1980—2015年青藏高原植被变化研究

丁佳，刘星雨，郭玉超，任鸿瑞

太原理工大学测绘科学与技术系，山西 太原 030024

青藏高原由于隆起和抬升具有了独特的自然环境特征，促成了高原季风系统和我国现代季风格局，影响着整个高原乃至全球气候的变化以及亚洲植被的分布格局。青藏高原拥有特殊的地形和热力动力循环，具有气温较低、太阳辐射较强、温度降水量不均衡、干湿分明的气候特点。作为世界上海拔最高的巨大构造地貌单元，其抗干扰能力较弱，极易受到环境变化的影响，生态系统极为脆弱。同时青藏高原有独特的自然景观和珍贵的动植物，因此对该区域的生态保护迫在眉睫（郑度等，1990；莫申国等，2004）。

关于青藏高原植被转换的研究，在青藏高原东北部的青海省植被变化情况为 1977—2010年青海湖环湖区的草地、林地面积减少，耕地面积增加（张金龙等，2013）；西宁市在1999—2005年草地和林地面积显著增加，生态建设改善了其生态环境（伏洋等，2009）。有关甘肃省植被的研究，天祝县1991—1999年耕地递增，主要增长方式是开发林草地，但撂荒现象严重；新增林草地来自未利用地（吴静等，2010）。以上研究都表明引起变化的原因主要为人类活动（如旅游、放牧）和气候因素（如气温、降水）。关于对青藏高原东部地区的研究，1995—2000年间贡嘎山地区的林地面积减小，而草地、耕地面积增加；景观格局由耕地、林地向草地和水域转变（王小丹等，2005）。在西藏地区的研究，陈露等基于卫星地图收集了中喜马拉雅4条典型高山峡谷带的遥感影像研究耕地和草地的空间分布特征，结果反映了该区域的植被现状及结构：耕地集中在2500—3800 m，草地集中在3800—4800 m，基隆谷地可利用土地最多（陈露等，2011）。

大部分学者利用各种植被指数数据结合气象资料分析青藏高原植被覆被的变化。由于 GIMMS NDVI数据集是目前时间序列最长的NDVI数据，众多学者利用该数据集进行研究分析。通过在不同时间尺度研究青藏高原的植被变化，发现 1981年以来青藏高原的植被整体趋于改善，局部退化。1982—2006年青藏高原NDVI整体上升，存在显著的空间差异，低覆盖度的植被改善，高覆盖度退化；针叶林、阔叶林覆盖度下降，其他植被上升（Zhou et al.，2007；梁四海等，2007）。张戈丽等（2010）研究了不同生态地理分区的变化，结果表明湿润半湿润及部分半干旱地区改善，半干旱和干旱地区退化；植被变化对气温变化相较于降水变化更敏感，植被覆盖中等区域与气候因子的相关性最强。Cong et al.，（2017）、许文鑫等（2019）利用季节趋势分析和变化点检测的方法分析发现1982—2012年空间异质性显著，西部植被轻微退化、南部和东北部退化明显，中东部改善。1981—2015年高海拔地区的植被带增长主要受暖湿化影响；海拔较低地区的植被带退化主要受人为干扰因素的影响（魏彦强等，2019）。由于MODIS NDVI数据集的空间分辨率较高，卓嘎等（2018）等基于该数据集研究得出2000年以来NDVI值呈增加趋势，改善面积大于退化；气温与降水均呈增加趋势，NDVI与降水量呈正相关，与气温在东南部呈正相关，西南部则相反。有学者利用GIMMS和MODIS两种数据进行分析，如赵紫薇（2017）发现1982—2013年植被整体改善，高海拔地区变化显著；植被变化趋势在不同阶段的表现不同。同时有文献利用其他植被指数研究分析，如 SPOT-VGT NDVI植被指数（Li et al.，2014）、增强型植被指数（EVI）数据（周睿等，2007）、GLASS LAI数据集（Li et al.，2018）等。

目前对于青藏高原植被变化的研究大多数是分别研究其转换变化和覆被变化，只能单一的了解植被的某一种变化趋势，同时研究多为整个高原尺度上的变化。因此，本文从植被转换变化和土地利用类型没有发生变化区域的植被覆被变化两个方面研究青藏高原的植被变化，并分区进行分析，为青藏高原的生态环境保护提供数据支持。

1 研究区及数据与方法

1.1 研究区概况

青藏高原占地面积约250万km2，区域范围介于 26°00′—39°47′N，73°19′—104°47′E 之间，平均海拔范围为3—5 km，跨越西藏，青海等6个省区，其地形复杂，分布有高山、湖泊、盆地、冰川冻土等多种地貌，气候类型独特且多样，东南部地区暖热湿润，西北部则寒冷干旱，有“地球第三极”之称。该区域范围内有着丰富的光照和地热资源，同时也是中国众多河流的发源地。由于气候类型和地形特征的共同作用，青藏高原的植被类型多种多样，主要类型有高寒灌丛，高寒草甸，高寒草原和高寒荒漠，东南部分布有针叶林和阔叶林。青藏高原对于气候变化的响应较为敏感，该区的气候变化会直接影响中国的气候变化，乃至全球。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 NDVI数据

NDVI数据选用GIMMS NDVI 3g数据，GIMMS（Global Inventory Modeling and Mapping Studies）NDVI数据来自NOAA卫星的AVHRR传感器，是到目前为止时序最长的植被数据集，由 ECOCAST网站（https://ecocast.arc.nasa.gov/）下载1981—2015年GIMMS NDVI 3g数据，空间分辨率为8 km×8 km，时间分辨率为15 d，覆盖全球范围。本数据集在合成计算过程中已进行了辐射校正、几何校正、大气校正以及坐标转换等预处理，保证了数据的质量（Fensholt et al.，2012）。为消除非植被对结果的影响，剔除 NDVI值小于零的区域，然后将 NDVI数据利用最大值合成法 MVC（maximum value composites）合成年最大NDVI数据，公式如下：

式中，NDVImax代表月或年最大NDVI，NDVIi为半月或月NDVI数据。

1.2.2 土地利用遥感监测数据

土地利用数据来自中国科学院基于国家资源环境数据库，以美国各期的 Landsat遥感影像人工目视解译生成的中国多时相土地利用现状遥感监测数据库（CNLUCC），分辨率为1 km，由资源环境数据云平台发布（http://www.resdc.cn/），其包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个一级类型和25个二级类型。本文将耕地视为农作物，将林地分为乔木林地和灌木林两类，选取农作物、乔木林地、灌木林、草地4种植被类型进行研究，研究年份为1980年和2015年。利用ARCGIS和Excel得到1980—2015年植被类型的面积变化情况以及转移矩阵。

1.2.3 生态区划数据

中国生态地理区划地图来自《中国地理图集》（https://www.osgeo.cn/），该地图采用了等面积圆锥投影，比例尺为 1∶3200万。关于青藏高原自然地域的系统研究，郑度等（郑度等，1990；郑度，1996）依据温度，水分和地形将青藏高原划分为3个温度带，按照年干燥度和年降水量划分5个干湿地区，并分为12个自然区（表1）。

表1 青藏高原区自然地域系统Table 1 Natural regional system of the Qinghai-Tibet Plateau

1.2.4 气象数据

采用资源环境科学与数据中心发布的年平均气温和年降水量数据集，该数据集基于全国 2400多个气象站点，利用 ANUSPLIN插值软件对逐日观测数据进行插值处理生成，该软件采用平滑样条函数方法对数据进行分析插值，时间跨度为 1981—2015年，空间分辨率为1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 植被转换变化

利用土地利用转移矩阵对 1980—2015年青藏高原的植被转换变化即植被覆盖面积的变化进行分析。土地利用转移矩阵（徐岚等，1993）可以定量反映某时段某地区不同植被类型的转换情况，形式为：

式中：S表示面积，n为土地利用类型数，i，j分别表示研究时段内初期与末期的土地利用类型，Sij代表i类型转换为j类型的面积。

1.3.2 植被覆被变化

提取 1981—2015年土地利用未发生变化的区域，统计其NDVI的年际变化，并采用最小二乘法拟合NDVI随时间的变化速率，以此来分析植被的覆被变化即地表植被覆盖状况的变化。NDVI的年际变化趋势计算公式如下：

式中：Slope为变化速率，表示年际变化趋势，Xi为年份，Yi为年 NDVImax，n为年份数。Slope＞0表示该像元 NDVI在 35年间的变化趋势是增加的，反之则为减小，Slope绝对值越大，则变化速率越大。

1.3.3 植被变化与气候变化相关性分析

逐像元计算NDVI与主要气候因子（气温、降水）的相关系数，分析植被变化与气候因子之间的相关性，相关性用Pearson相关系数表示，计算公式为：

式中：R为相关系数，xi为气候因子第i年的值，yi为年 NDVI值，x¯，y¯为变量x，y的平均值。

2 结果与分析

2.1 青藏高原植被转换变化分析

2.1.1 总体变化分析

由表2得到青藏高原植被覆盖的总体变化特征：青藏高原地域辽阔，土地面积约占比我国总面积的25%。4种植被类型在青藏高原均有覆盖，植被覆盖约180万km2，占青藏高原总面积的70%左右。近 35年来，青藏高原的植被类型面积变化相对稳定，其中草地和农作物面积呈增加趋势，草地占地面积最大，占总面积的58%；农作物资源缺乏，集中分布在研究区的东北部青海湖附近地区以及南部少量地区，所占比重最小，约占土地总面积的0.7%，但年变化率最大，为1.26%。而集中分布于研究区东部边缘和东南地区的乔木林地以及灌木林呈现略微减小趋势。

表2 1980—2015年青藏高原植被面积变化Table 2 Changes in the vegetation area of the Qinghai-Tibet Plateau from 1980 to 2015

2.1.2 时空变化分析

由表3可知，1980—2015年青藏高原的植被类型变化过程整体表现为：草地的转入转出面积最大，其他3种植被类型转入转出面积相差无几，乔木林地转入面积最小，农作物转出面积最小。具体转换过程为：（1）农作物的转出类型主要为草地和建设用地，大部分位于青海省的东部边缘地区，如西宁市，主要转入类型为草地，位于研究区东部的青海省和甘肃省，转入面积大于转出面积，净增加面积为232 km2；（2）乔木林地主要转入转出为草地和灌木林，位于研究区东南部的四川省和云南省；（3）灌木林转换类型主要为草地，其次是乔木林地，转换过程发生在东部边缘地区。乔木林地和灌木林的转入面积小于转出面积，因此面积减少，净减少面积分别为359、264 km2；（4）草地主要转出为未利用地，位于研究区中部地区，其次为水域，主要位于西藏、青海和甘肃交界的地域；转入类型主要为水域，水域类型中永久性冰川雪地转入面积较大，位于研究区西北部和东南部，其次为未利用地，主要位于甘肃省。草地主要表现为与水域以及未利用地之间的相互转换，转出面积小于转入面积，近35年来青藏高原的草地面积呈现增加趋势，面积净增加902 km2。

表3 1980—2015年青藏高原土地利用转移矩阵Table 3 Land use Transfer Matrix over the Qinghai-Tibet Plateau from 1980 to 2015 km2

2.2 青藏高原植被覆被变化分析

2.2.1 总体变化分析

从 NDVI统计来看（图1），青藏高原 1981—2015年的 NDVI值呈现出一定的波动性，在 0.34—0.37之间变化，多年平均NDVI值为0.35，2000年达到最大值，2003年出现最小值。NDVI随时间的变化情况为y=0.00007x+0.22（R2=0.01，P=0.51），呈上升趋势，没有通过显著性检验。青藏高原植被覆盖总体较差，整个研究区域NDVI平均值较低，求取平均值时，植被好转和植被退化的区域会相互抵消，从而总体上植被变化趋势波动性不大。

图1 1981—2015年青藏高原NDVI的年际变化Fig. 1 Inter-annual variation of NDVI in the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015

从整个研究区域来看（图2），植被改善的面积为143.15 km2，退化的面积为97.41 km2，植被覆盖大致趋于好转。利用等间隔等分法将变化趋势分为5个等级，分别为严重退化（Slpoe≤-0.002），轻微退化（-0.002＜Slpoe≤-0.0005），基本不变（-0.0005＜Slpoe≤0.0005），轻微改善（0.0005＜Slpoe≤0.002），明显改善（Slpoe＞0.002），面积占比分别为3.56%、18.23%、49.68%、25.46%、3.09%。青藏高原近50%的区域变化趋势不明显，轻微变化（包括轻微改善、基本不变和轻微退化）占90%以上。植被好转的区域主要分布在青藏高原海拔较高的北部地区，如西藏阿里、日喀则地区，青海省海西蒙古族藏族自治州。在研究区域的北部干旱地区（H1D1、H2D1、H2D2）增长尤为明显。在西藏自治区东南部、青海省南部及四川省西部地区，即整个青藏高原区域的东南部低海拔地区（H1B1、H2AB1、VA5、VA6），植被退化明显。

图2 1981—2015年青藏高原植被生长变化趋势及其显著性检验Fig. 2 The trend of vegetation growth and its significance test on the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015

2.2.2 分区变化分析

从不同植被类型的统计结果来看（图3），植被类型的面积占比主要集中在草地。农作物和草地呈增长趋势，农作物增长比较显著，而草地增长较为平缓，均没有通过显著性检验。植被NDVI减小的区域为乔木林地和灌木林，显著性水平较差。结合海拔数据从植被的空间分布来看，增长的区域位于较高海拔的地区，大多数植被趋于好转反映了气候变暖可能会促使位于高海拔地区的植被生长条件得到改善致使植被的覆盖范围扩大。减少的区域分布于研究区域的东部边缘地带和东南部海拔较低、温度适宜、降水充足的地区。

图3 不同植被类型植被变化趋势Fig. 3 Vegetation variation trend of different vegetation types

关于青藏高原的 12个不同生态气候区的统计结果（表4），高原亚寒带干旱和半干旱地区（H1C1、H1C2、H1D1）、高原温带半干旱地区（H2C1和H2C2）以及高原温带干旱地区（H2D1、H2D2、H2D3）生态气候区的植被生长状况呈现改善状态。其中H2C1（P＜0.01）变化极显著；H1D1、H2D1、H2D2（P＜0.05）变化显著；H1C2和H2D3改善相对不明显。有4个生态气候区的植被覆被趋于退化，分别为高原亚寒带半湿润地区（H1B1）、高原温带湿润/半湿地区（H2AB1）以及中亚热带湿润地区（VA5和 VA6），其中 H1B1、VA5（P＜0.05）退化明显。总体来说，趋于改善的区域集中在高原亚寒带和高原温带的干旱半干旱区，呈现退化趋势的处于青藏高原东南部海拔相对较低的湿润半湿润区。全球变暖的趋势或许能够一定程度的改善高海拔地区的植被生长条件。在海拔和气候条件较好的地区植被退化严重可能是受人为因素的影响。

表4 不同生态气候区植被变化趋势Table 4 Vegetation variation trend of different ecological climate zones

2.3 青藏高原主要气候因子分析

2.3.1 青藏高原气候的年际变化

从青藏高原年平均气温和年降水量年际变化（图4、表5）得，1981—2015年青藏高原的年平均气温集中在-2—1℃之间，以0.5 ℃·(10 a)-1的速率显著升高（P＜0.01），2010年气温达到最大值，1983年出现最小值，平均气温为-0.54 ℃；从空间分布来看，气温由南向北呈现先降低后升高趋势。35年来年青藏高原年降水量集中在400—600 mm，平均降水量为505.42 mm，降水整体以9.4 mm·(10 a)-1增加，呈缓慢增加趋势，但不同的植被类型变化趋势不同，乔木林地和灌木林的年降水量近 35年间呈减少趋势；在空间分布上，降水从东南向西北方向逐渐递减。总体来看，青藏高原区域的气候逐步暖湿化，为植被生长提供了良好的环境。

图4 1981—2015年青藏高原年平均气温与年降水量的年际变化Fig. 4 Inter-annual variation of annual average temperature and annual precipitation on the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015

表5 不同植被类型主要气候因子变化趋势Table 5 Change trend of main climate factors of different vegetation types

2.3.2 青藏高原植被变化与气候的关系

从青藏高原植被变化与主要气候因子的相关关系看出（图5、表6），1981—2015年，青藏高原归一化植被指数变化与年降水量、年平均气温变化均呈正相关，相关系数分别为 0.09和 0.06，说明NDVI变化与降水变化相关性更强。植被NDVI变化与年平均气温变化呈正相关的区域占整个高原的59.42%，正相关系数较高的区域主要分布在新疆维吾尔自治区、西藏自治区和青海省三地的交汇处以及青海省的部分地区。植被NDVI变化与年降水量变化呈正相关的区域占整个高原的64.35%，正相关系数较高的区域主要分布在柴达木盆地周围。农作物和草地的NDVI变化与年平均气温、年降水量变化呈正相关；乔木林地变化呈负相关；灌木林变化与气温变化呈负相关，与降水变化呈正相关。农作物NDVI变化与气温、降水变化的相关系数最大，乔木林地最小。

图5 1981—2015年青藏高原年平均气温及年降水量与NDVI的相关性Fig. 5 Correlation between annual average temperature and annual precipitation on the Qinghai-Tibet Plateau and NDVI from 1981 to 2015

表6 不同植被类型年平均气温、年降水量及与NDVI的相关系数Table 6 Annual average temperature and annual precipitation of different vegetation types and their correlation coefficients with NDVI

3 讨论

青藏高原的植被种类多样，生长状况差异显著，植被的变化可以间接反映生态环境的变化。气候变化和人类活动是植被变化的主要影响因子，其中气候变化主要是降水、气温和日照共同作用的结果，每种植被类型都需要在适宜的温度、日照和水分中生长，气候因素直接影响植被的新陈代谢以及蒸腾强度。因此从自然和人为因素两个方面对青藏高原不同植被类型变化的原因展开讨论。

农作物面积增加且长势变好，其变化原因为青藏高原由暖干转向暖湿，气温持续升高，降水和热量资源增加，NDVI变化与气温和降水变化呈正相关，因此适宜农作物生长的面积增加。而且国家发展政策的实施、青藏铁路的开通等都促使研究区域内人口增多，迫于人口快速增长的压力，农牧民需要开垦土地来满足生活需求。

青藏高原的林地在从大量的采伐到采伐的同时恢复造林再到现在以保护和恢复为主的过程中，发生了显著变化（张镱锂等，2019）。研究时段内，乔木林地和灌木林面积减少且覆盖降低，一方面是由于大部分乔木林地和灌木林生长在东南部地区，该区域内的植被自身生长环境较好，有充足的降水与温度，而近 35年来该类型区域降水减少，气温升高；灌木林变化与降水变化呈正相关，而乔木林地变化与降水变化呈负相关，但相关系数较小，则影响较小；乔木林地和灌木林变化与温度变化呈负相关，温度升高和日照增多会增加地表蒸散，导致乔木林地和灌木林呈现退化趋势。另一方面 21世纪以来，虽然高原地区实施了退耕还林、天然林保护等措施，但随着该区域社会经济和旅游业的迅速发展，人类活动不断增多可能导致人为干扰强度增加，对乔木林地和灌木林的破坏力度也随之加大。

草地面积增加且生长情况趋于改善，引起变化的原因是植被变化与气温和降水变化呈正相关，随着气候逐渐暖湿化，降水增加可以提供植被生长充足的水分，温度和日照升高能够满足植被生长所需要的热量，适当地增加降水、温度和日照有利于植被进行光合作用，可促进植被生长（卓嘎等，2018）；“退牧还草”工程的启动、生态环境保护措施的实施，都促使青藏高原向变绿方向发展。

4 结论

本文通过对 1980—2015年青藏高原植被转换和植被覆被两部分进行分析得出：

（1）研究时段内青藏高原植被类型面积净变化1757 km2，主要表现为乔木林地和灌木林面积减少，农作物和草地面积呈增加趋势。农作物、乔木林地、灌木林和草地之间相互转换；新增加的农作物主要来自于草地，草地的增加主要是由于水域的转入，而乔木林地和灌木林转出为草地的面积大于转入的面积；植被转出总面积为8563 km2，转入总面积为9074 km2，整体呈增长趋势。

（2）关于不同植被类型的覆被变化，农作物分布在青海省东部高原温带半干旱地区，草地大规模分布于青藏高原，农作物和草地的生长情况均趋于改善；乔木林地大部分位于东南部湿润半湿润地区，灌木林生长在湿润半湿润和半干旱地区，乔木林地和灌木林的生长状况均表现出退化趋势。不同生态气候区植被的覆被变化表现为年降水量较少的干旱半干旱地区的植被趋于改善，而年干燥度较低的湿润半湿润地区的植被呈现退化趋势。总体来看，近35年来，青藏高原的植被覆被趋于好转。

（3）青藏高原整体呈暖湿化发展趋势，NDVI指数变化与年平均气温、年降水量变化均呈正相关，对降水变化响应更为敏感。不同植被类型对气候因子的响应表现为农作物对降水和气温变化最敏感。研究时段内乔木林地和灌木林降水减少，气温升高，乔木林地对降水和气温变化表现为负相关，灌木林与降水变化呈正相关，与气温变化呈负相关；农作物和草地气温升高，降水增加，且均呈正相关。