近22年民勤地區植被變化的時空特征及其驅動因素

周 蕊，高鈺婷，石麗榮，范 銘

(1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州 730000)

荒漠化是指氣候變化和人類活動等因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區的土地退化[1]。我國的荒漠、荒漠化土地面積共計超過240萬km2，占總面積的25%以上[2]，其中西北地區土地荒漠化問題尤為嚴重。荒漠化導致土壤侵蝕、植被覆蓋減少以及沙塵暴頻繁發生，嚴重影響當地經濟發展和人類生存環境[3]，我國每年由于荒漠化損失近540億元[4]，因此荒漠化一直以來是我國最嚴重的生態環境和社會經濟問題之一[5-6]。

植被作為陸地生態系統主要組成部分，聯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域生態環境的變化[8-9]。目前，遙感技術已成為監測植被動態變化的重要手段[6,10]，包括一系列植被指數和高清衛星影像等方式，其中歸一化植被指數(normalized different vegetation index,NDVI)常被用來指示植被覆蓋變化，被廣泛運用于監測植被動態變化[11-13]。目前針對不同的傳感器，發展得到了多種NDVI數據集，其中SPOT-VGT (SPOT VEGETATION) NDVI時間序列最長，能滿足植被動態變化長期監測研究的需求，且在空間分辨率、光譜分辨率和幾何糾正等方面具有優勢[14]，使用SPOT NDVI數據集對于提高植被長期動態監測的準確性具有重要意義。截至目前，很多學者已經使用歸一化植被指數研究了多數地區的植被覆蓋現狀，例如潘霞等[15]采用2000—2016年植被生長季的NDVI數據對阿拉善盟地區的荒漠動態程度進行反演和評價；康文平等[16]通過對2000—2013年柴達木盆地NDVI數據分析發現氣溫、降水和潛在蒸散量均與NDVI呈正相關。

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，成為我國河西區域荒漠化最嚴重的地區之一[18]。在人類活動方面，從20世紀70年代開始，由于石羊河中上游用水量的增加，導致下游綠洲的水量逐年減少；同時由于下游過度開挖機井、開采地下水灌溉農田，從而導致民勤綠洲地下水位下降、綠洲萎縮、土地鹽漬化、沙漠化等一系列嚴重的生態系統問題。因此，明確民勤地區荒漠化的原因和驅動機制是有效開展荒漠化防治的基礎和關鍵。已有學者基于Landsat衛星系列遙感影像和MODIS植被指數產品MOD13進行了民勤綠洲的植被變化及其成因的相關研究。如馬倩倩等[19]利用2002—2012年 MODIS-NDVI數據產品，分析認為泛河西地區植被覆蓋變化總體呈增加趨勢，植被變化對降水的敏感性高于氣溫。滑永春等[20]利用 Landsat TM/OLI數據，分析了2001—2014年甘肅民勤縣植被變化，認為中高覆蓋度的植被面積呈擴大趨勢，而低覆蓋度的植被面積呈減少趨勢，民勤縣生態環境改善顯著。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來進行探討年際變化，而并未考慮到在人類活動強烈的地區，荒漠戈壁區與常年植被覆蓋地區的指標變化的原因可能存在明顯的差異。因此，探究民勤地區的植被變化及其原因應選擇將植被區域(NDVI>0.1)作為研究區進行統計和分析，才能更加明確其植被變化的原因及驅動機制。在先前研究中大多數研究認為溫度和降水是影響植被變化和荒漠化的主要氣候因子[21-23]。但是，近期有研究也表明風力強度對干旱和半干旱地區荒漠化發展和植被變化的影響越來越顯著[24-26]。筆者對民勤地區1998—2020年植被覆蓋區域NDVI的動態變化進行監測，揭示近22年民勤縣荒漠化過程及變化規律；探索荒漠化過程對氣候變化與水循環的反饋機制，增加對風力和有效濕度這2個氣候因子與植被變化的分析；在此基礎上，對該地區水土保持和生態恢復的管理和利用策略進行探討，以期為該地區綠洲的保護與開發以及可持續發展提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況甘肅民勤綠洲(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)，東西長約206 km，南北寬約156 km，總面積約1.59萬km2[27]。沙漠和荒漠化面積約占90%，綠洲面積僅占10%，是全國受荒漠化危害最嚴重的地區之一。

圖1 民勤地區地理位置Fig.1 Geographical location of Minqin region

民勤地區東、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為主。全年氣候干旱少雨，多年平均降水量約為 110 mm，年日照時數長，積溫高，蒸發旺盛，潛在年蒸發量可達 2 644 mm，是年降水量的 24 倍以上。民勤地區大風天氣較多，風沙活動強烈。受自然因素的影響，該區域自然災害頻發，對人類活動影響較大。

1.2 數據來源及預處理

1.2.1NDVI數據。該研究選取的SPOT-VGT NDVI數據集來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)提供下載的“中國長時間序列植被指數( NDVI) 空間分布數據集”，是通過最大值合成法生成的1998—2019年的月度植被指數數據集，時間分辨率為1 d，空間分辨率為1 km，被廣泛運用于植被和生態環境的研究[28-30]。該研究對SPOT-VGT NDVI數據集進行格式轉換、掩膜提取等預處理，得到了民勤地區NDVI數據集。

民勤地區植被生長最茂盛的時段在盛夏，最能反映植被生長狀況。因此該研究基于SPOT-VGT NDVI數據集計算了1998—2019年民勤地區生長季(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，可見近22年民勤地區NDVI月均值最高值出現在7月。同時，研究區7月NDVI月均值與其生長季(6—9月)NDVI呈顯著正相關(圖2)，這表明7月NDVI月均值可以用來指示民勤地區生長季的植被生長狀況。因此，該研究選擇研究區域7月NDVI剔除非植被區域(多年平均NDVI<0.1的區域)后的NDVI數據指示該地區植被生長的年變化情況，并進行下一步的研究。

圖2 研究區7月NDVI與生長季(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氣象數據。在中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)下載民勤氣象站點1998—2020年的氣象數據，具體包括年降水量(mm)、年平均氣溫(℃)、每日風速(m/s)、日平均溫度(℃)、日平均濕度(%)。在干旱地區，水分對植被生長尤為重要，而水分不僅與降水相關，還受到蒸發的影響，因此對植被生長實際有效的水分需要綜合考慮降水量和蒸發量的共同影響。年降水量(P)與年潛在蒸散發(PET)的比值表示有效水分(P∶PET)，對于干旱區植被生長十分重要,其中PET的計算可參考Penman-Monteith蒸散發估算公式[31]。另外，為了更好地分析風力對植被覆蓋變化和荒漠化進程的影響，選取了強風頻率(w)和輸沙勢(DP)2個指標。綜上，該研究選取和計算1998—2019年民勤氣象站點年降水量、年平均氣溫、P∶PET、w和DP共5個氣候因子來探究自然要素對民勤地區植被生長的影響。

1.3 研究方法

1.3.1最大值合成法。為了進一步消除云、大氣和月內物候等影響，該研究采用國際通用的最大值合成法計算區域內每個柵格每月最大NDVI值。計算公式如下：

MNDVIi=max(NDVI1,NDVI2)

(1)

式中，MNDVIi為第i月NDVI最大值，i=1,2,…,12為月序號，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趨勢分析法。Theil-Sen Median趨勢分析法又被稱為Sen斜率估計，是一種穩健的非參數統計的趨勢計算方法。該方法計算效率高，對測量誤差和離群數據不敏感，常被用于長時間序列數據的趨勢分析。具體計算公式如下：

(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，當β>0，表明研究時段內NDVI呈增加趨勢，植被覆蓋增加；反之NDVI呈減少趨勢，植被覆蓋減少。

1.3.3Mann-Kendall顯著性檢驗法。Mann-Kendall顯著性檢驗法能較好地檢驗時間序列的變化趨勢，在氣象、水文等研究中取得成功應用，相對于其他檢驗方法而言，其優點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非參數檢驗法對NDVI變化的顯著性進行檢驗，計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，1≤i1.96時，表示NDVI變化趨勢通過了置信水平α=0.05的顯著性檢驗；反之，表示NDVI變化趨勢未通過置信水平α=0.05的顯著性檢驗。

將Theil-Sen Median趨勢分析和Mann-Kendall顯著性檢驗的結果相結合，能有效地反映NDVI空間變化特征，具體劃分標準如表1所示。

表1 NDVI空間變化特征劃分標準Table 1 Classification criteria of NDVI spatial change characteristics

1.3.4氣象因子的計算。為了計算有效水分P∶PET中的潛在蒸散發，該研究采用世界糧農組織(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(mm/d)；γ為干濕表常數(kPa/℃)；T為日平均溫度(℃)；u2是2 m高度的風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(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高度處的風速(m/s)；Tmax、Tmin分別為24 h間的最高或最低絕對溫度(K)；Rh為相對濕度(%)；Tmean為24 h間的平均絕對溫度(K)；Rs為太陽輻射[MJ/(m2·d)]；α為反照率系數，取0.23；n為實際日照時數(h)；N為日照時數或白天時數的最大可能持續時間(h)；Ra為地球外輻射[MJ/(m2·d)]；σ是StefanBoltzman常數[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是研究區的海拔(m)。

強風頻率(w)表示一年中每日風速超過起沙風速的占比，由于風速只有達到起沙風速才能搬運沙粒，進而影響植被生長以及荒漠化進程，因此選用w來衡量風力的影響。該研究參考了周邊地區的起沙風速，將金昌市起沙風速定為6 m/s，以此來統計一年中每日風速超過起沙風速的占比。

輸沙勢(DP)表示一定時間內潛在最大輸沙量，是衡量風沙活動強度的重要指標，其計算公式如下：

DP=V2(V-Vt)t

(14)

式中，V為10 m高處風速(m/s);Vt為10 m高處的起沙風速(>6 m/s);t為起沙風速的累計作用時間，即達到起沙風速的時間占觀測時段的比值(以百分數表示，通常觀測時段以1年為周期)。輸沙勢(DP)在數值上以矢量單位(UV)表示。

1.3.5相關性分析。為了研究植被覆蓋、氣候因子之間的相互關系，利用Pearson相關系數衡量NDVI和氣象數據之間的相關性，計算公式如下：

(15)

2 結果與分析

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

圖3 1998—2019年民勤地區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，民勤地區有植被覆蓋的地區主要分布在縣城和鄉鎮。從空間上而言，石羊河流域附近的縣鎮NDVI主要在0.4以上，其NDVI高于遠離石羊河流域的昌寧鄉和南湖鎮；而對于綠洲外圍的干旱沙漠地區，其NDVI小于0.2；沙漠與綠洲中間的過渡地帶，其NDVI為0.2～0.3。因此，有徑流的區域的NDVI高于沒有徑流補給的區域，這一結果是由于對于干旱區的植被生長，水的供給和來源是重要的影響因素之一。然而，對于沒有徑流補給的昌寧鄉和南湖鎮，其NDVI卻表現出明顯的高值，表明人類活動對土地的開墾和維護在一定程度上可以將沙地轉化為耕地。生態移民對植被的發展起一定的促進作用。

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

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

Theil-Sen Median趨勢分析和Mann-Kendall顯著性檢驗結果(表2)表明，1998—2019年民勤地區31.14%區域的NDVI呈增加趨勢，且通過了顯著性檢驗；16.32%區域的NDVI呈減少趨勢，且通過了顯著性檢驗；52.54%區域的NDVI變化未通過顯著性檢驗。

表2 1998—2019年民勤地區NDVI變化趨勢統計Table 2 Statistics of NDVI change trend in Minqin region from 1998 to 2019

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

圖5 1998—2019年民勤地區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NDVI的影響氣象數據分析結果表明(圖6)，民勤地區年平均氣溫在1998—2011年年際變化不大，而在2012—2016年年平均氣溫呈現顯著上升趨勢，2017—2019年年平均氣溫呈現下降趨勢。年降水量和有效水分(P∶PET)變化一致，總體上年際起伏較大，但長期變化不顯著。強風頻率(w) 和輸沙勢(DP)整體上呈現下降趨勢。

從研究區NDVI與氣候因子的相關性和顯著性檢驗分析(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NDVI的相關性均未通過顯著性檢驗。強風頻率(w)和輸沙勢(DP)與NDVI均呈現顯著負相關。由此可以發現，風力減弱是民勤地區近22年來植被覆蓋增加的主要原因。這是由于在干旱地區，土壤侵蝕被認為是沙漠化的主要成因，其中風力侵蝕占主導地位，通過搬運肥沃表土而削弱土壤肥力，降低土壤持水能力，進而影響植被生長[32]。另外，潛在蒸散發會受到風力的影響，因此風力減弱會導致潛在蒸散發減少，從而使得有效水分(P∶PET)增加，更好地促進了植被生長。由此可知，風力的減弱能促進植被的生長和沙丘的穩定。

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

2.4 民勤地區荒漠化與人為因素關系從近22年來時間尺度的分析結果來看，雖然民勤地區的溫帶大陸性干旱多風的氣候條件為該地區荒漠化提供了充分的動力基礎，但自然條件下溫度和降水對植被生長的影響并不顯著，風力減弱是植被增長的重要自然要素。可能是由于該區域人類活動強烈，人為因素也是加速荒漠化發展和逆轉荒漠化趨勢的主要原因之一。Duan等[21]通過評估三北防護林項目實施地區的植被動態變化，提出當氣候因子與NDVI變化相關性不顯著時，人類因素可能是NDVI變化的主要原因。Chen等[33]通過研究我國北方沙漠化的背景并分析其成因，認為人類活動對我國北方沙漠化的影響大于氣候的影響，人口數量的急劇增加導致了過度放牧、開墾荒地等不合理活動，加劇了北方地區沙漠化。Zhou等[34]研究指出內蒙古西部沙漠的擴張和恢復逆轉均與人類活動緊密關聯。相關研究建議在探討植被變化成因時需考慮人類活動的影響[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域。近幾十年來人類活動對其植被覆蓋的變化可能產生了重要的作用，其中包括早期過度開采地下水、過度開墾等干擾活動導致的植被覆蓋下降趨勢，以及近22年來大型水土保持、生態恢復工程項目等的保護措施對當地植被生長起到的積極作用。

NDVI年際變化結果顯示民勤地區的NDVI從1998年的0.221 2降至2001年的0.210 9(圖3)，然而在1998—2001年，氣候因子計算結果顯示該時期氣溫下降，風力減弱，對于植被生長起著積極的作用(圖6)。據統計，民勤縣唯一的地表水補給——石羊河上游來水量從20世紀50年代的5.42×108m3減少至90年代的1.52×108m3，而到2002年上游來水量僅為0.84×108m3，在2002年前人們對于沙漠化防治沒有意識，一方面為了解決水資源供需缺口大量開采地下水，打井11 000眼，年超采地下水近4.0×108m3[36]。另一方面當地居民對土地的不合理利用導致開墾耕地的同時大量已有耕地遭棄耕，人們迫于生計增加牲畜的出欄量、過度放牧對草地的承載造成壓力，從而導致1998—2001年該地區植被覆蓋呈急劇下降趨勢。因此，該研究認為1998—2001年民勤地區植被退化的主要誘因之一是地下水資源的嚴重超采和土地資源的不合理利用。

圖6 1998—2019年民勤地區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，國家和地方對民勤地區荒漠化防治高度重視，頒布并實施了《防沙治沙法》，開展了一系列有效提高植被覆蓋率的生態保護和恢復工程，例如嚴禁新墾荒地、填埋所打機井、節水灌溉、調整種植業結構、推行水權制度改革使工業、農業和生活用水定額要求、建立防風固沙林體系等，生態環境惡化趨勢在這一時期得到了遏制，植被覆蓋呈逐步上升趨勢。2005 年石羊河流域治理應急工程啟動，2006年石羊河流域綜合治理項目開始實施。2007年，政府批準實施了《石羊河流域重點治理規劃》政策，確定石羊河水量分配方案，采用水庫蓄水，增加民勤縣的儲水量[37]。2006—2010年民勤地區共關閉機井3 018眼，地下水開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年開始作為一個治理點進行治理，這些科學防治的策略使得生態環境改善顯著，民勤盆地干涸了51年之久的青土湖連續多年人工形成了季節性水面，紅崖山水庫每年向青土湖進行生態用水補給，2016 年下泄 0.335 8×108m3，同時加大周邊植被的治理，經過近10年的治理，2019年時形成了約21.56 km2的水面，周邊植被得到滋養，生態得到改善和恢復。

與此同時，民勤縣實施退耕、退牧還林還草工程，壓縮耕地2.9萬hm2，至2016年共完成人工造林8.2萬hm2，工程壓沙2.8萬hm2。2006年以來綠洲人工造林數和工程壓沙數逐年增多趨勢，趨勢率分別為0.8萬和0.12萬hm2/10 a[36]。在荒漠化治理方面堅持科學防治，集中治理、合理規劃，推廣包括“麥草沙障+落水栽植梭梭”“礫石灘地開溝+落水栽植”等在內的治沙模式，并先后在老虎口、西大河、青土湖等區域建立防沙治沙示范區，采用工程、生物治理相結合的治沙技術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，使得民勤地區風速減弱，生態敏感的區域對風抵抗力更強，從而促進了植被的增長。對生活在生態脆弱、環境惡化地區的居民實行移民，減輕人口對生態的壓力，并在適合人類居住的區域進行生態改造，如南湖鎮的生態移民后，該區域植被覆蓋度增長明顯，生態環境得到改善(圖5)。

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

3 結論

該研究利用SPOT-VGT NDVI數據集，結合氣象數據和社會經濟發展政策，分析近22年來民勤地區植被覆蓋變化的時空特征及其驅動因子，得出以下主要結論：

(1)1998—2019年民勤地區NDVI變化總體呈上升趨勢，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相關性分析結果表明，風力對植被覆蓋度的影響顯著，民勤地區的溫帶大陸性干旱多風的氣候條件為該地區荒漠化提供了充分的動力基礎，風力的減弱是1998—2019年民勤地區植被覆蓋度增加的主要自然因素。

(3)地下水資源的嚴重超采和土地資源的不合理利用是導致1998—2001年民勤地區植被退化的主要誘因。2001年后《防沙治沙法》和《石羊河流域重點治理規劃》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退化現象，應在之后的治理工作中作為重點治理區域，并建議從風力的角度進行解決植被退化問題。