2001-2020年黃土高原干旱時空動態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng)

樊莉莉, 耿 斌, 王吉林, 陳 杰

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 石家莊 050081; 2.黃河水利科學(xué)研究院, 鄭州 450003; 3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室, 武漢 430072)

黃土高原作為中國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)之一，大部分地區(qū)屬于半干旱和亞濕潤氣候，沿東南—西北方向的年平均降水量(1961—2009年)為143.6～811.8 mm，干旱事件的頻繁發(fā)生成該地區(qū)21世紀(jì)面臨最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一[1-2]。但干旱事件的發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，受氣候變化、植被退化、人類活動等多種因素的影響，由于其發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣等原因，目前干旱已成為影響農(nóng)業(yè)、生態(tài)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害[3-4]。近年來，在全球變暖的影響下，黃土高原地區(qū)的溫度將在整個世紀(jì)持續(xù)升高，并隨后加速該地區(qū)的水分流失，使土地退化與恢復(fù)、干旱成為嚴(yán)重影響黃土高原生態(tài)環(huán)境的氣候因子[5]。因此，及時、有效監(jiān)測黃土高原干旱發(fā)展規(guī)律已成為亟待解決的問題。

目前已有諸多學(xué)者對黃土高原的干旱進行了研究[6-10]。在干旱變化趨勢的研究中，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)1960—2016年黃土高原干旱整體呈上升趨勢，山西西部、寧夏北部和甘肅中東部地區(qū)的干旱加重最為顯著，而西北部和西南部則表現(xiàn)為變濕趨勢[6-9]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)未來時期(2018—2100年)黃土高原干旱發(fā)生次數(shù)明顯增多，未來干旱趨勢顯著加重的區(qū)域占黃土高原面積的51.62%～99.90%，80%的地區(qū)將發(fā)生從無旱到輕旱、從無旱到中旱的等級轉(zhuǎn)換[10]。因黃土高原降水主要集中在夏、秋季，因此不同地區(qū)的干旱程度也因季節(jié)不同而存在顯著差異。如有研究發(fā)現(xiàn)黃土高原東南部和西部在春、冬季干旱發(fā)生頻率較其他地區(qū)頻繁，而西北部干旱在夏、秋季發(fā)生頻率較其他地區(qū)高，這主要與降水量、氣溫和蒸散發(fā)存在顯著相關(guān)性[6,10-12]。也有研究發(fā)現(xiàn)黃河上游的干旱危害趨于嚴(yán)重，中游干旱危害過去40 a中已得到一定程度緩解[13]。雖然目前針對黃土高原干旱時空動態(tài)的研究很多，但很多是基于“點”尺度進行的，不同研究學(xué)者的結(jié)論不一致，且很少探討未來干旱的持續(xù)情況和季節(jié)性氣候?qū)Ω珊档挠绊懬闆r。而黃土高原干旱作為我國長期的一些生態(tài)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，因此需要繼續(xù)關(guān)注。溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)綜合考慮了溫度與植被雙重特征，可以較為綜合的反映一個地區(qū)干旱狀況[14-18]。如劉一哲[19]、齊述華[20]、程偉[21]、候靜[22]等分別對藏北地區(qū)、全國、內(nèi)蒙古草地的干旱變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)綜合了植被覆蓋信息和陸地表面溫度信息的TVDI指數(shù)能很好模擬土壤表層水分變化情況，在地表干旱監(jiān)測方面具有較大應(yīng)用潛力[19-21]。

因此，本文基于NASA提供2001—2020年黃土高原的MOD13A-NDVI和MOD11A2-LST數(shù)據(jù)，基于Python編程計算得到2001—2020年黃土高原季節(jié)性TVDI指數(shù)，并基于TVDI指數(shù)探究了不同植被分區(qū)不同季節(jié)干旱時空動態(tài)和季節(jié)性氣溫、降水對季節(jié)干旱的影響情況，以期為我國黃土高原生態(tài)工程制定和未來生態(tài)環(huán)境治理提供參考意見。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于中國北方(33.7°—41.3°N，100.8°—114.6′E)，穿越黃河上中游，總面積達(dá)6.49×105km2，包括山西、內(nèi)蒙古、陜西、河南、寧夏、甘肅、青海7省。區(qū)域處在沿海向內(nèi)陸、平原向高原過渡地帶，自南向北兼跨暖溫帶、中溫帶兩個熱量帶，自東向西橫貫半濕潤、半干旱兩個干濕區(qū)，受經(jīng)緯度和地形的雙重制約。降水量少而不均，從西北向東南逐漸增加，6—9月，該地區(qū)60%～70%的年降水量以高強度風(fēng)暴的形式出現(xiàn)。年平均氣溫為3.6℃，西北部為14.3℃。該地區(qū)全年氣溫日較差較大，冬季干冷，夏季濕熱，秋季氣溫迅速下降，春季氣溫迅速上升。據(jù)估計，該地區(qū)的年潛在蒸發(fā)量(865～1 274 mm)超過了降水水平[3](圖1)。

注：Ⅰ為溫帶南部荒漠草原區(qū)，Ⅱ為溫帶南部典型草原區(qū)，Ⅲ為溫帶南部森林(草甸)草原區(qū)，Ⅳ為暖溫帶北部落葉櫟林區(qū)，Ⅴ為暖溫帶南部落葉櫟林亞區(qū)，下同。圖1 黃土高原植被分區(qū)及氣象站點空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1) 遙感數(shù)據(jù)。NDVI作為植被綠色度和活動性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，已被廣泛用于在大空間尺度上檢索植被生長監(jiān)測方面。我們使用了由星載傳感器MODIS觀測得出的的NDVI數(shù)據(jù)計算TVDI指數(shù)。MODIS NDVI數(shù)據(jù)集是從MOD13A3產(chǎn)品版本6產(chǎn)品中提取的，空間分辨率為1 km，時間間隔為16 d。地表溫度數(shù)據(jù)(LST)選取MOD11A2產(chǎn)品提供的白天地表溫度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d，數(shù)據(jù)處理方法與NDVI數(shù)據(jù)一致。為進一步去除異常值的影響，本文基于Timesat3.3插件提供的S-G濾波法對NDVI和LST數(shù)據(jù)進行去噪，然后采用最大值合成法合成為月值數(shù)據(jù)[23]。LST在不同的海拔高度上會因氣溫和大氣湍流的影響而存在顯著變化[24-25]。而黃土高原地形起伏明顯，氣溫和降水的時空差異性大，因此本文對地表溫度進行地形校正才能滿足后續(xù)要求，地表溫度訂正公式見文獻[26—27]。

(2) DEM數(shù)據(jù)。因海拔會影響地表溫度，因此本文使用DEM對LST數(shù)據(jù)進行地形校正。我們使用了Google Earth Engine(GEE)平臺提供的2000年的90 m的NASA DEM和2015年的30 m的AW3D作為LST地形校正的DEM數(shù)據(jù)。首先將其采樣成1 000 m分辨率，2001—2010年的LST采用NASA DEM進行校正，2011—2020年的LST采用AW3D進行校正。

(3) 氣象數(shù)據(jù)。本文的氣候要素主要為氣溫和降水，來源于2001—2020年黃土高原及其周邊地區(qū)的氣象站(圖1)，數(shù)據(jù)可從中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)獲取。本研究利用ANUSPLINE以不同時段的DEM為協(xié)變量，將氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)從點尺度插值成為1 000 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。將12—2月定義為冬季，3—5月定義為春季，6—8月定義為夏季，9—11月定義為秋季[28]。

(4) 中國植被區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于1∶100萬植被圖。該植被區(qū)劃數(shù)據(jù)是依據(jù)植被類型和地理分布特征進行劃分區(qū)域，可以反映植被地理分布的規(guī)律性及其與環(huán)境的關(guān)系，提供區(qū)域或全球的植被地理圖式[29]。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度植被干旱指數(shù)(TVDI) LST對裸露土壤或稀疏植被條件下的地表加熱過程(熱容量和熱導(dǎo)率)有影響，因此對地表土壤含水量很敏感。隨著植被覆蓋度的增加，LST 對地表土壤含水量的變化響應(yīng)緩慢。Price等[30]發(fā)現(xiàn)NDVI和LST的遙感像素值散點圖通常為三角形或梯形。后來，Sandholt等[31]基于LST-NDVI典型的關(guān)系構(gòu)建了TVDI指數(shù)用于反映地表干旱程度。理論上，在三角域中，與NDVI軸平行的三角形底邊對應(yīng)于研究區(qū)域內(nèi)蒸散量最大的像素點，三角形的頂邊(斜邊)對應(yīng)于研究區(qū)域內(nèi)的零蒸散量像素點。在三角形頂部和底部之間，三角形的大部分對應(yīng)于不同干旱條件下的蒸發(fā)量。隨著NDVI沿x增加軸，最大LST減小，可以使用最小二乘法擬合負(fù)斜率，定義為干邊緣。濕邊緣由一組點組成，這些點為不同的地表植被覆蓋形成一條水平線或傾斜線。在垂直方向上，NDVI值恒定的三角形域的底部到頂部，由于表層土壤的水分脅迫，LST逐漸增加，從濕邊處的最小值到濕邊處的最大值[32]。干旱邊緣地表土壤含水量相應(yīng)地從最大值減小到最小值，TVDI從0增加到1，表明地表從極端潮濕變?yōu)闃O端干旱。TVDI使用以下等式估算：

(1)

式中：Ts為觀測到的地表溫度;Tsmax和Tsmin分別為像素的最小和最大地表溫度，它們在研究區(qū)域中具有相同的NDVI值，并被定義為濕邊緣和干邊緣。Tsmax和Tsmin通過散點圖上下限的點組計算，他們的方程式如下：

Tsmax=a+b·NDVI

(2)

Tsmin=c+d·NDVI

(3)

式中：a，b，c，d為在整個研究區(qū)域內(nèi)估計的干濕邊緣參數(shù)，包括整個表面水分含量范圍。

1.3.2 TVDI變化趨勢分析 本文采用Sen斜率法分析近20 a黃土高原TVDI變化趨勢。并基于Mann+Kendall對Sen趨勢分析的顯著性進行檢驗。Sen的計算公式為[33]：

(4)

式中:β為干旱變化趨勢;median為取中值函數(shù);當(dāng)β<0時,TVDI呈增加趨勢;β>0時,TVDI呈減小趨勢。

1.3.3 TVDI未來持續(xù)狀態(tài)分析 本文利用Hurst指數(shù)對黃土高原不同季節(jié)的TVDI進行未來變化趨勢預(yù)測。Hurst指數(shù)是根據(jù)時間序列長期依賴性或持續(xù)性的一種有效方法，一般采用R/S分析方法計算Hurst指數(shù)，具體算法見參考文獻[34]。其中，Hurst>0.5，表示序列TVDI的長期相關(guān)性為正持續(xù)性；Hurst=0.5，表明TVDI變化為隨機序列，與過去沒有關(guān)系；Hurst<0.5，表示序列TVDI長期相關(guān)性特征為反持續(xù)性[35]。

1.3.4 氣溫、降水對TVDI的影響分析 本文采用偏相關(guān)分析法分析季節(jié)性氣溫和降水對不同季節(jié)TVDI的影響情況[36]。氣溫、降水和TVDI之間的偏相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(5)

式中:rij為i和溫度j之間的偏相關(guān)系數(shù)，控制變量為降水量，反之亦然；i為TVDI；j和n分別為季節(jié)性氣溫和降水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 TVDI空間分布特征

參閱吳黎等[36]對研究區(qū)TVDI進行分級，TVDI≤0.46，地表濕潤，無旱；0.46

使用均值法計算得到20 a間黃土高原TVDI的時間特征發(fā)現(xiàn)(表1，圖2)：黃土高原TVDI平均每年的增長速率為0.000 2，TVDI集中在0.6～0.7，屬中旱等級，即土壤表面干燥、植被葉片有缺水干黃現(xiàn)象。2005年TVDI有最大值(0.738 2)，2012年有最小值(0.591 8)。但不同季節(jié)TVDI的變化特征各不相同：春季TVDI的增加速率為四季最小(增長速率=0.000 2/a，R2=0.000 3)，變化速率與年均值相同，變旱趨勢不明顯，但從每年均值的變化來看，春季TVDI的波動性最大，且其波動走勢與年均值走勢一致，但波動性比年均值大；夏季TVDI的增加速率為0.001 2/a，R2為0.453,，變化速率大于春季和年均值；秋季TVDI的增加速率最大(增長速率=0.004 4/a，R2=0.283 6)，變化較為明顯，且與年均值變化基本呈相反趨勢；冬季TVDI在20 a間的變化呈現(xiàn)變濕趨勢，TVDI呈減小趨勢(減小速率=-0.004 3，R2=0.339 5)，減小速率明顯，且與年均值變化趨勢基本呈相反趨勢?？傮w而言，2012年為TVDI變化的突變年份。

圖2 TVDI時間曲線

表1 TVDI年際變化相關(guān)系數(shù)

從TVDI均值空間圖發(fā)現(xiàn)，近20 a黃土高原干旱整體為北部和東南部高，西部和西南部低的空間分布特征，最低值集中在黃土高原西部的青海省的西寧、門源、貴德、甘肅的臨夏、臨洮及東部山西的太原地區(qū)，TVDI基本在0.57以下，即屬于輕旱、無旱級別。最高值集中在黃土高原東南部河南和山西的長武等地區(qū)，TVDI值基本在0.76以上，屬重旱級別。從不同年份來看，2005年的干旱程度最大，除黃土高原西部的部分地區(qū)，其他TVDI值均在0.76以上；其次為2007年，其空間分布特征與2005年相似，TVDI大范圍表現(xiàn)為重旱；2019年的干旱程度僅次于2007年，尤其在內(nèi)蒙古的銀川等地區(qū)，干旱程度為重旱。TVDI最小的為2014年和2012年，TVDI值集中在0.7以下，干旱程度較低(圖3)。

圖3 2001-2020年黃土高原TVDI空間分布

2.2 TVDI變化趨勢分析

基于Sen和M-K檢驗方法等到20 a間全年及不同季節(jié)的TVDI的變化趨勢的空間分布、不同植被分區(qū)中不同變化趨勢等級中所占面積百分比(圖4)。其中，春季TVDI以增加趨勢為主，增加速率集中在0～0.005/a，占黃土高原總面積的85.33%。TVDI呈不顯著減少趨勢的區(qū)域集中在青海西部、甘肅中部、陜西和山西的少部分地區(qū)，減少速率集中在0～0.005/a，占黃土高原總面積的14.67%；夏季TVDI變化速率除在山西少部分地區(qū)與春季不同，其他地區(qū)與春季的變化趨勢相近；秋季98.21%的像元數(shù)表現(xiàn)為增加趨勢，增長速率集中在0～0.005/a的像元占41.67%，56.54%的像元上增長速率大于0.005/a，呈不顯著減小趨勢的像元零星分布在陜西南部地區(qū)；20 a間冬季TVDI大部分像元上表現(xiàn)為減小趨勢，即土壤濕度在增加，尤其在青海東部大部分地區(qū)、甘肅西南部少部分地區(qū)的減小速率大于0.005/a，呈增加趨勢的像元零星分布在陜西南部少部分地區(qū)。從全年變化趨勢空間分布來看，20 a間黃土高原TVDI以不顯著增加為主，呈減少趨勢的區(qū)域在青海中部、甘肅大部分地區(qū)、陜西中部、南部及山西有零星分布。

從不同植被分區(qū)下四季TVDI在變化速率分布區(qū)間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(圖4)：全年TVDI在分區(qū)Ⅰ和Ⅱ均以0～0.005/a變化速率增加，且像元百分比均小于20%，分區(qū)Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ不顯著減小和增加趨勢的像元所占百分比各級基本為50%左右，不顯著減小的像元數(shù)明顯增多。從不同季節(jié)來看，春季的像元統(tǒng)計數(shù)與全年的較為相近；夏季呈減小趨勢的像元數(shù)明顯小于春季和全年；秋季TVDI整個以增加趨勢為主，且不同植被分區(qū)的像元數(shù)的差異較??；冬季除Ⅴ區(qū)統(tǒng)計數(shù)與其他4區(qū)差別較大，其他4區(qū)相差不大，各個區(qū)呈增加趨勢的像元占比均小于20%。

圖4 2001-2020年黃土高原TVDI變化趨勢及不同分區(qū)TVDI變化趨勢

2.3 TVDI未來持續(xù)趨勢分析

從黃土高原Hurst指數(shù)年變化、各季節(jié)變化持續(xù)性空間分布(圖5)發(fā)現(xiàn)：黃土高原春季Hurst指數(shù)均值為0.41，表示將來TVDI變化特征與過去20 a黃土高原春季TVDI長期相關(guān)性特征為反持續(xù)性，即將來黃土高原春季TVDI將以減小趨勢為主，在陜西境內(nèi)的大部分像元上的這種持續(xù)性較其他地區(qū)更強；夏季Hurst集中在0.5以下的像元占比為61.76%，但在青海省西部、內(nèi)蒙古的中部和北部、山西和陜西的少部分地區(qū)的Hurst集中在0.5以上，即這些區(qū)域的未來變化趨勢與過去20 a的趨勢相反，結(jié)合趨勢分析發(fā)現(xiàn)青海省未來TVDI變大，其他幾個地區(qū)未來TVDI均繼續(xù)變小；秋季整個地區(qū)TVDI的Hurst指數(shù)為0.47，即秋季TVDI未來以變小趨勢為主，呈增加趨勢的主要集中在山西北部、內(nèi)蒙古南部；冬季Hurst值為0.51，大部分像元變化趨勢與過去20 a相反，即冬季TVDI未來呈增加趨勢，在陜西中部地區(qū)的這種趨勢更為明顯。

圖5 2001-2020年黃土高原Hurst指數(shù)空間分布

從全年來看，Hurst指數(shù)均值為0.45，即未來一段時間內(nèi)的持續(xù)狀態(tài)與過去20 a的變化呈相反趨勢，空間分布上存在明顯的空間異質(zhì)性，存在明顯的分區(qū)差異，在子植被分區(qū)Ⅰ，Ⅱ的Hurst集中在0.5以上，根據(jù)變化趨勢結(jié)果表明在Ⅰ區(qū)域未來一段時間內(nèi)，TVDI將呈減小趨勢。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ三區(qū)的Hurst指數(shù)集中在0.5以下，即未來一段時間的變化趨勢與過去20 a的變化趨勢相反。

2.4 氣溫、降水對TVDI的影響情況

在控制氣溫的條件下，春季TVDI與降水以負(fù)相關(guān)性為主，占黃土高原總面積的85.41%，但只有0.21%的區(qū)域達(dá)到p<0.05的顯著性檢驗。TVDI與降水呈正相關(guān)性區(qū)域集中在海拔較高的青海北部、陜西南部地區(qū)；夏季TVDI與降水以正相關(guān)性為主，青海西部、內(nèi)蒙古大部分地區(qū)及山西北部少部分地區(qū)的相關(guān)系數(shù)集中在0.3以上，相關(guān)性較高。在海拔較低的陜西南部少部分地區(qū)，TVDI與降水呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。秋季TVDI與降水以負(fù)相關(guān)性為主，在陜西西部和甘肅西北部和東部的部分像元上相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.5以下，但在海拔較低的青海省西部、內(nèi)蒙古地區(qū)的相關(guān)系數(shù)以正相關(guān)為主。冬季TVDI與降水主要以負(fù)相關(guān)為主，甘肅隴南、青海的青海湖區(qū)域少部分像元上表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。整年TVDI與降水以負(fù)相關(guān)性為主，僅在河南、陜西南部、山西東部部分像元上表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系(圖6)。

注：上為降水偏相關(guān)系數(shù)空間分布圖，下為氣溫偏相關(guān)系數(shù)空間分布圖。圖6 TVDI與氣溫、降水偏相關(guān)系數(shù)

在控制降水的條件下春季氣溫與TVDI以負(fù)相關(guān)為主，即溫度升高，TVDI減小，空間差異較??；夏季TVDI與氣溫以正相關(guān)關(guān)系為主，即溫度升高會導(dǎo)致TVDI增大，尤其在陜西、河南、山西南部及甘肅中東部地區(qū)的正相性較大；秋季TVDI與氣溫在黃土高原大部分地區(qū)表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，只有在海拔較低的河南、陜西南部部分像元上呈負(fù)相關(guān)性；冬季TVDI與氣溫以負(fù)相關(guān)性為主，尤其在寧夏中部地區(qū)。就全年尺度來看，氣溫對TVDI主要為促進作用，即溫度的升高會是TVDI增大，地表干旱程度加深，僅在海拔較高的內(nèi)蒙古部分地區(qū)、甘肅隴南和青海青藏高原境內(nèi)地區(qū)部分像元上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由圖7可知，就降水來看，不同植被分區(qū)TVDI與降水的相關(guān)系數(shù)與季節(jié)存在較為明顯的關(guān)系，全年除子植被分區(qū)Ⅴ的相關(guān)系數(shù)為正，其他4區(qū)的TVDI與降水均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是分區(qū)Ⅰ，Ⅱ的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.2以下，負(fù)相關(guān)性明顯，Ⅲ區(qū)相關(guān)系數(shù)為-0.14，Ⅳ區(qū)的相關(guān)系數(shù)均值為-0.008，相關(guān)性接近0，負(fù)相關(guān)關(guān)系不明顯；春季TVDI與降水在5個區(qū)均呈負(fù)相關(guān)，除Ⅴ區(qū)TVDI與降水的負(fù)相關(guān)關(guān)系不明顯，其他4區(qū)的相關(guān)系數(shù)集中在-0.2～-0.1；夏季TVDI與降水呈正相關(guān)關(guān)系，Ⅱ區(qū)的相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.2以上，正相關(guān)關(guān)系明顯，Ⅴ區(qū)TVDI與降水的關(guān)系不明顯。秋季TVDI與降水均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，Ⅰ，Ⅳ區(qū)的負(fù)相關(guān)性較高，即TVDI隨降水量的增多，明顯下降，其他3區(qū)的相關(guān)性極低；冬季與全年的統(tǒng)計結(jié)果較為接近，但其相關(guān)性相較全年變低。

圖7 黃土高原TVDI與季節(jié)性氣候不同植被分區(qū)的平均相關(guān)系數(shù)分布

不同分區(qū)TVDI與氣溫的相關(guān)關(guān)系存在較大差異，全年TVDI與氣溫在5個區(qū)的相關(guān)系數(shù)均為正相關(guān)，尤其是Ⅳ區(qū)的相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.24，相關(guān)性較高，其他4區(qū)的相關(guān)系數(shù)在0.1上下波動；春季TVDI與氣溫除在Ⅴ區(qū)的相關(guān)系數(shù)在0以上，其他4區(qū)TVDI與氣溫均為不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；夏季在Ⅰ區(qū)的TVDI與氣溫的相關(guān)系數(shù)接近0，即氣溫的變化對TVDI的影響不大，Ⅱ，Ⅲ區(qū)的相關(guān)系數(shù)接近0.1，較Ⅳ，Ⅴ區(qū)的相關(guān)性(0.25以上)小很多；秋季除植被分區(qū)Ⅰ，Ⅴ區(qū)外，其他3區(qū)TVDI與氣溫的相關(guān)系數(shù)接近0.4，相關(guān)性極高；冬季TVDI與氣溫的相關(guān)性在不同植被分區(qū)間的關(guān)系為正負(fù)相關(guān)并存，但總體而言，TVDI與氣溫的相關(guān)性較秋季低很多。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

地處半濕潤、半干旱、干旱的黃土高原地區(qū)，因生態(tài)環(huán)境十分脆弱、干旱災(zāi)害嚴(yán)重、土壤侵蝕劇烈而成為世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，且90%的黃河泥沙來自黃土高原，因此黃土高原的生態(tài)健康直接維系黃河的健康運行。因此，20世紀(jì)80年代以后，國家開展了一系列水土保持工程、退耕還林(草)工程、坡耕地整治工程控制水土流失，改善黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)。但隨著植被覆蓋度大幅度增加也使黃土高原部分地區(qū)土壤蒸發(fā)量加大，土壤干燥化程度加深[28,37-39]。本文通過研究2001—2020年黃土高原干旱時空分布特征、過去20 a呈現(xiàn)的趨勢、未來一段時間可能持續(xù)的趨勢及其對氣溫和降水變化的響應(yīng)。通過研究近20 a黃土高原時空分布特征，發(fā)現(xiàn)黃土高原過去20 a整體為變旱趨勢，干旱整體呈現(xiàn)出北部、東南高、西部、西南低的空間分布特征，最低值集中在黃土高原西部的青海省的西寧、門源、貴德、甘肅的臨夏、臨洮及東部山西的太原地區(qū)，屬于輕旱、無旱級別，但在2005年、2007年、2019年大面積呈現(xiàn)為重旱，僅有海拔較低的青海沒有出現(xiàn)重旱現(xiàn)象。最高值在黃土高原東南部河南和山西的長武等地區(qū)，屬重旱級別。劉英等[39]通過TVDI指數(shù)對陜西省的干旱監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)2005年比相近年份的受旱面積大，也有報道顯示2007年在內(nèi)蒙古、寧夏、河南、陜西等地區(qū)受到嚴(yán)重的旱災(zāi)，且干旱范圍較大，局地干旱非常嚴(yán)重，全國因旱受災(zāi)面積多于1991年以來的年均值，這一研究結(jié)果和報道均為本文的研究結(jié)果提供支持。

20 a間黃土高原TVDI以不顯著增加趨勢為主，即干旱程度在不顯著增加，呈減小趨勢的區(qū)域在青海中部、甘肅大部分地區(qū)、陜西中部、南部及山西有零星分布，未來一段時間內(nèi)的干旱程度呈減弱趨勢，但存在明顯的分區(qū)差異。但春、夏兩季干旱以增加趨勢較秋季顯著，冬季整體干旱程度減小。未來一段時間內(nèi)黃土高原春季大部分區(qū)域的干旱程度有所緩解，夏季在大面積上表現(xiàn)為干旱緩解趨勢，冬季未來一段時間內(nèi)會在大范圍變旱，尤其在陜西中部地區(qū)的這種趨勢更為明顯。降水量與TVDI呈負(fù)相關(guān)，僅在河南、陜西南部、山西東部部分像元上表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系；氣溫對TVDI起促進作用，即溫度的升高會使TVDI增大，地表干旱程度加深，僅在海拔較高的內(nèi)蒙古部分地區(qū)、甘肅隴南和青海青藏高原境內(nèi)地區(qū)部分像元上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。究其原因可能是因為黃土高原位于東亞夏季風(fēng)影響區(qū)域邊緣，東南部降水受夏季風(fēng)制約，東亞夏季風(fēng)強度顯著減弱，導(dǎo)致黃土高原東、南部干旱增加。

3.2 結(jié) 論

(1) 20 a間黃土高原TVDI整體呈現(xiàn)出北部、東南高，西部、西南低的空間分布特征，最低值集中在青海省的西寧、門源、貴德，甘肅的臨夏、臨洮及東部山西的太原地區(qū)，TVDI基本在0.57以下，即屬于輕旱、無旱級別。最高值集中在黃土高原東南部河南和山西的長武等地區(qū)，TVDI值基本在0.76以上，屬重旱級別。

(2) 20年間，黃土高原TVDI以不顯著增加為主，在青海中部、甘肅大部分地區(qū)、陜西中部、南部及山西零星分布有呈減少趨勢的像元。春季85.33%的面積上TVDI呈現(xiàn)出不顯著的增加趨勢，增加速率集中在0～0.005/a，夏季TVDI以不顯著增加趨勢為主；秋季98.21%區(qū)域為增加趨勢，56.54%的像元上增長速率大于0.005/a，冬季TVDI大部分像元上表現(xiàn)為減小趨勢。

(3) 黃土高原Hurst指數(shù)均值為0.45，即未來一段時間內(nèi)黃土高原TVDI可能呈現(xiàn)出不顯著的減少趨勢，這說明黃土高原的干旱程度會有所緩解。春季未來一段時間內(nèi)黃土高原大部分區(qū)域的TVDI將呈減小趨勢，在陜西境內(nèi)的大部分像元上的這種持續(xù)性較其他地區(qū)更強；夏季未來一段時間內(nèi)青海省未來TVDI變大，其他幾個地區(qū)未來TVDI均呈變小趨勢；未來秋季TVDI將在一段時間內(nèi)大部分像元數(shù)呈變小趨勢，繼續(xù)呈增加趨勢的主要集中在山西北部、內(nèi)蒙古南部的少部分地區(qū)；冬季未來一段時間冬季TVDI將呈增加趨勢，尤其在陜西中部地區(qū)的這種趨勢更為明顯。

(4) 20年間，黃土高原TVDI與降水除在河南、陜西南部、山西東部少部分地區(qū)呈現(xiàn)出正相關(guān)，其他大部分地區(qū)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，氣溫對TVDI主要為促進作用，但在海拔較高的內(nèi)蒙古部分地區(qū)、甘肅隴南和青海青藏高原境內(nèi)地區(qū)部分像元上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。春季85.41%的面積上TVDI與降水之間的關(guān)系以負(fù)相關(guān)為主，相關(guān)系數(shù)主要集中在-0.5～0，與春季氣溫也呈負(fù)相關(guān)；夏季TVDI與降水以正相關(guān)為主，在海拔較低的陜西南部少部分地區(qū)與降水呈極顯著負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)；秋季TVDI與降水以負(fù)相關(guān)為主，在海拔較低的青海省西部、內(nèi)蒙古地區(qū)的相關(guān)系數(shù)以正相關(guān)為主，在海拔較高的內(nèi)蒙古部分地區(qū)、甘肅隴南和青海青藏高原境內(nèi)地區(qū)部分像元上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；冬季TVDI與降水主要以負(fù)相關(guān)為主，與氣溫以負(fù)相關(guān)為主。