敖澤建，王建兵，蔣友嚴(yán)，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(zhì)循環(huán)與能量循環(huán)的中樞[1]。植被在保持水土、調(diào)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(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)[3]。

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、時間序列長、數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)（NDVI）廣泛應(yīng)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(shù)據(jù)對山西植被指數(shù)時空變化特征進(jìn)行分析，表明山西植被活動在增強(qiáng)[7]。利用MODI3A3數(shù)據(jù)對祁連山植被變化進(jìn)行分析，表明祁連山植被覆蓋有好轉(zhuǎn)趨勢[8]。使用遙感數(shù)據(jù)分析巴里坤草地變化特征，巴里坤草地呈現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jìn)行了研究[10-11]，表明植被指數(shù)數(shù)據(jù)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(bǔ)給、水土保持、維持生物多樣性、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等功能，特別是在維護(hù)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(bǔ)給生態(tài)功能區(qū)的90%以上草地出現(xiàn)了不同程度的退化，特別是其中的瑪曲、碌曲、夏河境內(nèi)草地退化嚴(yán)重?，斍h境內(nèi)出現(xiàn)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(kuò)大。夏河縣和碌曲縣的草地鹽漬化面積已達(dá)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(yán)重[15]，給甘南牧區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(shù)手段，利用2000—2017年MODIS數(shù)據(jù)對甘南牧區(qū)（圖1）植被進(jìn)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(jié)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(hù)及畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)參考。

圖1 甘南牧區(qū)地形

1 數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)）。區(qū)內(nèi)氣候?qū)俚湫偷拇箨懶约撅L(fēng)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(fēng)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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

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

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)及牧草發(fā)育期數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)。夏河、碌曲無牧草觀測項目，牧草發(fā)育期數(shù)據(jù)使用合作、瑪曲兩農(nóng)氣站觀測數(shù)據(jù)。

1.2.3 土地覆蓋分類數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源是美國國家航空航天局（NASA）提供的 MCD12Q1產(chǎn)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(shù)據(jù)，2000年土地分類覆蓋數(shù)據(jù)由2001年的代替）。

1.3 研究方法

1.3.1 MOD13A3影像數(shù)據(jù)處理

對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行投影及格式轉(zhuǎn)換，并設(shè)置統(tǒng)一的經(jīng)緯度投影；利用研究區(qū)矢量邊界對處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行剪裁。

1.3.2 NDVI最大值合成法

每年最大化植被指數(shù)通過國際通用的最大值合成法 MVC（Maximum Value Composites）獲得，它可以進(jìn)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(shù)，分別代表 2000、2001…2017 年；NDVIij為各月的NDVI值；j為1~6的整數(shù)，分別代表4—9月。MNDVIi是一年內(nèi)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(dǎo)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(shù)，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(jié)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(dá)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(shù)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(nóng)作物。 瑪曲南部、夏河中南部、合作南部及碌曲植被指數(shù)一般在0.7以上，這些區(qū)域為亞高山草甸區(qū)。總體上，甘南牧區(qū)植被呈現(xiàn)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(shù)減?。徊菰辈侩S海拔高度增加植被指數(shù)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(shù)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(shù)均呈現(xiàn)明顯增加趨勢，牧區(qū)整體NDVI及亞高山草甸類NDVI在7月達(dá)到最高，植被指數(shù)分別達(dá)到0.737、0.749；8月牧區(qū)整體及亞高山草甸類NDVI植被指數(shù)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(jìn)入返青普遍期，7月進(jìn)入開花期，9月下旬到10月初進(jìn)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(jìn)入黃枯期，所以未統(tǒng)計10月—次年3月的植被指數(shù)。

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(nèi)牧區(qū)平均NDVI在0.73～0.79范圍內(nèi)波動，2000年為植被最差的一年，此后植被逐漸恢復(fù)，2010年為植被最好的一年，牧區(qū)平均NDVI達(dá)到0.788?，斍菰鳛楦誓夏羺^(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(fù)[18]?？傮w上看，NDVI呈現(xiàn)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(fù)，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(xiàn)，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(jié)果，對2017年與2000年甘南牧區(qū)NDVI進(jìn)行了差值分析，差值結(jié)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(jié)果基本一致，但范圍明顯擴(kuò)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(xiàn)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(yīng)現(xiàn)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(qiáng)弱對于氣溫和降水的變化具有較好的對應(yīng)關(guān)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(shù)關(guān)系（表1）顯示：牧區(qū)的最大NDVI與四季的氣溫均呈正相關(guān)，與其中的冬季、春季氣溫呈顯著正相關(guān)；與秋季降水量呈負(fù)相關(guān)，與冬季、春季、夏季降水量呈正相關(guān)，與其中春季降水量呈顯著正相關(guān)；除與冬季日照時數(shù)不顯著負(fù)相關(guān)外，其余三季均為顯著負(fù)相關(guān)。亞高山草甸區(qū)的最大NDVI與四季的氣溫呈正相關(guān)，與其中的冬季、春季、夏季氣溫成顯著正相關(guān)；與秋季降水量呈負(fù)相關(guān)，與冬季、春季、夏季降水量呈正相關(guān)；除與冬季日照時數(shù)為不顯著負(fù)相關(guān)外，其余三季均為顯著負(fù)相關(guān)。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(shù)關(guān)系：與四季氣溫均呈正相關(guān)，與其中冬季和夏季氣溫呈極顯著正相關(guān)；除與冬季降水量呈負(fù)相關(guān)外，與其余三季均呈正相關(guān)；與四季日照時數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，其中與春季、秋季日照時數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。說明甘南牧區(qū)最大NDVI對日照時數(shù)反應(yīng)最為敏感，對氣溫的反應(yīng)也很敏感，對降水量反應(yīng)相對較差。其中，日照時數(shù)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(guān)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(zhuǎn)換的趨勢[13]。2000—2008年瑪曲草地植被結(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(qū)動因素，氣候異常擾動是次生因素[23，25]。人為因素是導(dǎo)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(shè)置禁牧區(qū)、退耕還草、科學(xué)規(guī)劃放牧場等生態(tài)保護(hù)項目有關(guān)；但約有14.2%牧區(qū)植被出現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)牧區(qū)最大NDVI的相關(guān)性分析顯示，年內(nèi)最大NDVI與年初牲畜量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.500。這與前人研究結(jié)果不同，這可能與近年來實施禁牧區(qū)、退耕還草、科學(xué)規(guī)劃放牧場、農(nóng)牧互補(bǔ)（牧區(qū)繁育、農(nóng)區(qū)育肥、農(nóng)區(qū)種草、牧區(qū)補(bǔ)飼）等保護(hù)生態(tài)環(huán)境及促進(jìn)甘南畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展等項目有關(guān)。

4 結(jié)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(guān)性分析，可以得到以下結(jié)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(shù)變化反應(yīng)敏感，對降水量的變化的反應(yīng)相對較弱。日照時數(shù)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(guān)；局部地區(qū)植被存在減少趨勢，這主要與人類活動有關(guān)。