寧夏中南部流域植被覆蓋變化及其對降水的響應

丁妍妍，馮克鵬,2,3*

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021;2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021;3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心,寧夏 銀川 750021)

0 引言

在全球氣候與區域生態環境變化的背景下，植被時空演變是氣候變化、水土保持、土地利用等自然和人類活動多種因素綜合作用的結果[1]。多種氣候因子影響著地表植被的時空分布[2]，其中以降水對植被生長的影響最為突出[3]。區域植被與降水的響應關系及變化特征是氣候變化與生態響應的研究熱點之一。遙感技術作為一種對地觀測的有力工具，可進行不同空間尺度長序列的動態監測，已成為研究植被-氣候關系的基礎數據源[4]。自1972年以來，眾多學者通過植物的光譜特性來監測植被生長狀態，結果表明，由可見光和近紅外波段組合得到的多種植被指數能夠定性、定量地評價植被覆蓋及其生長情況[5]。其中，歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)與植被覆蓋度明顯相關，在研究植被覆蓋動態變化及其與氣候變化、人類活動的關系中得到了廣泛應用[6]。國內外學者在不同區域研究了NDVI 對氣溫和降水的響應特征，高江波等[7]指出氣候因素對植被生長的影響具有空間差異性，干旱及半干旱的北方地區影響植被生長的主要氣候因素是降水；濕潤的南方地區則是氣溫。李奇虎等[8]指出西北干旱區在1981—2016年氣溫上升、降水增多的氣候背景下，植被覆蓋率和NDVI值都呈現增加的趨勢，生態效應趨于良性發展。

流域植被是河流生態系統的主體，能夠充當氣候變化的敏感指示器[9]。因此，研究流域植被的時空變化特征及其與降水之間的響應關系，對該地區的水資源保護、生態環境治理具有重要意義。寧夏地處我國內陸中部偏北，屬溫帶大陸性氣候，降水稀少，是我國水資源最貧乏的地區之一。寧夏中南部地區溝壑叢生，嚴重干旱，生態極其脆弱。該區域有11個行政縣區，其中9個在脫貧之前屬于貧困縣，目前仍然是鄉村振興的主戰場。在這種背景下，位于寧夏中南部的4條河流(清水河、涇河、葫蘆河和苦水河)，不僅是當地人與社會經濟賴以生存和發展的資源，而且對生態功能持續和恢復發揮著十分重要的作用。顏長珍等[10]結合RS技術與GIS技術處理TM影像，研究了寧夏草地覆蓋情況及空間分布特征。張元棟等[11]利用MODIS NDVI影像分析了寧夏NDVI動態變化對降水的響應。趙慧等[12]基于MODIS NDVI數據，研究了寧夏年最大NDVI時空變化特征及其與氣候、人類活動的關系。以上研究都以整個寧夏區域為研究對象，無法具體地了解寧夏中南部主要流域的植被覆蓋時空變化情況。

植被覆蓋時空變化研究離不開對遙感影像的分析。傳統的影像分析需要經過數據獲取、預處理、信息提取和地學分析等流程，該流程在長時間序列的遙感影像分析中存在數據獲取難、數據量大和解譯處理效率低等缺點。2011年，Moore和Hansen在美國地球物理聯合會秋季會議上介紹了一種全新的云計算平臺——谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)。該平臺通過遙感云計算技術為研究人員節省大量的數據下載和預處理時間，使研究人員可以將更多精力投入到后續的科學分析工作中。李晶等[13]基于GEE平臺，對1987—2020年黃河流域植被覆蓋度時空變化特征進行分析。谷雷等[14]基于GEE平臺的遙感影像計算NDVI值，并合成其年度最大NDVI值，分析1999—2018年云南省植被覆蓋度變化趨勢。眾多研究表明，基于GEE遙感云平臺進行遙感影像的處理相較于傳統的遙感分析手段具有明顯優勢，能極大地縮短影像處理時間，提高工作效率。GEE已廣泛應用于農業生產[15]、土地覆蓋變化[16]及植被變化[17]等領域。

本文以寧夏中南部清水河、葫蘆河、涇河以及苦水河流域作為研究區域，基于GEE平臺，提取研究區域31年(1989—2019年)NDVI，對不同時空尺度流域植被覆蓋的時空演變特征和趨勢進行分析，進而與同期中國地面降水日值格點數據采用相關歸因分析法揭示寧夏中南部河流流域內植被覆蓋變化對降水的響應，回答寧夏中南部流域在氣候變化進程中流域植被生態是否退化的關鍵問題，期望對該地區流域管理、生態脆弱性評估和水資源分配提供參考依據。

1 流域概況

1.1 清水河流域

清水河分布于寧夏和甘肅境內(105°00′E～107°07′E，35°36′N～37°37′N)，是寧夏境內流入黃河的最大一級支流，發源地為六盤山東麓固原市原州區開城鎮境內的黑刺溝腦。清水河全長320 km，流域總面積14 481 km2，其中，寧夏境內流域面積13 500 km2[18]。清水河流域土壤以灰褐土、黑壚土、灰鈣土為主要地帶性土壤。左岸支流水系相對右岸分部較多，且左岸流域面積超過右岸一半，左岸大小支流共有30余條。清水河流域屬溫帶半干旱氣候區，區域氣溫由北向南遞減，流域內多年平均降水量453億立方米，平均降水量335 mm。清水河屬于典型的非季節性山區河流，年徑流量分布不均勻，由南向北遞減，年平均徑流量約為1.65億立方米。

1.2 苦水河流域

苦水河位于寧夏鹽池縣和靈武市境內(106°02′E～107°15′E ，37°03′N～38°05′N)，是寧夏黃河段一級支流，又名山水河。河長224 km，寬100～200 m，流域面積5 218 km2，寧夏境內4 942 km2。流域內主要有黃土丘陵和鄂爾多斯緩坡丘陵2大地貌類型[19]?？嗨恿饔蛲寥乐饕呛趬劳?、黃綿土、淡灰鈣土、新積土、風沙土和灌淤土等。流域內的植被屬于荒漠草原植被，種類極其稀少，種群結構單一，植被覆蓋率較低。流域水系主要有苦水河、甜水河、沙溝和小河4條支流水系。該流域地處寧夏中部干旱區，受大陸西風氣流的控制，呈現大陸性氣候特征。流域內降水稀少，多年平均降水量為248 mm?？嗨邮堑湫偷募竟澬陨絽^河流，實測多年平均流量為2.940 m3/s。

1.3 涇河流域

涇河是渭河的一級支流，發源于寧夏涇源縣尾巴梁東南六盤山東麓(106°15′E～107°33′E，35°13′N～37°22′N)。流域地貌為黃土丘陵溝壑區、黃土高原溝壑區、土石丘陵區、黃土丘陵林區和黃土階地區5種地貌類型。流域土壤多為黑壚土、黃綿土和灰褐土等，土質疏松，長期以來水土流失嚴重，是黃河泥沙的主要來源之一。涇河流域主要支流有暖水河、頡河、洪河、蒲河和茹河等支流。該流域屬于溫帶大陸性氣候，降水和氣溫由東南向西北遞減，沿六盤山山脊自南向北年降水量在800～430 mm，流域多年平均降水量506.8 mm。涇河是寧夏水資源最豐富的地區，水量多、水質好，徑流地區變化大，年徑流深在15～300 mm。

1.4 葫蘆河流域

葫蘆河是渭河的一級支流之一，發源于六盤山西麓及其余脈月亮山(105°20′E～106°13′E，35°33′N～36°15′N)。流域面積3 281 km2，河長120 km。葫蘆河一級支流主要有渝河、濫泥河。流域平均年降水量491 mm，年徑流量1.69億立方米，平均含沙量87 kg/ m3。

寧夏中南部流域情況如圖1所示。

圖1 寧夏中南部流域Fig.1 Watersheds in central and southern Ningxia

2 數據與方法

2.1 數據資料

2.1.1 流域河網

從地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)獲取ASTER GDEM 30 m分辨率數字高程(DEM)數據，經過DEM鑲嵌，重采樣至精細分辨率后，流域矢量范圍裁剪，然后利用GIS工具進行寧夏中南部流域河網提取以及流域分割，結果如圖2所示。

(a) 清水河流域

2.1.2 降水數據

本文選用中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數據集，時間跨度為1989—2019年。該數據集為國家氣象信息中心基礎資料專項整編的中國地面高密度臺站(2 472個國家級氣象觀測站)降水資料，利用ANUSPLIN薄盤樣條法(Thin Plate Spline，TPS)進行空間插值生成，并經過嚴格的質量控制。本文將原始數據轉換為與DEM數據相同的投影類型和柵格大小，并以研究區域進行裁剪，在柵格尺度對1989—2019年的日降水數據進行匯聚，形成研究區域的年、季節降水數據。

2.1.3 植被覆蓋度

目前已經發展了多種利用遙感估算植被覆蓋度的方法，較為簡單易用的方法是利用植被指數近似估算植被覆蓋度，其中，NDVI與植被覆蓋度顯著相關。因此本文選用NDVI作為表征寧夏中南部流域植被覆蓋度的指標。

通過GEE平臺，調用了1989—2019年覆蓋研究區域的Landsat 5 TM，Landsat 7 ETM+，Landsat 8 OLI的地表反射率產品(Landsat SR)數據。各衛星地表反射率產品的基本信息如表1所示，空間分辨率為30 m，影像使用數量如圖3所示。

表1 GEE平臺中Landsat SR數據的相關信息

圖3 研究區域不同Landsat衛星影像的使用數量Fig.3 Quantity of Landsat satellite images used in different watersheds

GEE云端存檔的Landsat SR數據均已經過幾何和大氣校正，通過對其進行時空篩選、去云處理并構建歸一化函數，可用于計算研究區NDVI：

(1)

式中，NIR表示近紅外波段；R表示紅光波段；NDVI∈[-1,1]。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI最大合成法

最大合成法(Maximum Value Composite，MVC)是指在一定的合成周期內選取NDVI最大值作為新的NDVI值。衛星遙感影像普遍受到云層干擾，最大值合成法可以在一定程度上削弱云層對影像的影響[20]。本文基于GEE平臺生成了1989—2019年全年以及植被生長期和非植被生長期內的最大合成NDVI數據，并取其像元平均值代表該時段內寧夏中南部4個流域的植被覆蓋狀態。

2.2.2 趨勢分析法

本文采用一元線性回歸分析柵格尺度NDVI的變化趨勢。該方法在一定時間內采用最小二乘法逐像元擬合年際NDVI的斜率，用以綜合反映植被覆蓋的時空演變特征[21]，優點是可以利用不同時段數據值的擬合消除異常因素對植被的影響[22]：

(2)

式中，slope為變化趨勢；NDVIm為第m年的NDVI值；n為研究時序。當slope>0時，表明NDVI呈增加趨勢；反之，則表明NDVI呈下降趨勢。

趨勢的顯著性分析采用F檢驗，用以檢驗變化趨勢的可信度：

(3)

2.2.3 NDVI變化的判定與分級

為定量分析寧夏中南部流域1989—2019年NDVI的空間變化特征，結合逐像元NDVI趨勢分析法，得出各個流域植被不同等級的像元個數。根據顯著性檢驗結果，將變化趨勢分為6個等級：極顯著改善、顯著改善、不顯著改善、極顯著退化、顯著退化和不顯著退化[23]，如表2所示。

表2 NDVI變化程度分級標準

2.2.4 相關系數

為了揭示寧夏中南部流域植被覆蓋變化對降水的響應密切程度，通過計算同年份的年最大值NDVI和降水時間序列之間的皮爾遜(Pearson)相關系數，同時基于像元的相關性分析，以相關系數表示流域NDVI與降水的空間相關性，計算公式為[24]：

(4)

通過t檢驗方法進行相關系數的顯著性檢驗，計算公式為：

(5)

式中，n為研究期年數；m為自變量個數。

2.2.5 NDVI與年降水相關程度等級劃分

為定量分析寧夏中南部流域NDVI與降水在空間上的相關程度，根據相關系數和顯著性檢驗結果，將相關程度分為6個等級：極顯著正相關、顯著正相關、不顯著正相關、極顯著負相關、顯著負相關和不顯負相關，如表3所示。

表3 NDVI與降水的相關性判定

3 結果分析

3.1 降水年際變化趨勢

寧夏中南部流域1989—2019年年降水量變化如圖4所示。1989—2019年寧夏中南部清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域多年平均降水量分別為352.92，305.22，451.0，462.89 mm，4個流域的降水量迥異，空間分布不均衡?？嗨恿饔蚨嗄昶骄邓孔钌?，主要是由于該流域地處寧夏中南部干旱區，受大陸西風的影響，呈現大陸性氣候特征。從擬合方程的斜率可以看出，苦水河流域降水量呈現不顯著波動下降趨勢，下降速率為0.589 mm/a，其他流域降水隨年際呈現不顯著上升趨勢。葫蘆河流域的年降水量增速最大，為2.2 mm/a，清水河和涇河流域的降水量上升速率分別為0.34，1.48 mm/a。

圖4 寧夏中南部流域1989—2019年年降水量變化Fig.4 Variation in annual precipitation in central and southern watersheds of Ningxia from 1989 to 2019

3.2 NDVI時間演變特征

3.2.1 NDVI年際變化特征

1989—2019年，寧夏中南部4個流域NDVI的年際變化趨勢如圖5所示。在過去的31年，4個流域NDVI呈緩慢上升趨勢，涇河和葫蘆河流域上升最快，都以0.078/10a(R2分別為0.61，0.54，均通過了0.01水平的顯著性檢驗)的速率上升；苦水河流域上升速度最慢，以0.038/10a (R2=0.37，p<0.01)的速率上升；清水河流域NDVI以0.052/10a(R2=0.48，p<0.01)的速率增長。

1989—2019年4個流域的NDVI均值對比為：涇河流域(0.440)>葫蘆河流域(0.435)>清水河流域(0.297)>苦水河流域(0.245)。整體上，位于南部山區的流域植被覆蓋狀況優于位于中部干旱帶的流域。由于寧夏南部山區緯度低，且位于東南季風的迎風坡，降水多，所以植被覆蓋度高。由圖5可以看出，寧夏中南部4個流域植被覆蓋在2018年達到了近31年最好水平。值得關注的是，2002—2005年清水河流域NDVI值存在連續4年的減少過程，結合寧夏氣候及干旱數據，考慮因旱災而導致的植被覆蓋減少。

圖5 寧夏中南部流域NDVI年際變化Fig.5 Inter-annual variation of NDVI in central and southern Ningxia watersheds

3.2.2 植被生長期/非生長期NDVI變化

在植被不同的生長期，植被覆蓋度有很大的差異。在北方地區，植被生長期一般為3—10月，其他月份大部分植被處于枯死或休眠狀態，所以2個階段的NDVI有不同的變化特征。本文采用趨勢分析法分析1989—2019年研究區植被生長期(3—10月)及非植被生長期(11月—次年2月)NDVI變化趨勢，采用t檢驗法進行顯著性檢驗，各流域的變化趨勢如圖6所示。

1989—2019年植被生長期，清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域的NDVI均值分別為0.296，0.245，0.441，0.435，非植被生長期NDVI均值為0.120，0.104，0.184，0.153。植被生長期和非植被生長期NDVI都呈顯著上升趨勢。清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域植被生長期NDVI上升速率分別為0.052/10a，0.038/10a，0.052/10a，0.077/10a，序列t檢驗均為p<0.01。其中，清水河和苦水河流域的上升速率與其年NDVI上升速率相同。非植被生長期，清水河、苦水河、涇河、葫蘆河流域NDVI上升速率分別為0.03/10a，0.022/10a，0.03/10a，0.041/10a，都通過了0.01的顯著性檢驗水平，上升速率均小于其流域的年NDVI上升速率。非植被生長期NDVI的上升，考慮退耕還林常綠植被的種植在增加。

(a) 清水河流域

3.3 NDVI空間變化

寧夏中南部流域多年NDVI空間變化差異明顯，如圖7所示。清水河、葫蘆河、涇河以及葫蘆河流域NDVI呈改善趨勢的區域面積占比均超過80%，分別為96.19%，86.60%，97.21%，96.96%，如表4所示。

(a) 清水河流域

表4 NDVI變化趨勢分級統計

清水河流域內，極顯著和顯著改善區域占比為70.17%，其中極顯著改善區域(53.54%)主要分布于清水河、長沙河、莧麻河等支流沿岸，以及海原縣東部和固原市北部地區；顯著改善區域(17.17%)零散分布于整個流域；極顯著退化和顯著退化區域僅占0.69%，主要分布于流域中各城市周圍?？嗨恿饔虻貏輼O顯著改善和顯著改善占整個流域面積的50.57%，其中極顯著改善區域(38.17%)主要分布于流域的西北角以及羅山自然保護區周圍；極顯著退化和顯著退化僅占1.82%，主要沿太陽山分布；不顯著退化區域(11.59%)主要分布于羅山腳下、甜水河右岸、臭馬井子溝等支流兩岸。涇河流域的極顯著改善區域占比為72.78%，占整個流域的大多部分；顯著改善區域(9.41%)分布于隆德縣東部地區以及涇源縣境內的暖水河、盛義河沿岸以及彭陽縣北部的小河河岸兩側；不顯著改善區域(15.02%)主要分布于六盤山、暖水河沿岸、鹽池縣東南部等地區；極顯著退化(0.36%)和顯著退化(0.16%)區域占比很小，主要分布在流域內的城市周圍；不顯著退化區域(2.27%)沿小勾峽、二龍河、禿井溝武家溝等河流分布。葫蘆河流域內，極顯著改善和顯著改善區域占整個流域面積的79.71%，不顯著改善區域(17.25%)主要沿葫蘆河及各個支流兩岸和六盤山附近分布；極顯著退化和顯著退化區域(0.75%)主要分布于西吉縣、隆德縣等城市周圍。

上述結果表明，寧夏中南部流域植被覆蓋總體呈現北少南多的趨勢，退化區主要分布于北部地勢起伏相對較大的地區、河岸兩側(苦水河、涇河和葫蘆河流域)以及大城市所在地區；改善區主要分布于羅山自然保護區以及六盤山所在地區、清水河流域內的河岸兩側。

退耕還林還草、自然保護區的建立等是植被覆蓋顯著改善的重要因素，氣候暖濕化則是流域生態改善的重要基礎性因素。

3.4 NDVI對降水的響應

3.4.1 時間尺度相關性

寧夏中南部流域1989—2019年NDVI年均值與年降水顯著相關，如圖8所示，即隨著降水的增加，NDVI呈增加趨勢。4個流域的NDVI隨降水的增長率大小依次為清水河流域(0.07/100 mm)>涇河流域(0.05/100 mm)=葫蘆河流域(0.05/100 mm)>苦水河流域(0.04/100 mm)，均通過0.05顯著性水平檢驗。

由圖8可以看出，4個流域植被覆蓋與降水量整體上均為正相關關系，相關系數在0.391～0.565，屬中等程度相關。其中，清水河流域年NDVI與年降水相關性最好，說明植被與降水關系緊密，尤其在西北干旱、半干旱地區。

(a) 清水河流域

3.4.2 空間尺度相關性

為進一步分析寧夏中南部流域NDVI與年降水空間的關系，本文對其進行逐像元相關分析，得到流域NDVI與降水的相關系數空間分布，如圖9所示，相關性分級統計如表5所示。

(a) 清水河流域

表5 NDVI與降水相關性分級統計

清水河流域NDVI與年降水的相關系數范圍為-0.57～0.86，NDVI與年降水呈正相關的區域占清水河流域總面積的96.55%，分布在流域大部分區域。NDVI與年降水呈負相關的區域僅占流域總面積的3.45%，主要分布在海原縣周圍以及流域內河岸兩側?？嗨恿饔騈DVI與年降水的相關系數范圍為-0.52～0.79，NDVI與年降水呈正相關的區域占苦水河流域總面積的94.02%，分布在流域南部地區，且在羅山自然保護區周圍更為顯著。NDVI與年降水呈負相關的區域占流域總面積的5.98%，主要集中在吳忠市利通區周圍以及河岸兩側。

涇河流域NDVI與年降水的相關系數范圍為-0.54～0.80，NDVI與年降水呈正相關的區域占涇河流域總面積的97.13%，呈負相關的區域僅占流域的2.87，主要分布于城市周圍；葫蘆河流域NDVI與年降水的相關系數范圍為-0.618～0.73，空間差異性顯著，呈正相關的區域占流域總面積的94.91%，其中92.18%的區域呈現不顯著正相關，散布于整個流域。呈負相關的區域僅占流域的4.91%，主要沿河岸兩側分布?？傮w上，寧夏中南部流域NDVI與年降水呈正相關的區域占流域總面積的比例較大。降水對植被的生長和變化具有不可忽視的作用[25]，干旱、半干旱區域制約植被生長的因子主要為水分，近31年來寧夏中南部流域降水量的增加，是促進植被生長的因素之一。

3.4.3 年NDVI與降水的動態關系

為了進一步分析研究區域NDVI與降水時間上的動態響應變化，將年NDVI及歸一化后的降水值做聯合對比分析，如圖10所示?？梢钥闯?，1989—2019年降水與NDVI的變化趨勢吻合較好。

通過分段擬合分析，發現近31年的寧夏中南部流域NDVI變化可分為2個階段：①1989—2002年，清水河、涇河以及葫蘆河流域NDVI呈不顯著增加趨勢，增速分別為0.027/10a，0.023/10a，0.079/10a，苦水河流域NDVI呈不顯著減少趨勢，減少速率為0.003/10a。在該時間段內，降水呈不顯著減少趨勢，在這種背景下，NDVI有所增加，說明降水對植被生長的影響有一定的滯后性[26]，同時也與從1978年開始的國家三北防護林工程大規模植樹造林活動有關。② 2003—2019年，NDVI增速明顯大于前一期，4個流域均呈顯著增加趨勢，增速大小依次為涇河流域(0.016 3/a)、葫蘆河流域(0.014 9/a)、清水河流域(0.012 8/a)和苦水河流域(0.010 3/a)。該階段初期，流域降水均處于逐漸增加趨勢，NDVI出現上升趨勢。同時與寧夏從2000年以來實施大面積退耕還林(還草)、封山禁牧等工程有關。該政策的實施，大幅度提升了寧夏的植被覆蓋度，極大地改善了整個寧夏的生態環境狀況。不同時間段NDVI及降水增速統計如表6所示。

(a) 清水河流域

表6 不同時間段的NDVI及降水增速統計

4 結束語

本文基于1989—2019年NDVI和降水數據，利用線性回歸分析和相關分析對寧夏中南部流域的清水河、苦水河、涇河和葫蘆河流域植被覆蓋的時空演變特征以及其對降水的響應進行了分析，主要研究結論如下：

① 從時間上看，近31年寧夏中南部流域NDVI均呈顯著增長趨勢，且植被生長期的NDVI增長速率遠大于非植被生長期。1989—2019年，4個流域NDVI與降水主要以正相關為主，清水河流域NDVI與降水的相關性系數最大，為0.565；2003—2019年，4個流域NDVI均隨降水的不顯著增加呈顯著上升趨勢，說明流域NDVI的顯著增加，除了與降水有關，還響應了其他氣候因素以及區域生態環境調控政策等多種因素的變化。

② 從空間上看，寧夏中南部流域植被覆蓋呈改善趨勢的面積在增大，涇河流域為97.21%，苦水河流域為86.60%，葫蘆河流域為96.96%，清水河流域為96.19%。NDVI和降水呈極顯著和顯著正相關區域面積占比為：清水河流域69.69%、涇河流域50.7%、苦水河流域44.9%、葫蘆河流域2.91%。葫蘆河流域內，呈不顯著正相關的區域達92.18%，而極顯著和顯著正相關的區域僅為2.91%，說明在該流域內，降水量的變化還不足以完全解釋流域植被覆蓋的增長。

本研究采用的NDVI數據時間序列長，可以較好地反映植被在時空尺度上的變化，但未進行NDVI年內變化研究，有待進一步完善。NDVI作為流域植被覆蓋監測的有效表征指標，降水并不能唯一、全面地解釋其變化特征，需進一步結合其他氣候因素，實地調查、政策調控等資料，研究人類活動日益趨強過程對植被覆蓋的影響。