甘肅祁連山自然保護(hù)區(qū)草地時(shí)空變化及其對(duì)氣候的響應(yīng)

宋偉宏，王莉娜，張金龍

（1.甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，甘肅 蘭州 730020；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

祁連山是由森林、草地交錯(cuò)分布組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。草地作為祁連山生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持區(qū)域生態(tài)平衡，阻止騰格里、巴丹吉林和庫(kù)姆塔格沙漠南侵，保障黃河和內(nèi)陸河徑流補(bǔ)給等方面具有不可忽視的作用[4-5]。同時(shí)，草地也是祁連山地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的重要生產(chǎn)生活資料，與牧民的家庭經(jīng)濟(jì)收益及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分[6-7]。及時(shí)掌握祁連山草地植被生長(zhǎng)狀況、演變趨勢(shì)及其與氣候的關(guān)系，對(duì)區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)功能的科學(xué)評(píng)估具有參考價(jià)值，對(duì)指導(dǎo)地方生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)修復(fù)治理具有重要借鑒意義。

遙感技術(shù)以其速度快、范圍廣、連續(xù)性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在草地變化的監(jiān)測(cè)中[8-11]。Akiyama等[12]曾提出遙感監(jiān)測(cè)結(jié)合地理信息系統(tǒng)在草地監(jiān)測(cè)方面很有前景，而且隨著衛(wèi)星傳感器的發(fā)展和地理信息系統(tǒng)的推廣，精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的草地監(jiān)測(cè)也將會(huì)成為可能。Zhao等[13]基于遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰山北麓草地生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。馮雙雙[8]基于Landsat TM和Landsat 8 OLI TIRS影像建立了草地植被退化遙感監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)壩上草原草地退化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。Eckert等[14]研究發(fā)現(xiàn)MODIS NDVI時(shí)間序列分析對(duì)于探測(cè)植被變化區(qū)域和識(shí)別土地退化和再生是適宜的。葛靜等[15]基于UAV和MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)黃河源東部地區(qū)的高寒草地蓋度動(dòng)態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。李肖娟[16]基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)祁連山NPP時(shí)空變化特征和趨勢(shì)做了分析。Shao等[17]基于多期Landsat衛(wèi)星圖像對(duì)青藏高原阿壩縣草地保護(hù)工程前后的草地變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，從中得到的草地退化和再生的變化規(guī)律有效地輔助青藏高原環(huán)境恢復(fù)措施的制定。氣候變化對(duì)植被的影響已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注并展開研究，且主要體現(xiàn)在植被NDVI與氣溫、降水的關(guān)系和響應(yīng)特征上[18-21]。Gu等[22]基于MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)對(duì)紅河流域的植被覆蓋與氣候因子的響應(yīng)進(jìn)行研究。Duo等[23]對(duì)華北平原過(guò)去33年的植被覆蓋度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。有研究表明，降水在影響西北地區(qū)植被變化的自然因素中起著最主要作用[24]。張禹舜[25]基于MODIS遙感數(shù)據(jù)研究了近11年祁連山年際、年內(nèi)、生長(zhǎng)季及不同季節(jié)植被NPP變化及其與氣候因子的響應(yīng)。Guo等[26]通過(guò)重構(gòu)SPOT_Vegetation NDVI數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)北方錫林郭勒草原生長(zhǎng)氣的遙感監(jiān)測(cè)并分析了與氣象因子的關(guān)系。王巧玲等[1]對(duì)祁連山北麓草原植被NDVI與氣候的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，天祝縣和肅北縣的NDVI分別與氣溫和年降水量顯著正相關(guān)。

本研究以祁連山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合多期土地覆被數(shù)據(jù)、植被指數(shù)和氣象資料，分析祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同草原類型NDVI空間變化特征及趨勢(shì)，并從季節(jié)尺度分析草地演變對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)特征，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該區(qū)域氣候變化對(duì)草地演變的影響程度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

甘肅祁連山自然保護(hù)區(qū)位于甘肅省境內(nèi)祁連山自然保護(hù)區(qū)中、東段，地跨武威、金昌、張掖3市 8 個(gè)縣區(qū)，地理位置 97°23′34″-103°45′49″ E，36°29′57″-39°43′39″ N，北至祁連山森林分布下線與河西走廊相鄰，南沿祁連山主脈與青海省接壤，西至肅南縣界，東至天?？h界，平均海拔4 000-4 500 m。由于特殊的外營(yíng)力作用及復(fù)雜的地質(zhì)發(fā)展期，使得區(qū)域內(nèi)的地形與氣候形成了東西南北向差異明顯的地貌形態(tài)，植被和土壤的水平與垂直地帶性規(guī)律表現(xiàn)明顯[27]，自上而下分為5個(gè)生物氣候帶，分別為山地荒漠草原氣候帶、山地草原氣候帶、山地森林草原氣候帶、亞高山灌叢草甸氣候帶和高山亞冰雪稀疏植被氣候帶。在涵養(yǎng)水源、維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡方面具有重要地位的祁連山區(qū)通過(guò)其內(nèi)部的森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)調(diào)蓄區(qū)域降水、冰川和積雪融水。

區(qū)域內(nèi)全年降水量主要集中在5-9月，年均降水量257.2～389.9 mm，年均降水量隨海拔高度升高增多，在達(dá)到最大降水高度后，又隨海拔高度升高而逐漸減少。祁連山區(qū)大部分地區(qū)年平均氣溫1～4 ℃，林區(qū)極端最高氣溫34 ℃，極端最低氣溫-30.2 ℃?！?10 ℃活動(dòng)積溫在海拔2 500 m以下地區(qū)為1 500～2 500 ℃·d，海拔3 000 m以上地區(qū)為200～500 ℃·d[28]。研究區(qū)具體地理位置如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)源與分析方法

1.2.1 數(shù)據(jù)源及處理

MODIS NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(https://lpdaac.usgs.gov)的MOD13Q1，該產(chǎn)品是一個(gè)采用Sinusoidal投影方式的3級(jí)陸地植被數(shù)據(jù)，其空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。本研究選用2000-2018年間共414景影像，基于MRT工具對(duì)其進(jìn)行拼接、波段提取及投影轉(zhuǎn)換，并利用祁連山自然保護(hù)區(qū)矢量邊界對(duì)其裁剪，再通過(guò)ArcGIS軟件提取2000-2018年16 d合成的NDVI數(shù)據(jù)。

土地覆被數(shù)據(jù)：基于國(guó)家土地覆被分類標(biāo)準(zhǔn)，將祁連山自然保護(hù)區(qū)土地覆被分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地六大類。Landsat影像(表1)來(lái)自于美國(guó)地質(zhì)勘探局網(wǎng)站，運(yùn)用ENVI 5.1對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，通過(guò)ArcGIS10.3中人機(jī)交互的方式解譯了祁連山自然保護(hù)區(qū)2000年、2005年、2010年和2015年4期土地覆被數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)證，kappa系數(shù)達(dá)到86.93%，解譯精度較高。

草原類型數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院1∶100萬(wàn)全國(guó)植被類型圖，基于1∶100萬(wàn)中國(guó)植被圖數(shù)據(jù)將甘肅祁連山草地植被分為溫帶叢生禾草草原、嵩草雜類草高寒草甸、禾草苔草高寒草原和溫帶叢生矮禾草矮半灌木荒漠草原四類，文中依次簡(jiǎn)稱典型草原、高寒草甸、高寒草原和荒漠草原。

氣候數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)中心逐日氣溫與降水量數(shù)據(jù)(圖1)，通過(guò)ANUSPLIN軟件對(duì)其進(jìn)行空間插值。ANUSPLIN是基于局部薄盤樣條光滑函數(shù)開發(fā)的較為成熟的氣象要素插值軟件，可以同時(shí)批量處理多個(gè)空間表面，且在長(zhǎng)時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)的處理中有很大優(yōu)勢(shì)，將最終插值結(jié)果同植被NDVI做響應(yīng)分析。

1.2.2 趨勢(shì)分析法

采用一元線性方程分析研究區(qū)生長(zhǎng)季NDVI對(duì)應(yīng)像元的時(shí)間變化趨勢(shì)，從而反映祁連山自然保護(hù)區(qū)整體空間變化規(guī)律及不同草原區(qū)域格局的變化，其公式表示如下：

圖1 祁連山自然保護(hù)區(qū)地理位置及數(shù)字高程模型Figure 1 Location and digital elevation model of the Qilian Mountain National Nature Reserve

表1 祁連山自然保護(hù)區(qū)2000、2005、2010、2015年Landsat影像信息Table 1 Landsat image information for the Qilian Mountain National Nature Reserve for 2000, 2005, 2010, and 2015

式中：SLOPE代表斜率，其值大于0，說(shuō)明變化趨勢(shì)呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)，相反則是退化的趨勢(shì)；n為年數(shù)；i為年序號(hào)，NDVIi表示第i年的NDVI最大。參照前人的研究[29]，將SLOPE劃分為7個(gè)等級(jí)，分別為嚴(yán)重退化(≤-0.009 1)、中度退化(-0.009 0～-0.004 6)、輕微退化(-0.004 5～-0.001 0)、基本不變(-0.000 9～0.000 9)、輕微改善(0.001 0～0.004 5)、中度改善(0.004 6～0.009 0)、明顯改善(≥ 0.009 1)。

1.2.3 氣象插值方法

ANUSPLIN是基于薄盤樣條理論的專業(yè)插值軟件，包括普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)。由于局部薄盤光滑樣條法除普通的樣條自變量外，還允許引入線性協(xié)變量子模型，諸如溫度和海拔之間的相關(guān)關(guān)系[30]，因此本研究采用該方法對(duì)所需氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)(氣溫與降水量)進(jìn)行插值。其原理表述如下：

式中：Zi為i點(diǎn)的因變量；χi為d維插值自變量向量，f(χi)是χi的 未知光滑函數(shù)；yi是p維的獨(dú)立協(xié)變量矩陣，b為yi的 未知p維系數(shù)矩陣；ei是期望為0、方差為wiσ2的獨(dú)立變量，wi是i的相對(duì)誤差方差，σ2為常數(shù)，是所有數(shù)據(jù)點(diǎn)上的誤差方差。需注意：當(dāng)p=0時(shí)，即缺少bTyi，模型可簡(jiǎn)化為普通薄盤光滑樣條，而若f(χi)為0時(shí)，即沒(méi)有獨(dú)立樣條變量，ANUSPLIN不可用。本研究以經(jīng)度、緯度作為獨(dú)立變量，高程為獨(dú)立協(xié)變量，對(duì)研究區(qū)氣象點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。

1.2.4 相關(guān)關(guān)系分析

本研究從柵格尺度上對(duì)不同草原植被指數(shù)NDVI與氣候因素包括年降水量、年平均氣溫進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，從而在空間上表達(dá)NDVI與氣候因素的相關(guān)程度的分布特征。計(jì)算兩個(gè)時(shí)間序列xt和yt的相關(guān)系數(shù)：

式中：σx,σy表示x和y的均方差；和y的均值；Cxy為x和y的協(xié)方差；rxy表示x和y的相關(guān)系數(shù)；n為時(shí)間序列長(zhǎng)度。

相關(guān)性系數(shù)表達(dá)了兩個(gè)變量之間的相關(guān)性程度，其值的范圍[-1，1]，絕對(duì)值越大，說(shuō)明相關(guān)性越好。本研究的相關(guān)性研究劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所列。

表2 相關(guān)系數(shù)與相關(guān)程度分類Table 2 R values and correlation classification

2 結(jié)果與分析

2.1 祁連山自然保護(hù)區(qū)2000-2015年草地面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

分析2000年、2005年、2010年和2015年祁連山自然保護(hù)區(qū)草地的面積變化發(fā)現(xiàn)(表3)，草地是祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)重要的土地覆被類型，其面積占比在47%左右上下波動(dòng)?？傮w來(lái)說(shuō)，祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)草地的面積變化主要表現(xiàn)在前期（2000-2005年）減少，后期2010年和2015年又相對(duì)增加；2000-2015年其面積變化總體上呈現(xiàn)為減少，減少了1.98 km2。

表3 祁連山自然保護(hù)區(qū)2000-2015年草地面積變化Table 3 Grassland area change in the Qilian Mountain National Nature Reserve from 2000 to 2015

在退耕還林還草等一系列生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)施的背景下，草地在生長(zhǎng)過(guò)程中受到地表水熱組合和人類活動(dòng)的雙重影響，所以祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)草地面積的變化與氣候變化和人類活動(dòng)關(guān)系緊密。進(jìn)一步分析2000年與2015年草地與其他土地覆被類型間的時(shí)空轉(zhuǎn)移及變化特征(表4、圖2)，結(jié)果表明：草地地類轉(zhuǎn)移最明顯的圖譜單元為“32”和“23”，即草地轉(zhuǎn)為林地和林地轉(zhuǎn)為草地，轉(zhuǎn)移面積分別為799.01和786.96 km2，轉(zhuǎn)移區(qū)域主要分布在祁連山自然保護(hù)區(qū)的中部與東南部；其次為“63”和“36”，即未利用地轉(zhuǎn)為草地和草地轉(zhuǎn)為未利用地，轉(zhuǎn)移面積分別為500.3和469.69 km2，轉(zhuǎn)移區(qū)域主要集中在祁連山自然保護(hù)區(qū)的北部與西南邊緣；再次為“31”和“13”，即草地轉(zhuǎn)為耕地和耕地轉(zhuǎn)為草地，轉(zhuǎn)移面積分別為94.86和88.17 km2，主要分布于自然保護(hù)區(qū)的中部邊緣和東南部邊緣區(qū)域；再次為“34”和“43”，即草地轉(zhuǎn)為水域和水域轉(zhuǎn)為草地，轉(zhuǎn)移面積分別為34.86和22.71 km2，其空間分布差異顯著，主要集中分布在保護(hù)區(qū)的北部、中部、南部；最后為“35”和“53”，轉(zhuǎn)移面積占比相對(duì)較小，草地轉(zhuǎn)出為農(nóng)村居民用地的面積為5.57 km2，城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)入草地的面積為4.12 km2，零星分布在研究區(qū)的東南邊緣。

表4 祁連山自然保護(hù)區(qū)2000和2015年草地與其他土地覆被類型間的轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Transitions between grassland and other land-use types in the Qilian Mountain National Nature Reserve between 2000 and 2015 km2

圖2 草地地類轉(zhuǎn)移圖譜單元空間差異(a)與面積變化(b)Figure 2 Grassland class transition map (a) and area change (b)

綜上可得，草地轉(zhuǎn)為林地明顯，這說(shuō)明區(qū)域內(nèi)退耕還林還草等一系列生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的實(shí)施以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)林的建設(shè)使得祁連山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)功能進(jìn)一步加強(qiáng)，有助于區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮。草地轉(zhuǎn)為未利用地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的面積大于轉(zhuǎn)入面積，數(shù)據(jù)量?jī)H為保護(hù)區(qū)草地面積的0.4%，隨著近年生態(tài)環(huán)境整改的進(jìn)一步落實(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)一步減少。

2.2 不同草原類型的遙感監(jiān)測(cè)

2.2.1 季節(jié)尺度下不同草原類型的時(shí)空變化趨勢(shì)

計(jì)算分析2000-2018年典型草原、高寒草甸、高寒草原和荒漠草原4類草地春季、夏季、秋季和冬季NDVI的變化趨勢(shì)(圖3-圖6)。

2000-2018年春季，4種類型草地長(zhǎng)勢(shì)變化差異不明顯，以無(wú)明顯變化為主(圖3、表5)。整個(gè)自然保護(hù)區(qū)輕微改善的草地類型中，典型草原的面積最大，占保護(hù)區(qū)草地總面積的18.54%；其次是高寒草甸，面積占保護(hù)區(qū)草地總面積的7.58%。此外，高寒草甸的退化面積占自然保護(hù)區(qū)草地總面積的8.64%，在4個(gè)草地類型中退化最為顯著，主要分布在自然保護(hù)區(qū)的中部和東部。

2000-2018年夏季，4種類型草地均以輕微改善和中度改善為主(圖4、表6)。相比其他草地類型，高寒草甸輕微改善的面積最大，占到保護(hù)區(qū)草地總面積的20.06%。中度改善的草地中，典型草原的面積最大，占保護(hù)區(qū)草地總面積的23.44%，其次是高寒草甸，面積占保護(hù)區(qū)草地總面積的13.52%，高寒草原中度改善的面積占保護(hù)區(qū)草地總面積的8.13%，中度改善區(qū)域重要分布在保護(hù)區(qū)的中部和西北部。

2000-2018年秋季，4種類型草地均以輕微改善為主(圖5、表7)。其中，典型草原輕微改善的面積最大，占保護(hù)區(qū)草地總面積的31.51%；其次是高寒草甸，面積占比為28.07%。

圖3 2000-2018年祁連山自然保護(hù)區(qū)春季不同草原類型植被NDVI的空間變化趨勢(shì)Figure 3 Spatial variation trends in the NDVI for different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in spring of 2000-2018

圖4 2000-2018年祁連山自然保護(hù)區(qū)夏季不同草原類型植被NDVI的空間變化趨勢(shì)Figure 4 Spatial variation trends in the NDVI of different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in summer of 2000-2018

2000-2018年冬季，4種類型草地同樣以輕微改善為主(圖6、表8)。相比其他草地類型，典型草原輕度改善的面積最大，占保護(hù)區(qū)草地總面積的27.28%；其次是高寒草甸，面積占比為24.76%。結(jié)合空間分布來(lái)看，高寒草甸在張掖市東南部靠近青海省門源縣存在少量草地輕微退化，典型草原在張掖市東南部靠近金昌市永昌縣同樣分布了一些退化草地，其他區(qū)域草地普遍輕微改善。

綜上，2000-2018年，祁連山自然保護(hù)區(qū)不同類型草地的長(zhǎng)勢(shì)變化在季節(jié)尺度上均存在較明顯的差異，同一季節(jié)，4種草地類型草地的主要變化趨勢(shì)相似。整個(gè)保護(hù)區(qū)除了春季，其他季節(jié)草地均以改善為主。草地在春季的退化面積要明顯大于其他季節(jié)，草地在夏季的改善程度要明顯大于其他季節(jié)，秋季改善程度大于冬季。

2.2.2 不同草原類型年際時(shí)空變化趨勢(shì)

2000-2018年，祁連山自然保護(hù)區(qū)典型草原、高寒草甸、高寒草原、荒漠草原的NDVI總體呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，增加速率分別為0.005 3·(19a)-1、0.003·(19a)-1、0.005 3·(19a)-1和 0.006 2·(19a)-1(圖7)。各個(gè)草原類型的NDVI值均在2001年達(dá)到最小，而2018年達(dá)到最大值，其中，典型草原、高寒草原、高寒草甸和荒漠草原的NDVI值范圍分別為0.38～0.53、0.35～0.50、0.39～0.47 和 0.26～0.41，可見高寒草甸的NDVI值比較穩(wěn)定，而其他3種類型的NDVI值波動(dòng)較大。

2.2.3 不同草原類型變化對(duì)氣候的時(shí)空響應(yīng)特征

本研究從柵格尺度上對(duì)不同草原植被指數(shù)NDVI與氣候因素包括年降水量、年平均氣溫進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，得到NDVI與氣候因素相關(guān)程度的空間分布特征及對(duì)應(yīng)的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖8、表9)。

圖5 2000-2018年祁連山自然保護(hù)區(qū)秋季不同草原類型植被NDVI的空間變化趨勢(shì)Figure 5 Spatial variation trends in the NDVI for different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in autumn of 2000-2018

從典型草原植被NDVI與年降水的相關(guān)性空間分布來(lái)看，整體上NDVI與年降水量相關(guān)性較氣溫高。NDVI與年降水的相關(guān)性表達(dá)以輕度和中度相關(guān)為主，相關(guān)性表達(dá)為顯著相關(guān)的區(qū)域主要分布在自然保護(hù)區(qū)的西部，占整個(gè)區(qū)域總面積的23.06%；NDVI與氣溫的相關(guān)性表達(dá)以輕度相關(guān)為主，相關(guān)性表達(dá)為中度相關(guān)、顯著相關(guān)的區(qū)域主要分布在張掖市東部與金昌市接壤的區(qū)域，其中，顯著相關(guān)的區(qū)域僅占整個(gè)區(qū)域總面積的3.62%。從高寒草甸植被NDVI與年降水的相關(guān)性空間分布來(lái)看，整體上NDVI與年降水的相關(guān)性表達(dá)以輕度相關(guān)為主，顯著相關(guān)的區(qū)域主要集中在保護(hù)區(qū)的西南部邊緣地區(qū)，占區(qū)域總面積的17.02%；NDVI與年平均氣溫的相關(guān)性較低，整體上以輕度相關(guān)為主，中度相關(guān)的區(qū)域在自然保護(hù)區(qū)中部零星分布，顯著相關(guān)區(qū)域僅占區(qū)域總面積的3.59%。從高寒草原植被NDVI與年降水的相關(guān)性空間分布來(lái)看，整體上NDVI與年降水的輕度、中度和顯著相關(guān)的面積差異較小，顯著相關(guān)的面積占區(qū)域總面積的35.33%，在4類草地類型中面積占比最大。相比年降水，年平均氣溫與NDVI的相關(guān)性較低，整體上以輕度相關(guān)為主，輕度相關(guān)的比重占區(qū)域總面積的82.02%?；哪菰脖籒DVI與年降水的相關(guān)性表達(dá)以中度相關(guān)為主，顯著相關(guān)占區(qū)域總面積的20.33%。與其他3類草地類型一樣，年平均氣溫與NDVI的相關(guān)性水平要低于與年降水的相關(guān)性水平，顯著相關(guān)的區(qū)域面積占10.16%。

總體而言，甘肅祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同草原類型植被NDVI與年降水、年平均氣溫的相關(guān)性時(shí)空響應(yīng)特征具有一定的差異，但整體來(lái)看，草地植被NDVI與年降水的相關(guān)性水平均高于年平均氣溫，與年平均氣溫的相關(guān)性水平主要表達(dá)為輕度相關(guān)為主。說(shuō)明區(qū)域年降水比年平均氣溫對(duì)草原植被NDVI的影響程度更大。

分析祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型季節(jié)NDVI與當(dāng)季、上一季氣溫相關(guān)關(guān)系表明(表10)，4類草原類型的季節(jié)NDVI與當(dāng)季氣溫的相關(guān)性均不顯著。其中，高寒草甸植被NDVI與氣溫的相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)為0.311，其余草原類型與植被NDVI的相關(guān)系數(shù)均小于0.3。不同草原類型植被NDVI與氣溫的相關(guān)性除高寒草甸外其余3個(gè)類型草原以夏季最高，而秋季最差。4類草原植被NDVI與上季度氣溫的相關(guān)性大多呈不顯著特點(diǎn)，秋季各草原類型NDVI與氣溫的相關(guān)性最高，滯后性最為明顯。其中，僅有典型草原秋季NDVI與夏季氣溫相關(guān)關(guān)系達(dá)顯著水平。

圖6 2000-2018年祁連山自然保護(hù)區(qū)冬季不同草原類型植被NDVI的空間變化趨勢(shì)Figure 6 Spatial variation trends in the NDVI for different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in winter of 2000-2018

表5 祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型春季變化趨勢(shì)的面積統(tǒng)計(jì)Table 5 Spatial trends for different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in spring 2000-2018

表6 祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型夏季變化趨勢(shì)的面積統(tǒng)計(jì)Table 6 Spatial trends of different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in summer of 2000-2018

表7 祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型秋季變化趨勢(shì)的面積統(tǒng)計(jì)Table 7 Spatial trends for different grassland types in the Qilian MountainNational Nature Reserve in autumn of 2000-2018

表8 祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型冬季變化趨勢(shì)的面積統(tǒng)計(jì)Table 8 Spatial trends for different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve in winter of 2000-2018

分析祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型季節(jié)NDVI與當(dāng)季、上一季降水的相關(guān)關(guān)系表明(表11)，不同草原類型植被NDVI與降水量的相關(guān)性均高于氣溫，各草原類型與降水量的相關(guān)性大于0.3，其中，荒漠草原植被NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.612，達(dá)到0.01顯著水平。在4類草原類型中，夏季與秋季的植被NDVI與降水量的相關(guān)性明顯高于春季與冬季。除夏季外，4類草原類型植被NDVI與上季降水量的相關(guān)系數(shù)基本上大于0.3，其中，典型草原春季NDVI與冬季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.553(P＜0.05)；荒漠草原春季NDVI與冬季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.626 (P＜0.01)；荒漠草原秋季NDVI與夏季降水量顯著相關(guān)，荒漠草原冬季NDVI與冬季降水量顯著負(fù)相關(guān)。春季不同草原植被NDVI與上季度降水量的滯后性最為明顯，其次是冬季，而夏季滯后性最弱。

圖7 2000-2018年祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型NDVI的變化趨勢(shì)Figure 7 Variation in the NDVI for different grassland types in the Qilian Mountain National Nature Reserve from 2000 to 2018

3 討論與結(jié)論

本研究在分析2000-2015年祁連山自然保護(hù)區(qū)草地面積變化的基礎(chǔ)上，基于MOD13Q1 NDVI產(chǎn)品，結(jié)合草原類型，從季節(jié)、年際兩個(gè)尺度分別分析了祁連山自然保護(hù)區(qū)草地植被NDVI的時(shí)空變化趨勢(shì)，并討論了不同草原類型NDVI對(duì)氣候變化響應(yīng)特征。結(jié)果表明:

1) 2000-2015年草地面積變化中，草地作為祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)重要的土地覆被類型，其變化主要體現(xiàn)為2000-2005年減少，于2010年和2015年又相對(duì)增加。草地轉(zhuǎn)出以轉(zhuǎn)為林地最明顯，轉(zhuǎn)出為耕地和水域較為明顯，草地轉(zhuǎn)出為林地、耕地和水域的面積分別小于各自轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐拿娣e；草地轉(zhuǎn)出為城鄉(xiāng)工礦未利用地和未利用地的面積大于其轉(zhuǎn)入為草地的面積。

2) 2000-2018年祁連山自然保護(hù)區(qū)除春季外，其他季節(jié)均以輕微改善為主，夏季植被NDVI的改善狀況最佳。其中，春季高寒草甸的退化面積占自然保護(hù)區(qū)草地總面積的8.64%，而典型草原輕度改善草地面積占草地總面積的18.54%；夏季輕微改善的草地中高寒草甸的面積最大，占到保護(hù)區(qū)草地總面積的20.06%，中度改善的草地中典型草原的面積最大，占保護(hù)區(qū)草地總面積的23.44%；秋季保護(hù)區(qū)草地改善程度整體優(yōu)于冬季。

3)祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原植被NDVI均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且以荒漠草原的增加速率最大0.006 2·(19a)-1，其次是典型草原與高寒草原，均為0.005 3·(19a)-1，而高寒草甸的增加速率最小，僅為 0.003·(19a)-1。戴聲佩等[31]基于 SPOT VGT-NDVI數(shù)據(jù)對(duì)祁連山不同草地植被NDVI變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)典型草原和平原草地NDVI增加速率高于高寒草甸，雖本研究采用的數(shù)據(jù)和方法與其不盡相同，但得到的結(jié)果基本一致。

圖8 2000-2018年不同草原類型NDVI與氣溫(左)、降水量(右)的相關(guān)性Figure 8 Correlations between NDVI and temperature (left panels), and precipitation (right)for different grassland types from 2000 to 2018

表9 不同草原類型NDVI與氣溫、降水量的面積比例Table 9 Percentage area of different grassland types in the NDVI with temperature and precipitation under different degrees of correlation %

表10 不同草原類型季節(jié)NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)Table 10 Correlation coefficients between NDVI and temperature for different grassland types

表11 不同草原類型季節(jié)NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)Table 11 Correlation coefficients between NDVI and precipitation for different grassland types

4)祁連山自然保護(hù)區(qū)不同草原類型植被NDVI與年降水、年平均氣溫的相關(guān)性呈現(xiàn)出一定的差異，但整體上與年降水的相關(guān)性水平均要高于年平均氣溫，與年平均氣溫的相關(guān)性水平主要表達(dá)為輕度相關(guān)且鮮有顯著相關(guān)。說(shuō)明年降水比年平均氣溫對(duì)草原植被NDVI的影響程度更大。張禹舜[25]研究祁連山凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP變化對(duì)氣候的響應(yīng)中也同樣指出草甸、草原和荒漠植被對(duì)降水的響應(yīng)程度要明顯大于氣溫。

5)祁連山自然保護(hù)區(qū)降水量變化對(duì)不同草原植被NDVI的影響高于氣溫，且與草原植被NDVI的滯后性較為明顯，其中以春季的滯后性最強(qiáng)，其次是冬季，而夏季滯后性最弱。黃德青等[32]的研究表明祁連山自然保護(hù)區(qū)生物量與降水量正相關(guān)，而與氣溫未達(dá)到顯著水平，這與本研究降水量是影響不同草原植被NDVI的主要因素的結(jié)論吻合。