泾河上游植被覆盖动态及其与降水径流的关系

李巧玲，王荣克，董小涛，黄鹏年，顾玮琪

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海200434；3.水利部综合事业局，北京100053)

泾河上游植被覆盖动态及其与降水径流的关系

李巧玲1，王荣克2，董小涛3，黄鹏年1，顾玮琪1

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海200434；3.水利部综合事业局，北京100053)

采用Mann-Kendall法、双累积曲线法和二维视图技术分析泾河三关口以上流域1982年～2006年植被动态、降水及径流变化，研究植被与降水径流的关系。结果表明，降水量呈下降趋势，流域逐年植被覆盖从20世纪90年代中后期呈下降趋势，均不显著；径流量呈显著下降趋势，且在1995年出现突变。植被与降水的关系不太密切，而植被类型改变对径流减少的作用不可忽视。

植被覆盖动态；归一化植被指数；降水；径流；泾河上游

0 引 言

归一化植被指数(Normalized difference vegetation index， NDVI)与植被绿色叶片生物量、植物光合作用能力及植被的生产力有很好的对应关系， 其变化在一定程度上能代表地表覆被变化[1- 3]。在各种NDVI数据中， AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer,先进甚高分辨率辐射仪，是装载在美国国家海洋大气局的第三代实用气象观测卫星上的主要传感器) NDVI有20多年的数据积累，在植被的长期监测和研究中具有不可替代的优势。目前，NDVI与降水、气温等气候变量的相关性研究已取得一定进展，NDVI与径流的关系研究还比较少[4]。

泾河为黄河的二级支流，黄河十大水系之一，流经宁夏、甘肃、陕西三省(区)，流域面积为 45 421 km2，是亚洲夏季风可影响到的内陆地域。流域南部年平均降水500 mm 以上，属于冷温带半湿润区。颉河是泾河一级支流，位于黄土高原西部宁(夏)南山区，变化环境下流域水土流失、水资源短缺等问题越来越突出，已成为制约经济社会发展的重要因素。三关口水文站是颉河控制站。采用长序列GIMMS(Global Inventor Modeling and Mapping Studies美国航空航天局(NASA)全球监测与模型研究组)/ NDVI数据，选取三关口以上流域作为研究区域，从流域尺度上研究过去25年间(1982年～2006年)植被动态变化及其与降水、径流的关系，探讨植被变化对径流的影响，对于水资源管理及生态环境治理具有重要的理论与现实意义[5]。

1 研究区概况

三关口水文站是六盘山东侧半湿润石山林区代表站。泾河三关口以上流域地处宁夏泾源县内，流域面积为 218 km2，多年平均降水量为540 mm。流域内有大湾、瓦亭、什子等雨量站(图略)。流域上游森林植被覆盖率高，调蓄作用大，降雨季节变化明显，7月～10月的径流量占年径流量的一半以上。冬季降水量较少，径流主要靠地下水补给。多年平均径流量(1970年～2007年)2 410万m3。

2 数据与方法

2.1 数据的来源与处理

植被数据来自GIMMS发布的 GIMMS/NDVI 1982年～2006年的NDVI数据， 时间分辨率为15 d， 空间分辨率为8 km×8 km[6]。先提取计算三关口以上流域范围内每半月的NDVI累计值，对一年内每月的NDVI累计值求算术平均，再求和得流域逐年的NDVI累计值。研究表明[7]，逐年的NDVI累计值与生物量高度相关，可以用来表征植被的年际变化。水文气象数据包括1970年～2007年三关口以上流域各雨量站点的逐日降水量及三关口逐日径流量，来源于宁夏水文水资源勘测局。流域面平均雨量采用算术平均法进行计算。

2.2 Mann-Kendall方法

采用Mann-Kendall法(非参数检验法)分析逐年NDVI累计值、降水量与径流量的年际变化趋势与突变点。该方法应用广泛[8- 9]，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。即，对具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列Sk；在时间序列随机独立的假定下，定义统计量

(1)

(2)

其中，UF1=0,ri,E(Sk),Var(Sk)由下列各式计算

(3)

E(Si)=i(i-1)/4

(4)

Var(Si)=i(i-1)(2i+5)/72

(5)

按时间序x的逆序xn,xn-1,…,x1，重复上述过程，重新计算UFi同时使UBi=-UFi,i=n,n-1,…,1。绘制UFi和UBi两条曲线，若UFi或UBi的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。如果这两条曲线在临界线之间出现交点，且序列存在显著变化趋势，则该交点就是系列的突变点。

2.3 双累积曲线方法

采用双累积曲线方法分析降水径流累积关系出现突变的时间，在直角坐标系中绘制1970年～2007年降水连续累积值与径流连续累积值的关系线。该方法用于长期演变趋势分析具有简单和直观的特点，应用也很广泛[10]。如果双积累曲线的斜率发生突变，则表示两个变量之间的比值(常数)发生了改变，或者该比值可能不是常数。如果可以忽略比值是变量的可能性，那么斜率发生突变点所对应的年份就是两个变量累积关系出现突变的时间[10- 11]。

3 结果与分析

3.1 年降水、NDVI及径流序列分析

利用Mann-Kendall方法对三关口以上流域1982年～2006年逐年NDVI累计值及1970年～2007年逐年降水和径流序列进行分析，显著性检验(α=0.05)，结果如图1所示。对于降水、NDVI和径流资料都可以利用的时期(1982年～2006年)，年径流量呈现下降趋势，且减少趋势显著，突变点(UF与UB的交点)发生在1995年，其中最大年径流量为4 998万m3，出现在1992年，之后年径流均未超过3 000万m3；年降水量有波动，整体上也呈现下降趋势，但不显著；逐年NDVI累计值呈微弱的增加趋势，之后呈微弱的下降趋势，但不显著，表明植被覆盖变化趋势不显著。

3.2 降水、NDVI及径流逐月变化特征

将时间序列数据以二维矩阵[月×年]表示，然后将二维矩阵以图的形式表达。为了增强图形的表达效果，采用插值方法(线性、平方和对数等)对每个点(或栅格)进行处理，并画出等值线(见图2)，其中NDVI累计值是实际值放大100倍的结果。

图1 1982年～2006年逐年NDVI累计值、1970年～2007年逐年降水和径流序列MK检验结果

图2 1982年～2006年NDVI累计值、降水和径流量的二维视

由图2可以看出，流域NDVI累计值的最大值出现在7月～8月，其中1990年7月达最大值613(无量纲)，并从1997年开始呈现减少的趋势，表明7月～8月植被覆盖略有下降；最小值出现在1～3月，这些月份植被覆盖变化微弱，1984年2月份NDVI累计值仅为142。降水量最大值出现在8月～9月，其中1992年8月最大，达315.9 mm；最小值出现在12月～次年3月，整月无降水的现象时有发生。径流量最大值大多出现在8月～9月，有些年份出现在10月，例如2003年，其中1992年8月的径流量达2 563万m3；最小值出现在1月～3月，其中1998年1月的径流量仅为56万m3。

3.3 降水、NDVI及径流的关系

由图2及Mann-Kendall检验结果知，1982年～2006年，NDVI累计值与降水关系不太密切，植被受降水的影响不太大。可能主要是因为流域上游森林植被覆盖率高，森林的根系发达可以获取大量的水分，所以受到降水短缺的影响不会明显体现。

在这段时期内，NDVI累计值、降水的长期变化趋势均不显著；而径流量下降趋势显著，且发生了突变。进一步分析降水径流双累积曲线(见图3)发现，该累积关系在1995年左右发生突变，1995年前双累积线坡度较缓，斜率仅为4.26；1995年后双累积线坡度较陡，斜率达6.75。这表明同样的降水条件下，1995年后的年产流量小于1995年前的年产流量。1995年前后两条拟合线精度都较高，1995年前相关系数为0.997 6，1995年后相关系数为0.998 4，说明降水-径流关系在1995年前后确实发生了较大变化。

图3 三关口以上流域降水-径流深双累积曲线

植被覆盖变化较大的时期与径流显著变化的时期大致相同(20世纪90年代中后期)。这可能主要是因为垦荒、乱挖滥伐，使植被遭到破坏，植被类型从林地转化为草地和农作物；再加上干旱，植被需水量增加；进而导致径流量减少。虽然从2000年开始实施退耕还林还草工程，主要栽种了落叶松、山杏、山桃和刺槐等树种[12]；但就落叶松而言，成材至少需要12～15 a，生长缓慢，植被质量不会马上提高。

4 结 语

本文基于GIMMS/NDVI数据和水文气象数据，采用Mann-Kendall法、双累积曲线法和二维视图技术研究了三关口以上流域1982年～2006年植被覆盖动态变化及其与降水径流的关系。结果表明：年降水量呈现减少趋势，植被在20世纪90年代中后期呈现减少的趋势，但均不显著；径流量呈现显著下降趋势；植被与降水之间的关系不太密切；降水量变化是径流量变化的一个重要影响因素，植被变化对径流量变化也起着重要作用。植被类型的改变在径流量的减少中扮演着重要的角色，在径流量的模拟与预报中不可忽视。需要指出的是，本文关于植被与降水径流关系的分析多为定性分析，然而受土壤类型，地形地貌特征，植被类型及空间分布等多种因素的影响，三者之间的关系十分复杂。进一步探讨变化环境下三者之间的定量关系，探讨其物理成因，具有重要的理论和现实意义。

[1]陈操操， 谢高地， 甄霖， 等. 泾河流域植被覆盖动态变化特征及其与降雨的关系[J]. 生态学报， 2008， 28(3)： 925- 938．

[2]齐清， 王天明， 寇晓军， 等. 泾河流域植被覆盖时空演变及其与降水的关系[J]. 植物生态学报， 2009， 33(2)： 246- 253．

[3]AGUILARA C， ZINNERTB J C， POLOA M J， et al. NDVI as an indicator for changes in water availability to woody vegetation[J]. Ecological Indicators， 2012， 23： 290- 300．

[4]FU B， BURGHER I. Riparian vegetation NDVI dynamics and its relationship with climate， surface water and groundwater[J]. Journal of Arid Environments， 2015， 113： 59- 68．

[5]康玲玲， 魏义长， 李莉， 等. 多沙粗沙区林草植被建设对径流影响初析[J]. 水力发电， 2008， 34(11)： 31- 34．

[6]TUCKER C J， PINZON J E， BROWN M E， et al. An extended AVHRR 8-km NDVI dataset compatible with MODIS and SPOT vegetation NDVI data[J]. International Journal of Remote Sensing， 2005， 26： 4485- 4498．

[7]BOX E O， HOLBEN B N， KALB V. Accuracy of the AVHRR vegetation index as a predictor of biomass， primary productivity and net CO2 flux[J]. Vegetation， 1989， 80： 71- 89.

[8]张利茹， 张建云， 刘九夫， 等. 近50年中国不同气候区典型流域降雨径流变化趋势[J]. 水力发电， 2011， 37(10)： 14- 17．

[9]BAO Z， ZHANG J， WANG G， et al. Attribution for decreasing streamflow of the Haihe River basin， northern China： Climate variability or human activities？[J]. Journal of Hydrology， 2012， 460- 461： 117- 129.

[10]穆兴民， 张秀勤， 高鹏， 等. 双累积曲线方法理论及在水文气象领域应用中应注意的问题[J]， 2010， 30(4)： 47- 51．

[11]SEARCY J K， HARDISON C H. Double-mass Curves[M]. U. S. Geological Survey Water Supply Paper， 1960， 1541- B．

[12]陈金莲， 顾斌， 者金付. 对泾源县发展退耕还林后续产业的思考[J]. 宁夏林业通讯， 2006， 3： 33- 34．

(责任编辑 陈 萍)

Vegetation Dynamics and Its Relationship with Precipitation and Runoff in Upper Jinghe River Basin

LI Qiaoling1， WANG Rongke2， DONG Xiaotao3， HUANG Pengnian1， GU Weiqi1

(1. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， Jiangsu， China;2. Shanghai Investigation， Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434， China;3. Bureau of Comprehensive Development， Ministry of Water Resources， Beijing 100053， China)

The Mann-Kendall method， Double Mass Curve method and 2D visualization technique are employed to investigate the vegetation dynamics， precipitation and runoff trend， and the relationships between them in upper Jinghe River Basin between 1982 to 2006. The results show that a decreasing trend for annual precipitation during the whole available period and a decreasing trend for annual vegetation since the mid and late 1990s are both trends being not significant， the decreasing trend for annual runoff is significant and the break point of annual runoff is detected in 1995. The vegetation has no close relationship with precipitation in the basin， but it is not negligible to consider the impact of vegetation type changes on runoff reduction．

vegetation dynamics; NDVI; precipitation; runoff; upper Jinghe River Basin

2015- 01- 05

国家自然科学基金资助项目(41201028，41130639)

李巧玲(1982—)，女，河南许昌人，讲师，博士，主要从事流域水文模拟及预报、流域水文过程对气候变化的响应研究．

TV121；X171

A

0559- 9342(2015)11- 0021- 03