近22年民勤地区植被变化的时空特征及其驱动因素
2023-02-25高钰婷石丽荣
周 蕊，高钰婷，石丽荣，范 铭
(1.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730000；2.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000)
荒漠化是指气候变化和人类活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化[1]。我国的荒漠、荒漠化土地面积共计超过240万km2，占总面积的25%以上[2]，其中西北地区土地荒漠化问题尤为严重。荒漠化导致土壤侵蚀、植被覆盖减少以及沙尘暴频繁发生，严重影响当地经济发展和人类生存环境[3]，我国每年由于荒漠化损失近540亿元[4]，因此荒漠化一直以来是我国最严重的生态环境和社会经济问题之一[5-6]。
植被作为陆地生态系统主要组成部分，联系并沟通了各大圈层[7]，因此植被在一定程度上能够指示区域生态环境的变化[8-9]。目前，遥感技术已成为监测植被动态变化的重要手段[6,10]，包括一系列植被指数和高清卫星影像等方式，其中归一化植被指数(normalized different vegetation index,NDVI)常被用来指示植被覆盖变化，被广泛运用于监测植被动态变化[11-13]。目前针对不同的传感器，发展得到了多种NDVI数据集，其中SPOT-VGT (SPOT VEGETATION) NDVI时间序列最长，能满足植被动态变化长期监测研究的需求，且在空间分辨率、光谱分辨率和几何纠正等方面具有优势[14]，使用SPOT NDVI数据集对于提高植被长期动态监测的准确性具有重要意义。截至目前，很多学者已经使用归一化植被指数研究了多数地区的植被覆盖现状，例如潘霞等[15]采用2000—2016年植被生长季的NDVI数据对阿拉善盟地区的荒漠动态程度进行反演和评价；康文平等[16]通过对2000—2013年柴达木盆地NDVI数据分析发现气温、降水和潜在蒸散量均与NDVI呈正相关。
民勤绿洲位于石羊河流域下游，是石羊河延伸到腾格里沙漠和巴丹吉林两大沙漠之间的非地带性景观，具有十分重要的生态屏障作用[17]。在自然条件方面，民勤县由于深处大陆腹地，受控于大陆性温带干旱气候和青藏高原气候的双重影响，水热条件分布不均，成为我国河西区域荒漠化最严重的地区之一[18]。在人类活动方面，从20世纪70年代开始，由于石羊河中上游用水量的增加，导致下游绿洲的水量逐年减少；同时由于下游过度开挖机井、开采地下水灌溉农田，从而导致民勤绿洲地下水位下降、绿洲萎缩、土地盐渍化、沙漠化等一系列严重的生态系统问题。因此，明确民勤地区荒漠化的原因和驱动机制是有效开展荒漠化防治的基础和关键。已有学者基于Landsat卫星系列遥感影像和MODIS植被指数产品MOD13进行了民勤绿洲的植被变化及其成因的相关研究。如马倩倩等[19]利用2002—2012年 MODIS-NDVI数据产品，分析认为泛河西地区植被覆盖变化总体呈增加趋势，植被变化对降水的敏感性高于气温。滑永春等[20]利用 Landsat TM/OLI数据，分析了2001—2014年甘肃民勤县植被变化，认为中高覆盖度的植被面积呈扩大趋势，而低覆盖度的植被面积呈减少趋势，民勤县生态环境改善显著。但是以往的研究往往将全域植被覆盖度的年均值作为指标来进行探讨年际变化，而并未考虑到在人类活动强烈的地区，荒漠戈壁区与常年植被覆盖地区的指标变化的原因可能存在明显的差异。因此，探究民勤地区的植被变化及其原因应选择将植被区域(NDVI>0.1)作为研究区进行统计和分析，才能更加明确其植被变化的原因及驱动机制。在先前研究中大多数研究认为温度和降水是影响植被变化和荒漠化的主要气候因子[21-23]。但是，近期有研究也表明风力强度对干旱和半干旱地区荒漠化发展和植被变化的影响越来越显著[24-26]。笔者对民勤地区1998—2020年植被覆盖区域NDVI的动态变化进行监测，揭示近22年民勤县荒漠化过程及变化规律；探索荒漠化过程对气候变化与水循环的反馈机制，增加对风力和有效湿度这2个气候因子与植被变化的分析；在此基础上，对该地区水土保持和生态恢复的管理和利用策略进行探讨，以期为该地区绿洲的保护与开发以及可持续发展提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 研究区概况甘肃民勤绿洲(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，我国第二大沙漠巴丹吉林沙漠和第三大沙漠腾格里沙漠之间(图1)，东西长约206 km，南北宽约156 km，总面积约1.59万km2[27]。沙漠和荒漠化面积约占90%，绿洲面积仅占10%，是全国受荒漠化危害最严重的地区之一。
图1 民勤地区地理位置Fig.1 Geographical location of Minqin region
民勤地区东、北、南3面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠所包围，其气候特征主要是以大陆性沙漠气候为主。全年气候干旱少雨，多年平均降水量约为 110 mm，年日照时数长，积温高，蒸发旺盛，潜在年蒸发量可达 2 644 mm，是年降水量的 24 倍以上。民勤地区大风天气较多，风沙活动强烈。受自然因素的影响，该区域自然灾害频发，对人类活动影响较大。
1.2 数据来源及预处理
1.2.1NDVI数据。该研究选取的SPOT-VGT NDVI数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)提供下载的“中国长时间序列植被指数( NDVI) 空间分布数据集”，是通过最大值合成法生成的1998—2019年的月度植被指数数据集，时间分辨率为1 d，空间分辨率为1 km，被广泛运用于植被和生态环境的研究[28-30]。该研究对SPOT-VGT NDVI数据集进行格式转换、掩膜提取等预处理，得到了民勤地区NDVI数据集。
民勤地区植被生长最茂盛的时段在盛夏，最能反映植被生长状况。因此该研究基于SPOT-VGT NDVI数据集计算了1998—2019年民勤地区生长季(6—9月)NDVI月均值，得出6—9月NDVI月均值分别为0.215 8、0.244 2、0.233 2、0.199 3，可见近22年民勤地区NDVI月均值最高值出现在7月。同时，研究区7月NDVI月均值与其生长季(6—9月)NDVI呈显著正相关(图2)，这表明7月NDVI月均值可以用来指示民勤地区生长季的植被生长状况。因此，该研究选择研究区域7月NDVI剔除非植被区域(多年平均NDVI<0.1的区域)后的NDVI数据指示该地区植被生长的年变化情况，并进行下一步的研究。
图2 研究区7月NDVI与生长季(6—9月)NDVI年际变化比较Fig.2 Comparison of NDVI interannual changes between July and growing season (June-September) in the study area
1.2.2气象数据。在中国气象数据网(http://data.cma.cn/)下载民勤气象站点1998—2020年的气象数据，具体包括年降水量(mm)、年平均气温(℃)、每日风速(m/s)、日平均温度(℃)、日平均湿度(%)。在干旱地区，水分对植被生长尤为重要，而水分不仅与降水相关，还受到蒸发的影响，因此对植被生长实际有效的水分需要综合考虑降水量和蒸发量的共同影响。年降水量(P)与年潜在蒸散发(PET)的比值表示有效水分(P∶PET)，对于干旱区植被生长十分重要,其中PET的计算可参考Penman-Monteith蒸散发估算公式[31]。另外，为了更好地分析风力对植被覆盖变化和荒漠化进程的影响，选取了强风频率(w)和输沙势(DP)2个指标。综上，该研究选取和计算1998—2019年民勤气象站点年降水量、年平均气温、P∶PET、w和DP共5个气候因子来探究自然要素对民勤地区植被生长的影响。
1.3 研究方法
1.3.1最大值合成法。为了进一步消除云、大气和月内物候等影响，该研究采用国际通用的最大值合成法计算区域内每个栅格每月最大NDVI值。计算公式如下：
MNDVIi=max(NDVI1,NDVI2)
(1)
式中，MNDVIi为第i月NDVI最大值，i=1,2,…,12为月序号，NDVI1为第i月上半月NDVI值，NDVI2为第i月下半月NDVI值。
1.3.2Theil-Sen Median趋势分析法。Theil-Sen Median趋势分析法又被称为Sen斜率估计，是一种稳健的非参数统计的趋势计算方法。该方法计算效率高，对测量误差和离群数据不敏感，常被用于长时间序列数据的趋势分析。具体计算公式如下：
(2)
式中，i为第i年，j为第j年，j>i;NDVIi和NDVIj分别代表像元第i年和第j年的NDVI值；β表示NDVI变化趋势，当β>0，表明研究时段内NDVI呈增加趋势，植被覆盖增加；反之NDVI呈减少趋势，植被覆盖减少。
1.3.3Mann-Kendall显著性检验法。Mann-Kendall显著性检验法能较好地检验时间序列的变化趋势，在气象、水文等研究中取得成功应用，相对于其他检验方法而言，其优点在于样本不需要按一定顺序排列，也不受异常值的影响，因此利用Mann-Kendall非参数检验法对NDVI变化的显著性进行检验，计算公式如下：
(3)
(4)
(5)
(6)
式中，1≤i
将Theil-Sen Median趋势分析和Mann-Kendall显著性检验的结果相结合，能有效地反映NDVI空间变化特征，具体划分标准如表1所示。
表1 NDVI空间变化特征划分标准Table 1 Classification criteria of NDVI spatial change characteristics
1.3.4气象因子的计算。为了计算有效水分P∶PET中的潜在蒸散发，该研究采用世界粮农组织(FAO)提出的修正Penman-Monteith方程，具体公式如下：
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
Rso=(0.75+2×10-5z)Rs
(13)
式中，ET0为潜在蒸散发(mm/d)；γ为干湿表常数(kPa/℃)；T为日平均温度(℃)；u2是2 m高度的风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；Rn为净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；u10为10 m高度处的风速(m/s)；Tmax、Tmin分别为24 h间的最高或最低绝对温度(K)；Rh为相对湿度(%)；Tmean为24 h间的平均绝对温度(K)；Rs为太阳辐射[MJ/(m2·d)]；α为反照率系数，取0.23；n为实际日照时数(h)；N为日照时数或白天时数的最大可能持续时间(h)；Ra为地球外辐射[MJ/(m2·d)]；σ是StefanBoltzman常数[4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)]；as和bs采用FAO建议的取值，as=0.25，bs=0.50；Rso是晴空辐射[MJ/(m2·d)]；z是研究区的海拔(m)。
强风频率(w)表示一年中每日风速超过起沙风速的占比，由于风速只有达到起沙风速才能搬运沙粒，进而影响植被生长以及荒漠化进程，因此选用w来衡量风力的影响。该研究参考了周边地区的起沙风速，将金昌市起沙风速定为6 m/s，以此来统计一年中每日风速超过起沙风速的占比。
输沙势(DP)表示一定时间内潜在最大输沙量，是衡量风沙活动强度的重要指标，其计算公式如下：
DP=V2(V-Vt)t
(14)
式中，V为10 m高处风速(m/s);Vt为10 m高处的起沙风速(>6 m/s);t为起沙风速的累计作用时间，即达到起沙风速的时间占观测时段的比值(以百分数表示，通常观测时段以1年为周期)。输沙势(DP)在数值上以矢量单位(UV)表示。
1.3.5相关性分析。为了研究植被覆盖、气候因子之间的相互关系，利用Pearson相关系数衡量NDVI和气象数据之间的相关性，计算公式如下：
(15)
2 结果与分析
2.1 NDVI时间变化特征从图3可以看出，1998—2019年民勤地区NDVI总体呈上升趋势，植被覆盖增多，沙漠化有所改善。近22年民勤地区NDVI平均年增速0.16%，呈现小幅上升的趋势并伴随宽幅振荡，其中，1998—2001年NDVI呈下降趋势；2001—2002年NDVI呈现明显快速增长趋势；2002—2019年NDVI呈现明显振荡增长的趋势。
图3 1998—2019年民勤地区7月NDVI年际变化Fig.3 Inter annual change of NDVI in Minqin region from 1998 to 2019 in July
2.2 NDVI空间分布特征为明确民勤地区1998—2019年植被覆盖的空间变化情况，选取分析了民勤县1998和2019年的NDVI空间分布情况。从图4可以看出，民勤地区有植被覆盖的地区主要分布在县城和乡镇。从空间上而言，石羊河流域附近的县镇NDVI主要在0.4以上，其NDVI高于远离石羊河流域的昌宁乡和南湖镇；而对于绿洲外围的干旱沙漠地区，其NDVI小于0.2；沙漠与绿洲中间的过渡地带，其NDVI为0.2～0.3。因此，有径流的区域的NDVI高于没有径流补给的区域，这一结果是由于对于干旱区的植被生长，水的供给和来源是重要的影响因素之一。然而，对于没有径流补给的昌宁乡和南湖镇，其NDVI却表现出明显的高值，表明人类活动对土地的开垦和维护在一定程度上可以将沙地转化为耕地。生态移民对植被的发展起一定的促进作用。
图4 1998年(a)和2019年(b)民勤地区NDVI均值空间分布Fig.4 Spatial distribution of mean NDVI in Minqin region in 1998 (a) and 2019 (b)
从时间上来说，1998年民勤县镇内NDVI多分布于0.2～0.5，大于0.5的区域较少；除沙漠内部的红沙岗镇和南湖镇，其他县镇的NDVI都有大于0.3的区域分布。2019年，民勤县镇内NDVI明显提高，特别是南湖镇的NDVI 大于0.5的区域明显增加。由此可以大致得出近22年来民勤地区植被覆盖较好的区域面积有所增加，植被覆盖稀少的区域面积有所减少，荒漠化状况得到改善。
Theil-Sen Median趋势分析和Mann-Kendall显著性检验结果(表2)表明，1998—2019年民勤地区31.14%区域的NDVI呈增加趋势，且通过了显著性检验；16.32%区域的NDVI呈减少趋势，且通过了显著性检验；52.54%区域的NDVI变化未通过显著性检验。
表2 1998—2019年民勤地区NDVI变化趋势统计Table 2 Statistics of NDVI change trend in Minqin region from 1998 to 2019
NDVI空间变化结果(图5)表明，近22年来民勤地区约1/3的区域的NDVI呈增加趋势，主要分布在民勤县北部的西渠镇和收成乡，西部的昌宁乡，南部水库附近的重兴乡和蔡旗镇以及生态移民的地区南湖镇；少部分区域的NDVI呈减少趋势，主要分布在民勤绿洲靠近沙漠的边缘地区；近50%区域的NDVI变化不显著。
图5 1998—2019年民勤地区NDVI空间变化Fig.5 Spatial changes of NDVI in Minqin region from 1998 to 2019
2.3 气候因子变化及对NDVI的影响气象数据分析结果表明(图6)，民勤地区年平均气温在1998—2011年年际变化不大，而在2012—2016年年平均气温呈现显著上升趋势，2017—2019年年平均气温呈现下降趋势。年降水量和有效水分(P∶PET)变化一致，总体上年际起伏较大，但长期变化不显著。强风频率(w) 和输沙势(DP)整体上呈现下降趋势。
从研究区NDVI与气候因子的相关性和显著性检验分析(表3)可以看出，年平均温度、年降水量、有效水分P∶PET与该地区NDVI的相关性均未通过显著性检验。强风频率(w)和输沙势(DP)与NDVI均呈现显著负相关。由此可以发现，风力减弱是民勤地区近22年来植被覆盖增加的主要原因。这是由于在干旱地区，土壤侵蚀被认为是沙漠化的主要成因，其中风力侵蚀占主导地位，通过搬运肥沃表土而削弱土壤肥力，降低土壤持水能力，进而影响植被生长[32]。另外，潜在蒸散发会受到风力的影响，因此风力减弱会导致潜在蒸散发减少，从而使得有效水分(P∶PET)增加，更好地促进了植被生长。由此可知，风力的减弱能促进植被的生长和沙丘的稳定。
表3 NDVI与气候因子之间相关性分析Table 3 Correlation analysis between NDVI and climate factors
2.4 民勤地区荒漠化与人为因素关系从近22年来时间尺度的分析结果来看，虽然民勤地区的温带大陆性干旱多风的气候条件为该地区荒漠化提供了充分的动力基础，但自然条件下温度和降水对植被生长的影响并不显著，风力减弱是植被增长的重要自然要素。可能是由于该区域人类活动强烈，人为因素也是加速荒漠化发展和逆转荒漠化趋势的主要原因之一。Duan等[21]通过评估三北防护林项目实施地区的植被动态变化，提出当气候因子与NDVI变化相关性不显著时，人类因素可能是NDVI变化的主要原因。Chen等[33]通过研究我国北方沙漠化的背景并分析其成因，认为人类活动对我国北方沙漠化的影响大于气候的影响，人口数量的急剧增加导致了过度放牧、开垦荒地等不合理活动，加剧了北方地区沙漠化。Zhou等[34]研究指出内蒙古西部沙漠的扩张和恢复逆转均与人类活动紧密关联。相关研究建议在探讨植被变化成因时需考虑人类活动的影响[12，35]。民勤位于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠中间，是重要的沙漠化防治区域。近几十年来人类活动对其植被覆盖的变化可能产生了重要的作用，其中包括早期过度开采地下水、过度开垦等干扰活动导致的植被覆盖下降趋势，以及近22年来大型水土保持、生态恢复工程项目等的保护措施对当地植被生长起到的积极作用。
NDVI年际变化结果显示民勤地区的NDVI从1998年的0.221 2降至2001年的0.210 9(图3)，然而在1998—2001年，气候因子计算结果显示该时期气温下降，风力减弱，对于植被生长起着积极的作用(图6)。据统计，民勤县唯一的地表水补给——石羊河上游来水量从20世纪50年代的5.42×108m3减少至90年代的1.52×108m3，而到2002年上游来水量仅为0.84×108m3，在2002年前人们对于沙漠化防治没有意识，一方面为了解决水资源供需缺口大量开采地下水，打井11 000眼，年超采地下水近4.0×108m3[36]。另一方面当地居民对土地的不合理利用导致开垦耕地的同时大量已有耕地遭弃耕，人们迫于生计增加牲畜的出栏量、过度放牧对草地的承载造成压力，从而导致1998—2001年该地区植被覆盖呈急剧下降趋势。因此，该研究认为1998—2001年民勤地区植被退化的主要诱因之一是地下水资源的严重超采和土地资源的不合理利用。
图6 1998—2019年民勤地区NDVI与气候因子的年际变化Fig.6 Inter annual changes of NDVI and climate factors in Minqin region from 1998 to 2019
2001年之后，国家和地方对民勤地区荒漠化防治高度重视，颁布并实施了《防沙治沙法》，开展了一系列有效提高植被覆盖率的生态保护和恢复工程，例如严禁新垦荒地、填埋所打机井、节水灌溉、调整种植业结构、推行水权制度改革使工业、农业和生活用水定额要求、建立防风固沙林体系等，生态环境恶化趋势在这一时期得到了遏制，植被覆盖呈逐步上升趋势。2005 年石羊河流域治理应急工程启动，2006年石羊河流域综合治理项目开始实施。2007年，政府批准实施了《石羊河流域重点治理规划》政策，确定石羊河水量分配方案，采用水库蓄水，增加民勤县的储水量[37]。2006—2010年民勤地区共关闭机井3 018眼，地下水开采量由综合治理前的5×108m3减少到综合治理后的1×108m3[36]。特别明显的是青土湖的变化，青土湖于1960年干涸，2006年开始作为一个治理点进行治理，这些科学防治的策略使得生态环境改善显著，民勤盆地干涸了51年之久的青土湖连续多年人工形成了季节性水面，红崖山水库每年向青土湖进行生态用水补给，2016 年下泄 0.335 8×108m3，同时加大周边植被的治理，经过近10年的治理，2019年时形成了约21.56 km2的水面，周边植被得到滋养，生态得到改善和恢复。
与此同时，民勤县实施退耕、退牧还林还草工程，压缩耕地2.9万hm2，至2016年共完成人工造林8.2万hm2，工程压沙2.8万hm2。2006年以来绿洲人工造林数和工程压沙数逐年增多趋势，趋势率分别为0.8万和0.12万hm2/10 a[36]。在荒漠化治理方面坚持科学防治，集中治理、合理规划，推广包括“麦草沙障+落水栽植梭梭”“砾石滩地开沟+落水栽植”等在内的治沙模式，并先后在老虎口、西大河、青土湖等区域建立防沙治沙示范区，采用工程、生物治理相结合的治沙技术拓展和巩固绿洲边缘防沙固沙植被。人工造林和沙障不仅人为地增加了植被覆盖，使得民勤地区风速减弱，生态敏感的区域对风抵抗力更强，从而促进了植被的增长。对生活在生态脆弱、环境恶化地区的居民实行移民，减轻人口对生态的压力，并在适合人类居住的区域进行生态改造，如南湖镇的生态移民后，该区域植被覆盖度增长明显，生态环境得到改善(图5)。
NDVI空间变化结果表明植被的退化主要发生在绿洲的边缘地区，且占研究区的16.32%(表2)，这可能由于有效提高植被覆盖率的生态保护和恢复工程主要发生在人类居住的绿洲地区，而忽视了民勤绿洲与巴丹吉林和腾格里沙漠间缓冲区的生态环境的保护与治理。由于植被退化的区域远离石羊河流域，并不能直接受益于原有的生态保护和恢复工程。因此在之后的水保治理方面，应将该区域作为重点治理区域，并因地制宜，建议从风力的角度采取合理的适合缓冲地带的治理方式改变该区域植被覆盖情况。
3 结论
该研究利用SPOT-VGT NDVI数据集，结合气象数据和社会经济发展政策，分析近22年来民勤地区植被覆盖变化的时空特征及其驱动因子，得出以下主要结论：
(1)1998—2019年民勤地区NDVI变化总体呈上升趋势，植被覆盖增多，沙漠化有所改善。NDVI以平均年增速0.16%小幅上升并伴随宽幅振荡，空间变化上存在着明显的空间差异。
(2)自然要素与NDVI相关性分析结果表明，风力对植被覆盖度的影响显著，民勤地区的温带大陆性干旱多风的气候条件为该地区荒漠化提供了充分的动力基础，风力的减弱是1998—2019年民勤地区植被覆盖度增加的主要自然因素。
(3)地下水资源的严重超采和土地资源的不合理利用是导致1998—2001年民勤地区植被退化的主要诱因。2001年后《防沙治沙法》和《石羊河流域重点治理规划》政策的相继提出，荒漠化面积显著减少，植被覆盖度显著增加。但绿洲与沙漠间的缓冲地带植被出现退化现象，应在之后的治理工作中作为重点治理区域，并建议从风力的角度进行解决植被退化问题。
