2000年以来甘南植被变化趋势及原因分析

梁芸，王大为

(西北区域气候中心，甘肃 兰州 730020)



2000年以来甘南植被变化趋势及原因分析

梁芸，王大为

(西北区域气候中心，甘肃 兰州 730020)

摘要：归一化植被指数(NDVI)可表征植被生长状况，利用2000-2014年EOS/MODIS-NDVI及同期气温、降水资料、2000-2012年载畜量资料分析了甘南州植被时空变化及气象因子、人类活动对其影响。结果表明，1)近15年来，甘南整体植被稳定性呈增加趋势，林地稳定性大于草地，植被空间变异主要由草地的空间变化引起。2)15年来甘南州植被整体趋于好转，局部有显著减少趋势(P<0.05)，研究区70%的区域植被呈增加趋势，21%的区域呈恶化趋势，恶化以草地为主，占总恶化面积的75%，主要分布在玛曲、碌曲及迭部。3)植被主要恶化区(玛曲、碌曲和迭部)气温有升高趋势；载畜量舟曲呈显著减少趋势(P<0.05)，其它各县市均呈极显著增加趋势(P<0.01)；载畜量逐年增加，过度放牧是引起甘南州局部植被趋于恶化、空间离散、分布不均的主要原因。

关键词：甘南；植被变化；EOS-MODIS NDVI

甘南州位于甘肃省南部，地处青藏高原、黄土高原和陇南山区的过渡地带，是长江、黄河上游重要的生态屏障，具有重要的水源涵养、水源补给、水土保持、维持生物多样性、调节区域气候等功能，在维护长江、黄河流域水资源和生态安全方面具有不可替代的作用[1-3]，其生态环境状况不仅影响到其本身，甚至深刻影响到全国的生态安全[4]。近年来，甘南生态植被变化成为许多学者研究的热点，刘建华等[5]采用样方调查法，研究了玛曲县高寒天然草地优势种群及其光合特征，指出提高玛曲高寒草地的生产能力，应在维护生物多样性的基础上，加强对优势种群的培育；郭铌等[6]利用遥感资料结合地面调查研究发现，退牧还草工程对玛曲草地生态环境恢复效果明显；王浩等[7]利用2000-2008年MODIS数据分析指出，甘南草地植被覆盖度总体呈下降趋势；赵有益等[8]基于灰色-马尔科夫残差预测模型对2010-2014年甘南州4县市草地实际载畜量和理论载畜量进行预测分析，为相关部门合理确定草地载畜量和进行科学草地管理提供了参考。以上关于甘南植被的研究多集中在甘南草地或黄河上游玛曲县[9-13]，甘南也是甘肃省主要林区，森林面积占全省1/3左右，除了大面积连片草地外，还有一些草地与森林相间，所以甘南天然森林和草地互为屏障，构成了良好的生态系统，林盛草茂，林衰草枯[14]，因此有必要研究甘南州整体植被的变化情况。归一化植被指数(normal different vegetation index，NDVI)是表征植被变化的有效参数之一[15-16]，对植被的长势和生长量非常敏感，在一定程度上能代表地表植被覆盖变化[17-19]，已被广泛应用于植被活动的研究中[20-21]，温度和水分等也较多地被用作衡量气候变化对草原影响的指标[22]。本研究利用EOS-MODIS NDVI数据及降水、气温和载畜量资料，分析甘南州近15年来草地、林地及总植被的变化趋势，以及植被变化与气象因子和人类活动的关系。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区甘南州海拔为2 000～4 900 m，大部分地区在3 000 m以上，平均气温1.7 ℃，没有绝对无霜期。辖夏河、玛曲、碌曲、卓尼、迭部、临潭、舟曲7县和合作市。全区主要用地类型为草地和林地，两者占到甘南牧区土地总面积的90%以上[3]，草原面积辽阔，全州7县1市均有畜牧业，草原面积占土地总面积的70.18%，天然草地是耕地面积的30多倍，是林地面积的3倍[23]。

1.2资料来源与分析方法

1.2.1资料来源及处理EOS-MODIS NDVI数据来源于美国LPDAAC(Land Process Distributed Active Archive Center)的MODIS数据中的16 d最大值合成的植被指数MOD13A1数据产品，空间分辨率为250 m，时段为2000-2014年；年降水、气温来自甘肃省气象局，时段为2000-2014年；载畜量来自《甘肃省农村年鉴》的羊出栏数和存栏数、牛出栏数数据(无牛存栏数数据)，时段为2000-2012年。

利用MRT软件对NDVI数据进行格式转换、投影转换等处理，对同属一个月的NDVI影像进行最大值合成，进一步去除噪声点，提高数据的可靠性；甘南州高原春秋短促，夏季植被生长旺盛，最能体现植被的生长状况，将6、7、8月NDVI的平均值作为该年的年NDVI，结合1∶100万土地利用图[24]，剔除非植被区，分离出草地、林地，来分析草地、林地及总植被的变化程度；因植被指数选择时段为夏季(6、7、8月)，秋冬的气象因子对当年夏季植被生长无贡献，所以在气象资料的年计算中，选择上一年秋季到当年夏季的降水累积作为当年的年降水量，上一年秋季到当年夏季气温平均作为当年的年平均气温；畜牧是甘南州主要的经济来源，故用载畜量数据代表人类活动数据，载畜量指牲畜存栏数和出栏数总和，数量按羊单位计算，每个大牲畜按4羊单位计算[25]。

1.2.2植被空间稳定性计算空间数据的变异系数可以表示数据的空间离散程度，变异系数越大，表明数据分布越离散，空间数据波动较大；反之则表明数据分布较为紧凑，空间序列数据较为稳定。公式如下：

(1)

1.2.3植被变化趋势分析NDVI数据中的每个栅格都有15年时间序列数值，利用一元线性回归分析来模拟每个栅格数据的直线斜率，从而揭示该栅格数据的变化趋势，公式如下：

(2)

式中:NDVIi为第i年的NDVI，n为研究时段长度(15年)，b为线性拟合斜率，斜率大于零，则植被趋于正向发展，斜率小于零，则表明植被有恶化趋势[26]。

2结果与分析

2.1植被空间稳定性分析

利用式(1)求出甘南州植被指数NDVI空间变异系数(图1)。可以看出，林地的空间变异系数相对最小，草地的较大。草地、林地、总植被空间变异的年际变化均呈下降趋势(P整体<0.01，P草<0.01，P林<0.05)，变化趋势基本一致，草地与总植被的变化趋势更为接近，林地变化相对平缓。说明15年来，甘南州植被的空间离散程度逐年减少，植被空间分布趋于稳定。林地植被空间变异相对最小，且变化幅度相对平缓，草地植被空间变异的变化趋势与总植被的变化趋势非常相似，说明林地植被相对均匀稳定，甘南州植被空间变异主要由草地变异引起。

图1　甘南州植被空间变异系数年际变化

2.2植被时空变化趋势分析

结合1∶100万土地利用图，利用一元线性回归分析来模拟每个栅格数据的直线斜率表明(图2、表1)，甘南各地植被指数呈增加趋势的面积远远大于呈减小趋势的面积，研究区70%的区域呈增加趋势，21%的区域呈减少趋势，说明15年来甘南植被整体趋于好转；夏河、临潭、舟曲和合作总体植被呈增加趋势的面积分别占该县(市)的88%、82%、82%和80%，植被增加比较明显；玛曲、碌曲和迭部的总体植被呈减小趋势的面积分别占该县(区)的33%、26%和25%，植被恶化比较明显；在植被指数呈增加趋势的地方，草地占73%，林地占20%；在植被呈恶化趋势的地方，草地占76%，林地占16%；大部分县(市)植被变化也以草地变化为主。

图2　2000-2014年植被变化趋势分布及土地利用

地点Site增加Increase面积Area/km2总植被Vegetation草Grass林Forest百分比Percentage/%总植被Vegetation草Grass林Forest减少Reduction面积Area/km2总植被Vegetation草Grass林Forest百分比Percentage/%总植被Vegetation草Grass林Forest合作HezuoCounty1628143616980881025823026138910夏河XiaheCounty5281479334188916444392327887玛曲MaquCounty48214552165594/29372670263391/碌曲LuquCounty2540224526063881010419127626887卓尼ZhuoniCounty349319861178715734960546329205734临潭LintanCounty11424163518236311717744124526迭部DiebuCounty2925121114146641481085481510254447舟曲ZhouquCounty23329811031824244320148142114644

注：林、草增加(减少)百分比指在增加(减少)总植被中，林、草所占的比例;总植被包括林、草及其它植被，其它植被未统计。

Note: The increase (reduction) percentage for forest or grass indicates the proportion of forest or grass in the increased (reduced) total vegetation. Total vegetation includes forest, grass and other vegetables which are not counted.

结合上述植被空间稳定性整体增加、植被空间不稳定性主要由草地植被变化引起的结论，进一步说明甘南部分地区部分植被低值区正在恢复，整体正向发展，恶化植被主要以草地为主，主要分布在玛曲、碌曲及迭部。由于甘南草原面积远远大于林地面积，畜牧业是甘南的支柱产业，近年来，退牧还草等政策的实施，对草原的恢复取得了一定成效[3，6，27]，植被整体好转。但是各地实际载畜过多，超载严重[28-29]，草地生态压力还是很大，短时间内很难扭转局部植被恶化的局面，且有些区域退牧还草工程执行力度差，个别围栏区草地仍有恶化趋势[30]。同时，国家实施天然林保护工程后，原木生产已经停止，全州实施封山育林，荒山造林，滥砍盗伐现象也基本绝迹，森林资源萎缩的状况已有所改观[31-32]，林地生态效益较好[33]，林地直接的生态压力相对小于草地。

2.3植被退化因素分析

2.3.1气象因子和载畜量的变化碌曲、迭部的气温升高显著(P<0.05)，玛曲也有增高趋势(图3)，但未通过90%的显著性检验，夏河、合作、临潭、卓尼、舟曲5县(市)变化趋势均不明显(夏河、合作、临潭、卓尼图略)；甘南州8个县(市)的降水变化趋势均不明显；2000-2007年舟曲载畜量变化比较平稳，2008年开始明显下降，整体呈下降趋势，其余7县(市)2000-2004年变化比较平稳，从2005年开始明显增加，整体呈极显著增加趋势(P<0.01,图略)(图4)。整体来看，甘南局部地区气温有升高趋势；舟曲县载畜量呈下降趋势，尤其从2007年开始明显下降；迭部县载畜量2010年达最大，之后有所下降，但整体呈显著增加趋势(P<0.05)；其它各县市载畜量逐年呈极显著增加(P<0.01)。

图3　2000-2014年甘南州气温和降水及载畜量的年际变化

2.3.2植被退化与气象因子及载畜量的相关分析以上研究表明，甘南林地植被相对稳定，植被指数减少主要以草地植被减少为主。将各地草地植被恶化区的年NDVI与气象因子、载畜量做相关分析，来研究甘南草原植被变化与气象因子和人类活动的关系。植被恶化区NDVI及其空间变异程度与气象因子、载畜量的相关分析表明(表2)，碌曲植被指数空间变异系数与气温呈显著的正相关(P<0.05)，玛曲、夏河、合作、临潭、卓尼、迭部、舟曲7县(市)植被指数、植被指数的空间变异系数与气象因子关系均未通过90%的显著性检验；甘南州各县(市)植被指数NDIV与载畜量呈显著或极显著负相关，其空间变异系数与载畜量呈显著或极显著正相关。总体上，植被指数及其空间分布与气象因子的关系不明显，而与载畜量的关系密切,多数县市相关极显著(P<0.01)。

注：*和**分别表示显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)相关。

Note: * and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

图4　2000-2014年甘南州载畜量的年际变化

3讨论与结论

关于甘南草地恶化原因比较复杂，前人研究表明，超载放牧是直接驱动因素，气候的异常扰动是次生驱动因素[34]。甘南大多地方仍然没有摆脱传统数量型畜牧业生产模式[35]，平均超载率为74.3%，各县(市)实际均处于超载状况[28]。家畜对牧草的践踏和采食导致植物受损、光合作用器官减少，使其减少或失去养分的供给，严重影响分蘖和繁殖更新，生长发育受到抑制[36]，随放牧强度增加，草地质量指数和优良牧草地上生物量比例逐渐下降，草地间的相似性指数减小[37]，物种丰富度指数、均匀度指数与多样性指数也呈现下降趋势[38]，引起植物种群分布格局发生改变[36]，增加了相应鼠类的可利用性食物，导致鼠类种群数量的上升。鼠害发生和危害，进一步加剧了草原的退化，所以，过度利用草原促使草原退化和鼠害危害处于一种恶性交替过程[39-43]，草地资源陷入为满足牧民生存需求而引发的恶性循环[44]。本研究表明，甘南州各县(市)植被指数NDIV与载畜量呈显著负相关，其空间变异系数与载畜量呈显著正相关，说明过度超载放牧引起植被指数下降、空间分布不均、空间变异程度增加，稳定性减少，草地植被恶化，这与前人的结果一致。

高海拔地区的生态系统是受全球气候变暖影响最明显的生态系统之一[45],以往研究表明，甘南草原退化自然因素不容忽视[46-47]。甘南州地处青藏高原高寒地区，地下存在常年冻土层，冻土层能够阻止地表水下渗。而在气候变暖之后，冻土层急剧退化，隔离地表水的能力明显降低，使大量的地表水下渗，直接导致了湿地的干涸、萎缩和地下水位的不断下降[33]，气候变暖是引起植被退化、空间分布不均另一重要因素。本研究中，2000年以来甘南州草地植被恶化与降水、气温的关系不明显，一方面可能与本研究所用资料时间较短，难以反映气候变化特征，另一方面也反映了植被的变化的原因比较复杂，很难归结为某单一气象因子所致。草原生态环境包括各种自然要素的组合和人与自然要素构成的各种生态关系的组合,气候变化影响一种自然要素时也必然影响另外要素或组合。不同要素对气候变化有不同的反应,而且不同要素间也相互影响,考虑气候变化对单个自然要素的影响,较少考虑其它自然要素以及不同要素之间影响,研究结果的误差可能较大[45]。所以植被指数的变化可能与区域降水量、太阳辐射、草地类型及土-草-根的耦合关系有关[37]，还有待进一步研究。

本研究利用2000-2014年EOS/MODIS-NDVI及同期气温、降水资料、2000-2012年载畜量资料分析了甘南州植被时空变化及气象因子、人类活动对其影响，结果表明：近15年来，甘南植被整体趋于好转，整体稳定性呈增加趋势，植被空间变异主要由草地的空间变化引起，恶化植被以草地为主，主要分布在玛曲、碌曲及迭部；载畜量逐年增加，过度放牧是引起甘南州局部植被趋于恶化、空间离散、分布不均的主要原因。减少牲畜数量，以草定畜，是减少草畜矛盾、缓解草原退化、提高甘南生态可持续发展的当务之急。

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(责任编辑武艳培)

Analysis of vegetation changing trends and causes in Gannan since 2000

Liang Yun， Wang Da-wei

(Northwest Regional Climate Center, Lanzhou 730020, China)

Abstract:The normalized difference vegetation index (NDVI) can characterize the vegetation growth status. The temporal and spatial changes of Ganan vegetation and of its response to climatic factors and human activities are analyzed using EOS/MODIS NDVI data，precipitation, temperature and stock capacity data during 2000-2014.The results show that: 1) The overall stability of vegetation takes on an increasing trend in recent 15 years. The stability of forest is higher than that of grassland. The spatial variability of vegetation is mainly caused by the grassland. 2) The vegetation tends to be improved and accounting 70% of the studying area. The decreasing trend (P<0.05) happens only in a local place occupying 21% of total studying area. The decreasing is mainly owing to grassland degradation which contributes to 75% of the total degraded area. The degraded regions are primarily distributed in Maqu, Luqu and Diebu County. 3) Temperature tends to increase mainly in degraded regions (Maqu, Luqu and Diebu). The stock capacities show an extremely significant increasing trend (P<0.01) except Zhouqu County, which has a decreased trend (P<0.05). The increasing stock capacity and overgrazing are the primary reasons caused the vegetation degradation, discrete, and nonuniform distribution.

Key words:Gannan； vegetable change； EOS-MODIS NDVI

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0532

*收稿日期：2015-09-28接受日期：2016-01-31

基金项目：国家自然科学基金“半干旱区大气边界层湍流相干结构对地表能量平衡的贡献”(41375019)；甘肃省气象局科研项目“甘肃省典型区域生态环境监测研究”

通信作者：梁芸(1975-)，女，宁夏中宁人，高级工程师，本科，主要从事农业气象及遥感监测研究。E-mail:17931390@qq.com

中图分类号：Q948.15

文献标志码：A

文章编号：1001-0629(2016)6-1102-10*

Corresponding author:Liang YunE-mail:17931390@qq.com

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