1981—2017年黃河流域內蒙古段氣候及植被生態變化狀況

桑婧

（內蒙古生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

關鍵字 黃河流域內蒙古段；NDVI；氣候變化；Mann-Kendall檢驗

引言

植被泛指地球表面某一區域所覆蓋的植物群落，是生態系統的重要組成部分之一，連接了大氣、土壤和水，在圈層間物質循環和能量、信息傳遞中起到了溝通的作用[1]。在全球范圍內，植被在保持土壤水分、調節大氣氣候、維穩生態環境等方面具有不可忽視的作用。植被歸一化指數（NDVI）與植物的生物量和葉面積指數有相對較好的相關關系，隨著遙感技術的發展，目前NDVI被廣泛地應用于水土保持和生態環境的研究中，可以代表地面植被覆蓋程度的變化[2]。NOAA/AVHHRR和SPOT數據具有覆蓋范圍廣，分辨率高且獲取方便的優勢，因此適合作為數據源研究長時間序列NDVI變化[3]。

黃河流域地理位置和氣候條件較為特殊，加之頻繁的人類活動，流域內水土流失嚴重導致黃河流域生態環境十分脆弱，研究黃河流域內植被覆蓋的變化對保護黃河流域生態環境具有重要意義[4-5]。新中國以來，我國在黃河流域植被覆蓋變化領域做了大量的研究工作，得到了許多有意義的結論。袁麗華等[3]利用2000—2010 年的MODI3QI數據研究了黃河流域植被覆蓋區域的NDVI時空變化特征，結果發現，2000—2010 年間黃河流域NDVI年值呈現出西部和東南部高，均值在0.3~0.4之間，黃河流域植被改善的區域遠遠大于退化的區域。賀振等[2]利用GIMMS-NDVI數據分析了1982—2013黃河流域植被覆蓋時空演化趨勢，發現，黃河流域植被覆蓋增長較為緩慢，增速為每10 年增長0.018，32 年間黃河流域植被覆蓋整體得到改善，得到改善的區域約為59.49%。田智慧等[6]基于MOD17A3 NPP數據及氣象和土地利用數據分析了2000—2015年植被NPP變化，結果表明，上、中、下游植被NPP年均值呈明顯的梯度分布，即上游＜中游＜下游，說明中上游區域生態環境比較脆弱，且中上游植被NPP總量占整個流域的96%，可見中上游生態環境對整個黃河流域生態環境的影響較大，故加強對中上游流域生態環境保護和改善至關重要。郭帥等[7]基于GIMMS NDVI分析了黃河流域NDVI的時空變化，發現，1982—2015年黃河流域及上游、中游NDVI均呈現顯著線性增加的趨勢，中游的增速最快，顯著增加的區域面積也最大。

綜上所述，雖然前人對黃河流域植被覆蓋變化趨勢做了較多的研究，但鮮見長時間序列下只針對黃河流域內蒙古段的研究。本研究融合多源遙感數據，通過預處理得到了1981—2017 年黃河流域年最大NDVI數據，采用了目前被廣泛認可的Mann-Kendall趨勢檢驗研究黃河流域內蒙古段植被覆蓋空間分布特征和變化規律，以期為黃河流域內蒙古段生態環境保護和治理提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

黃河發源于巴顏喀拉山北麓各姿各雅山下的卡日曲河谷，海拔高度4675 m，平均流量1774.5 m3·s-1，一路歷經5464 km，最后在山東省注入渤海。內蒙古自治區范圍內黃河干流830 km，約占黃河中上游流域的17.7%，流經內蒙古7 個盟市。黃河流域內蒙古段地貌多樣，屬于干旱半干旱氣候區，常年氣候干旱寒冷，流經區域多為荒漠和半荒漠，氣候干燥再加上人類活動的影響使黃河生態環境較為脆弱。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 數據來源

1981—2001 年的NOAA/AVHHRR逐旬NDVI數據(分辨率為2.2 km)來源于中國農業科學研究院，1998—2017 年的SPOT-Vegetation NDVI(分辨率為1.0 km)數據來源于美國國家海洋和大氣管理局官網。黃河流域1:250000二級流域分級數據集（2002 年）來源于國家地球系統科學數據中心。黃河流域內蒙古段及周邊內蒙古境內44 個氣象站點對應年份的年平均氣溫、年降水量和相對濕度數據（黃河流域內蒙古段區域及氣象站點位置見圖1）。

圖1 黃河流域內蒙古段位置及氣象站點分布情況

1.2.2 非同源遙感影像處理

NOAA/AVHRR NDVI(1981—2001)、SPOTVegetation(1998—2017)數據集在時間長度和空間分辨率方面各具優勢，通過重采樣（ArcTool box完成）、相關分析和最小二乘擬合等方法，依據重合時段(1998—2001年)的40 期月值數據的對比分析，將以上非同源數據序列進行融合，構建1981—2017年長時間序列的植被遙感數據集。而后將1981—2017 年長時間序列的NDVI數據進行年最大值合成。

最小二乘法在估計誤差、擬合多源數據、預報預測等許多學科領域得到廣泛應用[10]。最小二乘法（又稱最小平方法）屬于一種數學優化技術，它通過最小化的誤差的平方和已達到尋找數據的最佳函數匹配。利用最小二乘法可以簡便地通過已知數據求得未知的數據，并使得求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小。根據最小二乘原理，本研究通過重合時段的數據求得a1和a0，代入到原公式Y=a1X+a0中，其中Y為校準后的遙感數據，X為需校準的遙感數據：

式中：n= 40。xi、yj分別為重合時段對應NOAA和SPOT遙感數據。

1.3 MK檢驗計算方法

Mann-Kendall趨勢檢驗是目前被廣泛認可的可以使用在氣象和生態研究的領域的趨勢檢驗方法。Mann-Kendall趨勢檢驗適用于趨勢可能是單調的，因此數據中不存在周期性的情況，該檢驗允許缺少值，并且數據不需要符合正態分布[11]。計算公式如下：

首先，S的方差由公式（3）計算，q是樣本的數量，tp是樣本中第p個樣本的值。

S和VAR（S）的值用于計算測試統計量MK：

MK值評估在統計上顯示趨勢，MK的正值表示上升趨勢，負值表示下降趨勢。且統計量MK具有正態分布，取值范圍為（-∞,+∞）。為了測試在顯著性水平為a的向上或向下單調趨勢（雙尾檢驗），在給定顯著性水平α下，當|MK|>u1-α/2時，表示研究序列在α水平上存在顯著的變化。在Mann-Kendall檢驗的顯著性水平α為0.001、0.01、0.05和0.1，常用的是0.1和0.05，即90%和95%置信水平。本研究取α=0.05，本文判斷在95%置信水平上NDVI、年降水量、年平均氣溫和相對濕度時間序列變化趨勢的顯著性。

對于研究區內氣象站點的氣象數據的Mann-Kendall趨勢檢驗結果，我們采用反距離權重法進行插值形成格點數據(分辨率為2.2 km)。對于NDVI數據，使用Matlab等工具，根據Mann-Kendall檢驗公式進行編程，將柵格數據轉化成ASCII碼進行計算，然后格點結果在Arcgis軟件上進行繪制。

2 結果與分析

2.1 黃河流域內蒙古段氣候條件變化趨勢分析

黃河流域內蒙古段和周邊內蒙古境內氣象站點年平均氣溫、年降水量和年平均相對濕度Mann-Kendall檢驗結果（圖2），黃河流域內蒙段區域年平均氣溫和年降水量變化（圖3）。從圖2a和圖3a可見，年降水量在空間上基本沒有明顯的上升或者下降趨勢，區域平均年降水量在時間上略有上升趨勢。區域年降水量最高值是4017.5 mm（2012 年），最低值是1925.9 mm（2005 年），最高值和最低值相差一倍多。從圖2b和圖3b可見，年平均氣溫除了個別氣象站點的變化趨勢不明顯之外，其他的站點均呈現顯著增加的趨勢，且區域年平均氣溫也呈現明顯的上升趨勢，氣候傾向斜率為0.048 ℃/a，通過了95%置信水平檢驗。從時間上看，區域年平均氣溫最高值為8.1 ℃（1998年），最低值為5.1 ℃（1984 年），1981—2017 年氣溫總體呈現波動上升的趨勢。

圖2 黃河流域內蒙古段1981—2017 年年降水量（a）、年平均氣溫（b）和年平均相對濕度（c）變化趨勢

從圖2c可以看出，總體上，年平均相對濕度在空間上呈現北部明顯減少，中部和南部基本沒有明顯變化。在呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市三市交界部分、河套平原和庫布齊沙漠的東部、烏蘭布和沙漠的東南部年相對濕度均呈現顯著的降低。從時間上看（圖3c），區域的年平均相對濕度總體呈現波動下降的趨勢，但趨勢并不明顯。最高值為57%（2003年），最低值為46%（2013年），近10 年的相對濕度平均水平較低，為48%，低于1981—2017年的平均值50%。

圖3 黃河流域內蒙古段1981—2017 年區域年降水量（a）、年平均氣溫（b）和年平均相對濕度（c）變化

綜上所述，黃河流域內蒙古段和周邊內蒙古境內氣象站點的年平均氣溫無論從空間還是時間上均呈現明顯的上升趨勢，氣候傾向斜率為0.048 ℃/a；年降水量在時間上和空間上均沒有明顯的上升和下降的趨勢，但降水分布不均，區域年降水量最高值和最低值相差一倍多；年平均相對濕度在空間上主要表現為北部明顯減少，中部和南部無明顯變化趨勢，時間上呈現波動下降的趨勢。

2.2 黃河流域內蒙古段植被覆蓋及其空間分布

利用1981—2017 年年最大值合成的NDVI數據進行平均值計算，得到了37 年黃河流域內蒙古段的植被歸一化指數空間分布（圖4）。從圖4中可以得出，總體上，黃河流域內蒙古段的NDVI值以0.1～0.4的低值為主，總體呈現從北到南，低到高再到低的變化過程，即西北和南部較低，大部分在0.4以內；中部偏北的地區較高，大部在0.4以上。黃河流域內蒙古段的高值區主要位于黃河干流以北，陰山山脈以南的區域，此地的地形較為平坦，土壤較為肥沃，有利于植被的生長。

圖4 黃河流域內蒙古段1981—2017年植被歸一化指數平均年最大值空間分布

黃河流域內蒙古段所流經的土地主要以草地和耕地為主，有少部分荒地和林地[10]。其中耕地和林地的植被類型較為豐富，生態環境較好，所以耕地和林地的NDVI值較高，大部分在0.4以上，小部分地區甚至可以達到0.7以上。草地區域的NDVI值較低，主要在0.1～0.3之間，由于草地和荒地是穿插分布，所以部分NDVI＜0.1的區域基本與黃河流域內蒙古段荒地出現的范圍吻合，荒地的生態環境脆弱植被稀少，有些是裸露的沙地甚至是荒漠。

對1981—2017年NDVI年最大值平均的像元分級統計結果顯示：NDVI＜0.1的無植被覆蓋區面積為2910 km2,占黃河流域內蒙古段的2%，NDVI＞0.1的有植被覆蓋區域面積占98%。其中NDVI在0.1～0.4的低值區面積為108295 km2，約占黃河流域內蒙古段的74.4%；NDVI＞0.4的高值區面積為34270 km2，約占該流域面積的23.6%，其中NDVI＞0.6的高值區面積為3470 km2，約占該流域面積的2.39%。NDVI值像元分級面積（表1）。

表1 NDVI各級面積和所占該流域面積比例

2.3 黃河流域內蒙古段植被覆蓋變化趨勢分析

黃河流域內蒙古段植被歸一化指數（NDVI）Mann-Kendall檢驗結果如表2和圖5所示，將Mann-Kendall趨勢檢驗按照95%置信水平劃分為顯著變化和無明顯變化，即MK＞1.96顯著增加，-1.96≤MK≤1.96無明顯變化，MK＜-1.96顯著減少，NDVI變化趨勢可以明顯看出像元尺度上，黃河流域內蒙古段的NDVI值顯著增加的區域占該流域總面積的43.39%，顯著減少區域面積占該流域面積的38.70%，無明顯變化區域面積占該流域總面積的17.91%，顯著增加區域面積占比最高，無明顯變化其次，顯著減少最少，總體上來說黃河流域內蒙古段植被歸一化指數是增加趨勢。

表2 NDVI變化趨勢統計

從圖5可見，顯著增加的區域主要分布在河套平原、呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市三市交界處；無明顯變化的區域主要分布在陰山山脈、鄂爾多斯高原；顯著減少區域主要分布在大青山、庫布齊沙漠。在毛烏素沙地零散分布著顯著增加和顯著減少的區域，可能是由于毛烏素沙地處于幾個自然地帶的交接處，植被和土壤都呈現過渡性特點，分布交錯類型較為復雜。

圖5 黃河流域內蒙古段1981—2017年植被歸一化指數年最大值 變化趨勢

結合土地利用類型來看，黃河流域內蒙古段的耕地NDVI值以顯著增加為主，包括有“塞外江南”和“塞上糧倉”之稱的河套平原、以及大青山南麓；林地和草地的NDVI值主要以無明顯變化為主；荒地和沙地主要以顯著減少為主。

結合年平均值和變化趨勢圖來看，在NDVI年平均值較高的區域，變化趨勢基本以顯著增加為主，從河套平原和大青山南麓可以明顯的看出這一結果。在NDVI值較低的地區，特別是鄂爾多斯高原的西北、河套平原的西北，NDVI的變化趨勢基本是顯著減少為主。值得關注的是在準格爾旗和呼和浩特市的交界處，NDVI平均值是較低的，在0.2~0.3之間為主，但NDVI的趨勢卻是以顯著增加為主，這說明該地的植被覆蓋程度雖然較差，卻在逐步改善中。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）黃河流域內蒙古段和周邊內蒙古境內氣象站點的年平均氣溫呈現明顯的上升趨勢，氣候傾向斜率為0.048 ℃/a；年降水量在時間上和空間上均沒有明顯的上升和下降的趨勢；年平均相對濕度在空間上主要表現為北部明顯減少，中部和南部無明顯變化趨勢，時間上呈現波動下降的趨勢。

（2）從空間上看，黃河流域內蒙古段總體呈現從北到南，NDVI值由低到高再變低的變化過程，即西北和南部較低，以0.1~0.4低值為主；中部偏北的地區較高，大部在0.4以上。黃河流域內蒙古段的NDVI值顯著增加的區域面積占整個流域的43.39%多于顯著減少區域（面積占比僅為17.91%）。

（3）耕地的NDVI值較高，大部分在0.4以上，且以NDVI值從1981—2017年顯著增加為主；林地的NDVI值大部分也在0.4以上，但從1981—2017年無明顯的變化趨勢；草地和荒地的NDVI值較低，在0.1~0.3之間，以顯著減少為主。

（4）NDVI年平均值較高的區域，變化趨勢基本也以顯著增加為主，在NDVI值較低的地區，NDVI的變化趨勢基本是顯著減少為主，但準格爾旗和呼和浩特市的交界的植被覆蓋程度雖然較差，改善的趨勢卻十分明顯。

3.2 討論

本研究使用NOAA/AVHHRR和SPOT-Vegetation數據制作成長時間序列的NDVI數據，利用Mann-Kendall趨勢檢驗對黃河流域內蒙古段植被變化趨勢特征進行分析。由于時間序列較長，可以更有效地展現黃河流域內蒙古段植被時間變化的趨勢特征，具有一定的說服力。同時本研究也有一些局限性，比如，沒有針對不用的植被類型進行分析；沒有進行實地考察，將考察結果與Mann-Kendall趨勢檢驗結果進行對比；對于由于毛烏素沙地土地類型較為復雜，Mann-Kendall趨勢檢驗的結果也出現了增加和減少交錯分布的情況，對此情況還需調查后給出合理的解釋。