周兆葉，宜樹(shù)華，葉柏生，任世龍，許 民，李乃杰

（中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000）

多年凍土上部由于冰的存在而形成隔水層，可以阻止近地表水向下滲透［1］，使地表土壤保持濕潤(rùn)，這有助于凍土區(qū)植被的生長(zhǎng)，防治寒區(qū)草地沙化。但全球氣溫和地表溫度升高，多年凍土活動(dòng)層吸收熱量增加，活動(dòng)層厚度增大，表層土壤含水量減少，從而影響多年凍土區(qū)植被特征及共演替趨勢(shì)［2］。多年凍土退化使賦存于高寒草地和維系高寒草地生長(zhǎng)發(fā)育的多年凍土上部的凍結(jié)層地下水位持續(xù)下降或消失，從而使高寒沼澤草甸逐漸演變?yōu)楦吆莸椴菰参锓N屬發(fā)生變化，植被覆蓋度降低［3］，這對(duì)位于干旱、半干旱區(qū)的青藏高原植被生長(zhǎng)發(fā)育影響尤為明顯。

然而，多年凍土退化過(guò)程及其后果因凍土類型而存在差異［4］。目前，我國(guó)將高海拔多年凍土區(qū)的凍土按穩(wěn)定性分為極穩(wěn)定型［年均地溫（MAGT）＜－5℃］、穩(wěn)定型（－5℃＜MAGT＜－3℃）、亞穩(wěn)定型 （－3 ℃ ＜ MAGT＜ －1．5 ℃）、過(guò) 渡 型（－1．5℃＜MAGT＜－0．5℃）、不穩(wěn)定型（－0．5℃＜MAGT＜0．5℃）和季節(jié)性（MAGT＞0．5℃）6類［4］。Karnieli等［5］用 AVHRR數(shù)據(jù)建立北美地區(qū)NDVI（歸一化植被指數(shù)）－LST（地表溫度）的相關(guān)關(guān)系，指出在低緯度和低海拔地區(qū)，水分是植被生長(zhǎng)的限制因素，NDVI－LST負(fù)相關(guān)；而在高緯度和高海拔地區(qū)，熱量是限制植被生長(zhǎng)的主要因素，NDVILST正相關(guān)。這說(shuō)明NDVI和LST的關(guān)系在大尺度地理范疇內(nèi)存在差異，但在區(qū)域尺度上，NDVI和LST的關(guān)系是否受約于凍土類型尚不清楚。

我國(guó)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星A星（HJ－1A）自2008年9月發(fā)射以來(lái)，可提供時(shí)間分辨率為2d、空間分辨率為30m的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)波譜范圍覆蓋藍(lán)光（0．43～0．52μm）、綠光（0．52～0．60μm）、紅光（0．63～0．69μm）、近紅外（0．76～0．90μm），可代替云量大、影像質(zhì)量不好的Landsat TM／ETM數(shù)據(jù)計(jì)算NDVI。Carlson［6］用AVHRR數(shù)據(jù)的LST和NDVI之間的關(guān)系式研究地表土壤水分，而土壤水分是凍土環(huán)境的主要組分之一，這為研究不同凍土類型間NDVI和LST的關(guān)系提供了一個(gè)可借鑒的思路。

祁連山凍土區(qū)是青藏高原凍土活動(dòng)層厚度最大的地區(qū)之一。20世紀(jì)70年代至1998年凍土下界從3 420m 上升到3 500m［3］，祁連觀測(cè)站1961－1998年的觀測(cè)資料表明，最大季節(jié)凍結(jié)深度呈現(xiàn)減薄趨勢(shì)，減少幅度大于20cm［3］。疏勒河上游流域位于祁連山區(qū)西段，為祁連山多年凍土發(fā)育最為成熟的地區(qū)之一［3］。該區(qū)降水量少、地表干燥，植被整體發(fā)育較差，代表了一類干旱氣候條件下的多年凍土分布特征，而不同凍土退化類型區(qū)植被和地表基況可能存在差異。因此，本研究通過(guò)分析流域內(nèi)1995、2002和2010年不同凍土類型區(qū)NDVI，建立NDVI－LST關(guān)系式，分析影響植被生長(zhǎng)的制約因素。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于青藏高原東北緣的祁連山西段（圖1），為我國(guó)河西三大內(nèi)陸河流域之一［7］，發(fā)源于青海省境內(nèi)祁連山西段的疏勒南山和托勒南山之間，其上游區(qū)域（96．6°～99．0°E，38．2°～40．0°N）為疏勒河出山口以上的區(qū)域，區(qū)域面積1．1萬(wàn)km2，海拔2 078～5 763m，河谷地區(qū)地形平緩，高山地區(qū)地形陡峭。研究區(qū)位于大陸性干旱荒漠氣候區(qū)，氣候干冷、多風(fēng)［8－9］。據(jù)疏勒河流域上游最近的氣象站——托勒氣象站（98．42°E，38．82°N）多年觀測(cè)資料顯示，該站點(diǎn)多年平均氣溫－2．7℃、年均降水量349．2mm。

圖1 研究區(qū)位置及凍土類型分布Fig．1 Location of study area and the types of permafrost

2 研究方法

2．1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 本研究用到的數(shù)據(jù)主要有年均地溫、MOD13A2（1 000m 分辨率的16日合成 NDVI），MOD11A2（1 000m分辨率的8日合成LST）、Landsat TM、HJ－1A。

2．1．1 年均地溫?cái)?shù)據(jù) 年均地溫?cái)?shù)據(jù)（MAGT）［8］主要用于凍土類型的劃分［4］。本研究采用程國(guó)棟和王紹令［4］提出的青藏高原多年凍土分帶方案，根據(jù)年均地溫將研究區(qū)凍土類型劃分為極穩(wěn)定型、穩(wěn)定型、亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型、不穩(wěn)定型和季節(jié)凍土6種類型。

2．1．2 MOD11A2、MOD13A2數(shù)據(jù) 下載2001－2010年4－10月MOD13A2數(shù)據(jù)，計(jì)算NDVI 10年平均值，7月下旬－8月上旬為該流域植被生長(zhǎng)的最佳季節(jié)，因此選擇7月20日－8月4日的 MOD11A2、MOD13A2數(shù)據(jù)。MOD11A2有白天（Day）、夜晚（Night）兩種數(shù)據(jù)，在本研究中選擇白天的MOD11A2數(shù)據(jù)與 MOD13A2建立NDVI－LST的關(guān)系式來(lái)分析影響植被生長(zhǎng)的因素。

2．1．3 Landsat TM、HJ－1A 數(shù)據(jù) HJ－1A 數(shù)據(jù)是我國(guó)2008年9月發(fā)射的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星A星上的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為2d、空間分辨率為30m，波段范圍與Landsat TM的前4個(gè)波段相同。選取相近時(shí)段的TM和HJ－1A數(shù)據(jù)，計(jì)算NDVI，在像元尺度上對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。從像元尺度來(lái)看，兩種數(shù)據(jù)集的NDVI數(shù)據(jù)之間有很好的線性關(guān)系（圖2），并能通過(guò)0．001的置信水平檢驗(yàn)。所以，當(dāng)研究時(shí)段的Landsat TM影像云量大、數(shù)據(jù)質(zhì)量不好時(shí)，可用其代替。選擇1995年8月9日和2002年8月1日的Landsat TM數(shù)據(jù)和2010年7月27日的HJ－1A數(shù)據(jù)計(jì)算NDVI。

圖2 TM與HJ－1A數(shù)據(jù)NDVI對(duì)比Fig．2 Comparison of NDVI between TM and HJ－1A

2．2 NDVI－LST關(guān)系式的建立 用最大值合成法對(duì)2001－2010年7月20日－8月4日MOD13A（28日合成NDVI）的20景影像進(jìn)行合成，使其與MOD11A2（16日合成 LST）時(shí)間一致。NDVILST正相關(guān)時(shí)，熱量是限制植被生長(zhǎng)的條件；NDVI－LST負(fù)相關(guān)時(shí)，水分是制約植被生長(zhǎng)的條件［5］。通過(guò)研究NDVI－LST正負(fù)相關(guān)性來(lái)分析不同凍土類型區(qū)影響植被生長(zhǎng)的因素。

3 結(jié)果與分析

3．1 1995－2010年NDVI分布特征及變化

研究區(qū)1995、2002和2010年不同凍土類型區(qū)NDVI均值僅為0．23左右（圖3），亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)NDVI最大，為0．20～0．25，極穩(wěn)定型凍土區(qū)NDVI僅有0．05左右。從極穩(wěn)定型到季節(jié)性凍土區(qū)，NDVI呈倒“U”形分布，亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)植被覆蓋狀況最佳，穩(wěn)定型、不穩(wěn)定型凍土區(qū)植被覆蓋狀況次之，極穩(wěn)定型、季節(jié)性凍土區(qū)植被覆蓋最低。1995－2010年，亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)NDVI呈增加趨勢(shì)；極穩(wěn)定型、穩(wěn)定型凍土區(qū)NDVI略有增加；不穩(wěn)定型、季節(jié)凍土區(qū)NDVI呈降低趨勢(shì)。

圖3 1995、2002和2010年不同凍土類型區(qū)NDVIFig．3 NDVI of different types of permafrost in 1995，2002and 2010

圖4 不同凍土類型區(qū)LST和NDVI相關(guān)性Fig．4 Correlationship between LST and NDVI of different types of permafrost

3．2 NDVI－LST相關(guān)性分析結(jié)果 NDVI－LST的正負(fù)相關(guān)性可以體現(xiàn)出影響植被生長(zhǎng)的主要因素（熱量和水分）。線性關(guān)系的斜率可反映出熱量和水分在植被生長(zhǎng)中制約作用的大小［10］。10年間平均NDVI和LST的相關(guān)性因凍土類型存在一定的分異（圖4）：極穩(wěn)定型、穩(wěn)定型凍土區(qū)NDVI－LST正相關(guān)，熱量是限制該區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因素，海拔越高，植被對(duì)熱量的需求越強(qiáng)；亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)NDVI－LST略呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著，說(shuō)明熱量、水分在該區(qū)達(dá)到較好的組合，氣溫升高有利于該區(qū)植被的生長(zhǎng)；不穩(wěn)定型、季節(jié)性凍土區(qū)NDVI－LST負(fù)相關(guān)，水分是制約該區(qū)植被發(fā)育的主要因素。

4 討論與結(jié)論

不同凍土區(qū)的高程，不同高程帶的降水和氣溫決定了NDVI的分布特征。從季節(jié)性凍土區(qū)到極穩(wěn)定型凍土區(qū)，高程從2 000m過(guò)渡到5 700m。對(duì)距研究區(qū)最近的托勒、祁連氣象站的氣象觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明（圖5），1980年以來(lái)，年均降水沒(méi)有明顯變化，但氣溫表現(xiàn)出明顯上升趨勢(shì)，由此引起的區(qū)域蒸發(fā)量也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)所需要的水分減少，從而限制了植被的生長(zhǎng)發(fā)育。干旱－半干旱地區(qū)的不穩(wěn)定型、季節(jié)性凍土區(qū)植被的生長(zhǎng)主要依賴于水分，降水量沒(méi)有比較明顯的變化，但是增溫趨勢(shì)明顯，使得低山區(qū)NDVI呈減少趨勢(shì)。而在海拔較高的極穩(wěn)定型、穩(wěn)定型凍土區(qū)，NDVI與降水的相關(guān)性較弱且不顯著，但氣溫與NDVI顯著正相關(guān)［11］。因此，中高山區(qū)NDVI的變化主要受氣溫的影響，氣溫的升高有利于植被生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致NDVI呈增加趨勢(shì)。

圖5 托勒、祁連站1961－2010年年均氣溫、降水量變化Fig．5 Average annual air temperature and annual precipitation at Qilian and Tuole meteorological stations during 1961－2010

NDVI－LST關(guān)系式被稱為地表水分的指示器，可用于土壤水分和蒸發(fā)量的相關(guān)研究［11－12］。本研究建立NDVI－LST關(guān)系式以揭示不同凍土類型區(qū)限制植被生長(zhǎng)的因素（熱量或水分）。在極穩(wěn)定型凍土區(qū)，LST較低，NDVI較小，該區(qū)植被生長(zhǎng)主要受限于溫度；而在季節(jié)性凍土區(qū)，LST較高，NDVI卻較小，水分是制約該區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因素；在亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)，植被覆蓋狀況最好，但LST卻不是最高，NDVI－LST未表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，說(shuō)明熱量和水分達(dá)到較好的平衡狀態(tài)時(shí)，有利于植被的生長(zhǎng)、發(fā)育。本研究說(shuō)明，在不同的凍土退化階段，多年凍土退化對(duì)高寒草地的影響也不盡相同，現(xiàn)有的研究過(guò)分強(qiáng)調(diào)了氣候變暖引起的多年凍土的退化對(duì)高寒草地的不利影響［13］。

本研究通過(guò)分析祁連山地區(qū)不同凍土類型區(qū)1995、2002和2010年3個(gè)時(shí)期植被生長(zhǎng)狀況最佳季節(jié)的NDVI，建立NDVI－LST關(guān)系。從極穩(wěn)定型到季節(jié)凍土區(qū)，植被分布呈倒“U”形，植被覆蓋狀況較差，亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)植被覆蓋狀況最好，但NDVI均值也僅為0．22。1995－2010年，極穩(wěn)定型、亞穩(wěn)定型凍土區(qū)植被覆蓋狀況略有好轉(zhuǎn)；亞穩(wěn)定型、過(guò)渡型凍土區(qū)NDVI呈較明顯增大趨勢(shì)；不穩(wěn)定型、季節(jié)性凍土區(qū)植被狀況變差，NDVI值呈減小趨勢(shì)。從極穩(wěn)定型過(guò)渡到季節(jié)性凍土區(qū)，NDVILST由正相關(guān)過(guò)渡到負(fù)相關(guān)，即限制植被生長(zhǎng)的因素從熱量過(guò)渡到水分。

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