卓 嘎, 陳思蓉, 周 兵

1 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所拉薩分部,拉薩 850000 2 西藏自治區(qū)氣候中心,拉薩 850000 3 廣西省氣候中心,南寧 530000 4 中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心,北京 100081

在全球氣候變化、人類活動(dòng)以及溫室氣體增加的背景下,青藏高原作為氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶,呈現(xiàn)出變暖趨勢(shì),促使高原冰川退縮、濕地面積萎縮、積雪融化、凍土活動(dòng)層厚度減薄,草原凍融等問題愈發(fā)突出,導(dǎo)致區(qū)域性的農(nóng)牧區(qū)草地退化和沙漠化發(fā)生[1- 4]。高寒草原和草甸是當(dāng)?shù)啬撩竦闹饕敛輥?lái)源,植被覆蓋特征、生物量生產(chǎn)和分配、群落結(jié)構(gòu)等的改變,直接影響到農(nóng)牧民的經(jīng)濟(jì)生活,并且青藏高原生態(tài)環(huán)境變化對(duì)世界生態(tài)系統(tǒng)具有深刻的影響[5- 8]。因此,對(duì)高寒植被的分布特征和變化規(guī)律及其對(duì)氣候的響應(yīng)進(jìn)行研究,能夠加深對(duì)青藏高原氣候和生態(tài)變化機(jī)理的認(rèn)識(shí),具有十分重要的生態(tài)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

以往針對(duì)青藏高原植被覆蓋的研究主要包括植被覆蓋的時(shí)空分布特征、影響植被生長(zhǎng)的氣候因子以及高寒草甸的物候信息等方面。高原植被時(shí)空分布特征研究主要采用不同來(lái)源衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的分析方法。樸世龍等[9]對(duì)我國(guó)1982—1999年以來(lái)的植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析,指出20世紀(jì)80年代和90年代青藏高原是植被覆蓋度下降的主要分布區(qū)之一。對(duì)青藏高原局部地區(qū)植被變化而言,卓嘎等[10-11]分析了西藏地區(qū)植被的分布與變化趨勢(shì),討論了氣候變化以及人類活動(dòng)因素對(duì)不同區(qū)域植被變化特征的影響。邊多、除多等[12- 14]認(rèn)為阿里植被長(zhǎng)勢(shì)有所改善,那曲草地退化出現(xiàn)先快后慢的現(xiàn)象,拉薩植被與降水量的關(guān)系較氣溫密切。呂洋等[15]基于趨勢(shì)分析法和Hurst指數(shù)法,指出2001—2012年雅魯藏布江流域植被覆蓋總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。廖清飛等[16]分析了青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢(shì)及突變特征,認(rèn)為研究區(qū)降水量的變化以及退耕還林措施是植被覆蓋度變化的重要影響因素。

在對(duì)高原整體植被覆蓋特征研究中,Peng等[17]基于 Hurst 指數(shù)指出青藏高原植被具有增長(zhǎng)趨勢(shì),而劉軍會(huì)等[18]利用生態(tài)模型揭示出植被變化趨勢(shì)呈現(xiàn)整體升高局部退化的現(xiàn)象。不同時(shí)間尺度植被的時(shí)空變化表明[19]青藏高原植被整體變化呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)。李斌等[20]利用半變異函數(shù)分析等方法探討了青藏高原植被的時(shí)空變化特征。李輝霞等[21]通過分離氣候要素與人類活動(dòng)對(duì)植被指數(shù)的貢獻(xiàn),定量評(píng)估三江源地區(qū)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程的實(shí)施效果。青藏高原降水量偏多能夠促進(jìn)植被的生長(zhǎng),兩者呈現(xiàn)較好的正相關(guān)[22- 23],降水量與植被覆蓋相關(guān)較好的區(qū)域主要位于高原東北部[24]。氣溫升高有利于高山植物生長(zhǎng)[25],而氣溫過高不利于高寒草地生長(zhǎng)發(fā)育[24,26]。徐滿厚等[27]則對(duì)高寒草甸植被進(jìn)行增溫模擬試驗(yàn),認(rèn)為適當(dāng)?shù)脑鰷嘏c降水均可極顯著促進(jìn)高寒草甸植被生長(zhǎng)。針對(duì)青藏高原植被物候研究,馬曉芳等[28- 31]提取了青藏高原高寒草地的物候信息(植被返青期、枯黃期和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度),分析了不同高寒草地植被物候10年平均狀況的變化趨勢(shì)、空間分異特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述,以往對(duì)青藏高原植被覆蓋研究多數(shù)采用美國(guó)大氣海洋局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)植被資料,且側(cè)重青藏高原不同區(qū)域植被覆蓋分布特征或者高寒草甸物候信息的時(shí)空變化規(guī)律。研究很少涉及在全球變暖大背景下,近期青藏高原整體的植被覆蓋特征[32-33],尤其是不同時(shí)間尺度植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化,青藏高原降水量、氣溫與植被覆蓋之間究竟呈正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)等問題不甚明確。本文利用時(shí)空分辨率相對(duì)較高的MODIS(Moderate-resolution imaging spectrometer)NDVI衛(wèi)星產(chǎn)品以及青藏高原區(qū)域101個(gè)氣象站點(diǎn)的降水、氣溫資料,采用最大合成法(Maximum Value Composites,MVC)、趨勢(shì)性分析以及相關(guān)分析方法,旨在分析在全球氣候變暖背景下,近17年來(lái)青藏高原植被覆蓋在不同時(shí)間尺度上的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律,探討降水和氣溫變化對(duì)植被覆蓋的影響,為高原地區(qū)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)安全屏障建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)、資料和方法

1.1 研究區(qū)域

圖1 青藏高原海拔高度及氣象站位置分布 Fig.1 Altitude and location of meteorological stations over the Tibetan Plateau

青藏高原(圖1)位于我國(guó)西南部,在我國(guó)境內(nèi)部分西起帕米爾高原、東至橫斷山脈、南自喜馬拉雅山、北迄昆合山祁連山北側(cè);東西長(zhǎng)約2945km,南北寬達(dá)1532km,跨新疆、青海、甘肅、西藏等6個(gè)省區(qū),總面積為2.62×106km2,占我國(guó)陸地總面積的26.8%[28,34]。青藏高原作為世界上平均海拔最高的高原,在各種地理因素的共同作用下,東南部屬于暖濕性氣候,西北部屬于干冷性氣候。高原氣候基本特點(diǎn)是太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,氣溫低,氣溫日較差大,年變化較小,干濕季節(jié)分明,氣溫和降水自東南到西北呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

1.2 資料來(lái)源

歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index, NDVI)通過紅外與近紅外波段的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)植被信息狀態(tài)的表達(dá),可以用來(lái)表征植被覆蓋程度和植被生長(zhǎng)狀況、葉面積指數(shù)、生物量以及吸收的光合有效輻射等植被參數(shù)[35- 37]。NDVI可以對(duì)植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)能夠在較大時(shí)空尺度上客觀反映植被覆蓋程度和植被生長(zhǎng)狀況[38- 40],其時(shí)序數(shù)據(jù)也已成為基于生物氣候特征開展大區(qū)域植被的基本手段[41],歸一化植被指數(shù)在全球及區(qū)域大尺度植被變化與氣候相互作用中已被廣泛應(yīng)用。

文中NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)LP DAAC數(shù)據(jù)中心(Land Processes Distributed Active Archive Center,http://lp-daac.usgs.gov/main.asp)MODIS儀器提供的2000—2017年2月逐月NDVI數(shù)據(jù),分辨率為1km,數(shù)據(jù)格式為HDF-EOS,投影方式為Sinusoidal。MODIS數(shù)據(jù)是植被遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中重要的數(shù)據(jù)源之一。文中對(duì)遙感數(shù)據(jù)的合成、再投影處理是通過投影軟件MRT(MODIS Reprojection Tool)、遙感影像處理軟件ENVI(The environmental for visualizing Images)實(shí)現(xiàn)。把下載的數(shù)據(jù)依據(jù)青藏高原范圍進(jìn)行拼接,使其投影為標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)緯度網(wǎng)格坐標(biāo),將軟件輸出的MODIS資料保存為GEOTIF格式;在ENVI里完成青藏高原矢量邊界裁剪,獲得研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)。為反映研究區(qū)不同時(shí)間尺度植被覆蓋狀況,計(jì)算月、季節(jié)、生長(zhǎng)季和年的NDVI平均值,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為ASCII格式,以便用于植被指數(shù)與氣象要素的相關(guān)計(jì)算。文中使用GIS(Geographic Information System)繪制植被空間分布和變化趨勢(shì)圖,IDL繪制曲線圖。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn),選取2000年1月—2016年12月青藏高原地區(qū)101個(gè)氣象站的月降水和溫度數(shù)據(jù),氣象站包括青海和西藏的全部站點(diǎn);新疆的塔什庫(kù)爾干、甘肅的烏哨嶺、瑪曲和合作;云南的德欽、貢山和中甸;四川的石渠、若爾蓋、德格、甘孜、色達(dá)、道孚、阿壩、馬爾康、紅原、小金、松潘、巴塘、新龍、理塘、稻城、康定、得榮、木里和九龍。

1.3 分析方法

文中將研究時(shí)段劃分為年際、生長(zhǎng)季、季節(jié)、月等4種時(shí)間尺度。季節(jié)劃分采用氣象學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)：春季3—5月,夏季6—8月,秋季9—11月,冬季從12月到次年2月,生長(zhǎng)季選取4—9月。采用最大合成法(Maximum value Composites, MVC)獲得各研究時(shí)段(月、季節(jié)、生長(zhǎng)季和年)內(nèi)最大NDVI值作為不同時(shí)段的NDVI值,該方法在一定程度上能夠消除云對(duì)植被指數(shù)的影響。由于文中關(guān)注植被覆蓋及其變化趨勢(shì),沒有單獨(dú)考慮云、積雪、水體和無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域的植被狀況。對(duì)植被覆蓋的等級(jí)劃分采用等間隔等分方法[32],認(rèn)為植被不同等級(jí)之間的變化速率一致,依據(jù)植被變化速率大小劃分為嚴(yán)重退化、中度退化、輕度退化、基本不變、輕度改善、中度改善以及明顯改善7個(gè)等級(jí)。

NDVI隨時(shí)間的變化趨勢(shì)利用趨勢(shì)線分析[42],即對(duì)每個(gè)柵格的NDVI數(shù)值進(jìn)行一元線性回歸分析。slope為NDVI回歸方程的變化速率,即斜率,若slope>0,則該像元17年間的植被覆蓋變化趨勢(shì)增加,且數(shù)值愈大植被覆蓋度增加趨勢(shì)愈明顯;反之表明植被變化趨勢(shì)減少;slope=0表示此像元的植被覆蓋無(wú)變化。采用最小二乘法法擬合NDVI和氣候要素隨時(shí)間的變化速率,即NDVI和氣候要素x隨時(shí)間t的線性回歸。在分析植被指數(shù)和氣候要素關(guān)系時(shí),先通過插值計(jì)算出各觀測(cè)站點(diǎn)上的NDVI,再計(jì)算年NDVI和年降水量、年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)。在變化趨勢(shì)或相關(guān)系數(shù)分析中,如果相關(guān)系數(shù)大于顯著性檢驗(yàn)表中自由度N對(duì)應(yīng)的臨界值,說(shuō)明變化速率或相關(guān)系數(shù)通過指定顯著性水平P值的檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI空間變化

圖2為2000—2016年青藏高原不同季節(jié)、生長(zhǎng)季和年合成平均植被指數(shù)的空間分布圖?？梢钥闯?無(wú)論季節(jié)、生長(zhǎng)季或全年NDVI,青藏高原東南部植被狀況明顯好于高原西北部。由于受到東亞夏季風(fēng)的影響,東南部能夠得到較好的水熱條件,分布著常綠闊葉林以及針葉林,而青藏高原西北部基本屬于干旱、半干旱區(qū)域,水熱條件較差,分布著草原及荒漠,表明植被覆蓋的分布格局與該區(qū)域水熱條件的時(shí)空分布保持了較好的一致性。

春季高原地區(qū)植被覆蓋整體狀況比較差,植被狀況最好的區(qū)域(NDVI>0.8)位于西藏東南部的林芝、昌都等地,這些區(qū)域分布著比較茂密的森林,相對(duì)于其他地表類型具有更高的NDVI值;植被覆蓋較好的區(qū)域(NDVI>0.4)位于青藏高原東部和東南部,即青海省東部、川西高原以及西藏東南部;高原大部分區(qū)域的NDVI均小于0.4,尤其在高原西部和北部柴達(dá)木盆地,NDVI甚至小于0.2,基本對(duì)應(yīng)著青海西部和藏北遼闊的荒漠和半荒漠區(qū)域。

圖2 2000—2016年青藏高原地區(qū)季節(jié)、生長(zhǎng)季和年最大NDVI多年平均的空間分布Fig.2 Distribution of maximum NDVI during different seasons over the Tibetan Plateau from 2000 to 2016

隨著夏季和雨季來(lái)臨,高原植被狀況有所好轉(zhuǎn),NDVI>0.4的區(qū)域由高原東南部向高原西北部逐漸增加,青海省東部和南部、川西高原以及西藏中東部NDVI>0.6,尤其是川西高原和西藏東南部NDVI>0.8。秋季高原雨季結(jié)束,氣溫逐漸下降,植被覆蓋與夏季植被空間分布比較相似,但是隨著溫度降低,植被趨于枯黃,高原東南部的NDVI較夏季有所降低,基本處于0.4—0.8之間,NDVI大于0.8的區(qū)域明顯減少。冬季高原地區(qū)異常寒冷,NDVI大于0.4的區(qū)域急劇南縮,主要位于川西高原東部和南部以及西藏東南部,NDVI>0.8的區(qū)域基本位于西藏東南部。由于青藏高原植被的生長(zhǎng)期較平原地區(qū)短,植被生長(zhǎng)最快時(shí)段基本集中在夏季。因此,高原生長(zhǎng)季和全年植被覆蓋的空間分布與夏季植被覆蓋特征比較接近,僅在個(gè)別區(qū)域存在著差別,比如生長(zhǎng)季和年植被覆蓋NDVI>0.8的區(qū)域較夏季范圍偏大。

圖3為青藏高原2000—2016年不同研究時(shí)段植被的變化趨勢(shì)。由圖可見,高原植被既有增長(zhǎng)又有退化趨勢(shì),植被覆蓋變化具有明顯的季節(jié)和區(qū)域差異。春季高原大部分區(qū)域植被呈增加趨勢(shì),增加地區(qū)分布在青海東部和南部、川西高原北部、西藏東南部,而西藏那曲中東部、川西高原南部退化比較嚴(yán)重。夏季植被增加區(qū)域位于高原北部以及青海省大部,植被覆蓋減少區(qū)域位于西藏中西部,尤其以藏北最為明顯。秋季高原植被減少最為明顯,減少區(qū)域集中在高原東南部以及青海省南部。冬季高原大部植被覆蓋呈增加趨勢(shì),減少區(qū)域位于青海省東北部和南部。生長(zhǎng)季和年植被覆蓋變化空間分布與夏季特征接近。整體上青藏高原植被覆蓋改善區(qū)域大于退化區(qū)域,改善面積達(dá)到高原面積的72%—75%,退化面積占25%—28%。

圖3 2000—2016年青藏高原季節(jié)和年最大NDVI變化斜率Fig.3 The slope of maximum NDVI during different seasons over the Tibetan Plateau from 2000 to 2016

根據(jù)年平均NDVI變化斜率數(shù)據(jù)及其分布規(guī)律,采用等間隔等分法[32]將變化斜率分為7個(gè)等級(jí)(表1)。結(jié)果表明,嚴(yán)重退化的區(qū)域主要位于青藏高原西南部,尤其是西藏那曲中東部,退化面積為9.09km2,占總面積的0.0003%;中度退化區(qū)域分布于西藏中西部以及青海南部,退化面積為136.37km2,占總面積的0.0045%;輕度退化區(qū)域范圍相對(duì)較廣,幾乎分布于除西藏東南部之外的大部分區(qū)域,退化面積為3424.32km2,占總面積的0.113%;基本不變的區(qū)域面積為2711859.93km2,占總面積89.4894%;輕度改善面積319561.61km2,占總面積10.5453%;中度改善面積2239.44km2,占總面積0.0739%;明顯改善面積139.40km2,僅占總面積0.0046%。由此可見,近年來(lái)高原地區(qū)退耕還林、草原生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制等生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施,使得高原地區(qū)植被中度和輕度改善面積增大,青藏高原大部分區(qū)域的植被狀況有了明顯的改善,但仍然存在植被的不同程度退化區(qū)域。

表1 2000—2016年青藏高原NDVI年變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

slope：斜率

2.2 NDVI時(shí)間變化

圖4 青藏高原2000—2016年NDVI月變化(短線為誤差線) Fig.4 The monthly variation of NDVI over the Tibetan Plateau from 2000 to 2016 (Shot line refers to the error line)

依據(jù)青藏高原月植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)出的近17年NDVI的月平均值(圖4)可以看出,隨著季節(jié)更替NDVI相應(yīng)地發(fā)生改變。由于高原冬半年時(shí)段長(zhǎng),降水較少且天氣寒冷,1—3月NDVI值較小,基本維持在0.15左右,4月以后隨著氣溫升高和降水增加,植被開始返青,尤其以高原東南部較為顯著,NDVI值也迅速增大,不同類型植被生長(zhǎng)旺盛,在8月NDVI值達(dá)到最大值(0.3393),9月后隨著農(nóng)作物的成熟,大部分植被開始落葉,植被覆蓋逐漸減少,NDVI值急劇下降,至次年2月下降為全年中的最低值(0.1572)。2000—2016年多年平均的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.0021,最大誤差值出現(xiàn)在6月,僅達(dá)到0.0038,說(shuō)明隨著夏季到來(lái),植被覆蓋呈現(xiàn)明顯變化,NDVI反映的植被狀況較實(shí)際情況略微偏大,其他月份誤差較小,其中最小誤差出現(xiàn)在1月(0.0014)。由此可見,高原植被指數(shù)月際變化的標(biāo)準(zhǔn)誤差均非常小,NDVI能很好地反映呈“單峰型”的年變化規(guī)律。

圖5顯示了青藏高原地區(qū)不同季節(jié)、生長(zhǎng)季和年NDVI隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。從年均值曲線及其線性趨勢(shì)上看,植被指數(shù)呈顯著的上升趨勢(shì),增幅為0.007/10a,相關(guān)系數(shù)為0.619,通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.01)。2000年的NDVI值為0.337,為植被指數(shù)最低值,而后NDVI持續(xù)上升,2005年達(dá)到0.3641,以后2006—2012年經(jīng)歷了幅度較小的波動(dòng)后逐漸上升,2012年達(dá)到近17年來(lái)NDVI最大值(0.3726),隨后呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì),2015年NDVI值為0.3559。不同季節(jié)的NDVI值變化曲線表明,植被指數(shù)均呈明顯上升趨勢(shì),春、夏、秋、冬季和生長(zhǎng)季的NDVI增幅分別為0.01/10a、0.008/10a、0.003/10a、0.007/10a和0.008/10a,對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.686,0.629,0.242,0.672和0.621。青藏高原地區(qū)不同時(shí)段NDVI值呈幅度較小的增加趨勢(shì),除秋季外,其他季節(jié)和生長(zhǎng)季植被變化均通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.01)。

圖5 青藏高原地區(qū)不同季節(jié)、生長(zhǎng)季和年NDVI隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.5 The variation trend of NDVI during different seasons over the Tibetan Plateau

2.3 氣候因子變化特征

多年月平均降水量和平均氣溫(表2)表明降水量和氣溫呈現(xiàn)基本一致的單峰型變化,即1—3月降水量較小,氣溫較低,最低溫度出現(xiàn)在1月,12月降水最少;4月以后無(wú)論是氣溫還是降水量均呈顯著增加,降水量和氣溫都在7月份達(dá)到一年中的最大值。結(jié)合NDVI月際變化和表2可以看出,降水量、平均氣溫和NDVI具有類似的年變化特征,NDVI值的最大值略微滯后于降水量和氣溫的峰值。

表2 2000—2016年青藏高原地區(qū)多年平均月降水量和月平均氣溫

近17年來(lái)不同時(shí)段的降水量和氣溫變化趨勢(shì)表明,冬季降水量和溫度最低,夏季溫度最高,生長(zhǎng)季降水量最大。由降水量的變化趨勢(shì)可見,除夏季降水量呈減少趨勢(shì)(4.09mm/10a)外,其他季節(jié)降水量均呈增加趨勢(shì),以秋季和春季變化較為明顯,增幅分別為2.51mm/10a和1.99mm/10a,但是總體上降水量增加的變化趨勢(shì)不顯著,沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.01)。冬季、春季和秋季降水量的年際波動(dòng)較小,夏季和生長(zhǎng)季降水量年際波動(dòng)較大。不同研究時(shí)段的氣溫均呈增加趨勢(shì),尤其以春季增加最為顯著,可以達(dá)到0.63℃/10a;秋季、夏季和生長(zhǎng)季次之,增溫幅度分別達(dá)到0.46、0.43℃/10a和0.43℃/10a;冬季增溫幅度最小,僅為0.14℃/10a。除冬季氣溫外,其他季節(jié)氣溫變化趨勢(shì)均通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.10),尤其是春季和生長(zhǎng)季平均氣溫通過P<0.01顯著性水平檢驗(yàn)。不同時(shí)段平均氣溫的年際波動(dòng)總體較小,其中,冬季和秋季的變化相對(duì)較大。

對(duì)青藏高原地區(qū)2000—2016年101個(gè)氣象站觀測(cè)的降水量和平均氣溫實(shí)測(cè)資料分析(圖6)發(fā)現(xiàn),近17年青藏高原地區(qū)年平均氣溫變化幅度較大,多年年平均氣溫為4.56℃;氣溫從2000年至2009年呈在波動(dòng)之中顯著增加,2009年之后到2012年持續(xù)下降,隨后急劇增加;平均氣溫最低值出現(xiàn)在2000年(3.79℃),氣溫最高值(5.15℃)出現(xiàn)在2016年;整體上年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì),增幅為0.45/10a,相關(guān)系數(shù)為0.613,通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.01)。在全球氣候變暖的大背景下,區(qū)域氣候呈現(xiàn)顯著的變暖趨勢(shì)。由年均降水量可見,近17年青藏高原地區(qū)降水變化幅度不大,多年平均年降水量為485.83mm;降水量從2000年至2006年呈減少—增加—減少的變化趨勢(shì),并在2006年達(dá)到近17年來(lái)的最小值(432.11mm),隨后呈現(xiàn)波動(dòng)變化,2015年達(dá)到次低值437.13mm,2016年達(dá)到最大值(537.37mm);降水量總體上呈緩慢增加趨勢(shì),增幅為2.04mm/10a,相關(guān)系數(shù)為0.032,未通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.01)。綜上所述,青藏高原氣候變化呈現(xiàn)“暖濕化”趨勢(shì)。

圖6 2000—2016年青藏高原降水量和平均氣溫的年際變化Fig.6 The variation of annual precipitation and temperature over the Tibetan Plateau from 2000 to 2016

2.4 植被覆蓋與氣候因子的響應(yīng)

植被指數(shù)與氣候因子關(guān)系密切,并且氣候條件能夠調(diào)節(jié)和改變植被覆蓋的分布狀況[43- 44]。從2000—2016年多年平均的高原地區(qū)年最大合成NDVI、年降水量、年平均氣溫的突變規(guī)律來(lái)看,降水量的變化不存在顯著突變現(xiàn)象,平均氣溫和NDVI則分別在2003年和2004年表現(xiàn)出了顯著增加的突變現(xiàn)象,NDVI的突變時(shí)間滯后于平均氣溫的增加,表明近年來(lái)平均氣溫與植被覆蓋呈基本一致的增加趨勢(shì)。

將青藏高原多年平均的各像元的年最大合成NDVI插值到各氣象站點(diǎn)上,得到了NDVI和降水量、氣溫的散點(diǎn)分布圖。無(wú)論年降水量還是年平均氣溫,總體上均與年最大合成NDVI呈較好的正相關(guān),通過P<0.10顯著性水平檢驗(yàn)。年降水量較年平均氣溫在空間尺度上與植被指數(shù)有更好的對(duì)應(yīng),降水量增加可極顯著地促進(jìn)高寒草甸植被的生長(zhǎng)。溫度升高在一定程度上可以滿足植被正常生長(zhǎng)所需的熱量供應(yīng),適當(dāng)增溫可促進(jìn)高原植被生長(zhǎng),但是溫度過高時(shí),過高的溫度會(huì)改變植物群落的小氣候環(huán)境,直接或間接影響到植被的生長(zhǎng)發(fā)育和生物量生產(chǎn),對(duì)植被覆蓋起到抑制作用[24,26]。

為了解植被指數(shù)對(duì)降水量、平均氣溫在青藏高原不同區(qū)域的響應(yīng),分別計(jì)算了各高原觀測(cè)站年降水量和年平均氣溫與對(duì)應(yīng)植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(圖7)。結(jié)果表明,年降水量和植被指數(shù)在青藏高原大部分區(qū)域呈正相關(guān),尤其是青藏高原東北部,包括青海大部、西藏大部以及川西高原北部,體現(xiàn)了降水對(duì)草原植被生長(zhǎng)有利[22- 23];負(fù)相關(guān)區(qū)主要位于青海東南部、西藏北部和東南部以及川西高原南部。年平均氣溫和植被指數(shù)的正相關(guān)區(qū)主要位于青海大部、西藏西北部和川西高原南部;負(fù)相關(guān)區(qū)位于高原西南部,尤其是西藏中東部,說(shuō)明氣溫對(duì)植被的生長(zhǎng)在特定區(qū)域具有不利的影響。

圖7 年降水量、年平均氣溫與年最大合成植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Fig.7 Correlation coefficients between annual NDVI and annual precipitation or annual mean temperature

由此可見,對(duì)高原西部降水較少和氣溫較低的區(qū)域(以西藏阿里為例),降水量和熱量條件都會(huì)影響植被生長(zhǎng),并且與植被均呈正相關(guān);對(duì)于高原東南部降水相對(duì)充沛的部分區(qū)域,降水量和熱量條件對(duì)植被生長(zhǎng)影響不顯著,甚至降水偏多,可能還會(huì)抑制植被生長(zhǎng)[24]。從不同類型下墊面來(lái)看,草原和荒漠覆蓋區(qū)域的NDVI與降水量、氣溫表現(xiàn)為較密切的正相關(guān)[11],尤其以草原更為顯著,通過P<0.10顯著性水平檢驗(yàn);森林區(qū)NDVI與降水量、氣溫關(guān)系不顯著?？傮w來(lái)說(shuō),青藏高原降水量、氣溫分別與植被指數(shù)既存在正相關(guān),也存在負(fù)相關(guān),降水量對(duì)植被覆蓋的影響大于平均氣溫對(duì)植被覆蓋的影響。

3 討論

綜上所述,無(wú)論不同季節(jié)、生長(zhǎng)季或年最大合成的植被狀況,青藏高原植被均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。但是,有研究[45]應(yīng)用增強(qiáng)的植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)分析2000—2012年青藏高原生長(zhǎng)期植被覆蓋變化,認(rèn)為青藏高原植被呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢(shì),因?yàn)橹脖粶p少的速率大于植被增加的速率,并且氣候變化的初始狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致不同植被類型對(duì)氣候變化的敏感性的差異。文中研究結(jié)果與此結(jié)論存在著研究時(shí)段以及植被增加、減少速率定量化分析上的差異,沒有涉及氣候初始狀態(tài)對(duì)植被覆蓋變化的影響。降水量、氣溫與植被覆蓋存在著正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域,氣溫與植被覆蓋的正相關(guān)區(qū)主要位于高原東北部,負(fù)相關(guān)區(qū)位于西南部,降水量對(duì)植被覆蓋的影響較氣溫明顯,這與以往研究[24,46]結(jié)論接近一致,并且指出了植被指數(shù)和氣候要素的相關(guān)存在著區(qū)域性差異。由于青藏高原觀測(cè)站點(diǎn)主要位于高原中東部,高原西部大多數(shù)區(qū)域沒有站點(diǎn)或者站點(diǎn)很少,研究結(jié)論的適用性局限于高原中東部。文中關(guān)注的氣候因子主要限于降水量和氣溫的站點(diǎn)資料,今后需要采用格點(diǎn)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星估算降水以及相對(duì)濕度等其他資料,進(jìn)一步開展青藏高原不同區(qū)域、尤其是高原東、西部植被類型差異特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)和互饋?zhàn)饔谩?/p>

4 結(jié)論

本文分析了2000—2016年青藏高原地區(qū)植被的時(shí)空特征和變化趨勢(shì),得出以下結(jié)論：

(1)青藏高原東南部植被狀況明顯好于高原西北部,植被覆蓋的分布格局與區(qū)域水熱條件的時(shí)空分布保持了較好的一致性。近年來(lái)青藏高原大部分區(qū)域的植被狀況有明顯改善,嚴(yán)重退化區(qū)域主要位于青藏高原西南部。除秋季外,青藏高原地區(qū)NDVI值在2000—2016年呈幅度較小的增加趨勢(shì),各時(shí)段植被變化均通過顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.01)。

(2)除夏季降水量呈減少趨勢(shì)(減幅為4.09mm/10a)外,其他季節(jié)降水量呈增加趨勢(shì);不同研究時(shí)段的氣溫均呈增加趨勢(shì),整體上青藏高原氣候變化呈現(xiàn)“暖濕化”趨勢(shì)。降水量和平均氣溫總體上與年最大合成NDVI呈較好的正相關(guān),但也存在負(fù)相關(guān)區(qū)域,青藏高原上降水量對(duì)植被覆蓋的影響較平均氣溫明顯。

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