基于VCI的1999-2019年貴州省農業干旱演變特征

張媛媛

（河南省三門峽水文水資源測報分中心，河南 三門峽 472000）

0 引言

干旱是從古至今人類面臨的主要自然災害之一，即使在當今先進的科學技術中，其影響依然是較為廣泛和深刻的。干旱具有持續時間長、影響程度大的特點，對中國農業可持續發展造成了較大不利影響。與氣象干旱不同，農業干旱不是以降水量等氣象指標為特征，而是以土壤水含量和植物生長狀態為特征，并將此反映在植被狀態指數VCI上。由于貴州省特殊的喀斯特地貌特征，導致農業干旱對于貴州省的影響很大，因此，有必要準確研究農業干旱的時空變化規律。近年來，隨著遙感技術的大力發展，基于遙感的干旱監測也在迅速發展，關于植被覆蓋的干旱監測指數被用于研究地表植被的覆蓋度和生長狀況。文章以植被狀態指數VCI 表征農業干旱，探究了貴州省1999 年1 月至2019 年12 月農業干旱的分布情況，以期為該地區的農業干旱監測預報提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區域與數據

貴州省位于副熱帶東亞大陸的季風區內，全省各地多年平均年降水量大部分地區在1 100～1 300 mm 之間，最多值接近1 600 mm，最少值約為850 mm；就全省大部分地區而言，7月平均氣溫為22 ℃～25 ℃，1 月平均氣溫為4 ℃～6 ℃。研究數據主要選取1999年1月至2019年12月植被指數VCI空間分布數據，以及貴州省邊界的矢量數據，數據集空間分辨率為1 km，時間分辨率為月尺度。該月度植被指數數據集已經經過了去除云、大氣和太陽高度角等產生的影響，有效地反映了貴州省在空間和時間尺度上的植被覆蓋分布和變化狀況，從而能夠準確反映出植被水分虧缺對農業干旱的影響。

1.2 方法

1.2.1 植被狀態指數VCI

植被狀態指數VCI 是植被生長狀態和植被覆蓋度的指示因子，可以很好地反映地表植被的覆蓋率，VCI 越高則表明地表植被的覆蓋程度越好，干旱程度越低。VCI能夠反映土壤條件、水分狀況對植被的影響，可以通過歸一化植被指數NDVI多年的最大值、最小值以及平均值計算得到。

1.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗方法

Mann-Kendall趨勢檢驗方法是一種非參數檢驗方法，它是在假設一個獨立的隨機性時間序列前提下進行的，可有效區別一個時間序列的過程是按照自然波動還是遵循一個特定的趨勢，當經過計算得到的統計量Z值大于0時表示序列呈上升趨勢，小于0時表示序列呈下降趨勢。

1.2.3 基于ArcGIS 10.2軟件的數據剪裁

采用ArcGIS 10.2 軟件中數據管理工具的柵格處理，將中國月度1 km植被指數VCI空間分布數據集依照貴州省邊界的矢量數據進行剪裁，得到21年間各月份貴州省VCI分布情況，最后分別在各月份貴州省VCI 空間分布的屬性面板中獲取最大值、最小值、平均值和標準差數據，得到21 年間貴州省各月VCI時序變化。

2 結果與分析

由貴州省1999-2019年各月份的VCI變化趨勢，可以得到VCI 時間變化圖，如圖1 所示。從圖中可以看得出來21 年間VCI的總體變化情況基本上趨于一致，大多都在1月、2月取得年內范圍內的最低值，3-7月份期間的數值呈現出明顯的上升趨勢，而6月份由于糧食作物以及其他的經濟作物收獲，VCI值稍微有所下降。同時分析可以得到，在8月份數值取得年內范圍內的最大值，9、10、11、12月呈現出下降趨勢，并且跟第二年1 月、2 月相連接。在1999 年2 月取得多年間的最小值0.112，2016 年8 月取得多年間的最大值0.789，總體上VCI 均值位于0.1-0.9 之間。Mann-Kendall 趨勢檢驗結果表明統計量Z 值為0.34，與VCI的大體上升趨勢保持一致。

圖1 貴州省1999-2019年VCI時間變化圖

根據1999-2019 年的VCI 月值，利用ArcGIS 軟件工具箱ArcToolbox-SpaticalAnalyst-局部分析-像元統計數據進行相關計算，得到21 年期間各月的平均VCI 數值以及分布圖，如圖2所示。然后提取出來相關數據的趨勢，進而分析年內VCI變化情況以及各月份的VCI數值及其空間分布圖的情況，并進行干旱情況的總結。1999-2019年貴州省VCI月度最大值整體呈現出水平直線，范圍維持在0.899-0.93 之間；最小值在0.000-0.068 之間；至于平均值的分布大致呈現成單峰分布，波動較大，月值在0.336-0.735 之間波動。1 月-2 月曲線呈較快下降的趨勢，VCI 值波動范圍在0.335-0.634之間，一年中最低值大都在此分布。由于這個時期正好處于冬季，隨著溫度逐漸降低，越來越多的植物落葉進入休眠狀態，總體上平均的VCI 值處于一種下降的態勢。從4 月份開始，進入春季，隨著大地回暖，越來越多的植物開始復蘇并且進行繁殖生長，由于植被進入生長期以及隨著春天天然降雨量的增大，與此同時加上人工的灌水量及灌溉次數的增多，農業干旱情況得到初步的緩解。4月-6月VCI數值呈現持續的上升，并在7月到8月進入雨季，降水量迅速增加，植被長勢良好，VCI 值達到每年的峰值0.735。11 月VCI 值年度最大值為0.735，然后11 月至12 月植物受到冬季天氣的影響，VCI 數值又開始逐漸下降，總體上呈現出干旱情況。

圖2 貴州省月度VCI時序變化圖

圖3為貴州省春季、夏季、秋季與冬季VCI時間變化圖，春季，21年期間各年VCI平均值大都維持在0.47-0.61，多年期間的平均值變化整體上趨于波動上升，2016 年、2018 年、2019 年VCI均值大于0.6，從整體看21年期間VCI數值穩中有增，逐年增加。夏季，平均VCI整體上相較于其他季度處于一種較高的水平，從1999 年至2008 年呈現穩步上升的形勢，2009 年到2010 年出現下降，之后到2019 年整體呈現出一種波動式上升的態勢，2009 年到2013 年波動最明顯，并且在2014 年往后達到最大值0.899。秋季，VCI平均值大致范圍在0.53-0.72之間，上升趨勢大體上為波動性上升，整體上的波動較為平緩，1999年-2007 年這9 年的VCI 數值在0.61 左右徘徊，2007 年之后到2019年呈現一定小范圍的波動，2011-2015年又再次出現平穩期，之后一直到2019 年呈現出波動式上升的態勢。在2001、2009、2011、2015、2018年處在短期波動的低處，2002年至2007年整體上位于0.59 附近，2011 年至2015 年整體上位于0.64 附近。冬季，VCI平均值在0.26-0.49之間反復變化，21年的數值曲線呈現出波動式起伏，在2000 年取得21 年間最小值0.26，2017年取得最大值0.49。

圖3 貴州省各個季度VCI時序變化圖

3 結語

鑒于貴州省農業干旱較為嚴重的現象，文中利用遙感技術并采用植被狀態指數VCI 以探究1999-2019 年貴州省農業干旱演變特征，結果發現VCI 大體呈增加趨勢，表明貴州省農業干旱呈現減緩態勢，并且在1999 年2 月取得多年間的最小值0.112，2016年8月取得多年間的最大值0.789。