李紅英,張存桂,汪生珍,馬偉東,劉峰貴,2,*,陳 瓊,周 強(qiáng),夏興生,牛百成

1 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,西寧 810008 2 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,西寧 810008 3 青海省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810008

植被是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1],在調(diào)節(jié)氣候變化、維持陸地生態(tài)系統(tǒng)功能等方面發(fā)揮著重要作用[2—3]。青藏高原作為全球平均海拔最高的獨(dú)特自然地理單元,是我國乃至亞洲重要的生態(tài)安全屏障[4],素有“世界第三極”之稱,也是全球氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶[5—6]。在過去幾十年,隨著全球氣候變化與人類活動(dòng)加劇,青藏高原地表自然地理要素經(jīng)歷了復(fù)雜的變化過程[7—8],這種變化不僅顯著影響了當(dāng)?shù)氐闹脖簧鷳B(tài)系統(tǒng)[1,9],也對(duì)毗鄰周邊、乃至全球變化產(chǎn)生深刻的影響[10]。從20世紀(jì)80年代以來,青藏高原一直是氣候-植被關(guān)系及生態(tài)系統(tǒng)變化研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)區(qū)域[11—12],被視為我國乃至全球氣候變化的“天然實(shí)驗(yàn)室”[13]。因此,深入探討全球變化背景下高原植被的時(shí)空演變機(jī)制,理解高原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)理,對(duì)于應(yīng)對(duì)區(qū)域和全球氣候變化、提升和優(yōu)化高原生態(tài)功能和全球生態(tài)建設(shè)都具有重要意義。

一般而言,區(qū)域植被的短期變化多是受人類活動(dòng)和自然干擾的影響,而長(zhǎng)期變化則取決于溫度、降水、輻射等水熱條件的影響[14]。在全球氣候變化的背景下,植被生長(zhǎng)受水熱條件脅迫的影響日趨明顯[15],然而,植被對(duì)水熱變化的響應(yīng)由于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性而呈現(xiàn)明顯的空間差異[16]。目前國內(nèi)外學(xué)者主要基于AVHRR、MODIS、Landsat等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)青藏高原或高原局地區(qū)域開展了一系列植被動(dòng)態(tài)研究[17—19],主要包括植被時(shí)空變化格局[20]、演變規(guī)律[9]及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制[21]等內(nèi)容。研究結(jié)果顯示,由于研究區(qū)域、時(shí)空尺度的不同,青藏高原的植被對(duì)水熱條件變化的響應(yīng)機(jī)制也明顯的不同[15,22]。近40年來,青藏高原植被呈現(xiàn)“整體增加、局部減少”的趨勢(shì)[14—15],但是不同子區(qū)域植被動(dòng)態(tài)機(jī)制存在顯著差異[14,23],水熱條件缺乏區(qū)域植被顯著增加,而水熱條件充足地區(qū)植被卻表現(xiàn)為減少趨勢(shì)[22]。大部分研究認(rèn)為,青藏高原植被的變化主要受氣溫影響[24—25],三江源等局部區(qū)域植被對(duì)氣溫的響應(yīng)尤為明顯[26]。也有學(xué)者認(rèn)為,青藏高原植被變化受降水[18]或輻射[27]的影響較氣溫密切。而最新研究結(jié)果顯示,不同類型植被受不同水熱條件的影響,如高寒草甸主要受溫度影響,高寒草原受降水和溫度雙重影響[28],溫性草地植被生長(zhǎng)受地表溫度的影響[21]。

綜上所述,以往對(duì)青藏高原植被動(dòng)態(tài)的研究基于不同數(shù)據(jù)源、時(shí)間尺度和地理區(qū)域,在植被時(shí)空變化規(guī)律、植被對(duì)水熱條件變化的響應(yīng)方向和響應(yīng)程度,尤其是長(zhǎng)時(shí)間尺度上的響應(yīng)過程還存在著不確定性,甚至爭(zhēng)議。為此,本文基于近40年的長(zhǎng)時(shí)間序列植被數(shù)據(jù),從不同時(shí)空尺度上探究不同類型植被的變化規(guī)律及其對(duì)水熱條件的響應(yīng),以期對(duì)青藏高原植被-氣候變化之間的關(guān)系有更深一步的了解,為氣候變化背景下青藏高原植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)資源的合理利用和保護(hù)等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原面積約為257萬km2[29],平均海拔超過4000 m,年平均氣溫為-6—20℃,年降水量50—2000 mm,太陽輻射量達(dá)0.5861—0.7954 MJ cm-1a-1,是我國太陽總輻射值最高的地區(qū)[30]。由于水熱條件在水平和垂直方向上的區(qū)域差異,不同氣候梯度的熱量和水分約束下,青藏高原的植被群落由東南的亞熱帶雨林過渡到西北的高寒荒漠[23,31]。中國植被區(qū)劃將青藏高原劃分為11個(gè)不同的植被類型區(qū)(圖1)。植被類型分區(qū)在空間上是呈現(xiàn)出完整的、連續(xù)的植被帶狀分異性[33],可以指示植被地理分布的經(jīng)緯度和垂直地帶性規(guī)律及其與水熱條件的關(guān)系。

圖1 青藏高原植被區(qū)劃及植被類型分布(中國1∶100萬植被類型及區(qū)劃[32])Fig.1 Vegetation zoning and vegetation type distribution on the Qinghai-Tibet Plateau IA1：昆侖山高寒荒漠區(qū)；IA2：阿里高寒荒漠區(qū)；IB：果洛那曲高寒草甸區(qū)；IC1：羌塘高原高寒草原區(qū)；IC2：藏南高山谷地溫性草原區(qū)；IIC：祁連山東灌叢草原區(qū)；IIIA1：柴達(dá)木盆地高寒荒漠區(qū)；IIIA2：祁連山東草甸草原區(qū)；IIIA3：天山南高寒灌叢荒漠區(qū)；IVA：藏南高山谷地針葉林區(qū)；IVB：藏東川西針葉林灌叢區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)來源

AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) 數(shù)據(jù)來源于美國國家航空和航天局(NASA)的全球監(jiān)測(cè)與模型研究組GIMMS (Global Inventor Modeling and Mapping Studies) 發(fā)布的半月最大值合成產(chǎn)品GIMMS NDVI3g(以下簡(jiǎn)稱GIMMS NDVI),空間分辨率為0.083°,時(shí)間跨度為1982—2015年。MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) NDVI數(shù)據(jù)亦來源于NASA 陸地產(chǎn)品組MODIS發(fā)布的16天的合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13C1,其空間分辨率為0.05°,時(shí)間跨度為2000—2020年。氣溫、降水和太陽輻射數(shù)據(jù)(1979—2018年)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),該數(shù)據(jù)是基于全國2400多個(gè)氣象站 點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù),利用澳大利亞 ANUSPLIN插值軟件插值處理生成,空間分辨率0.01°。數(shù)據(jù)高程模型(DEM)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為1km。植被類型數(shù)據(jù)為1∶100萬中國植被類型圖。

1.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于AVHRR和MODIS兩種數(shù)據(jù)的傳感器及時(shí)空分辨率的不同,造成兩種數(shù)據(jù)的NDVI值之間存在一定的差異[34]。為降低這種差異,同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)在空間上的一致性,首先利用Savitzky-Golay濾波對(duì)青藏高原1982—2020年GIMMS NDVI、MODIS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪,采用最大值合成(Maximum Value Composition,MVC)計(jì)算生長(zhǎng)季(5—9月)NDVI,并將MODIS NDVI采樣到0.083°；對(duì)兩組數(shù)據(jù)集重疊觀測(cè)年份(2000—2015年)的NDVI逐像元建立數(shù)據(jù)的映射關(guān)系；最終,通過逐像元回歸分析將NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)從1982年延伸至2020年(圖2),用其代表研究區(qū)植被的年際變化。GIMMS NDVI和MODIS NDVI數(shù)據(jù)在重疊年份的年際變化趨勢(shì)是一致的,相關(guān)系數(shù)介于0.88—0.93之間,均通過了0.001的置信度檢驗(yàn),適用于分析青藏高原植被覆蓋的時(shí)空變化格局。為了消除非植被因素對(duì)研究結(jié)果的影響,本文取NDVI≥0.1的像元進(jìn)行分析[35]。

1.3 研究方法

1.3.1Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)法，是一種非參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法。由于該方法不需要數(shù)據(jù)服從特定的分布特征，且受異常值的影響較小[36—37]，能更好地監(jiān)測(cè)輕微的變化區(qū)域，變化趨勢(shì)更為準(zhǔn)確[38]。因此本文利用MK趨勢(shì)檢驗(yàn)來計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間序列的植被指數(shù)變化趨勢(shì)。計(jì)算方法如公式(1)—(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Zmk標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，S是由1982—2020年的NDVI計(jì)算得到的近似服從正態(tài)分布的趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量，sgn(θ)為邏輯判別函數(shù)，var(S)為S統(tǒng)計(jì)量的方差。本文中的檢驗(yàn)取顯著性水平α=0.01，在Z1-α=2.58上進(jìn)行雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)。

1.3.2相關(guān)分析法

植被生長(zhǎng)通常受到多個(gè)水熱因子共同作用的影響，相關(guān)分析法已廣泛應(yīng)用于探索植被生長(zhǎng)與水熱因子之間的聯(lián)系[16]。本文分別采用偏相關(guān)分析和復(fù)相關(guān)分析法逐像元對(duì)青藏高原生長(zhǎng)季最大合成NDVI與生長(zhǎng)季月平均溫度、累計(jì)降水量、太陽輻射量進(jìn)行相關(guān)分析，其中偏相關(guān)系數(shù)用以表示植被與單個(gè)水熱因子之間的相關(guān)程度，復(fù)相關(guān)系數(shù)表示植被與多個(gè)水熱因子之間的復(fù)合關(guān)系程度。偏向關(guān)系數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法為公式(5)—(7)：

(5)

(6)

(7)

式中，Rxy為植被與單個(gè)水熱因子間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)；Ry1·23為表示固定水熱因子2、3之后NDVI(y)與水熱因子1的偏相關(guān)系數(shù)；Ry·123為NDVI(y)與水熱因子1、2、3之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)。最后，采用t檢驗(yàn)方法完成偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，采用F檢驗(yàn)完成復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原植被的時(shí)空演變特征

2.1.1空間分布格局

如圖3所示青藏高原1982—2020年近40年NDVI均值在空間分布上具有較強(qiáng)的規(guī)律性,在區(qū)域水熱條件的影響下,青藏高原植被整體上呈現(xiàn)由東南-西北梯度遞減的分布特征。青藏高原植被NDVI最高的區(qū)域位于東南部等,以草甸、草原、森林為主,NDVI最高達(dá)0.92,青藏高原主要的農(nóng)耕地及人工園林也分布于此(圖1)。植被NDVI最低的區(qū)域則集中于西北部和北部邊界的高寒荒漠地帶,這與高原上的地形、氣候分異和植被類型相關(guān)。

圖3 青藏高原多年平均NDVI空間分布及海拔梯度分布特征統(tǒng)計(jì)Fig.3 The spatial distribution and vertical distribution characteristics of NDVI in the Qinghai-Tibet Plateau

由海拔梯度分布特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3)看,青藏高原的植被覆蓋呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性,隨著海拔的升高,植被NDVI逐漸減小。海拔<2500m的高原東南緣,面積僅占整個(gè)高原的2.37%,NDVI均值達(dá)到0.90；2500—3500m的中海拔帶既有植被覆蓋極低(NDVI<0.1)的北部沙漠區(qū)域,也有以山區(qū)林地和農(nóng)耕地為主的東部主要人類活動(dòng)區(qū)(NDVI>0.8),面積占14.37%；3500—4500m的中高海拔帶,是青藏高原主要的牧場(chǎng)所在地,植被覆蓋較高的高寒草甸、草原均分布于此,面積占比27.57%,NDVI均值達(dá)0.55；4500—5500m的高海拔帶主要為高原西北部的高寒草原及高山植被區(qū),面積超過高原總面積的一半以上(51.79%),而NDVI均值僅為0.33；>5000m的極高海拔帶則基本無植被分布。

2.1.2年際時(shí)空變化

1982—2020年青藏高原植被生長(zhǎng)季NDVI以平均0.006/10a(P<0.01)的速度呈增加趨勢(shì)(圖4)。MK趨勢(shì)分析結(jié)果表明,植被NDVI的變化在不同的植被類型分區(qū)中有所不同,從高寒荒漠區(qū)的0.014/10a降低到高寒草甸區(qū)的-0.007/10a。其中顯著增加的區(qū)域主要集中分布在高原北部、西部和南部,面積約為183.47萬km2,占總面積的73.97%；顯著減少的區(qū)域主要分布在高原腹地及海拔相對(duì)較低、人類活動(dòng)頻繁的高原東南部地區(qū),面積約為45.59萬km2,占比18.38%；植被基本保持不變的區(qū)域分散在高原各處,東南部居多。此外,在海拔梯度上,除<2500m的海拔帶外,植被顯著增加的區(qū)域面積均大于減少的區(qū)域面積。

圖4 1982—2020年青藏高原生長(zhǎng)季NDVI年際變化Fig.4 Inter-annual Variation of growing season NDVI on the Qinghai-Tibet Plateau during 1982—2020

2.1.3不同類型植被的年際變化

青藏高原植被以草原、草甸、高山植被、灌叢、荒漠、針葉林和闊葉林為主,占青藏高原總面積的90%以上[11]。1982—2020年間,青藏高原所有類型的植被生長(zhǎng)季NDVI均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)(圖5),這與Zhou等[2]的研究結(jié)果一致。其中荒漠、草原、高山植被NDVI年際變化為極顯著增加(P<0.01),增加面積分別達(dá)到19.2萬km2(7.74%)、56.60萬km2(22.92%)、18.65萬km2(7.52%)；森林和灌草叢的NDVI年際變化在2000年前后呈現(xiàn)先波動(dòng)后趨于平穩(wěn)的增加趨勢(shì),這與NDVI數(shù)值在高植被密度區(qū)敏感性降低有較大關(guān)系,而在2000年后不同傳感器的數(shù)據(jù)融合弱化了這種波動(dòng)使得年際變化趨于平穩(wěn)增加,增速分別達(dá)到0.009/10a(P<0.01)和0.005/10a(P<0.01),顯著增加面積分別為13.88萬km2(5.6%)和17.94萬km2(7.23%)；年際變化上只有高寒草甸NDVI呈現(xiàn)不顯著地增加(0.0002/10a),但增加的面積達(dá)到42.31萬km2(17.06%)。

圖5 青藏高原1982—2020年不同植被類型的NDVI年際變化特征Fig.5 NDVI interannual variation of different vegetation types in Qinghai-Tibet Plateau during 1982—2020

2.1.4年代際時(shí)空變化

從1982—2020年的四個(gè)年代際尺度上分析高原植被變化的變化特征(圖6)。1982—1990年,青藏高原88.86%的區(qū)域植被NDVI呈現(xiàn)不顯著的增加,僅有高原西南邊緣和柴達(dá)木盆地西南約9.01%的區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)。顯著減少的區(qū)域分散在一江兩河、河湟谷地等主要人類開發(fā)聚集區(qū)域。1991—2000年間,高原大部分區(qū)域(84.1%)的植被變化依然為不顯著增加。顯著增加的區(qū)域主要聚集于黃河、長(zhǎng)江、雅魯藏布江等水源的區(qū)域及川西高原,而顯著減少的區(qū)域則分布于高原北部荒漠地帶,說明該階段植被主要受水分影響。2001—2010年,隨著三江源生態(tài)保護(hù)、禁牧、退耕還草等生態(tài)工程的實(shí)施,生態(tài)正效應(yīng)明顯。三江源、祁連山及高原東部區(qū)域植被顯著增加,面積占比達(dá)到21.45%。顯著減少的區(qū)域主要在高原西南、西藏境內(nèi),這與卓嘎等[18]、張鐿鋰等[39]和王敏等[40]的研究結(jié)果一致。2011—2020年,整個(gè)高原面上64.79%的區(qū)域植被NDVI表現(xiàn)為不顯著的增加,明顯增加的區(qū)域集中于高原北部的祁連山、長(zhǎng)江與瀾滄江水源區(qū)；顯著減少的區(qū)域零星分布在柴達(dá)木盆地、橫斷山脈、喜馬拉雅山脈沿線。

圖6 青藏高原1982—2020年生長(zhǎng)季NDVI在年代際上的變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)Fig.6 The interdecadal trend and significance test of NDVI in growing season of Qinghai-Tibet Plateau during 1982—2020

2.2 植被對(duì)水熱變化的響應(yīng)

2.2.1靜態(tài)響應(yīng)

以8km的方格網(wǎng)為單元,建立1982—2018年青藏高原生長(zhǎng)季平均NDVI與平均氣溫、累計(jì)降水量、以及輻射量之間的相關(guān)性散點(diǎn)圖(圖7),從靜態(tài)角度探討植被對(duì)水熱因子的響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)NDVI值與氣溫、降水和輻射量之間均為非線性關(guān)系。根據(jù)NDVI與氣溫二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.202,P<0.001),取氣溫閾值區(qū)間2—11℃,在該氣溫區(qū)間內(nèi),NDVI隨氣溫升高而迅速增加,增速達(dá)0.026/℃,當(dāng)氣溫超過11℃時(shí),NDVI增加不再顯著。從空間分布上看,青藏高原大部分植被均分布2—11℃的溫度區(qū)域內(nèi)。同樣,根據(jù)NDVI與降水的二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.693,P<0.001),取閾值區(qū)間250—650mm,在該降水量區(qū)間內(nèi),NDVI隨降水量增加而迅速升高,增速為0.001/(mm),高原腹地的草原、草甸等植被均分布在該降水區(qū)間內(nèi),而在閾值區(qū)間外的NDVI與降水量關(guān)系則不顯著。根據(jù)NDVI與太陽輻射的二次函數(shù)關(guān)系 (R2=0.649,P<0.001),取閾值區(qū)間2900—3750 MJ/m2,在該太陽輻射區(qū)間內(nèi),NDVI隨著輻射量的增加而迅速減少,減少速率為0.0007/(MJ/m2),表明過高的太陽輻射抑制植被生長(zhǎng),在輻射量>3350 MJ/m2高原西部高海拔地帶,較少有植被分布。

圖7 青藏高原生長(zhǎng)季平均NDVI與氣溫(TEM)、降水(PRE)、太陽輻射(RAD)之間的相關(guān)性散點(diǎn)圖及其空間分布圖Fig.7 Scatter plot and spatial distribution of the correlation between average NDVI and air temperature (TEM), precipitation (PRE) and solar radiation (RAD) in the growing season of Qinghai-Tibet Plateau

2.2.2動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為探討植被對(duì)單個(gè)水熱條件因子變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng),逐像元計(jì)算了生長(zhǎng)季NDVI與氣溫、降水、輻射量之間的偏相關(guān)關(guān)系(圖8)。從空間分布看,1982—2018年青藏高原生長(zhǎng)季氣溫在大部分區(qū)域?yàn)樵黾于厔?shì),NDVI與氣溫的偏相關(guān)關(guān)系由東南向西北呈現(xiàn)中部高、外圍低的“夾心”狀特征,其中顯著正相關(guān)(P<0.01)區(qū)域集中于青海境內(nèi)的柴達(dá)木盆地、羌塘高原、及西藏西南部；顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域在高原西北部、東南部的橫斷山脈等均有分布。降水量變化雖在整個(gè)高原上呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì),但高原南部的大部分區(qū)域表現(xiàn)為降水減少的趨勢(shì)。NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)呈東西向的干濕地帶性分布,并由北向南遞減,除森林、灌草叢植被區(qū)域外,高原上大部分植被類型區(qū)的NDVI都與降水呈正相關(guān),其中北部的高山植被、草原、草甸等植被類型區(qū)NDVI與降水顯著正相關(guān)(P<0.01)。太陽輻射除了在喀喇昆侖山西北部、橫斷山脈西南部的分布地區(qū)外,其他大部分區(qū)域?yàn)闇p少趨勢(shì),而輻射顯著減少的區(qū)域也正是與NDVI呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)的區(qū)域。

圖8 植被NDVI對(duì)水熱條件因子變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.8 Dynamic response of vegetation NDVI to hydrothermal conditions

2.2.3不同類型植被的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

從不同類型植被(圖9)及區(qū)劃(圖10)與水熱因子的相關(guān)程度看,青藏高原上除森林和灌草叢區(qū)(IVA、IVB)外,各類型植被與降水的相關(guān)程度要好于氣溫和輻射。降水對(duì)高原不同植被類型的正效應(yīng)大小排序?yàn)椋夯哪?草原>草甸>高山植被>森林>灌叢>栽培植被,說明降水是荒漠、草原、草甸的主要促進(jìn)因子。溫度對(duì)高原不同植被類型負(fù)效應(yīng)大小排序是：栽培植被>高寒植被>荒漠>灌叢>森林>草甸>草原,氣溫是荒漠、高寒植被的主要抑制因子。輻射量與不同植被類型的相關(guān)系數(shù)大小排序是：森林>灌叢>高山植被>栽培植被>草甸>荒漠>草原,輻射對(duì)森林、灌叢和高山植被的影響為正效應(yīng),而對(duì)荒漠、草原影響為負(fù)效應(yīng)。植被類型相同的不同分區(qū)間,由于地形地貌、海拔、經(jīng)緯度、土壤類型等自然環(huán)境的不同存在顯著的差異,如IIIA1柴達(dá)木盆地高寒荒漠區(qū)、IA1昆侖山高寒荒漠區(qū)、及IA2阿里高寒荒漠區(qū)都是荒漠類型,但由于三個(gè)區(qū)域地處不同的緯度和海拔帶,地形地貌也顯著不同,因此植被與水熱條件的相關(guān)關(guān)系有明顯的差異。

圖9 青藏高原不同植被類型與水熱條件的相關(guān)關(guān)系 Fig.9 The Correlation between different vegetation types with hydrothermal factors on the Qinghai-Tibet Plateau

圖10 青藏高原不同植被類型區(qū)劃與水熱條件的相關(guān)關(guān)系 Fig.10 The Correlation between vegetation zones with hydrothermal factors on the Qinghai-Tibet Plateau

2.3 植被變化對(duì)水熱條件響應(yīng)分區(qū)

根據(jù)以上的分析發(fā)現(xiàn),青藏高原地表植被變化的水熱因子驅(qū)動(dòng)存在著明顯的區(qū)域分異,大部分區(qū)域植被變化受單一因子(氣溫或降水或輻射)的驅(qū)動(dòng)較為顯著,部分區(qū)域受多個(gè)因子的共同作用。對(duì)植被變化的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分區(qū),才可以進(jìn)一步的概括植被在區(qū)域尺度上的變化規(guī)律。因此,本文通過分析青藏高原多年NDVI與氣溫、降水、以及輻射量的偏相關(guān)和復(fù)相關(guān)關(guān)系(圖11),同時(shí)為保證變化特征的最大一致性提取其顯著性水平為0.01的區(qū)域,按表1規(guī)則進(jìn)行水熱驅(qū)動(dòng)因子分區(qū)研究。

圖12 青藏高原植被變化的水熱驅(qū)動(dòng)因子分區(qū) Fig.12 Hydrothermal drivers of vegetation change on the Qinghai-Tibet Plateau zone

表1 植被變化的驅(qū)動(dòng)分區(qū)規(guī)則Table 1 The regionalization rules of driving force for vegetation change

整體而言,在全球變暖和青藏高原向暖濕化演變的過程中,大部分區(qū)域植被變化受氣候因素影響,呈現(xiàn)氣候驅(qū)動(dòng)型,不同類型植被生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因子與植被的生態(tài)特征及氣候環(huán)境密切相關(guān)。其中,高原北部高寒植被生長(zhǎng)主要受氣溫和太陽輻射影響,高原腹地干旱半干旱的草原主要受降水影響,高原中南部草甸、灌叢區(qū)則主要受氣溫驅(qū)動(dòng),對(duì)于高原南部邊緣的森林生長(zhǎng),受輻射和溫度的影響多一點(diǎn),但則沒有明顯的規(guī)律性。這一結(jié)果與Wu D等[16]、Li等[31]和Jong等[41]的研究具有較好的一致性。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

基于1982—2020的時(shí)序NDVI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在過去的近40年中,青藏高原73.97%的區(qū)域呈現(xiàn)綠化趨勢(shì),且在大多數(shù)的植被類型區(qū),生長(zhǎng)季NDVI的變化速率都是正值,平均增速達(dá)0.006/10a。其中2000年以前增速為0.005/10a,而2000年以后增速達(dá)0.011/10a,植被迅速增加,這與國家在地區(qū)實(shí)行“退耕還林”與“退牧還草”等生態(tài)政策密切相關(guān)。植被變化的這一增長(zhǎng)趨勢(shì)與楊元合等[30](1982—1999年)、與Huang等[27](2001—2017年)的結(jié)果近似或一致,而與韓炳宏等[24]認(rèn)為的2000—2009年呈減少態(tài)勢(shì),2010—2018年呈增加態(tài)勢(shì)有所不同,這種差異可能與趨勢(shì)分時(shí)所選取的數(shù)據(jù)起始年份有一定的關(guān)系。從海拔梯度上的變化(圖3)可以看出,整個(gè)高原除<2500m的海拔帶外,其他海拔帶上植被NDVI變化速率也均為正值,其中2500—3500m的海拔帶為青藏高原主要人類活動(dòng)區(qū),植被類型以草甸、灌叢、栽培植被為主,植被變化受人類活動(dòng)(耕作制度、灌溉及施肥方式、退耕還林等相關(guān)政策)影響較大；在3500—5500m海拔帶,植被NDVI增加的面積隨海拔升高而不斷增加,這一海拔高度的植被主要受氣溫、降水等水熱條件影響,受人為干擾較少,在全球變暖的大背景下,氣候變化對(duì)該區(qū)植被產(chǎn)生正效應(yīng)。

在氣候變化影響下,植被總是在不斷地區(qū)適應(yīng)外界條件的改變使其自身生長(zhǎng)更為有利,該過程是動(dòng)態(tài)的、非線性的,植被活動(dòng)隨著水熱氣候因子的變化過程存在明顯的閾值[42]。當(dāng)溫度、降水等水熱條件的改變超過植被的適應(yīng)能力時(shí),植被將會(huì)在結(jié)構(gòu)功能等多方面受到抑制作用[46]。如圖8所示,柴達(dá)木盆地、羌塘高原、及西藏西南部等高海拔區(qū)域,植被增加與氣候變暖有顯著的正相關(guān)；而高原西北部、東南部的橫斷山脈等區(qū)域?yàn)橄∈璧母呱街脖换蚧哪?升溫加速土壤水分蒸發(fā),抑制了植被生長(zhǎng)；東南部的灌木及森林地帶的升溫加速植被蒸騰,光合作用減弱[46],溫度成為影響這些區(qū)域植被生長(zhǎng)的限制性因子。NDVI與降水量顯著正相關(guān)的高原中北部為高山植被、草原、草甸等低矮植被類型,降水量增加有利土壤水分和養(yǎng)分的運(yùn)轉(zhuǎn)、植被吸收和生長(zhǎng)。雖然西藏東部與橫斷山脈的森林和灌木區(qū)降水量較大,但這些區(qū)域的NDVI與降水量呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與輻射量顯著正相關(guān),說明降水量不構(gòu)成植被生長(zhǎng)的限制因子,但由于降水量大,云量較大,導(dǎo)致輻射減弱,不利于植被蒸騰和光合作用,輻射成為影響這些區(qū)域植被生長(zhǎng)的限制因子。NDVI與輻射負(fù)相關(guān)的地區(qū)如柴達(dá)木盆地,地處干旱區(qū),海拔低、輻射強(qiáng)、地下水出露、加之人類活動(dòng)等各種因素,植被的生長(zhǎng)規(guī)律與其他荒漠區(qū)截然不同[47],但這一過程的機(jī)制機(jī)理還不得而知,需要另行研究。

長(zhǎng)時(shí)間序列的植被變化是一個(gè)復(fù)雜的過程,不同的植被類型對(duì)水熱條件和人類活動(dòng)的干擾存在不同的響應(yīng),而本文只研究了青藏高原生長(zhǎng)季植被在長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)的水熱條件響應(yīng)的規(guī)律,并未深入植被對(duì)水熱條件變化的時(shí)滯性不同。同時(shí),對(duì)于如柴達(dá)木盆地、青海南部高原等特殊高寒區(qū)脆弱自然環(huán)境下植被對(duì)水熱響應(yīng)表現(xiàn)出的不同現(xiàn)象并未深入研究。由于青藏高原的地理特殊性,植被的生長(zhǎng)不僅與氣溫、降水、輻射等水熱條件有密切的關(guān)系,同時(shí)也與冰川凍土、土壤水熱、植被蒸散等多種因素有復(fù)雜的相互關(guān)系,這些都將是未來探索的方向。

4.2 結(jié)論

(1)1982—2020年青藏高原植被NDVI在年際上呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)(0.006/10a)。植被顯著增加的區(qū)域占高原總面積的73.97%,主要分布在青藏高原北部、西部及南部邊緣,植被減少的區(qū)域主要為高原東部及南部的人類活動(dòng)區(qū)。在年代際上,2001—2010年三江源等區(qū)域的生態(tài)保護(hù)工程正效應(yīng)明顯。

(2)青藏高原植被對(duì)水熱氣候條件的響應(yīng)具有顯著的空間異質(zhì)性。靜態(tài)上,植被對(duì)氣溫的顯著響應(yīng)區(qū)間為2—11℃,對(duì)降水的響應(yīng)區(qū)間為250—650mm,對(duì)輻射的響應(yīng)區(qū)間為2900—3750MJ/m2,空間上表現(xiàn)為高原腹地響應(yīng)明顯,東南部四川盆地、西北部昆侖山脈和柴達(dá)木盆地?zé)o明顯響應(yīng)的一致性；動(dòng)態(tài)上,植被對(duì)氣溫、降水和輻射的響應(yīng)在不同植被類型中，其響應(yīng)關(guān)系、方向、程度均存在差異,而除森林和灌叢類型外,植被與降水的偏相關(guān)程度要優(yōu)于溫度和輻射。

(3)青藏高原植被生長(zhǎng)受水熱因子驅(qū)動(dòng)的區(qū)域占高原總面的55.95%,其中42.72%的區(qū)域由氣溫、降水和輻射互補(bǔ)驅(qū)動(dòng),首要驅(qū)動(dòng)因子是溫度,占比26.54%,13.23%的區(qū)域由多因子聯(lián)合驅(qū)動(dòng)；非氣候驅(qū)動(dòng)區(qū)域占高原總面積的44.05%。