郝家田 胡云云 杜一塵 侯曉巍 向安民
(國(guó)家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710048)
植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化是土地資源和環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容(王情等, 2013)。地表植被覆蓋退化能引發(fā)水土流失、沙漠化、湖泊萎縮、碳匯功能喪失等一系列嚴(yán)重問題(鄭子彥等, 2020)。目前,遙感技術(shù)已成為區(qū)域植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)的主要手段(Martinezetal., 2009),能夠宏觀、快速地獲取植被變化。歸一化植被指數(shù)(NDVI)能很好地反映植被生長(zhǎng)狀況,是研究植被覆蓋變化的最常用遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)(Baretetal., 1991; Pouliotetal., 2009)。Chen等(2019)基于MODIS、NOAA等數(shù)據(jù),研究全球2000~2017年的植被變化,發(fā)現(xiàn)全球植被覆蓋呈增加趨勢(shì),其中以中國(guó)和印度貢獻(xiàn)最大。許翔馳(2019)、李杰等(2019)用MODIS NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集,分別研究了我國(guó)和中老緬交界區(qū)的植被覆蓋時(shí)空變化特征。
黃河流域不僅是人類文明發(fā)展的搖籃,是國(guó)家重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和能源基地,也是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障。黃河流域上游的水能資源、中游的煤炭資源、下游的石油和天然氣資源都十分豐富,被譽(yù)為中國(guó)的“能源流域”(賀振等, 2012)。黃河流域是連接青藏高原、黃土高原和華北平原的生態(tài)廊道,擁有三江源、祁連山等國(guó)家公園及多個(gè)自然保護(hù)區(qū)等國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。2019年9月18日,習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上強(qiáng)調(diào),黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)屏障和重要的經(jīng)濟(jì)地帶,是打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要區(qū)域,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位(習(xí)近平, 2019)。黃河流域的植被覆蓋變化以及引起的生態(tài)環(huán)境變化,對(duì)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有著重要影響。因此,開展黃河流域植被覆蓋時(shí)空變化特征研究非常重要。目前,黃河流域植被覆蓋變化研究取得了一定成果,劉綠柳等(2006)用1982—1999年的NOAA/AVHRR分析了黃河流域NDVI與氣溫、降水的年際變化趨勢(shì)及相互關(guān)系的時(shí)空變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)流域NDVI與降水、溫度相關(guān)顯著的植被類型以草地、灌木為主,但相關(guān)區(qū)域的空間位置隨時(shí)間發(fā)生變化; 楊勝天等(2002)利用1982—1999年AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)分析得出,黃河流域植被覆蓋狀況總體一直處于上升趨勢(shì); 袁麗華等(2013)研究了黃河流域植被2000—2010年NDVI的時(shí)空變化特征,發(fā)現(xiàn)植被改善區(qū)域遠(yuǎn)大于退化區(qū)域; 賀振等(2017)基于GIMMS-NDVI數(shù)據(jù),研究了黃河流域1982—2013年植被覆蓋演化趨勢(shì),表明植被覆蓋呈現(xiàn)較緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì),覆蓋度從北至南逐漸提高; 顏明等(2018)基于GIMMS和MODIS的NDVI數(shù)據(jù)分析了黃河流域1982—2012年不同時(shí)間尺度植被覆蓋的空間特征,發(fā)現(xiàn)總體特征為西北小、東南大; 胡必波等(2018)用MODIS-LAI產(chǎn)品分析黃河流域2000—2014年植被覆蓋度變化,呈上升趨勢(shì),但不顯著。
目前黃河流域植被覆蓋變化研究中的植被覆蓋包括了林地、草地、耕地、園地和其他土地等,鮮有只針對(duì)林地和草地的研究,且近幾年黃河流域植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化分析研究也較少。鑒于此,本研究以黃河流域2009—2018年SPOT/VEGETATION NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,采用Theil-Sen median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法,僅研究林地和草地植被覆蓋的時(shí)空分布及變化特征,并用Hurst指數(shù)方法分析預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),以期為流域林草植被科學(xué)保護(hù)和精準(zhǔn)修復(fù)、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)正向演替提供參考依據(jù)。
黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地,流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東9省(區(qū)),在山東省東營(yíng)市墾利區(qū)流入渤海,干流長(zhǎng)5 464 km,水面落差4 480 m。黃河流域(96°~119°E、32°~42°N)位于我國(guó)干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū),總面積79.5萬(wàn) km2(含內(nèi)流區(qū)4.2萬(wàn) km2),其中上游42.8萬(wàn) km2(平均海拔2 563 m),中游34.4萬(wàn) km2(平均海拔1 199 m),下游2.3萬(wàn) km2(平均海拔124 m)。黃河流域?qū)俅箨懶詺夂颍瑬|南部為半濕潤(rùn)氣候,中部為半干旱氣候,西北部為干旱氣候。土壤類型主要有草甸土、褐土、栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土、黑壚土、黃綿土和風(fēng)沙土等。流域內(nèi)地貌類型多樣,包括高山、中山、低山、丘陵和平原等。植被類型豐富,包括針葉林、闊葉林、灌叢和灌草叢、草原和稀樹草原、荒漠等。黃河流域位置見圖1。
圖1 黃河流域位置示意圖Fig. 1 Location of the Yellow River Basin
NDVI數(shù)據(jù)集采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的中國(guó)年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集(http://www.resdc.cn/),該數(shù)據(jù)集基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),在每年1~12月份的月數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用最大值合成法生成,選取2009—2018年數(shù)據(jù),空間分辨率為1 000 m×1 000 m,共計(jì)10幅影像。黃河流域范圍矢量數(shù)據(jù)由水利部黃河水利委員會(huì)提供。林地、草地矢量數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家林業(yè)和草原局2018年全國(guó)森林資源管理“一張圖”成果,按土地利用類型提取黃河流域范圍內(nèi)的林地、草地圖斑,融合生成林草范圍矢量數(shù)據(jù),林地和草地面積共507 206.74 km2,占黃河流域總面積的63.83%。
逐年計(jì)算2009—2018年黃河流域林草地NDVI年均值,得到10年數(shù)據(jù),分析其時(shí)間變化特征; 逐像元計(jì)算2009—2018年林草地NDVI平均值,得到10年NDVI平均值空間分布,分析空間格局特征。
采取Sen趨勢(shì)度結(jié)合Mann-Kendall趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)的方法開展林草植被覆蓋變化趨勢(shì)分析,該方法已成功用于氣象因子(Chenetal., 2007; Sunetal., 2014)及植被變化趨勢(shì)分析(Xuetal., 2003; 蔡博峰等, 2009)。
Theil-Sen Median趨勢(shì)分析是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)計(jì)算方法,可以減少數(shù)據(jù)異常值的影響(Theil,1950; Sen,1968)。計(jì)算公式如下:
對(duì)于時(shí)間序列{xt},t=1,2,3,…,n,定義斜率Q:
式中:xa和xb是時(shí)間序列數(shù)據(jù); Median代表取中位數(shù); 當(dāng)Q>0時(shí),時(shí)間序列{xt}呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),反之時(shí)間序列{xt}呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
霧化法制取的粉末已占當(dāng)今世界金屬 3D 打印粉末的80%以上,其原理是以快速運(yùn)動(dòng)的流體(霧化介質(zhì))沖擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細(xì)小液滴,隨之冷凝為固體粉末的粉末制取方法,其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[5],根據(jù)霧化介質(zhì)不同,霧化法主要分為水霧化和氣霧化。
Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法用于判斷趨勢(shì)的顯著性,其優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本服從正態(tài)分布,也不受缺失值和異常值的干擾(Mann,1945)。計(jì)算公式如下:
對(duì)于時(shí)間序列{xt},t=1,2,3,…,n,定義統(tǒng)計(jì)量S:
S服從正態(tài)分布,其方差VS為:
VS=[n(n-1)(2n+5)]/18。
定義統(tǒng)計(jì)量Z:
式中:xi和xj為時(shí)間序列數(shù)據(jù); sgn為符號(hào)函數(shù);統(tǒng)計(jì)量Z的取值范圍為(-∞,+∞)。在給定顯著性水平α下,在正態(tài)分布表中查得臨界值u1-2/2當(dāng)|Z|>u1-α/2時(shí),表示時(shí)間序列{xt}在α水平上存在顯著的變化。通過0.05置信水平的顯著性檢驗(yàn)判斷時(shí)間序列{xt}變化趨勢(shì),當(dāng)Z>1.96時(shí)表明時(shí)間序列{xt}顯著上升; 當(dāng)0 Hurst指數(shù)是定量描述時(shí)間序列長(zhǎng)期依賴性的有效方法,由水文學(xué)家Hurst(1951)提出,在水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用(王孝禮等, 2002; 彭麗娜等, 2006; 賀可強(qiáng)等, 2009),近期逐漸應(yīng)用于植被覆蓋變化研究中(李杰等, 2019; 嚴(yán)恩萍, 2014; 袁麗華等, 2013)。計(jì)算方法如下。 (τ=1 , 2 ,…,n); 累積離差序列Xt,τ: (1≤t≤τ); 極差序列Rτ: ( 1≤t≤τ;τ=1 , 2 ,…,n); 標(biāo)準(zhǔn)差序列Sτ: (τ=1 , 2 ,…,n); 若Rτ/Sτ∝τH成立,則說明時(shí)間序列{xt}存在Hurst現(xiàn)象,Hurst指數(shù)(H)值可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系[inτ,in(Rτ/Sτ)]中通過最小二乘法回歸得到。 根據(jù)H的值判斷時(shí)間序列{xt}是完全隨機(jī)還是存在持續(xù)性。Hurst指數(shù)取值包括3種形式: 如果0.5 基于2009—2018年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù),逐像元計(jì)算10年平均值,得到NDVI平均值空間分布(圖2),將其分成6個(gè)等級(jí)并按上、中、下游進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)(表1)。結(jié)果顯示,流域高植被覆蓋度(NDVI≥0.7)林草地面積為214 728.12 km2,占林草地總面積的42.34%,多為喬木林與灌木林,呈聚集狀分布于流域上游的祁連山、三江源東部、若爾蓋草原,中游的秦嶺北麓、黃土高原胡煥庸線以南地區(qū),以及下游的濟(jì)南市區(qū)周邊區(qū)域; 中植被覆蓋度(0.3 圖2 2009—2018年黃河流域林草地NDVI平均值Fig. 2 NDVI mean value in forestland and grassland in the Yellow River Basin in 2009-2018 表1 2009—2018年黃河流域林草地NDVI均值空間分布Tab.1 Spatial distribution of NDVI mean value in forestland and grassland in the Yellow River Basin in 2009-2018 2009—2018年,黃河流域林草地年均NDVI有一定波動(dòng),但總體上呈增加趨勢(shì),增速約為0.007 4 a-1; 最小值與最大值分別出現(xiàn)在2011和2018年,分別為0.552 9和0.651 6(圖3)。分析發(fā)現(xiàn),2011—2013年呈顯著增加趨勢(shì), 2015—2018期呈穩(wěn)定增加趨勢(shì),總體上這10年內(nèi)黃河流域林草植被覆蓋狀況逐步改善。 圖3 2009—2018年黃河流域林草地NDVI年際變化Fig. 3 Inter-annual variation of NDVI in forestland and grassland in the Yellow River Basin in 2009-2018 根據(jù)Theil-Sen median趨勢(shì)分析結(jié)果,按Q>0、Q=0和Q<0,將林草地植被變化分別劃分為改善、穩(wěn)定不變和退化3種情況。將置信水平0.05上的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果按∣Z∣>1.96和∣Z∣≤1.96劃分為顯著變化和不顯著變化。將Theil-Sen median趨勢(shì)分級(jí)結(jié)果和Mann-Kendall檢驗(yàn)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行空間疊加,根據(jù)耦合結(jié)果將林草植被覆蓋變化趨劃分為顯著改善、輕微改善、穩(wěn)定不變、輕微退化和顯著退化5類(圖4),并分流域上、中、下游統(tǒng)計(jì)各類面積(表2)。 圖4和表2表明, 2009—2018年黃河流域林草植被覆蓋變化趨勢(shì)以改善為主,改善區(qū)域面積413 972.93 km2,占林草地總面積的81.62%,其中顯著改善面積169 177.13 km2,占33.36%,主要集中在上游的祁連山林區(qū)、若爾蓋草原,中游的六盤山林區(qū)、子午嶺林區(qū)、黃龍山林區(qū)、呂梁林區(qū)和秦嶺北麓。退化區(qū)域面積70 317.69 km2,占林草地總面積的13.86%,以輕微退化為主,其中流域上游的青海、寧夏、內(nèi)蒙3省(區(qū))占輕微退化區(qū)域面積的85.00%,主要集中在青海的瑪多縣和內(nèi)蒙的烏拉特前旗、烏拉特中旗; 顯著退化面積3 974.46 km2,僅占林草地總面積的0.78%。林草植被覆蓋變化趨勢(shì)表現(xiàn)為穩(wěn)定的區(qū)域面積22 916.12 km2,占林草地總面積的4.52%。綜上, 2009—2018年間林草高覆蓋度區(qū)域植被覆蓋變化趨勢(shì)表現(xiàn)為持續(xù)改善,低覆蓋度區(qū)域持續(xù)退化。 圖4 2009—2018年黃河流域林草植被覆蓋變化趨勢(shì)Fig. 4 Change trend of forestry and grass coverage in the Yellow River Basin during 2009-2018 表2 2009—2018年黃河流域林草植被覆蓋變化趨勢(shì)空間分布Tab.2 Spatial distribution of change trend of forestry and grass coverage in the Yellow River Basin in 2009-2018 圖5 黃河流域林草植被覆蓋未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)Fig. 5 Future development trend of forestry and grass coverage in the Yellow River Basin aa: 持續(xù)性&顯著改善 Sustainability & obvious improvement; ab: 持續(xù)性&輕微改善 Sustainability & slight improvement; be: 反持續(xù)性&顯著退化Reverse sustainability & obvious degradation; bd: 反持續(xù)性&輕微退化 Reverse sustainability & slight degradation; ac: 持續(xù)性&穩(wěn)定不變 Sustainability & unchanged; bb: 反持續(xù)性&輕微改善 Reverse sustainability & slight improvement; ba: 反持續(xù)性&顯著改善 Reverse sustainability & obvious improvement; ad: 持續(xù)性&輕微退化 Sustainability & slight degradation; ae: 持續(xù)性&顯著退化 Sustainability & obvious degradation; bc: 反持續(xù)性&穩(wěn)定不變 Reverse sustainability & unchanged. 3.4.1 NDVI空間可持續(xù)性 經(jīng)R/S分析,研究區(qū)Hurst指數(shù)均值為0.57,說明黃河流域林草植被覆蓋存在時(shí)間序列持續(xù)性。分類結(jié)果顯示,0.5 3.4.2 NDVI未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 將NDVI空間變化趨勢(shì)和空間可持續(xù)性特征進(jìn)行空間疊加分析(圖5),將研究區(qū)內(nèi)林草植被覆蓋未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分為良性方向、惡性方向、穩(wěn)定不變和不確定4個(gè)方向(表3)。林草植被覆蓋呈良性發(fā)展的區(qū)域面積占林草地總面積的61.89%,其空間分布與林草植被覆蓋改善區(qū)域基本一致,其中持續(xù)性輕微改善區(qū)域占35.01%、持續(xù)性顯著改善區(qū)域占23.36%; 反持續(xù)性退化區(qū)域占3.52%,該區(qū)域未來(lái)植被停止退化,轉(zhuǎn)向良性發(fā)展。林草植被覆蓋呈惡性發(fā)展的區(qū)域面積占林草地總面積的33.60%,其空間分布與林草植被覆蓋退化區(qū)域基本一致,其中持續(xù)性輕微退化、顯著退化區(qū)域分別占9.77%、0.57%; 反持續(xù)性改善區(qū)域占23.26%,主要集中在三江源地區(qū)和毛烏素沙地,該區(qū)林草植被覆蓋雖有輕微改善,但持續(xù)性較差,未來(lái)林草植被覆蓋將由改善轉(zhuǎn)為退化。林草植被覆蓋未來(lái)發(fā)展方向穩(wěn)定不變和不確定的區(qū)域占林草地總面積的4.51%。 表3 黃河流域林草植被覆蓋未來(lái)發(fā)展方向空間分布Tab.3 Spatial distribution of future development direction of forestry and grass coverage in the Yellow River Basin 本研究分析了黃河流域林草植被覆蓋在2009—2018年的時(shí)空變化特征,與已有研究結(jié)果相比,林草植被覆蓋改善區(qū)域面積比例明顯提高(賀振等, 2012; 2017),預(yù)測(cè)未來(lái)植被持續(xù)改善區(qū)域面積繼續(xù)增加(袁麗華等, 2013),持續(xù)退化面積逐漸減少,說明流域整體生態(tài)環(huán)境在不斷改善。這主要得益于林業(yè)重點(diǎn)工程的實(shí)施, 2006—2015年黃河流域人工造林68 013.00 km2(國(guó)家林業(yè)局, 2006—2015),其中天然林保護(hù)工程、三北防護(hù)林工程和退耕還林工程分別占25.52%、23.22%和15.74%。根據(jù)歷年全國(guó)人工造林綜合核查結(jié)果(國(guó)家林業(yè)局, 2006—2015),黃河流域各省(區(qū))人工造林平均保存率87.40%,平均成林率41.00%,測(cè)算2006—2015年人工造林成林面積24 371.90 km2,可為流域森林覆蓋率增長(zhǎng)貢獻(xiàn)3.07%。然而,黃河流域尚有33.60%的區(qū)域面臨植被退化風(fēng)險(xiǎn),主要為三江源地區(qū)和毛烏素沙地荒漠地區(qū),應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。 森林資源管理“一張圖”是森林資源保護(hù)、經(jīng)營(yíng)管理的基礎(chǔ),為森林資源保護(hù)管理及生態(tài)文明建設(shè)重大決策提供科學(xué)依據(jù)。由于數(shù)據(jù)的可獲得性,本研究?jī)H采用2018年森林資源管理“一張圖”的林地和草地范圍,分析黃河流域2009—2018年植被覆蓋變化,忽視了期間林地與草地范圍的增加、減少以及相互轉(zhuǎn)化,今后應(yīng)進(jìn)一步收集相關(guān)數(shù)據(jù),補(bǔ)充林草地范圍變化的研究,以使結(jié)論更為科學(xué)客觀。植被覆蓋變化受氣候、人為等多重因子影響,本研究?jī)H結(jié)合人為因素討論了黃河流域林草植被的改善情況,未能分離出氣候變化的影響。此外,對(duì)于植被退化區(qū)域的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也未能做出解釋,下一步應(yīng)基于森林資源連續(xù)清查、森林資源管理“一張圖”成果,結(jié)合遙感、大數(shù)據(jù)、模型等技術(shù),回溯退化區(qū)域植被覆蓋變化過程,分析植被覆蓋變化與氣候條件、土地利用以及其他人類活動(dòng)等因素之間的相關(guān)性,探究植被覆蓋變化原因,為后期流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)和綜合治理提供科學(xué)依據(jù),從而提升生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力,更好地滿足流域高質(zhì)量發(fā)展要求。 本文基于2009—2018年SPOT/VEGETATION NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù),采用Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)以及Hurst指數(shù)方法,對(duì)2009—2018年黃河流域林草植被覆蓋變化進(jìn)行了時(shí)空特征分析和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下: 1)黃河流域林草植被覆蓋整體呈現(xiàn)東南部和西北高山地區(qū)高、北部低的特征。高覆蓋區(qū)聚集在上游的祁連山、三江源東部、若爾蓋草原,中游的秦嶺北麓和黃土高原胡煥庸線以南地區(qū); 低覆蓋區(qū)則分布在毛烏素沙地、隴中黃土高原、陰山南麓及三江源北部。 2)2009—2018年間黃河流域林草植被覆蓋顯著改善,年均NDVI增速為0.007 4 a-1,植被覆蓋改善區(qū)域面積占81.62%,遠(yuǎn)大于退化區(qū)域面積,改善區(qū)域主要為上游的祁連山林區(qū)、若爾蓋草原,中游的六盤山林區(qū)、子午嶺林區(qū)、黃龍山林區(qū)、呂梁林區(qū)及秦嶺北麓。 3)黃河流域林草植被覆蓋未來(lái)發(fā)展前景整體良好。林草植被覆蓋良性發(fā)展的區(qū)域占林草地總面積的61.89%; 惡性發(fā)展區(qū)域面積占33.60%,主要集中在三江源地區(qū)和毛烏素沙地,該區(qū)植被覆蓋在2009—2018年間雖輕微改善,但持續(xù)性較差,未來(lái)可能呈退化趨勢(shì),在流域生態(tài)保護(hù)治理中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。2.4 未來(lái)演化趨勢(shì)分析
3 結(jié)果與分析
3.1 NDVI空間格局分析
3.2 NDVI年際變化分析
3.3 NDVI空間變化分析
3.4 NDVI未來(lái)演化趨勢(shì)
4 討論
5 結(jié)論