狮泉河流域植被演变特征研究

许永江，翟文亮，唐 见，赵科锋，许永丽

（1. 阿里地区水利局，西藏 噶尔 859400；2. 长江科学院 流域水环境研究所，武汉430010；3.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010；4.延安市水电工程有限公司，陕西 延安 716000）

1 研究背景

植被以呼吸作用、光合作用与水分、大气及土壤发生紧密联系，在减缓气候变化和维持生态系统平衡等方面发挥重要作用[1]。气候变化显著影响了区域植被覆盖的生长消退及分布，因此，研究植被演变规律、响应机制能够全面揭示气候变化对生态系统的影响[2]。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是表征植物长势和营养信息的重要参数之一，广泛应用于植被动态变化评估。研究区域气候变化与NDVI 的内在联系及致变规律[3-5]，对于预测植被演变特征具有重要价值。目前，国内植被覆盖研究主要集中在黄土高原、三江源区，岩溶喀斯特地貌区和长江流域等[6]，西南区域、青藏高原西部区域的研究相对较少。

狮泉河是西藏自治区阿里地区最大的一条河流，位于青藏高原西部边陲，流域内气候呈高寒缺氧、干燥少雨的特点[7]，独特的气候条件和地理环境，造就了当地独特的高寒草地系统[8]，在我国水源涵养及利用、生物多样性保护等方面起着重要的生态屏障作用。近年来，受气候变化和过度发展旅游业、畜牧业等人类活动影响，流域内植被生长受到明显的限制，草地退化日趋严重，生态系统植物多样性降低[7]。但由于流域内自然环境恶劣，人口稀少，社会经济发展相对缓慢，基础科研相对滞后，植被动态变化研究鲜有报道。高寒草地生态系统变化将会对当地生态安全产生深远影响，进而直接或间接地对我国乃至东南亚的生态安全产生影响。

本研究基于2000—2015 年的NDVI 数据、DEM数据和气象数据，分析狮泉河流域植被覆盖时空演变特征，揭示植被分布与地形地貌的内在联系及响应特征，预测狮泉河流域NDVI 的变化趋势。

2 研究区概况

狮泉河位于东经79°10′—81°48′，北纬31°19′—33°01′，发源于冈底斯山主峰冈仁波齐峰北面的冰川湖，源头海拔高程5 828 m，在扎西岗转向西北方向流入克什米尔地区，流出国境后称为印度河。狮泉河在我国境内流域集水面积2.7 万km2，是阿里地区最大的一条河流[9]，见图1。

图1 狮泉河流域地形概况

依据中国植被分区系统[10]，狮泉河流域属青藏高原高寒荒漠地带。狮泉河流域植被类型主要有草原、荒漠、灌丛等。狮泉河流域植被生长期主要在5—9 月[11]。由于地广人稀，流域内人类活动对植被生态系统干扰较小。开展植被覆盖演变特征规律研究，可以为狮泉河流域合理科学制定植被恢复、管理和利用政策提供支撑。

3 数据与方法

3.1 数据处理

研究数据主要包括植被覆盖数据（NDVI）、DEM 数据和气象数据。NDVI 数据使用的是MODND1M 中国500M NDVI 月合成产品，该产品的空间分辨率为500 m，时间分辨率为月，时间跨度为2000 年1 月—2015 年12 月。通过网站（http：//www.gscloud.cn）下载全国NDVI 月数据，基于狮泉河流域边界提取狮泉河流域NDVI。进一步利用ArcGIS 10.2 软件Map Algebra 工具进一步合成狮泉河流域季尺度、年尺度植被指数数据集。

DEM 数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云，研究选用SRTM 30 m 分辨率的DEM 数据。利用ArcGIS 10.2 软件水文分析工具箱对DEM 数据进行填洼、生成流向、划分河网、生成流域边界。

狮泉河流域水文气象监测发展滞后，监测点极其稀疏，流域仅1 个国家级气象站点。为了确保研究数据的准确性，气象数据选用CRU TS4.05 数据[12]，选用的气象因子包括降水、平均气温、最高气温、最低气温月尺度数据，空间分辨率为0.5°×0.5°，对气象数据采用双线性插值法，分辨率与NDVI 数据空间分辨率一致，合成季尺度与年尺度气象数据。

3.2 研究方法

（1）相关系数法。相关系数表征了变量之间的线性相关程度的统计量。利用相关系数法分析狮泉河流域NDVI 与坡度之间的相关关系，探讨坡度对流域植被覆盖的影响。

（2）偏相关分析法。偏相关分析方法把其余变量视作常数，可得到消除其余变量影响后的两要素之间的偏相关系数[13]。研究中采用偏相关系数来分析狮泉河流域NDVI 与气温、降雨之间的关系。

（3）Mann-Kendall 趋势检验法。Mann-Kendall方法具有计算简单、计算结果不受序列少数异常值干扰的优点，近些年广泛应用于时间序列的变化趋势分析[14]。该方法通过计算时间序列的统计量Z 值来表征时间序列数据变化趋势的显著性，如果Z 的绝对值大于Z1-α/2，变化趋势不显著，反之，则变化趋势显著。

（4）Hurst 指数法。Hurst 指数能够表征时间序列自相似性和长期依赖性[15]。本研究采用结果更具可靠性的R/S 分析法[16]估算狮泉河流域Hurst 指数。根据Hurst 指数的大小可以判断NDVI 序列的持续性，包括三种形式：0.5＜H＜1，表明NDVI 序列是一个持续性序列，具有长期相关的特征，且H越接近1，持续性越强；H=0.5，则为随机序列；0＜H＜0.5，则NDVI 序列具有反持续性，H 越接近0，反持续性越强[17]。

4 研究结果与讨论

4.1 狮泉河流域植被时空变化特征

狮泉河流域生长季NDVI 平均值范围为0.13～0.19，大于全年平均值的0.1～0.15，远小于同位于青藏高原的三江源年均值0.22[11]。狮泉河流域年和季尺度的NDVI 变化趋势如图2 所示。2000—2015年间，在年和季尺度上，狮泉河流域NDVI 总体上呈现不显著上升趋势。生长季回归直线斜率为0.001，略小于年NDVI 的回归直线斜率0.0014。这说明在流域退牧还草政策和气温升高的影响下，狮泉河流域植被退化得到遏制，植被生长呈好转趋势。

图2 狮泉河流域2000—2015 年NDVI 变化趋势分析

狮泉河流域2000—2015 年NDVI MK 值（Mann-Kendall 趋势检验法中Z 统计量）分布见图3。从空间分布上看，狮泉河流域NDVI MK 值总体散乱、局部聚集，具有明显的区域差异。海拔相对较低、水热条件较好的河谷滩地NDVI MK 值为正，植被覆盖有增加趋势，但不显著；海拔相对较高、水热条件不佳的山地NDVI MK 值为负，植被覆盖有减小趋势，同样不显著。狮泉河和噶尔藏布源头地区的自然条件较差，土壤水分含量相对较低，NDVI 有不显著减少趋势。

图3 狮泉河流域2000—2015 年NDVI MK 值分布

4.2 狮泉河流域植被与坡度的相关分析

将坡度进行等级划分，分析不同坡度等级下NDVI 均值和变化趋势。根据狮泉河流域坡度分布特征，0～60°坡度以3°为间隔分20 个等级、60～75°坡度为1 个等级。

由图4 可知，NDVI 随坡度升高呈逐渐下降的变化趋势。当地土壤贫瘠、水分空间分布差异性极大，坡度越小，土层厚度越大，蓄积水分越多，可以为植被提供较好的生长环境，NDVI 越大，反之亦然。对2000—2015 年各坡度等级的NDVI 均值与坡度做相关分析，相关系数为-0.86～-0.96，均呈显著负相关。

图4 狮泉河流域2000—2015 年NDVI 与坡度关系

4.3 狮泉河流域植被未来变化趋势

对狮泉河流域2000—2015 年NDVI 年均值、生长季均值逐像元进行Hurst 指数计算，分析狮泉河流域植被的稳定性、持续性，确定狮泉河流域植被覆盖情况未来演化趋势与过去的关系（见图5）。狮泉河流域Hurst 指数年均值、生长季均值均在0～1 之间，其中生长季均值Hurst 指数略高于年均值。Hurst 指数高值是指0.5 ＜H ＜1，此时未来变化趋势与过去一致，高值集中分布在狮泉河中下游河谷滩地、支流噶尔藏布、赤左藏布、朗曲河谷等土壤较厚、水分充足的区域；低值是指0 ＜H ＜0.5，此时未来变化趋势与过去相反，低值集中分布在河流源头山地或丘陵区等坡度较陡、水土易流失区域，其他区域较为混杂。

图5 狮泉河流域2000—2015 年NDVI Hurst 值分布

4.4 狮泉河流域植被与气象的相关关系分析

狮泉河流域NDVI 和气象因子的相关系数、偏相关系数如表1 所示，NDVI 与气温、降水的相关系数均大于偏相关系数，说明降水、气温同时对NDVI起作用，且气温对NDVI 的影响更大。NDVI 与气温关系密切，与当月、后一月、后两月的气温相关系数都大于0.5（通过显著性检验），与后一月的气温相关性最大，与后两月的气温相关性次之，表现出明显滞后性。降水对NDVI 的影响较小，与后1 月NDVI 偏相关系数最大，达到0.15，与其余月份偏相关系数较小且不显著。狮泉河流域土层浅薄、蒸发大、水土易流失，土壤蓄积水分作用差，大大降低了降水对植被生长的促进作用。总的来看，狮泉河流域属于典型的高原干冷大陆型气候[18]，植被生长对水热条件的敏感程度差异较大，狮泉河流域植被生长对气候因子响应基本都存在1～2 个月的滞后。

表1 狮泉河流域NDVI 与气候因子的相关系数、偏相关系数

4.5 狮泉河流域造林绿化工程措施建议

近年来，为全力打造高原边疆生态屏障，有效改善阿里地区恶劣的自然生态环境，阿里地区以造林绿化工程为主不断加大林业建设投入。2016—2018 年，阿里地区累计实施造林2.7 万余亩，总投资1.429 亿元[19]，取得了一定的绿化效果。阿里地区不同区域植树造林效果差异明显，狮泉河镇城市道路绿化带历经树种选育、培土浇水、保暖救治等多环节依然成活率较低，昆莎乡附近绿化林鲜有人工保育却郁郁葱葱。究其原因，狮泉河镇虽位于狮泉河两畔但土壤水分不足（地势相对较高），人工浇水不能及时补充水分，植物生长受限，而昆莎乡位于地势较低的狮泉河中下游河谷，土壤水分充足，植物能够正常生长。这进一步印证了狮泉河流域Hurst 指数分布与土壤水分高度相关的结论，即在狮泉河中下游河谷滩地、噶尔藏布、赤左藏布、朗曲河谷等土壤较厚、水分充足的区域植树造林成活率较高，在其他区域需要更高的成本和养护才能维持植物生长。

总体来说，降水少、蒸发大、土壤保水能力差成就了阿里地区独特的土壤水分条件，土壤水分也因此成为阿里地区植物生长限制性因素。改善水分结构，增加土壤保水能力，从根源上消除或缓解植物生长的限制性因素，能够大大降低维护保育成本，有效提高植物成活率。

5 结论

（1）狮泉河流域植被指数NDVI 在时间尺度上（年和季）呈现上升趋势，但不显著；在空间尺度上，水热条件较好的河谷滩地植被覆盖有增加趋势，但不显著。

（2）狮泉河流域植被覆盖整体较低，与坡度显著负相关。坡度越大，土壤水分条件越差，植被覆盖越低。

（3）气温相对降水对植被生长影响较大。流域土层浅薄、土壤蓄积水分作用差，大大降低了降水对植被生长的促进作用。

（4）土层厚度大、水分充足的河谷滩地有较强的持续性，未来植被出现增长趋势。

（5）流域植物生长限制性因素为土壤水分。建议增加土壤保水能力，有效提高植树成活率。