1981—2017年黄河流域内蒙古段气候及植被生态变化状况

桑婧

（内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

关键字 黄河流域内蒙古段；NDVI；气候变化；Mann-Kendall检验

引言

植被泛指地球表面某一区域所覆盖的植物群落，是生态系统的重要组成部分之一，连接了大气、土壤和水，在圈层间物质循环和能量、信息传递中起到了沟通的作用[1]。在全球范围内，植被在保持土壤水分、调节大气气候、维稳生态环境等方面具有不可忽视的作用。植被归一化指数（NDVI）与植物的生物量和叶面积指数有相对较好的相关关系，随着遥感技术的发展，目前NDVI被广泛地应用于水土保持和生态环境的研究中，可以代表地面植被覆盖程度的变化[2]。NOAA/AVHHRR和SPOT数据具有覆盖范围广，分辨率高且获取方便的优势，因此适合作为数据源研究长时间序列NDVI变化[3]。

黄河流域地理位置和气候条件较为特殊，加之频繁的人类活动，流域内水土流失严重导致黄河流域生态环境十分脆弱，研究黄河流域内植被覆盖的变化对保护黄河流域生态环境具有重要意义[4-5]。新中国以来，我国在黄河流域植被覆盖变化领域做了大量的研究工作，得到了许多有意义的结论。袁丽华等[3]利用2000—2010 年的MODI3QI数据研究了黄河流域植被覆盖区域的NDVI时空变化特征，结果发现，2000—2010 年间黄河流域NDVI年值呈现出西部和东南部高，均值在0.3~0.4之间，黄河流域植被改善的区域远远大于退化的区域。贺振等[2]利用GIMMS-NDVI数据分析了1982—2013黄河流域植被覆盖时空演化趋势，发现，黄河流域植被覆盖增长较为缓慢，增速为每10 年增长0.018，32 年间黄河流域植被覆盖整体得到改善，得到改善的区域约为59.49%。田智慧等[6]基于MOD17A3 NPP数据及气象和土地利用数据分析了2000—2015年植被NPP变化，结果表明，上、中、下游植被NPP年均值呈明显的梯度分布，即上游＜中游＜下游，说明中上游区域生态环境比较脆弱，且中上游植被NPP总量占整个流域的96%，可见中上游生态环境对整个黄河流域生态环境的影响较大，故加强对中上游流域生态环境保护和改善至关重要。郭帅等[7]基于GIMMS NDVI分析了黄河流域NDVI的时空变化，发现，1982—2015年黄河流域及上游、中游NDVI均呈现显著线性增加的趋势，中游的增速最快，显著增加的区域面积也最大。

综上所述，虽然前人对黄河流域植被覆盖变化趋势做了较多的研究，但鲜见长时间序列下只针对黄河流域内蒙古段的研究。本研究融合多源遥感数据，通过预处理得到了1981—2017 年黄河流域年最大NDVI数据，采用了目前被广泛认可的Mann-Kendall趋势检验研究黄河流域内蒙古段植被覆盖空间分布特征和变化规律，以期为黄河流域内蒙古段生态环境保护和治理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄河发源于巴颜喀拉山北麓各姿各雅山下的卡日曲河谷，海拔高度4675 m，平均流量1774.5 m3·s-1，一路历经5464 km，最后在山东省注入渤海。内蒙古自治区范围内黄河干流830 km，约占黄河中上游流域的17.7%，流经内蒙古7 个盟市。黄河流域内蒙古段地貌多样，属于干旱半干旱气候区，常年气候干旱寒冷，流经区域多为荒漠和半荒漠，气候干燥再加上人类活动的影响使黄河生态环境较为脆弱。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 数据来源

1981—2001 年的NOAA/AVHHRR逐旬NDVI数据(分辨率为2.2 km)来源于中国农业科学研究院，1998—2017 年的SPOT-Vegetation NDVI(分辨率为1.0 km)数据来源于美国国家海洋和大气管理局官网。黄河流域1:250000二级流域分级数据集（2002 年）来源于国家地球系统科学数据中心。黄河流域内蒙古段及周边内蒙古境内44 个气象站点对应年份的年平均气温、年降水量和相对湿度数据（黄河流域内蒙古段区域及气象站点位置见图1）。

图1 黄河流域内蒙古段位置及气象站点分布情况

1.2.2 非同源遥感影像处理

NOAA/AVHRR NDVI(1981—2001)、SPOTVegetation(1998—2017)数据集在时间长度和空间分辨率方面各具优势，通过重采样（ArcTool box完成）、相关分析和最小二乘拟合等方法，依据重合时段(1998—2001年)的40 期月值数据的对比分析，将以上非同源数据序列进行融合，构建1981—2017年长时间序列的植被遥感数据集。而后将1981—2017 年长时间序列的NDVI数据进行年最大值合成。

最小二乘法在估计误差、拟合多源数据、预报预测等许多学科领域得到广泛应用[10]。最小二乘法（又称最小平方法）属于一种数学优化技术，它通过最小化的误差的平方和已达到寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地通过已知数据求得未知的数据，并使得求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。根据最小二乘原理，本研究通过重合时段的数据求得a1和a0，代入到原公式Y=a1X+a0中，其中Y为校准后的遥感数据，X为需校准的遥感数据：

式中：n= 40。xi、yj分别为重合时段对应NOAA和SPOT遥感数据。

1.3 MK检验计算方法

Mann-Kendall趋势检验是目前被广泛认可的可以使用在气象和生态研究的领域的趋势检验方法。Mann-Kendall趋势检验适用于趋势可能是单调的，因此数据中不存在周期性的情况，该检验允许缺少值，并且数据不需要符合正态分布[11]。计算公式如下：

首先，S的方差由公式（3）计算，q是样本的数量，tp是样本中第p个样本的值。

S和VAR（S）的值用于计算测试统计量MK：

MK值评估在统计上显示趋势，MK的正值表示上升趋势，负值表示下降趋势。且统计量MK具有正态分布，取值范围为（-∞,+∞）。为了测试在显著性水平为a的向上或向下单调趋势（双尾检验），在给定显著性水平α下，当|MK|>u1-α/2时，表示研究序列在α水平上存在显著的变化。在Mann-Kendall检验的显著性水平α为0.001、0.01、0.05和0.1，常用的是0.1和0.05，即90%和95%置信水平。本研究取α=0.05，本文判断在95%置信水平上NDVI、年降水量、年平均气温和相对湿度时间序列变化趋势的显著性。

对于研究区内气象站点的气象数据的Mann-Kendall趋势检验结果，我们采用反距离权重法进行插值形成格点数据(分辨率为2.2 km)。对于NDVI数据，使用Matlab等工具，根据Mann-Kendall检验公式进行编程，将栅格数据转化成ASCII码进行计算，然后格点结果在Arcgis软件上进行绘制。

2 结果与分析

2.1 黄河流域内蒙古段气候条件变化趋势分析

黄河流域内蒙古段和周边内蒙古境内气象站点年平均气温、年降水量和年平均相对湿度Mann-Kendall检验结果（图2），黄河流域内蒙段区域年平均气温和年降水量变化（图3）。从图2a和图3a可见，年降水量在空间上基本没有明显的上升或者下降趋势，区域平均年降水量在时间上略有上升趋势。区域年降水量最高值是4017.5 mm（2012 年），最低值是1925.9 mm（2005 年），最高值和最低值相差一倍多。从图2b和图3b可见，年平均气温除了个别气象站点的变化趋势不明显之外，其他的站点均呈现显著增加的趋势，且区域年平均气温也呈现明显的上升趋势，气候倾向斜率为0.048 ℃/a，通过了95%置信水平检验。从时间上看，区域年平均气温最高值为8.1 ℃（1998年），最低值为5.1 ℃（1984 年），1981—2017 年气温总体呈现波动上升的趋势。

图2 黄河流域内蒙古段1981—2017 年年降水量（a）、年平均气温（b）和年平均相对湿度（c）变化趋势

从图2c可以看出，总体上，年平均相对湿度在空间上呈现北部明显减少，中部和南部基本没有明显变化。在呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市三市交界部分、河套平原和库布齐沙漠的东部、乌兰布和沙漠的东南部年相对湿度均呈现显著的降低。从时间上看（图3c），区域的年平均相对湿度总体呈现波动下降的趋势，但趋势并不明显。最高值为57%（2003年），最低值为46%（2013年），近10 年的相对湿度平均水平较低，为48%，低于1981—2017年的平均值50%。

图3 黄河流域内蒙古段1981—2017 年区域年降水量（a）、年平均气温（b）和年平均相对湿度（c）变化

综上所述，黄河流域内蒙古段和周边内蒙古境内气象站点的年平均气温无论从空间还是时间上均呈现明显的上升趋势，气候倾向斜率为0.048 ℃/a；年降水量在时间上和空间上均没有明显的上升和下降的趋势，但降水分布不均，区域年降水量最高值和最低值相差一倍多；年平均相对湿度在空间上主要表现为北部明显减少，中部和南部无明显变化趋势，时间上呈现波动下降的趋势。

2.2 黄河流域内蒙古段植被覆盖及其空间分布

利用1981—2017 年年最大值合成的NDVI数据进行平均值计算，得到了37 年黄河流域内蒙古段的植被归一化指数空间分布（图4）。从图4中可以得出，总体上，黄河流域内蒙古段的NDVI值以0.1～0.4的低值为主，总体呈现从北到南，低到高再到低的变化过程，即西北和南部较低，大部分在0.4以内；中部偏北的地区较高，大部在0.4以上。黄河流域内蒙古段的高值区主要位于黄河干流以北，阴山山脉以南的区域，此地的地形较为平坦，土壤较为肥沃，有利于植被的生长。

图4 黄河流域内蒙古段1981—2017年植被归一化指数平均年最大值空间分布

黄河流域内蒙古段所流经的土地主要以草地和耕地为主，有少部分荒地和林地[10]。其中耕地和林地的植被类型较为丰富，生态环境较好，所以耕地和林地的NDVI值较高，大部分在0.4以上，小部分地区甚至可以达到0.7以上。草地区域的NDVI值较低，主要在0.1～0.3之间，由于草地和荒地是穿插分布，所以部分NDVI＜0.1的区域基本与黄河流域内蒙古段荒地出现的范围吻合，荒地的生态环境脆弱植被稀少，有些是裸露的沙地甚至是荒漠。

对1981—2017年NDVI年最大值平均的像元分级统计结果显示：NDVI＜0.1的无植被覆盖区面积为2910 km2,占黄河流域内蒙古段的2%，NDVI＞0.1的有植被覆盖区域面积占98%。其中NDVI在0.1～0.4的低值区面积为108295 km2，约占黄河流域内蒙古段的74.4%；NDVI＞0.4的高值区面积为34270 km2，约占该流域面积的23.6%，其中NDVI＞0.6的高值区面积为3470 km2，约占该流域面积的2.39%。NDVI值像元分级面积（表1）。

表1 NDVI各级面积和所占该流域面积比例

2.3 黄河流域内蒙古段植被覆盖变化趋势分析

黄河流域内蒙古段植被归一化指数（NDVI）Mann-Kendall检验结果如表2和图5所示，将Mann-Kendall趋势检验按照95%置信水平划分为显著变化和无明显变化，即MK＞1.96显著增加，-1.96≤MK≤1.96无明显变化，MK＜-1.96显著减少，NDVI变化趋势可以明显看出像元尺度上，黄河流域内蒙古段的NDVI值显著增加的区域占该流域总面积的43.39%，显著减少区域面积占该流域面积的38.70%，无明显变化区域面积占该流域总面积的17.91%，显著增加区域面积占比最高，无明显变化其次，显著减少最少，总体上来说黄河流域内蒙古段植被归一化指数是增加趋势。

表2 NDVI变化趋势统计

从图5可见，显著增加的区域主要分布在河套平原、呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市三市交界处；无明显变化的区域主要分布在阴山山脉、鄂尔多斯高原；显著减少区域主要分布在大青山、库布齐沙漠。在毛乌素沙地零散分布着显著增加和显著减少的区域，可能是由于毛乌素沙地处于几个自然地带的交接处，植被和土壤都呈现过渡性特点，分布交错类型较为复杂。

图5 黄河流域内蒙古段1981—2017年植被归一化指数年最大值 变化趋势

结合土地利用类型来看，黄河流域内蒙古段的耕地NDVI值以显著增加为主，包括有“塞外江南”和“塞上粮仓”之称的河套平原、以及大青山南麓；林地和草地的NDVI值主要以无明显变化为主；荒地和沙地主要以显著减少为主。

结合年平均值和变化趋势图来看，在NDVI年平均值较高的区域，变化趋势基本以显著增加为主，从河套平原和大青山南麓可以明显的看出这一结果。在NDVI值较低的地区，特别是鄂尔多斯高原的西北、河套平原的西北，NDVI的变化趋势基本是显著减少为主。值得关注的是在准格尔旗和呼和浩特市的交界处，NDVI平均值是较低的，在0.2~0.3之间为主，但NDVI的趋势却是以显著增加为主，这说明该地的植被覆盖程度虽然较差，却在逐步改善中。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）黄河流域内蒙古段和周边内蒙古境内气象站点的年平均气温呈现明显的上升趋势，气候倾向斜率为0.048 ℃/a；年降水量在时间上和空间上均没有明显的上升和下降的趋势；年平均相对湿度在空间上主要表现为北部明显减少，中部和南部无明显变化趋势，时间上呈现波动下降的趋势。

（2）从空间上看，黄河流域内蒙古段总体呈现从北到南，NDVI值由低到高再变低的变化过程，即西北和南部较低，以0.1~0.4低值为主；中部偏北的地区较高，大部在0.4以上。黄河流域内蒙古段的NDVI值显著增加的区域面积占整个流域的43.39%多于显著减少区域（面积占比仅为17.91%）。

（3）耕地的NDVI值较高，大部分在0.4以上，且以NDVI值从1981—2017年显著增加为主；林地的NDVI值大部分也在0.4以上，但从1981—2017年无明显的变化趋势；草地和荒地的NDVI值较低，在0.1~0.3之间，以显著减少为主。

（4）NDVI年平均值较高的区域，变化趋势基本也以显著增加为主，在NDVI值较低的地区，NDVI的变化趋势基本是显著减少为主，但准格尔旗和呼和浩特市的交界的植被覆盖程度虽然较差，改善的趋势却十分明显。

3.2 讨论

本研究使用NOAA/AVHHRR和SPOT-Vegetation数据制作成长时间序列的NDVI数据，利用Mann-Kendall趋势检验对黄河流域内蒙古段植被变化趋势特征进行分析。由于时间序列较长，可以更有效地展现黄河流域内蒙古段植被时间变化的趋势特征，具有一定的说服力。同时本研究也有一些局限性，比如，没有针对不用的植被类型进行分析；没有进行实地考察，将考察结果与Mann-Kendall趋势检验结果进行对比；对于由于毛乌素沙地土地类型较为复杂，Mann-Kendall趋势检验的结果也出现了增加和减少交错分布的情况，对此情况还需调查后给出合理的解释。