基于植被状态指数的甘肃省2000-2019年干旱时空特征分析

张 瑾, 王 斌, 白建军

(陕西师范大学 地理科学与旅游学院, 西安 710119)

目前常用进行农业干旱监测的手段有利用站点数据进行监测和利用遥感数据进行监测两种。前者常用的干旱指数有PDSI(帕默尔干旱指数)[8]、SPI(标准化降水指数)[9]、SPEI(标准化降水蒸散指数)[10]、CI(综合指数)[11]和K指数等[12]。由于干旱是持续性、区域性事件，仅凭借站点数据进行空间插值来监测农业干旱不仅精度低，并且具有一定的不确定性。遥感可以获得多波段、多时段的地表变化信息，从而能够监测各种地球表面自然灾害的时空动态变化情况，补充了传统的站点监测的不足，逐渐成为干旱监测领域的前沿与热点[3,13-15]。植被状态指数(VCI)是以归一化植被指数(NDVI)为基础数据计算得到的遥感指数，VCI定义为当期NDVI与NDVI多年最小值的差值与NDVI多年最大值和最小值的差值的比值，通过对NDVI进行逐像元归一化处理，减少了水分之外的地理和生态因子对NDVI空间变异的影响[16-18]。

甘肃省位于我国西北干旱半干旱地区，其农业发展深受干旱事件影响。目前，对甘肃省干旱特征的研究主要分为采用单一指数评价气象干旱或农业干旱和研究不同干旱指标在甘肃省的适用性两类。已有研究大多使用站点数据计算干旱指数来探讨甘肃省干旱时空特征，对栅格数据的分析较少。甘肃省的农业用水来自降水、冰川融水和灌溉三方面，因此利用降水数据计算得到的干旱指数并不能准确反映甘肃省农业干旱情况，本文排除不同农业用水供给源的影响，使用可以反映植被生长状况的NDVI数据计算得到的植被状态指数(VCI)作为表征干旱程度的指标，利用逐月植被状态指数和年均植被状态指数来反映甘肃省春、夏、秋三季干旱情况变化趋势；同时，结合气象站点的观测数据，探究植被状态指数和降水的相关性；此外，通过计算干旱频率和干旱面积占比来反映甘肃省干旱分布的时空特征，为甘肃省开展抗旱减灾工作提供科学参考。

1 研究区概况

甘肃省地处中国西北内陆，位于黄河上游，地理坐标为32°11′—42°57′N，92°13′—108°46′E，位于黄土高原、青藏高原和内蒙古高原的交汇带[19]。地势自西南向东北倾斜，地形狭长，海拔587～5 485 m，年平均气温8℃。甘肃省地形复杂多样，与海洋距离较远导致暖湿气团不易到达，属于典型的大陆性干旱半干旱季风气候，受到季风的影响，甘肃省的降水多集中在6—8月，年平均降水量约为400 mm[20]。全省共有12个地级市和2个自治州。甘肃省地形狭长，地势西部高东北部低，地貌复杂多样，山地、高原、平川、沙漠和戈壁交错分布。一般将甘肃省分为五大地区，分别是河西地区(包括嘉峪关、酒泉、张掖、武威、金昌)，陇中地区(包括兰州、白银、天水、定西、临夏)，陇东地区(包括庆阳、平凉)，陇南地区(陇南)，甘南地区(甘南)。甘肃省自然灾害频发，其中干旱灾害最为严重，据统计，每年农作物平均受旱面积8.268 4×105hm2，减产粮食(50～100)×104t[21]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据资料来源

本研究采用MODIS系列的NDVI合成产品。使用来自中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)时间跨度为2000年1月—2019年12月的NDVI月合成产品，空间分辨率为1 km。采用的气象数据是中国地面气候资料月值数据集中甘肃省2000年1月—2019年12月的逐月降水数据，来自中国气象数据网(http:∥www.nmic.cn)。土地利用数据为2018年甘肃省土地利用合成产品，来自中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。

2.2 研究方法

2.2.1 农业干旱识别方法 植被覆盖区的植被指数变化由两类因素导致：生态系统因素和极端天气因素。极端天气因素不能由植被指数直接进行监测。植被状态指数是由来自美国国家海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的Kogan等[22]提出的。假设VCI指数的变化只受极端天气因素的影响，从而将生态系统因素与极端天气因素剥离开来。由于气象因子与植被覆盖状况和长势密切相关，假设NDVI的最小值出现在不利天气条件下(如干旱)，NDVI的最大值出现在最佳天气条件下。利用长时序的NDVI数据计算NDVImax和NDVImin，根据某时段NDVI与NDVImax或NDVImin的差值可以反映出植被在当前气象条件下的生境状况。本研究将植被状态指数作为识别农业干旱的指标，以月为基本时间尺度，计算研究时段内逐月的VCI值，计算方法如下：

(1)

式中:VCIi为某年第i月的植被状态指数,其值越小表示该时期植被长势越差,干旱程度越严重;NDVIi为某年第i月的NDVI值;NDVImax和NDVImin分别为研究时段内NDVI的最大和最小值。VCI取值为0～1,根据VCI值的大小,可将农业干旱分为5个等级[23]。

⑤泄流渠断面形式及尺寸。冰碛湖泄流渠断面可选用的形式有梯形、多边形、矩形及复式断面等。在应急抢险过程中泄流渠通常选用梯形。渠道断面可分为宽浅与窄深两类。宽浅断面水流稳定，不易引起渠底冲刷，但所需断面较大，位置选取较为困难。窄深断面利于利用水流挟带能力，逐步扩宽切深断面。泄流渠过水断面尺寸取决于泄流流量、允许抗冲流速和施工能力的要求。泄流渠一般设计为窄深状，以便充分利用水流的挟带能力，逐步扩宽切深断面。渠底坡度的选取应以不引起淤积、冲刷为宜，经验取值1/400～1/10 000。可分段进行设计，入口段宜为低坡或逆坡，中间段宜为平坡，下游段取较大坡度。

2.2.2 农业干旱评估指标

(1) 计算干旱面积占比(Pn)。通过计算某一区域发生农业干旱的面积与区域总面积的比值可以反映农业干旱的覆盖范围和严重程度，计算公式如下：

(2)

式中:s为发生农业干旱的面积；S为研究区域的总面积。本文通过计算发生农业干旱的像元个数和研究区域总像元个数的比值得到干旱面积占比；根据Pn的大小,将农业干旱的影响范围分为5级[24]。

(2) 干旱发生频率(Pm)。通过计算某一区域农业干旱发生次数与总时序长度的比值，来反映农业干旱发生的频繁程度。计算公式如下：

(3)

式中:f为研究时段内农业干旱发生次数；F为研究时段总长度。

3 结果与分析

3.1 基于VCI的甘肃省农业干旱事件识别

通过计算研究时段内逐月植被状态指数，得到甘肃省2000—2019年逐月植被状态指数(VCI)时序变化图(图1)。研究时段内共180个月份的数据中仅有38个月的VCI值大于0.6，即仅有38个月份甘肃省未发生农业干旱，其余月份旱情集中在轻旱与中旱之间。仅在2006年1月和2016年1月出现特旱；重旱集中出现在春季。研究时段内VCI呈现缓慢上升的趋势，即2000—2019年甘肃省的旱情逐步缓解。

注：图中每一个数据点表示研究时段内逐月的数据，下图同。图1 甘肃省2000-2019年逐月VCI时序变化

3.2 甘肃省农业干旱空间特征分析

通过对研究时段内干旱频率进行计算，得到甘肃省2000—2019年农业干旱频率空间分布图(图2)。春季甘肃省农业干旱频率主要集中在60%～100%，呈现西北高东南低的空间特征，其中河西地区和陇中地区的定西等地干旱最为严重，干旱频率超过了60%，由于河西地区土地利用类型主要是戈壁和沙漠，植被覆盖度低且春季降水较少，水源涵养功能弱，土壤干燥缺水；加之在植被覆盖较弱的区域，NDVI指数会出现监测不到的情况，也会导致植被状态指数的偏低；陇中地区属于旱作物区，降水为地表主要水源补给，春季旱情高发会影响作物前期生长。甘南地区、陇南地区和陇东地区干旱频率较低，这些地区植被覆盖度高，土壤保水性能好。夏季为4个季节中旱情最轻的季节，这是甘肃省降水季节分布不均和夏季冰川融水增多共同导致的结果，干旱频率高的地区分布在河西地区，该地区夏季温度高、降水少且植被覆盖度低；陇南地区、甘南地区和陇东地区干旱频率最低，介于0～20%；干旱频率在40%～60%的地区仅呈条带状分布于河西地区和陇中地区。秋季仅有陇中地区的干旱频率较夏季有所降低，其余地区干旱频率均上升，空间分布上与夏季相似。

图2 甘肃省2000-2019年农业干旱频率空间分布

3.3 甘肃省农业干旱时间特征分析

通过计算研究时段内逐月的农业干旱面积占比，得到甘肃省2000—2019年逐月农业干旱面积占比时序变化图(图3)。研究时段内，甘肃省整体上以全域性干旱为主，仅2012年8月、9月和2013年7月、8月为局域性干旱。总体上干旱面积占比呈现缓慢减少的趋势，表明甘肃省的农业干旱情况正在逐步缓解，这与VCI缓慢上升表示甘肃省农业旱情正在逐步缓解的趋势基本一致。

图3 甘肃省2000-2019年逐月农业干旱面积占比时序变化

3.4 长时序降水量与VCI的相关性分析

农业干旱是土壤缺失水分所导致的结果，本文通过分别计算VCI值和当期降水量、滞后一个月降水量和滞后两个月降水量的相关系数，来探究VCI与降水量的相关性。

如图4所示，降水量和VCI值存在较高的相关性，但仅凭折线-柱状组合图无法得出两者间具体的相关系数，因此在SPSS 25.0中分别对逐月VCI值和当期降水量、滞后一个月降水量、滞后两个月降水量进行Spearman相关性分析，得到VCI值和当期降水量、滞后一个月降水量和滞后两个月降水量的相关系数分别为0.827**，0.767**，0.116，**代表显著性水平为0.001。

图4 甘肃省2000-2019年逐月VCI和降水量时序变化

由于水资源匮乏，甘肃省大部分地区为雨养农业区，虽也有部分地区依靠地理位置优势可以将冰川融水作为农业补给水源，但这种方式不仅可实行的区域较少且对时间的依赖性较强。通过计算发现：甘肃省的植被状态指数与当月降水量的相关性最高，相关系数达到了0.827；其次是滞后一个月的相关系数，为0.767；植被状态指数与滞后两个月的降水量相关系数最小，仅为0.116。甘肃省植被状态指数与当月和滞后一个月的降水量的相关系数均高于0.7，说明甘肃省地区降水是影响植被生长的重要因素，这是甘肃省水资源空间分布不均且年降水量少导致的结果。

3.5 五大地区农业干旱时空特征分析

甘肃省分为河西、陇中、陇东、甘南和陇南五大地区，每个地区的土地利用类型、植被覆盖情况以及气候类型都不尽相同，从整个甘肃省尺度分析的结果并不能细致地反映不同地区的干旱时空特征，有必要缩小空间尺度分析五大地区每个地区的农业干旱时空特征。其中甘南地区和陇南地区的气候类型以及植被覆盖度等情况相似，因此将两个地区合并为陇南及甘南地区进行分析。

如图5—6所示，研究时段内所有地区的旱情总体上均呈现出逐渐缓解的趋势。其中，河西地区北部旱情加重，南部旱情缓解。河西地区北部土地利用类型以沙漠和戈壁为主，植被覆盖量少，且仅为稀疏的小灌木，以梭梭〔Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge〕、柠条(CaraganakorshinskiiKom.)、红柳(TamarixramosissimaLcdcb)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)等抗旱性植物为主。归一化植被指数是对植被活动的度量，在河西地区北部植被活动弱的地区，归一化植被指数无法正确反映植被的生长状况，进而无法反映该区域农业干旱的状况；而位于河西地区南部的地区，土地利用类型以林地和草地为主，归一化植被指数可以很好地反映植被的生长状况。酒泉、张掖、金昌和武威等市的干旱频率从2000年开始显著下降，这与近年来河西走廊地区大力发展灌溉农业有密切关系，河西走廊地区是西北内陆著名的灌溉农业区，它提供了全省几乎全部的棉花、90%的甜菜、60%以上的商品粮、40%以上的油料、啤酒大麦和瓜果蔬菜。研究时段内河西地区2006年中旱、重旱和特旱的发生比例均呈现下降的趋势，轻旱和无旱的发生比例呈现上升的趋势。近年来，政府积极采取退耕还林、退耕还草等措施将易造成水土流失的耕地根据先陡坡后缓坡的原则，逐步停止耕种，根据土质的差异，因地制宜地恢复植被，合理利用资源，加大在防治荒漠化方面的投入，在草方格中种植梭梭、花棒等抗旱性植物，河西地区最广泛的沙质荒漠化得到了遏制，生态环境有了很大改善，干旱情况也得到了缓解。

图5 五大地区2000-2019年干旱频率空间分布

图6 五大地区不同旱情占比

陇中地区广泛分布有黄土，沟壑纵横，植被覆盖较差，黄土地区表层土壤涵养水的能力较弱，大量降水被消耗于蒸发、下渗和流失[25]。研究时段内，陇中地区旱情逐渐缓解，北部地区最为显著，2000年北部地区干旱频率以80%及以上为主，而2019年北部地区干旱频率以40%～60%为主，干旱频率80%以上的地区仅有零星分布。特旱和重旱发生的比例大幅下降，其中重旱发生的比例减少了近50%；发生轻旱、中旱和无旱的比例呈现增加的趋势。近年来，人们逐渐意识到了生态环境的重要性，加上在政府的支持下陇中地区众多市县实施退耕还林、退耕还草工程，生态环境得到了有效改善，陇中地区的旱情得到显著缓解。

自有历史文献记载以来，陇东地区的人们为了生存毁林开荒，地表植被资源被乱砍滥伐，森林草地面积不断下降，地表植被覆盖率极低，逐渐增加的裸露的黄土面积使得水土流失加剧，生态环境遭到严重破坏。近年来，在“十三五”构建“两屏三带”生态安全战略格局的政策支持下，陇东地区生态环境逐步好转。研究时段内，陇东地区北部和中部的旱情由干旱频率80%以上为主变为40%～60%为主，中部一些地区干旱频率仅为20%～40%。从不同旱情占比情况来看，研究时段内发生无旱和特旱的比例均接近于0，发生重旱的比例显著下降，到了2019年时已接近0，发生中旱的比例也呈现下降的趋势，仅有发生轻旱的比例显著上升，由最开始的0上升到约70%。“十三五”规划明确了我国以“两屏三带”为主体的生态安全战略格局，黄土高原川滇生态屏障重点要加强水土流失防治和天然植被保护，北方防沙带重点要加强防护林建设、草原保护和防风固沙，对暂不具备治理条件的沙化土地实行封禁保护。

陇南及甘南地区在甘肃省起着重要的生态屏障的作用，陇南地区植被覆盖率高，为各种动植物生长繁殖提供了优渥的条件。甘南地区处于长江和黄河的上游，水资源丰富；森林资源丰富，占全省林地总面积的30%，是甘肃重要的畜牧业生产基地。陇南及甘南地区旱情在五大地区中最轻，仅有东北部地区旱情较重，但截至2019年，东北部地区旱情得到了极大缓解，干旱频率以20%～40%为主。整个陇南及甘南地区仅有个别地区干旱频率高于60%。从不同旱情占比情况来看，陇南及甘南地区发生特旱和重旱的比例一直接近于0，发生中旱的比例呈现下降的趋势，发生轻旱和无旱的比例大幅上升。

研究时段内，甘肃省旱情虽有反复，但整体上呈现旱情缓解的趋势。

3.6 基于土地利用类型的甘肃省农业干旱空间分析

土壤水分是土壤中的重要组成物质，也是决定土壤生产力的重要因素之一。农业干旱发生的一个重要原因是土壤水分不能满足农作物水分需求，使农作物无法正常生长，进而导致生物量和产量减少。而植被覆盖和土地利用影响着土壤水分的含量及其分布[26]。甘肃省的未利用地主要是分布在河西地区的西北部和东北部的沙漠和戈壁，林地和草地主要分布在河西地区的南部以及甘南、陇南、陇东地区(图7)。不同用地类型发生不同程度旱情的比例见表1。

表1 不同土地利用类型旱情分布 %

图7 2018年甘肃省土地利用类型空间分布

不同用地类型发生不同程度旱情的比例不同。耕地发生轻旱的比例最高，其次是无旱，发生特旱的比例仅为0.05%，虽然甘肃省降水在时间和空间上分布都不均，但多地发展灌溉农业，一定程度上弥补了降水量的不足，减少了旱情的发生。林地和草地发生无旱的比例最高，其次是轻旱，林地和草地植被覆盖度高，土壤保水性能好。甘肃省的未利用地主要是河西地区的沙漠和戈壁，土壤肥力和保水性能都较差，植被覆盖仅是矮小的灌木，发生重旱和特旱的比例最高，达到了19.849 2%，10.162 9%。近年来，当地的人们探索出了草方格和种植梭梭、花棒等抗旱性植物来改善沙漠化的方法，这种方法成本低，见效快，已经成为了河西地区最常用的治沙手段，遏制着巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠前进的步伐。

不同类型的用地类型发生不同程度旱情的比例不同，导致的原因也不同，要因地制宜对不同用地类型和不同程度的旱情提出不同的科学决策，最大程度上缓解甘肃省的旱情。

4 结 论

(1) 研究时段内，VCI指数集中在0.3～0.6，呈现缓慢上升的趋势，表明甘肃省的旱情集中在轻旱与中旱之间，且有逐渐缓解的趋势。从时间分布来看，甘肃省旱情春季最为严重，其次是秋季。

(2) 研究时段内，甘肃省一直表现为全域性干旱为主，呈现西北高东南低的格局，但干旱面积占比的值呈现缓慢下降的趋势，表示甘肃省旱情正在逐渐缓解，这与VCI反映的趋势基本一致。

(3) VCI与当月的降水量相关性最好，相关系数为0.827，结果表明降水是影响植被生长的重要因素，这是甘肃省水资源空间分布不均导致的结果。

(4) 不同用地类型发生干旱的比例不同，其中林地和草地发生干旱的比例最低，未利用地发生干旱的比例最高。

(5) 甘肃省各个地区的气候格局、土地利用类型和农业生产用水源均有较大差异，要根据实际情况制定缓解农业干旱的相关政策。旱情最重的河西地区未利用地类型面积占比较大，应种植抗旱作物，提高植被覆盖度，减少裸地面积占比，改善生态环境；其余地区应着重发展灌溉农业，减少水资源时空分布不均对农业带来的影响。