基于NDVI的石羊河流域植被演变特征及其对沙尘暴的影响分析

罗晓玲，杨 梅，李岩瑛,，蒋菊芳，聂 鑫

(1.甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，兰州 730020)

植被是生态系统的重要组成部分，在全球气候和碳循环中极为重要，是连接土壤圈、大气圈、水圈、生物圈的自然纽带，植被覆盖是植被地表最直接的表征，反映植被的茂密程度和植物进行光合作用面积的大小，是了解区域生态环境中的初级生产力、环境承载力、水土流失强度等生态环境系统的状态与功能的重要基础。一方面植被覆盖度变化影响大气中CO浓度，塑造异质性明显的流域气候；另一方面，气候变化打破原有物质能量的交互平衡，特别是碳循环等问题。沙尘暴是我国北方常见的一种灾害天气，因其造成的损失不容小觑。沙尘暴形成的3个要素是大风、丰富的沙尘源和不稳定天气，研究区因受河西走廊地形狭管效应的影响，大风频次较高，下游三面被沙漠包围，沙源丰富，成为甘肃乃至全国沙尘暴的高发区之一，因沙尘暴造成的年均经济损失超过3 783万元，年均农业受灾面积超过13 195 hm，对地方经济的发展已造成一定影响。上世纪五六十年代，因各种原因使石羊河流域生态环境日趋恶化，祁连山冰川萎缩、雪线上升，上游来水逐年减少，中游截流超用，下游地下水过度开采，植被曾经一度退化，成为全国最干旱、荒漠化最严重、水资源最短缺、用水矛盾最突出的地区之一。植被覆盖度差，地表沙源丰富，沙尘暴频繁，造成恶性循环。对沙尘暴的防控，有学者提出通过植树种草，增加地表植被覆盖率来防风固沙；李璠等和马坤等分析了起沙量与植被覆盖度的关系认为，植被对沙尘暴有抑制作用。但这些研究多为定性描述，Aulia等利用遥感数据研究植被对干旱现象的响应，但缺乏石羊河流域植被与沙尘暴的定量分析研究。本研究利用近60年石羊河流域沙尘暴资料和石羊河流域综合治理前后遥感数据，从植被指数、沙尘暴频次、持续时间和强度4个方面的变化进行系统性分析，并首次研究植被指数NDVI与沙尘暴频次、持续时间和强度的关系，以期得到流域植被与沙尘暴之间的定量关系，为防灾减灾、改善生态环境、践行“绿水青山就是金山银山”意义重大。

1 研究区概况

石羊河流域(101°41′—104°16′E，36°29′—39°27′N)位于甘肃省河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，行政区划包括武威市、金昌市和张掖市的部分地区，其水系发源于祁连山，是甘肃省三大内陆河流域之一，上游贯穿天祝县、民乐县、肃南县，中游贯穿凉州区、永昌县、古浪县，下游在民勤县境内；流域地处黄土高原与戈壁荒漠的交汇带，为半干旱气候与干旱气候的交界区，也是高原气候和沙漠气候的共同影响区。流域内地形复杂，气候差异大，其所在区域包括绿洲农田、荒漠、荒漠湿地、荒漠湖泊和沙漠等多种生态系统。其海拔高度1 300～5 000 m，年降水量110～600 mm，年蒸发量700～2 700 mm。流域地表植被覆盖度低，根据最新监测研究，上游南部祁连山拥为森林、草地和浅山灌丛，植被茂密，中游石羊河水灌溉地区为绿洲，植被适中，下游大部地方为半荒漠、荒漠和沙漠地区，植被稀疏。植被多由耐干旱的灌木、半灌木组成，植株稀疏矮小，生态环境十分脆弱。

2 材料与方法

2.1 数据来源

所用气象要素数据来源于1961—2020年石羊河流域内7个气象站(凉州、民勤、永昌、古浪、乌鞘岭、肃南、民乐)逐日观测资料；上游数据为乌鞘岭、民乐、肃南3站平均，中游为凉州、永昌、古浪3站平均，下游为民勤站数据。

卫星遥感数据来自甘肃省气象局气候中心遥感应用室2000—2016年5—9月监测数据。植被覆盖面积由HJ-1B/CCD卫星监测所得。归一化差分植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，标准差异植被指数)，由Terra/MODIS卫星资料监测分析所得,也称为生物量指标变化，可使植被从水和土中分离出来，是检测植被生长状态、植被覆盖度的最佳指示因子，被广泛运用在植被覆盖度研究中。表达式为：NDVI=(NIR-)/(NIR+)。式中：NIR为近红外波段的反射率值；为红波段的反射率值。NDVI与植物的蒸腾作用、太阳光的截取、光合作用、地表净初级生产力有关。

根据《沙尘天气等级》，依据地面水平能见度分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级。分级标准为：沙尘暴<1.0 km；强沙尘暴<0.5 km；特强沙尘暴<0.05 km。由于能见度的观测在1979年及以前为0～9级，1980—1999年的单位不一致，而且在地面观测月报表中有些年份没有最小能见度观测记录，故本文用2000—2020年的最小能见度资料统计分析沙尘暴的强度。

2.2 统计与分析方法

基于每个像元的基础上使用一元回归趋势法，按照趋势分析得到每年作物生长季NDVI植被指数的变化情况，以NDVI与时间序列的趋势斜率值来代表植被覆盖的变化趋势，计算公式为：

式中：为趋势斜率；为监测时间段的年数；为第年的生长季NDVI。根据趋势斜率的变化范围和研究区域的实际情况，将变化趋势分为7个等级：<-0.001 5表示植被明显减少；-0.001 5≤<-0.001 0表示植被中度减少；-0.000 5≤<-0.001 0表示植被轻微减少；-0.000 5≤<0.000 5表示植被稳定不变；0.000 5≤<0.001 0表示植被轻微增大；0.001 0≤<0.001 5表示植被中度增大；≥0.001 5表示植被明显增大。利用判定系数分析回归结果的线性拟合优度，判定系数<0.155为未通过显著性检验。

以气候倾向率方法分析沙尘暴频次、持续时间和强度的变化趋势，在此基础上，利用相关系数(Pearson)法，分析NDVI与它们之间的关系，探讨NDVI对沙尘暴发生发展的影响程度。

通过Excel 2007、SPSS 22.0、vb6.0、Photoshop CC 2017等软件对资料进行统计、处理和分析。

3 结果与分析

3.1 植被变化特征

地表植被覆盖能够有效改变影响地表的水分、能量和辐射的分配及平衡，进而影响水文过程、水循环和区域气候，植被退化能引发水土流失、土地沙漠化、冻土退化等一系列严重的后果。石羊河流域以森林、绿洲、荒漠为主，是气候变化敏感区，在流域整体暖湿化背景下，植被变化非常重要。

3.1.1 时间变化特征 石羊河流域平均植被覆盖度较低，多年NDVI为0.175，NDVI>0.3的面积为5 652 km，NDVI和NDVI>0.3面积时间序列变化(图1)显示，流域植被轻微增大，NDVI以每年0.000 9的速度增大(<0.01)，NDVI>0.3面积每年增大61.54 km(<0.05)，但各年度变化较大。2007年石羊河综合治理以前，由于人为活动引起的生态用水量减少、地下水位持续下降，以致2000年和2001年是植被最差的年份，2002年流域出现较大降水，植被迅速好转，2003—2006年植被波动减少，2000—2006年流域植被总体处于退化状态。2007年国务院批准以“民勤绿洲”为重点的石羊河流域重点治理规划开始实施，2007—2016年植被波动增大，特别2010年以后恢复比较明显。可以看出，随着石羊河流域生态治理工程的开始，持续调水、有效退耕还林，加上流域降水量的略增加，地下水位近年来开始抬升，自然植被开始恢复。

图1 石羊河流域植被变化趋势

3.1.2 空间动态变化特征 NDVI反映植物冠层的背景影响，如土壤、潮湿地面、雪、枯叶、粗超度等，且与植被覆盖有关，-1≤NDVI≤1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，0表示有岩石或裸土等，正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。流域内地势东北低，西南高，随着海拔高度的增加，植被覆盖逐渐增大，平均NDVI为下游0.107<中游0.184<上游0.317。从流域NDVI时间变化曲线(图2)可以看出，下游植被轻微增大(=0.000 6，<0.01)，2000—2004年波动增大，2005—2010年波动减小，2011—2016年迅速增大，2012年为17年来最大(0.115)，与石羊河流域生态综合治理工程的实施，压沙、营造防风固沙林、关井压田、退耕还林(草)、地下水位不断上升密切相关。中游植被中度增大(=0.001 1，<0.05)，2012年、2014年为最大(0.198),2002年为次大(0.195),2001年为最小(0.161)，中游植被的变化与降水量的大小，石羊河流域生态综合治理关井压田，退耕还林有关。上游植被中度增大(=0.001 1，<0.05)，2001年最小(0.299)，2016年最大(0.346)。通过分析降水与NDVI的关系发现，降水量与NDVI呈显著正相关，故上游植被的变化主要与降水量的变化和环境保护关系密切。

图2 石羊河流域上、中、下游植被变化趋势

通过分析可以看出，上游和中游的植被恢复速度较下游快，除综合治理以外，还与不同区域自身的地理位置和气候特征不同有较大关系，上游(342.8 mm)和中游(245.1 mm)年均降水量较下游(113.2 mm)降水量分别多229.6，131.9 mm，即为2.6，2.2倍,在干旱半干旱地区，这一差距是极为显著的。上、中、下游近60年降水量增加速度分别为8.25，7.00，4.07 mm/10 a，降水量增加速度较快区域的自然植被恢复速度相应较快。另外，上游以森林、草原为主，地面蓄水能力强，中游以耕地居多，且大多是水浇地，地表湿度相对较好，而下游以荒漠为主，蒸发大(植物生长季蒸发量是降水量的18.5倍)，地面蓄水能力差。所以，虽然流域近年来暖湿化进程加快，因区域地形地貌和气候的差异导致植被恢复速度有所不同。

3.2 沙尘暴变化特征

3.2.1 沙尘暴频次的时间变化特征 近60年沙尘暴年频次变化(图3)显示，流域沙尘暴显著减少，年际倾向率为-2.8 d/10 a(<0.001)，中游减少速度较慢(-1.4 d/10 a，<0.001)，下游减少速度较快(-7.1 d/10 a，<0.001)，上游未出现过沙尘暴；年代际变化(表1)表明，20世纪70年代是沙尘暴高频期，80年代开始持续减少，2001—2010年减少速度有所减缓，近10年减少最明显，较70年代减少了14.5天。

表1 石羊河流域沙尘暴频次距平年代际变化 单位：天

图3 石羊河流域沙尘暴频次年变化趋势

从图4可以看出，石羊河流域沙尘暴四季均呈减少趋势，减少速度为春季(-1.2 d/10 a)>夏季(-0.8 d/10 a)>冬季(-0.7 d/10 a)>秋季(-0.2 d/10 a)，且四季变化趋势均为<0.001。

图4 石羊河流域沙尘暴四季变化趋势

3.2.2 沙尘暴频次的空间变化特征 石羊河流域沙尘暴发生频次为民勤(20.9 d/a)>凉州(4.9 d/a)>永昌(3.0 d/a)>古浪(2.1 d/a)，乌鞘岭、肃南、民乐未出现过沙尘暴。地理分布为临近沙漠地区多，远离沙漠地区少。随着时间变化该区沙尘暴显著减少，其特点主要为下游三面被沙漠所围的民勤县，也是发生频次最多的地方，减少速度最快，其次为中游的凉州区、永昌县、古浪县。这与近年来全球气候变暖、中纬度西风带强度减弱、大风日数减少，区域生态的重建和恢复息息相关。

3.2.3 沙尘暴持续时间变化特征 石羊河流域沙尘暴过程平均持续时间为133.3 min，中游为96.8 min，下游为146.6 min，下游是持续60～300 min的频次最多，占总频次的51.8%，其次<60 min占总频次的34.2%，>300 min频次最少，占总频次的13.9%；中游<60 min频次最多，占总频次的50.1%，其次为60～300 min，占总频次的45.6%，>300 min的频次最少，仅占总频次的4.3%。

冬季、春季、秋季持续时间为60～300 min的频次最多，分别占总频次的52.9%，52.1%，56.5%，>300 min的频次最少，分别占总频次的15.5%，12.6%，13.8%，夏季<60 min频次最多，占总频次的53.1%，>300 min频次最少，仅占总频次的4.9%.

近60年，沙尘暴持续时间显著缩短(图5)，年际倾向率为-12.2 min/10 a(<0.01)，中游缩短时间较慢(-10.4 min/10 a)，<0.1)，下游缩短时间较快(-17.1 min/10 a，<0.001)。年代际变化显示(表2)，中游是21世纪前10年持续时间最长，平均持续时间为109.8 min，主要是因为2006年、2009年出现2次长时间沙尘暴所致。从20世纪60年代开始到90年代持续时间持续缩短，21世纪前10年迅速反弹延长，近10年又迅速缩短。下游20世纪70年代持续时间最长，平均持续时间为161.1 min，80年代开始到2020年持续时间一直缩短。总体来看，流域20世纪70年代持续时间最长，之后开始缩短，21世纪前10年有所反弹，近10年持续时间最短，较70年代缩短60.9 min。

图5 石羊河流域沙尘暴持续时间变化趋势

表2 石羊河流域沙尘暴持续时间距平年代际变化 单位：min

3.2.4 沙尘暴强度变化特征 以每次沙尘暴天气过程中最小能见度的大小来表征沙尘暴的强度，流域沙尘暴过程平均最小能见度为0.496 km(沙尘暴)，0.5～1.0 km(沙尘暴)的频次最多，占总频次的54.7%，其次为0.05～0.50 km(强沙尘暴)的，占总频次的41.8%，<0.05 km(特强沙尘暴)的频次最少，仅占总频次的3.5%。中下游均为0.5～1.0 km(沙尘暴)的频次最多，<0.05 km(特强沙尘暴)的频次最少，流域沙尘暴以普通类型为主。

四季均为0.5～1.0 km(沙尘暴)的频次最多，其次为0.05～0.50 km(强沙尘暴)的，<0.05 km(特强沙尘暴)的频次最少。

近21年流域沙尘暴年均最小能见度呈波浪式持平变化，维持在0.496 km上下波动，2012年最小值为0.08 km，2014年最大值为0.63 km。

3.3 植被覆盖度与沙尘暴的关系

3.3.1 NDVI与沙尘暴频次的关系 沙尘暴年序列与同期归一化植被指数变化曲线(图6)显示，沙尘暴频次与NDVI有较好的反对应关系，沙尘暴呈逐年减少，NDVI则逐年增大，2001年沙尘暴最多(9.0 d)，对应NDVI最小(0.157)，2012年沙尘暴最少(0.33 d)，对应NDVI最大(0.186)，说明植被覆盖度的改善对沙尘暴有明显抑制作用。

图6 石羊河流域沙尘暴频次与NDVI变化趋势

进一步利用相关系数法分析沙尘暴频次与NDVI的关系(表3)发现，流域沙尘暴与当年和前1年流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI均呈显著负相关(<0.05)，表明随着气候暖湿化进程加快，植被覆盖面积逐渐扩大，抑制地面尘土扬起，从而导致沙尘暴减少。

表3 石羊河流域沙尘暴频次与植被影响因子相关系数

3.3.2 NDVI与沙尘暴持续时间的关系 沙尘暴持续时间与同期归一化植被指数变化曲线(图7)显示，沙尘暴持续时间与NDVI也有较好的反对应关系，沙尘暴持续时间呈波动减少趋势，NDVI则呈波动增大趋势，2004年沙尘暴持续时间最长(152.6 min)，对应NDVI是平均状态(0.177)，并不是最小，2012年沙尘暴持续时间最短(4.7 min)，对应NDVI最大(0.186)，说明植被覆盖对沙尘暴的持续时间有一定影响，植被覆盖较好的地方发生沙尘暴时持续时间较短。

图7 石羊河流域沙尘暴持续时间与NDVI变化趋势

利用相关系数法分析沙尘暴持续时间与NDVI的关系(表4)发现，流域沙尘暴持续时间与当年和前1年流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI均呈显著负相关，其中当年流域NDVI、当年NDVI>0.3面积、当年中游NDVI和前1年上游NDVI通过置信度0.05检验，其他未通过。

表4 石羊河流域沙尘暴持续时间与植被影响因子相关系数

3.3.3 NDVI与沙尘暴强度的关系 沙尘暴过程平均最小能见度与同期归一化植被指数变化曲线(图8)显示，沙尘暴强度与NDVI有较弱的反对应关系，沙尘暴强度基本维持不变，NDVI则呈波动增大，2009年平均最小能见度最大(6.07 km)，对应NDVI是第3小值(0.167)，2012年沙尘暴平均最小能见度最小(0.80 km)，对应NDVI最大(0.186)，说明植被覆盖对沙尘暴强度有一定影响，植被覆盖较好的地方发生沙尘暴时强度相对较弱。

图8 石羊河流域沙尘暴强度与NDVI变化趋势

利用相关系数法分析沙尘暴强度与NDVI的关系(表5)发现，流域沙尘暴强度与当年流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI均呈弱负相关，与前1年流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI均呈弱正相关，以上均未通过信度0.05检验。即当年流域植被较好，发生沙尘暴时，强度较弱，当年植被对沙尘暴强度有一定弱化作用。前1年流域植被较好，发生沙尘暴时强度反而较强，究其原因主要是中游占地面积较大，地表以黏土为主，前1年降水较多时，夏季植被涨势好，冬季落叶干枯，干土层增厚，来年发生大风沙尘暴时，沙源丰富，利于尘土扬起，影响能见度的大小；下游以沙土为主，前1年植被涨势较好时，说明降水较多，土壤湿度大，来年发生大风沙尘暴时，能抑制沙尘扬起。

表5 石羊河流域沙尘暴强度与植被影响因子相关系数

3.3.4 大风日数相同情况下植被与沙尘暴的关系 大风、丰富的沙尘源和不稳定天气是沙尘暴形成的3大要素，众所周知，沙尘暴发生发展的决定因素是大风(动力因子)，主要影响因素是起尘源(物质条件)。流域内植被覆盖度的好坏直接影响该区的起沙量，选取大风日数相同年份的沙尘暴频次、平均持续时间、平均最小能见度和相应年份的NDVI数据(表6)分析植被对沙尘暴的影响程度。结果发现，NDVI与沙尘暴频次和持续时间呈负相关(相关系数为-0.45，-0.24)，与最小能见度呈正相关(相关系数为0.70)，均未通过0.05信度检验。

表6 大风、沙尘暴与植被的关系

通过以上分析，进一步验证在沙尘暴决定因素(大风)不变的情况下，流域植被覆盖度的大小直接影响起沙量的大小，间接影响沙尘暴的发生频次、持续时间和强度，特别对沙尘暴的强度影响程度最大，是沙尘暴发生发展的主要影响因子之一。由此可见，植被改善对沙尘暴有明显抑制作用。

4 讨 论

石羊河流域植被2000—2006年总体处于退化状态，2007—2016年波动增大，特别2010年以后恢复比较明显，这一结论与徐晓宁等和任媛等的研究基本一致；流域平均植被覆盖度较低，随着气候暖湿化和流域综合治理工程的实施，全流域自然植被均开始恢复，因地理位置和降水量增加速度不同，上、中游恢复速度比下游快，与李丽丽等的“全流域以增加为主，绿洲区增加最为明显”的结论相同；沙尘暴频次显著减少，过程持续时间显著缩短，与李玲萍等分析的结果相同；沙尘暴强度无明显变化，最小能见度维持在0.496 km左右，这一结论与赵明瑞等用2001—2010年民勤沙尘暴资料得出的“最小能见度有减小趋势”有所不同，主要原因是研究范围和资料长度不同所致；沙尘暴频次与当年和前1年流域植被覆盖度呈显著负相关，植被覆盖度的改善对沙尘暴有明显抑制作用，与李璠等的“植被对沙尘暴有明显影响”结论基本一致，与杨晓军等的“植被减少是沙源不能根本改善的主要原因”结论一致，与特日格乐等的“沙尘暴发生日数与前1年的植被覆盖度呈负相关”结论也基本一致，但与沈松雨等的“沙尘暴频次与植被覆盖度的相关性较低”不同，究其原因是研究区地貌、气候特征、所用资料年代不同所致。沙尘暴持续时间和强度与植被覆盖度之间的关系尚未有同行研究，有待进一步探讨。“在大风日数相同情况下，流域植被覆盖度的大小，直接影响着起沙量的大小，间接影响着沙尘暴的发生频次、持续时间和强度，特别对沙尘暴的强度影响程度较大，是沙尘暴发生发展的主要影响因素之一”，这一结论，因植被资料年代较短，影响个例数量，有待积累更多资料，做进一步探索研究。

5 结 论

(1)石羊河流域植被轻微增大，但各年度变化较大，随着石羊河流域生态治理工程的实施，2007年开始自然植被逐渐恢复，特别2010年以后恢复比较明显；中游和上游植被中度增大，下游轻微增大；中游和上游植被恢复速度比下游快，自然植被的恢复速度与降水量的增加速度呈显著正相关。

(2)石羊河流域沙尘暴频次显著减少，年际倾向率为-2.8 d/10 a，近10年减少最显著，较70年代减少14.5天；中游减少速度较慢，下游减少速度较快；四季减少速度为春季>夏季>冬季>秋季。沙尘暴持续时间显著缩短，年际倾向率为-12.2 m/10 a，近10年持续时间最短，较70年代缩短60.9 min；中游缩短时间较慢，下游缩短时间较快。沙尘暴以最小能见度0.5～1.0 km的普通类型为主，年均最小能见度呈波浪式持平变化，维持在0.496 km左右。

(3)石羊河流域沙尘暴频次和持续时间均与NDVI有较好的反对应关系，沙尘暴频次和持续时间呈波动减少和缩短趋势，NDVI则呈波动增大趋势；沙尘暴频次和持续时间与当年和前1年全流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI均呈显著负相关。

(4)石羊河流域沙尘暴强度与当年全流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI呈弱负相关，与前1年全流域NDVI、NDVI>0.3面积、上中下游NDVI呈弱正相关。

(5)以上游保护涵养水源，中游修复生态环境，下游抢救民勤绿洲的具体举措，对石羊河流域进行综合治理后，自然植被逐渐恢复，抑制地面尘土扬起，加上大风频次显著减少，导致沙尘暴频次减少，持续时间缩短，强度有所弱化。石羊河流域专项治理成效显著，生态环境得到有效改善。