2000—2019年西藏草地植被覆盖度对气温和降水变化的响应

刘 坤，袁 新，肖寒予，董 航

（中国地质调查局军民融合地质调查中心，成都 610059）

植被覆盖度（）反映了植被的地表分布状况，与气候、土壤、人类活动等因素相关。西藏平均海拔高达4 000 m，传统调查方法存在耗时长、部分区域难到达等缺点，遥感技术作为大尺度、全覆盖、全时段的监测调查手段，可准确监测植被覆盖度变化。植被归一化指数（）是反映地表植被覆盖状况的重要植物指数。目前，基于SPOT/VEGETATION 以及MODIS 等卫星遥感得到的长时间序列数据已经在不同区域植被动态变化监测、覆被变化检测、宏观植被覆盖分类等研究中得到了广泛的应用。

西藏生态环境脆弱，气候变化因素对植被覆盖度影响较明显。从东南部到西北部，西藏的海拔、降水、气温变化极其显著，东南部植被分布率接近100%，西北部植被分布极为稀疏。杨达等研究了青藏高原草原植被生长季与气候变化的关系，随着草原类型由湿润变干燥，变化幅度缩小，湿润和半干旱区气温是主导因子，干旱区主导因子是降水。李伟霄等研究发现，三江源地区植被具有显著的季节变化特征，年变化呈现出波动并且微弱上升的趋势，三江源地区植被覆盖整体趋好，这和气候变暖、区域降水增加有关。许宁研究发现，2005—2014年，西藏生长季平均植被覆盖度为33.00%～36.00%，整体表现为稳定上升趋势，东南地区植被覆盖明显好于西北地区。白淑英等分析了西藏山南市植被覆盖的时空变化特征，并结合地表温度和降雨量数据，采用植被气候时空关系模型，定量分析了气候变化和人类活动对山南市植被覆盖的影响，指出气候变化是影响植被生长的决定性因素，但人类活动可在短期内加快植被变化。冯莉莉等研究指出，吉林省不同土地利用类型的植被覆盖度差异很大，其分析了多个气象站点的10年降雨数据，结果发现，处在东部的延吉站降雨量与植被覆盖度成正相关，处在中西部的长春、四平及前郭尔罗斯3 个气象站的降雨量与植被覆盖度均成负相关。杨瑞瑞等研究发现，若尔盖大部分地区植被覆盖度受非气温和降水因素影响。

本研究在西藏不同类型草地选取三个样地，分别是高寒荒漠草原、高寒草原、高寒草甸草原，这三种草原在西藏分布最广，对于评价西藏草原植被长时间序列变化有积极意义。近年来，气候变暖成为热点。探究气候变暖下的多年西藏草原植被覆盖度变化具有积极意义，进而为保护西藏草原、保护西藏生态提供依据。

1 研究区概况

西藏自治区位于中国的西南边陲，地处北纬26°50′～36°53′，东经78°25′～99°06′，处于青藏高原的西南部。平均海拔高达4 000 m，海拔4 000 m 以上的地区占全区面积的85.1%，主要分为藏北高原、雅鲁藏布江流域和藏东峡谷地带。全区气候分为东南部温暖湿润区和西北部严寒干燥区，干雨季划分明显，主要降水都集中于雨季。从东南到西北，草原类型依次为高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原，地带性分布特征鲜明。

本文选择西藏分布面积最大的三种草地类型，即高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原作为研究对象。2021年9月，根据实地调查，噶尔、班戈、那曲三个地方的样地类型分别为高寒荒漠草原、高寒草原、高寒草甸草原。各类型草原分别选取代表性样地，取样地9 个像元的均值（3 km×3 km）作为各类型草原植被覆盖度值，每个样地的面积为27 km，如表1 所示。

表1 样地基本特征

1.1 数据来源及处理

1.1.1 遥感数据

本研究所用数据来源于SPOT/VEGETATION PROBAV 1KM PRODUCTS（http://www.vito-eodata.be），在旬1 km 植被指数数据基础上，采用最大值合成法生成了2000—2019年的生长季植被指数集。生长季数据为3—11月（春、夏、秋三季）数据的最大值，数据空间覆盖范围为西藏，数据获取时间为2000—2019年。1.1.2 气象数据

2000—2019年气象数据来源于国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）。选取离样地点最近的三个气象站点，即采用噶尔、班戈、那曲气象站的降水数据和气温数据，年降水量是指1—12月的降水量总和。

1.1.3 数据处理及方法

一是归一化植被指数（）计算。采用预处理后的草原生长盛期的遥感数据，计算归一化植被指数。

二是累计分布概率统计。统计草原地区累积分布概率，一般取累积分布概率为5%左右的作为完全裸土或无植被覆盖区域的归一化植被指数（），取累积分布概率为95%左右的作为纯植被像元的归一化植被指数（）。

三是植被覆盖度（）遥感估算。基于遥感的植被覆盖度计算公式如式（1）所示，取值范围为[0，1]。当像元小于时，该像元＜0，取值为0；当大于时，该像元＞0，取值为1。当介于两者之间时，利用像元二分模型计算该像元植被覆盖度，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0 表示有岩石或裸土等，近红外波段的反射值和红光波段的反射值近似相等；正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。

四是最大合成法。最大合成法将多幅相同的栅格图叠加，每个栅格单元值取多幅中最大的那个，最后合成一幅。

2 结果与分析

2.1 大气温度及降水量变化

2.1.1 大气温度变化

噶尔、班戈、那曲样地区年平均气温变化如图1所示。2000—2019年，三个样地区多年平均温度分别为2.0 ℃、0.7 ℃、0.5 ℃，从西到东呈现高寒荒漠草原＞高寒草原＞高寒草甸草原的规律，三种草原样地的温度都呈现缓慢上升趋势，年均变化分别为噶尔0.046 ℃、班戈0.055 ℃、那曲0.076 ℃，那曲样地区温度上升程度大于班戈和噶尔。

图1 噶尔、班戈、那曲样地区年平均气温变化

从样地区多年生长季平均气温变化（见图2）可以看出，三个样地区生长季均温年际变化幅度较小，在2 ℃范围内变化。噶尔生长季均温明显高于班戈与那曲，最高温度可以达到15 ℃。而班戈与那曲样地区温度较低，最高温度是10.5 ℃。

图2 噶尔、班戈、那曲样地区多年生长季平均气温变化

2.1.2 年际降水量变化

噶尔、班戈、那曲样地区年降水量变化如图3所示。

图3 噶尔、班戈、那曲样地区年降水量变化

噶尔、班戈、那曲三个样地区的多年平均降水量分别为86.2 mm、402.1 mm、538.2 mm，呈现从西到东逐渐增多的变化规律。三地多年降水量都随年份变化呈现增多趋势，班戈年变化为8.7 mm，平均每年降水增加量最大，那曲年变化为7.9 mm，噶尔年变化为1.2 mm。与多年气温变化结合分析，三地气候都呈现暖湿化趋势。

2.2 不同草地类型植被覆盖度年际动态

从西藏草原生长季多年平均植被覆盖度（见图4）来看，高寒草甸草原（那曲样地）最大，为57.23%，高寒草原（班戈样地）为19.53%，高寒荒漠草原（噶尔样地）最小，为8.95%。三种草地多年植被覆盖度变化趋势均为不显著上升，高寒草甸草原年际变化率为0.28%，高寒草原年际变化率为0.07%，高寒荒漠草原年际变化率为0.02%。

图4 不同草地类型植被覆盖度年际动态

2.3 西藏植被覆盖度对气候变化的响应

2.3.1 年植被覆盖度对温度变化的响应

用3—11月植被覆盖度（）的最大值代表年植被覆盖度，研究3 种草原年植被覆盖度与春季（3—5月）月均温、生长季（6—8月）月均温、多年均温的相关系数，探究年植被覆盖度与温度的相关性，结果如表2 所示。

表2 草原年植被覆盖度与温度的相关性

高寒荒漠草原的年植被覆盖度与春季月均温、生长季月均温以及多年均温均成负相关，相关性不显著，说明三种均温都不利于荒漠草原植被生长，其中高寒荒漠草原与多年均温的相关系数最大，高寒荒漠草原区降水较少，且土壤为砾石质，难以保存水分，温度升高造成土壤水分蒸发量过大，导致植被缺水，影响植物生长；高寒草原的年植被覆盖度与春季月均温负相关，且不显著，其与生长季月均温、多年均温均成正相关，显著性水平较低，说明温度对高寒草原植物生长的影响较小；高寒草甸草原的年植被覆盖度与三种温度均成正相关，相关性较小，其与春季月均温、生长季月均温的相关系数均小于高寒草原，与多年均温的相关性较大，经分析，原因是高寒草甸草原区的春季月均温、生长季月均温和多年均温均较低，而合适的温度上升可以促进植物生长。

整体来看，春季月均温与高寒荒漠草原及高寒草原的年植被覆盖度均成负相关，说明植被生长受到抑制，原因可能是温度升高会导致植被缺水。春季月均温与高寒草甸草原的年植被覆盖度成正相关，这对高寒草甸草原植物生长有促进作用，样地春季温度最低，适当升高温度有利于植被返青。生长季月均温与高寒荒漠草原的年植被覆盖度成负相关，其平均温度最高，升高温度不利于植被保存水分；其与高寒草原年植被覆盖度的正相关性最大，说明此时植物不缺水，适当升高温度有益于植被生长；其与高寒草甸草原年植被覆盖度的相关性较小，经分析，原因可能是降水对其促进作用更大。多年均温与高寒荒漠草原的年植被覆盖度负相关，其多年均温最高，说明其对高寒荒漠草原的抑制作用较大，原因可能是蒸发量过大导致植被缺水。高寒草原降水处于中游水平，温度有一定促进作用，但不明显。高寒草甸草原多年均温较低，降水较多，适当地升高温度有益于植被生长，但相关性较小。综上，温度变化对于西藏草原植被生长影响较小。

2.3.2 年植被覆盖度对降水变化的响应

用3—11月植被覆盖度（）的最大值代表年植被覆盖度，研究3 种草原年植被覆盖度与年降水量以及春季（3—5月）、生长季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（1月、2月和12月）累计降水量的相关系数，探究年植被覆盖度与降水的相关性，结果如表3 所示。

表3 草原年植被覆盖度与降水的相关性

草原年植被覆盖度与各季节累计降水量的相关性较大，其大于温度对年植被覆盖度的相关性，说明在高原上草原植被生长受降水驱动。高寒荒漠草原春季降水对植被生长有抑制作用，原因可能是降水导致气温下降，不利于植被生长恢复；高寒荒漠草原的年植被覆盖度与生长季累计降水量具有相关性，但是相关性小于高寒草原和高寒草甸草原，原因可能是高寒荒漠草原分布的植物多为旱生植物，其水分需求不如高寒草原和高寒草甸草原的植物。高寒草原的年植被覆盖度与春季、生长季累计降水量均成正相关。高寒草甸草原对降水量的响应最大，其年植被覆盖度与年降水量成极显著相关（概率＜0.01），与春季、生长季累计降水量均成显著相关，经分析，原因是其分布植物是喜水植物，生长需要足够水分。

3 结论

本研究利用西藏样地区的旬1 km 植被指数数据，采用最大值合成法生成2000—2019年生长季植被指数集，分析西藏草原年植被覆盖度与气候变化的关系，探究气温及降水对植被覆盖度的影响。2000—2019年，噶尔、班戈、那曲三个样地区多年平均温度从西到东呈现高寒荒漠草原＞高寒草原＞高寒草甸草原的变化规律，三个样地区温度都呈缓慢上升趋势，其中高寒草甸草原温度上升程度大于高寒草原和高寒荒漠草原。三个样地区的多年平均降水量从西到东逐渐增多，多年降水量都随年份变化呈增多趋势。结合多年气温变化可知，三地气候都趋于暖湿化。从生长季多年平均植被覆盖度来看，高寒草甸草原最大，高寒草原次之，高寒荒漠草原最小。三种草地多年植被覆盖度变化趋势均为不显著上升，高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原的年际变化率分别为0.28%、0.07%、0.02%，说明气候暖湿化利于草原植被恢复，但是各种草地影响不同。高寒荒漠草原的年植被覆盖度与春季月均温、生长季月均温以及多年均温均成负相关，相关性不显著，这对高寒荒漠草原抑制作用较大，三种均温不利于植被生长，原因可能是蒸发量过大，导致植被缺水。高寒草原降水处于中游水平，温度有一定促进作用，但不明显。高寒草甸草原多年均温较低，降水较多，适当升高温度有益于植被生长，但相关性较小。综上，温度变化对西藏草原植被生长影响较小，但未考虑温度上升条件下高山冰川、积雪、多年冻土融化使得土壤水分增加的影响。草原年植被覆盖度与各季节累计降水量的相关性较大，其大于温度对年植被覆盖度的相关性，说明在高原上草原植被生长受降水驱动。高寒荒漠草原春季降水对植被生长有抑制作用，原因可能是降水导致气温下降，不利于植被生长恢复。高寒草原的年植被覆盖度与春季、生长季累计降水量均成正相关，高寒草甸草原对降水量的响应最大，其年植被覆盖度与年降水量成极显著相关，与春季、生长季累计降水量成显著相关，原因是其分布植物是喜水植物，生长需要足够水分。