趙志平，吳曉莆，李 果，李俊生

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012)

黃河源區(qū)位于青藏高原東部，是黃河流域上游主要產(chǎn)流區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)，也是我國(guó)重要的生態(tài)屏障[1]。由于嚴(yán)酷而獨(dú)特的自然環(huán)境，該地區(qū)同時(shí)也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。近年來(lái)該區(qū)因高寒草甸退化[2-3]、高寒草原沙化[4-5]、草原鼠害猖獗[6]、沼澤和濕地面積減少[7]以及生物多樣性急劇萎縮[8]而成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)地區(qū)[9-11]。受水、熱梯度影響，該區(qū)順黃河源頭而下分布著高寒草甸和高寒草原兩種草地類型。國(guó)內(nèi)學(xué)者在內(nèi)蒙古典型溫帶草原的研究證實(shí)，草地生長(zhǎng)狀況與水、熱梯度有著密切的關(guān)系[12-14]，但在黃河源區(qū)國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反映地表植被覆蓋狀況、生長(zhǎng)狀況以及生物量的重要參數(shù)[15-19]。本研究利用2000-2011年黃河源區(qū)NDVI作為草地生長(zhǎng)狀況的代用指標(biāo)，分析該區(qū)草地狀況隨水熱梯度變化過(guò)程，揭示氣候環(huán)境因子的梯度變化對(duì)高寒草原和高寒草甸狀況影響程度，為全球氣候變化與草地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東部、巴顏喀拉山北部的黃河流域源頭地區(qū)，地處32.83°-35.64° N，95.87°-101.79° E。行政區(qū)劃上該區(qū)主體位于果洛藏族自治州，主要涉及曲麻萊、瑪多、稱多、達(dá)日、甘德、瑪沁、久治和班瑪8縣，總面積62 224 km2。該區(qū)平均海拔4 393 m，氣候上屬高原高寒氣候，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、干旱兩季分明，年平均氣溫-3.64 ℃，年降水量513 mm，從東南向西北年平均氣溫和年降水量逐漸降低，海拔逐漸升高[20]。草地是該區(qū)的主要植被類型，主要為高寒草原和高寒草甸。土壤類型主要有高山草甸土、高山草原土、灰褐土、栗鈣土、沼澤土和風(fēng)沙土等類型，其中以高山草甸土分布最多。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1數(shù)據(jù) 本研究用到的NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)MODIS Terra 2000-2011年植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km(https://wist.echo.nasa.gov/～wist/api/imswelcome/)。1 km分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和1∶100萬(wàn)植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。研究區(qū)草地空間分布從1∶100萬(wàn)植被類型數(shù)據(jù)中提取得到(圖1)。氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共享中心提供，包括1980-2009年黃河源區(qū)及周邊氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)項(xiàng)為日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水和日照時(shí)數(shù)。

圖1 研究區(qū)草地類型空間分布Fig.1 Spatial grassland pattern of research area

2.2方法 研究區(qū)為黃河源頭地區(qū)，流域邊界提取是基于1 km分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件中水文分析模塊，進(jìn)行集水流域提取而生成的。由于研究區(qū)位于青藏高原高寒區(qū)，植被生長(zhǎng)期較短，因此采用最大合成法(Maximum Value Composite Syntheses，MVC)獲得每個(gè)像元一年中草地NDVI最大值(NDVImax，記為NDVI)來(lái)代表當(dāng)年植被生長(zhǎng)狀況：

NDVImax(x,t)=max[NDVI(x,t,i)]

(1)

式中，x表示空間位置，t表示年份，i表示t年中第i個(gè)16 d，其范圍在1～23。然后采用最小二乘法線性回歸方程的斜率來(lái)分析2000-2011年研究區(qū)NDVI變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

(2)

式中，NDVI為一年中NDVI最大值，slope為2000-2011年NDVI變化斜率；j為年序號(hào)，n=12。

NDVI變異系數(shù)(CV)計(jì)算公式為：

(3)

Thornthwaite[21]使用濕潤(rùn)指數(shù)來(lái)指示氣候的濕潤(rùn)程度，并提出了以下計(jì)算濕潤(rùn)指數(shù)(Im)的公式：

(4)

式中，P為年降水量，ET0為潛在蒸散。本研究采用此式計(jì)算濕潤(rùn)指數(shù)來(lái)定量表示研究區(qū)濕潤(rùn)程度。潛在蒸散(ET0)采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)1998年對(duì)Penman-Monteith模型修訂后的版本計(jì)算[22-23]：

(5)

式中，Rn為凈輻射，G為土壤通量，γ為干濕常數(shù)，Δ為飽和水汽壓曲線斜率，U2為2 m高處的風(fēng)速，ea為實(shí)際水汽壓，es為平均飽和水汽壓。凈輻射Rn的計(jì)算公式如下：

(6)

式中，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)(4.903×10-9MJK-4·m-2·d-1)，Tmax,k、Tmin,k分別為絕對(duì)溫標(biāo)的最高和最低氣溫，n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，N為可照時(shí)數(shù)，RSO為晴天輻射。

利用ANUSPLIN軟件將黃河源區(qū)及周邊氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值形成本區(qū)空間1 km柵格氣候數(shù)據(jù)[24-25]，包括年平均氣溫、年降水量和濕潤(rùn)指數(shù)[26]，其中濕潤(rùn)指數(shù)由公式(4)、(5)和(6)計(jì)算得到?；谏鲜龉ぷ?，形成研究區(qū)年平均氣溫、降水量、濕潤(rùn)指數(shù)和海拔梯度數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果

3.1環(huán)境梯度變化 利用1980-2009年年平均氣溫、降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)和海拔數(shù)據(jù)，分析該區(qū)環(huán)境因子梯度變化。近30年來(lái)研究區(qū)年平均氣溫在-7～1 ℃，年降水量在334～885 mm，濕潤(rùn)指數(shù)在-37～67，海拔在3 515～5 175 m。自西北向東南年平均氣溫、年降水量和濕潤(rùn)指數(shù)呈梯度上升，海拔高度呈梯度下降(圖2)。

3.2NDVI梯度變化 研究區(qū)近12年來(lái)草地NDVI均值變化在0.062 7～0.869 8，平均值為0.557 8?？臻g上該區(qū)從東南至西北沿黃河逆流而上NDVI逐漸下降，該格局明顯是受水、熱條件制約而形成。NDVI最高的地區(qū)為久治和甘德縣，其次為達(dá)日和瑪沁縣，瑪多、稱多和曲麻萊縣NDVI最低。扎陵湖和鄂陵湖以北的高寒草原地區(qū)為研究區(qū)NDVI低值區(qū)(圖3)。

研究區(qū)草地NDVI與年平均氣溫具有斜率為0.052 7/℃的極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，表明該區(qū)氣溫對(duì)植被生長(zhǎng)具有正向作用(圖4)。草地NDVI與年降水量具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上該區(qū)降水量對(duì)植被生長(zhǎng)具有正向作用，但降水量超過(guò)750 mm后，NDVI反而下降。草地NDVI與濕潤(rùn)指數(shù)具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上該區(qū)濕潤(rùn)程度對(duì)植被生長(zhǎng)具有正向作用，但濕潤(rùn)指數(shù)超過(guò)40后，NDVI反而下降。草地NDVI與海拔高度具有-0.03·100 m-1的極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該區(qū)海拔高度對(duì)植被生長(zhǎng)具有負(fù)向作用。

圖2 環(huán)境因子空間格局Fig.2 Spatial pattern of environmental factors

圖3 2000-2011年研究區(qū)草地NDVI均值空間分布Fig.3 Spatial pattern of NDVI in research area from 2000 to 2011

圖4 草地NDVI均值隨年平均氣溫、年降水量、濕潤(rùn)指數(shù)和海拔的梯度變化Fig.4 Change of grassland NDVI with annual average temperature, annual precipitation, moisture index and elevation

3.3NDVI變化率 研究區(qū)近12年來(lái)草地NDVI年變化速率介于-0.049 7～0.031 5，平均值為0.002 4?？臻g上該區(qū)從東南至西北NDVI變化速率上升。NDVI變化速率最高的地區(qū)為瑪多、曲麻萊和稱多縣，其次為達(dá)日和瑪沁縣，久治和甘德縣NDVI變化速率最低。扎陵湖和鄂陵湖附近地區(qū)為NDVI變化速率較高，達(dá)日縣黃河以南局部地區(qū)NDVI變化速率較低(圖5)。

NDVI變化率能夠反映草地NDVI變化的方向和速率。研究區(qū)草地NDVI變化率與年平均氣溫具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，低溫地區(qū)草地NDVI上升速率較大；與年降水量具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上年降水量少的地區(qū)草地NDVI上升速率較大；與濕潤(rùn)指數(shù)具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上濕潤(rùn)程度低的地區(qū)草地NDVI上升速率較大；與海拔高度具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上高海拔地區(qū)草地NDVI上升速率較大(圖6)。

3.4NDVI變異系數(shù) 研究區(qū)近12年來(lái)草地NDVI變異系數(shù)變化范圍為0.008 7～1.094 7，平均值為0.076 7，表明草地NDVI變化幅度較小?？臻g上該區(qū)從東南至西北NDVI變異系數(shù)逐漸上升，與NDVI變化率相似。NDVI變異系數(shù)最高的地區(qū)為瑪多、曲麻萊和稱多縣，其次為瑪沁和達(dá)日縣，甘德和久治縣NDVI變異系數(shù)最低。扎陵湖和鄂陵湖周圍地區(qū)為研究區(qū)NDVI變異系數(shù)高值區(qū)，久治縣為NDVI變異系數(shù)低值區(qū)(圖7)。

變異系數(shù)能夠反映草地NDVI變動(dòng)幅度。研究區(qū)草地NDVI變異系數(shù)與年平均氣溫具有-0.01/℃的極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，即高溫地區(qū)草地NDVI變異系數(shù)較??；與年降水量具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上年降水量多的地區(qū)草地NDVI變異系數(shù)較小；與濕潤(rùn)指數(shù)具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，總體上濕潤(rùn)程度高的地區(qū)草地NDVI變異系數(shù)較?。慌c海拔具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，即高海拔地區(qū)草地NDVI變異系數(shù)較大(圖8)。

圖5 研究區(qū)草地NDVI變化速率空間分布Fig.5 Spatial pattern of NDVI slope in research area

圖6 草地NDVI變化率隨年均溫、年降水量、濕潤(rùn)指數(shù)和海拔的變化Fig.6 Variation of grassland NDVI with annual average temperature, annual precipitation, moisture index and elevation

圖7 研究區(qū)草地NDVI變異系數(shù)空間分布Fig.7 Spatial pattern of NDVI variable coefficient in research area

圖8 草地NDVI變異系數(shù)隨年均溫、年降水量、濕潤(rùn)指數(shù)和海拔的變化Fig.8 Variation of the coefficient of variation of grassland NDVI with annual average temperature, annual precipitation, moisture index and elevation

4 討論

本研究表明，研究區(qū)草地NDVI分布表現(xiàn)與年平均氣溫、年降水量和濕潤(rùn)指數(shù)之間均呈正相關(guān)關(guān)系，與海拔呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由該區(qū)自然環(huán)境現(xiàn)狀決定的。

草地NDVI變化率格局為從東南至西北上升，一方面可能受到水、熱條件變好的影響，另外一方面也與研究區(qū)自2005年以來(lái)實(shí)施的退牧還草、以草定畜和草地退化治理等生態(tài)恢復(fù)措施有關(guān)。近12年來(lái)，研究區(qū)年平均氣溫變化率為0.089 ℃，其中中部和西部增溫速率較大(圖9)；年降水量變化率為11.444 mm(圖9)，其中東部和西部降水量增加速率較大；濕潤(rùn)指數(shù)年變化率為1.523，其中西北部地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)增加速率較大，東南部地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)增加速率較小(圖9)。2005年三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施以來(lái)，果洛藏族自治州年末牲畜存欄數(shù)持續(xù)下降(圖9)，尤其是研究區(qū)西部的瑪多縣，在生態(tài)移民與減畜、退化草地治理和人工降水等方面的工作使得該區(qū)生態(tài)狀況明顯好轉(zhuǎn)。因此，近12年來(lái)研究區(qū)草地NDVI變化率格局是氣候變化、草地現(xiàn)實(shí)載畜量明顯下降和生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施三方面因素疊加的結(jié)果。

草地NDVI變異系數(shù)是近12年NDVI標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值。本研究中，草地NDVI變化與其分布格局疊加，導(dǎo)致草地NDVI變異系數(shù)從東南至西北逐漸上升。

5 結(jié)論

近12年來(lái)黃河源區(qū)草地NDVI平均值為0.557 8，從東南至西北NDVI逐漸下降，年變化速率均值為0.002 4，變異系數(shù)均值為0.076 7，變化幅度較小，但是NDVI變化速率和變異系數(shù)上升。

黃河源區(qū)氣候環(huán)境因子自西北向東南存在梯度變化，形成水熱梯度，從而導(dǎo)致草地NDVI、NDVI變化率和NDVI變異系數(shù)存在梯度變化。年平均氣溫與NDVI極顯著相關(guān)，與NDVI變化率和NDVI變異系數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)。年降水量和濕潤(rùn)指數(shù)與NDVI極顯著相關(guān)，與NDVI變化率和NDVI變異系數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)。海拔與NDVI具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與NDVI變化率和NDVI變異系數(shù)極顯著相關(guān)。

圖9 研究區(qū)氣候因子變化率和果洛藏族自治州年末牲畜存欄數(shù)變化Fig.9 Variation of climate factors and year-end livestock stock in Golog Tibetan Autonomous Prefecture

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