基于VCI的1999-2019年贵州省农业干旱演变特征

2023-05-25张媛媛

河南水利与南水北调 2023年4期

张媛媛

（河南省三门峡水文水资源测报分中心，河南三门峡 472000）

0 引言

干旱是从古至今人类面临的主要自然灾害之一，即使在当今先进的科学技术中，其影响依然是较为广泛和深刻的。干旱具有持续时间长、影响程度大的特点，对中国农业可持续发展造成了较大不利影响。与气象干旱不同，农业干旱不是以降水量等气象指标为特征，而是以土壤水含量和植物生长状态为特征，并将此反映在植被状态指数VCI上。由于贵州省特殊的喀斯特地貌特征，导致农业干旱对于贵州省的影响很大，因此，有必要准确研究农业干旱的时空变化规律。近年来，随着遥感技术的大力发展，基于遥感的干旱监测也在迅速发展，关于植被覆盖的干旱监测指数被用于研究地表植被的覆盖度和生长状况。文章以植被状态指数VCI 表征农业干旱，探究了贵州省1999 年1 月至2019 年12 月农业干旱的分布情况，以期为该地区的农业干旱监测预报提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区域与数据

贵州省位于副热带东亚大陆的季风区内，全省各地多年平均年降水量大部分地区在1 100～1 300 mm 之间，最多值接近1 600 mm，最少值约为850 mm；就全省大部分地区而言，7月平均气温为22 ℃～25 ℃，1 月平均气温为4 ℃～6 ℃。研究数据主要选取1999年1月至2019年12月植被指数VCI空间分布数据，以及贵州省边界的矢量数据，数据集空间分辨率为1 km，时间分辨率为月尺度。该月度植被指数数据集已经经过了去除云、大气和太阳高度角等产生的影响，有效地反映了贵州省在空间和时间尺度上的植被覆盖分布和变化状况，从而能够准确反映出植被水分亏缺对农业干旱的影响。

1.2 方法

1.2.1 植被状态指数VCI

植被状态指数VCI 是植被生长状态和植被覆盖度的指示因子，可以很好地反映地表植被的覆盖率，VCI 越高则表明地表植被的覆盖程度越好，干旱程度越低。VCI能够反映土壤条件、水分状况对植被的影响，可以通过归一化植被指数NDVI多年的最大值、最小值以及平均值计算得到。

1.2.2 Mann-Kendall趋势检验方法

Mann-Kendall趋势检验方法是一种非参数检验方法，它是在假设一个独立的随机性时间序列前提下进行的，可有效区别一个时间序列的过程是按照自然波动还是遵循一个特定的趋势，当经过计算得到的统计量Z值大于0时表示序列呈上升趋势，小于0时表示序列呈下降趋势。

1.2.3 基于ArcGIS 10.2软件的数据剪裁

采用ArcGIS 10.2 软件中数据管理工具的栅格处理，将中国月度1 km植被指数VCI空间分布数据集依照贵州省边界的矢量数据进行剪裁，得到21年间各月份贵州省VCI分布情况，最后分别在各月份贵州省VCI 空间分布的属性面板中获取最大值、最小值、平均值和标准差数据，得到21 年间贵州省各月VCI时序变化。

2 结果与分析

由贵州省1999-2019年各月份的VCI变化趋势，可以得到VCI 时间变化图，如图1 所示。从图中可以看得出来21 年间VCI的总体变化情况基本上趋于一致，大多都在1月、2月取得年内范围内的最低值，3-7月份期间的数值呈现出明显的上升趋势，而6月份由于粮食作物以及其他的经济作物收获，VCI值稍微有所下降。同时分析可以得到，在8月份数值取得年内范围内的最大值，9、10、11、12月呈现出下降趋势，并且跟第二年1 月、2 月相连接。在1999 年2 月取得多年间的最小值0.112，2016 年8 月取得多年间的最大值0.789，总体上VCI 均值位于0.1-0.9 之间。Mann-Kendall 趋势检验结果表明统计量Z 值为0.34，与VCI的大体上升趋势保持一致。

图1 贵州省1999-2019年VCI时间变化图

根据1999-2019 年的VCI 月值，利用ArcGIS 软件工具箱ArcToolbox-SpaticalAnalyst-局部分析-像元统计数据进行相关计算，得到21 年期间各月的平均VCI 数值以及分布图，如图2所示。然后提取出来相关数据的趋势，进而分析年内VCI变化情况以及各月份的VCI数值及其空间分布图的情况，并进行干旱情况的总结。1999-2019年贵州省VCI月度最大值整体呈现出水平直线，范围维持在0.899-0.93 之间；最小值在0.000-0.068 之间；至于平均值的分布大致呈现成单峰分布，波动较大，月值在0.336-0.735 之间波动。1 月-2 月曲线呈较快下降的趋势，VCI 值波动范围在0.335-0.634之间，一年中最低值大都在此分布。由于这个时期正好处于冬季，随着温度逐渐降低，越来越多的植物落叶进入休眠状态，总体上平均的VCI 值处于一种下降的态势。从4 月份开始，进入春季，随着大地回暖，越来越多的植物开始复苏并且进行繁殖生长，由于植被进入生长期以及随着春天天然降雨量的增大，与此同时加上人工的灌水量及灌溉次数的增多，农业干旱情况得到初步的缓解。4月-6月VCI数值呈现持续的上升，并在7月到8月进入雨季，降水量迅速增加，植被长势良好，VCI 值达到每年的峰值0.735。11 月VCI 值年度最大值为0.735，然后11 月至12 月植物受到冬季天气的影响，VCI 数值又开始逐渐下降，总体上呈现出干旱情况。

图2 贵州省月度VCI时序变化图

图3为贵州省春季、夏季、秋季与冬季VCI时间变化图，春季，21年期间各年VCI平均值大都维持在0.47-0.61，多年期间的平均值变化整体上趋于波动上升，2016 年、2018 年、2019 年VCI均值大于0.6，从整体看21年期间VCI数值稳中有增，逐年增加。夏季，平均VCI整体上相较于其他季度处于一种较高的水平，从1999 年至2008 年呈现稳步上升的形势，2009 年到2010 年出现下降，之后到2019 年整体呈现出一种波动式上升的态势，2009 年到2013 年波动最明显，并且在2014 年往后达到最大值0.899。秋季，VCI平均值大致范围在0.53-0.72之间，上升趋势大体上为波动性上升，整体上的波动较为平缓，1999年-2007 年这9 年的VCI 数值在0.61 左右徘徊，2007 年之后到2019年呈现一定小范围的波动，2011-2015年又再次出现平稳期，之后一直到2019 年呈现出波动式上升的态势。在2001、2009、2011、2015、2018年处在短期波动的低处，2002年至2007年整体上位于0.59 附近，2011 年至2015 年整体上位于0.64 附近。冬季，VCI平均值在0.26-0.49之间反复变化，21年的数值曲线呈现出波动式起伏，在2000 年取得21 年间最小值0.26，2017年取得最大值0.49。