巴音河流域植被與水文動態(tài)變化研究

甘小莉，郝玉培，翟永洪，王建榮，巢世軍，劉錄三

（1.中國城市科學研究會 學術交流部，北京100835；2.中國地質大學（北京）水資源與環(huán)境學院，北京100083；3.青海省環(huán)境科學研究設計院，西寧810007；4.中國環(huán)境科學研究院，北京100012）

隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益突出，區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變研究成為生態(tài)環(huán)境研究領域的熱點，而近年來我國流域生態(tài)環(huán)境嚴重退化，成為我國區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變研究的重點地區(qū)之一［1］。植被是生態(tài)環(huán)境中最重要、最敏感的自然要素，植被覆蓋變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量有著重要影響［2］。植被指數(shù)（NDVI）的變化能夠揭示環(huán)境的演化［3］。在遙感圖上，植被信息主要通過綠色植物葉子光譜特征的差異及動態(tài)變化來反映，由于紅光和紅外波段包含90%以上的植被信息，通常利用植物光譜中近紅外與可見光紅光兩個最典型的波段值來估算植被指數(shù)［4］。因此，NDVI可以簡單地理解為近紅外波段和可見光波段數(shù)值之差和這兩個波段值之和的比值［5］，主要反映了植被在可見光、近紅外波段反射與土壤背景之間差異的指標，且隨著時間的變化與植被及作物的物候信息呈現(xiàn)一定的規(guī)律性［6］。－1≤NDVI≤1，負值表示地面覆蓋為云、水、沙等；0表示有巖石或裸土等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大［7］。NDVI時間序列是研究作物植被變化的重要因子，呈現(xiàn)明顯周期性和動態(tài)連續(xù)性，選取以旬或月時間間隔的NDVI，從時間曲線上能直觀看出植被的季節(jié)性變化規(guī)律以及空間分布變化情況，過去多基于NOAA NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品對植被長時間序列時空變化特征進行研究［8－10］。由于MODIS數(shù)據(jù)在空間、光譜分辨率上優(yōu)于NOAA，因此本文通過對MODIS時序植被指數(shù)進行分析，實現(xiàn)了對研究區(qū)內植被空間、時間變化的比較和植被的動態(tài)監(jiān)測。

20世紀60年代以來，遙感手段被廣泛應用于植被覆蓋變化的研究中，而NDVI是研究植被覆蓋變化的良好指標。植被指數(shù)遙感為大面積監(jiān)測植被狀況的演化過程提供了技術可能。在大、中尺度的區(qū)域研究中，遙感方法是研究生態(tài)環(huán)境宏觀變化趨勢的重要空間技術［11］。巴音河流域是柴達木盆地生物多樣性最為豐富的地區(qū)，對維護區(qū)域生物多樣性起著關鍵作用，具有不可替代的生態(tài)區(qū)位價值。李健等［12］從水現(xiàn)狀和近遠期用水規(guī)劃出發(fā)，分析探討了流域水資源開發(fā)利用對生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生的影響；嚴應存等［13］用灰色關聯(lián)度法分析了巴音河流域土地利用和土地覆蓋現(xiàn)狀、18a來的變化趨勢及氣候驅動，并定性分析了社會驅動；郭海英等［14］分析了巴音河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀存在的問題，并提出生態(tài)修復的對策及措施；哈斯等［15］通過巴音河流域基本情況及水利發(fā)展現(xiàn)狀的分析，提出流域保護開發(fā)利用對策。上述研究有助于了解巴音河流域生態(tài)環(huán)境的基本情況，但目前關于巴音河流域植被覆蓋變化方面的研究較少，希望本次研究可以對巴音河流域的生態(tài)環(huán)境保護起到一定的參考作用。

1 研究區(qū)概況

巴音河流域位于海西州德令哈市境內，地處柴達木盆地東北邊緣，北以野牛脊山、哈爾科山與哈拉湖盆地分隔，東與布赫特山相連，南至阿木尼克山—巴音山一線，西以伊克達坂山與塔塔棱河水系相隔，位于北緯36°53′—38°11′，東經(jīng)96°29′—98°08′，流域面積約為17 608km2。巴音河流域內常年有水的河流主要是巴音河和巴勒更河，巴音河是德令哈市境內的最大河流，也是柴達木盆地的第四大河流。巴音河、巴勒更河經(jīng)過幾番潛流和溢出后，最終匯入下游的可魯克湖、托素湖和尕海，河流和湖泊共同構成一個完整的內陸河水系，稱為可魯克湖—托素湖—尕海水系?？婶斂撕娣e為58.03km2，是柴達木盆地最大的淡水湖［16］。流域氣候屬典型的高原荒漠半荒漠干旱氣候［9］，據(jù)德令哈氣象站多年資料，年均氣溫為4℃，多年平均降水量159.40mm，年均蒸發(fā)量約2 146.20mm。流域內分布有河口、河流、淡水湖、沼澤、咸水湖等多種濕地類型，水陸過渡特征明顯，生境類型多樣，是柴達木盆地生物多樣性的主要聚集區(qū)［17］。巴音河流域是生態(tài)較為脆弱的區(qū)域，該區(qū)域主要為沙地草原類型。境內植被類型主要有小嵩草、草甸、芨芨草草原、紫花針茅草原及白刺、枸杞荒漠和蘆葦鹽生草甸等。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)介紹

遙感數(shù)據(jù)因遙感平臺、傳感器、遙感方式的不同，使遙感信息具有多源性。MODIS植被指數(shù)（VI，Vegetation－Index）產(chǎn)品可用于比較全球植被狀況的空間和時間一致性，以此監(jiān)測地球陸地進行光合作用植被的活躍程度。MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品包括：分辨率為250m的NDVI（8日、16日及月度產(chǎn)品）；分辨率為1km的NDVI，EVI（8日、16日和月度產(chǎn)品）；分辨率為250m的NDVI、EVI（8日、16日和月度產(chǎn)品）。

本次研究采用NASA全球數(shù)據(jù)中心16d合成全球250m的NDVI數(shù)據(jù)，它是美國新一代地球觀測系統(tǒng)（EOS）發(fā)射的衛(wèi)星 Terra（AM－1）和 Aqua（PM－1）上裝載的中分辨率成像光譜儀 MODIS（Moderate－resolution Imaging Spectrometer）生 成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，基于過程模型（BEPS模型）而生成的全球標準產(chǎn)品數(shù)據(jù) MOD13Q1，所用數(shù)據(jù)時間跨度為2002年1月—2012年12月，每年23景數(shù)據(jù)，11a共253景。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

首先，在 MRT軟件中提取2002—2012年的MODIS－NDVI數(shù)據(jù)，在ArcGIS中進行字段統(tǒng)計，得到2002年每月NDVI的平均值，并對每月平均NDVI值繪制成折線圖（圖1）。從圖1中可以看出，巴音河流域植被6—9月是一年中植被最好的生長季節(jié)，且在7月達到最大值。所以以7月份為代表，分析11a來巴音河流域的植被變化情況。

然后，將每年7月份的2景MOD13Q1數(shù)據(jù)在ArcGIS中用柵格計算器進行最大合成，得到2002—2012年每年7月份的植被指數(shù)分布。

圖1 2002年月平均NDVI分布

最后，對于各年7月份的NDVI采用一元線性回歸趨勢分析方法［18］分析巴音河流域植被的時間變化特征。一元線性回歸可以模擬每一個柵格的變化趨勢，其公式為：

式中：n——年數(shù)（本文中n＝11）；MNDVI，i——計算時間段中第i年的NDVI值，如i＝1時，MNDVI1為2002年的NDVI值，i＝2時，MNDVI2為2003年的NDVI值，以此類推。計算得出的斜率Qslope可以反映在2002—2012年的11a時間序列中巴音河流域的NDVI變化總趨勢。若Qslope＞0，則表明植被變化是趨向良性的；若Qslope＜0，則表明植被變化是逐步惡化的；Qslope＝0則表明植被生長趨勢基本不變。

通過分析巴音河流域 MODIS－NDVI斜率變化分布圖（圖2）可知，近11a來巴音河上游附近部分植被退化較嚴重，下游部分地區(qū)植被生長態(tài)勢良好；可魯克湖周圍除少數(shù)植被呈增長趨勢外，大部分植被呈退化趨勢；托素湖附近植被有明顯增加趨勢；其余大部地區(qū)植被整體變化不大。此外，從NDVI斜率變化散點分布圖（圖3）可以看出，斜率變化率介于－0.04～0.04，表明在巴音河流域整個范圍內陸地植被朝良性與惡化方向變化基本相當，處于正態(tài)分布狀態(tài)，但是變化幅度非常小。

圖2 巴音河流域近11a間NDVI斜率變化空間分布

圖3 巴音河流域近11a間NDVI斜率變化率散點分布

3 NDVI影響因素分析

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，植被的生長受各種因素的影響和制約，如土壤質地、地形地貌、地下水埋深、氣候因素等，通常情況下在分析同一地區(qū)植被的逐年變化時，氣候條件如降雨、氣溫和蒸發(fā)是其主要影響因素。考慮到實際資料和文章篇幅大小，本文只分析降雨和氣溫對植被生長的影響。

3.1 降雨

本文根據(jù)德令哈市氣象站2002—2011年的降雨量數(shù)據(jù)和對應的年均NDVI值，從圖4可以看出，年平均降水量與植被覆蓋度之間的相關性很差，相關系數(shù)僅為0.03，由此可知巴音河流域年降雨量對植被變化的影響不是很大。這主要是因為，降雨雖然能作為流域內的一種補給源，但是由于巴音河流域蒸發(fā)量遠遠大于降雨量，降雨根本無法達到能夠影響植被發(fā)育的下限值。另外，隨著農用器械的更新，在植被區(qū)人為灌溉等因素的影響越來越占有更大的比重，所以年降水量對植被的影響很小。

3.2 氣溫

根據(jù)氣象站2002—2011年的年平均氣溫數(shù)據(jù)與歷年的平均NDVI值做二者散點圖，如圖5所示。

圖4 歷年降水量與NDVI相關關系分析

圖5 歷年溫度與NDVI相關關系分析

從圖5可以看出，歷年年均NDVI與年均氣溫之間的相關關系不是很明顯，2002—2011年年均氣溫有小幅增加，但年均NDVI呈上下浮動趨勢，二者的相關系數(shù)為0.06，進一步說明這二者變化沒有什么相關性。該結果與薛忠岐、孫智輝等［19－20］的研究結果年均氣溫對NDVI值影響較小的觀點相一致。

4 結論與建議

通過對巴音河流域近11a來植被的植被指數(shù)及其變化率的分析可知，在巴音河流域整個范圍內陸地植被生態(tài)系統(tǒng)基本保持著比較持續(xù)的平衡狀態(tài)，但因為NDVI值持續(xù)處于非常低位的狀態(tài)，所以這種平衡狀態(tài)是一種非常脆弱的平衡狀態(tài)；通過對植被指數(shù)影響因素的分析，表明溫度和降雨對巴音河流域植被生長影響不大。

植被是控制和減弱水土流失的有效措施，具有保持水土的作用。大量研究表明，植被覆蓋度與土壤流失量密切相關［21］。面對巴音河流域植被分布的這種脆弱狀態(tài)，建議相關部門提出保護對策，實施有效的保護措施，比如封山育林、人工造林、飛播造林、圍欄封育等，使巴音河流域植被向良性發(fā)展，從而實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。另外，影響植被生長的不僅是氣象因素，由于溫度和降雨對此流域植被影響較小，由此推斷地形地貌和其他外界條件可能對研究區(qū)植被影響較大，有興趣的學者可做此方面研究。

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