近22年民勤地區(qū)植被變化的時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)因素

周 蕊，高鈺婷，石麗榮，范 銘

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

荒漠化是指氣候變化和人類活動(dòng)等因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)干旱地區(qū)的土地退化[1]。我國(guó)的荒漠、荒漠化土地面積共計(jì)超過(guò)240萬(wàn)km2，占總面積的25%以上[2]，其中西北地區(qū)土地荒漠化問(wèn)題尤為嚴(yán)重?；哪瘜?dǎo)致土壤侵蝕、植被覆蓋減少以及沙塵暴頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生存環(huán)境[3]，我國(guó)每年由于荒漠化損失近540億元[4]，因此荒漠化一直以來(lái)是我國(guó)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之一[5-6]。

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主要組成部分，聯(lián)系并溝通了各大圈層[7]，因此植被在一定程度上能夠指示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化[8-9]。目前，遙感技術(shù)已成為監(jiān)測(cè)植被動(dòng)態(tài)變化的重要手段[6,10]，包括一系列植被指數(shù)和高清衛(wèi)星影像等方式，其中歸一化植被指數(shù)(normalized different vegetation index,NDVI)常被用來(lái)指示植被覆蓋變化，被廣泛運(yùn)用于監(jiān)測(cè)植被動(dòng)態(tài)變化[11-13]。目前針對(duì)不同的傳感器，發(fā)展得到了多種NDVI數(shù)據(jù)集，其中SPOT-VGT (SPOT VEGETATION) NDVI時(shí)間序列最長(zhǎng)，能滿足植被動(dòng)態(tài)變化長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究的需求，且在空間分辨率、光譜分辨率和幾何糾正等方面具有優(yōu)勢(shì)[14]，使用SPOT NDVI數(shù)據(jù)集對(duì)于提高植被長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性具有重要意義。截至目前，很多學(xué)者已經(jīng)使用歸一化植被指數(shù)研究了多數(shù)地區(qū)的植被覆蓋現(xiàn)狀，例如潘霞等[15]采用2000—2016年植被生長(zhǎng)季的NDVI數(shù)據(jù)對(duì)阿拉善盟地區(qū)的荒漠動(dòng)態(tài)程度進(jìn)行反演和評(píng)價(jià)；康文平等[16]通過(guò)對(duì)2000—2013年柴達(dá)木盆地NDVI數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)氣溫、降水和潛在蒸散量均與NDVI呈正相關(guān)。

民勤綠洲位于石羊河流域下游，是石羊河延伸到騰格里沙漠和巴丹吉林兩大沙漠之間的非地帶性景觀，具有十分重要的生態(tài)屏障作用[17]。在自然條件方面，民勤縣由于深處大陸腹地，受控于大陸性溫帶干旱氣候和青藏高原氣候的雙重影響，水熱條件分布不均，成為我國(guó)河西區(qū)域荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[18]。在人類活動(dòng)方面，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，由于石羊河中上游用水量的增加，導(dǎo)致下游綠洲的水量逐年減少；同時(shí)由于下游過(guò)度開(kāi)挖機(jī)井、開(kāi)采地下水灌溉農(nóng)田，從而導(dǎo)致民勤綠洲地下水位下降、綠洲萎縮、土地鹽漬化、沙漠化等一系列嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題。因此，明確民勤地區(qū)荒漠化的原因和驅(qū)動(dòng)機(jī)制是有效開(kāi)展荒漠化防治的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。已有學(xué)者基于Landsat衛(wèi)星系列遙感影像和MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13進(jìn)行了民勤綠洲的植被變化及其成因的相關(guān)研究。如馬倩倩等[19]利用2002—2012年 MODIS-NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析認(rèn)為泛河西地區(qū)植被覆蓋變化總體呈增加趨勢(shì)，植被變化對(duì)降水的敏感性高于氣溫。滑永春等[20]利用 Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)，分析了2001—2014年甘肅民勤縣植被變化，認(rèn)為中高覆蓋度的植被面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)，而低覆蓋度的植被面積呈減少趨勢(shì)，民勤縣生態(tài)環(huán)境改善顯著。但是以往的研究往往將全域植被覆蓋度的年均值作為指標(biāo)來(lái)進(jìn)行探討年際變化，而并未考慮到在人類活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，荒漠戈壁區(qū)與常年植被覆蓋地區(qū)的指標(biāo)變化的原因可能存在明顯的差異。因此，探究民勤地區(qū)的植被變化及其原因應(yīng)選擇將植被區(qū)域(NDVI>0.1)作為研究區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，才能更加明確其植被變化的原因及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。在先前研究中大多數(shù)研究認(rèn)為溫度和降水是影響植被變化和荒漠化的主要?dú)夂蛞蜃覽21-23]。但是，近期有研究也表明風(fēng)力強(qiáng)度對(duì)干旱和半干旱地區(qū)荒漠化發(fā)展和植被變化的影響越來(lái)越顯著[24-26]。筆者對(duì)民勤地區(qū)1998—2020年植被覆蓋區(qū)域NDVI的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示近22年民勤縣荒漠化過(guò)程及變化規(guī)律；探索荒漠化過(guò)程對(duì)氣候變化與水循環(huán)的反饋機(jī)制，增加對(duì)風(fēng)力和有效濕度這2個(gè)氣候因子與植被變化的分析；在此基礎(chǔ)上，對(duì)該地區(qū)水土保持和生態(tài)恢復(fù)的管理和利用策略進(jìn)行探討，以期為該地區(qū)綠洲的保護(hù)與開(kāi)發(fā)以及可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況甘肅民勤綠洲(38°04′07″～39°27′38″N，101°49′38″～104°11′55″E)位于河西走廊北部，石羊河流域下游，我國(guó)第二大沙漠巴丹吉林沙漠和第三大沙漠騰格里沙漠之間(圖1)，東西長(zhǎng)約206 km，南北寬約156 km，總面積約1.59萬(wàn)km2[27]。沙漠和荒漠化面積約占90%，綠洲面積僅占10%，是全國(guó)受荒漠化危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。

圖1 民勤地區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of Minqin region

民勤地區(qū)東、北、南3面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠所包圍，其氣候特征主要是以大陸性沙漠氣候?yàn)橹?。全年氣候干旱少雨，多年平均降水量約為 110 mm，年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，積溫高，蒸發(fā)旺盛，潛在年蒸發(fā)量可達(dá) 2 644 mm，是年降水量的 24 倍以上。民勤地區(qū)大風(fēng)天氣較多，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈。受自然因素的影響，該區(qū)域自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人類活動(dòng)影響較大。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1NDVI數(shù)據(jù)。該研究選取的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)集來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供下載的“中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列植被指數(shù)( NDVI) 空間分布數(shù)據(jù)集”，是通過(guò)最大值合成法生成的1998—2019年的月度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為1 km，被廣泛運(yùn)用于植被和生態(tài)環(huán)境的研究[28-30]。該研究對(duì)SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)集進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、掩膜提取等預(yù)處理，得到了民勤地區(qū)NDVI數(shù)據(jù)集。

民勤地區(qū)植被生長(zhǎng)最茂盛的時(shí)段在盛夏，最能反映植被生長(zhǎng)狀況。因此該研究基于SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)集計(jì)算了1998—2019年民勤地區(qū)生長(zhǎng)季(6—9月)NDVI月均值，得出6—9月NDVI月均值分別為0.215 8、0.244 2、0.233 2、0.199 3，可見(jiàn)近22年民勤地區(qū)NDVI月均值最高值出現(xiàn)在7月。同時(shí)，研究區(qū)7月NDVI月均值與其生長(zhǎng)季(6—9月)NDVI呈顯著正相關(guān)(圖2)，這表明7月NDVI月均值可以用來(lái)指示民勤地區(qū)生長(zhǎng)季的植被生長(zhǎng)狀況。因此，該研究選擇研究區(qū)域7月NDVI剔除非植被區(qū)域(多年平均NDVI<0.1的區(qū)域)后的NDVI數(shù)據(jù)指示該地區(qū)植被生長(zhǎng)的年變化情況，并進(jìn)行下一步的研究。

圖2 研究區(qū)7月NDVI與生長(zhǎng)季(6—9月)NDVI年際變化比較Fig.2 Comparison of NDVI interannual changes between July and growing season (June-September) in the study area

1.2.2氣象數(shù)據(jù)。在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)下載民勤氣象站點(diǎn)1998—2020年的氣象數(shù)據(jù)，具體包括年降水量(mm)、年平均氣溫(℃)、每日風(fēng)速(m/s)、日平均溫度(℃)、日平均濕度(%)。在干旱地區(qū)，水分對(duì)植被生長(zhǎng)尤為重要，而水分不僅與降水相關(guān)，還受到蒸發(fā)的影響，因此對(duì)植被生長(zhǎng)實(shí)際有效的水分需要綜合考慮降水量和蒸發(fā)量的共同影響。年降水量(P)與年潛在蒸散發(fā)(PET)的比值表示有效水分(P∶PET)，對(duì)于干旱區(qū)植被生長(zhǎng)十分重要,其中PET的計(jì)算可參考Penman-Monteith蒸散發(fā)估算公式[31]。另外，為了更好地分析風(fēng)力對(duì)植被覆蓋變化和荒漠化進(jìn)程的影響，選取了強(qiáng)風(fēng)頻率(w)和輸沙勢(shì)(DP)2個(gè)指標(biāo)。綜上，該研究選取和計(jì)算1998—2019年民勤氣象站點(diǎn)年降水量、年平均氣溫、P∶PET、w和DP共5個(gè)氣候因子來(lái)探究自然要素對(duì)民勤地區(qū)植被生長(zhǎng)的影響。

1.3 研究方法

1.3.1最大值合成法。為了進(jìn)一步消除云、大氣和月內(nèi)物候等影響，該研究采用國(guó)際通用的最大值合成法計(jì)算區(qū)域內(nèi)每個(gè)柵格每月最大NDVI值。計(jì)算公式如下：

MNDVIi=max(NDVI1,NDVI2)

(1)

式中，MNDVIi為第i月NDVI最大值，i=1,2,…,12為月序號(hào)，NDVI1為第i月上半月NDVI值，NDVI2為第i月下半月NDVI值。

1.3.2Theil-Sen Median趨勢(shì)分析法。Theil-Sen Median趨勢(shì)分析法又被稱為Sen斜率估計(jì)，是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法。該方法計(jì)算效率高，對(duì)測(cè)量誤差和離群數(shù)據(jù)不敏感，常被用于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析。具體計(jì)算公式如下：

(2)

式中，i為第i年，j為第j年，j>i;NDVIi和NDVIj分別代表像元第i年和第j年的NDVI值；β表示NDVI變化趨勢(shì)，當(dāng)β>0，表明研究時(shí)段內(nèi)NDVI呈增加趨勢(shì)，植被覆蓋增加；反之NDVI呈減少趨勢(shì)，植被覆蓋減少。

1.3.3Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)法。Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)法能較好地檢驗(yàn)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，在氣象、水文等研究中取得成功應(yīng)用，相對(duì)于其他檢驗(yàn)方法而言，其優(yōu)點(diǎn)在于樣本不需要按一定順序排列，也不受異常值的影響，因此利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)NDVI變化的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，1≤i1.96時(shí)，表示NDVI變化趨勢(shì)通過(guò)了置信水平α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；反之，表示NDVI變化趨勢(shì)未通過(guò)置信水平α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果相結(jié)合，能有效地反映NDVI空間變化特征，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 NDVI空間變化特征劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criteria of NDVI spatial change characteristics

1.3.4氣象因子的計(jì)算。為了計(jì)算有效水分P∶PET中的潛在蒸散發(fā)，該研究采用世界糧農(nóng)組織(FAO)提出的修正Penman-Monteith方程，具體公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Rso=(0.75+2×10-5z)Rs

(13)

式中，ET0為潛在蒸散發(fā)(mm/d)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T為日平均溫度(℃)；u2是2 m高度的風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；Rn為凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；u10為10 m高度處的風(fēng)速(m/s)；Tmax、Tmin分別為24 h間的最高或最低絕對(duì)溫度(K)；Rh為相對(duì)濕度(%)；Tmean為24 h間的平均絕對(duì)溫度(K)；Rs為太陽(yáng)輻射[MJ/(m2·d)]；α為反照率系數(shù)，取0.23；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h)；N為日照時(shí)數(shù)或白天時(shí)數(shù)的最大可能持續(xù)時(shí)間(h)；Ra為地球外輻射[MJ/(m2·d)]；σ是StefanBoltzman常數(shù)[4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)]；as和bs采用FAO建議的取值，as=0.25，bs=0.50；Rso是晴空輻射[MJ/(m2·d)]；z是研究區(qū)的海拔(m)。

強(qiáng)風(fēng)頻率(w)表示一年中每日風(fēng)速超過(guò)起沙風(fēng)速的占比，由于風(fēng)速只有達(dá)到起沙風(fēng)速才能搬運(yùn)沙粒，進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)以及荒漠化進(jìn)程，因此選用w來(lái)衡量風(fēng)力的影響。該研究參考了周邊地區(qū)的起沙風(fēng)速，將金昌市起沙風(fēng)速定為6 m/s，以此來(lái)統(tǒng)計(jì)一年中每日風(fēng)速超過(guò)起沙風(fēng)速的占比。

輸沙勢(shì)(DP)表示一定時(shí)間內(nèi)潛在最大輸沙量，是衡量風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

DP=V2(V-Vt)t

(14)

式中，V為10 m高處風(fēng)速(m/s);Vt為10 m高處的起沙風(fēng)速(>6 m/s);t為起沙風(fēng)速的累計(jì)作用時(shí)間，即達(dá)到起沙風(fēng)速的時(shí)間占觀測(cè)時(shí)段的比值(以百分?jǐn)?shù)表示，通常觀測(cè)時(shí)段以1年為周期)。輸沙勢(shì)(DP)在數(shù)值上以矢量單位(UV)表示。

1.3.5相關(guān)性分析。為了研究植被覆蓋、氣候因子之間的相互關(guān)系，利用Pearson相關(guān)系數(shù)衡量NDVI和氣象數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，計(jì)算公式如下：

(15)

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時(shí)間變化特征從圖3可以看出，1998—2019年民勤地區(qū)NDVI總體呈上升趨勢(shì)，植被覆蓋增多，沙漠化有所改善。近22年民勤地區(qū)NDVI平均年增速0.16%，呈現(xiàn)小幅上升的趨勢(shì)并伴隨寬幅振蕩，其中，1998—2001年NDVI呈下降趨勢(shì)；2001—2002年NDVI呈現(xiàn)明顯快速增長(zhǎng)趨勢(shì)；2002—2019年NDVI呈現(xiàn)明顯振蕩增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖3 1998—2019年民勤地區(qū)7月NDVI年際變化Fig.3 Inter annual change of NDVI in Minqin region from 1998 to 2019 in July

2.2 NDVI空間分布特征為明確民勤地區(qū)1998—2019年植被覆蓋的空間變化情況，選取分析了民勤縣1998和2019年的NDVI空間分布情況。從圖4可以看出，民勤地區(qū)有植被覆蓋的地區(qū)主要分布在縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)。從空間上而言，石羊河流域附近的縣鎮(zhèn)NDVI主要在0.4以上，其NDVI高于遠(yuǎn)離石羊河流域的昌寧鄉(xiāng)和南湖鎮(zhèn)；而對(duì)于綠洲外圍的干旱沙漠地區(qū)，其NDVI小于0.2；沙漠與綠洲中間的過(guò)渡地帶，其NDVI為0.2～0.3。因此，有徑流的區(qū)域的NDVI高于沒(méi)有徑流補(bǔ)給的區(qū)域，這一結(jié)果是由于對(duì)于干旱區(qū)的植被生長(zhǎng)，水的供給和來(lái)源是重要的影響因素之一。然而，對(duì)于沒(méi)有徑流補(bǔ)給的昌寧鄉(xiāng)和南湖鎮(zhèn)，其NDVI卻表現(xiàn)出明顯的高值，表明人類活動(dòng)對(duì)土地的開(kāi)墾和維護(hù)在一定程度上可以將沙地轉(zhuǎn)化為耕地。生態(tài)移民對(duì)植被的發(fā)展起一定的促進(jìn)作用。

圖4 1998年(a)和2019年(b)民勤地區(qū)NDVI均值空間分布Fig.4 Spatial distribution of mean NDVI in Minqin region in 1998 (a) and 2019 (b)

從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，1998年民勤縣鎮(zhèn)內(nèi)NDVI多分布于0.2～0.5，大于0.5的區(qū)域較少；除沙漠內(nèi)部的紅沙崗鎮(zhèn)和南湖鎮(zhèn)，其他縣鎮(zhèn)的NDVI都有大于0.3的區(qū)域分布。2019年，民勤縣鎮(zhèn)內(nèi)NDVI明顯提高，特別是南湖鎮(zhèn)的NDVI 大于0.5的區(qū)域明顯增加。由此可以大致得出近22年來(lái)民勤地區(qū)植被覆蓋較好的區(qū)域面積有所增加，植被覆蓋稀少的區(qū)域面積有所減少，荒漠化狀況得到改善。

Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(表2)表明，1998—2019年民勤地區(qū)31.14%區(qū)域的NDVI呈增加趨勢(shì)，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；16.32%區(qū)域的NDVI呈減少趨勢(shì)，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；52.54%區(qū)域的NDVI變化未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表2 1998—2019年民勤地區(qū)NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of NDVI change trend in Minqin region from 1998 to 2019

NDVI空間變化結(jié)果(圖5)表明，近22年來(lái)民勤地區(qū)約1/3的區(qū)域的NDVI呈增加趨勢(shì)，主要分布在民勤縣北部的西渠鎮(zhèn)和收成鄉(xiāng)，西部的昌寧鄉(xiāng)，南部水庫(kù)附近的重興鄉(xiāng)和蔡旗鎮(zhèn)以及生態(tài)移民的地區(qū)南湖鎮(zhèn)；少部分區(qū)域的NDVI呈減少趨勢(shì)，主要分布在民勤綠洲靠近沙漠的邊緣地區(qū)；近50%區(qū)域的NDVI變化不顯著。

圖5 1998—2019年民勤地區(qū)NDVI空間變化Fig.5 Spatial changes of NDVI in Minqin region from 1998 to 2019

2.3 氣候因子變化及對(duì)NDVI的影響氣象數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明(圖6)，民勤地區(qū)年平均氣溫在1998—2011年年際變化不大，而在2012—2016年年平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，2017—2019年年平均氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。年降水量和有效水分(P∶PET)變化一致，總體上年際起伏較大，但長(zhǎng)期變化不顯著。強(qiáng)風(fēng)頻率(w) 和輸沙勢(shì)(DP)整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

從研究區(qū)NDVI與氣候因子的相關(guān)性和顯著性檢驗(yàn)分析(表3)可以看出，年平均溫度、年降水量、有效水分P∶PET與該地區(qū)NDVI的相關(guān)性均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。強(qiáng)風(fēng)頻率(w)和輸沙勢(shì)(DP)與NDVI均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。由此可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力減弱是民勤地區(qū)近22年來(lái)植被覆蓋增加的主要原因。這是由于在干旱地區(qū)，土壤侵蝕被認(rèn)為是沙漠化的主要成因，其中風(fēng)力侵蝕占主導(dǎo)地位，通過(guò)搬運(yùn)肥沃表土而削弱土壤肥力，降低土壤持水能力，進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)[32]。另外，潛在蒸散發(fā)會(huì)受到風(fēng)力的影響，因此風(fēng)力減弱會(huì)導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)減少，從而使得有效水分(P∶PET)增加，更好地促進(jìn)了植被生長(zhǎng)。由此可知，風(fēng)力的減弱能促進(jìn)植被的生長(zhǎng)和沙丘的穩(wěn)定。

表3 NDVI與氣候因子之間相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between NDVI and climate factors

2.4 民勤地區(qū)荒漠化與人為因素關(guān)系從近22年來(lái)時(shí)間尺度的分析結(jié)果來(lái)看，雖然民勤地區(qū)的溫帶大陸性干旱多風(fēng)的氣候條件為該地區(qū)荒漠化提供了充分的動(dòng)力基礎(chǔ)，但自然條件下溫度和降水對(duì)植被生長(zhǎng)的影響并不顯著，風(fēng)力減弱是植被增長(zhǎng)的重要自然要素?？赡苁怯捎谠搮^(qū)域人類活動(dòng)強(qiáng)烈，人為因素也是加速荒漠化發(fā)展和逆轉(zhuǎn)荒漠化趨勢(shì)的主要原因之一。Duan等[21]通過(guò)評(píng)估三北防護(hù)林項(xiàng)目實(shí)施地區(qū)的植被動(dòng)態(tài)變化，提出當(dāng)氣候因子與NDVI變化相關(guān)性不顯著時(shí)，人類因素可能是NDVI變化的主要原因。Chen等[33]通過(guò)研究我國(guó)北方沙漠化的背景并分析其成因，認(rèn)為人類活動(dòng)對(duì)我國(guó)北方沙漠化的影響大于氣候的影響，人口數(shù)量的急劇增加導(dǎo)致了過(guò)度放牧、開(kāi)墾荒地等不合理活動(dòng)，加劇了北方地區(qū)沙漠化。Zhou等[34]研究指出內(nèi)蒙古西部沙漠的擴(kuò)張和恢復(fù)逆轉(zhuǎn)均與人類活動(dòng)緊密關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究建議在探討植被變化成因時(shí)需考慮人類活動(dòng)的影響[12，35]。民勤位于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠中間，是重要的沙漠化防治區(qū)域。近幾十年來(lái)人類活動(dòng)對(duì)其植被覆蓋的變化可能產(chǎn)生了重要的作用，其中包括早期過(guò)度開(kāi)采地下水、過(guò)度開(kāi)墾等干擾活動(dòng)導(dǎo)致的植被覆蓋下降趨勢(shì)，以及近22年來(lái)大型水土保持、生態(tài)恢復(fù)工程項(xiàng)目等的保護(hù)措施對(duì)當(dāng)?shù)刂脖簧L(zhǎng)起到的積極作用。

NDVI年際變化結(jié)果顯示民勤地區(qū)的NDVI從1998年的0.221 2降至2001年的0.210 9(圖3)，然而在1998—2001年，氣候因子計(jì)算結(jié)果顯示該時(shí)期氣溫下降，風(fēng)力減弱，對(duì)于植被生長(zhǎng)起著積極的作用(圖6)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，民勤縣唯一的地表水補(bǔ)給——石羊河上游來(lái)水量從20世紀(jì)50年代的5.42×108m3減少至90年代的1.52×108m3，而到2002年上游來(lái)水量?jī)H為0.84×108m3，在2002年前人們對(duì)于沙漠化防治沒(méi)有意識(shí)，一方面為了解決水資源供需缺口大量開(kāi)采地下水，打井11 000眼，年超采地下水近4.0×108m3[36]。另一方面當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)土地的不合理利用導(dǎo)致開(kāi)墾耕地的同時(shí)大量已有耕地遭棄耕，人們迫于生計(jì)增加牲畜的出欄量、過(guò)度放牧對(duì)草地的承載造成壓力，從而導(dǎo)致1998—2001年該地區(qū)植被覆蓋呈急劇下降趨勢(shì)。因此，該研究認(rèn)為1998—2001年民勤地區(qū)植被退化的主要誘因之一是地下水資源的嚴(yán)重超采和土地資源的不合理利用。

圖6 1998—2019年民勤地區(qū)NDVI與氣候因子的年際變化Fig.6 Inter annual changes of NDVI and climate factors in Minqin region from 1998 to 2019

2001年之后，國(guó)家和地方對(duì)民勤地區(qū)荒漠化防治高度重視，頒布并實(shí)施了《防沙治沙法》，開(kāi)展了一系列有效提高植被覆蓋率的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程，例如嚴(yán)禁新墾荒地、填埋所打機(jī)井、節(jié)水灌溉、調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)、推行水權(quán)制度改革使工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水定額要求、建立防風(fēng)固沙林體系等，生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)在這一時(shí)期得到了遏制，植被覆蓋呈逐步上升趨勢(shì)。2005 年石羊河流域治理應(yīng)急工程啟動(dòng)，2006年石羊河流域綜合治理項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施。2007年，政府批準(zhǔn)實(shí)施了《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》政策，確定石羊河水量分配方案，采用水庫(kù)蓄水，增加民勤縣的儲(chǔ)水量[37]。2006—2010年民勤地區(qū)共關(guān)閉機(jī)井3 018眼，地下水開(kāi)采量由綜合治理前的5×108m3減少到綜合治理后的1×108m3[36]。特別明顯的是青土湖的變化，青土湖于1960年干涸，2006年開(kāi)始作為一個(gè)治理點(diǎn)進(jìn)行治理，這些科學(xué)防治的策略使得生態(tài)環(huán)境改善顯著，民勤盆地干涸了51年之久的青土湖連續(xù)多年人工形成了季節(jié)性水面，紅崖山水庫(kù)每年向青土湖進(jìn)行生態(tài)用水補(bǔ)給，2016 年下泄 0.335 8×108m3，同時(shí)加大周邊植被的治理，經(jīng)過(guò)近10年的治理，2019年時(shí)形成了約21.56 km2的水面，周邊植被得到滋養(yǎng)，生態(tài)得到改善和恢復(fù)。

與此同時(shí)，民勤縣實(shí)施退耕、退牧還林還草工程，壓縮耕地2.9萬(wàn)hm2，至2016年共完成人工造林8.2萬(wàn)hm2，工程壓沙2.8萬(wàn)hm2。2006年以來(lái)綠洲人工造林?jǐn)?shù)和工程壓沙數(shù)逐年增多趨勢(shì)，趨勢(shì)率分別為0.8萬(wàn)和0.12萬(wàn)hm2/10 a[36]。在荒漠化治理方面堅(jiān)持科學(xué)防治，集中治理、合理規(guī)劃，推廣包括“麥草沙障+落水栽植梭梭”“礫石灘地開(kāi)溝+落水栽植”等在內(nèi)的治沙模式，并先后在老虎口、西大河、青土湖等區(qū)域建立防沙治沙示范區(qū)，采用工程、生物治理相結(jié)合的治沙技術(shù)拓展和鞏固綠洲邊緣防沙固沙植被。人工造林和沙障不僅人為地增加了植被覆蓋，使得民勤地區(qū)風(fēng)速減弱，生態(tài)敏感的區(qū)域?qū)︼L(fēng)抵抗力更強(qiáng)，從而促進(jìn)了植被的增長(zhǎng)。對(duì)生活在生態(tài)脆弱、環(huán)境惡化地區(qū)的居民實(shí)行移民，減輕人口對(duì)生態(tài)的壓力，并在適合人類居住的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)改造，如南湖鎮(zhèn)的生態(tài)移民后，該區(qū)域植被覆蓋度增長(zhǎng)明顯，生態(tài)環(huán)境得到改善(圖5)。

NDVI空間變化結(jié)果表明植被的退化主要發(fā)生在綠洲的邊緣地區(qū)，且占研究區(qū)的16.32%(表2)，這可能由于有效提高植被覆蓋率的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程主要發(fā)生在人類居住的綠洲地區(qū)，而忽視了民勤綠洲與巴丹吉林和騰格里沙漠間緩沖區(qū)的生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與治理。由于植被退化的區(qū)域遠(yuǎn)離石羊河流域，并不能直接受益于原有的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程。因此在之后的水保治理方面，應(yīng)將該區(qū)域作為重點(diǎn)治理區(qū)域，并因地制宜，建議從風(fēng)力的角度采取合理的適合緩沖地帶的治理方式改變?cè)搮^(qū)域植被覆蓋情況。

3 結(jié)論

該研究利用SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)集，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策，分析近22年來(lái)民勤地區(qū)植被覆蓋變化的時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)因子，得出以下主要結(jié)論：

(1)1998—2019年民勤地區(qū)NDVI變化總體呈上升趨勢(shì)，植被覆蓋增多，沙漠化有所改善。NDVI以平均年增速0.16%小幅上升并伴隨寬幅振蕩，空間變化上存在著明顯的空間差異。

(2)自然要素與NDVI相關(guān)性分析結(jié)果表明，風(fēng)力對(duì)植被覆蓋度的影響顯著，民勤地區(qū)的溫帶大陸性干旱多風(fēng)的氣候條件為該地區(qū)荒漠化提供了充分的動(dòng)力基礎(chǔ)，風(fēng)力的減弱是1998—2019年民勤地區(qū)植被覆蓋度增加的主要自然因素。

(3)地下水資源的嚴(yán)重超采和土地資源的不合理利用是導(dǎo)致1998—2001年民勤地區(qū)植被退化的主要誘因。2001年后《防沙治沙法》和《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》政策的相繼提出，荒漠化面積顯著減少，植被覆蓋度顯著增加。但綠洲與沙漠間的緩沖地帶植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，應(yīng)在之后的治理工作中作為重點(diǎn)治理區(qū)域，并建議從風(fēng)力的角度進(jìn)行解決植被退化問(wèn)題。