2000—2017年甘南牧区植被变化特征及其影响因子

2020-05-07敖泽建王建兵蒋友严罗王军赵惠珍

沙漠与绿洲气象 2020年1期

敖泽建，王建兵，蒋友严，罗王军，赵惠珍

（1.甘南气象局，甘肃合作 747000；2.西北区域气候中心，甘肃兰州730000）

植被是陆地生态系统的重要组成部分，是生态系统中物质循环与能量循环的中枢[1]。植被在保持水土、调节大气、维持气候及整个生态系统稳定等方面都十分重要[2]。地表植被的变化影响局部气候及区域生态平衡，开展地表植被变化研究可以为土地的合理利用及生态环境保护工作提供科学依据[3]。

卫星遥感具有覆盖范围广、时间序列长、数据获取方便等优势，是获取大面积区域地表特征信息的主要手段[4-5]。目前已经有很多利用遥感测量植被覆盖度的方法，其中归一化植被指数（NDVI）广泛应用于定性和定量评价植被覆盖及其生长活力，反映地表植被生长的基本状况[6]。利用NASA/GIMMS数据对山西植被指数时空变化特征进行分析，表明山西植被活动在增强[7]。利用MODI3A3数据对祁连山植被变化进行分析，表明祁连山植被覆盖有好转趋势[8]。使用遥感数据分析巴里坤草地变化特征，巴里坤草地呈现逐年向好的趋势，荒漠化草地有向低覆盖草地演替的趋势[9]。使用SOPT VEGETATION数据对中国西北部植被覆盖及整个中国植被覆盖的时空变化进行了研究[10-11]，表明植被指数数据可以很好地监测植被覆盖变化。

甘南牧区地处青藏高原东北边缘与黄土高原西部过渡地带，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，特别是在维护黄河流域水资源和生态安全方面具有不可替代的作用，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[12]。甘南草地植被覆盖呈减少趋势[13-14]。2013年国家林业局指出甘南黄河重要水源补给生态功能区的90%以上草地出现了不同程度的退化，特别是其中的玛曲、碌曲、夏河境内草地退化严重。玛曲县境内出现大型沙化点36处，形成220 km长的流动沙丘带，且沙化面积正在扩大。夏河县和碌曲县的草地盐渍化面积已达5.5万hm2，且随着生态破坏和超载过牧，盐渍化趋势越来越严重[15]，给甘南牧区生态环境保护及畜牧业可持续发展带来了极大的压力和挑战。虽然目前对甘南植被或草地植被的研究很多，但主要集中在2010年以前，2010年以后的研究较少。本文借助遥感技术手段，利用2000—2017年MODIS数据对甘南牧区（图1）植被进行分析，揭示甘南牧区2000年以来植被覆盖的时空特征及其变化，并结合气象要素讨论近20 a来气候变化对甘南牧区植被变化的影响，为甘南牧区生态环境保护及畜牧业可持续发展提供一定的科学参考。

图1 甘南牧区地形

1 数据与方法

1.1 研究区概况

甘南藏族自治州是全国10个藏族自治州之一，地处青藏高原东北边缘，南与四川阿坝州相连，西南与青海黄南州、果洛州接壤，东面和北部与本省陇南、定西、临夏毗邻。全州分3个自然类型区，东南部为岷迭山区，东部为丘陵山地，西部为广阔的草甸草原是全省主要牧区。本文的研究区即为甘南西部的草甸草原区（图1），该区由合作、夏河、碌曲、玛曲4个行政县市组成，面积约24 474 km2，是黄河首曲最大的一块生态湿地。区内植被覆盖良好，草原、稀树草原、多树的草原、灌丛、永久湿地、森林面积分别占总面积的 94.95%、3.76%、0.79%、0.13%、0.21%、0.05%。该区草原与稀树草原（稀树草原点缀在草原上）主要分为高山草甸草场类（主要位于玛曲西部海拔4000 m以上的高山地带）与亚高山草甸草场类（甘南天然草场的主体，海拔2700~4000 m），分别占该区面积的12.6%、85.6%（2017年土地覆盖分类数据）。区内气候属典型的大陆性季风气候，光照充足，气温随海拔高度升高而降低，年均气温1.4~3.0℃；降水量受季风影响南多北少，年均降水量449.1~593.3 mm。牧草主要生长季（4—9月）内平均气温7.9~10.0℃，较年平均气温偏高6.5~7.0℃；降水量395.5~518.3 mm，约占年内降水的85%~88%（气温、降水量为1981—2010年甘南牧区4个气象站数据）。

1.2 数据来源

1.2.1 遥感数据

采用美国国家航空航天局的MOD13A3产品数据分析甘南牧区植被指数。MOD13A3是逐月1 km×1 km的正弦投影像，产品时间范围为2000—2017年的4—9月。

1.2.2 气象数据及牧草发育期数据

通过甘南州气象局收集位于甘南州草原4个气象站点1999年9月—2017年8月的逐月气温、降水及日照数据。夏河、碌曲无牧草观测项目，牧草发育期数据使用合作、玛曲两农气站观测数据。

1.2.3 土地覆盖分类数据

数据来源是美国国家航空航天局（NASA）提供的 MCD12Q1产品（http：//modis-land.gsfc.nasa.gov/landcover.html），时空分辨率为1 a和500 m（由于无2000年土地分类覆盖数据，2000年土地分类覆盖数据由2001年的代替）。

1.3 研究方法

1.3.1 MOD13A3影像数据处理

对影像数据进行投影及格式转换，并设置统一的经纬度投影；利用研究区矢量边界对处理后的影像数据进行剪裁。

1.3.2 NDVI最大值合成法

每年最大化植被指数通过国际通用的最大值合成法 MVC（Maximum Value Composites）获得，它可以进一步消除云、大气等的干扰[8，16]。其计算方法：

式中：MNDVIi为第i年的最大化NDVI值；i为1~18的整数，分别代表 2000、2001…2017 年；NDVIij为各月的NDVI值；j为1~6的整数，分别代表4—9月。MNDVIi是一年内植被最丰盛时期的NDVI值，其变化可以反映气候和人为因素导致的植被年际变化。

1.3.3 趋势线分析

趋势线分析方法可以模拟每个栅格的变化趋势，反映不同时期植被NDVI变化趋势的空间特征[17]。其公式为：式中：n为监测年数，MNDVIi为第i年NDVI的最大值，S为趋势线的斜率。S＞0，说明NDVI在n年间的变化趋势是增加的，反之则是减少的。

2 结果与分析

2.1 甘南牧区植被空间分布特征

图2反映了植被覆盖的空间特征，18 a平均NDVI达到0.756。空间分布上，玛曲西北部、夏河北部及合作中部植被指数小，基本在0.3～0.6之间，上述区域主要植被类型为高山草甸、亚高山草甸及城镇周边农作物。玛曲南部、夏河中南部、合作南部及碌曲植被指数一般在0.7以上，这些区域为亚高山草甸区。总体上，甘南牧区植被呈现南多北少的趋势，与甘南牧区降水的空间分布基本一致；垂直分布上，牧区南部随海拔高度的升高气温降低，植被指数减小；草原北部随海拔高度增加植被指数增加。

图2 2000—2017年甘南牧区平均NDVI的空间分布

2.2 甘南牧区植被月际变化特征

图3为甘南牧区2000—2017年4—9月牧区整体及其中的高山草甸与亚高山草甸月平均植被指数的变化趋势。图中可以看到，总体上牧区整体NDVI略低于亚高山草甸类NDVI，明显高于高山草甸类NDVI。4—7月植被指数均呈现明显增加趋势，牧区整体NDVI及亚高山草甸类NDVI在7月达到最高，植被指数分别达到0.737、0.749；8月牧区整体及亚高山草甸类NDVI植被指数开始下降，而高山草甸类NDVI仍略有增加；9月NDVI均为明显下降。这与甘南牧区牧草一般在4月上中旬进入返青普遍期，7月进入开花期，9月下旬到10月初进入黄枯普遍期基本一致。由于甘南牧区3月牧草未返青，同时10月牧草已进入黄枯期，所以未统计10月—次年3月的植被指数。

图3甘南牧区NDVI的月际变化

2.3 甘南牧区植被年际变化特征

图4为2000—2017年甘南牧区平均NDVI及其中的高山草甸与亚高山草甸平均NDVI的变化趋势。图中可以看出研究时段内牧区平均NDVI在0.73～0.79范围内波动，2000年为植被最差的一年，此后植被逐渐恢复，2010年为植被最好的一年，牧区平均NDVI达到0.788。玛曲草原作为甘南牧区的一部分，其植被变化与甘南牧区植被变化基本一致，也是2000年植被最差，2001—2005年间植被缓慢恢复[18]。总体上看，NDVI呈现增加的趋势。通过二项式分析看，2000—2010年NDVI为增加趋势，2011年以后为减少趋势。利用2011—2017年与2004—2010年平均NDVI比较也能看出，2011—2017年NDVI是有所下降的。

亚高山草甸区平均NDVI走势与牧区平均NDVI走势一致，也是2000年最低，此后植被逐渐恢复，2010年为植被最好的一年。而高山草甸除2006—2007年与2016—2017年外，也与牧区平均NDVI走势基本一致。植被最好的年份也是2010年，而最差的是2008年。

图4 甘南牧区平均NDVI的年际变化

2.4 甘南牧区植被的空间变化特征

利用趋势线分析了2000—2017年甘南牧区植被的空间变化趋势（图5）。碌曲南部及玛曲黄河沿岸植被呈明显减少趋势，夏河中南部是植被呈明显增加趋势。整体上甘南牧区NDVI为增加趋势（斜率大于0.002）的区域比减少趋势（斜率小于-0.002）的区域大，占甘南牧区总面积的30.1%，主要位于碌曲北部及夏河大部分地区。NDVI呈减少趋势的区域占牧区总面积的3.9%，主要位于碌曲南部、玛曲黄河沿岸等地，NDVI基本不变的区域主要位于玛曲、碌曲南部及合作地区。与甘南牧区地形及NDVI的平均分布空间对比可以发现，植被增加的区域主要位于相对海拔较高的区域和夏河河谷植被较差的区域，植被减少的区域主要位于相对海拔较低的地区，这和甘南北部牧区植被的垂直分布一致。

分别分析高山与亚高山草甸区NDVI变化趋势显示，亚高山草甸区NDVI变化趋势的最大、最小值分别为0.013与-0.017，平均趋势为0.001；高山草甸区NDVI变化趋势的最大、最小值分别为0.014与-0.007，平均差值为0.001。显然整体上高山草甸区与亚高山草甸区NDVI变化趋势一致，植被均为向好发展，但亚高山草甸区的局部地方植被变差的趋势却十分明显。

图5 2000—2017年甘南牧区NDVI趋势性斜率

为更好地了解甘南牧区植被变化情况，同时验证趋势线分析结果，对2017年与2000年甘南牧区NDVI进行了差值分析，差值结果与趋势线分析大体一致，植被增加（NDVI2017-NDVI2000≥0.03）的区域占牧区总面积的34.3%，主要位于碌曲北部及夏河中南部；植被减少（NDVI2017-NDVI2000＜-0.03）的区域占牧区总面积的14.2%，位置与趋势线分析结果基本一致，但范围明显扩大，特别是在合作及夏河北部地区。整体上，2017年甘南牧区植被与2000年相比，植被增加的区域是减少的区域的2倍多，甘南牧区植被增加。其中，亚高山草甸区NDVI平均差值为0.012，植被变好与变差的区域分别占亚高山草甸区面积的33.2%和14.1%；高山草甸区NDVI平均差值为0.023，植被变好与变差的区域分别占亚高山草甸区面积的42.4%和12.2%。高山草甸区NDVI增加较亚高山草甸区明显，亚高山草甸区植被退化是甘南牧区植被退化的重点。

3 讨论

光照、水分（自然环境下主要依靠降水）、热量（气温）、CO2等为植物生长的基本条件，对植被的活动起着十分重要的作用。近年来，大气中的CO2浓度呈现明显的上升趋势，研究[19-20]表明长期的CO2浓度偏高将发生光适应现象，CO2浓度升高对植被光合作用速率的提高不明显，所以光照、气温、降水就成为影响植被活动的重要自然因子。近年来的研究也表明植被活动的强弱对于气温和降水的变化具有较好的对应关系[9，21-23]。

分析2000—2017年4—9月甘南牧区及其中的亚高山草甸区的最大NDVI与牧区春夏秋冬四季（秋季为9—11月，冬季时间为12月—次年2月）的平均气温、降水量、日照时数关系（表1）显示：牧区的最大NDVI与四季的气温均呈正相关，与其中的冬季、春季气温呈显著正相关；与秋季降水量呈负相关，与冬季、春季、夏季降水量呈正相关，与其中春季降水量呈显著正相关；除与冬季日照时数不显著负相关外，其余三季均为显著负相关。亚高山草甸区的最大NDVI与四季的气温呈正相关，与其中的冬季、春季、夏季气温成显著正相关；与秋季降水量呈负相关，与冬季、春季、夏季降水量呈正相关；除与冬季日照时数为不显著负相关外，其余三季均为显著负相关。高山草甸区（高山草甸区绝大部分地方位于玛曲）最大NDVI与玛曲四季气温、降水量、日照时数关系：与四季气温均呈正相关，与其中冬季和夏季气温呈极显著正相关；除与冬季降水量呈负相关外，与其余三季均呈正相关；与四季日照时数均呈负相关，其中与春季、秋季日照时数呈极显著负相关。说明甘南牧区最大NDVI对日照时数反应最为敏感，对气温的反应也很敏感，对降水量反应相对较差。其中，日照时数对高山草甸区植被的影响要高于对亚高山草甸区；秋季、冬季和夏季的气温对高山草甸区植被的影响要高于亚高山草甸区。

表1 最大NDVI与气象因子的相关性分析

2000—2011年甘南草地具有由高植被盖度向中高植被盖度转换的趋势[13]。2000—2008年玛曲草地植被结果显示玛曲草地植被由优等植被覆盖向劣等植被覆盖转变[24]。本文使用年均NDVI≥0.788（2000年以来甘南牧区年平均NDVI最高值）的区域（约占研究区面积的43.4%）作为植被高覆盖区域。以2017年与2000年NDVI差值作为研究对象，结果显示：该区域植被增加（NDVI2017-NDVI2000＞0.03）的面积占该区域面积的32.4%，减少的区域（NDVI2017-NDVI2000＜-0.03）占 8.4%，高植被覆盖区域 NDVI增加的面积约为减少面积的4倍。因此，甘南牧区高覆盖区植被也是增加的，这与前人的研究不同。

超载放牧是甘南草地恶化的直接驱动因素，气候异常扰动是次生因素[23，25]。人为因素是导致玛曲植被覆盖变化的主要因素[24]。气候变化与人类活动共同造成了甘南草原生态环境退化[26]。本文通过研究表明，2017年与2000年相比，甘南牧区植被总体上呈增加趋势，这与气候变化和近年来甘南州实施的设置禁牧区、退耕还草、科学规划放牧场等生态保护项目有关；但约有14.2%牧区植被出现减少情况，植被减少的区域大部分位于人类活动较多的低海拔地区，人为因素是造成局部地方植被减少的主要因素。放牧活动作为牧区的主要生产方式，载畜量的多少对牧区植被影响巨大，本文通过年初牲畜量（一头大牲畜按4只羊计算，一头猪按2只羊计算）与年内牧区最大NDVI的相关性分析显示，年内最大NDVI与年初牲畜量呈显著正相关，相关系数为0.500。这与前人研究结果不同，这可能与近年来实施禁牧区、退耕还草、科学规划放牧场、农牧互补（牧区繁育、农区育肥、农区种草、牧区补饲）等保护生态环境及促进甘南畜牧业可持续发展等项目有关。