegetation coverage changes in Heihe River Basin from 1990 to 2019

結(jié)果顯示：1990—2019年流域大部分區(qū)域的植被覆蓋度維持不變或增加，僅少數(shù)地區(qū)的植被覆蓋度有所減少(表3)。植被覆蓋度增加區(qū)域的面積遠(yuǎn)大于退化區(qū)域。植被覆蓋度極顯著增加的區(qū)域主要分布在祁連山東南側(cè)、中游城市周邊及靠近黑河兩側(cè)的區(qū)域；植被覆蓋度顯著減少或極顯著減少區(qū)域的面積較小，主要分布于黑河下游和中游的部分地區(qū)，上游也有零星出現(xiàn)，主要對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)橹杏螐堃词猩降たh、甘州區(qū)、臨澤縣和高臺(tái)縣，以及下游部分荒漠地區(qū)。

表3 1990—2019年黑河流域植被覆蓋變化程度統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of vegetation coverage changes in Heihe River Basin from 1990 to 2019

3.3 流域氣溫變化特征

大于0 ℃的年積溫是影響植被生長的重要因素，會(huì)極大地影響植被生長的適宜性。本文對(duì)1990—2019年黑河流域大于0 ℃年積溫的變化進(jìn)行了趨勢分析(圖4)，結(jié)果顯示流域平均大于0 ℃年積溫在下游最大，約4 650 ℃；中游次之，約3 000 ℃；上游最小，約1 340 ℃。1990—1995年，流域大于0 ℃年積溫有一個(gè)較大幅度的升高，自2000年至今，年積溫呈波動(dòng)上升趨勢，2005年和2015年的年積溫最低，中游增加幅度最大，下游次之，上游最小。

(a)上游 (b)中游 (c)下游圖4 黑河流域大于0 ℃年積溫變化趨勢圖Fig.4 Trend chart of the 0 ℃ annual accumulated temperature change in Heihe River Basin

3.4 討論

氣溫是控制地球表面一切生物物理化學(xué)過程的主要因子，植被生長需要適宜的溫度范圍，溫度過高或過低都會(huì)阻礙植被生長。此外，氣溫的升高或降低會(huì)導(dǎo)致流域內(nèi)其他自然要素的變化，進(jìn)而影響植被的生長。溫度升高會(huì)導(dǎo)致冰川消融、積雪融化，使流域徑流和降水量增大，改變流域水資源供給，進(jìn)而影響植被的生長變化。溫度過高會(huì)提高蒸散發(fā)，增加植被對(duì)水資源的需求，使土壤水分減少，加劇土地沙漠化，導(dǎo)致植被覆蓋退化。相反，當(dāng)氣溫低于植被生長的需要?jiǎng)t會(huì)使植被生長受阻[44]。

研究區(qū)現(xiàn)有的水資源分布格局為從南部祁連山區(qū)到北部內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗逐漸減少，這是由研究區(qū)降水、地形及海拔梯度共同決定的[45-47]。水資源分布格局在一定程度上影響了該地區(qū)植被的分布區(qū)域，使地面植被覆蓋從南向北形成了由溫帶山地森林草原到荒漠植被的分布規(guī)律(圖2)。

在全球氣溫持續(xù)升高的大背景下，我國平均氣溫的增加速度明顯高于全球均溫增速，其中以我國北部和西部地區(qū)尤為突出[48]。氣溫變化會(huì)引起降水和徑流的改變，從而影響整個(gè)流域的地面植被分布。黑河的徑流量主要依靠祁連山區(qū)的冰川融水補(bǔ)充，近30 a來，黑河流域的氣溫在波動(dòng)中趨于上升(圖4)，下游大于0 ℃ 年積溫增長為103.95 ℃，中游年積溫增長最多，為150.10 ℃，上游增長相對(duì)較少，但也達(dá)到了55.04 ℃。溫度升高會(huì)導(dǎo)致上游地區(qū)降水增多，冰川積雪融化加快，黑河徑流量增加，進(jìn)而對(duì)地下水的側(cè)向補(bǔ)給加強(qiáng)，地下水水位抬升，緩解河流兩側(cè)植被的需水壓力，使流域上游及兩側(cè)的植被覆蓋度明顯增加。中游氣溫上升提高了植被需水量，導(dǎo)致到達(dá)下游的水量減少，加之下游分布了廣闊的荒漠地區(qū)，氣溫上升加劇了蒸散發(fā)，因此下游植被退化最為嚴(yán)重(圖3)。

4 結(jié)論

(1)黑河流域的植被覆蓋度呈現(xiàn)由南向北遞減的空間分布特征。流域植被覆蓋面積總體呈上升趨勢，由1990年的3.63萬km2增加到2019年的4.23萬km2，占流域總面積的29.58%。

(2)黑河流域大部分地區(qū)的植被覆蓋度保持不變或有所增加，植被退化區(qū)域主要集中分布在下游部分荒漠地區(qū)和中游城市周邊地區(qū)，植被覆蓋度增加的區(qū)域主要分布在上游祁連山區(qū)和流域兩側(cè)，植被覆蓋度增加區(qū)域的面積遠(yuǎn)大于退化區(qū)域，分別占比21.64%和0.74%。

(3)受全球變暖影響，整個(gè)流域氣溫呈增長態(tài)勢，其中中游氣溫增長最快，下游次之，上游最慢。黑河流域上游和中游氣溫的升高對(duì)植被覆蓋度起到促進(jìn)作用，而下游氣溫的升高則抑制了植被生長。