杜加強(qiáng),賈爾恒·阿哈提,趙晨曦,房世峰,劉偉玲,陰俊齊,

袁新杰3,徐延達(dá)1,2,舒儉民1,2,何萍1,2*

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012; 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012; 3.新疆環(huán)境保護(hù)

科學(xué)研究院, 新疆 烏魯木齊 830011; 4.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

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三江源區(qū)近30年植被生長動態(tài)變化特征分析

杜加強(qiáng)1,2,賈爾恒·阿哈提3,趙晨曦3,房世峰4,劉偉玲1,2,陰俊齊3,

袁新杰3,徐延達(dá)1,2,舒儉民1,2,何萍1,2*

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012; 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012; 3.新疆環(huán)境保護(hù)

科學(xué)研究院, 新疆 烏魯木齊 830011; 4.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

摘要：三江源區(qū)為長江、黃河、瀾滄江提供了豐富的水資源，其地表植被狀況與我國水安全和生態(tài)安全密切相關(guān)。由于所使用的數(shù)據(jù)時(shí)間序列長度有限，以往研究缺乏近30年整體視角的連續(xù)時(shí)間序列研究，也很少分析多時(shí)段變化趨勢的持續(xù)性。為此，本文利用最新發(fā)布的1982-2012年的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集，采用多個(gè)嵌套時(shí)間序列的分析方法，在多個(gè)空間尺度上，研究了近30年來三江源區(qū)各季節(jié)植被活動的變化趨勢和過程。研究表明,1)三江源區(qū)生長季和各季節(jié)NDVI在近30年均呈增強(qiáng)趨勢，春季植被變化具有明顯的階段性，1998年前后NDVI分別呈顯著增加、減少趨勢。2)生長季、春季和夏季NDVI的增加隨時(shí)段延長而趨緩，尤其是春季減緩迅速甚至停滯，而秋季植被活動持續(xù)增強(qiáng)。3)盡管區(qū)域尺度生長季、春季和夏季NDVI變化趨緩，但在像元尺度顯著變化的區(qū)域范圍卻多呈增加趨勢。4)不同植被類型顯著變化的季節(jié)、時(shí)段存在差異。針葉林和灌叢NDVI主要在春季前幾個(gè)時(shí)段增加顯著，荒漠、草甸的增加主要集中在春季、夏季前幾個(gè)時(shí)段。5)各季節(jié)NDVI在14個(gè)時(shí)段增加趨勢持續(xù)性的差異，引起各季節(jié)對生長季植被活動變化貢獻(xiàn)的變化。總的趨勢是，前幾個(gè)時(shí)段，春季NDVI變化較為劇烈，夏季NDVI的貢獻(xiàn)最大，而隨時(shí)段延長，逐漸過渡到秋季NDVI變化幅度、變化量最大，夏季次之。

關(guān)鍵詞：GIMMS NDVI3g；區(qū)域尺度；像元尺度；植被類型；季節(jié)；植被生長動態(tài)；三江源區(qū)

三江源地區(qū)地處青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，是我國淡水資源的重要補(bǔ)給地，也是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)和重要啟動區(qū)[1-2]。近年來，區(qū)域的氣候變化以波動中顯著增溫、降水量增加為主[1,3-4]，這些變化的幅度比周邊區(qū)域更為劇烈[5-6]，對生物圈產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動在逐漸增強(qiáng)[7]，冬蟲夏草采挖、濫墾亂伐、礦產(chǎn)資源開采[8]等不合理的人類活動破壞當(dāng)?shù)氐牟莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)。為此，2003年成立了國家級三江源自然保護(hù)區(qū)，總面積達(dá)15.23 km2，占三江源區(qū)總面積的42%；2005年，實(shí)施了《三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)總體規(guī)劃》，投資75億元啟動了生態(tài)保護(hù)與生態(tài)建設(shè)工程。2011年11月，國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《青海三江源國家生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)總體方案》，繼續(xù)鞏固和維護(hù)高原生態(tài)屏障功能[9]。研究氣候變化和人類活動的疊加作用下，三江源地區(qū)植被生長如何變化，對于合理開展區(qū)域草地生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)建設(shè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

為此，廣大學(xué)者開展了大量相關(guān)研究，但受限于數(shù)據(jù)時(shí)間序列長度以及研究方法上的差異，出現(xiàn)了研究結(jié)果不一致甚至截然相反的問題[2]?，F(xiàn)有利用歸一化差分植被指數(shù)NDVI(NDVI是植被活動的有效表征指標(biāo)之一)的研究主要存在以下兩點(diǎn)不足：一是缺乏30年視角的長時(shí)間序列研究，包含2006年之后的研究基本沒有分析2000年之前的植被狀況[2,8,10-12]；利用1982-2006年GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集的研究又大多缺少2006年之后植被生長的評估[6,13-14]；二是研究多在單一時(shí)段，研究時(shí)段總體的線性趨勢并不能完全準(zhǔn)確地描述植被生長變化的實(shí)際動態(tài)模式[15-17]。此外，關(guān)注植被活動變化趨勢持續(xù)性[18-19]的研究相對較少。植被生長是一個(gè)對外界環(huán)境、干擾不斷適應(yīng)的動態(tài)平衡過程，植被活動強(qiáng)度具有地域性和相對性，需要從時(shí)間序列角度進(jìn)行研究。長時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù)是了解植被過去、監(jiān)測現(xiàn)狀、迎接未來挑戰(zhàn)的強(qiáng)有力工具[20-21]。2014年，最新的AVHRR NDVI3g數(shù)據(jù)集發(fā)布[22]，并開展了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工作，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)質(zhì)量適合開展區(qū)域植被動態(tài)監(jiān)測[23-24]。有關(guān)該數(shù)據(jù)集在三江源區(qū)的應(yīng)用尚未見到報(bào)道。因此，本文采用1982-2012年的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集，分別在區(qū)域尺度、植被類型尺度、像元尺度，研究了三江源區(qū)生長季、春季、夏季、秋季植被活動在1982-1999年、1982-2000年、……、1982-2012年14個(gè)時(shí)段的變化特征，以期深入了解三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)變化過程與特征。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

三江源區(qū)地處青藏高原腹地、青海省南部，地理位置為北緯31°39′-36°12′，東經(jīng)89°45′-102°23′，總面積為36.3萬km2。三江源區(qū)多年平均氣溫變化范圍在-5.6～3.8℃，其中最熱月7月平均氣溫為6.4～13.2℃，最冷月1月為-6.6～-13.8℃。年平均降水量262.2~772.8 mm，其中6-9月降水量約占全年降水量的75%，而夜雨量比例則達(dá)55%~66%。年蒸發(fā)量在730~1700 mm之間。日照百分率為50%~65%，年日照時(shí)數(shù)2300~2900 h，三江源區(qū)以山地地貌為主，地勢總體呈現(xiàn)西高東低的變化態(tài)勢，平均海拔約4500 m。高山草甸和高寒草原是三江源地區(qū)主要植被類型。土壤類型以高山草甸土為主，沼澤化草甸土也較為普遍，凍土層極為發(fā)育。

區(qū)域分布有我國面積最大的江河源區(qū)和海拔最高的天然濕地，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)等服務(wù)功能十分重要。由于生態(tài)效應(yīng)的開放性、共享性和外溢性，加上特殊的地理位置和豐富的自然資源，使三江源區(qū)成為我國青藏高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分，關(guān)系到全國的生態(tài)安全和中華民族的長遠(yuǎn)發(fā)展。由于自然條件嚴(yán)酷、氣候惡劣，三江源地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量和信息流動緩慢，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱和敏感。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集來源于NASA戈達(dá)德航天中心，合成時(shí)段均為15 d，空間分辨率為0.083°×0.083°，時(shí)間跨度是1981-2012年。采用地理信息系統(tǒng)軟件，NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過子集提取、圖像鑲嵌、裁剪數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理過程，形成三江源區(qū)GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集。采用最大值合成方法得到月尺度GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步去除云的影響，并減少月內(nèi)物候循環(huán)的影響[25]。參考相關(guān)研究[19-20,26-27]，采用1982-2012年多年生長季NDVI平均值0.1作為植被閾值，剔除NDVI值小于0.1的區(qū)域，排除非植被因素的影響。

1∶1000000矢量化植被類型圖來自中國植被類型圖[28]，將三江源區(qū)的植被主要分為針葉林、灌叢、荒漠、草原、草甸5大類。

1.3研究方法

為反映植被變化的年際和年內(nèi)特征，采用生長季(4-10月)、春季(4-5月)、夏季(6-8月)和秋季(9-10月)NDVI合成值來表征植被生長，各季節(jié)分別為時(shí)段內(nèi)月NDVI的平均值。在區(qū)域尺度和像元尺度對NDVI與年份進(jìn)行最小二乘法回歸分析，得到回歸方程的斜率和Pearson相關(guān)系數(shù)，分別用來表示植被生長的變化率和變化趨勢。以NDVI變化率與多年平均的比值作為相對變化率[29]，反映相對于多年平均值的變化速率和變化強(qiáng)烈程度。以季節(jié)NDVI變化率與各季節(jié)月份個(gè)數(shù)的乘積計(jì)算NDVI變化總量，并以此反映各季節(jié)NDVI變化對生長季NDVI變化的貢獻(xiàn)。

為探討三江源地區(qū)植被變化的動態(tài)過程，分別在1982-1999年、1982-2000年、……、1982-2012年14個(gè)時(shí)間段上計(jì)算NDVI的變化趨勢。時(shí)段劃分主要是考慮到時(shí)段的總長度以及目前已有研究采用的時(shí)段狀況。顯著增加、顯著減少區(qū)域面積在14個(gè)時(shí)段的變化趨勢、強(qiáng)度，采用其與1999-2012年年份的Pearson相關(guān)系數(shù)、斜率來計(jì)算。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，將變化趨勢分為如下3個(gè)等級：極顯著(P<0.01)；顯著(P<0.05)；不顯著(P>0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1區(qū)域尺度

生長季、各季節(jié)NDVI在14個(gè)時(shí)段均呈明顯的波動增加趨勢(圖1)，但顯著增加的時(shí)段相對較少。生長季NDVI僅在前4個(gè)時(shí)段(1982-1999年、1982-2000年、1982-2001年、1982-2002年)、1982-2011年增加趨勢顯著；春季植被活動僅在第一個(gè)時(shí)段呈顯著增加，夏季植被活動僅在第二個(gè)時(shí)段顯著增加。春季植被活動的變化明顯分為兩個(gè)階段：1982-1998年顯著增加(R2=0.36,n=19)，1998-2012年顯著減小(R2=0.34,n=15)。5年滑動平均顯示，各季節(jié)NDVI均呈波動增加趨勢，其中，夏季波動幅度較大，生長季和秋季NDVI增加顯著(R2=0.18,R2=0.39,n=27)。

圖1　各季節(jié)和生長季區(qū)域平均NDVI變化趨勢Fig.1　Interannual variations of seasonal NDVI in the Three-River Headwater Region

圖2　生長季和季節(jié)NDVI在14個(gè)時(shí)段的變化率Fig.2　Variations of seasonal NDVI interannualslope during 14 periods實(shí)心代表趨勢顯著 Solid symbol for P<0.05.

生長季和夏季NDVI在14個(gè)時(shí)段的變化率呈先快速下降，而后在1982-2009年時(shí)段之后有所上升(圖2)，總體均呈隨時(shí)段長度延長極顯著減小趨勢(R2=0.70,R2=0.52,n=14)。春季植被活動則呈隨時(shí)段延長其NDVI變化率持續(xù)快速下降的趨勢(R2=0.94,n=14,P<0.01)，而秋季NDVI變化率在14個(gè)時(shí)段中則呈波動中顯著增加趨勢(R2=0.38,n=14)。

春季NDVI變化率(斜率)在1、5~8時(shí)段均為3個(gè)季節(jié)中最大的，2~4時(shí)段夏季NDVI變化率最大；1和5時(shí)段夏季NDVI變化率排名第二，2~4時(shí)段排名第二的為春季，6~8時(shí)段為秋季。9~14時(shí)段，秋季NDVI變化率最大，9~11時(shí)段其次為春季，11~14時(shí)段為夏季。相應(yīng)地，在前8個(gè)時(shí)段，春季NDVI相對增加率均大于夏季和秋季，在隨后的3個(gè)時(shí)段中，秋季NDVI相對增加率超過夏季，成為3個(gè)季節(jié)中NDVI相對增加率最大的季節(jié)；在最后3個(gè)時(shí)段，春季NDVI相對增加率在3個(gè)季節(jié)中最小，而秋季依然最大。

生長季NDVI在14個(gè)時(shí)段相對增加率的最大、最小值分別發(fā)生在1982-1999年、1982-2009年(表1)。春季NDVI的相對增加率呈不斷降低趨勢，從1982-1999年的最大值持續(xù)減少到1982-2012年的最小值。夏季NDVI相對增加率最大、最小值分別發(fā)生在1982-2000年和1982-2008年。秋季NDVI的相對增加率基本呈逐漸增加趨勢，最大、最小值分別發(fā)生在1982-2010年和1982-2000年。前5個(gè)時(shí)段，在3個(gè)季節(jié)中，春季NDVI相對增加率最大，其次為夏季；6~11時(shí)段，春季NDVI相對增加率仍然最大，秋季則次之；12~14時(shí)段，秋季、夏季NDVI相對增加率排名前兩位。從3個(gè)季節(jié)的增加總量來看，前5個(gè)時(shí)段夏季最大，其次為春季；6~8時(shí)段，春季最大，其次為秋季；9~11時(shí)段秋季最大，春季次之；12~14時(shí)段夏季和秋季較大。

表1　生長季和各季節(jié)NDVI在14個(gè)時(shí)段的相對增加率和增加總量

2.2植被類型尺度

除針葉林秋季所有時(shí)段、草原和荒漠春季后幾個(gè)時(shí)段、草甸秋季前幾個(gè)時(shí)段NDVI呈減少趨勢外，其他植被類型在各季節(jié)和所有時(shí)段NDVI均呈增加趨勢。其中，針葉林在生長季、春季的前幾個(gè)時(shí)段NDVI增加趨勢顯著；灌叢僅在春季部分時(shí)段增加趨勢顯著；荒漠則僅在夏季前幾個(gè)時(shí)段顯著增加(表2)。與區(qū)域尺度的結(jié)果類似，隨時(shí)段延長，生長季和夏季NDVI的增加率僅在后幾個(gè)時(shí)段有所增大，在靠前的大部分時(shí)段呈隨時(shí)段延長而減小趨勢；春季多呈持續(xù)減小趨勢，而秋季則多呈顯著增大趨勢。

2.3像元尺度

NDVI變化趨勢的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表3)，生長季、春季和夏季全部時(shí)段，秋季絕大多數(shù)時(shí)段，NDVI呈升高趨勢的區(qū)域均大于50%。除秋季前幾個(gè)時(shí)段之外，生長季和各季節(jié)NDVI顯著提高的區(qū)域面積總體上也遠(yuǎn)大于顯著降低的區(qū)域。

除秋季NDVI與年份相關(guān)系數(shù)大于0的像元隨時(shí)段長度延長呈極顯著增加外(R2=0.56,n=14)，其他3個(gè)季節(jié)呈增加趨勢的像元均減少，春季減少趨勢達(dá)到了0.01的顯著性水平(R2=0.83,n=14)，夏季減少趨勢達(dá)到0.05的顯著性水平(R2=0.35,n=14)，生長季減少趨勢不顯著。隨時(shí)段延長，各季節(jié)NDVI呈顯著降低區(qū)域的范圍變化分為兩類：秋季呈不顯著的減少趨勢，而生長季、春季和夏季均呈極顯著增加趨勢(R2=0.65,R2=0.83,R2=0.58,n=14)，尤其是春季，1982-1999年僅有0.13%的區(qū)域NDVI呈顯著減少，而1982-2012年則快速增加到10.93%。生長季NDVI呈顯著提高區(qū)域隨時(shí)段延長而不顯著增加，夏季此類區(qū)域則呈略有增加后快速減少，后兩個(gè)時(shí)段又快速擴(kuò)大的趨勢，總體呈不顯著的減少；春季和秋季NDVI呈顯著提高區(qū)域隨時(shí)段延長而極顯著增加(R2=0.58,R2=0.89,n=14)，尤其是秋季增加速率較快。

表2　不同植被類型14個(gè)時(shí)段的NDVI年際變化率

NF: 針葉林 Needle forest, SH: 灌木林 Shrub, DE: 荒漠 Desert, ST: 草原 Steppe, ME: 草甸 Meadow.*P<0.05, **P<0.01(Pearson相關(guān)線性回歸的統(tǒng)計(jì)顯著性Statistical significance of linear regression of Pearson correlation).

生長季植被活動顯著增強(qiáng)的像元1982-1999年主要集中分布在研究區(qū)域東部和西北部，隨著時(shí)段延長，尤其是2006年之后，植被活動顯著增強(qiáng)的區(qū)域較為分散；顯著減少的區(qū)域零星分布于研究區(qū)域(圖3)。春季植被活動顯著增加的區(qū)域前幾個(gè)時(shí)段主要集中分布在研究區(qū)域東南部以及囊謙縣，隨著時(shí)段的延長，顯著增加區(qū)域先是有所減少，后在研究區(qū)域中部迅速增加，至1982-2012年，顯著增加區(qū)域主要分布在中部的曲麻萊縣、治多縣東南部、囊謙縣等區(qū)域；顯著減少區(qū)域主要集中在三江源區(qū)的西北部以及興?？h、同德縣、澤庫縣部分地區(qū)(圖4)。夏季植被NDVI呈顯著增加的趨勢先是主要集中在研究區(qū)域東部瑪沁縣、河南縣、甘德縣部分地區(qū)以及三江源區(qū)西北部(1982-1999年、1982-2002年)，隨后顯著增加區(qū)域快速萎縮，并分散，而1982-2012年顯著增加區(qū)域主要分布在研究區(qū)域西部和南部部分地區(qū)，顯著減少的區(qū)域則主要位于三江源區(qū)東部的黃河源區(qū)。1982-1999年，秋季植被活動顯著增加的區(qū)域較小，主要集中分布在三江源區(qū)的東部，隨著時(shí)段延長，西部地區(qū)也有部分區(qū)域顯著增加；1982-1999年顯著減少區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，隨后散布在三江源區(qū)。

1982-1999年、1982-2002年、1982-2006年、1982-2006年和1982-2012年共5個(gè)時(shí)段生長季、各季節(jié)NDVI變化量見圖5、圖6(春季和秋季圖略)，(-0.001, 0]和(0, 0.001]區(qū)間像元之和占總像元數(shù)的比例見表4。

圖3　生長季NDVI變化趨勢及其顯著性Fig.3　Spatial distribution of NDVI trends and its significant level in growing season during the five periods

生長季和各季節(jié)NDVI變化量的數(shù)值分布隨時(shí)段延長的變化趨勢總體一致，即變化量前期基本呈正態(tài)分布，(0, 0.001]區(qū)間或(-0.001, 0]區(qū)間(秋季)的像元比例最大，并以其為中心，左右兩側(cè)共有2~3個(gè)區(qū)間的像元比例超過10%；隨著年份增加，(0, 0.001]區(qū)間或(-0.001, 0]區(qū)間的像元比例逐漸增加，而其他變化量絕對值相對較大的區(qū)域則逐漸減少，至1982-2012年，(0, 0.001]區(qū)間和(-0.001, 0]區(qū)間的像元比例之和在80%左右，且其他NDVI變化量區(qū)間像元比例均小于15%。

3討論

3.1植被活動變化趨勢

盡管不同研究的起始時(shí)段不同、采用方法存在差異，但三江源區(qū)植被生長總體趨于改善的結(jié)果是基本一致的[2,6,10-11,13,30-31]，本文的結(jié)果也與此一致。盡管2005年三江源區(qū)開始的生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程對促進(jìn)三江源區(qū)植被恢復(fù)具有重要作用[2,6,10]，但若要定量生態(tài)工程對植被改善的貢獻(xiàn)率，需要詳細(xì)的工程地點(diǎn)、規(guī)模、實(shí)施過程等方面的資料來驗(yàn)證。春季NDVI增加趨勢變緩，可能與春季物候提前趨勢變?nèi)鮗26,32-34]、草地退化[35]、春季大氣污染[36]等因素有關(guān)。

圖4　春季NDVI變化趨勢及其顯著性Fig.4　Spatial distribution of NDVI trends and its significant level in spring during the five periods

1982-1999年春季是3個(gè)季節(jié)中增加量和增加率最大的季節(jié)，其次是夏季，與文獻(xiàn)[29]青藏高原的結(jié)果一致。但隨著春季NDVI增速的放緩、夏季NDVI增速在前幾個(gè)時(shí)段的大幅增加和秋季NDVI增速的持續(xù)增加，到了1982-2012年，相對大小的排序變?yōu)榍锛尽⑾募竞痛杭?，反映了生長季NDVI增加在各季節(jié)之間分配的變化。

季節(jié)NDVI對生長季NDVI增加的貢獻(xiàn)隨時(shí)段長度增加而發(fā)生變化。從最初的夏季、春季NDVI變化對生長季NDVI變化貢獻(xiàn)率最大，逐漸過渡到秋季、夏季貢獻(xiàn)率最大。

季節(jié)之間NDVI變化趨勢的差異表明，三江源區(qū)前期(1982-2000s)植被NDVI的提高可能主要依賴于生長季開始提前和生長加速，而最近十年生長季結(jié)束延遲和生長加速對NDVI增加的貢獻(xiàn)更大。春季NDVI的變化趨勢與相關(guān)研究得出的1990s中期之前返青期呈提前趨勢，之后呈推遲趨勢[26,33-34]可能導(dǎo)致的結(jié)果是一致的。秋季NDVI持續(xù)增加的趨勢與青藏高原生長季結(jié)束一再延遲[37-38]的結(jié)果一致。NDVI變化趨勢持續(xù)性季節(jié)之間的差異，可能與不同季節(jié)氣候變化趨勢強(qiáng)弱不同、草地退化導(dǎo)致生長季起始時(shí)間發(fā)生等有關(guān)。

表3　生長季和各季節(jié)NDVI變化趨勢統(tǒng)計(jì)

P為NDVI變化趨勢大于0的像元比例；SN為變化趨勢小于0且顯著性水平達(dá)到0.05的像元比例；SP為變化趨勢大于0且顯著性水平達(dá)到0.05的像元比例。 P stand forR>0, SN stand forR<0 and statistical significance of linear regression of Pearson correlation less 0.05, SP stand forR>0 and statistical significance of linear regression of Pearson correlation less 0.05.

圖5　部分時(shí)段生長季NDVI變化量

A: ≤-0.002; B: (-0.001, 0.002]; C: (-0.001, 0]; D: (0, 0.001]; E: (0.001, 0.002]; F: (0.002, 0.004]; G: >0.004. 下同The same below.

3.2嵌套時(shí)段對結(jié)果的影響

隨時(shí)段延長，顯著減少、顯著增加區(qū)域的增加，部分原因是否來自于統(tǒng)計(jì)學(xué)上關(guān)于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)序列長度的推論，即隨著年份逐漸加入、時(shí)間序列逐漸延長，理論上變化趨勢幾乎確定更小，除非在加入的年份中發(fā)生較大的一些變化，即統(tǒng)計(jì)學(xué)上的“可塑性時(shí)間單元問題”(the modifiable temporal unit problem，MTUP)[39-40]。

圖6　部分時(shí)段夏季NDVI變化量數(shù)值分布

表4 NDVI變化量位于(-0.001,0]和(0,0.001]區(qū)間像元比例Table4 PixelfractionwithNDVIslopeintherangeof(-0.001,0]and(0,0.001]%季節(jié)Seasons1982-19991982-20021982-20061982-20091982-2012生長季Growingseason70.4777.9186.5892.6592.29春季Spring61.8676.8678.8380.9285.84夏季Summer47.1851.1677.9985.2179.73秋季Autumn52.2564.4671.4878.4379.98

植被活動趨勢研究需要NDVI長期時(shí)間序列數(shù)據(jù),且基于不同的開始年,結(jié)果可能不同。本文發(fā)展的固定起始年份、不斷增加結(jié)束年份計(jì)算趨勢的方法,對于評價(jià)植被的長期變化趨勢、識別生態(tài)系統(tǒng)退化是一種適宜的方法:固定的年份可以作為一個(gè)恒定的參考、基準(zhǔn),以趨勢變化的持續(xù)性評判植被活動狀況。盡管采用時(shí)段不斷延長計(jì)算NDVI趨勢的方法,可能會引起統(tǒng)計(jì)上的質(zhì)疑,對區(qū)域尺度NDVI增加量減少有一定影響,但為了反映植被NDVI變化趨勢的持續(xù)性和魯棒性(Robustness),采用嵌套的時(shí)間序列來評價(jià)植被的變化趨勢仍不失為一種可供選擇的有效方法。

4結(jié)論

本文利用最新發(fā)布的1982-2012年的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集，采用固定起始年份、結(jié)束年份逐漸增加的多個(gè)嵌套時(shí)間序列的分析方法，在區(qū)域、植被類型和像元3個(gè)空間尺度上，對近30年來三江源區(qū)生長季、春季、夏季和秋季植被活動變化趨勢和過程進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1)三江源區(qū)生長季和春夏秋各季節(jié)植被活動在近30年均呈增強(qiáng)趨勢，1982-2012年NDVI增加趨勢分別為每年0.0002，0.0001，0.0002和0.0004。春季植被變化具有明顯的階段性，1998年前后分別呈顯著增加、減少趨勢，變化率分別為每年0.0011和-0.0008。

2)隨時(shí)段延長，生長季和夏季NDVI的增加隨時(shí)段延長而趨緩，春季增加趨勢迅速減弱接近停滯，而秋季植被活動則持續(xù)增強(qiáng)。生長季和春季植被顯著改善的區(qū)域由1982-1999年主要集中在研究區(qū)域東南部、玉樹州東南部，逐漸向三江源區(qū)全區(qū)域擴(kuò)展。

3)盡管區(qū)域尺度生長季、春季和夏季植被活動趨緩，但在像元尺度顯著變化的區(qū)域范圍卻多呈增加趨勢，尤其是呈顯著減少的區(qū)域，呈極顯著擴(kuò)大趨勢。區(qū)域尺度春季NDVI增長的持續(xù)趨緩主要是由于像元尺度呈減少、顯著減少的范圍快速擴(kuò)大。秋季NDVI增長率隨時(shí)段延長增加，則主要是由顯著增加的范圍快速擴(kuò)大和顯著減少范圍減小所致。

4)不同植被類型顯著變化的季節(jié)、時(shí)段存在差異。各季節(jié)草原在所有時(shí)段變化均不顯著，針葉林和灌叢NDVI主要在春季前幾個(gè)時(shí)段增加顯著，荒漠、草甸主要在春季、夏季前幾個(gè)時(shí)段增加幅度較大。

5)各季節(jié)NDVI在14個(gè)時(shí)段增加趨勢持續(xù)性的差異，引起各季節(jié)對生長季植被活動增加貢獻(xiàn)的變化。前幾個(gè)時(shí)段，NDVI變化幅度較大的季節(jié)是春季，對生長季NDVI變化貢獻(xiàn)最大的是夏季；隨時(shí)段延長，逐漸過渡到秋季NDVI變化幅度、變化量均最大，夏季次之。

References：

[1]Shao Q Q, Fan J W. Comprehensive Monitoring and Assessment of Ecosystem in the Three-River Headwater Region[M]. Beijing: Science Press, 2012.

[2]Liu H X, Liu G H, Fu B J. Response of vegetation to climate change and human activity based on NDVI in the Three-River Headwaters region. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(19): 5495-5504.

[3]Huang L, Liu J Y, Shao Q Q,etal. Changing inland lakes responding to climate warming in Northeastern Tibetan Plateau. Climatic Change, 2011, 109(3-4): 479-502.

[4]Yang K, Ye B S, Zhou D G,etal. Response of hydrological cycle to recent climate changes in the Tibetan Plateau. Climate Change, 2011, 109(3-4): 517-534.

[5]Qin J, Yang K, Liang S L,etal. The altitudinal dependence of recent rapid warming over the Tibetan Plateau. Climatic Change, 2009, 97(1-2): 321-327.

[6]Xu W X, Gu S, Zhao X Q,etal. High positive correlation between soil temperature and NDVI from 1982 to 2006 in alpine meadow of the Three-River Source Region on the Qinghai-Tibetan Plateau. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2011, 13: 528-535.

[7]Liu J Y, Xu X L, Shao Q Q. The spatial and temporal characteristics of grassland degradation in the Three-River Headwaters Region in Qinghai Province. Acta Geographica Sinica, 2008, 63(4): 364-376.

[8]Zhang C, Li Q, Li Z F. Influence of human activities on variation of vegetation cover in the Three-River Source Region. China Population, Resources and Environment, 2014, 24(5): 139-144.

[9]Sun H L, Zheng D, Yao T D,etal. Protection and construction of the national ecological security shelter zone on Tibetan Plateau. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(1): 3-12.

[10]Liu X F, Ren Z Y, Lin Z H,etal. The spatial-temporal changes of vegetation coverage in the Three-River Headwaters Region in recent 12 years. Acta Geographica Sinica, 2013, 68(7): 897-908.

[11]Xiao T, Wang C Z, Feng M,etal. Dynamic characteristic of vegetation coverage in the Three-River Source Region from 2000 to 2011. Acta Agrestia Sinica, 2014, 22(1): 39-45.

[12]Wang S H, Jia S F, Lv A F. The relationship between NDVI and residential sites across “Three-River-Source” Area. Resources Science, 2012, 34(11): 2045-2050.

[13]Hu M Q, Mao F, Sun H,etal. Study of normalized difference vegetation index variation and its correlation with climate factors in the three-river-source region. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2011, 13(1): 24-33.

[14]Qian S, Fu Y, Pan F F. Climate change tendency and grassland vegetation response during the growth season in Three-River Source Region. Science China Earth Sciences, 2010, 40(10): 1439-1445.

[15]Beck P S, Goetz S J. Satellite observations of high northern latitude vegetation productivity changes between 1982 and 2008: ecological variability and regional differences. Environmental Research Letters, 2011, 6(4): 5501-5511.

[16]Wessels K J, Prince S D, Malherbe J,etal. Can human-induced land degradation be distinguished from the effects of rainfall variability: A case study in South Africa. Journal of Arid Environments, 2007, 68(2): 271-297.

[17]De J R, Verbesselt J, Schaepman M E,etal. Trend changes in global greening and browning: contribution of short-term trends to longer-term change. Global Chang Biology, 2012, 18(2): 642-655.

[18]Peng S S, Chen A P, Xu L,etal. Recent change of vegetation growth trend in China. Environmental Research Letters, 2011, 6(4): 4027-4039.

[19]Mohammat A, Wang X H, Xu X T,etal. Drought and spring cooling induced recent decrease in vegetation growth in Inner Asia. Agricultural and Forest Meteorology, 2013, 178-179(9): 21-30.

[20]Piao S L, Wang X H, Ciais P,etal. Changes in satellite-derived vegetation growth trend in temperate and boreal Eurasia from 1982 to 2006. Global Change Biology, 2011, 17(10): 3228-3239.

[21]van Leeuwen W, Orr B J, Marsh S E,etal. Multi-sensor NDVI data continuity: Uncertainties and implications for vegetation monitoring applications. Remote Sensing of Environment, 2006, 100: 67-81.

[22]Pinzon J, Tucker C. A non-stationary 1981-2012 AVHRR NDVI3g time series. Remote Sensing, 2014, 6(8): 6929-6960.

[23]Wang J, Dong J, Liu J,etal. Comparison of gross primary productivity derived from GIMMS NDVI3g, GIMMS, and MODIS in Southeast Asia. Remote Sensing, 2014, 6(3): 2108-2133.

[24]Zeng F W, Collatz G, Pinzon J,etal. Evaluating and quantifying the climate-driven interannual variability in global inventory modeling and mapping studies (GIMMS) normalized difference vegetation index (NDVI3g) at global scales. Remote Sensing, 2013, 5(8): 3918-3950.

[25]Fensholt R, Proud S R. Evaluation of earth observation based global long term vegetation trends——Comparing GIMMS and MODIS global NDVI time series. Remote Sensing of Environment, 2012, 119(16): 131-147.

[26]Piao S L, Cui M D, Chen A P,etal. Altitude and temperature dependence of change in the spring vegetation green-up date from 1982 to 2006 in the Qinghai-Xizang Plateau. Agricultural and Forest Meteorology, 2011, 151(12):1599-1608.

[27]Zhang G L, Zhang Y J, Dong J W,etal. Green-up dates in the Tibetan Plateau have continuously advanced from 1982 to 2011. Proceeding of the National Academy of Science, 2013, 110(11): 4309-4314.

[28]Editorial Committee for Vegetation Map of China. Vegetation Atlas of China[M]. Beijing: Science Press, 2001.

[29]Yang Y H, Piao S L. Variations in grassland vegetation cover in relation to climatic factors on the Tibetan Plateau. Journal of Plant Ecology, 2006, 30(1): 1-8.

[30]Xiao T, Liu J Y, Shao Q Q. A simulation on changes in vegetation productivity in Three River Sources Nature Reserve, Qinghai Province over past 20 years. Journal of Geo-information Science, 2009, 11(5): 557-565.

[31]Fan J W, Shao Q Q, Liu J Y,etal. Dynamic changes of grassland yield in Three River Headwater Region from 1988 to 2005. Acta Agrestia Sinica, 2010, 18(1): 5-11.

[32]Yu H Y, Luedeling E, Xu J C. Winter and spring warming result in delayed spring phenology on the Tibetan Plateau. Proceeding of the National Academy of Science, 2010, 107(51): 22151-22156.

[33]Yu H Y, Xu J C, Erick O,etal. Seasonal response of grasslands to climate change on the Tibetan Plateau. PLoS ONE, 2012, 11(7): e49230.

[34]Shen M G, Tang Y H, Chen J,etal. Influence of temperature and precipitation before the growing season on spring phenology in grasslands of the central and eastern Qinghai-Tibetan Plateau. Agricultural and Forest Meteorology, 2011, 151(12): 1711-1722.

[35]Chen H, Zhu Q A, Wu N,etal. Delayed spring phenology on the Tibetan Plateau may also be attributable to other factors than winter and spring warming. Proceeding of the National Academy of Science, 2011, 108(19): E93.

[36]Yi S H, Zhou Z Y. Increasing contamination might have delayed spring phenology on the Tibetan Plateau. Proceeding of the National Academy of Science, 2011, 108(19): E94.

[37]Jeong S J, Ho C H, Gim H J,etal. Phenology shifts at start vs. end of growing season in temperate vegetation over the Northern Hemisphere for the period 1982-2008. Global Change Biology, 2011, 17(7): 2385-2399.

[38]Che M L, Chen B Z, Ines John L,etal. Spatial and temporal variations in the end date of the vegetation growing season throughout the Qinghai-Tibetan Plateau from 1982 to 2011. Agricultural and Forest Meteorology, 2014, 189-190: 81-90.

[39]de Jong R, de Bruin S. Linear trends in seasonal vegetation time series and the modifiable temporal unit problem. Biogeosciences, 2012, 9: 71-77.

[40]Cheng T, Adepeju M. Modifiable temporal unit problem (MTUP) and its effect on space-time cluster detection. PLoS ONE, 2014, 9(6): e100465.

參考文獻(xiàn)：

[1]邵全琴, 樊江文. 三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測與評估[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[2]李輝霞, 劉國華, 傅伯杰. 基于NDVI的三江源地區(qū)植被生長對氣候變化和人類活動的響應(yīng)研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5495-5504.

[7]劉紀(jì)遠(yuǎn), 徐新良, 邵全琴. 近30年來青海三江源地區(qū)草地退化的時(shí)空特征. 地理學(xué)報(bào), 2008, 63(4): 364-376.

[8]張翀, 李強(qiáng), 李忠峰. 三江源地區(qū)人類活動對植被覆蓋度的影響. 中國人口·資源與環(huán)境, 2014, 24(5): 139-144.

[9]孫鴻烈, 鄭度, 姚檀棟, 等. 青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè). 地理學(xué)報(bào), 2012, 67(1): 3-12.

[10]劉憲鋒, 任志遠(yuǎn), 林志慧, 等. 2000-2011年三江源區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征. 地理學(xué)報(bào), 2013, 68(7): 897-908.

[11]肖桐, 王昌佐, 馮敏, 等. 2000-2011年青海三江源地區(qū)草地覆蓋度的動態(tài)變化特征. 草地學(xué)報(bào), 2014, 22(1): 39-45.

[12]王素慧, 賈紹鳳, 呂愛鋒. 三江源地區(qū)植被蓋度與居民點(diǎn)的關(guān)系研究. 資源科學(xué), 2012, 34(11): 2045-2050.

[28]中國植被圖編輯委員會. 1∶1000000中國植被圖集[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[29]楊元合, 樸世龍. 青藏高原草地植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 30(1): 1-8.

[30]肖桐, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 邵全琴. 近20年青海三江源自然保護(hù)區(qū)植被生產(chǎn)力變化模擬. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 11(5): 557-565.

[31]樊江文, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 等. 1988-2005年三江源草地產(chǎn)草量變化動態(tài)分析. 草地學(xué)報(bào), 2010, 18(1): 5-11.

*Analysis of vegetation dynamics using GIMMS NDVI3g in the Three-Rivers Headwater Region from 1982 to 2012

DU Jia-Qiang1,2, JIAERHENG Ahati3, ZHAO Chen-Xi3, FANG Shi-Feng4, LIU Wei-Ling1,2, YIN Jun-Qi3, YUAN Xin-Jie3, XU Yan-Da1,2, SHU Jian-Min1,2, HE Ping1,2*

1.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China; 2.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China； 3.XinjiangAcademyofEnvironmentalProtectionScience,Urumqi830011,China； 4.TheStateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationSystem,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Abstract:The Three-Rivers Headwater Region (TRHR) refers to the source area of the Yangtze River, Yellow River and Lancang River, an important water resource. Vegetation activities in this region are closely related to water and ecological security in China. As a critical component of terrestrial ecosystems, vegetation has become one of the important issues in global climate change. Numerous case studies have been conducted on vegetation dynamic trends over relatively short study periods however, few long-term studies from the 1980s to recent years have been completed because the normalized difference vegetation index (NDVI) datasets limited. Additionally there are few quantitative analyses of the consistency of vegetation trends over time. In this study, the latest GIMMS NDVI3g datasets from 1982 to 2012 were used to identify any spatiotemporal patterns in vegetation changes over the growing season and seasonal NDVI at regional, biome and pixel scales in the TRHR. To explore the change process linear regression over progressively longer periods from the initial year of the study was applied to detect vegetation growth changes in TRHR. At the regional scale, although a positive trend of growing season and seasonal NDVI were found during past three decades, there were two distinct periods with opposite trends in spring NDVI, a significant increase and a significant decrease before and after 1998, respectively. As the study period increases, the rates of NDVI increase in the spring and summer growing season markedly reduced, but in autumn the NDVI increased. However, significant NDVI increases were found in most seasons. The season and period with significant trend in NDVI differed among vegetation types. Significant increases in NDVI were observed in spring during the first few periods for coniferous forest and shrub and in spring and summer during the first few periods for desert and meadow areas. The difference in persistence of NDVI trends caused variation in the contribution of seasonal vegetation activity to plant growth. During the first few periods, the largest NDVI increase and the largest contribution were generally found in spring and in summer, respectively. During the last few periods, both the largest NDVI increase and contribution were found in autumn. It can be inferred that increases in NDVI during the growing season was mainly due to both the earlier start of vegetation growth and accelerated vegetation activity during previous periods and from both the accelerated vegetation growth and a delay in the end of the growing season during latter periods.

Key words:GIMMS NDVI3g; regional scale; pixel scale; vegetation types; seasonal NDVI; vegetation activity; the Three-River Headwater Region

*通信作者Corresponding author. E-mail: heping@craes.org.cn

作者簡介：杜加強(qiáng)(1980-)，男，山東臨沂人，副研究員，博士。E-mail: dujq@craes.org.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001055)，國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201209027-5)，中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2012-YSKY-13)資助。

*收稿日期：2015-03-03；改回日期：2015-04-30

DOI：10.11686/cyxb2015111

http://cyxb.lzu.edu.cn

杜加強(qiáng), 賈爾恒·阿哈提, 趙晨曦, 房世峰, 劉偉玲, 陰俊齊, 袁新杰, 徐延達(dá), 舒儉民, 何萍. 三江源區(qū)近30年植被生長動態(tài)變化特征分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(1): 1-12.

DU Jia-Qiang, JIAERHENG Ahati, ZHAO Chen-Xi, FANG Shi-Feng, LIU Wei-Ling, YIN Jun-Qi, YUAN Xin-Jie, XU Yan-Da, SHU Jian-Min,HE Ping. Analysis of vegetation dynamics using GIMMS NDVI3g in the Three-Rivers Headwater Region from 1982 to 2012. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 1-12.