劉櫟杉， 延軍平， 李雙雙

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710062)

近年來，隨著“三北防護林”、“退耕還林還草”等防沙治沙工程實施的不斷深入，中國北方地區(qū)沙漠化較之20世紀末期有所減輕[1]，荒漠化整體擴展趨勢已得到初步抑制[2-4]。黃森旺等[5]通過近25 a三北防護林工程區(qū)土地退化及驅(qū)動力分析，發(fā)現(xiàn)三北防護林建設(shè)區(qū)土地退化整體呈減弱趨勢，大部分省區(qū)退化程度都有所減弱，其中尤以內(nèi)蒙古中東部、青海東北部、新疆北部最為明顯。

青藏高原作為亞洲乃至北半球氣候變化的“感應(yīng)器”和“敏感區(qū)”，對中國乃至亞洲生態(tài)安全具有重要的屏障作用[6-10]。青海作為青藏高原的一部分，地理環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，是氣候變化的敏感區(qū)，也是東部季風(fēng)區(qū)和青藏高原區(qū)的過渡帶，國家“退耕還林還草”重點建設(shè)區(qū)，長江、黃河、瀾滄江3大河流的發(fā)源地。地表植被覆蓋動態(tài)變化研究對該地區(qū)環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)具有重要的意義。

無論是全年還是生長季，青藏高原植被變化與氣溫變化相關(guān)性明顯高于降水，高原植被對溫度變化具有較強的敏感性[11]。Lean等[12]提出用統(tǒng)計方法模擬全球溫度序列，共考慮4個因素，即人類活動(包括溫室氣體及氣溶膠)、太陽輻射、火山氣溶膠及ENSO。王紹武等[13]在此基礎(chǔ)上進一步分析，認為1999—2008年有La Nina 事件，太陽輻射則由強到弱，但人類活動仍然呈線性增長。ENSO 及太陽輻射帶來的降冷，在相當(dāng)大程度上抵消了人類活動造成的變暖。但是，這些自然因素并未改變氣候變化的趨勢。2001—2010年仍是全球有觀測記錄以來最暖的10 a，這一點在青藏高原體現(xiàn)的尤為明顯[14]。氣溫持續(xù)增高導(dǎo)致活動積溫增加，一方面有利于青海東部濕潤地區(qū)植被生長，另一方面卻加劇了青海西北地區(qū)干旱化趨勢，影響植被覆蓋狀況改善。在全球變暖背景下，關(guān)注青海省生態(tài)恢復(fù)時空格局響應(yīng)特征，對區(qū)域生態(tài)建設(shè)具有重要的實踐意義。

基于此，本文選取青海省作為研究區(qū)域，利用2000—2009年遙感數(shù)據(jù)，以像元為基本計算單元，分析氣候變暖背景下“退耕還林還草”實施10 a來高原植被覆蓋的時空變化特征，以期為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)修復(fù)工程規(guī)劃以及生態(tài)環(huán)境保護提供一些理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海省地域遼闊，主體位于青藏高原東北部，西北內(nèi)陸腹地，處于3大自然區(qū)的交匯地帶。地理坐標(biāo)為北緯31°39′—39°19′，東經(jīng)89°35′—103°04′，總面積7.21×105km2。由于地質(zhì)構(gòu)造控制，地貌基本格局呈現(xiàn)北西西—南東東走向，大地貌單元基本上沿緯向呈帶狀分布，自北向南依次是祁連山—阿爾金山、柴達木盆地—共和盆地—河湟谷地—黃南低地、東昆侖山脈、青南高原、唐古拉山脈。這些近乎東西走向的高大山脈，成為重要的自然地理分界線和行政區(qū)劃的界山。東部河湟谷地是黃土高原與青藏高原的過渡地帶，受季風(fēng)氣候影響，自然條件相對較好，也是我國第一階梯向第二階梯過渡地帶，蘊藏著豐富的水力資源。西北部的柴達木盆地，干旱少雨，具有典型的荒漠景觀。南部為青南高原，是我國三江源生態(tài)重點保護區(qū)，具有高寒特征的景觀特色[15]。在全球變化和人類活動的綜合影響下，青藏高原呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、資源環(huán)境壓力增大等問題，突出表現(xiàn)為冰川退縮顯著，土地退化形勢嚴峻，水土流失加劇，生物多樣性威脅加大與珍稀生物資源減少，自然災(zāi)害增多等[10]。

2 資料來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，其中NDVI數(shù)據(jù)為2000—2009年16 d最大值合成Terra—MODIS L3級產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分辨率為1 km。選取8月作為研究時段，此時段區(qū)域植被覆蓋達到一年中最高、云量較少且具有一定持續(xù)性，可以較好反映區(qū)域植被時空變化特征。由于青海省區(qū)域面積較大，Terra—MODIS L3數(shù)據(jù)需要兩幅影像進行區(qū)域全覆蓋(h25v05，h26v05)，使用GIS 9.3軟件將兩幅影像拼接和重投影，并利用青海省各州行政邊界，提取青海省區(qū)域及各州年植被覆蓋數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)為分辨率90 m SRTM。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析 一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨勢，以單個像元時間變化特征反映整個空間變化規(guī)律，綜合反映區(qū)域時空格局演變[16-17]。其中Slope為像元NDVI回歸方程的斜率，若Slope值為正，表示隨時間變化植被指數(shù)升高，區(qū)域植被覆蓋度存在增加趨勢，且數(shù)值愈大植被覆蓋度增加趨勢愈明顯；反之，Slope值為負，表示隨時間變化植被指數(shù)呈下降趨勢。其計算公式如下：

(1)

式中：S——像元NDVI回歸方程的斜率；n——年跨度；i——年序號； NDVIi——第i年NDVI值。下同。

為了更好地評價青海省植被恢復(fù)狀況，參照已有研究[17]，將Slope分為7個等級：嚴重退化、輕微退化、中度退化、基本不變、輕微改善、中度改善、明顯改善(表1)。

表1 植被覆蓋變化趨勢分類標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差分析 標(biāo)準(zhǔn)差表示個數(shù)據(jù)變量偏離常態(tài)的距離的平均數(shù)，是離差平方和和平均后的方根，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，其值越大，說明該地區(qū)在研究時段內(nèi)各像元NDVI距離平均值越遠，即該段時間植被覆蓋的年際變化較大，植被穩(wěn)定性差[18]。結(jié)合區(qū)域自然地理特征，如柴達木盆地植被稀少，其大幅波動變化可能性相對較小，可以進一步驗證穩(wěn)定性和趨勢分析結(jié)論的可靠性：

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 青海省植被覆蓋年際變化特征

2000—2009年青海省植被覆蓋呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，增速為0.018/10 a，快于三北防護林工程區(qū)1982—2006年近25 a植被覆蓋平均增速0.007/10 a[19]，但慢于陜甘寧黃土高原區(qū)2000—2009年植被覆蓋平均增速0.032/10 a[20]。2000年植被NDVI為0.317，2009年上升到0.340，增長率為7.2%。其中，海東地區(qū)植被覆蓋改善最為明顯，10 a間增加了18.1%，其次是海南州16.5%，格爾木11.4%，海西州10.5%。海北州和果洛州植被條件相對較好，其增長率與其他地區(qū)相比顯得比較緩慢，10 a分別增長了0.9%和1.3%(表2)。青海植被恢復(fù)大致可以分為兩個階段，第一階段為2000—2005年植被快速增長，即“退耕還林草”工程實施前6 a，青海省植被NDVI由2000年0.317上升到2005年0.349，達到10 a最高；第二階段為2005—2009年，青海省植被呈現(xiàn)波動下降，其中2005—2006年和2007—2008年NDVI下降速率分別為4.92%，3.18%(圖1)。

表2 青海省植被覆蓋變化統(tǒng)計特征

圖1 2000-2009年青海省NDVI變化曲線

3.2 青海省植被覆蓋空間格局演變

3.2.1 青海植被格局基本特征 青海省植被格局基本特征表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)在空間上，受水熱、地形等自然地理條件限制，青海省“南高北低，東高西低”的植被格局基本穩(wěn)定(圖2)。柴達木盆地、青南高原西北形成兩大植被相對低區(qū)。祁連山中東段—河湟谷地，黃南低地—果洛州黃河源區(qū)，格爾木南部—玉樹州形成3大植被相對高區(qū)。

(2)青海省植被覆蓋最高的區(qū)域為黃南州，2009年植被NDVI為0.702，其次是西寧地區(qū)為0.635，植被覆蓋相對較低的區(qū)域為海西州、格爾木，植被NDVI分別為0.151，0.262，其中海西州植被覆蓋僅為黃南州的1/4。

圖2 2000-2009年青海省植被覆蓋空間格局變化

3.2.2 植被覆蓋空間格局演變態(tài)勢 實施“退耕還林還草”10 a間，青海省植被覆蓋整體呈增加趨勢(表3)，生態(tài)退化初步得到遏制，但其空間分布存在差異(附圖6)?？臻g格局演變特征主要表現(xiàn)為：(1)呈退化趨勢區(qū)域比重為18.40%，集中分布于祁連山中東段和青南高原三江源地區(qū)；(2)基本不變區(qū)域比重為29.15%，集中分布于柴達木盆地中部和西北部風(fēng)蝕殘丘、流沙區(qū)，東昆侖山南部可可西里高原亦有零星分布；(3)輕微改善區(qū)比重最大(32.66%)，除柴達木盆地中部和西北部均有分布，相對比較集中的區(qū)域有柴達木盆地邊緣和東昆侖山南側(cè)；(4)中度和明顯改善區(qū)比重為19.80%，連片分布于柴達木盆地東南邊緣，青海湖盆地、茶卡—共和盆地、河湟谷地、黃南低地，在南部青南高原、巴顏喀拉山和阿尼瑪卿山西側(cè)亦有帶狀分布；(5)明顯改善區(qū)域相對較少，比重為6.48%，空間分布主要集中在兩個地區(qū)：柴達木盆地東南邊緣形成一條南北向“W”型綠色屏障(98°經(jīng)線周邊)；青海東部低山、丘陵、盆地區(qū)。

表3 2000-2009年青海省植被覆蓋演化趨勢

3.2.3 植被覆蓋空間格局穩(wěn)定性 青海省2000—2009年植被覆蓋標(biāo)準(zhǔn)差介于0.0～0.05，穩(wěn)定性存在明顯地域差異(圖3)?？臻g格局主要表現(xiàn)為“東南波動，西北穩(wěn)定，高原溫帶波動，高原寒帶、亞寒帶穩(wěn)定”。其中，柴達木盆地、可可西里高原植被變化相對穩(wěn)定，冷龍嶺、大通河谷地、阿尼瑪卿山西側(cè)、青南高原東南部變化幅度居中，青海東部中低山地、丘陵、盆地地區(qū)變化幅度最為明顯。

青海省以昆侖山為界，北部大部分屬于高原溫帶，降水量由東向西遞減，干旱程度逐漸增強，植被分布依次為半干旱草原、干旱草原、半荒漠草原、荒漠草原；南部屬于高原亞寒帶，降水量自東南向西北遞減，植被由東南向西北依次為寒溫針葉林、高山灌叢草甸、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠化草原。柴達木盆地、青南高原西北植被相對較低，加之氣候寒冷，植被以半荒漠草原、荒漠草原為主，人類活動影響較少，所以近10 a來植被覆蓋呈現(xiàn)出低位穩(wěn)定變化的特征；青海東部中低山地、丘陵、盆地地區(qū)，人為因素驅(qū)動明顯，這里為我國“退耕還林草”工程實施的重點區(qū)域，氣候相對適宜，降水量相對較多，植被易恢復(fù)，因此，區(qū)域植被覆蓋表現(xiàn)出波動上升的特征。

圖3 2000-2009年青海省植被覆蓋變化穩(wěn)定程度

4 結(jié) 論

(1)2000—2009年青海省植被覆蓋呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，增速為0.018/10 a，快于三北防護林工程區(qū)1982—2006年近25 a植被覆蓋平均增速0.007/10 a，但慢于陜甘寧黃土高原區(qū)2000—2009年植被覆蓋平均增速0.032/10 a。

2000—2009年青海省植被恢復(fù)具有階段性，大致可以分為兩個階段：第一次階段為2000—2005年植被快速增長；第二階段為2005—2009年植被呈現(xiàn)波動下降。

2000—2009年青海省海東地區(qū)植被覆蓋改善最為明顯，10 a間增加了18.1%，其次是海南州16.5%，格爾木11.4%，海西州10.5%。祁連山東段的海北州和黃河源的果洛州植被條件相對較好，其增長率相對比較緩慢，10 a間分別增長了0.9%和1.3%。

(2)受水熱、地形等自然地理條件限制，青海省“南高北低、東高西低”的植被格局基本穩(wěn)定。柴達木盆地、青南高原西北形成兩大植被相對低區(qū)，“祁連山中東段—河湟谷地”，“黃南低地—果洛州黃河源區(qū)”，“格爾木南部—玉樹州”形成3大植被相對高區(qū)。

(3)2000—2009年青海省植被覆蓋呈退化趨勢區(qū)域比重為18.40%，集中分布于祁連山中東段和青南高原三江源地區(qū)；明顯改善區(qū)相對較少(6.48%)，空間上集中分布在兩個地區(qū)：一是柴達木盆地東南邊緣形成一條南北向“W”型綠色屏障(98°經(jīng)線)，另一是青海東部低山、丘陵、盆地區(qū)。

(4)青海省2000—2009年植被覆蓋標(biāo)準(zhǔn)差介于0.0～0.05，穩(wěn)定性存在明顯地域差異?？臻g格局主要表現(xiàn)為“東南波動，西北穩(wěn)定，高原溫帶波動，高原寒帶、亞寒帶穩(wěn)定”。

氣候變暖背景下，青海省生態(tài)恢復(fù)的可持續(xù)性依然是未來研究的熱點話題，還有許多工作需要進一步探索。如進一步評估重點和典型區(qū)域(青南高原三江源地區(qū)、祁連山東段山區(qū)、湟水谷地、黃南低地等)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)適應(yīng)性和穩(wěn)定性；進一步量化氣候變化和人類活動對青海省植被恢復(fù)影響，系統(tǒng)評價兩者在生態(tài)恢復(fù)過程中的相對作用；進一步探討青海省生態(tài)系統(tǒng)良性恢復(fù)后系統(tǒng)服務(wù)功能，關(guān)注生態(tài)建設(shè)向生態(tài)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，促進區(qū)域經(jīng)濟和生態(tài)良性互動發(fā)展。

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