黃河流域內蒙古段植被時空變化特征及條帶狀分布成因

張皓月, 占車生,*, 夏 軍, 胡 實, 寧理科, 鄧曉娟

1 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

2 中國科學院禹城綜合試驗站,北京 100101

3 中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室,北京 100101

4 武漢大學,水資源與水電工程科學國家重點實驗室,武漢 430072

5 中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室,北京 100101

6 中國科學院大學,北京 100049

作為地球系統的重要組成部分,植被對氣候變化和人類活動的響應是當前全球變化研究的熱點之一[1—5]。植被覆蓋度(FVC)是反映一個地區植被面積占有情況或資源豐富程度的重要生態參數[6],近年來發生著不同程度和方式的變化。然而,大部分關于植被變化的研究多集中在分析其在區域尺度上與氣候、環境因子、人類活動的相關性[7—9],往往忽略了植被賴以賦存的水文地質條件對其產生的非地帶性的控制作用。因此,本文將著重探討區域性地質背景在植被變化中發揮的作用,揭示植被生態與水文地質的關聯性。黃河流域內蒙古段地處我國北部干旱、半干旱地區,既是我國重要的生態屏障區，又是糧食主產區[10—11]。監測該區域FVC的動態變化,研究其與氣象因子以及人類活動的關系,評估大尺度區域地質背景在FVC變化過程中發揮的作用,對評價生態系統環境質量、維持良好的生態系統功能以及加強對植被時空格局的認識具有重要意義。

氣候變化和人類活動對植被具有顯著的影響。降水和溫度是地帶性植被生長的兩大主控因子[12—13],一方面降雨和溫度通過影響植被的蒸騰與光合生理特征[14—15],對植物的種類、蓋度、高度、物種多樣性及生物量等生態學特征產生影響；另一方面,降雨和溫度通過改變土壤物理特性,例如土壤有效積溫和水分含量,從而調節土壤有機碳的光合、呼吸和分解過程,進而間接對植被生長與分布產生深遠影響[16—17]。內蒙古地區降水對年際FVC變化具有顯著正效應,尤其是在2000年以前[18—19]。2000年之后隨著土地利用方式的劇烈轉變[20],降水對植被生長的正效應有所削弱,特別是在草地生態系統中[21]。同樣的現象也發生在黃土高原地區,隨著三北防護林、退耕還草工程的開展,植被對氣候變化的響應變得不敏感[22]。

此外,地貌通過直接控制水分與熱量的再分配,也間接影響著土壤和植被變化[23—24]。負地形(低海拔)往往比正地形(高海拔)濕度更大、溫度更低[25],這種水分可獲得性的差異會影響土壤的理化性質[26],最終導致不同地貌條件有其主導的植被類型[27]。所以一定區域內的地貌條件在與水文、植被、土壤等自然地理要素的互饋中,往往起著核心作用。而地貌的形成及其特征又受到構造運動的控制,因此,在研究地貌對植被影響時應同時加強對構造活動背景的認識。黃河流域內蒙古段構造運動活躍[28—29],不斷塑造地貌的過程中,影響植被的生長和分布特征。然而,區域性活動構造對植被產生的影響仍缺乏研究。

本文選取2000—2018年逐月氣象數據、中分辨率成像光譜儀(MODIS) 250 m分辨率的歸一化植被指數(NDVI)數據以及五期(2000、2005、2010、2015、2018年)土地利用數據,對近20年以來黃河流域內蒙古段及其中4個重點區域的FVC時空變化特征和驅動因素進行分析。利用Mann-Kendall(M-K)分析法和變異系數對FVC進行趨勢評估和穩定性評價。最后著重針對三條帶狀的植被變化趨勢特征進行成因探討。

1 研究區概況

黃河流域中游內蒙古段全長830 km,由寧夏石嘴山市進入內蒙古自治區,流經烏海、巴彥淖爾、鄂爾多斯、包頭和呼和浩特,由準格爾旗出境。研究區北部為陰山山脈,中部為平原和沙漠,其中烏蘭布和與庫布其沙漠分別位于河套灌區西部與南部,南部為鄂爾多斯高原。研究區處在干旱半干旱區,干旱少雨、蒸發強烈、晝夜溫差大,屬典型的中溫帶大陸性季風氣候。年降水量在120—420 mm之間,集中在6—8月,潛在蒸散量超過2000 mm；年均氣溫在6.6℃左右。流域內包括我國設計灌溉面積最大的河套灌區；渾河、大黑河以及十大孔兌均為黃河流經內蒙古的重要支流(圖1),其中渾河與大黑河處于半濕潤區,十大孔兌在半干旱區。

圖1 研究區及4個重點區域的地理位置及地形地貌圖

2 數據和方法

2.1 數據

研究數據主要包括NDVI、氣象數據、土地利用以及大氣環流因子數據。MODIS NDVI數據來源于植被指數MOD13Q1系列產品(http://modis.gs.nasa.gov/),時間分辨率為16 d、空間分辨率為250 m。利用MRT(Modis reprojection tools)和ArcGIS 10.2軟件對2000—2018年NDVI數據進行拼接、裁剪、投影轉換等一系列預處理,最后采用最大合成法獲得每年NDVI最大值數據。氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)的月值數據集,包含2000—2018年黃河流域內蒙古段24個氣象站的月降水量和月平均溫度,采用克里金差值方法將氣象數據內插為250 m。土地利用/土地覆蓋數據(2000、2005、2010、2015、2018年)來源于中國科學院資源環境科學數據中心[30](http://www.resdc.cn),根據土地資源及其利用屬性,劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6類,空間分辨率為30 m。大氣環流因子選擇美國海洋與大氣管理局氣候預測中心提供的北大西洋濤動指數(NAO)和太平洋年際振蕩指數(PDO)(https://psl.noaa.gov/data/climateindices/list/),時間范圍為2000—2018年,在月數據基礎上平均得到年指數。高程數據來源于SRTM 250 m(https://srtm.csi.cgiar.org/wp-content/uploads/files/250m/),空間分辨率為250 m。

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分法

采用像元二分法提取FVC,像元二分法是假定一個像元所覆蓋的實際地表面積由植被部分和無植被兩部分所構成,每個像元FVC的計算公式為：

(1)

式中,FVC為植被覆蓋度；NDVIsoil表示裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值,NDVIveg為完全植被覆蓋區的NDVI值,結合研究區植被的實際情況和NDVI像元值頻率統計結果分析,最終選取累計頻率在0.5%處的NDVI值代表NDVIsoil和累計頻率在99.5%處的NDVI值代表NDVIveg。

將計算得到的FVC參照已有的分類標準[31]進行等級劃分,具體劃分類型包括：裸土(FVC<10%)、低覆蓋(10%≤FVC<30%)、中低覆蓋(30%≤FVC<45%)、中覆蓋(45%≤FVC<60%)和高覆蓋(FVC≥60%)。

2.2.2 趨勢分析

本文采用于M-K趨勢分析法檢驗2000—2018年FVC長時間序列趨勢的統計顯著性。M-K是一種非參數突變檢驗統計量[32—33],其計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,n是時間序列個數,當n>10時,Umk收斂于標準正態分布；m是時間序列中重復出現的數據組的個數；ti是第i組重復數據組中的重復數據個數；S為xi與xj的大小關系。對于給定的置信水平a,若|Z|>Z1-α/2,則認為存在顯著的變化趨勢,Z為正值代表增加趨勢,Z為負值代表減少趨勢。本文中,a=0.05為顯著變化,a=0.1為輕微變化。

通過Sen斜率可以得到每個像元FVC變化的趨勢值,其計算公式如下：

（4）全球化轉賬支付。比特幣的交易效率相對與中國境內的同行或跨行轉賬效率慢，這是因為中國的銀行都有一個可信任的第三方（央行），因此交易雙方的身份認證很便捷；但比特幣具有一個顯著的優勢：可打破國界進行全球化轉賬支付，且該效率比目前法幣的跨國轉賬效率高。法幣進行跨國轉賬時，兩國的銀行中間缺少一個可信賴的第三方，造成雙方的身份認證十分漫長。

(6)

式中,Slope代表斜率,median為中位數函數,xj、xi為時序數據。

2.2.3 穩定性分析

本文通過變異系數(CV)反映FVC的波動程度。CV是概率分布離散程度的歸一化量度,用來表征數據的離散程度,定義為標準差與平均值之比,計算公式為：

(7)

3 結果

3.1 植被覆蓋度的空間格局

2000—2018年研究區多年平均FVC的空間格局如圖2所示,西部河套灌區以及中東部地區多年FVC均值較高,西北部和西南部山區及沙漠一帶FVC較低。因地形平坦、土壤肥沃,灌區FVC均值高于60%,其中70%左右的區域為高覆蓋區,15%左右的地區FVC值在45%—60%之間。大黑河和渾河流域以中高蓋度植被為主,其占比均高達87%。十大孔兌地區近70%的地區以中低和低蓋度植被為主,裸土面積約占流域面積的7%(圖2)。

圖2 研究區及4個子區域植被覆蓋度的空間格局與統計特征

3.2 氣象條件與土地利用

3.2.1 氣象因子

年降雨量、年均溫度與年均FVC隨時間變化特征如圖3所示。降雨量和溫度均呈緩慢波動上升趨勢,年均溫度經歷了先下降后上升的過程。FVC呈顯著上升趨勢(P<0.01),與年降雨量變化趨勢基本一致(R2= 0.60),說明研究區FVC變化主要受到降水增加的影響。通過進一步計算2000—2018年間區域尺度上FVC與年降雨量、年均溫的偏相關系數,得到整個研究區FVC與年降雨量、年均溫的偏相關系數分別為0.78和0.19,前者通過P<0.001的顯著性檢驗,后者未通過95%的顯著性檢驗,再一次說明黃河流域內蒙古段的水分條件是制約植被生長的主要因素[15]。

區域降水量的增多與大氣環流有關。研究區大部分(西北干旱半干旱地區)處在西風區,部分(東部半濕潤地區)在東亞夏季風區[34]。大氣環流因子,例如NAO和PDO等,共同控制著區域降水量的變化[35—36]。2000年以來,NAO與PDO指數逐漸偏正(圖3),指示西風增強,而東亞夏季風的影響減弱[37—38],導致以西風區為主體的研究區降水量增加。通過比較年均NAO及PDO指數與年降水量的散點(圖3),發現區域降水量與NAO指數的最大相關性存在一年的偏移,很可能是降水對前期大氣環流變化響應的滯后效應導致。

圖3 年均植被覆蓋度與年降水量、年均溫度、大氣環流指數(PDO和NAO)的年際變化以及降水與FVC隨前一年NAO的散點分布特征

3.2.2 土地利用變化

2000年以來,研究區有5%的面積土地類型發生了變化(圖4)。其中黃河干流沿線以及烏梁素海周邊耕地轉變為草地,導致其FVC呈下降趨勢；部分城市群的建筑面積擴大,也造成了FVC的下降。而灌區與沙漠地區分別受到耕地面積增加以及植樹造林的影響,FVC呈上升趨勢。

流域尺度上,除大黑河流域外,各子區域土地利用發生變化的區域FVC均呈現上升趨勢(圖4)。由于耕地的增加,河套灌區、十大孔兌流域和渾河流域,FVC上升面積占比較大,分別占變化土地面積的70%、77%、90%。大黑河流域由于耕地和草地向建設用地轉換,FVC下降面積占變化土地面積的一半。

圖4 覆蓋類型變化的土地中植被覆蓋度(FVC)的變化特征

3.3 植被年際變化趨勢及穩定性

3.3.1 植被覆蓋度的年際變化趨勢

2000—2018年間,研究區FVC總體上表現為增加趨勢(圖5)。其中河套灌區南部和西部的庫布其沙漠與烏蘭布和沙漠一帶FVC明顯提高,主要得益于近20年三北防護林工程建設[39—40]。而北部部分山區有輕微的下降趨勢,但并不顯著。值得注意的是,河套段FVC存在三條顯著的條帶狀變化特征,分別位于陰山斷裂帶前的盆地段、現今的黃河干流段以及河套盆地與鄂爾多斯臺地的邊界隱伏斷裂段；前者呈顯著上升趨勢,后兩者呈顯著降低趨勢。

圖5 植被覆蓋度的M-K變化趨勢及顯著性檢驗分布圖

不同土地利用類型FVC變化差異顯著(圖6)。72%的耕地FVC呈增加趨勢,顯著下降的部分主要分布于河流附近和城市邊緣。34%的林區FVC存在下降趨勢,呈條帶狀集中分布于研究區東部。草地FVC主要以上升為主(75%),退化草地主要分布于河套灌區的東北部和南部山區。未利用地的植被退化占比為22%,主要分布于河套盆地與鄂爾多斯臺地交界的東西走向斷裂帶。

圖6 各地類植被覆蓋度變化及其統計特征

3.3.2 植被覆蓋度年際變化的穩定性

2000—2018年研究區FVC變化的穩定性特征如圖7所示。北部陰山山脈自西向東FVC穩定性越來越好。陰山山脈的西、中、東段植被類型分別以溫帶荒漠山地植被、溫帶草原區山地植被以及溫帶森林區山地植被為主,隨著水分條件的改善,物種多樣性逐漸增加[41],使得生態系統抗干擾能力增強[42—43],FVC變化趨于穩定。位于陰山山脈西段、河套灌區北部的山前過渡帶,植被表現為對氣候變化的強烈波動。同樣地,黃河干流沿線FVC表現為高波動；河套盆地與鄂爾多斯臺地的邊界斷裂一帶,FVC的穩定性也較差。

研究區中西部河套灌區以及東部大黑河與渾河地區FVC變化最為穩定(圖7),三個區域FVC變化的CV值低于0.2的占比分別為80%,70%和63%。灌區農田生態系統變化受人類活動主導,東部大黑河流域及渾河流域自然植被生態系統降雨充沛,均對氣候變化的敏感度較低。而低蓋度植被區,例如十大孔兌地區和以未利用土地類型為主的河套灌區南部的庫布其沙漠地區,FVC變化波動性較大。其中十大孔兌地區相對大黑河及渾河流域降水較少,64.3%的區域CV值介于0.2—0.4之間；對于FVC較低的沙漠地區,盡管在一系列綠色工程的積極作用下FVC呈上升趨勢,但生態仍然十分脆弱,受氣候變化的干擾較大。

圖7 FVC變化的年際穩定性空間分布及其在4個子區域的統計特征

4 討論

4.1 植被覆蓋度變化的驅動因素

研究區FVC的年際變化主要受到氣候與人類活動的雙重作用。從FVC與降水和溫度的相關性空間分布可以看出(圖8),在土地利用類型不變的情況下,FVC的驅動因子與FVC的相關程度存在明顯的區域差異。大部分地區FVC與降水呈顯著正相關,而與溫度關系不顯著。前人從空間大尺度上也得到植被與年際降水的關系更加密切[18,20,44]。尤其在以自然植被為主的北部和南部山區,區域內低FVC值的荒漠草原植被對水分條件的響應具有高敏感度[45],表現為FVC與降水極顯著正相關。而在東部覆蓋有森林的大黑河以及渾河流域,FVC值較大、且穩定性較強,與降水和溫度的相關性相對前者較小。因此,水分條件是制約干旱半干旱地區植被生長的重要因素,植被與降水兩者的相關顯著性水平與植被種類和本身蓋度有關。而在河套灌區,引黃灌溉強烈影響植被覆蓋變化,導致其與降水和溫度相關性均不顯著,該結果也與前人結果一致[46]。

圖8 FVC與年降水量和年均溫度的相關性

4.2 河套段植被變化的條帶狀特征及成因探討

河套段FVC年際變化的空間分布存在三條顯著的條帶狀特征。FVC在陰山斷裂、河套盆地北部的山前地帶呈條帶狀顯著上升。非地帶性植被的生長依賴于地下水,而山前地下水的賦存環境是連片的沖洪積扇群。由于山體隆升,沖洪積扇十分發育,植被易在扇緣相的地下水溢出帶富集。前人資料[47]顯示,2008—2018年間山前地下水埋深逐漸減小。因此,通過山前導水斷裂運移的地下水不斷補給植被,使得FVC顯著上升。而在陰山山前過渡帶,由于盆山交界帶地表高差較大,土壤儲水能力較差；且受到山體繼承性隆升的構造運動影響[48—49],穩定期相對較短,地表難以形成較厚的土壤層,因此不利于植被的生長,表現為FVC的高波動,即植被對氣候變化的強烈響應。

黃河干流一帶FVC存在顯著的降低趨勢,很可能與近20年間沿河一帶土地利用變化以及城市的擴張有關[50]。圖4和圖6可以明顯看出,沿河一帶的土地利用主要由農田轉為草地。并且,在黃河河道的頻繁擺動中,河漫灘植被易被淹沒,表現為干流沿線FVC的高波動特征。

在河套盆地與鄂爾多斯臺地的邊界隱伏斷裂處[51],FVC呈線狀顯著降低。由于該區域地表為風成砂覆蓋,地表水下滲能力強；在近期地震活動的拉張應力作用下[52],沙漠以下的河湖相沉積物破碎,使得地下水迅速沿著條帶狀透水斷裂下滲而難以維持淺表水分,從而導致植被根際層缺水而蓋度降低。該邊界斷裂帶的FVC穩定性也表現得較差,很可能也與周緣活動性斷裂及地震活動有關[53],難以形成穩定的地下水補給條件。

5 結論

本研究利用黃河流域內蒙古段2000—2018年NDVI、氣象、不同時期的土地利用數據,利用M-K趨勢分析、變異系數穩定性分級以及相關性統計對整個研究區及其中4個重點區域近20年來FVC的時空變化及驅動因素進行了分析,并針對河套段三條顯著的條帶狀FVC變化特征進行了探討。主要結論如下：

近20年來,研究區自然植被受降水增多的影響,灌區農田受耕地面積增加的作用,沙漠地區受三北防護林工程建設的響應,均表現為FVC增大。而沿黃河干流和城市群的植被生態系統分別受土地利用方式以及城市擴張的影響,表現為FVC顯著減小。高蓋度植被對氣候變化的響應較小。例如,灌區農田生態系統變化受人類活動主導；大黑河流域及渾河流域物種多樣性豐富、生態系統較穩定。而低蓋度植被區,例如水分條件較差的十大孔兌地區以及沙漠地區,FVC變化波動性較大,生態相對脆弱。

河套段三條顯著的條帶狀FVC變化特征表明地質構造運動和地表過程也間接影響著植被分布。在河套平原北部山前扇緣地區,植被賦存在帶狀分布的地下水溢出帶,受到地下水儲量增多的不斷補給,表現為FVC顯著上升；而在山前過渡帶,構造運動及其造成的較大地表高差使得土壤層較薄且儲水能力較差,表現為FVC的高波動。黃河干流一帶,河道的頻繁擺動導致沿線FVC的高波動。河套盆地與鄂爾多斯臺地的邊界斷裂處,在隱伏斷裂和地震活動下,地下水易沿帶狀透水斷裂下滲,難以維持淺表水分和穩定的水分補給條件,導致FVC呈線狀顯著降低和較差的穩定性。