馬 浩

(國家林業(yè)局西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,西安 710048)

被稱為地球“第三極”的青藏高原(簡稱“高原”)不僅是北半球氣候變化的啟動器和調(diào)節(jié)器[1],也是我國水資源安全的戰(zhàn)略基地和亞洲重要的生態(tài)安全屏障[2]。青海省位于青藏高原的東北部,是黃河、長江、瀾滄江的發(fā)源地,是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)最脆弱和敏感的區(qū)域之一[3],在高原地區(qū)具有重要的生態(tài)地位。過去幾十年,在全球氣候變暖和人類活動不斷加強(qiáng)的影響下,區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)草地嚴(yán)重退化,水源涵養(yǎng)能力降低,土壤侵蝕和水土流失加劇等生態(tài)環(huán)境退化的現(xiàn)象[4-6]。進(jìn)入21世紀(jì)后高原氣候呈現(xiàn)暖濕化趨勢[7],與此同時自2000年后青海省實施了退牧還草工程,三江源自然保護(hù)區(qū)建設(shè)、青海湖流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、濕地保護(hù)等生態(tài)工程。在此背景下,準(zhǔn)確認(rèn)識2000年以來青海省植被變化趨勢及其主要因素,對該區(qū)域生態(tài)建設(shè)及相關(guān)政策制定、生態(tài)修復(fù)工程規(guī)劃及脆弱生態(tài)系統(tǒng)的改善具有重大意義。

目前,歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù),是地表植被狀況的表征。其中,由氣象衛(wèi)星NOAA AVHRR提供了20余年的全球NDVI數(shù)據(jù),被廣泛應(yīng)用于土地覆蓋變化、植被動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)報及區(qū)域旱情監(jiān)測等領(lǐng)域。之后,MODIS-NDVI作為AVHRR-NDVI的延續(xù),適用于反映大區(qū)域的地表植被分布規(guī)律,在波段數(shù)目和分辨率等方面作了改進(jìn),繼續(xù)為地表植被狀況監(jiān)測提供更長時間的資料[8-9]。但NDVI數(shù)據(jù)本身存在高植被覆蓋區(qū)易飽和,沒有考慮背景土壤噪音影響和對大氣干擾處理有限等缺陷[10-11],具有一定的局限性。增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index,EVI)延續(xù)了NDVI的優(yōu)點(diǎn)并改進(jìn)了其缺陷[12]。相較于NDVI,EVI具有較好的抗大氣氣溶膠作用[13],能夠更好地反映高植被覆蓋的季節(jié)性變化特征[14],在相同空間分辨率下能更好地反映植被覆蓋的空間差異性[15-16]。但與NDVI相比,目前基于EVI估算長時間尺度下區(qū)域植被變化趨勢的研究較少。因此,本文利用2000—2015年MODIS EVI數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析2000—2015年青海省植被EVI的時空變化特征,并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)以及減畜工程、封山(沙)育林和造林工程的統(tǒng)計數(shù)據(jù),探討氣候變化和人類活動對植被的影響。

1 研究區(qū)概況

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文采用的遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)中的增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI),空間分辨率為250m,時間分辨率為16d。數(shù)據(jù)時間范圍為2000年1月至2015年12月,每年23個時相,共計368幅影像數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過大氣輻射校正和幾何校正,同時利用MRT投影轉(zhuǎn)換工具,將其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換,并利用青海省行政邊界進(jìn)行裁切。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),包括青海省內(nèi)和周邊的68個氣象站點(diǎn)的氣溫和降水月值數(shù)據(jù)集。采用克里金插值方法進(jìn)行空間插值,獲取青海省2000—2015年逐月的氣溫和降水的柵格圖像,并經(jīng)投影轉(zhuǎn)換、重采樣和裁切等使氣象柵格數(shù)據(jù)與MODIS EVI數(shù)據(jù)具有一致的投影坐標(biāo)和空間分辨率。

2.3 數(shù)據(jù)分析

首先,基于象元對2000—2015年EVI數(shù)據(jù)計算平均值,得到研究區(qū)多年平均EVI值,EVI的變化趨勢采用基于象元的一元線性回歸方法計算,采用最小二乘法擬合年均EVI的變化趨勢線,并利用F檢驗確定擬合方程的可靠性,計算公式為[19]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:n為時間段年數(shù)；EVIi為第i年平均EVI值；xi為時間段年份的第i個年份；b為EVI變化趨勢線的斜率；a為截距；R為EVI變化率,當(dāng)R>0時,說明參數(shù)在n年間的變化趨勢是增加的,反之則是減少。在計算EVI變化率的基礎(chǔ)上,結(jié)合F檢驗的結(jié)果得到EVI的變化率,具體區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 植被EVI變化趨勢區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification of vegetation EVI

在多變量進(jìn)行相關(guān)分析時,為消除其他變量的影響,可通過計算偏相關(guān)系數(shù)來體現(xiàn)2個變量之間的凈相關(guān)關(guān)系,偏相關(guān)系數(shù)公式為:

(5)

式中,rxy/z是以z為控制變量的情況下,x與y的偏相關(guān)系數(shù)。rxy,rxz,ryz分別為變量x與y、變量x與z、變量y與z的相關(guān)系數(shù),可表示為:

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 植被EVI的時空變化趨勢

對青海省2000—2015年每月植被EVI值進(jìn)行平均,得到EVI多年均值的空間分布圖(圖1)。整體上,青海省EVI呈東部和南部地區(qū)高,西部北部地區(qū)低,從東南向西北方向遞減的空間分布特征。東部西寧市和海東市的湟水谷地、北部海北州的祁連山地帶、南部果洛州的黃河源頭及玉樹州中部為植被EVI的高值區(qū)。西北部海西州的柴達(dá)木盆地及可可西里部分地帶為植被EVI的低值區(qū)。

圖1 2000—2015年青海省平均植被EVI空間分布圖

青海省EVI從2000—2015年呈波動增加的趨勢,增加速率為0.0180/10a,說明源區(qū)整體植被恢復(fù)效果明顯(圖2)。其中,除海北州植被EVI呈略微減少趨勢外(表2),其他區(qū)域的植被EVI均呈增加趨勢。海西州植被EVI的增加速率最快(0.0343/10a),高于青海省整體的增加速率,其次為海東市(0.0158/10a),增加速率最小發(fā)生在西寧市(0.0031/10a)。在時間序列上,青海省植被EVI的變化趨勢可分為三個時期,第一個時期發(fā)生在2000—2003年間,期間植被NDVI出現(xiàn)大幅度增長,由0.586 1增至0.647 0,該時期是青海省實施退耕(牧)還林和減畜工程的前4年；第二個時期為2004—2012年,植被EVI呈波動增加趨勢,在2012年達(dá)到峰值為0.667 5；第三個時期為2012—2015年,植被EVI呈下降趨勢。

圖2 2000—2015年青海省植被EVI的變化曲線

在空間方面,青海省植被EVI變化趨勢呈現(xiàn)顯著的地域差異(圖3)。植被EVI明顯增加的區(qū)域面積占總面積的比例最大(51.58%),主要分布在研究區(qū)西北部；EVI略微增加的面積占總面積的9.93%,分布在西部和北部明顯增加區(qū)域的周邊及研究區(qū)的南緣；EVI明顯減少的區(qū)域主要分布在東北部的海北州、西寧市及南部玉樹州和果洛州等地,占研究區(qū)總面積的20.64%；略微減少區(qū)域占8.35%,主要零散分布在東部和南部；基本不變的的區(qū)域占9.49%,全省均有分布。通過各區(qū)縣植被EVI的時間變化特征(表2)可知,青海省植被EVI最高的區(qū)域為海東市(0.73),最低的區(qū)域為海西州(0.56)。原本植被覆蓋度較低的海西州植被明顯改善的面積比例最大(66.68%),其次為海東市(52.93%)。海北州的植被明顯減少和略微減少的面積比例最大(共53.41%),其次為西寧市(32.49%)。

表2 青海省植被EVI變化類型統(tǒng)計Tab.2 Statistics of vegetation EVI variation in Qinghai Province

圖3 2000—2015年植被EVI變化趨勢及顯著性水平的空間分布圖

3.2 植被EVI變化的氣候因素分析

氣候變化是植被活動的重要影響因素,溫度、降水等作為植物生長發(fā)育的必要環(huán)境因子,對植被的生長和物候等具有重要影響[20]。由圖4可以看出,近16a青海省年平均氣溫以0.34℃/10a的速率升高,年降水量以31.82mm/10a的速率增加,兩者增速均高于1961—1998年間全省的氣溫和降水增加速率(分別為0.25℃/10a和1.69mm/10a)[21]。在這種情況下,青海省植被EVI指數(shù)呈增長趨勢,說明氣溫和降水等環(huán)境因素的變化可能是植被變化的主要驅(qū)動力。

為進(jìn)一步分析研究區(qū)植被EVI與氣候變化的關(guān)系,利用研究區(qū)周邊氣象站點(diǎn)16a的氣象插值數(shù)據(jù)與植被EVI數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元相關(guān)分析,得到氣溫、降水量與植被EVI的偏相關(guān)系數(shù)(圖5)。結(jié)果表明,整體上,年均氣溫和年降水量與植被EVI均呈正相關(guān)關(guān)系。年均氣溫與植被EVI的偏相關(guān)系數(shù)在-0.67～0.94之間。從空間分布來看,呈正相關(guān)的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的60.67%,通過0.05顯著性檢驗水平的區(qū)域占4.76%,主要分布在青海省南緣即玉樹州和果洛州的南部,西部格爾木、海西州的南部和龍羊峽水庫周邊等區(qū)域,其中,呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在青海省西北部、青海湖周邊和黃河源頭鄂陵湖、扎陵湖周邊等區(qū)域,約占總面積的39.33%,通過0.05顯著性檢驗水平的區(qū)域占1.37%。與年均氣溫與植被EVI的相關(guān)性相比,年降水量與植被EVI的偏相關(guān)系數(shù)則呈較強(qiáng)的空間差異,東南部大部分區(qū)域呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,該區(qū)植被EVI較高且降水量較少,而中部和西北部地區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系,該區(qū)植被EVI較低且降水較少。呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積分別占69.50%和30.50%,其中通過0.05顯著性檢驗的區(qū)域分別占7.37%和1.10%,說明降水對青海省植被生長整體上表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

圖4 2000—2015年青海省年均氣溫和年降水量變化趨勢

圖5 青海省氣溫 降水與植被EVI的偏相關(guān)系

3.3 人類活動對青海省植被變化的影響

氣候變化是青海省植被覆蓋時空變化的重要影響因素,但非氣候因素也不容忽視[22]。青海省內(nèi)的天然草地是我國重要的畜牧業(yè)基地,該區(qū)人類活動以天然草場放牧活動為主,牲畜存欄數(shù)的變化是人類活動強(qiáng)度的重要體現(xiàn)[23]。20世紀(jì)末期牲畜存欄數(shù)急劇增加,超載過牧現(xiàn)象長期存在,直接導(dǎo)致了部分草地生產(chǎn)力水平嚴(yán)重下降。為維護(hù)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,青海省自2003年起開展退牧還草和減畜工程,2000—2015年間青海省的牲畜存欄數(shù)呈下降趨勢(圖6),尤其是在2005年之后,平均牲畜存欄數(shù)由2000—2005年間的2 177.1萬頭(萬只)減少至2006—2015年間的1 959.8萬頭(萬只),減幅為8.60%[24]。同時,2000年國家批準(zhǔn)成立三江源國家級自然保護(hù)區(qū),2005年實施三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和一期工程,對青海省的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響。2000—2015年間人工造林和封山(沙)育林面積呈增加趨勢,尤其是2007年后,年平均人工造林和封山(沙)育林面積由2000—2006年的4 978.25km2增加至2008—2015年間的8 937.13 km2[24],生態(tài)保護(hù)工程效果顯著。同時,2000—2015年植被EVI呈增加趨勢,因此牲畜存欄數(shù)減少和生態(tài)工程的實施在一定程度上對研究區(qū)植被的生長起到了促進(jìn)作用。另外,全省平均人工造林面積為492.77km2,平均封山(沙)育林面積為6 712.36 km2,共計7 205.13 km2,僅占青海省總面積的約1.03%[24]。在載畜量持續(xù)減少和生態(tài)工程實施面積不斷增加的情況下,2012—2015年EVI由2000—2012年的增加趨勢轉(zhuǎn)為呈下降趨勢,表明生態(tài)工程的成效具有局限性和初步性[25]。

圖6 2000—2015年青海省牲畜存欄數(shù)和生態(tài)工程面積變化趨勢Fig.6 Changes of livestock population and ecological engineering area in Qinghai Province from 2000 to 2015

4 結(jié)論

1) 2000—2015年,青海省植被EVI整體呈上升趨勢,增速為0.018/10a。在時間序列上植被EVI的變化趨勢可分為2000—2004年快速增加期,2005—2012年波動增加期,2013—2015年略微下降期。

2) 青海省植被EVI變化趨勢具有空間差異性。EVI呈明顯增加的區(qū)域面積比例達(dá)51.58%,呈明顯減少的區(qū)域占20.64%,27.78%區(qū)域的EVI沒有顯著變化或基本不變。海西州植被EVI增加速率和植被明顯改善的面積比例最大,其次為海東市。海北州的植被EVI呈減少趨勢,其明顯減少和略微減少的面積比例最大。

3) 2000—2015年青海省年均氣溫和年降水量均呈增加趨勢。植被EVI整體上與氣溫和降水呈正相關(guān)關(guān)系,其中植被EVI與氣溫的相關(guān)性較復(fù)雜,呈正、負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域面積比例分別為60.67%和39.33%,但空間分布規(guī)律不明顯。植被EVI與降水呈正、負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域分別占69.50%和30.50%,分別分布在研究區(qū)西北部和東南部。氣溫和降水對青海植被生長發(fā)育均有促進(jìn)作用,其中降水作用大于氣溫。

4) 由于減畜工程、退耕(牧)還林等生態(tài)工程的實施,2000—2015年間青海省牲畜存欄數(shù)呈下降趨勢,人工造林和封山(沙)育林的面積呈增加趨勢,對植被生長發(fā)育有一定的促進(jìn)作用,但具有局限性和初步性,需進(jìn)一步探索長期有效的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)措施。

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