藏西南高原植被NDVI時空變化及其與海拔梯度的關系

李 焱, 戴 睿, 張云霞, 鞏 杰

(1.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000; 2.西藏自治區(qū)氣象局氣候中心, 拉薩 850000)

植被是自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的必要組分，不僅參與生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)、能量轉化等生態(tài)過程，而且對土地覆蓋、水循環(huán)及氣候變化產生著重要影響[1-2]。同時，降水、溫度和太陽輻射等氣候要素，以及土地利用、畜牧業(yè)發(fā)展等人為因素都會對植被物候和生長過程等產生影響，進而影響著植被生產力和分布格局[3-5]。近年來，氣候變暖帶來了全球和區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變，青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)，研究表明青藏高原氣候變暖尤為明顯[6]。伴隨著高原地區(qū)人類活動的不斷加劇，誘發(fā)草地退化、草地凍融和土地沙化、荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)[7-9]。因此，在全球氣候變暖和環(huán)境日益惡化的背景下，開展青藏高原植被動態(tài)變化格局及其影響因素分析是目前全球變化研究熱點和重點之一，對認知區(qū)域植被生長狀況和生態(tài)環(huán)境評價具有重要意義。

隨著觀測技術和研究手段的不斷進步，利用遙感數(shù)據(jù)研究植被生長狀況及其對氣候變化、人類活動的響應已經(jīng)成功引起了國內外學者的廣泛關注。其中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)與光合有效輻射、生物量、植被生產力等緊密相關，經(jīng)常被廣泛用作表征植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的指示因子[10-11]。目前已有諸多研究成果表明植被對氣候變化響應敏感[12]。然而，植被生長過程不僅與水熱條件有關，而且受制于其所處的地理環(huán)境。有研究表明地形因子(坡度、坡向和海拔等)是決定植被覆蓋的最主要因素之一[13-14]，會對區(qū)域水熱條件、光照、土壤養(yǎng)分以及人類活動造成不同程度作用，進而影響著植被空間分異格局[15]。如Lou等[16]研究發(fā)現(xiàn)高程梯度影響柴達木盆地植被動態(tài)變化對氣候因素的響應；位宏等[17]分析發(fā)現(xiàn)瑪納斯流域NDVI隨海拔的升高呈現(xiàn)先升高后下降，然后緩慢增加到最高點后開始持續(xù)下降的趨勢。上述研究表明地形因子與植被關系研究對認知區(qū)域植被地域分布規(guī)律及未來演變趨勢等具有重要意義。

藏西南高原位于青藏高原西南部，由喜馬拉雅山脈與岡底斯山系組成，平均海拔在4 000 m以上，其高海拔的特點使該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境極其脆弱、敏感，易受到海拔、氣候條件等自然因素的影響[18]。高原自然環(huán)境嚴酷，高寒草原、草甸是主要的植被類型，同時也支撐著高原畜牧業(yè)的發(fā)展，其植被狀況好壞直接影響生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟社會的穩(wěn)定。因此，一些學者采用多源遙感數(shù)據(jù)和技術手段研究了青藏高原植被分布與變化特征，并探討了高原植被與氣候和人類活動的關系[19-22]，發(fā)現(xiàn)植被與氣候及人類活動因子存在相關關系，還存在時滯效應[23]。此外，植被變化特征也受到地形因子，特別是海拔的影響。復雜的地形和海拔等因素決定著高原氣候條件，致使植被分布情況更加復雜，并形成明顯的垂直地帶性[24]，考慮到高原地區(qū)海拔高差大、植被類型多的特點，該地區(qū)是研究植被NDVI變化及其與海拔關系的理想?yún)^(qū)域[25]，但是針對高原地區(qū)探究植被覆蓋度與海拔因子間相關關系的研究相對較少。因此，基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，本文分析2000—2020年藏西南高原不同植被類型NDVI的時空變化特征，并結合DEM數(shù)據(jù)探究海拔梯度與不同植被類型NDVI的相關關系，研究結果可為高原不同海拔梯度下的生態(tài)環(huán)境保護及草地資源利用提供科學參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

藏西南高原(26°59′—33°97′N，78°28′—90°40′E)位于青藏高原西南部，隸屬于西藏自治區(qū)，區(qū)內由阿里地區(qū)和日喀則市組成，國土面積約30.89萬km2(圖1)。研究區(qū)內包括喜馬拉雅山脈和岡底斯—念青唐古拉山脈，重巒疊嶂，地勢變化顯著，地貌類型復雜多樣，海拔1 553～8 848.86 m，平均海拔4 000 m以上，呈現(xiàn)兩頭高，中間低的地勢特點。該地區(qū)氣候寒冷干燥，太陽輻射強，日溫差較大，年降雨量僅為180～300 mm，年均氣溫-2℃，加之高原及其周邊地區(qū)顯著的海拔差異，導致該區(qū)氣候多樣，使高原繁衍出豐富的植物種類，區(qū)內植被類型以草原、草甸和高山植被為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)采用美國LPDAAC(Land Process Distributed Active Archive Center)提供的MODIS數(shù)據(jù)，選擇研究時段為2000年3月至2021年2月共21 a的MOD13Q1植被指數(shù)產品，空間數(shù)據(jù)分辨率為250 m，時間分辨率16 d。將NDVI數(shù)據(jù)在GEE平臺(Google Earth Engine)調用、融合、裁剪，為消除數(shù)據(jù)誤差干擾，采用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)去除云和大氣干擾，得到逐月NDVI數(shù)據(jù)序列。參考卓嘎等[19]劃分方法，本文將4—9月定為植被生長季，對逐月數(shù)據(jù)進行計算得到植被生長季的逐年NDVI數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況及植被類型

植被類型數(shù)據(jù)(1∶100萬植被圖)主要來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)，該數(shù)據(jù)將植被分為11種類型，藏西南高原包含其中的9類(針葉林、闊葉林、荒漠、草原、草甸、高山植被、栽培植被、灌叢和其他)。由于針葉林和闊葉林在研究區(qū)中占比極少，故而合為森林進行研究。因此本文將藏西南高原的植被類型劃分為：森林、荒漠、草原、草甸、高山植被、栽培植被、灌叢和其他植被等8種，獲得研究區(qū)植被類型(圖1B)。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/，空間分辨率為90 m)，為了和MODIS數(shù)據(jù)保持一致，對該數(shù)據(jù)重采樣為250 m后進行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 趨勢分析法也叫一元線性回歸模擬，主要運用最小二乘法模擬單個像元NDVI值隨時間的變化規(guī)律從而反映整體的空間變化特征，其計算公式如下[21,26]：

(1)

1.3.2 海拔梯度分級 為探究不同植被類型NDVI與海拔梯度的關系，以森林、草原、灌叢、高山植被、草甸、栽培植被、其他植被、荒漠8種植被類型作為研究對象，參考相關文獻[25-26]的分級方式以100 m為間距進行海拔梯度分級，統(tǒng)計不同海拔區(qū)段8種植被類型在2000—2020年的年均生長季、2000年生長季、2010年生長季和2020年生長季NDVI變化趨勢。利用趨勢線分析法得到各海拔梯度上不同植被類型NDVI均值變化情況。

2 研究結果與分析

2.1 不同植被類型NDVI的時序變化特征

藏西南高原2000—2020年8種植被類型生長季年均NDVI呈波動增加趨勢，但不同植被類型NDVI變化特征不同(圖2)。由圖2可見：藏西南高原草甸NDVI最小值為0.178(2015年)，最大值為0.210(2017年)，增長速率為0.004/10 a(圖2A)。草原NDVI最小值為0.133(2005年)，最大值為0.161(2017年)，增長速率為0.006/10 a(圖2B)。森林NDVI最高，最小值為0.531(2000年)，最大值為0.640(2017年)，增長速率為0.02/10 a(圖2C)。灌叢NDVI最小值為0.201(2002年)，最大值為0.233(2017年)，增長速率為0.01/10 a(圖2D)。高山植被NDVI受海拔的影響，最小值為0.105(2002年)，最大值為0.123(2018年)，增長速率為0.006/10 a(圖2E)。栽培植被NDVI最小值為0.235(2005年)，最大值為0.275(2020年)，增長速率為0.014/10 a(圖2F)?；哪推渌脖籒DVI相對較小，僅在0.02～0.1之間浮動?？梢姡匚髂细咴脖恢笖?shù)隨時間的變化呈波動增加趨勢，并在2017年達到最大。不同類型植被覆蓋度依次為森林(0.60)>栽培植被(0.25)>灌叢(0.21)>草甸(0.20)>草原(0.15)>高山植被(0.11)>荒漠(0.09)>其他植被(0.03)(圖2)。

圖2 2000-2020年藏西南高原不同植被類型NDVI隨時序變化趨勢分布散點

2.2 不同植被類型NDVI的空間變化特征

由藏西南高原不同植被類型面積占比及顯著性檢驗結果可知(表1)，藏西南高原植被類型以草原、草甸、高山植被、灌叢為主(面積占比分別為38.87%，31.03%，17.59%和5.17%)，局部為森林、荒漠和栽培植被(面積占比分別為0.42%，1.29%和0.55%)。因此，本文主要討論草原、草甸、高山植被及灌叢NDVI的空間分布及其變化趨勢(圖3)。總的來說，藏西南高原大部分區(qū)域植被覆蓋趨于好轉，局部地區(qū)呈現(xiàn)退化趨勢。

藏西南高原不同植被類型NDVI空間變化特征不同，主要表現(xiàn)為(1) 草原主要分布在藏西南高原西部和東南部，其變化速率為-0.027 4～0.177 3/10 a；大部分草原區(qū)域呈現(xiàn)顯著改善(面積占比32.37%)，改善區(qū)域為藏西南高原西部。呈現(xiàn)顯著退化草原面積占比1.28%，主要分布在定結；不顯著草原退化區(qū)域主要在藏西南高原東南部(占比14.86%)，如昂仁、仲巴、崗巴縣等(圖3A，B)。(2) 草甸主要分布在藏西南高原中部和東部，53.64%的草甸呈現(xiàn)不顯著改善，且主要分布在高原中部。呈現(xiàn)顯著退化草甸面積占比1.53%，主要分布在定結和崗巴等；不顯著退化區(qū)域主要分布在藏西南高原東北部(占比26.83%)，如薩嘎、昂仁、謝通門、南木林等；其余地區(qū)草甸無明顯變化(占比5.22%)(圖3C，D)。(3) 高山植被主要分布在岡底斯和喜馬拉雅山區(qū)，大部分呈現(xiàn)不顯著改善(占比59.97%)；呈現(xiàn)顯著改善面積占16.77%，主要分布在革吉、仲巴、措勤、昂仁等；呈現(xiàn)不顯著退化的面積占比21.35%，分布在措勤和仲巴等；顯著退化的面積占比僅達0.52%，其余地區(qū)呈現(xiàn)無明顯變化(圖3E，F(xiàn))。(4) 灌叢主要分布在藏西南高原南部，大部分呈現(xiàn)不顯著改善(占比53.35%)；呈現(xiàn)顯著改善區(qū)域占27.46%，主要分布在札達、桑珠孜區(qū)等；呈現(xiàn)不顯著退化的面積占比17.82%，主要分布在札達、謝通門、南木林等；顯著退化的面積占比僅為1.21%，其余地區(qū)呈現(xiàn)無明顯變化(圖3G，H)。

表1 不同植被類型的面積及顯著性檢驗占比情況 %

2.3 不同植被類型NDVI隨海拔梯度的變化規(guī)律

不同植被類型NDVI隨海拔上升呈現(xiàn)不同的變化趨勢，不同年份間同種植被NDVI隨海拔梯度變化具有相似的變化趨勢(圖4)。從圖4可以看出，草甸、草原、高山植被和灌叢在各海拔梯度上雖具有顯著差異，但隨著海拔的升高，植被NDVI均呈現(xiàn)不同的減小趨勢。概括來說，(1) 草甸主要分布在3 100～6 400 m海拔帶，以4 300～5 800 m區(qū)段為主。2000—2020年均生長季、2000年、2010年和2020年生長季NDVI均隨著海拔升高而減小。3 100～3 600 m區(qū)段2020年的草甸植被指數(shù)最低，這可能是受氣候和人類活動的影響造成草甸植被受到一定的破壞(圖4A)。(2) 草原主要分布于3 600～6 300 m海拔區(qū)段，以4 000～5 600 m為主。2000—2020年均生長季NDVI隨著海拔升高呈現(xiàn)波動減小，2000年、2010年和2020年生長季NDVI隨著海拔升高呈現(xiàn)先減后增再減趨勢，4 000～4 500 m海拔區(qū)段草原植被指數(shù)較大，說明該區(qū)段較適宜草原植被生長(圖4B)。(3) 高山植被分布于海拔3 200～6 500 m區(qū)段，以4 400～5 800 m為主。2000年、2010年、2020年和2000—2020年均生長季NDVI隨著海拔升高呈現(xiàn)顯著減小趨勢(圖4C)。(4) 灌叢主要分布2 300～5 900 m海拔區(qū)段，以3 800～5 400 m為主。生長季灌叢NDVI隨著海拔升高而減小，但在海拔3 600 m以下植被NDVI下降不明顯，在3 600～3 800 m區(qū)間出現(xiàn)驟降，3 800 m以上區(qū)段減小趨勢顯著(圖4D)。

3 討 論

海拔是影響植被類型及分布的重要因素，海拔升高不僅影響著地表水熱狀況，同時還會在一定程度上影響人類活動類型和范圍，進而直接(或間接)影響植被NDVI的空間分異特征[30]?；贛ODIS-NDVI數(shù)據(jù)，本文開展了2000—2020年藏西南高原不同植被類型NDVI時空變化及NDVI隨海拔梯度的變化規(guī)律。結果表明，近21 a藏西南高原不同植被類型NDVI呈現(xiàn)顯著增加趨勢，這與一些學者的研究結果基本一致[19,31-32]。但2000年、2010年及2020年生長季NDVI存在一定的波動，說明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被易受氣候和人類活動的影響。

研究區(qū)內不同植被類型NDVI具有顯著差異，并隨海拔上升呈現(xiàn)不同的下降趨勢。低海拔地區(qū)NDVI明顯高于其他區(qū)段，這與植被類型在高程上的分布密切相關[1]，主要原因可能是低海拔區(qū)段水熱狀況和土壤養(yǎng)分較好，更適合植被生長發(fā)育。由于藏西南高原海拔普遍較高，植被多分布于3 000～5 000 m海拔區(qū)段，生態(tài)環(huán)境極易受氣候變化和人類活動的影響而發(fā)生植被好轉和(或)植被退化現(xiàn)象[14]。有研究表明高原人口多集中于海拔小于4 500 m的地區(qū)，居住在4 500 m海拔以上的人們多以放牧活動來維持生存[33]。因此，在生態(tài)環(huán)境建設和保護時，需要根據(jù)海拔梯度劃分區(qū)段實施分區(qū)保護策略，強化低海拔片區(qū)的人工種草、退耕還林(草)及合理放牧等生態(tài)建設項目；高海拔區(qū)段應減少牲畜數(shù)量，合理放牧，防止過牧對生態(tài)環(huán)境的破壞。綜上可知，在制定藏西南高原生態(tài)環(huán)境建設政策時，需因地制宜，針對地形特點和不同海拔梯度分布的植被及其特征，采取不同保護策略來恢復、建設和改善藏西南高原生態(tài)環(huán)境，支撐高原畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國家生態(tài)安全迫在眉睫。

基于長時間序列MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，本文探討了海拔梯度和不同類型植被NDVI的關系。但有研究表明坡度、坡向會對植被覆蓋度產生一定影響[34-35]，因此在以后的研究中還需要綜合考慮多種地形因子對植被覆蓋度的影響。不僅如此，海拔還會影響區(qū)域的水熱分布，未來還需綜合考慮影響植被NDVI變化的水熱條件、土地利用、土壤養(yǎng)分等因素，以期為藏西南高原草地資源的合理開發(fā)利用以及制定生態(tài)保護方案提供建議。此外，本文存在一些不確定性，如研究采用的植被類型數(shù)據(jù)雖是目前廣泛使用的權威，但數(shù)據(jù)精度較低。隨著退耕還林還草和生態(tài)建設工程的實施，區(qū)域植被必然會受到氣候、地形及人類活動等因素影響后發(fā)生植被類型的轉變，這種變化會導致一定的分析誤差。因此，未來應加強多源數(shù)據(jù)融合和集成分析，探究藏西南高原植被類型的分布現(xiàn)狀。

圖3 2000-2020年藏西南高原不同植被類型NDVI變化趨勢及顯著性檢驗

圖4 不同植被類型的植被指數(shù)隨海拔變化曲線及頻率分布情況

4 結 論

本文基于2000—2020年MODIS-NDVI，DEM和植被類型數(shù)據(jù)，分析藏西南高原近21 a來不同植被類型生長季NDVI時空變化特征，分析探討了植被類型隨海拔梯度的變化特征，初步結論如下:

(1) 近21 a來藏西南高原植被生長狀況良好，8種植被NDVI均呈現(xiàn)上升趨勢，草甸、草原、高山植被及灌叢分別以0.004/10 a，0.006/10 a，0.01/10 a，0.006/10 a的速率波動上升，并在2017年達到最大。不同植被類型年均生長季植被覆蓋度依次為森林>栽培植被>灌叢>草甸>草原>高山植被>荒漠>其他植被。

(2) 藏西南高原大部分植被覆蓋趨于好轉，局地呈現(xiàn)退化趨勢。藏西南高原植被類型主要為草原、草甸、灌叢和高山植被，草原主要分布在高原西部和東南部，草甸主要分布在高原中部和東部，高山植被主要分布在岡底斯山脈和喜馬拉雅山系處，而灌叢主要分布在高原南部。

(3) 藏西南高原不同植被類型所處的海拔梯度具有明顯差異，不同類型植被NDVI隨海拔梯度的上升呈現(xiàn)不同的減小趨勢；同一類型植被指數(shù)在不同年份隨海拔梯度的變化趨勢保持一致，但存在一定波動變化。上述發(fā)現(xiàn)可為藏西南高原生態(tài)建設、植被恢復和畜牧業(yè)發(fā)展提供一定的決策支持和借鑒。