黃河源區植被NDVI演變及其與降水、氣溫的關系

管曉祥, 劉翠善, 鮑振鑫, 金君良,4, 王國慶,4

(1.河海大學 水文水資源學院, 南京 210098; 2.水利部 應對氣候變化研究中心, 南京 210029; 3.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 南京 210029; 4.長江保護與綠色發展研究院, 南京 210098)

植被作為地表覆被系統中的主要組成部分，是陸地生態系統存在的基礎條件，也是連接土壤、大氣、水分和人類生產生活用地的自然紐帶[1]。歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)是反映區域植被生長狀態及植被覆蓋程度的最佳指示因子，與植被覆蓋度、凈初級生產力及葉面積指數等具有良好的相關性[2-3]，因此NDVI被廣泛用來監測區域或全球植被和生態環境變化[4-5]。基于NDVI監測植被動態變化以及分析其對氣候演變和人類活動的響應己經成為全球變化研究中的熱點問題[6]。

大量研究表明，植被變化主要受氣候變化(如氣溫和降水的變化)的影響[4,7]。國內外學者利用NDVI數據來監測植被覆蓋變化，并在像元尺度[8]、氣象站點尺度[9]或者流域平均尺度[10]將NDVI與氣象要素進行相關分析或回歸分析以探尋植被覆蓋與氣象因子之間存在的響應關系。例如姜欣彤等[7]基于高程分段，研究了黃河源區NDVI變化與水熱條件空間分布格局的關系，發現源頭高海拔地區以及下游流域出口地區降水量較低，降水是主要驅動因子，而在中等海拔地區降水量豐沛，植被演變主要受氣溫影響。除氣候因素外，人類活動(如人工生態恢復工程和城市化)也會在一定程度上影響區域的植被覆蓋變化[2,11-12]。Evans和Geerken[13]提出了殘差分析法，即通過構建NDVI與影響因子的回歸方程，計算方程殘差，從而分離氣候變化和人類活動對植被覆蓋的影響，該方法簡單有效，在之后的人類活動對植被覆蓋變化的影響研究中廣范使用。易浪等[2]基于此方法在黃土高原區建立生長季植被NDVI與氣溫降水的回歸關系，通過殘差來表征人類活動在黃土高原不同地區對植被影響的正負作用，結果表明退耕還林還草工程極大地促進了該地區的植被恢復，而城市擴張、亂砍亂伐以及過度放牧則導致植被NDVI的降低。在三江源區，2000年以來的三江源區生態保護及相關實踐舉措對植被恢復起到顯著的積極作用，但生態措施的實施效果存在空間差異[3]。劉憲峰等[14]基于MODIS NDVI數據分析了2000—2011年黃河源區植被覆蓋的時空變化特征及驅動因素，發現植被整體呈增加趨勢，植被覆蓋的增加主要與氣候的暖濕化、三江源國家級自然保護區建立、生態保護工程的實施有關。

黃河源區地理位置處于青藏高原東北部，是黃河上游主要產流區、水源涵養區，也是黃河流域生態環境保護重點區域。由于其獨特的自然環境，生態環境脆弱，高寒植被系統的演變不僅決定著當地的生態環境和畜牧業生產，對整個黃河流域的生態安全和水資源的形成也具有重要影響。因此，研究黃河源區植被覆蓋的變化及其對氣候變化的響應，對于理解黃河流域和青藏高原環境生態系統的演變具有重要意義[15-16]。目前對黃河源區多時間尺度(季節尺度)NDVI演變進行相關關系及歸因分析的研究尚有不足，定量化區分氣候因素與人類活動對黃河源區內植被情勢變化的手段需要進一步的驗證。本文利用趨勢分析和相關性分析的方法在像元尺度上對黃河源區1982—2018年不同季節植被NDVI進行時空變化分析，揭示植被演變的空間連續性和異質性；并利用復直線回歸分析方法和殘差分析法，定量分析氣候因素和人為因素對植被動態變化的影響，實現氣候因素與人類活動對植被指數影響的定量區分。

1 研究流域及數據來源

黃河發源于青藏高原東北巴顏喀拉山北麓，黃河源區通常是指位于黃河干流唐乃亥斷面以上的區域，集水面積約為12.2萬km2，占整個黃河流域面積的15%左右。流域內分布高山、盆地、峽谷、湖泊和沼澤等地貌，地勢西高東低(圖1)。研究區多年平均年降水量約為508 mm，多年平均天然徑流量為205億m3，降水產流多集中于夏秋季。具有典型內陸高原氣候特征，冷熱兩季交替，干濕季分明，無明顯的四季之分，氣溫東南高、西北低。

黃河源區內以及周邊的16個氣象站點的降水、氣溫觀測資料通過國家氣象科學數據中心(http:∥data.cma.cn/)下載獲取，并采用基于高程修正方法結合IDW(Inverse Distance Weighted)對氣象數據進行插值處理，依據已有研究結果在利用氣象站點觀測數據對氣溫進行空間插值時，設定氣溫的垂直遞減率為-0.55℃/100 m[7]。1982—2018年的歸一化植被指數NDVI數據來源于NASA發布的基于NOAA氣象衛星數據全球8 km數據集，時間分辨率為15 d，該數據集是目前持續時間最長的連續數據集，具有覆蓋范圍廣、時間跨度長和較強的植被監測能力等優點[17]。為方便在不同時間尺度研究NDVI演變特點，采用年最大值合成法(Maximum Value Composite, MVC)獲得NDVI月值，此方法可以有效減少大氣中來自云、氣溶膠、云陰影、視角以及太陽高度角的影響，以各月份的平均值作為季度或年NDVI的結果。

圖1 黃河源區地形、水系及氣象站分布

2 研究方法

2.1 趨勢檢驗方法

本文除采用線性回歸法之外，還選擇Mann-Kendall趨勢檢驗法(簡稱MK法)診斷時間序列演變的趨勢特征及其顯著性。利用線性回歸法計算要素的變化率，即氣候傾向率，用來反映要素變化的方向和劇烈程度。MK法具有檢驗范圍寬、受人為影響較小的特點，是目前水文、氣象系列趨勢檢驗方法中應用較多且具有理論意義的一種方法。其統計量MK值的絕對值大于1.96時，即說明趨勢在0.05置信水平上顯著，MK為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢，具體計算公式詳見參考文獻[18]。

2.2 殘差分析法

殘差分析法通過剔除NDVI長時間序列變化中降水、氣溫因素的影響來剝離植被覆蓋變化中自然因素和人為因素。利用NDVI和降水量、氣溫做多元線性回歸分析，并計算出NDVI的預測值和真實值之間的差值，以此表征人類活動因素對植被覆蓋變化的正負影響，即殘差趨勢法。該方法在研究中得到了廣泛的應用[2-3,19]，多元線性回歸方程表達式如下：

NDVI=a·P+b·T+c

(1)

式中:P和T分別代表降水(mm)和氣溫(℃)。利用遙感觀測的NDVI數據以及實測降水氣溫數據,計算得到3個回歸方程參數a,b,c的值;NDVI殘差計算公式為:

ε=NDVI真實值-NDVI預測值

(2)

式中:NDVI預測值為根據多元線性回歸模型預測的NDVI值；NDVI真實值即是NDVI時間數據集。NDVI殘差ε為正值時,表示人類活動對流域內植被生長產生正面作用;若ε<0,人類活動產生負面影響。

3 結果與分析

3.1 黃河源區降水、氣溫變化特征

基于MK趨勢檢驗法，計算并分析了黃河源區以內8個代表性氣象臺站的降水和氣溫系列的變化趨勢。四季劃分如下：每年3—5月份為春季，6—8月份為夏季，9—11月份為秋季，12月至下一年1月、2月份為冬季。就氣溫變化趨勢而言，1982年以來年均氣溫升高顯著，所有氣象站點的四季以及年氣溫系列MK趨勢檢驗結果都表明，源區內升溫現象顯著，通過0.05水平置信度檢驗(MK都大于1.96)，平均升溫率達到了0.54℃/10 a，該結論與張成鳳等[20]和王棟等[21]研究結果一致，具體計算值在本文中略去。就降水系列演變結果而言(圖2)，不同站點1982—2018年不同季節降水量的變化趨勢各不相同，在春季多數站點降水呈現增加趨勢，但是趨勢不顯著(MK<1.96)，源頭處瑪多站和下游河南站、興海站春季降水未發生顯著變化；夏季降水量變化率最大，但MK檢驗結果表明趨勢不顯著；而所有氣象站點冬季的降水都呈現減少趨勢，源頭瑪多站和黃河源區下游地帶減少趨勢顯著。就年降水系列而言，MK值都在±0.5之間，黃河源區內降水量年際略有波動，但無明顯趨勢。

圖2 黃河源區8個氣象站不同季節降水變化氣侯傾向率和趨勢檢驗MK值

3.2 黃河源區NDVI變化特征

3.2.1 NDVI時間變化特征 經計算，黃河源區流域1982—2018年流域面均NDVI值為0.335，1982年以來年NDVI變化率為0.016/a，MK值為3.21，表明黃河源區NDVI值呈現顯著的上升趨勢，流域植被覆蓋情況向良好方向發展。4個季節流域NDVI值年際變化情況如圖3所示(圖中S表示變化斜率)，結果表明各個季節NDVI值都呈現上升的趨勢，而且趨勢顯著(MK值都在1.96之上)；其中夏季和秋季NDVI值增長率較大，在0.015/a以上；春季和冬季NDVI增長率相近，約為0.013/a。

3.2.2 NDVI空間變化特征 為分析黃河源區NDVI演變的空間特征，計算各個像元NDVI變化的MK值，其空間分布結果如圖4所示，相對應的MK值超過制頻率曲線如圖5所示。結果表明，達日站以下的下游地區NDVI值的增加趨勢比較顯著。黃河源頭(鄂陵湖、扎陵湖附近及以上地區)NDVI值的變化較不顯著，源區中下游地區春、夏、秋季NDVI值都有顯著的上升趨勢，超過95%的像元NDVI呈現增長趨勢(MK>0)，其中65%的地區趨勢顯著(MK>1.96)，冬季NDVI增長趨勢顯著的地區不超過40%。綜合而言，黃河源區多數地區NDVI值全年呈現增長趨勢，植被狀況呈現良好改善態勢，而中下游地區這一趨勢比源頭區更為顯著。

圖3 黃河源區不同季節NDVI變化趨勢

圖4 黃河源區NDVI變化趨勢MK檢驗結果空間分布

圖5 黃河源區NDVI趨勢檢驗MK值超過頻率分布曲線

3.3 降水、氣溫對NDVI的影響

為分析氣候要素對黃河源區植被狀況變化的影響，選擇降水和氣溫兩個氣候因子與NDVI做相關性分析，計算各季節的相關系數，其空間分布如圖6所示，統計相關系數分布情況結果如圖7所示，描述氣候因子與NDVI相關關系顯著性空間分布如圖8所示。

圖6顯示1982—2018年源區內NDVI與降水多呈負相關關系，尤其是在冬季，相關系數低于0(見圖6和圖7)，且超過60%的地區相關系數低于-0.4，從圖8可以看出絕大多數(超過90%)地區負相關關系顯著。春季約有超過32%的地區相關系數在0以上，主要集中于黃河源區東南較為濕潤的中游地區(久治—瑪曲一帶)，說明春季該地區雨量的增加(圖2)有助于植被的生長，對NDVI的增長起到正面作用，從圖3也可以看出久治—瑪曲一帶春季NDVI增長格外顯著，MK值多在4以上。在秋季，降水和NDVI之間的相關系數大多數(約85%)都在-0.2，0.2之間(見圖7)，中下游地區相關系數值在0附近(見圖6)，p值大于0.05，以上表明秋季降水與NDVI變化無顯著關系。在夏季，約有超過50%的地區相關系數在0以上，主要集中于流域的源頭區(鄂陵湖、扎陵湖周邊，瑪多縣一帶)，瑪多氣象站觀測到的夏季降水年增長率為10 mm/a(圖2)，對植被生長具有促進作用。

圖6 黃河源區NDVI與降水、氣溫因子的相關性

就氣溫與NDVI相關關系分析結果而言，黃河源區NDVI與氣溫呈正相關，相關系數都大于0。就年尺度以及春夏兩季而言，氣溫的升高對植被生長起到顯著的正面促進作用。秋冬兩季，氣溫與NDVI的相關系數對比春夏兩季較小，其超過頻率曲線在春夏兩季的下方(圖7)，相關系數在0.2～0.6，相較而言顯著的相關性(p<0.05)多發生在黃河源區東南部的濕潤地區。

圖7 黃河源區降水和氣溫與NDVI相關系數超過頻率分布曲線

圖8 黃河源區NDVI與降水、氣溫因子相關檢驗p值空間分布

3.4 人類活動對NDVI的影響

除了氣候波動影響流域內植被生長外，人類活動對流域下墊面情勢的改變也起到顯著作用。殘差值的正負以及變化即可反映人類活動對植被覆被變化的影響。將1982—2018年以2000年為節點劃分為2個歷史階段，分別進行多元線性回歸模型分析，計算得到2個時期NDVI殘差多年平均值的結果及其空間分布如圖9所示，其超過頻率曲線見圖10。

殘差分析結果表明，1982—2000年階段夏秋兩季，超過90%的地區殘差多年平均值小于0，而2000年之后(2001—2018年)超過90%的地區殘差均值大于0(見圖10)，達日站—久治站區間和河南站—興海站區間尤為明顯(見圖9)，說明人類活動對該地區植被的影響較為顯著、即2000年之前該地區受人類活動影響、NDVI值較預測值偏小、2000年之后人類活動的影響對植被生長其正面作用，實測NDVI值大于預測值。在冬季，2個歷史時期的NDVI殘差均值絕大多數(超過95%，見圖10)落在[-0.01,0.01]區間，說明在冬季人類活動對流域植被變化(NDVI演變情勢)的影響微弱。就年系列而言，2000年之后人類活動所導致的植被退化情勢減緩，黃河源區植被情況得到一定的改善。

圖9 黃河源區1982-2000年、2001-2018年時期NDVI殘差多年平均值空間分布

圖10 NDVI殘差均值超過頻率分布曲線

4 討 論

本文研究結果表明1982—2018年黃河源區年平均NDVI與氣溫存在顯著的正相關性。一般而言，水熱條件較好的情況有利于植被生長，高寒山區氣溫上升可延長植被生長季并增加其光合作用，從而促進植被生長[22-23]，尤其是在流域內降水相對豐富的地區[11]。就季節而言，流域春季氣溫對NDVI的影響最大，這是因為春季多為植被生長季，植被生長的增溫效應較其他季節更為明顯，這一結論與Richardson等[24]的研究結果較為一致。1982—2018年黃河源區NDVI與降水量之間的負相關關系較弱，即降水對流域NDVI的影響不顯著。Wang等[25]研究表明在氣候濕潤或降水較為豐富的地區，降水量波動并不是植被生長的主要限制因子。而在干旱缺水的地區，降水少，蒸發大，則植被生長對降水量極為敏感，NDVI與降水量的相關性也更高[26-28]。

就黃河源區而言，其年降水量從東南(800 mm左右)到西北(300 mm左右)遞減，多年平均天然徑流量為205億m3，約占黃河天然總徑流量(利津站)的38%，相對黃河流域中下游其他地區來說，水資源較為豐富，而源區平均海拔在4 km以上，熱量條件不足是限制植被生長的主要因素。此外，黃河源地方政府自2003年起開展實施退牧還草和減畜工程，2015年平均牲畜存欄量減少至1 959.8萬頭，減幅達到8.6%[29]。同時2000年國家批準成立三江源國家級自然保護區和一期工程，對黃河源區等地的生態環境產生了積極影響[12]，植被的增加趨勢是以氣候因素為主的氣候暖濕化與保護工程疊加效應的結果。

不過在多數關于植被NDVI演變與氣溫關系的研究中，著重日均氣溫對植被NDVI的影響，而神祥金等[30]指出植被NDVI對日最高氣溫與日最最低氣溫變化的響應存在明顯差異，夏季青藏高原植被NDVI與平均日最低氣溫呈現顯著正相關關系，而與日平均最高氣溫呈現負相關系[31]，而在沼澤地區平均日最低氣溫的升高對植被生長的促進效果比平均日最高氣溫更加顯著[30]。可以看出，不同地表類型(森林、草地或凍土等)下日平均、最高、最低氣溫對植被NDVI的影響并不一致，升溫背景下植被NDVI演變是一個比較復雜的系統過程，其作用機理與影響程度還需進一步的研究與對比驗證。

5 結 論

(1) 黃河源區自1982年以來氣溫升高顯著，平均升溫率達到了0.54℃/10 a，各個季節氣象站點的升溫現象都通過了0.05水平的置信度檢驗。流域內降水年際內略有波動，變化趨勢不顯著，冬季降水略有減少趨勢，春夏兩季降水波動幅度較大。研究區內超過90%的地區NDVI值全年呈增長趨勢，即流域內植被狀況呈現改善態勢，而且中下游地區這一趨勢比上游源頭區更為顯著。

(2) 黃河源區NDVI與氣象因子相關分析結果表明，NDVI與氣溫呈現顯著的正相關關系，即氣溫的升高對植被生長起到積極的正面促進作用。而NDVI與降水之間相關系數多為負數，在夏季約有50%的地區呈正相關關系，源頭瑪多縣地區降水的增加有助于植被生長；除冬季之外，NDVI與降水之間的相關性并不顯著(p>0.05)。

(3) 就NDVI殘差分析結果而言，冬季人類活動對流域植被變化(NDVI演變情勢)的影響微弱；達日站—久治站區間和河南站—興海站區間受人類活動影響較為顯著，2000年之后人類活動所導致的植被退化情勢減緩，黃河源區植被情況得到一定的改善。