獅泉河流域植被演變特征研究

許永江，翟文亮，唐 見(jiàn)，趙科鋒，許永麗

（1. 阿里地區(qū)水利局，西藏 噶爾 859400；2. 長(zhǎng)江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢430010；3.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；4.延安市水電工程有限公司，陜西 延安 716000）

1 研究背景

植被以呼吸作用、光合作用與水分、大氣及土壤發(fā)生緊密聯(lián)系，在減緩氣候變化和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮重要作用[1]。氣候變化顯著影響了區(qū)域植被覆蓋的生長(zhǎng)消退及分布，因此，研究植被演變規(guī)律、響應(yīng)機(jī)制能夠全面揭示氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[2]。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是表征植物長(zhǎng)勢(shì)和營(yíng)養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一，廣泛應(yīng)用于植被動(dòng)態(tài)變化評(píng)估。研究區(qū)域氣候變化與NDVI 的內(nèi)在聯(lián)系及致變規(guī)律[3-5]，對(duì)于預(yù)測(cè)植被演變特征具有重要價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)植被覆蓋研究主要集中在黃土高原、三江源區(qū)，巖溶喀斯特地貌區(qū)和長(zhǎng)江流域等[6]，西南區(qū)域、青藏高原西部區(qū)域的研究相對(duì)較少。

獅泉河是西藏自治區(qū)阿里地區(qū)最大的一條河流，位于青藏高原西部邊陲，流域內(nèi)氣候呈高寒缺氧、干燥少雨的特點(diǎn)[7]，獨(dú)特的氣候條件和地理環(huán)境，造就了當(dāng)?shù)鬲?dú)特的高寒草地系統(tǒng)[8]，在我國(guó)水源涵養(yǎng)及利用、生物多樣性保護(hù)等方面起著重要的生態(tài)屏障作用。近年來(lái)，受氣候變化和過(guò)度發(fā)展旅游業(yè)、畜牧業(yè)等人類活動(dòng)影響，流域內(nèi)植被生長(zhǎng)受到明顯的限制，草地退化日趨嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性降低[7]。但由于流域內(nèi)自然環(huán)境惡劣，人口稀少，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)緩慢，基礎(chǔ)科研相對(duì)滯后，植被動(dòng)態(tài)變化研究鮮有報(bào)道。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)變化將會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而直接或間接地對(duì)我國(guó)乃至東南亞的生態(tài)安全產(chǎn)生影響。

本研究基于2000—2015 年的NDVI 數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析獅泉河流域植被覆蓋時(shí)空演變特征，揭示植被分布與地形地貌的內(nèi)在聯(lián)系及響應(yīng)特征，預(yù)測(cè)獅泉河流域NDVI 的變化趨勢(shì)。

2 研究區(qū)概況

獅泉河位于東經(jīng)79°10′—81°48′，北緯31°19′—33°01′，發(fā)源于岡底斯山主峰岡仁波齊峰北面的冰川湖，源頭海拔高程5 828 m，在扎西崗轉(zhuǎn)向西北方向流入克什米爾地區(qū)，流出國(guó)境后稱為印度河。獅泉河在我國(guó)境內(nèi)流域集水面積2.7 萬(wàn)km2，是阿里地區(qū)最大的一條河流[9]，見(jiàn)圖1。

圖1 獅泉河流域地形概況

依據(jù)中國(guó)植被分區(qū)系統(tǒng)[10]，獅泉河流域?qū)偾嗖馗咴吆哪貛?。獅泉河流域植被類型主要有草原、荒漠、灌叢等。獅泉河流域植被生長(zhǎng)期主要在5—9 月[11]。由于地廣人稀，流域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)干擾較小。開展植被覆蓋演變特征規(guī)律研究，可以為獅泉河流域合理科學(xué)制定植被恢復(fù)、管理和利用政策提供支撐。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

研究數(shù)據(jù)主要包括植被覆蓋數(shù)據(jù)（NDVI）、DEM 數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。NDVI 數(shù)據(jù)使用的是MODND1M 中國(guó)500M NDVI 月合成產(chǎn)品，該產(chǎn)品的空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為月，時(shí)間跨度為2000 年1 月—2015 年12 月。通過(guò)網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）下載全國(guó)NDVI 月數(shù)據(jù)，基于獅泉河流域邊界提取獅泉河流域NDVI。進(jìn)一步利用ArcGIS 10.2 軟件Map Algebra 工具進(jìn)一步合成獅泉河流域季尺度、年尺度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集。

DEM 數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云，研究選用SRTM 30 m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.2 軟件水文分析工具箱對(duì)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼、生成流向、劃分河網(wǎng)、生成流域邊界。

獅泉河流域水文氣象監(jiān)測(cè)發(fā)展滯后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)極其稀疏，流域僅1 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)。為了確保研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，氣象數(shù)據(jù)選用CRU TS4.05 數(shù)據(jù)[12]，選用的氣象因子包括降水、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫月尺度數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，對(duì)氣象數(shù)據(jù)采用雙線性插值法，分辨率與NDVI 數(shù)據(jù)空間分辨率一致，合成季尺度與年尺度氣象數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法

（1）相關(guān)系數(shù)法。相關(guān)系數(shù)表征了變量之間的線性相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量。利用相關(guān)系數(shù)法分析獅泉河流域NDVI 與坡度之間的相關(guān)關(guān)系，探討坡度對(duì)流域植被覆蓋的影響。

（2）偏相關(guān)分析法。偏相關(guān)分析方法把其余變量視作常數(shù)，可得到消除其余變量影響后的兩要素之間的偏相關(guān)系數(shù)[13]。研究中采用偏相關(guān)系數(shù)來(lái)分析獅泉河流域NDVI 與氣溫、降雨之間的關(guān)系。

（3）Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法。Mann-Kendall方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、計(jì)算結(jié)果不受序列少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點(diǎn)，近些年廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析[14]。該方法通過(guò)計(jì)算時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)量Z 值來(lái)表征時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的顯著性，如果Z 的絕對(duì)值大于Z1-α/2，變化趨勢(shì)不顯著，反之，則變化趨勢(shì)顯著。

（4）Hurst 指數(shù)法。Hurst 指數(shù)能夠表征時(shí)間序列自相似性和長(zhǎng)期依賴性[15]。本研究采用結(jié)果更具可靠性的R/S 分析法[16]估算獅泉河流域Hurst 指數(shù)。根據(jù)Hurst 指數(shù)的大小可以判斷NDVI 序列的持續(xù)性，包括三種形式：0.5＜H＜1，表明NDVI 序列是一個(gè)持續(xù)性序列，具有長(zhǎng)期相關(guān)的特征，且H越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)；H=0.5，則為隨機(jī)序列；0＜H＜0.5，則NDVI 序列具有反持續(xù)性，H 越接近0，反持續(xù)性越強(qiáng)[17]。

4 研究結(jié)果與討論

4.1 獅泉河流域植被時(shí)空變化特征

獅泉河流域生長(zhǎng)季NDVI 平均值范圍為0.13～0.19，大于全年平均值的0.1～0.15，遠(yuǎn)小于同位于青藏高原的三江源年均值0.22[11]。獅泉河流域年和季尺度的NDVI 變化趨勢(shì)如圖2 所示。2000—2015年間，在年和季尺度上，獅泉河流域NDVI 總體上呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)。生長(zhǎng)季回歸直線斜率為0.001，略小于年NDVI 的回歸直線斜率0.0014。這說(shuō)明在流域退牧還草政策和氣溫升高的影響下，獅泉河流域植被退化得到遏制，植被生長(zhǎng)呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

圖2 獅泉河流域2000—2015 年NDVI 變化趨勢(shì)分析

獅泉河流域2000—2015 年NDVI MK 值（Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法中Z 統(tǒng)計(jì)量）分布見(jiàn)圖3。從空間分布上看，獅泉河流域NDVI MK 值總體散亂、局部聚集，具有明顯的區(qū)域差異。海拔相對(duì)較低、水熱條件較好的河谷灘地NDVI MK 值為正，植被覆蓋有增加趨勢(shì)，但不顯著；海拔相對(duì)較高、水熱條件不佳的山地NDVI MK 值為負(fù)，植被覆蓋有減小趨勢(shì)，同樣不顯著。獅泉河和噶爾藏布源頭地區(qū)的自然條件較差，土壤水分含量相對(duì)較低，NDVI 有不顯著減少趨勢(shì)。

圖3 獅泉河流域2000—2015 年NDVI MK 值分布

4.2 獅泉河流域植被與坡度的相關(guān)分析

將坡度進(jìn)行等級(jí)劃分，分析不同坡度等級(jí)下NDVI 均值和變化趨勢(shì)。根據(jù)獅泉河流域坡度分布特征，0～60°坡度以3°為間隔分20 個(gè)等級(jí)、60～75°坡度為1 個(gè)等級(jí)。

由圖4 可知，NDVI 隨坡度升高呈逐漸下降的變化趨勢(shì)。當(dāng)?shù)赝寥镭汃?、水分空間分布差異性極大，坡度越小，土層厚度越大，蓄積水分越多，可以為植被提供較好的生長(zhǎng)環(huán)境，NDVI 越大，反之亦然。對(duì)2000—2015 年各坡度等級(jí)的NDVI 均值與坡度做相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.86～-0.96，均呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖4 獅泉河流域2000—2015 年NDVI 與坡度關(guān)系

4.3 獅泉河流域植被未來(lái)變化趨勢(shì)

對(duì)獅泉河流域2000—2015 年NDVI 年均值、生長(zhǎng)季均值逐像元進(jìn)行Hurst 指數(shù)計(jì)算，分析獅泉河流域植被的穩(wěn)定性、持續(xù)性，確定獅泉河流域植被覆蓋情況未來(lái)演化趨勢(shì)與過(guò)去的關(guān)系（見(jiàn)圖5）。獅泉河流域Hurst 指數(shù)年均值、生長(zhǎng)季均值均在0～1 之間，其中生長(zhǎng)季均值Hurst 指數(shù)略高于年均值。Hurst 指數(shù)高值是指0.5 ＜H ＜1，此時(shí)未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去一致，高值集中分布在獅泉河中下游河谷灘地、支流噶爾藏布、赤左藏布、朗曲河谷等土壤較厚、水分充足的區(qū)域；低值是指0 ＜H ＜0.5，此時(shí)未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，低值集中分布在河流源頭山地或丘陵區(qū)等坡度較陡、水土易流失區(qū)域，其他區(qū)域較為混雜。

圖5 獅泉河流域2000—2015 年NDVI Hurst 值分布

4.4 獅泉河流域植被與氣象的相關(guān)關(guān)系分析

獅泉河流域NDVI 和氣象因子的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)如表1 所示，NDVI 與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)均大于偏相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明降水、氣溫同時(shí)對(duì)NDVI起作用，且氣溫對(duì)NDVI 的影響更大。NDVI 與氣溫關(guān)系密切，與當(dāng)月、后一月、后兩月的氣溫相關(guān)系數(shù)都大于0.5（通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），與后一月的氣溫相關(guān)性最大，與后兩月的氣溫相關(guān)性次之，表現(xiàn)出明顯滯后性。降水對(duì)NDVI 的影響較小，與后1 月NDVI 偏相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.15，與其余月份偏相關(guān)系數(shù)較小且不顯著。獅泉河流域土層淺薄、蒸發(fā)大、水土易流失，土壤蓄積水分作用差，大大降低了降水對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用?？偟膩?lái)看，獅泉河流域?qū)儆诘湫偷母咴衫浯箨懶蜌夂騕18]，植被生長(zhǎng)對(duì)水熱條件的敏感程度差異較大，獅泉河流域植被生長(zhǎng)對(duì)氣候因子響應(yīng)基本都存在1～2 個(gè)月的滯后。

表1 獅泉河流域NDVI 與氣候因子的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)

4.5 獅泉河流域造林綠化工程措施建議

近年來(lái)，為全力打造高原邊疆生態(tài)屏障，有效改善阿里地區(qū)惡劣的自然生態(tài)環(huán)境，阿里地區(qū)以造林綠化工程為主不斷加大林業(yè)建設(shè)投入。2016—2018 年，阿里地區(qū)累計(jì)實(shí)施造林2.7 萬(wàn)余畝，總投資1.429 億元[19]，取得了一定的綠化效果。阿里地區(qū)不同區(qū)域植樹造林效果差異明顯，獅泉河鎮(zhèn)城市道路綠化帶歷經(jīng)樹種選育、培土澆水、保暖救治等多環(huán)節(jié)依然成活率較低，昆莎鄉(xiāng)附近綠化林鮮有人工保育卻郁郁蔥蔥。究其原因，獅泉河鎮(zhèn)雖位于獅泉河兩畔但土壤水分不足（地勢(shì)相對(duì)較高），人工澆水不能及時(shí)補(bǔ)充水分，植物生長(zhǎng)受限，而昆莎鄉(xiāng)位于地勢(shì)較低的獅泉河中下游河谷，土壤水分充足，植物能夠正常生長(zhǎng)。這進(jìn)一步印證了獅泉河流域Hurst 指數(shù)分布與土壤水分高度相關(guān)的結(jié)論，即在獅泉河中下游河谷灘地、噶爾藏布、赤左藏布、朗曲河谷等土壤較厚、水分充足的區(qū)域植樹造林成活率較高，在其他區(qū)域需要更高的成本和養(yǎng)護(hù)才能維持植物生長(zhǎng)。

總體來(lái)說(shuō)，降水少、蒸發(fā)大、土壤保水能力差成就了阿里地區(qū)獨(dú)特的土壤水分條件，土壤水分也因此成為阿里地區(qū)植物生長(zhǎng)限制性因素。改善水分結(jié)構(gòu)，增加土壤保水能力，從根源上消除或緩解植物生長(zhǎng)的限制性因素，能夠大大降低維護(hù)保育成本，有效提高植物成活率。

5 結(jié)論

（1）獅泉河流域植被指數(shù)NDVI 在時(shí)間尺度上（年和季）呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但不顯著；在空間尺度上，水熱條件較好的河谷灘地植被覆蓋有增加趨勢(shì)，但不顯著。

（2）獅泉河流域植被覆蓋整體較低，與坡度顯著負(fù)相關(guān)。坡度越大，土壤水分條件越差，植被覆蓋越低。

（3）氣溫相對(duì)降水對(duì)植被生長(zhǎng)影響較大。流域土層淺薄、土壤蓄積水分作用差，大大降低了降水對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。

（4）土層厚度大、水分充足的河谷灘地有較強(qiáng)的持續(xù)性，未來(lái)植被出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

（5）流域植物生長(zhǎng)限制性因素為土壤水分。建議增加土壤保水能力，有效提高植樹成活率。