張 穎，章超斌，王釗齊，楊 悅，李建龍

(南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

三江源1982-2012年草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng)

張 穎，章超斌，王釗齊，楊 悅，李建龍

(南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

前植物生產(chǎn)層

采用1982-2012年的多源遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合像元二分模型，分析了三江源保護(hù)區(qū)不同時(shí)期代表性河流源區(qū)不同類型草地的植被覆蓋度及其動(dòng)態(tài)，并研究了草地植被覆蓋度對氣候因子的響應(yīng)。結(jié)果表明，三江源草地覆蓋度整體上呈現(xiàn)出西北低東南高的特征，全區(qū)草地平均植被覆蓋度為48.73%，黃河源草地覆蓋度最高(65.45%)，長江源最低(4.25%)，草甸、高山亞高山草甸、平原草原、高山亞高山草原和荒漠草原的平均植被覆蓋度分別為59.86%、57.39%、39.50%、33.70%和14.13%；31年間全區(qū)草地覆蓋度整體上呈現(xiàn)上升趨勢，增長速度為每年0.23%，黃河源區(qū)的增長速度最快(每年0.27%)；整體而言，低溫比干旱對三江源草地覆蓋度增長的限制作用更強(qiáng)，草甸、高山亞高山草甸和平原草原受氣溫影響較大，高山亞高山草原和荒漠草原受降水影響較大，在月尺度上草地覆蓋度對氣溫表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，而對降水不存在明顯的滯后效應(yīng)；三江源保護(hù)區(qū)成立(2001年)后，草地覆蓋度的增長速度和增長面積都有所提升，全區(qū)草地覆蓋度對氣溫的敏感度有所升高，黃河源草地覆蓋度對降水的敏感度有明顯下降。生態(tài)工程和草地保護(hù)措施整體上已經(jīng)取得了一定的成效，但局部草地覆蓋度下降趨勢有所加劇，以荒漠草原最為突出，應(yīng)在今后的保護(hù)工作中加以重視。

草地覆蓋度；氣候變化；河流源區(qū)；草地類型；時(shí)滯效應(yīng)；三江源

青藏高原在全球變化中起著重要作用，其生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)異常敏感[1-3]。作為我國重要生態(tài)屏障的三江源地區(qū)是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，位于青藏高原腹地，也是國內(nèi)外倍受矚目的研究氣候和生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)和脆弱帶[4]。草地是三江源面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，對于含蓄水源、碳素固定和生物多樣性保護(hù)等生態(tài)功能有著不可替代的作用。近幾十年來，三江源草地面臨著嚴(yán)重的草地退化、荒漠化問題，不僅影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，而且導(dǎo)致三江中下游廣大地區(qū)旱澇災(zāi)害頻繁，直接威脅長江、黃河流域的生態(tài)安全[5-7]。為解決這一生態(tài)危機(jī)，三江源于21世紀(jì)初成為我國最大的自然保護(hù)區(qū)，并推行了一系列的相應(yīng)生態(tài)保護(hù)政策和措施。

植被覆蓋度是反映地表植被生長態(tài)勢的重要指標(biāo)和表征陸地生態(tài)系統(tǒng)植被質(zhì)量和植被群落的生長動(dòng)態(tài)的重要參數(shù)[8]，它對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況具有重要且直接的指示作用[9]。當(dāng)植被覆蓋度下降或者損失，土壤會直接裸露在空氣中，極易導(dǎo)致土壤受到侵蝕，引發(fā)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的退化。因此，在區(qū)域尺度的草地資源監(jiān)測及健康評估研究中，草地植被覆蓋度常被作為一個(gè)重要的生態(tài)指標(biāo)[10-13]。近年來，隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用方法的不斷革新進(jìn)步，為草地覆蓋度監(jiān)測提供了更廣闊的探索空間。氣候變化對植被覆蓋度有顯著的影響[14]，尤其是對于生態(tài)系統(tǒng)較為敏感脆弱的高海拔地區(qū)。掌握植被覆蓋度的分布差異、動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其對氣候因子的響應(yīng)，對評價(jià)植被生態(tài)系統(tǒng)健康狀況、探索草地環(huán)境變化驅(qū)動(dòng)力具有重要的意義。目前，針對三江源草地覆蓋度動(dòng)態(tài)及其驅(qū)動(dòng)力的研究多為針對近十幾年的較短時(shí)間尺度的研究[4,15-17]，而對于整個(gè)三江源區(qū)較長時(shí)間的監(jiān)測，尤其是不同時(shí)期的對比研究比較缺乏。

基于以上，本研究利用GIMMS (global inventory modeling and mapping studies) 和MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer) 所提供的兩種NDVI (normalised difference vegetation index)遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算了三江源1982-2012年逐月的草地覆蓋度，分析了不同時(shí)期、不同河流源區(qū)、不同草地類型的植被覆蓋度的時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律，并結(jié)合專業(yè)山地氣候插值軟件ANUPSLIN生成的氣候柵格數(shù)據(jù)，分析了草地覆蓋度與氣候因子在年際和月際尺度上的響應(yīng)關(guān)系，比較了三江源保護(hù)區(qū)成立前后(1982-2000年與2001-2012年)不同時(shí)期的差異，以期為三江源草地植被退化(恢復(fù))動(dòng)態(tài)監(jiān)測及其驅(qū)動(dòng)力評估和草地資源監(jiān)測與保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1.1研究區(qū) 三江源全區(qū)地處青藏高原腹地(圖1)，地理位置31°39′-36°12′ N，89°45′-102°23′ E，總面積35.66萬km2，其中長江源區(qū)面積15.41萬km2，黃河源區(qū)面積9.83萬km2，瀾滄江源區(qū)面積3.68萬km2，其他內(nèi)陸河流域的面積6.74萬km2。三江源屬典型高原大陸氣候，年溫差小、日溫差大，年平均氣溫-5.38～4.14 ℃[18]，年平均降水量262.2～772.8 mm，年蒸發(fā)量730～1 700 mm，年日照時(shí)數(shù)2 300～2 900 h，熱量和水分的分布大致呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢。

圖1 研究區(qū)域概況(地理位置、行政區(qū)劃、海拔梯度及源區(qū)劃分)Fig. 1 Location, administrative division, elevation and sub-regions of the study area

1.1.2遙感數(shù)據(jù)獲取及處理 1982-2006年NDVI數(shù)據(jù)采用美國馬里蘭大學(xué)GLCF (global land cover facility)研究組生產(chǎn)的GIMMS NDVI半月最大合成數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，原始空間分辨率8 km，采用最大合成法 (maximum value composite，MVC)獲取月NDVI值，該方法也可進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角等因素的干擾。應(yīng)用ArcGIS的Resample工具將該數(shù)據(jù)的空間分辨率重采樣為1 km。

2007-2012年的NDVI數(shù)據(jù)采用MODIS影像的 MOD13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率1 km。數(shù)據(jù)來自于https：//wist.echo.nasa.gov/api/。使用MRT(MODIS reprojection tools)將下載的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，并完成圖像的空間拼接和重采樣。利用Savtzky-Golay (S-G)濾波法對NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理[19]。將16 d的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，采用MVC法得到逐月的NDVI數(shù)據(jù)。

由于GIMMS和MODIS兩種數(shù)據(jù)采用了不同的傳感器，因此需對兩種數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。兩種數(shù)據(jù)共有84個(gè)月(2000-2006年)的重疊數(shù)據(jù)，對月平均NDVI進(jìn)行相關(guān)分析，兩者相關(guān)系數(shù)為0.87(P<0.001)，說明兩種數(shù)據(jù)在區(qū)域尺度上具有極顯著的一致性。因此，將重疊數(shù)據(jù)在ArcCIS中利用最小二乘法對84幅月數(shù)據(jù)圖層建立兩種NDVI數(shù)據(jù)逐像元的線性回歸方程(即每個(gè)像元產(chǎn)生各自的斜率和截距值)，并依此對2007-2012年的GIMMS的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，延長數(shù)據(jù)的時(shí)間長度，最后獲得1982-2012逐月的NDVI柵格圖像。

1.1.3氣象數(shù)據(jù)獲取及插值 氣候數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的1982-2012年的三江源區(qū)及其周邊共50個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的月平均溫度、月降水量資料。通過插值處理獲取與NDVI數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的氣象數(shù)據(jù)柵格圖像。由于三江源地區(qū)位于青藏高原腹地，地形起伏跌宕且氣象臺站稀疏，常用的插值方法如克里格(kringing)和反距離(IDW)等方法在該地區(qū)難以達(dá)到較高的精度[20]，為后期的數(shù)據(jù)分析帶來干擾。本研究選取基于薄盤光滑樣條函數(shù)開發(fā)的專用氣候數(shù)據(jù)空間插值程序ANUSPLIN對氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，該方法能夠引入多個(gè)影響因子(如海拔與日照時(shí)間等)作為協(xié)變量，從而大大提高插值精度[21]。該軟件在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[22-25]，并已被證明在三江源地區(qū)能夠取得較高的插值精度[26]。

1.1.4其他類型數(shù)據(jù) 草地類型圖從空間分辨率為1 km的GLC2000(global land cover 2000)中國區(qū)域子集中提取。有研究指出該數(shù)據(jù)集與其他的常用土地分類數(shù)據(jù)集(例如IGBP、MODIS MCD)相比，中國草地分類具有較高的精度[27-28]，并得到了較廣泛的應(yīng)用[10，29-30]。在該分類系統(tǒng)中，三江源草地被劃分為高山亞高山草甸、草甸、高山亞高山草原、平原草原、荒漠草原(圖2)。三江源草地面積為32萬km2，占三江源地區(qū)總面積的92%。其中高山亞高山草甸為最主要的草地類型，約占草地總面積的63%。

圖2 三江源的草地類型Fig. 2 Grassland types of the Three Rivers Source Region (TRSR)

1.2草地覆蓋度的計(jì)算

NDVI與植被覆蓋度之間存在著極顯著的相關(guān)性，一般通過建立它們之間的相關(guān)關(guān)系來直接依據(jù)NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算植被覆蓋度[31]。在眾多提取植被覆蓋度的方法中，光譜混合分析模型是目前應(yīng)用最廣的一種，像元二分模型被認(rèn)為是最簡單的線性光譜混合分析模型[32],它假定每一個(gè)像元都是僅由植被和無植被的裸地組成的混合像元，所得的光譜信息(即像元的NDVI值)，也即是兩種純組分以面積比例加權(quán)的線性組合，表達(dá)公式如下：

NDVI=NDVIvCi+NDVIs(1-Ci)

(1)

式中:NDVIv是植被覆蓋部分的NDVI值，NDVIs為裸地部分的NDVI值，Ci為像元的植被覆蓋度。根據(jù)公式(1)，Ci的計(jì)算公式式如下：

(2)

像元二分模型的應(yīng)用關(guān)鍵是如何確定NDVIv與NDVIs的值。對于純裸地像元，NDVIs理論上在0值附近，且在時(shí)間上比較穩(wěn)定。但由于光照、空氣濕度等氣候環(huán)境因素的影響，NDVIs會發(fā)生小范圍的波動(dòng)。而對于純植被的像元，植被類型、群落構(gòu)成、地形和植被生長的季相變化等都會造成NDVIv值的時(shí)空差異。目前常用的研究方法為研究者根據(jù)已有的研究經(jīng)驗(yàn)，將各類型或者各區(qū)域的NDVIv和NDVIs取為定值；或者以研究區(qū)域的0.5%置信度截取NDVI的上下限閾值來分別表示NDVIv和NDVIs。由于三江源地處高寒地帶，生長季較短(5-9月)，本研究在實(shí)際計(jì)算過程中分別用三江源生長季內(nèi)的NDVI的5%置信度上下限閾值來表示NDVIv(0.95)和NDVIs(0.05)。

1.3草地覆蓋度的驗(yàn)證

本研究于2012年8月在三江源實(shí)測的52個(gè)樣地的植被覆蓋度數(shù)據(jù)。選擇目測地勢平坦，面積為1 km×1 km的植被分布均勻的草地區(qū)域作為樣地，每個(gè)樣地設(shè)10個(gè)面積為1 m×1 m的樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)進(jìn)行植被覆蓋度調(diào)查，取其平均值。遙感模擬草地覆蓋度與實(shí)測草地覆蓋度的相關(guān)性分析(圖3)：草地覆蓋度模擬值和實(shí)測值間相關(guān)性極顯著 (R2=0.920 3，P<0.01)，表明基于遙感植被指數(shù)模擬得到的草地覆蓋度具有很高的可靠性。

圖3 三江源草地覆蓋度模擬值與觀測值的比較Fig. 3 Correlation of the estimated grassland coverage and corresponding field observed values of the TRSR

1.4草地覆蓋度年季變化率的計(jì)算

本研究應(yīng)用一元線性回歸分析1982-2012年三江源草地覆蓋度的時(shí)空變化，單個(gè)像元多年回歸方程中趨勢線斜率即為年際變化率，采用最小二乘法求得，計(jì)算公式為：

(3)

式中:θslope為變化率，n為模擬時(shí)間段的年數(shù)，Ci為第i年的植被覆蓋度。利用植被覆蓋度序列和時(shí)間序列(年份)的相關(guān)關(guān)系來判斷植被覆蓋度年際間變化的顯著性，斜率為負(fù)表示下降，反之則表示上升。同時(shí)采用F檢驗(yàn)來檢驗(yàn)趨勢的顯著性，顯著性代表趨勢性變化可置信程度的高低。統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為：

(4)

1.5草地覆蓋度與氣候因子的相關(guān)性計(jì)算

植被覆蓋度與各氣候因子的相關(guān)性采用基于像元的空間分析法進(jìn)行計(jì)算，本研究分別計(jì)算了年尺度和月尺度的草地覆蓋度與氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)，植被覆蓋度與氣候因子的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1草地覆蓋度空間時(shí)空格局分析

2.1.1三江源草地覆蓋度空間分布特征 三江源草地覆蓋度1982-2012年平均值的空間分布如圖4所示，整體上覆蓋度呈現(xiàn)從西北向東南遞增的特征，31年間草地覆蓋度均值為48.73%。東經(jīng)100°以東的澤庫、河南地區(qū)以及三江源南部的玉樹地區(qū)的草地覆蓋度較高，基本處于75%～90%。而東經(jīng)94°以西的雜多、格爾木等地的草地覆蓋度較低，基本在25%以下。

圖4 1982-2012年間三江源草地覆蓋度的空間分布Fig. 4 Spatial distribution of mean grassland coverage in the Three Rivers Source Region from 1982 to 2012

分別統(tǒng)計(jì)了三江源不同草地類型和不同源區(qū)草地的植被覆蓋度的分布特征。結(jié)果顯示，三江源地區(qū)的草甸、高山亞高山草甸、平原草原、高山亞高山草原、荒漠草原的植被覆蓋度分別為59.86%、 57.39%、39.50%、 33.70%和14.13%；3個(gè)河流源區(qū)中，黃河源的草地覆蓋度最高(65.45%)，瀾滄江源次之(58.15%)，長江源最低(43.25%)。

2.1.2三江源草地覆蓋度時(shí)間變化特征 分別統(tǒng)計(jì)了不同地類型草地(圖5b)、不同源區(qū)(圖5c)、三江源全區(qū)草地(圖5a)的草地植被覆蓋度年季波動(dòng)情況，以及全區(qū)不同時(shí)段的均值(圖5d)。就全區(qū)來看，草地覆蓋度在1982-2012年整體上呈上升趨勢，年增加率為0.23%；1982-2001年，上升速度比較緩慢，速度為每年0.16%，覆蓋度均值為48.89%。而2001-2012年間，植被覆蓋度的上升速度明顯提升，達(dá)到每年0.75%(P<0.01)，覆蓋度均值為52.63%。在5種草地類型中，植被覆蓋度在31年間也均呈現(xiàn)升高趨勢。其中草甸和高山亞高山草甸的植被覆蓋度增長最快(每年0.30%)，之后依次是荒漠草原(每年0.24%)、平原草原(每年0.22%)和高山亞高山草原(每年0.20%)。在3個(gè)源區(qū)中，草地覆蓋度在31年間均呈現(xiàn)升高趨勢。其中增長速度最快的為黃河源區(qū)(每年0.25%)，較慢的為瀾滄江源區(qū)(每年0.21%)。

統(tǒng)計(jì)了三江源保護(hù)區(qū)成立前后不同時(shí)間段草地覆蓋度的變化趨勢并做顯著性檢驗(yàn)。就全區(qū)而言，1982-2000年，植被覆蓋度發(fā)生極顯著(P<0.01)增加、顯著增加(P<0.05)、變化不顯著(P>0.05)、極顯著減少的面積分別占全區(qū)總面積的11.61%、24.70%、63.37%、1.73%、0.37%。而2001-2012年，三江源草地覆蓋度發(fā)生極顯著增加、顯著增加、變化不顯著、顯著減少的面積分別占全區(qū)總面積的15.22%、30.67%、50.79%、3.72%和1.43%。1982-2012年，三江源草地覆蓋度呈現(xiàn)增長的區(qū)域的面積遠(yuǎn)大于下降的區(qū)域；變化比較明顯區(qū)域大多集中在三江源東北部和西北部地區(qū)。覆蓋度發(fā)生極顯著增加、顯著增加、變化不顯著、極顯著減少的面積分別占全區(qū)總面積的39.07%、24.89%、35.40%、0.00%和0.64%。

分別統(tǒng)計(jì)了不同源區(qū)在不同時(shí)期的草地覆蓋度年際變化的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(圖6)。在2001年前，黃河源的草地覆蓋度增長趨勢最為明顯(增長面積占36.22%)；在2001年之后，瀾滄江源的草地覆蓋度增長趨勢最為明顯(增長面積占41.66%)。3個(gè)源區(qū)草地植被覆蓋度增長的面積比例在2001年后均有提升，但同時(shí)長江源和瀾滄江源的覆蓋度下降的面積比例有所增多。

圖5 草地覆蓋度年季變化及不同時(shí)段均值Fig. 5 Dynamics of annual grassland coverage in the Three Rivers Source Region during 1982-2012

統(tǒng)計(jì)了不同類型草地的植被覆蓋度在不同時(shí)期的年際變化的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(圖7)。在21世紀(jì)前后兩個(gè)時(shí)間段，三江源5種類型的草地覆蓋度增長的區(qū)域面積均大于下降的面積。在21世紀(jì)前，覆蓋度增長面積比例最大的草地類型為荒漠草原(50.09%)，其次是高山亞高山草原(38.50%)。在21世紀(jì)后，覆蓋度增長面積比例最大的草地類型為草甸(70.04%)，其次是高山亞高山草甸(51.11%)。5類型草地中，在21世紀(jì)以來的12年里植被覆蓋度增長的面積比例均大于21世紀(jì)前。同時(shí)，覆蓋度下降的面積也均大于前一個(gè)階段，尤其是荒漠草原覆蓋度極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)下降的面積達(dá)13.07%。

2.2草地覆蓋度對氣候因子的響應(yīng)分析

2.2.1草地覆蓋度年際變化與溫度、降水量的相關(guān)性分析 分別計(jì)算了1982至2012年間三江源草地覆蓋度年際變化與溫度(圖8a)和降水(8b)的相關(guān)系數(shù)。溫度與草地覆蓋度在研究區(qū)東經(jīng)98°以東的地區(qū)呈較強(qiáng)的正相關(guān)，在南部呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)全區(qū)平均值為0.17；降水與草地覆蓋度在扎陵湖鄂陵湖附近呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)，而在三江源東部與覆蓋度呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)全區(qū)平均值為0.12。

分別統(tǒng)計(jì)了1982至2012年間，不同草地類型的草地度蓋度與溫度和降水的相關(guān)系數(shù)(圖9)。結(jié)果顯示，不同類型的草地與氣候因子的相關(guān)性呈現(xiàn)出差異。草地覆蓋度與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)在草甸、高山亞高山草甸、平原草原、高山亞高山草原和荒漠草原的平均值分別為：0.10和0.04、0.18和0.09、0.18和0.12、0.16和0.17、0.12和0.23。對于草甸、高山亞高山草甸和平原草原，氣溫對草地覆蓋度的影響強(qiáng)于降水，而對于高山亞高山草原和荒漠草原，降水對草地覆蓋度的影響強(qiáng)于氣溫。

統(tǒng)計(jì)了不同河流源區(qū)的草地覆蓋度年際變化與氣候因子的相關(guān)性，并對比了2001年前后不同時(shí)期的變化(圖10)。結(jié)果顯示，對于3個(gè)源區(qū)，植被覆蓋度與氣溫的相關(guān)性均始終大于降水。兩段時(shí)期中各源區(qū)草地覆蓋度與氣溫、降水的相關(guān)性也均呈現(xiàn)出明顯的變化。2001年后，植被覆蓋度與氣溫的正相關(guān)性在3個(gè)源區(qū)均有明顯增強(qiáng)，長江源、黃河源、瀾滄江源的覆蓋度與溫度的相關(guān)系數(shù)均值在2001年前后兩個(gè)時(shí)期分別為0.06和0.25、0.15和0.26、0.03和0.15；而與降水的正相關(guān)性在長江源區(qū)有所增強(qiáng)，在黃河源和瀾滄江源卻有所下降，3個(gè)源區(qū)的覆蓋度與降水的相關(guān)性均值在2001年前后兩個(gè)時(shí)期分別為0.13和0.15、0.19和0.07、0.15和0.09。

圖6 各源區(qū)草地覆蓋度年季變化Fig. 6 Area percentage of changes in grassland coverage at different significant levels in each river source

圖7 不同草地類型草地覆蓋度年際變化的顯著性檢驗(yàn)的面積比例Fig. 7 Area percentage of changes in grassland coverage at different significant levels in different types of grasslands

圖8 三江源1982-2012年草地覆蓋度與氣溫(a)和降水量(b)的相關(guān)系數(shù)空間分布Fig. 8 Average temperature(a) and precipitation (b) during growth season in the Three Rivers Source Region

圖9 不同類型草地的草地覆蓋度對氣候因子的響應(yīng)Fig. 9 Correlation coefficients between grass coverage for different grassland types and temperature and precipitation from 1982 to 2012 in the Three Rivers Source Region

2.2.2草地覆蓋度月際變化與溫度、降水量的相關(guān)性分析 利用三江源草地覆蓋度與氣溫、降水量多年的月平均值，計(jì)算了草地覆蓋度與當(dāng)月及前3個(gè)月的溫度、降水量的相關(guān)系數(shù)(圖11)。

三江源草地覆蓋度與當(dāng)月氣溫的相關(guān)系數(shù)均值為0.29，明顯高于年際水平的相關(guān)系數(shù)(0.17)，99%的地區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)出與當(dāng)月氣溫的正相關(guān),通過0.05和0.01水平顯著性檢驗(yàn)的面積比例為17.57%和16.30%，表明草地生長受月際溫度變化影響大于年際影響。覆蓋度與前一個(gè)月溫度的正相關(guān)系性最強(qiáng)，相關(guān)數(shù)均值達(dá)0.35，與前兩個(gè)月、3個(gè)月溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.12和0.09。結(jié)果表明，三江源植被覆蓋度對月溫度的響應(yīng)存在明顯的滯后效應(yīng)。

三江源草地覆蓋度與當(dāng)月降水的相關(guān)系數(shù)均值為0.23，同樣也高于年際水平的相關(guān)系數(shù)(0.12)。全區(qū)有78.01%的地區(qū)與當(dāng)月降水呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。通過0.05和0.01水平顯著性檢驗(yàn)的面積比例為11.01%和10.3%。降水與前平個(gè)月、前2個(gè)月和前3個(gè)月的相關(guān)系數(shù)分別為0.09、0.04和0.03。當(dāng)月降水與覆蓋度的相關(guān)性最強(qiáng)，與前3月的相關(guān)性依次降低，說明草地覆蓋度對降水的響應(yīng)不存在滯后效應(yīng)或滯后短于一個(gè)月。

3 討論

3.1三江源草地覆蓋度時(shí)空格局

本研究利用1982-2012年的多源遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合像元二分模型，估算三江源草地的植被覆蓋度。方精云等報(bào)道在1982-1999年，中國的植被活動(dòng)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢[33]，在過去的30年，中國草地的植被覆蓋度整體上也呈現(xiàn)出上升趨勢[34]。本研究顯示，三江源草地的植被覆蓋度變化動(dòng)態(tài)也與此時(shí)段中國草地覆蓋度變化的大趨勢保持一致，整體上表現(xiàn)出升高趨勢。陳婷等[35]分析了1982-2003年長江源植被覆蓋變化規(guī)律、Liu等[36]模擬了2000-2011年三江源的植被覆蓋動(dòng)態(tài)，劉正佳和邵全琴[15]分析了1998-2012年的三江源植被覆蓋度的變化趨勢及其與氣候因子的關(guān)系，其結(jié)果均與本研究有很好的一致性。在研究時(shí)間內(nèi)，長江源，黃河源和瀾滄江源的植被覆蓋度均呈現(xiàn)增長趨勢，31年時(shí)間尺度上增長趨勢最為明顯的為黃河源。2001年前后兩個(gè)時(shí)段的對比顯示，三江源保護(hù)區(qū)成立后三江源草地覆蓋度的增長速度和增長面積都比之前有所提升，在生態(tài)工程及相關(guān)政策的實(shí)施下，整體上草地退化趨勢有所遏制，草地初步呈現(xiàn)恢復(fù)態(tài)勢，保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)工程及措施取得了一定成果。而同時(shí)局部草地覆蓋度下降的趨勢有所加劇，以荒漠草原最為突出，今后的保護(hù)工作應(yīng)對荒漠草原的治理加以重視。

圖10 不同時(shí)期各源區(qū)草地覆蓋度與氣候因子的相關(guān)系數(shù)的頻率分布圖Fig. 10 Frequency by pixels of correlation coefficient between climatic factors and annual grass coverage in each river source during two periods, 1982-2000 and 2001-2012

3.2三江源草地覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)力分析

已有一些學(xué)者對三江源的植被對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了不同角度、不同方法的探索，由于涉及研究時(shí)段或研究區(qū)域的不用，其結(jié)論也有一定的差異。Hu等[37]的研究表明水分和溫度都對三江源植被有重要影響，且水分的影響力大于溫度。但更多的研究結(jié)果表明，溫度比水分對三江源植被的影響力更大[15,38-40]，本研究結(jié)果也支持這一觀點(diǎn)。三江源地區(qū)總體處于濕潤半濕潤氣候區(qū)，對三江源生長季內(nèi)植被生長而言，降水條件明顯好于溫度條件。生長季短是制約三江源草地植被生長的關(guān)鍵因素，氣溫的升高不僅延遲了生長季，還可導(dǎo)致土壤溫度的增加進(jìn)而加速了土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解和營養(yǎng)元素的釋放，從而為植被生長提供了更加豐富的土壤養(yǎng)分[18]。另外，草地植被對氣候的響應(yīng)也呈現(xiàn)出空間差異，研究區(qū)內(nèi)水分條件較好的草甸、高山亞高山草甸及平原草原的草地覆蓋度與氣溫的正相關(guān)性均明顯高于降水；而分布于西北的治多縣和格爾木市，及黃河源東北部的興?？h、同德縣等地的高山亞高山草原及荒漠草原，則受降水的制約更大。盡管在三江源氣候變化趨勢近幾十年來整體上表現(xiàn)為有利于植被生長的暖濕化[41]，而值得注意的是，在進(jìn)入21世紀(jì)后的十幾年中，該區(qū)域的增溫主要集中在冬季，而生長季的增溫速度較之前下降，同時(shí)生長季太陽輻射的下降和降水的增多，對植被光合作用產(chǎn)生抑制，使三江源的氣候變化趨勢由20世紀(jì)的有利于植被生長逆轉(zhuǎn)為不利于植被生長[40]。而在此背景下，三江源草地覆蓋度在2001年之后不僅保持增長且增速有所提升，證明人為活動(dòng)對三江源草地植被生長起到了重要的促進(jìn)作用。

圖11 草地覆蓋度與氣候因子的相關(guān)性Fig. 11 Correlation coefficients between grass coverage and climatic factors in Three River Source Region during 1982-2012

三江源草地的退化格局在20世紀(jì)70年代已經(jīng)形成[42]，過度放牧是其重要原因[7]。該地區(qū)的牲畜存欄數(shù)曾在70年代中期達(dá)到2 500萬羊單位的高峰，后因生態(tài)系統(tǒng)難以承受自然減畜和自然災(zāi)害，在80年代末減至1 500萬羊單位[43]，而已有研究指出三江源草地理論載畜量為900萬羊單位[44]，草地過牧現(xiàn)象十分嚴(yán)重。三江源自然保護(hù)區(qū)在2001年成立，隨后逐步開始實(shí)施減畜、退牧還草等工程，并于2005年全面啟動(dòng)三江源地區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程，實(shí)施了一系列的草地生態(tài)恢復(fù)措施，如圍欄封育、鼠害治理、黑土灘治理、生態(tài)移民、生態(tài)補(bǔ)償?shù)萚45-46]。所以本研究以2001年為節(jié)點(diǎn)，對比分析保護(hù)區(qū)成立后三江源草地覆蓋度的變化趨勢。本研究結(jié)果表明，三江源草地覆蓋度的增長速度和增長的面積比例在2001年后均有所提升，說明在生態(tài)工程及相關(guān)政策的實(shí)施下，草地退化趨勢有所遏制，草地初步呈現(xiàn)恢復(fù)態(tài)勢。

方金等[47]對青藏高原草地生物量的研究顯示，長勢越好的草地對氣候變化的敏感度越高。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，保護(hù)區(qū)成立后隨著草地覆蓋度的提升，覆蓋度與氣溫的正相關(guān)性也有明顯提升。而在人為活動(dòng)的干預(yù)下，草地植被對氣候變化的反應(yīng)情況比較復(fù)雜。也有研究指出生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施也會降低一些惡劣的氣候條件對草地植被的影響，降低牧草對氣候因子的敏感性[48]。例如從2006-2009年三江源人工增雨累計(jì)增加降水260.66億m2，主要集中在黃河流域[45]。本研究也顯示，黃河源的草地覆蓋度與降水的相關(guān)系數(shù)在保護(hù)區(qū)建立之后有明顯的下降，其原因可能是生長季的牧草人工灌溉和人工降雨的效益，降低了水分對草地植被生長的限制性。綜上可見，三江源的生態(tài)工程和草地保護(hù)措施已經(jīng)取得了一定的成效。

4 結(jié)論

1)三江源草地覆蓋度呈現(xiàn)出明顯的空間差異，具有西北低東南高的特征。全區(qū)草地平均植被覆蓋度為48.73%，三大河流源區(qū)中黃河源植被覆蓋度最高(65.45%)，長江源最低(4.25%)。5種草地類型中草甸植被覆蓋度最高(59.86%)，荒漠草原最低(14.13%)。1982-2012年，全區(qū)草地覆蓋度整體年均增長速度為每年0.23%，有63.96%的區(qū)域呈現(xiàn)出增長趨勢。

2)就全區(qū)而言，低溫比干旱對草地的植被覆蓋度增長的限制作用更強(qiáng)。草甸、高山亞高山草甸和平原草原受氣溫的影響較大，而高山亞高山草原和荒漠草原受降水的影響較大。在月尺度上，三江源草地覆蓋度對氣溫表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，而對降水不存在明顯的滯后效應(yīng)。

3)三江源保護(hù)區(qū)成立后，三江源草地覆蓋度的增長速度和增長面積都比之前有所提升，全區(qū)草地覆蓋度對氣溫的敏感度明顯升高，黃河源草地覆蓋度對降水的敏感度有明顯下降。

4)在生態(tài)工程及相關(guān)政策的實(shí)施下，整體上草地退化趨勢有所遏制，草地初步呈現(xiàn)恢復(fù)態(tài)勢。而同時(shí)局部草地覆蓋度下降的趨勢有所加劇，以荒漠草原最為突出，應(yīng)在今后的保護(hù)工作中加以重視。

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Spatiotemporaldynamicsofgrasslandcoverageinresponsetoclimatechangefrom1982to2012intheThreeRiversSourceRegion,China

Zhang Ying, Zhang Chao-bin, Wang Zhao-qi, Yang Yue, Li Jian-long

(School of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China)

Grassland coverage dynamics and its relationship to climatic factors at different spatial and temporal scales in the Three Rivers Source Region (TRSR) from 1982 to 2012 were analyzed based on MODIS-NDVI and GIMMS-NDVI data and climate data. The responses of the grassland coverage to climatic variations at annual and monthly time scales were analyzed. The results showed that grassland coverage distribution had increased from northwest to southeast across the TRSR during the study period. During 1982-2012, the mean grassland coverage of the TRSR was 48.73% and exhibited spatial heterogeneity, being the highest (65.45%) in the source region of Yellow River and the lowest (4.25%) in the source region of Yangtze River. The mean grassland coverages of meadow, alpine and sub-alpine meadow, plain grassland, alpine and sub-alpine grassland, and desert grassland were 59.86%, 57.39%, 39.50%, 33.70%, and 14.13%, respectively. The grassland coverage of the study area increased with a linear tendency of 0.23% per year, of which the source region of Yellow River presented the fastest increasing trend (0.27% per year). The grassland coverages in meadow, alpine and sub-alpine meadow, and plain grassland were mainly affected by temperature, whereas grassland coverages in desert grassland and alpine and sub-alpine grassland were affected more by precipitation. At the monthly time-scale, grassland coverage had a one-month time-lag effect compared to temperature. However, there was less than one month or no time-lag effect for precipitation. After the Three Rivers Nature Reserve was founded, the growth of grassland coverage accelerated to some extent. Meanwhile, the sensitivity effect of temperature on grassland coverage increased throughout the entire district. In addition, the influence of precipitation on grassland coverage decreased in the source region of Yellow River. The ecological engineering and grassland protection measures have gained some achievements in the TRSR, whereas a falling trend of grassland coverage was exacerbated in some areas, especially desert grassland; therefore, greater attention should be paid to this region.

grassland coverage; climate change; river sources; grassland types; time-lag effect; Three Rivers Source Region

Li Jian-long E-mail：jlli2008@nju.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0619

張穎，章超斌，王釗齊，楊悅，李建龍.三江源1982-2012年草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng).草業(yè)科學(xué),2017,34(10)：1977-1990.

Zhang Y,Zhang C B,Wang Z Q,Yang Y,Li J L.Spatiotemporal dynamics of grassland coverage in response to climate change from 1982 to 2012 in the Three Rivers Source Region,China.Pratacultural Science，2017,34(10)：1977-1990.

S812.1

A

1001-0629(2017)10-1977-14

2016-12-15

2017-02-28

江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項(xiàng)目(SXGC[2014]287);國際APN全球變化項(xiàng)目(No.ARCP2015-03CMY-Li & CAF2015-RR14-NMY-Odeh);the Public Sector Linkages Program supported by the Australian Agency for International Development (PSLP:No.64828)

張穎(1986-)，女，山東泰安人，在讀博士生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測。E-mail:binghuying@163.com

李建龍(1962-)，男，新疆阜康人，教授，博士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測。E-mail:jlli2008@nju.edu.cn

(責(zé)任編輯 茍燕妮)