2000—2007年珠峰自然保护区植被时空变化与驱动因子

阚瑷珂 ，王绪本，高志勇，李国庆，罗永

1. 成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059；2. 成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川 成都 610059；3. 西藏自治区科技信息研究所，西藏 拉萨 850001

珠穆朗玛峰自然保护区是目前西藏唯一的国家级示范自然保护区，它与位于珠峰南坡的尼泊尔萨迦玛达国家公园共同形成完整的，全球罕有的高山森林生态系统，其平均海拔 4200 m，也是世界海拔最高的自然保护区。珠峰地区人类活动稀少，是全球环境本底研究的关键地区之一。我国曾于1959—1960年、1966—1968年、1975年和2005年4次在珠峰北坡进行过较为系统的科考，形成了大量多学科研究成果[1]。珠峰地区的科学研究不仅能够深刻理解该地区独特地理单元对全球变化的响应，也是揭示人类活动与环境相互作用过程的重要途径[2]。当前，珠峰地区的环境科学问题以冰川、气候、土壤和地质研究居多[3-10]，关于生态环境及全球变化问题还需要开展大量的基础性工作。然而，近 10年来珠峰自然保护区的植被状态、气候变化及人类活动等环境耦合问题尚未有深入探讨；尽管已知部分地区出现了严重的草地退化，但对整个保护区内的植被变化综合情况及其动因仍然缺乏科学认识，对规划和保护这片宝贵的脆弱生态系统难以提供定量研究依据。本文结合遥感与地理信息技术，分析了 2000—2007年珠峰自然保护区植被变化的时空特征，重点讨论了多重因素作用下的植被变化驱动因子。研究结果有助于揭示珠峰地区近年来的环境变迁过程和驱动力解释。

1 研究区域概况

珠峰自然保护区地处中国西藏自治区西南隅与尼泊尔王国交界处，位于北纬 27°48′~29°19′，东经 84°27′~88°之间，面积 32681 km2，总人口约 9万，行政区划隶属西藏日喀则地区的定日、吉隆、聂拉木、定结四县（图 1）。珠峰自然保护区 1994年被批准建设为国家级自然保护区，2004年加入联合国教科文组织（UNESCO）“世界生物圈保护区网络”，主要保护对象为极高山景观及喜马拉雅山脉南翼湿润山地森林生态系统和北翼的半干旱高原灌丛、草原生态系统。区内共有脱隆沟、绒辖、雪布岗、江村、贡当、珠峰、希夏邦马7个核心保护区，陈塘、帕卓卡达、聂拉木、吉隆、贡当5个缓冲区，保护区北部为实验区。珠峰自然保护区的植物多样性非常典型，保护区（珠峰）南坡植被类型丰富，结构复杂，植物种类较多。其中喜马拉雅冷杉 Abies spectabilis、糙皮桦 Betula utilis、乔松Pinus griffithii、雪层杜鹃Rhododendron nivale、髯花杜鹃 Rhododendron anthopogon、香柏 Sabina pingii、高山柏Sabina squamata、滇藏方枝柏Sabina wallichiana、绢毛蔷薇 Rosa sericea、匍匐栒子Cotoneaster adpressus等植物分布面积较大，构成了南坡相对优势种；北坡植被类型单一，结构简单，以针茅草原、嵩草草甸和锦鸡儿灌丛为主要植被类型。其中变色锦鸡儿Caragana versicolor、川青锦鸡儿Caragana tibetica、金露梅Potentilla fruticosa、紫花针茅 Stipa purpurea、昆仑针茅 Stipa roborowskyi、固沙草 Orinus thoroldii、小嵩草Kobresia parva等分布面积较大，构成了北坡的优势种。

图1 珠峰自然保护区位置Fig.1 Location of the Mt. Qomolangma Nature Reserve

2 研究方法和数据处理

2.1 基于EVI的植被状态年际变化趋势计算

EVI（Enhanced Vegetation Index）较NDVI能更好地反映植被的生长变化过程和植被状态空间差异[11-14]，故选择EVI来计算和分析珠峰自然保护区植被状态的年际变化情况。根据基于NDVI的青藏高原植被变化分析方法[15-17]，基于EVI的植被年际变化趋势采用一元线性回归斜率进行计算（公式1）。其中，i代表开始计算年份，n表示计算截止年份，EVIi代表第i年的6、7、8、9月份，即西藏植被生长季的EVI平均值。

2000—2007年的 EVI数据由 NASA(https://wist.echo.nasa.gov)提供，空间分辨率250 m，时间分辨率16 d，该数据集已经过辐射校正、云体掩膜、大气校正等预处理。本文使用 NASA提供的软件ModisTool将分幅的数据按相同日期合并，将其中EVI波段转换为UTM-WGS84投影的Geotiff格式保存，并在ENVI 4.5中完成研究区域裁剪；再通过最大值合成法(MVC)将每月两幅影像合并记为当月EVI影像，进一步消除云、大气、太阳高度角的部分干扰；最后将每年6-9月的4幅影像生成生长季平均EVI栅格图像。

为了研究 s lopeEVI的正常波动范围，利用覆盖研究区的1∶10万土地利用图中无植被覆盖的土地利用类型（湖泊、裸岩石砾地、永久性冰川和雪地、沙地），对生长季EVI的平均值图像进行裁剪，根据公式1计算2000—2007年间的EVI正常波动范围，由此得出植被年际变化的面积数据（表 1）。如2000—2007年之间，s lo peEVI的正常变化范围为±0.06，若 s lopeEVI＞0.06则说明植被变好，若slopeEVI＜-0.06则说明植被退化。

表1 2000-2007年珠峰自然保护区植被变化面积统计Table 1 Area statistics of vegetation change of the Mt. Qomolangma Nature Reserve in 2000-2007

2.2 基于GIS时间动画技术的植被时空变化分析

时间动画技术是在地图上按照一定的时间间隔和顺序动态显示事物的变化，可以用来显示海冰的聚集、水流的变化和流行病的扩散。本文按照ArcMap 9.3的时间动画解决方案，结合ArcEngine开发接口构建了植被变化的时间动画分析流程（图2）。

植被时空变化分析的实现是一种简单时态GIS技术的应用。当数据量较小时，时态GIS适合于序列快照模型（Sequent Snap shots），它可看作是时间动画的一种实例。快照模型又分矢量快照模型和栅格快照模型，根据前述基于EVI的植被状态年际变化趋势计算方法，为加快调用数据集的速度，生成了矢量的植被变化过程数据集，每个时间段分变好（绿色）、稳定（黄色）、退化（红色）3个SHAPE格式图层。构成了7个时间点内不同间隔的植被时空变化过程快照（图3，浅蓝色为无植被覆盖区域）。

植被变化的时序快照模型调入系统后，通过计算年为单位的时间动画关键帧，以I Feature Layer Definition设置过滤条件调用动画播放建立的接口。过滤条件的计算分两种，一种是用时钟控件触发产生循环播放效果，自动按时间序列演示植被状态变化过程；另一种是用播放滚动条拖动时间刻度传递条件，回溯过去某个时段的植被变化状态。

图2 基于GIS时间动画技术的植被时空变化分析流程Fig. 2 Vegetation spatial and temporal changes analysis workflow based on GIS time animation technology

3 珠峰自然保护区植被变化的时空特征

3.1 时间序列上的植被变化趋势

根据3种植被变化区域的面积变化趋势（图4—6），植被变好区域除 2000—2002、2000—2004年较上一年面积略有减少外，其余年份相对上一年变化面积均为增加；植被稳定区域面积基本呈连年下降趋势；植被退化区域面积除 2000—2003年较上一年略有减少外，其余年份相对上一年均为增加；并且三种变化趋势都在 2004年后愈加显著。整个保护区植被退化速率为305 km2/a，大于植被变好速率 116 km2/a，同时，植被稳定区域的面积以421 km2/a的速率减少（3种植被变化趋势均通过0.05的显著性水平检验）。因此，珠峰自然保护区植被变化的总体趋势以稳定为主，但稳定区域面积在不断减少，并且植被退化的趋势超过了变好趋势。再按照自然保护区各功能区划范围提取植被退化与变好的面积进行对比，发现核心区植被变好面积的增加趋势明显大于退化面积的增长趋势，且核心区植被状态在2000年后普遍好转，在2004年后变好趋势更加明显；缓冲区在 2003年后植被变好与退化势态基本持平；而实验区植被变好面积呈逐年减少趋势，同时植被退化面积呈快速上升的增长趋势，近年来愈加严重。

图3 2000-2007年珠峰自然保护区植被时空变化时间序列快照Fig. 3 Vegetation spatial and temporal change snapshots of the Mt. Qomolangma Nature Reserve in 2000-2007

3.2 植被变化的空间分布特征

从图3提取变化范围的统计结果可见，核心区植被变好面积最大，达817 km2；缓冲区其次，为262 km2；实验区仅有35 km2。而植被退化面积实验区所占面积最大，达1741 km2；核心区和缓冲区则分别占301 km2和189 km2。再结合稳定区域面积对比，不同功能区划中稳定面积都占到绝大部分比例，因此总体上保护区植被状态趋于稳定，同时核心区植被生长状态良好，植被变好趋势明显；实验区植被变好区域非常稀少，发生退化比例较高。

从植被退化区域的地形特征规律看，植被退化地区的海拔范围主要集中在4100~5300 m之间。海拔4000~5000 m的植被退化面积最大，约1877 km2，占总退化面积的71.03%，其次在5000~6000 m 区间，约 672 km2，占总退化面积的 25.44%，3000~4000 m区间的退化面积仅占总面积的2.78%。数据反映出保护区高海拔的北坡地区植被退化面积广大，而相对低海拔的南坡植被退化比例很小。同时，植被退化的主要海拔区段也跟保护区居民点的主要分布范围（5000~6000 m）一致。植被发生退化的坡度范围主要集中在0°~36°之间，坡度越大退化面积越小。0°~5°之间的植被退化比例最高，其退化面积占总退化面积的 38.19%，其次为5°~10°和 10°~15°区间，分别占 18.05%和 17.09%。25°以上的陡坡地段发生植被退化的情形很少。数据说明生长于地形较平坦的北坡草甸和草地等发生退化的比例较高，而南坡陡峭峡谷地段的植被很少发生退化现象。此外，植被在各个坡向的退化面积比较均等，仅东南坡向的退化面积比例略低。

从植被退化类型来看，嵩草草甸出现退化的面积最大，为1153 km2，占植被总退化面积的43.65%；其次是针茅草原，为560 km2，占植被总退化面积的21.18%；蒿类、固沙草草原退化现象也较严重，其退化面积为 458 km2，占植被总退化面积的17.34%；其他植被类型除高山稀疏植被占5.88%外，发生退化的面积均很少。常绿阔叶林发生退化的面积最少，仅占植被总退化面积的0.34%。

图4 2000-2007年珠峰自然保护区植被变好区域面积变化趋势Fig. 4 Area of vegetation changed for the better change trend of the Mt. Qomolangma Nature Reserve in 2000-2007

图5 2000-2007年珠峰自然保护区植被稳定区域面积变化趋势Fig. 5 Area of vegetation changed for the stable change trend of the Mt. Qomolangma Nature Reserve in 2000-2007

图6 2000-2007年珠峰自然保护区植被退化区域面积变化趋势Fig. 6 Area of vegetation changed for the degradation change trend of the Mt. Qomolangma Nature Reserve in 2000-2007

4 珠峰自然保护区植被变化的驱动因子

4.1 气候因子分析

杨续超等[18]和顿珠次仁[19]对珠峰地区近几十年的气候变化特征研究发现，珠峰地区气温呈现明显的上升趋势，进入20世纪80年代以来，气温偏高趋势愈明显，相比前20年的增温幅度在0.5 ℃左右。其中定日站增幅最高，且以冬半年非生长季气温增长更为显著。珠峰高海拔地区也是中国同期升温最显著的区域，与高原气温变化趋势较一致，变暖明显早于中国及全球，且升温幅度更大。从雨量观测记录看，珠峰南、北翼降水变化趋势不同，北翼降水以增加为主，但总体显著性水平不高，南翼的聂拉木站从20世纪90年代初开始，降水呈较大幅度减少趋势。

由于植被的生长与分布主要受控于气温和降水条件，且珠峰自然保护区内仅定日县和聂拉木县设有固定气象台站，并有较完整的气象记录，分别反映了喜马拉雅山北坡和南坡的气候变化特征，因此，本文选择两站的年平均气温和年降水量作为分析影响植被变化的关键气候因素。

年平均气温定日站 1977—2007年之间每年升高约0.047 ℃，其中，2000—2007年增幅为0.088℃ /a，接近30年以来升幅的2倍（图7）；聂拉木站1977—2007年之间每年升高约0.036 ℃，其中，2000—2007年增幅达0.094 ℃/a，大大超过30年以来升幅的2倍（图8）。年降水量定日站1977—2007年之间稳中有升，而 2000—2007年间的降水量除2007年明显上升外，2000—2006年则显著减少（图9）；1977—2007年聂拉木站年降水量呈下降趋势，但显著性水平不高，并且 2000—2007年间出现了波动中的小幅上升（图 10）。因此，近年来珠峰自然保护区升温的变化趋势南坡比北坡更明显，而降水的变化皆存在一定的不规律性。

与同纬度、同海拔地区相比，一般气温高、降水多、空气湿度大、风速小的气候条件有利于植物生长，同一地区则亦如此。依据上述气象观测资料分析，对北坡而言，20世纪70年代末至今30年来的气候条件是有利于植物生长的，而 2000年以后的气候条件不利于植物生长，南坡则恰好相反。从气候条件的影响来判断，2000年以前的变化情况在张玮等人的研究结果中得以证实[20]。

受全球气候变暖影响强烈，近十年来珠峰自然保护区气温呈快速上升趋势已是不争的事实，特别是以定日为代表的喜马拉雅山雨影区升温幅度显著增大；而降水量的变化，尤其在南坡高山峡谷地带，表现出了明显的逐年减少趋势。例如，2002和2003年保护区冬季下大雪曾导致吉隆县部分地区封路（可对应这两年聂拉木站降水量的两个峰值），其后年份保护区降雨降雪骤减，因而冬季山顶积雪减少直接造成夏季山下的融水量减少，使植物生长发育的水量补给不如往年充分。但是，南坡低海拔地带大量分布的冷杉等高大乔木生长速度快，自我恢复能力强，受气候变化干扰小，因此，尽管降雨减少，但在核心区的严格保护和持续升温有利影响下，峡谷水气通道区域的植被仍然保持了大部分变好趋势。同时，对北坡广泛分布的湿地而言，降水量的减少又使蒸发的水分无法得到及时补充，加上该地区植被覆盖度较低，生态极端脆弱，因此加速了湖泊和湿地周边环境的变干和盐渍化，造成高寒区湿地植被的退化，而且降水减少也对北坡草地的长势带来消极作用。

图7 2000-2007年定日站年平均气温变化Fig. 7 Mean annual temperature records of Tingri station in 2000-2007

图8 2000-2007年聂拉木站年平均气温变化Fig. 8 Mean annual temperature records of Nyalam station in 2000-2007

图9 2000-2007年定日站年降水量变化Fig.9 Annual precipitation records of Tingri station in 2000-2007

图10 2000-2007年聂拉木站年降水量变化Fig. 10 Annual precipitation records of Nyalam station in 2000-2007

4.2 人类活动影响分析

（1）道路与河流缓冲区分析

由于植被退化区域与保护区内的居民点分布存在很大程度的重叠一致性，且很多叠合区域沿道路与河流分布，因此首先从道路与河流的缓冲区分析开展定量讨论。

道路与河流缓冲区分析结果表明（表2和表3），植被退化区域面积占缓冲区面积百分比与缓冲区内居民点密度之间存在明显的正相关，线性拟合结果见图11。道路缓冲区中相关系数r=0.809，显著性水平p=0.005；河流缓冲区中相关系数r=0.930，显著性水平p=0.000。因此，河流缓冲区中的植被退化面积比与居民点密度的相关性要大于道路缓冲区中的相关性。尽管同样宽度的道路缓冲区比河流缓冲区内的居民点密度更高，但沿河分布的植被退化现象受河流附近的人类活动影响更大。

表2 道路缓冲区分析结果Table 2 Results of roads buffer analysis

表3 河流缓冲区分析结果Table 3 Results of streams buffer analysis

（2）植被退化集中区影响因素的综合讨论

根据喜马拉雅山北坡A1～3、南坡B1～5区域（图 12）的人口密度、居民点密度和退化面积比例的数据统计特征（表4），选择数据分布比较均衡的折巴乡、差那乡、宗嘎镇、锁作乡、克玛乡、门布乡、尼辖乡、确布乡、江嘎镇、扎西岗乡、琼孜乡、贡当乡、吉隆镇、聂拉木镇、绒辖乡、曲当乡共16个乡镇的人口密度与退化面积比例作相关性分析，结果表示，退化面积比例与人口密度呈显著的正相关（图13a，相关系数r=0.520，显著性水平p=0.039）。再选择数据分布比较均衡的差那乡、锁作乡、盆吉乡、乃龙乡、岗嘎镇、克玛乡、门布乡、尼辖乡、长所乡、措果乡、江嘎镇、扎西岗乡、定结乡、琼孜乡、贡当乡、聂拉木镇、樟木镇、绒辖乡、曲当乡共 19个乡镇的居民点密度与退化面积比例作相关性分析，结果表示，退化面积比例与居民点密度呈显著的正相关（图13b，相关系数r=0.461，显著性水平p=0.047）。植被退化较为集中的25个乡镇中，大部分乡镇的人口密度和居民点密度与退化面积比例具有较强的相关性。从图8线性拟合结果比较，人口密度对植被退化比例的影响要高于居民点分布密度对植被退化比例的影响。

从数据分析可见，人类活动影响与植被退化有密不可分的关系，植被退化明显的A1区（吉隆县北部牧区和半农半牧区）尽管地广人稀，但人口密度的影响仍不可忽视，同时，草场一方面受气候影响，因降雨减少而出现退化；另一方面，雅鲁藏布江南岸的野驴栖息地内，近年野驴种群过于庞大，对牧草消耗和破坏严重，也导致植被出现大面积退化现象。A2和A3区大部分乡镇的人口密度和居民点密度较高，除人类活动的作用占据植被退化的主导因素外，自然的影响也不可忽视，例如定日县境内草地鼠害多发，狼毒等毒杂草增多，加剧了草场沙化。此外，定结县北部地表沙化严重，而作为牧场的湖滨沼地广布，较大的放牧强度也对湿地植被造成了压力。

图11 道路缓冲区(a)和河流缓冲区(b)中居民点密度与植被退化面积比例关系Fig. 11 The relationship of settlement density and vegetation degradation area ratio in roads buffer (a) and streams buffer (b)

图12 珠峰自然保护区主要植被退化区域分布Fig. 12 Main vegetation degradation region distribution in the Mt. Qomolangma Nature Reserve

气候条件良好的喜马拉雅山南坡地带（B1～5区），居民点集中，人类活动与植被退化也存在明显的相关性，受其影响，保护区的核心区仍有少部分区域出现了植被退化现象。贡当乡（B1区）是保护区最封闭乡镇之一，但每年均有滥挖药材现象发生，附近村民为了增加收入频繁进入贡当核心区采挖虫草、贝母，大量刨土造成地表植被破坏，沙化面积增多。位于缓冲区的吉隆镇（B2区），居民生活与收入水平较高，居民点与人口分布相对密集，对植被不可避免地造成了一定影响，形成吉隆镇驻地和卡帮电站两个植被退化集中区。此外，沿吉隆藏布东、西两侧，自吉隆沟林线起始点开始的几条分支峡谷，可能因地形屏障和公路修筑等原因，也呈小片植被退化状态。位于缓冲区的B3区内，聂拉木县城以北有零星分布的植被退化点，南部樟木镇的雪布岗核心区由于最近几年修筑驮马道，对植被造成了一定程度破坏，反映出部分退化迹象。位于绒辖核心区内（B4区）的绒辖沟生态破坏轻微，绒辖曲沿线呈现少量植被退化迹象，可能跟沟内生活居民对峡谷两边山坡上的乔木砍伐有关。位于缓冲区和实验区交界处的曲当乡（B5区）的植被退化带沿居民点分布较密的卡达藏布和扎嘎曲等朋曲河支流分布，在曲当乡驻地村落附近存在大片退化集中区域。与河流缓冲区内的植被退化分析结果一致，表明人类活动对植被有不可忽视的影响作用，在沟谷地带的破坏作用尤其明显。

表4 珠峰自然保护区主要植被退化区域的乡镇人口情况Table 4 Township demographics of the main vegetation degradation region in the Mt. Qomolangma Nature Reserve

图13 人口密度(a)和居民点密度(b)与植被退化面积比例关系Fig.13 The relationship of population density (a), settlement density (b) and vegetation degradation area ratio

（3）社会经济发展对植被变化的影响

依据统计年鉴数据判断珠峰自然保护区社会经济发展对植被变化的影响，从统计数据探究人类活动的影响。分别以2000-2007年之间社会经济发展的几项代表性指标x与植被退化面积y作线性拟合，它们之间的关系可表示为y=b0+b1x，结果见表5。

表5 珠峰自然保护区社会经济发展与植被退化的相关性分析Table 5 The correlation of socio-economic development and vegetation degradation in the Mt.Qomolangma Nature Reserve

相关性分析结果表明：农作物播种面积、农业产值、牧业产值增长和植被退化面积变化的线性拟合度较高，其中农业产值增长和植被退化面积增加的线性拟合度最高。因此，可推测植被退化趋势与农业耕地面积扩大以及放牧影响关联紧密。此外，年末牲畜存栏头数、林业产值等虽然也逐年增长，但与植被退化的相关性并不显著，而粮食产量指标尽管从统计上与植被退化拟合度很高，但因为保护区研究时间段内粮食减产，故表现为负相关。因此，虽然畜牧产值保持了持续增长，但牲畜饲养与林业发展都未对保护区植被变化造成明显影响，这也充分说明保护区对放牧控制，如牛羊等数量控制和牲畜宰杀的科学管理起到了积极的实效。

5 结论和讨论

2000—2007年珠峰自然保护区植被时空变化的主要特征为：

1）植被变化的总体趋势以稳定为主，但稳定区域面积在以421 km2/a的速率不断减少。植被退化的趋势超过了变好趋势，退化速率为305 km2/a，大于植被变好速率116 km2/a。

2）核心区植被变好面积最大，达817 km2；缓冲区其次，为262 km2；实验区仅有35 km2。而植被退化面积实验区所占面积最大，达1741 km2；核心区和缓冲区则分别占301 km2和189 km2。同时，核心区植被生长状态良好，变好趋势明显；缓冲区在 2003年后植被变好与退化势态基本持平；实验区植被退化趋势在近年愈加严重。

从气候变化和人类活动等的驱动因子分析发现：

1）近年来珠峰自然保护区升温的变化趋势南坡比北坡更明显，而降水的变化存在一定的不规律性。但是，南坡高大乔木生长速度快，自我恢复能力强，受气候变化干扰小，因此，尽管降雨减少，但在核心区的严格保护和持续升温有利条件下，南坡峡谷水气通道区域的植被仍然保持了大部分变好趋势。同时，对北坡却造成高寒区湿地植被的退化，降水减少也对北坡草地的长势带来消极作用。

2）核心区保护成效明显，但在多重因素作用下，保护区内人类活动的环境压力仍然十分显著。道路、河流缓冲区分析和相关性分析表明，人类活动对植被有不可忽视的影响作用，在沟谷地带的破坏作用尤其明显。并且，人口密度对植被退化比例的影响要高于居民点分布密度对植被退化比例的影响。

3）植被退化趋势与农业耕地面积扩大以及放牧影响关联紧密，但年末牲畜存栏头数、林业产值等社会经济指标与植被退化的相关性并不显著，牲畜饲养与林业发展都未对植被变化造成明显影响，说明保护区对放牧控制，如牛羊等数量控制和牲畜宰杀的科学管理起到了积极的实效。

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