王志偉 ，岳廣陽，吳曉東，張 文

(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站，甘肅 蘭州 730020； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草業(yè)研究所，貴州 貴陽 550006；3.美國德克薩斯大學(xué)，美國 圣安東尼奧 78249)

青藏高原作為世界“第三極”，擁有世界上面積最大的高海拔區(qū)域[1]，對(duì)氣候變化異常敏感[2]，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)[3-4]。區(qū)域內(nèi)分布著眾多高寒植被[5]，被稱為“高山植物基因庫”[6]。植被作為高寒生態(tài)系統(tǒng)中最重要的要素之一，被認(rèn)為是反映環(huán)境變化的敏感指示器[7]。它不僅是構(gòu)成陸面過程的重要下墊面因子[8]，而且在全球變化中對(duì)碳循環(huán)的作用同樣不容忽視[9-10]。

近百年來全球氣溫持續(xù)升高[11-12]，分布于青藏高原的多年凍土也開始逐步退化[13]，Wu Q B等[14]研究報(bào)道，變暖現(xiàn)象在21世紀(jì)仍將持續(xù)。多年凍土退化會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)層厚度增加，從而改變土壤中的水、熱環(huán)境[15]。多年凍土的凍脹融沉過程不僅毀壞鐵路、公路，也會(huì)破壞建筑工程結(jié)構(gòu)，甚至造成極大的生態(tài)、地質(zhì)災(zāi)害[16]。環(huán)境變暖，多年凍土熱融效應(yīng)增加后，會(huì)促使大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體，釋放大量有機(jī)碳、硝態(tài)氮等物質(zhì)[17]，進(jìn)而改變土壤生物和微生物環(huán)境，引起高寒生態(tài)環(huán)境的惡化[18]。同時(shí)因氣候變暖土壤水、熱狀況發(fā)生改變，同樣會(huì)使植被條件發(fā)生變化，進(jìn)而影響到地表的一系列特征，如反照率、降水的滲透速度、土壤中的蒸騰和蒸散、以及土壤侵蝕等，從而打亂水文和氣候系統(tǒng)的循環(huán)速率[19]。近地表過程的變化，會(huì)在大氣圈的下墊面底部對(duì)環(huán)境產(chǎn)生反作用，甚至影響青藏高原周邊地區(qū)乃至全球的氣候變化[20-21]。

植被類型是研究植被特征最基本、最重要的單元[22]。為闡明植被和地表水、熱狀況之間的作用關(guān)系及其未來的發(fā)展演變規(guī)律，多種陸面過程模式(Earth System Modelling,ESM)需要用到植被類型信息[23]，將其作為模型的初始輸入?yún)?shù)[24]，如地表模型[25-28]、水文模型[28]、生物化學(xué)模型[24]和全球植被模型等[29-30]。

未來氣候變化情景設(shè)計(jì)一直是學(xué)者們研究人類活動(dòng)導(dǎo)致環(huán)境變化的重要工作內(nèi)容之一，代表性濃度路徑(Representative Concentration Pathways，RCPs)情景正是為克服以前單純以減排為主要參考變量的局限性而設(shè)定的一套以穩(wěn)定濃度為特征的新情景[31]?；诓煌腞CPs，利用多種氣候系統(tǒng)模式可以有效的預(yù)測(cè)研究區(qū)潛在植被類型分布[23]，通過模擬植被類型分布的動(dòng)態(tài)變化過程，為揭示生態(tài)系統(tǒng)變化和碳循環(huán)過程的研究提供新的方法和手段。

因此，以多種氣候系統(tǒng)模式在不同RCPs情景下的模擬數(shù)據(jù)集為核心，結(jié)合多種遙感資料，完成對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)潛在植被類型分布的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果不僅可以為研究氣候變化提供理論支撐，還可以為青藏高原多年凍土區(qū)乃至全球的碳循環(huán)過程提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原位于我國西南，面積約為2.6×106km2，覆蓋范圍為E 75.69° ～ 104.43° 和N 26.00°～39.82°，其西部海拔高，東部和中部的海拔相對(duì)較低，平均海拔大于4 000 m[32]，青藏高原多年凍土總面積約為1.5×106km2。青藏高原多年凍土區(qū)域年平均氣溫約為3℃，年平均降水量約為30 mm，高原最干旱的季節(jié)包括11，12和1月，最冷的季節(jié)包括12，1和2月，最暖和最潮濕的季節(jié)包括6，7和8月。多年凍土區(qū)的面積為1.5×106km2(不包括湖泊和冰川)(圖1)，通過MODIS年平均地表溫度計(jì)算得到[33]，取年均溫小于-4℃的區(qū)域[5]。

圖1 研究區(qū)概括和調(diào)查樣點(diǎn)Fig.1 Study areas and field survey sites

1.2 植被調(diào)查

植被調(diào)查點(diǎn)設(shè)置在3 500～5 500 m，調(diào)查時(shí)間為2009年到2013年[5](圖1)。根據(jù)490個(gè)植被調(diào)查樣點(diǎn)可知，在青藏高原多年凍土區(qū)，除了完全不生長植被的裸地外，主要包括4種能被1 km分辨率遙感影像監(jiān)測(cè)到的高寒植被類型，分別為高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠[5]，野外植被調(diào)查樣點(diǎn)規(guī)則參照文獻(xiàn)[5]進(jìn)行。

1.3 分類預(yù)測(cè)變量

選取3種數(shù)據(jù)集的27個(gè)變量作為預(yù)測(cè)模型的自變量，WorldClim數(shù)據(jù)集中的19個(gè)生物氣候參數(shù)、利用NDVI數(shù)據(jù)集[34]計(jì)算得到的4個(gè)植被特征參數(shù)和DEM數(shù)據(jù)集反演獲取的4個(gè)地形因子參數(shù)。DEM數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。生物氣候參數(shù)和地形因子參數(shù)的分辨率為1 km×1 km(表1)，NDVI參數(shù)的分辨率為8 km×8 km，為匹配生物氣候參數(shù)和地形因子參數(shù)的空間尺度，將NDVI參數(shù)重采樣為1 km × 1 km。數(shù)據(jù)的使用，目的是預(yù)測(cè)當(dāng)前青藏高原多年凍土區(qū)潛在植被類型的分布狀況。

表1 預(yù)測(cè)模型中的變量

代表性濃度路徑情景包括4種RCP(表2)。氣候系統(tǒng)模式可以有效的定量化表達(dá)氣候系統(tǒng)變化規(guī)律，是預(yù)測(cè)未來氣候變化的工具之一。在此，選取同時(shí)存在4種情景數(shù)據(jù)的10個(gè)氣候系統(tǒng)模式完成未來青藏高原植被分布預(yù)測(cè)。10個(gè)氣候系統(tǒng)模式分別為BCC-CSM1-1、CCSM4、GISS-E2-R、HadGEM2-AO、HadGEM2-ES、IPSL-CM5A-LR、MIROC-ESM、MIROC5、MRI-CGCM3和NorESM1-M。氣候系統(tǒng)模式包括表1中的前19個(gè)變量在預(yù)測(cè)年份2050年(平均2041到2060年)和2070年(平均2061年到2080年)的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于www.worldclim.org。NDVI的預(yù)測(cè)利用修正后的NDVI數(shù)據(jù)集[34]計(jì)算獲取每個(gè)象元點(diǎn)上的NDVI年變化率，然后通過2014年的NDVI和NDVI年變化率數(shù)據(jù)，計(jì)算得到2050年和2070年的NDVI平均值(Bio20)、NDVI最大值(Bio21)、NDVI最小值(Bio22)和NDVI間距(Bio23)，分辨率重采樣為1 km × 1 km。因DEM數(shù)據(jù)無長時(shí)間連續(xù)的同源數(shù)據(jù)集，且地形特征在數(shù)十年間的變化很小，因此，研究使用當(dāng)前地形數(shù)據(jù)作為未來地形因子數(shù)據(jù)結(jié)果，包括高程(Bio24)、坡度(Bio25)、坡向(Bio26)和剖面曲率(Bio27)。

1.4 預(yù)測(cè)模型建立與模型驗(yàn)證方法

首先，通過主成分分析方法對(duì)27種參數(shù)進(jìn)行去相關(guān)處理，將主成份矩陣中各分量相關(guān)系數(shù)小于一定閾值的參數(shù)去除，該步驟的目地是刪除重復(fù)變量。然后，利用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)青藏高原多年凍土區(qū)的植被類型，使用決策樹分類方法(See 5.0軟件)生成青藏高原植被類型預(yù)測(cè)模型[5]。最后，借助10折驗(yàn)證分析植被制圖精度，在每一折的驗(yàn)證中，隨機(jī)選取90%的植被調(diào)查樣點(diǎn)用于建立決策樹分類規(guī)則，其余10%的樣點(diǎn)用于驗(yàn)證分類結(jié)果的準(zhǔn)確度[5]。

表2 青藏高原多年凍土區(qū)未來植被類型預(yù)測(cè)模型中用到的RCPs類型

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測(cè)模型與精度驗(yàn)證

已有研究表明[5]，青藏高原多年凍土植被分類方法中主成分分析相關(guān)系統(tǒng)的閾值以0.8為宜。因此，對(duì)生物氣候、NDVI、地形參數(shù)中的27個(gè)變量，經(jīng)過主成分分析選取相關(guān)系數(shù)大于0.8的變量和決策樹分類規(guī)則提取后，保留12個(gè)變量用于植被分類預(yù)測(cè)模型的建立。變量包括Bio1、Bio3、Bio7、Bio12、Bio14、Bio16、Bio17、Bio19、Bio20、Bio21、Bio22和Bio24，其代表的含義分別為年均溫、等溫性、溫度年間距、年均降水、最干旱月降水、最濕潤季節(jié)降水、最干旱季節(jié)降水、最寒冷季節(jié)降水、NDVI平均值、NDVI最大值、NDVI最小值和高程(圖2)。利用分類規(guī)則完成10次分類制圖，每次分類中選取90%的植被調(diào)查樣點(diǎn)進(jìn)行分類規(guī)則提取，其余10%的樣點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證精度。最終，10次分類的精度分別為65%、76%、76%、69%、62%、79%、70%、60%、63%和67%，平均分類精度為69%。圖2所示規(guī)則為10次分類中精度最高的預(yù)測(cè)模型，因此，該規(guī)則所代表的模型被選取為本研究中潛在植被類型分布預(yù)測(cè)模型。

2.2 凍土區(qū)4種情景10種氣候系統(tǒng)模式植被類型分布預(yù)測(cè)

分別平均10類氣候系統(tǒng)模型擬合可知RCP2.6情景下，2050年和2070年裸地面積為15.3%和14.2%，高寒沼澤草甸為5.6%和5.7%，高寒草甸為42.3%和42.9%，高寒草原為23.6%和23.6%，高寒荒漠為13.8%和13.2%。

RCP4.5情景下，2050年和2070年裸地面積為16.1%和13.8%，高寒沼澤草甸為6.7%和4.8%，高寒草甸42.5%和45.3%，高寒草原24.4%和24.6%，高寒荒漠為12.5%和11.4%，各植被類型變化狀況同RCP2.6情景下類似。

RCP6.0情景下，2050年和2070年裸地面積為16.5%和15.0%，高寒沼澤草甸為7.7%和5.3%，高寒草甸為40.5%和44.1%，高寒草原為23.9%和23.8%，高寒荒漠為13.5%和11.9%(表3)。

RCP8.5情景下，2050年和2070年裸地面積為17.2%和13.5%，高寒沼澤草甸為6.4%和4.4%，高寒草甸為42.5%和47.7%，高寒草原為23.7%和25.0%，高寒荒漠為12.0%和9.4%。

相比圖2模型反演后的當(dāng)前青藏高原多年凍土區(qū)裸地、高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠的面積百分比(19.4%、6.0%、47.2%、19.3%和8.1%)，未來預(yù)測(cè)模型得到的2050年和2070年結(jié)果都呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，裸地和高寒草甸面積微弱減少，高寒草原和高寒荒漠面積在微弱增加，高寒沼澤草甸面積變化不明顯。

表3 青藏高原多年凍土區(qū)10種氣候系統(tǒng)模式在不同RCPs情景下未來植被類型分布預(yù)測(cè)的面積百分比

3 討論

3.1 模型的不確定性

作為全球高海拔凍土面積最大的分布區(qū)，青藏高原獨(dú)特的高海拔、低溫度的特征在凍土、冰川、濕地、湖泊、植被等系統(tǒng)中的作用極其重要。但是因?yàn)闂l件限制，現(xiàn)在對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)的研究，許多都只是針對(duì)水、熱、能量循環(huán)過程的監(jiān)測(cè)[35]，而對(duì)一些植被方面的研究卻非常有限，特別是對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)潛在植被類型分布的預(yù)測(cè)研究鮮有報(bào)道[36-37]。近年來隨著遙感，地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，基于遙感影像的植被分類經(jīng)歷了目視解譯、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、專家系統(tǒng)分類、決策樹和面向?qū)ο蟮劝l(fā)展階段，這些技術(shù)方法都為當(dāng)今的植被制圖提供了一種全新的途徑[38]。目前，統(tǒng)計(jì)方法，如決策樹分類法因其靈活性和快速性的優(yōu)點(diǎn)在植被分類中較為常用，張秀敏等[39]在青藏高原的溫泉地區(qū)劃分植被類型為高寒草甸、高寒草原、高寒灌叢、高寒沼澤草甸和非植被5種類型，分類結(jié)果總精度為72%，Kappa系數(shù)為0.6。利用相同的分類方法，王志偉等[5]提出現(xiàn)有研究對(duì)青藏高原地區(qū)的高寒沼澤草甸考慮較少，而該植被類型條件下的生物碳、氮含量，以及生態(tài)演替方面的變化特征明顯不同于其他高寒草地類型[40]，因此，在青藏高原多年凍土區(qū)進(jìn)行植被制圖時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)高寒沼澤草甸的模擬和分析。有研究[5]報(bào)道對(duì)高原凍土區(qū)的植被類型分布預(yù)測(cè)已經(jīng)有較好的前期基礎(chǔ)，甚至可以通過統(tǒng)計(jì)方法和少量野外植被調(diào)查點(diǎn)突破高原凍土區(qū)野外采集工作困難造成的瓶頸，研究仍然存在問題，需要關(guān)注：1)雖然借助統(tǒng)計(jì)方法，可以用少量的野外控制點(diǎn)來完成整個(gè)高原凍土區(qū)的植被類型分布反演，甚至包括一些人類難以抵達(dá)的區(qū)域，但是該結(jié)果的生成是一種植被類型的潛在分布狀況，而非完全的實(shí)際分布狀況；2)預(yù)測(cè)參數(shù)的空間分辨率較粗，因現(xiàn)有開源預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集的精度少有優(yōu)于1 km空間分辨率的產(chǎn)品，所以在高原凍土區(qū)植被類型預(yù)測(cè)時(shí)混合像元的區(qū)分就成為了另一個(gè)需要突破的難題；3)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確率受多方面要素的限制，除研究中考慮的3個(gè)環(huán)境因子外，涉及植物本身生理生化的一些變量難以精確參數(shù)化，故相關(guān)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集也難以收集，這也會(huì)是引起預(yù)測(cè)結(jié)果失真的一個(gè)原因，同樣也是需要關(guān)注的一個(gè)研究點(diǎn)。

3.2 青藏高原多年凍土區(qū)未來植被類型面積預(yù)估的簡單應(yīng)用

青藏高原多年凍土區(qū)的面積約為1.5×106km2(不包括湖泊和冰川)。根據(jù)報(bào)道，青藏高原多年凍土區(qū)高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠和裸地在地下0～50 cm的土壤有機(jī)碳含量分別為14.1、12.9、5.5、3.0和1.6 kg/m2，然后結(jié)合青藏高原多年凍土區(qū)2050和2070年各植被類型分布狀況的預(yù)測(cè)結(jié)果可以推算該區(qū)域土壤有機(jī)碳的變化情況[41]。

利用圖2規(guī)則反演后的當(dāng)前青藏高原多年凍土區(qū)裸地、高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠的面積百分比(19.4%、6.0%、47.2%、19.3%和8.1%)計(jì)算各植被類型的面積，然后利用各植被類型和裸地在地下0～50 cm的土壤有機(jī)碳含量可知，該區(qū)域當(dāng)前0～50 cm的土壤有機(jī)碳含量為12.65 Pg。同樣的方法，計(jì)算得到在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下，2050年和2070年青藏高原多年凍土區(qū)在地下0～50 cm的土壤有機(jī)碳含量分別為12.12、12.25、12.38、12.49、12.23、12.32、12.27和12.80 Pg。

4 結(jié)論

隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的日益嚴(yán)峻，多年凍土開始大面積退化，嚴(yán)重威脅到凍土區(qū)的生態(tài)環(huán)境和工程構(gòu)造。高原凍土區(qū)植被類型的有效模擬及其植物生長變化的影響機(jī)制探討是研究高寒生態(tài)系統(tǒng)中土壤水、熱變化的關(guān)鍵。但是，目前相關(guān)的植被制圖研究較少，針對(duì)氣候變化后植被類型演變的探討更是鮮有。作者首先利用WorldClim數(shù)據(jù)集中的當(dāng)前生物氣候參數(shù)以及多源遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建適宜于反演當(dāng)前青藏高原多年凍土區(qū)植被類型分布和面積統(tǒng)計(jì)的決策樹分類規(guī)則，并通過已有的植被類型模擬結(jié)果對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。然后借助WorldClim數(shù)據(jù)集中10類氣候系統(tǒng)模式的生物氣候參數(shù)以及預(yù)估后的多源遙感數(shù)據(jù)，利用該決策樹分類規(guī)則預(yù)測(cè)2050年、2070年4種氣候變化情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)下青藏高原多年凍土區(qū)各種植被類型演變后的面積，在獲取不同植被類型條件的地下土壤有機(jī)碳含量后可以對(duì)未來青藏高原凍土區(qū)土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行簡單的推算。