2001-2018年雅礱江流域植被NDVI時空動態及其對氣候變化的響應

陳 安, 李景吉,2, 黎文婷, 劉延國, 王 娜

(1.成都理工大學 生態環境學院, 成都 610059; 2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059; 3.西南科技大學 環境與資源學院, 四川 綿陽 621010; 4.成都理工大學 地球科學學院, 成都 610059)

陸生植被作為巨大的碳匯，在減緩氣候變化方面發揮著重要作用[1]。植被覆被常被用來表征氣候變化影響的程度，指示著植被對氣候變化的敏感程度，其變化幅度可以改變碳匯強度，并對當地氣候起到反饋作用[2]。因此，植被與氣候變化關系及作用機制一直是全球氣候變化研究的熱點問題，也成為了開展區域植被保護和實現生態系統可持續發展的重要理論依據[3-4]。

歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)能夠精準反映植被覆蓋度、植被生產力、葉面積指數和土地利用等變化特征[5-7]。研究NDVI與氣候變化關系，能夠有效表達流域植被生長與氣候變化的相互關系。分析NDVI時空變化特征及其與氣候變化響應的研究方法已較為成熟，如國內外學者基于MOD13Q1/NDVI，Spot VEGETATION/NDVI等數據，采用線性回歸分析[8]、Theil-Sen median趨勢分析[9]、Mann-Kendall檢驗等[10]方法，對黃河流域[11]、三江源區等[12]重大流域開展了大量研究。目前普遍認為不同尺度上植被覆蓋變化主要是受氣候要素變化作用的結果[13]，并且氣溫和降水的變化對植被覆蓋變化影響最為直接[14-15]，是植被覆蓋變化與氣候響應研究的首選因子[16]。然而，限于影像數據精度的要求和數據處理的難度，對于垂直地帶性顯著的高山峽谷區復雜植被組成與多氣候類型變化的交叉影響機制研究鮮有報道。研究復雜植被組成與多氣候條件的交互影響，更有助于理解全球氣候變化背景下植被與氣候要素的作用機制[17]。

雅礱江流域地處青藏高原東南緣，區域地質條件復雜，氣候類型多變，是青藏高原典型生態脆弱區和生物多樣性保護重要區。流域內植被垂直地帶性十分顯著(地勢落差5 188 m)，并且對全球氣候變化的響應極為敏感[18-19]。目前，國內外對雅礱江流域植被分布與氣候變化作用機制的研究鮮有報道，流域尺度水平的氣候變化對植被分布影響的特征及機制不清楚。鑒于此，本研究基于MODIS/NDVI數據及同期氣候數據，重點研究2001—2018年雅礱江流域生長季NDVI的時空變化特征及其對氣候變化的響應規律，以期為流域生態環境保護和植被恢復提供科學依據。

1 研究區概況

雅礱江發源于青海省巴顏喀拉山，是長江上游金沙江的最大支流，地理位置為26°32′—33°58′N，96°52′—102°48′E，石渠至新龍為上游段，中游段為新龍至木里，木里至攀枝花為下游段。雅礱江干流全長約為1 571 km，流域面積約10.68萬km2。流域內高空西風帶大氣環流和西南季風活動頻繁，加之地形差異大，造成區內氣候條件復雜多變[20]。流域的多年平均降水量為500～2 470 mm，多年平均蒸發量為1 166～2 500 mm，多年平均氣溫為-4.9～19.7℃，并且降水量、蒸發量和氣溫均呈由北向南的遞增分布[21-22]。流域內植被水平地帶性和垂直地帶性顯著，主要植被類型沿東南至西北一線依次為森林、灌叢和草甸。

2 數據和方法

2.1 數據來源及處理

NDVI數據來源于美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)發布的空間分辨率250 m、時間分辨率16 d的MOD13Q1(MODIS/Terra Vegetation Indices 16-DayL3Global 250 m SIN Grid)數據集。地形數據來源于地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)的ASTER GDEM V2數字高程數據，空間分辨率為30 m。土地覆被數據來源于資源環境數據云(http:∥www.resdc.cn)。氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)，包括研究區及其周邊45個氣象站點2001—2018年的逐月平均氣溫和累積降水量。植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http: ∥www.resdc cn)1∶100萬中國植被類型圖。

利用MRT(MODIS Reprojection Tools)工具對下載的MOD13Q1數據進行格式轉換和重投影等預處理，應用時間序列諧波分析法(Harmonic analysis of time series，HANTS)對NDVI數據進行降噪處理(圖1)。HANTS算法濾波后的NDVI曲線變的較為平滑，與植被生長周期和物候特征基本吻合[23]。采用最大值合成法MVC(maximum Value Composite)得到逐月NDVI數據，選取植被長勢較好的5—9月份作為其生長季[24]。本文為減少土壤背景影響、增強綠色植被信號，剔除了NDVI<0.1的區域(非植被區)[25]。氣象數據中降水選用Kriging方法進行空間插值，氣溫采用ANUSPLIN方法[26]進行空間插值。植被類型數據以植被大類為分類基準進行合并、裁剪后形成研究區植被類型分布。

圖1 HANTS濾波前后NDVI

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析法 采用Theil-Sen Median方法分析2001—2018年雅礱江流域生長季NDVI的變化趨勢，并結合Mann-Kendall檢驗方法判斷NDVI變化趨勢的顯著性。上述兩種方法結合使用可有效降低異常值對數據的影響[27]。Theil-Sen Median公式如下：

(1)

式中:NDVIi和NDVIj分別表示像元i年和j年的NDVI值。當SNDVI>0時,表明NDVI呈增加趨勢,反之則表明NDVI呈下降趨勢。Mann-Kendall方法中統計量Z值等計算公式如下:

(2)

其中，

(3)

(4)

(5)

式中:sgn為函數符號。結合p值和Z值,將NDVI變化趨勢在0.01置信水平下劃分為極顯著增加(p≥0,|Z|>2.58)、極顯著減少(p<0,|Z|>2.58);0.05置信水平下劃分為顯著增加(p≥0,|Z|>1.96)、顯著減少(p<0,|Z|>1.96)、不顯著增加(p≥0,|Z|<1.96)及不顯著減少(p<0,|Z|<1.96)。

2.2.2 相關分析法 對2001—2018年雅礱江流域生長季NDVI與氣候因子(氣溫和降水)進行逐像元的偏相關分析和復相關分析，采用0.05的置信水平完成偏相關分析的T檢驗和復相關分析的F檢驗。偏相關系數計算公式如下：

(6)

式中:rab,c為變量c固定后變量a與b的偏相關系數；rab,rac,rbc為兩因子間的相關系數；a為NDVI值;b為氣溫值;c為降水值。

3 結果與分析

3.1 NDVI的時間變化特征

利用線性回歸方法，分析2001—2018年雅礱江流域生長季平均NDVI的年際變化趨勢(圖2)。結果表明，近18年流域生長季NDVI值介于0.68～0.73之間，增長率為0.003/10 a，2006年、2011年和2013年出現最高值，2001年出現最低值。整體而言，2001—2018年流域生長季平均NDVI上升趨勢顯著(p<0.05)，表明植被生長總體呈較好的發展趨勢。

圖2 NDVI的年際變化趨勢

3.2 NDVI的空間分布及變化特征

3.2.1 NDVI的空間分布 2001—2018年雅礱江流域生長季平均NDVI空間分布見圖3A所示，全區NDVI總體狀況良好，平均值為0.66，整體呈東南向西北逐漸下降趨勢。由于流域地形差異大，海拔由西北向東南逐漸下降，因此植被NDVI的空間分布具有明顯的地域性特征。NDVI低值區多出現在流域上游海拔高于4 500 m的高海拔區，主要分布在石渠縣北部和甘孜縣，植被類型以草甸和高山植被為主(圖3B)。NDVI高值區多集中于流域中、下游海拔3 500 m以下地區，主要分布在雅江縣、木里縣、九龍縣和鹽源縣，植被類型多為針葉林、闊葉林和針闊葉混交林。

圖3 研究區多年生長季平均NDVI空間分布和植被類型

結合雅礱江流域的地形特征，將其海拔劃分為5個海拔區間(<1 500 m，1 500～2 500 m，2 500～3 500 m，3 500～4 500 m，>4 500 m)，統計出植被NDVI均值隨海拔變化情況(表1)。結果顯示，近18年來雅礱江流域植被NDVI均值隨海拔升高呈現出先增后減的特點。海拔低于3 500 m地區的面積占比21.63%，該區植被NDVI是隨海拔的升高而增加；高于3 500 m地區的面積占比78.37%，植被NDVI隨海拔升高呈現出下降趨勢。植被NDVI均值的最高值(0.74)出現在2 500～3 500 m海拔區間，主要植被類型為針葉林和闊葉林；最低值(0.52)出現在>4 500 m海拔區間，主要植被類型為草甸和高山植被。1 500～2 500 m和3 500～4 500 m海拔區間的NDVI均值分別為0.7，0.68，主要植被類型分別為灌叢和草甸。海拔低于1 500 m地區的植被NDVI均值為0.57，該區由于人類活動較強，植被NDVI較低。

表1 雅礱江流域植被NDVI垂直分布特征

3.2.2 NDVI的空間變化特征 基于Sen+Mann-Kendall檢驗方法得到雅礱江流域生長季平均NDVI變化趨勢(圖4A、表2)。結果發現，流域生長季NDVI整體以增加趨勢(極顯著增加、顯著增加和不顯著增加總和)為主，面積占比為63.97%，多出現在流域上游和下游，其中極顯著增加和顯著增加區域主要分布在石渠縣北的長沙貢馬鄉和鹽源縣，該地區主要植被類型為草甸和針葉林。NDVI呈減少趨勢(極顯著減少、顯著減少和不顯著減少的總和)區域面積占比為36.03%，多出現在流域中游，其中極顯著減少和顯著減少區域主要分布在石渠縣南部、雅江縣兩河口、理塘河河谷和鹽邊縣二灘等地，植被類型以灌叢和草甸為主。

表2 NDVI變化趨勢統計

圖4 NDVI與氣溫、降水變化趨勢

3.3 NDVI變化對氣候因子的響應

3.3.1 氣候因子的時空變化特征 采用線性回歸方法，分析2001—2018年雅礱江流域生長季平均氣溫、累積降水量的年際變化趨勢(圖5)。近18年雅礱江流域生長季平均氣溫上升趨勢顯著(p<0.05)，平均增速為0.48℃/10 a，2009年出現最高值15.34℃，2004年出現最低值14.04℃。流域生長季累積降水量整體呈增加趨勢(p=0.147)，平均增速為15.34 mm/10 a，2014年出現最高值675.76 mm，2006年出現最低值476.4 mm。

圖5 生長季平均氣溫及累計降水量

2001—2018年雅礱江流域生長季平均氣溫和累積降水量的空間變化特征見圖4B、圖4C所示。近18年雅礱江流域生長季氣溫增速為0.15～0.71℃/10 a，以中、上游地區的增溫趨勢最顯著，主要分布在石渠縣、甘孜縣和木里縣，區內植被類型主要為草甸和針葉林。近18年雅礱江流域生長季累積降水量增速介于-56.38～88.96 mm/10 a之間，其變化趨勢具有明顯的空間差異性。上游地區降水量呈增加趨勢，主要分布在石渠縣南部和甘孜縣，植被類型多為草甸。中游地區降水量呈下降趨勢，以理塘縣、木里縣和九龍縣最明顯，植被類型多為灌叢和針葉林。

3.3.2 NDVI對氣候因子的響應分析 將2001—2018年雅礱江流域生長季NDVI均值與平均氣溫、累積降水分別進行線性回歸(圖6)。結果表明，研究區生長季NDVI隨氣溫的上升而增加，隨降水的增加而減少。生長季NDVI與平均氣溫的相關系數為0.358，與累計降水的相關系數為-0.469，整體上植被生長受氣溫影響大于降水。

圖6 逐年NDVI與氣候因子的相關性

相關研究表明[28-29]，植被生長對氣候因子的響應存在一定程度的“時滯效應”。本研究將雅礱江流域生長季逐月NDVI與同期及提前1—2月氣候因子的響應進行分析(表3)。從氣溫變化來分析，前1個月氣溫和NDVI的相關系數較大，并且6月、7月、8月、9月份都通過了顯著性檢驗(p<0.05)，表明研究區前1個月氣溫上升對當月植被生長起較強促進作用。其中8月份的NDVI與同期及前1—2月的氣溫呈正相關性都較顯著，說明6—8月份的氣溫與8月份的植被生長關系密切，7月份溫度升高對8月份植被生長影響最大。從降水變化來分析，當月NDVI與前1個月降水的相關系數較大，并且通過顯著性檢驗(p<0.05)的月份最多(6月、7月和8月)，表明研究區前一個月降水對當月植被生長有一定抑制作用。

表3 逐月NDVI與氣候因子的相關性

對流域生長季NDVI與平均氣溫和累積降水進行逐像元的偏相關分析(圖7)。由圖7A知，NDVI與平均氣溫的偏相關系數范圍為-0.90～0.94，平均值為0.11，正、負相關區域面積占比分別為65.05%和34.95%。通過顯著性檢驗(p<0.05)的區域占流域面積的13.6%，其中顯著正相關區域(11.19%)主要分布在石渠縣長沙貢瑪鄉—色達、新龍縣城—鮮水河和鹽源盆地一帶(圖7D)，該地區植被類型為草甸和針葉林；顯著負相關區域(2.41%)分布在中、下游的理塘縣、鹽邊縣等地，植被類型以灌叢為主。由圖7B可以看出，NDVI與累積降水的偏相關系數范圍為-0.89～0.91，平均值為-0.015，正、負相關區域面積占比分別為47.68%和52.32%，顯著正、負相關區域面積占比僅為2.76%和2.88%。顯著正相關區域分布在新龍縣及周邊區域(圖7E)，主要植被類型為草甸；顯著負相關區域零散分布在流域中、下游的河谷地帶，植被類型多為灌叢。

通過復相關分析(圖7C)發現，NDVI與氣候因子(平均氣溫、累積降水)的平均復相關系數為0.36，研究區有27.59%的面積通過了顯著性檢驗(p<0.05)。其中復相關關系顯著區域主要分布在流域上游石渠和甘孜二縣(圖7F)，植被類型以草甸和草叢為主，說明這些植被生長發育受水熱條件限制較大。

圖7 NDVI與氣候因子的偏相關、復相關系數及顯著性檢驗結果

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究發現，近18年雅礱江流域植被NDVI整體呈波動上升趨勢，植被總體趨于向好，局部變差。這種變化與流域差異性氣候變化有關，近年來青藏高原增溫同時，降水也出現不同程度增加，使流域整體的植被生產力和覆蓋度增加[30]，植被生長總體向好。另外，植被覆蓋的增加與多年來流域內實施的退耕還林、封山育林和土地沙漠化治理等[31-32]各項生態保護工程也有關，生態恢復工程在植被恢復方面發揮出顯著生態效益[33-34]。雅礱江流域局部區域植被NDVI呈減少趨勢，以石渠縣南部、理塘縣、雅江縣兩河口和鹽邊縣二灘最為集中。NDVI減少區域在流域中游分布較集中，一方面這與中游各縣快速城鎮化而大量修建基礎設施和不合理的旅游開發密切相關[35-36]，另一方面由于流域上、中游水熱條件的增加導致局部冰川凍土消融，使原有脆弱的生態地質環境發生變化，植被生長受到影響[37]。

本文分析了不同時間尺度上植被NDVI對氣溫和降水的響應，得到研究區植被NDVI整體上受氣溫和降水共同影響，但不同地區空間差異較大的結果。雅礱江流域上游為高原高寒氣候，而下游多為干旱河谷氣候，受西南季風影響，下游的降雨量遠大于上游。上游脆弱的生態環境造成植被生長受水熱條件限制較大，植被生長和氣溫、降水主要為正相關關系，即水熱條件的增加會促進該區植被生長，這與楊元合等[38]得出的青藏高原東南緣夏季高寒草甸、草地NDVI的增長是受溫度、降水共同影響的結論相一致。而在中、下游地區植被的生長具有相對適宜溫度，降水成為植被生長的主控因子。近18年流域中、下游地區的降雨量減少，蒸發量增加，土壤承載力變低，并且受流域地形影響，雖然降水對土壤有保濕作用，但易造成地區水土流失[39]，甚至引起不同程度的地質災害，破壞植被生長環境，導致植被NDVI降低[40]。此外，極端事件的發生也會影響植被正常生長，如2008年汶川地震導致地表大面積裸露，部分植被根系的生長環境被破壞，造成水土流失加重，植被覆蓋狀態退化[41]。2012年左右雅礱江流域氣溫較低，降水增多，發生的洪澇災害[42]直接導致2012年植被NDVI的降低。不同地域植被NDVI對氣候要素的響應較為復雜，文中只選擇氣溫和降水這兩個對植被生長影響最大的氣候因子進行分析，但濕度和日照等也會影響植被NDVI的變化[43]，未來可以加以考慮。

4.2 結 論

(1)2001—2018年雅礱江流域生長季植被生長狀況良好，NDVI均值為0.66，且以0.003/10 a的速率波動上升。NDVI分布受地形影響較大，空間上呈東南向西北逐漸下降的分布格局，垂直分布上呈現隨海拔上升呈現出先升后降的特點。

(2)2001—2018年雅礱江流域生長季NDVI整體以不顯著增加趨勢為主，面積占比達57.36%，廣泛分布在流域各縣。近18年流域生長季平均氣溫上升趨勢顯著(p<0.05)，累積降水量上升趨勢不顯著(p=0.147)，流域上、中游氣候向暖濕方向發展。

(3)2001—2018年雅礱江流域生長季NDVI對氣溫、降水變化的響應均滯后一個月。整體上NDVI受氣溫影響大于降水，與氣溫呈正相關關系，與降水呈負相關關系；空間差異明顯，上游受氣溫影響較大，中、下游大部分地區受降水影響較大。