2000—2017年甘南牧區(qū)植被變化特征及其影響因子

敖澤建，王建兵，蔣友嚴，羅王軍，趙惠珍

（1.甘南氣象局，甘肅 合作 747000；2.西北區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州730000）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)與能量循環(huán)的中樞[1]。植被在保持水土、調節(jié)大氣、維持氣候及整個生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面都十分重要[2]。地表植被的變化影響局部氣候及區(qū)域生態(tài)平衡，開展地表植被變化研究可以為土地的合理利用及生態(tài)環(huán)境保護工作提供科學依據[3]。

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、時間序列長、數據獲取方便等優(yōu)勢，是獲取大面積區(qū)域地表特征信息的主要手段[4-5]。目前已經有很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，其中歸一化植被指數（NDVI）廣泛應用于定性和定量評價植被覆蓋及其生長活力，反映地表植被生長的基本狀況[6]。利用NASA/GIMMS數據對山西植被指數時空變化特征進行分析，表明山西植被活動在增強[7]。利用MODI3A3數據對祁連山植被變化進行分析，表明祁連山植被覆蓋有好轉趨勢[8]。使用遙感數據分析巴里坤草地變化特征，巴里坤草地呈現逐年向好的趨勢，荒漠化草地有向低覆蓋草地演替的趨勢[9]。使用SOPT VEGETATION數據對中國西北部植被覆蓋及整個中國植被覆蓋的時空變化進行了研究[10-11]，表明植被指數數據可以很好地監(jiān)測植被覆蓋變化。

甘南牧區(qū)地處青藏高原東北邊緣與黃土高原西部過渡地帶，是長江、黃河上游重要的生態(tài)屏障，具有重要的水源涵養(yǎng)、水源補給、水土保持、維持生物多樣性、調節(jié)區(qū)域氣候等功能，特別是在維護黃河流域水資源和生態(tài)安全方面具有不可替代的作用，其生態(tài)環(huán)境狀況不僅影響到其本身，甚至深刻影響到全國的生態(tài)安全[12]。甘南草地植被覆蓋呈減少趨勢[13-14]。2013年國家林業(yè)局指出甘南黃河重要水源補給生態(tài)功能區(qū)的90%以上草地出現了不同程度的退化，特別是其中的瑪曲、碌曲、夏河境內草地退化嚴重?，斍h境內出現大型沙化點36處，形成220 km長的流動沙丘帶，且沙化面積正在擴大。夏河縣和碌曲縣的草地鹽漬化面積已達5.5萬hm2，且隨著生態(tài)破壞和超載過牧，鹽漬化趨勢越來越嚴重[15]，給甘南牧區(qū)生態(tài)環(huán)境保護及畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了極大的壓力和挑戰(zhàn)。雖然目前對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年以后的研究較少。本文借助遙感技術手段，利用2000—2017年MODIS數據對甘南牧區(qū)（圖1）植被進行分析，揭示甘南牧區(qū)2000年以來植被覆蓋的時空特征及其變化，并結合氣象要素討論近20 a來氣候變化對甘南牧區(qū)植被變化的影響，為甘南牧區(qū)生態(tài)環(huán)境保護及畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學參考。

圖1 甘南牧區(qū)地形

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘南藏族自治州是全國10個藏族自治州之一，地處青藏高原東北邊緣，南與四川阿壩州相連，西南與青海黃南州、果洛州接壤，東面和北部與本省隴南、定西、臨夏毗鄰。全州分3個自然類型區(qū)，東南部為岷迭山區(qū)，東部為丘陵山地，西部為廣闊的草甸草原是全省主要牧區(qū)。本文的研究區(qū)即為甘南西部的草甸草原區(qū)（圖1），該區(qū)由合作、夏河、碌曲、瑪曲4個行政縣市組成，面積約24 474 km2，是黃河首曲最大的一塊生態(tài)濕地。區(qū)內植被覆蓋良好，草原、稀樹草原、多樹的草原、灌叢、永久濕地、森林面積分別占總面積的 94.95%、3.76%、0.79%、0.13%、0.21%、0.05%。該區(qū)草原與稀樹草原（稀樹草原點綴在草原上）主要分為高山草甸草場類（主要位于瑪曲西部海拔4000 m以上的高山地帶）與亞高山草甸草場類（甘南天然草場的主體，海拔2700~4000 m），分別占該區(qū)面積的12.6%、85.6%（2017年土地覆蓋分類數據）。區(qū)內氣候屬典型的大陸性季風氣候，光照充足，氣溫隨海拔高度升高而降低，年均氣溫1.4~3.0℃；降水量受季風影響南多北少，年均降水量449.1~593.3 mm。牧草主要生長季（4—9月）內平均氣溫7.9~10.0℃，較年平均氣溫偏高6.5~7.0℃；降水量395.5~518.3 mm，約占年內降水的85%~88%（氣溫、降水量為1981—2010年甘南牧區(qū)4個氣象站數據）。

1.2 數據來源

1.2.1 遙感數據

采用美國國家航空航天局的MOD13A3產品數據分析甘南牧區(qū)植被指數。MOD13A3是逐月1 km×1 km的正弦投影像，產品時間范圍為2000—2017年的4—9月。

1.2.2 氣象數據及牧草發(fā)育期數據

通過甘南州氣象局收集位于甘南州草原4個氣象站點1999年9月—2017年8月的逐月氣溫、降水及日照數據。夏河、碌曲無牧草觀測項目，牧草發(fā)育期數據使用合作、瑪曲兩農氣站觀測數據。

1.2.3 土地覆蓋分類數據

數據來源是美國國家航空航天局（NASA）提供的 MCD12Q1產品（http：//modis-land.gsfc.nasa.gov/landcover.html），時空分辨率為1 a和500 m（由于無2000年土地分類覆蓋數據，2000年土地分類覆蓋數據由2001年的代替）。

1.3 研究方法

1.3.1 MOD13A3影像數據處理

對影像數據進行投影及格式轉換，并設置統(tǒng)一的經緯度投影；利用研究區(qū)矢量邊界對處理后的影像數據進行剪裁。

1.3.2 NDVI最大值合成法

每年最大化植被指數通過國際通用的最大值合成法 MVC（Maximum Value Composites）獲得，它可以進一步消除云、大氣等的干擾[8，16]。其計算方法：

式中：MNDVIi為第i年的最大化NDVI值；i為1~18的整數，分別代表 2000、2001…2017 年；NDVIij為各月的NDVI值；j為1~6的整數，分別代表4—9月。MNDVIi是一年內植被最豐盛時期的NDVI值，其變化可以反映氣候和人為因素導致的植被年際變化。

1.3.3 趨勢線分析

趨勢線分析方法可以模擬每個柵格的變化趨勢，反映不同時期植被NDVI變化趨勢的空間特征[17]。其公式為：式中：n為監(jiān)測年數，MNDVIi為第i年NDVI的最大值，S為趨勢線的斜率。S＞0，說明NDVI在n年間的變化趨勢是增加的，反之則是減少的。

2 結果與分析

2.1 甘南牧區(qū)植被空間分布特征

圖2反映了植被覆蓋的空間特征，18 a平均NDVI達到0.756?？臻g分布上，瑪曲西北部、夏河北部及合作中部植被指數小，基本在0.3～0.6之間 ，上述區(qū)域主要植被類型為高山草甸、亞高山草甸及城鎮(zhèn)周邊農作物。 瑪曲南部、夏河中南部、合作南部及碌曲植被指數一般在0.7以上，這些區(qū)域為亞高山草甸區(qū)?？傮w上，甘南牧區(qū)植被呈現南多北少的趨勢，與甘南牧區(qū)降水的空間分布基本一致；垂直分布上，牧區(qū)南部隨海拔高度的升高氣溫降低，植被指數減??；草原北部隨海拔高度增加植被指數增加。

圖2 2000—2017年甘南牧區(qū)平均NDVI的空間分布

2.2 甘南牧區(qū)植被月際變化特征

圖3為甘南牧區(qū)2000—2017年4—9月牧區(qū)整體及其中的高山草甸與亞高山草甸月平均植被指數的變化趨勢。圖中可以看到，總體上牧區(qū)整體NDVI略低于亞高山草甸類NDVI，明顯高于高山草甸類NDVI。4—7月植被指數均呈現明顯增加趨勢，牧區(qū)整體NDVI及亞高山草甸類NDVI在7月達到最高，植被指數分別達到0.737、0.749；8月牧區(qū)整體及亞高山草甸類NDVI植被指數開始下降，而高山草甸類NDVI仍略有增加；9月NDVI均為明顯下降。這與甘南牧區(qū)牧草一般在4月上中旬進入返青普遍期，7月進入開花期，9月下旬到10月初進入黃枯普遍期基本一致。由于甘南牧區(qū)3月牧草未返青，同時10月牧草已進入黃枯期，所以未統(tǒng)計10月—次年3月的植被指數。

圖3甘南牧區(qū)NDVI的月際變化

2.3 甘南牧區(qū)植被年際變化特征

圖4為2000—2017年甘南牧區(qū)平均NDVI及其中的高山草甸與亞高山草甸平均NDVI的變化趨勢。圖中可以看出研究時段內牧區(qū)平均NDVI在0.73～0.79范圍內波動，2000年為植被最差的一年，此后植被逐漸恢復，2010年為植被最好的一年，牧區(qū)平均NDVI達到0.788。瑪曲草原作為甘南牧區(qū)的一部分，其植被變化與甘南牧區(qū)植被變化基本一致，也是2000年植被最差，2001—2005年間植被緩慢恢復[18]。總體上看，NDVI呈現增加的趨勢。通過二項式分析看，2000—2010年NDVI為增加趨勢，2011年以后為減少趨勢。利用2011—2017年與2004—2010年平均NDVI比較也能看出，2011—2017年NDVI是有所下降的。

亞高山草甸區(qū)平均NDVI走勢與牧區(qū)平均NDVI走勢一致，也是2000年最低，此后植被逐漸恢復，2010年為植被最好的一年。而高山草甸除2006—2007年與2016—2017年外，也與牧區(qū)平均NDVI走勢基本一致。植被最好的年份也是2010年，而最差的是2008年。

圖4 甘南牧區(qū)平均NDVI的年際變化

2.4 甘南牧區(qū)植被的空間變化特征

利用趨勢線分析了2000—2017年甘南牧區(qū)植被的空間變化趨勢（圖5）。碌曲南部及瑪曲黃河沿岸植被呈明顯減少趨勢，夏河中南部是植被呈明顯增加趨勢。整體上甘南牧區(qū)NDVI為增加趨勢（斜率大于0.002）的區(qū)域比減少趨勢（斜率小于-0.002）的區(qū)域大，占甘南牧區(qū)總面積的30.1%，主要位于碌曲北部及夏河大部分地區(qū)。NDVI呈減少趨勢的區(qū)域占牧區(qū)總面積的3.9%，主要位于碌曲南部、瑪曲黃河沿岸等地，NDVI基本不變的區(qū)域主要位于瑪曲、碌曲南部及合作地區(qū)。與甘南牧區(qū)地形及NDVI的平均分布空間對比可以發(fā)現，植被增加的區(qū)域主要位于相對海拔較高的區(qū)域和夏河河谷植被較差的區(qū)域，植被減少的區(qū)域主要位于相對海拔較低的地區(qū)，這和甘南北部牧區(qū)植被的垂直分布一致。

分別分析高山與亞高山草甸區(qū)NDVI變化趨勢顯示，亞高山草甸區(qū)NDVI變化趨勢的最大、最小值分別為0.013與-0.017，平均趨勢為0.001；高山草甸區(qū)NDVI變化趨勢的最大、最小值分別為0.014與-0.007，平均差值為0.001。顯然整體上高山草甸區(qū)與亞高山草甸區(qū)NDVI變化趨勢一致，植被均為向好發(fā)展，但亞高山草甸區(qū)的局部地方植被變差的趨勢卻十分明顯。

圖5 2000—2017年甘南牧區(qū)NDVI趨勢性斜率

為更好地了解甘南牧區(qū)植被變化情況，同時驗證趨勢線分析結果，對2017年與2000年甘南牧區(qū)NDVI進行了差值分析，差值結果與趨勢線分析大體一致，植被增加（NDVI2017-NDVI2000≥0.03）的區(qū)域占牧區(qū)總面積的34.3%，主要位于碌曲北部及夏河中南部；植被減少（NDVI2017-NDVI2000＜-0.03）的區(qū)域占牧區(qū)總面積的14.2%，位置與趨勢線分析結果基本一致，但范圍明顯擴大，特別是在合作及夏河北部地區(qū)。整體上，2017年甘南牧區(qū)植被與2000年相比，植被增加的區(qū)域是減少的區(qū)域的2倍多，甘南牧區(qū)植被增加。其中，亞高山草甸區(qū)NDVI平均差值為0.012，植被變好與變差的區(qū)域分別占亞高山草甸區(qū)面積的33.2%和14.1%；高山草甸區(qū)NDVI平均差值為0.023，植被變好與變差的區(qū)域分別占亞高山草甸區(qū)面積的42.4%和12.2%。高山草甸區(qū)NDVI增加較亞高山草甸區(qū)明顯，亞高山草甸區(qū)植被退化是甘南牧區(qū)植被退化的重點。

3 討論

光照、水分（自然環(huán)境下主要依靠降水）、熱量（氣溫）、CO2等為植物生長的基本條件，對植被的活動起著十分重要的作用。近年來，大氣中的CO2濃度呈現明顯的上升趨勢，研究[19-20]表明長期的CO2濃度偏高將發(fā)生光適應現象，CO2濃度升高對植被光合作用速率的提高不明顯，所以光照、氣溫、降水就成為影響植被活動的重要自然因子。近年來的研究也表明植被活動的強弱對于氣溫和降水的變化具有較好的對應關系[9，21-23]。

分析2000—2017年4—9月甘南牧區(qū)及其中的亞高山草甸區(qū)的最大NDVI與牧區(qū)春夏秋冬四季（秋季為9—11月，冬季時間為12月—次年2月）的平均氣溫、降水量、日照時數關系（表1）顯示：牧區(qū)的最大NDVI與四季的氣溫均呈正相關，與其中的冬季、春季氣溫呈顯著正相關；與秋季降水量呈負相關，與冬季、春季、夏季降水量呈正相關，與其中春季降水量呈顯著正相關；除與冬季日照時數不顯著負相關外，其余三季均為顯著負相關。亞高山草甸區(qū)的最大NDVI與四季的氣溫呈正相關，與其中的冬季、春季、夏季氣溫成顯著正相關；與秋季降水量呈負相關，與冬季、春季、夏季降水量呈正相關；除與冬季日照時數為不顯著負相關外，其余三季均為顯著負相關。高山草甸區(qū)（高山草甸區(qū)絕大部分地方位于瑪曲）最大NDVI與瑪曲四季氣溫、降水量、日照時數關系：與四季氣溫均呈正相關，與其中冬季和夏季氣溫呈極顯著正相關；除與冬季降水量呈負相關外，與其余三季均呈正相關；與四季日照時數均呈負相關，其中與春季、秋季日照時數呈極顯著負相關。說明甘南牧區(qū)最大NDVI對日照時數反應最為敏感，對氣溫的反應也很敏感，對降水量反應相對較差。其中，日照時數對高山草甸區(qū)植被的影響要高于對亞高山草甸區(qū)；秋季、冬季和夏季的氣溫對高山草甸區(qū)植被的影響要高于亞高山草甸區(qū)。

表1 最大NDVI與氣象因子的相關性分析

2000—2011年甘南草地具有由高植被蓋度向中高植被蓋度轉換的趨勢[13]。2000—2008年瑪曲草地植被結果顯示瑪曲草地植被由優(yōu)等植被覆蓋向劣等植被覆蓋轉變[24]。本文使用年均NDVI≥0.788（2000年以來甘南牧區(qū)年平均NDVI最高值）的區(qū)域（約占研究區(qū)面積的43.4%）作為植被高覆蓋區(qū)域。以2017年與2000年NDVI差值作為研究對象，結果顯示：該區(qū)域植被增加（NDVI2017-NDVI2000＞0.03）的面積占該區(qū)域面積的32.4%，減少的區(qū)域（NDVI2017-NDVI2000＜-0.03）占 8.4%，高植被覆蓋區(qū)域 NDVI增加的面積約為減少面積的4倍。因此，甘南牧區(qū)高覆蓋區(qū)植被也是增加的，這與前人的研究不同。

超載放牧是甘南草地惡化的直接驅動因素，氣候異常擾動是次生因素[23，25]。人為因素是導致瑪曲植被覆蓋變化的主要因素[24]。氣候變化與人類活動共同造成了甘南草原生態(tài)環(huán)境退化[26]。本文通過研究表明，2017年與2000年相比，甘南牧區(qū)植被總體上呈增加趨勢，這與氣候變化和近年來甘南州實施的設置禁牧區(qū)、退耕還草、科學規(guī)劃放牧場等生態(tài)保護項目有關；但約有14.2%牧區(qū)植被出現減少情況，植被減少的區(qū)域大部分位于人類活動較多的低海拔地區(qū)，人為因素是造成局部地方植被減少的主要因素。放牧活動作為牧區(qū)的主要生產方式，載畜量的多少對牧區(qū)植被影響巨大，本文通過年初牲畜量（一頭大牲畜按4只羊計算，一頭豬按2只羊計算）與年內牧區(qū)最大NDVI的相關性分析顯示，年內最大NDVI與年初牲畜量呈顯著正相關，相關系數為0.500。這與前人研究結果不同，這可能與近年來實施禁牧區(qū)、退耕還草、科學規(guī)劃放牧場、農牧互補（牧區(qū)繁育、農區(qū)育肥、農區(qū)種草、牧區(qū)補飼）等保護生態(tài)環(huán)境及促進甘南畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展等項目有關。

4 結論

本文通過對甘南牧區(qū)植被的時空分布及其與氣象因子的相關性分析，可以得到以下結論：

（1）甘南牧區(qū)的NDVI水平上呈南多北少的分布，與降水量分布基本一致；垂直分布上南部隨海拔高度升高植被減少，北部隨海拔高度升高植被增加。

（2）甘南牧區(qū)植被對氣溫和日照時數變化反應敏感，對降水量的變化的反應相對較弱。日照時數對高山草甸區(qū)植被的影響要高于對亞高山草甸區(qū)；冬季、夏季、上一年秋季的氣溫對高山草甸區(qū)植被的影響要高于亞高山草甸區(qū)。

（3）甘南牧區(qū)NDVI總體呈增加的趨勢，這與氣候變化及人類活動有關；局部地區(qū)植被存在減少趨勢，這主要與人類活動有關。