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    三江源地區(qū)人類活動對植被覆蓋的影響

    2014-07-18 05:17:07張翀李強李忠峰
    中國人口·資源與環(huán)境 2014年5期
    關(guān)鍵詞:人類活動

    張翀 李強 李忠峰

    摘要:基于1999-2010年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù),并結(jié)合偏相關(guān)分析、線性趨勢等方法對三江源地區(qū)影響植被覆蓋變化的主要氣候因素進(jìn)行了判斷,從而利用主要氣候因子進(jìn)行線性擬合,進(jìn)而得到殘差趨勢來反映人類活動對植被覆蓋的影響。結(jié)果表明:①1999-2010年三江源地區(qū)平均植被覆蓋由東向西逐漸減小。12年間,植被覆蓋呈改善趨勢,平均變化率為0.047/10a。山地草原改善最為明顯,其次為高寒草甸、高寒草原和常綠針葉林,亞高山、高山植被,矮半灌木荒漠改善趨勢最不明顯。黃河源區(qū)變化率最高,其次是長江源區(qū)和瀾滄江源區(qū),高寒荒漠草原區(qū)改善效果最差。②三江源地區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋主要受氣溫影響,其次在黃河源區(qū)北部、長江源區(qū)中東部分布有降水影響區(qū)以及水熱共同影響區(qū)。常綠針葉林受水熱共同影響,高山、亞高山以及高寒植被主要受氣溫影響,山地草原主要受降水量影響。③1999-2010年,三江源地區(qū)平均殘差趨勢為0.018/10a,表明人類活動對三江源地區(qū)的植被覆蓋變化呈正影響。人類活動對山地草原的正影響作用最強烈,其次是山地常綠針葉林,其他由大到小依次為高寒草甸、高寒草原、高山植被、亞高山植被和高寒匍匐矮半灌木荒漠。黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)受人類活動的正影響作用較強且相當(dāng),其次為長江源區(qū),高寒荒漠草原區(qū)受人類活動影響最小。

    關(guān)鍵詞:植被覆蓋;偏相關(guān)分析;殘差趨勢;人類活動

    中圖分類號 TP79;Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1002-2104(2014)05-0139-06

    植被作為陸地生態(tài)圈的重要組成,是氣候系統(tǒng)的重要元素[1]。眾所周知,全球氣候正處于一個持續(xù)變暖的階段,強烈影響陸地生物圈[2],在這樣的背景下,掌握陸地植被覆蓋年際間的變化規(guī)律,對評價陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過程具有重要的理論和實際意義[3]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)由紅波段與近紅外波段的反射率計算而來[4],和植物的生產(chǎn)力密切相關(guān)[5],并且NDVI趨勢可以用來衡量植被覆蓋的改善與退化[6]。NDVI趨勢被用在很多測算中,包括全球變暖的生態(tài)響應(yīng)[7]、物候變化[8]、作物狀況[9]、土地覆蓋變化[10]以及沙漠化[11]。三江源地處青藏高原腹地,區(qū)內(nèi)臨近可可西里、阿爾金山和羌塘自然保護(hù)區(qū),因?qū)匍L江、黃河、瀾滄江(湄公河)三大水系發(fā)源地而得名。“三江源”受嚴(yán)酷自然條件的制約,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。由于自然因素和不合理人類活動的雙重作用,眾多江河、湖泊和濕地縮小、干涸;沙化、水土流失的面積仍在不斷擴(kuò)大;荒漠化和草地退化問題日益突出;長期的濫墾亂伐使大面積的草地和近一半的森林遭到嚴(yán)重破壞;蟲鼠害肆虐;珍稀野生動物盜獵嚴(yán)重;無序的黃金開采及冬蟲夏草的采挖屢禁不止。三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化嚴(yán)重影響和制約了當(dāng)?shù)馗髅褡宓纳媾c發(fā)展,造成了本地區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)水平低而不穩(wěn),少數(shù)民族地區(qū)貧困程度不斷加大,經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后;同時還嚴(yán)重影響大江大河中下游地區(qū)以及東南亞國家的生存與發(fā)展。

    因此,三江源地區(qū)是國家生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域,2000年成立省級自然保護(hù)區(qū),2003年批準(zhǔn)為國家級自然保護(hù)區(qū),2005年規(guī)劃投資75億元啟動了退牧還草、黑土灘治理等22個生態(tài)建設(shè)項目[12]。所以研究三江源地區(qū)植被覆蓋變化對人類活動(生態(tài)保護(hù)與建設(shè))的響應(yīng)具有重要意義。許多學(xué)者側(cè)重于定量計算卻定性判斷某一種氣候因子對植被覆蓋變化的影響,從而擬合后剝離該氣候因子的影響,進(jìn)而得到人類活動對植被覆蓋的影響[13-14]。而不同地域植被生長對水熱的需求具有很大的差異性,存在水熱單因素影響和雙因素影響,甚至多因素影響。因此,本文基于偏相關(guān)分析、線性趨勢等方法首先對三江源地區(qū)影響植被覆蓋變化的主要氣候因素進(jìn)行了判斷,從而利用主要氣候因子進(jìn)行線性擬合,進(jìn)而得到殘差序列趨勢,以期為三江源當(dāng)前的生態(tài)建設(shè)、修復(fù)提供有用的空間信息和理論支撐。

    1 資料與方法

    1.1 資料來源

    本文所用的資料包括三江源1999-2010年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)、50個臺站12年(1999-2010年)的年降水資料和年平均氣溫資料、DEM、2000年與2010年的250 m的MODIS NDVI數(shù)據(jù)、生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)以及1∶400萬植被類型數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)是由比利時佛萊芒技術(shù)研究所(Flemish Institute for Technological Research, Vito)VEGETATION影像處理中心(VEGETATION processing Centre, CTIV)負(fù)責(zé)預(yù)處理并提供免費下載的,空間分辨率為1 000 m;降水和氣溫數(shù)據(jù)均來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),經(jīng)計算得到12年的年降水和年均溫,并采用Anuspline方法將其插值到空間上,分辨率為1 000 m,插值過程用到的DEM與MODIS NDVI均來自于地理空間云數(shù)據(jù),生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)來自中國生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)庫,主要包括黃河源區(qū)、長江源區(qū)、瀾滄江源區(qū)和高寒荒漠草原區(qū);植被類型數(shù)據(jù)來自國家自然科學(xué)基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”。

    1.2 偏相關(guān)分析

    在多元相關(guān)分析中,簡單相關(guān)系數(shù)可能不能夠真實的反映出變量之間的相關(guān)性,因為變量之間的關(guān)系很復(fù)雜,它們可能受到不止一個變量的影響。這個時候偏相關(guān)系數(shù)是一個更好的選擇,它可以在消除其他變量影響的條件下,計算某兩變量之間的相關(guān)系數(shù)[15]。本文用偏相關(guān)系數(shù)的絕對值表示相關(guān)程度的大小。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 NDVI時空變化特征

    近12年來,三江源地區(qū)實測NDVImax在0-0.846之間,平均為0.463。空間上存在兩個漸變區(qū),即在黃河源區(qū)表現(xiàn)為由東向西逐漸減小,在長江源區(qū)由東南向西北逐漸減小(圖1a)。不同植被類型也有較大差異,由大到小依次為山地常綠針葉林、亞高山落葉灌叢、禾草草原、高寒草甸、狀矮半灌木與草本植被、高寒草原、矮禾草與矮半灌木草原、矮半灌木荒漠。從生態(tài)區(qū)劃來看,黃河源區(qū)與瀾滄江源區(qū)實測NDVImax相當(dāng),分別為0.574和0.568,其次是長江源區(qū),為0.419,高寒荒漠草原區(qū)最小,為0.159。

    近12年來,三江源地區(qū)植被覆蓋呈改善趨勢,變化率為0.047/10a,其中黃河源區(qū)的北部—西部—長江源區(qū)中部的條帶區(qū)域植被覆蓋的改善趨勢相對明顯,而研究區(qū)的東南部與西北部改善較為緩慢,且零散分布有退化區(qū),與李輝霞等采用2001-2010年的改善趨勢非常一致[16],但是空間上卻有差異(圖1b)。植被類型上,禾草草原改善最為明顯,變化率為0.097/10a;其次是矮禾草、矮半灌木草原,變化率為0.079/10a;高寒草甸和高寒草原變化率均在0.04/10a左右;常綠針葉林變化率為0.036/10a;亞高山落葉灌叢和高山墊狀矮半灌木、草本植被變化率在0.030-0.035/10a之間;矮半灌木荒漠改善趨勢最不明顯,變化率僅有0.018/10a。生態(tài)區(qū)劃上,黃河源區(qū)變化率最高,為0.046/10a,其次是長江源區(qū),為0.039/10a,瀾滄江源區(qū)植被覆蓋變化率為0.034,最低為高寒荒漠草原區(qū),變化率為0.021/10a。

    2.2 植被生長對氣候變化的響應(yīng)

    以象元為單元,分別計算NDVImax與年際降水量和氣溫的偏相關(guān)系數(shù),再依據(jù)偏相關(guān)系數(shù)的t檢驗的臨界值來判斷影響NDVImax的主要氣候因素(圖2a),從而根據(jù)主要影響因素建立回歸模型,模擬得到NDVImax如圖2b所示,并得到殘差序列,殘差序列的線性趨勢即為人類活動對植被覆蓋變化的影響(圖4)。

    圖2a顯示出,三江源地區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋主要受氣溫影響,其次在黃河源區(qū)北部長江源區(qū)中東部分布有降水影響區(qū)以及水熱共同影響區(qū)。因此,本文統(tǒng)計出不同植被類型區(qū)內(nèi)這三種影響因素的面積百分比,如圖3所

    示??梢钥闯?,常綠針葉林的P+與P-的面積相當(dāng),受水熱共同影響,但是其NDVImax與年降水量和年均溫的偏相關(guān)系數(shù)的t檢驗值分別為0.94與0.55,總體上受降水量影響較強;高山、亞高山以及高寒植被的NDVImax與年均溫的偏相關(guān)系數(shù)的t檢驗值均大于年降水量,主要受氣溫影響,T+面積均在25%以上,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P+與P+T+;山地草原NDVImax與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)的t檢驗值平均為1.84,大于與年均溫的t檢驗值1.12,說明山地草原主要受降水量影響,P+面積達(dá)到了35%以上,其中山地叢生禾草草原18.2%的地區(qū)受到水熱共同影響。

    2.3 人類活動下的植被覆蓋變化

    通過表1主要氣候要素的判斷,從而與年際NDVImax來擬合線性模型,進(jìn)一步得到殘差序列趨勢(見圖4)。近12年來,三江源地區(qū)平均殘差趨勢為0.018/10a,表明人類活動對三江源地區(qū)的植被覆蓋變化呈正影響。

    空間上,幾乎整個區(qū)域為正影響區(qū),其中強烈影響區(qū)主要分布在黃河源區(qū)北部和西部、長江源區(qū)中東部、瀾滄江源區(qū)西北部以及高寒荒漠草原區(qū)北部;人類活動的顯著負(fù)影響區(qū)零散分布在黃河源區(qū)中東部與西北部、長江源區(qū)東部以及瀾滄江源區(qū)東南部(圖4)。由于對NDVImax與氣候要素進(jìn)行了偏相關(guān)分析,提取出植被覆蓋與氣候要素的顯著相關(guān)區(qū)(圖2a),在顯著相關(guān)區(qū)植被覆蓋理論上與氣候要素呈線性相關(guān),那么在顯著相關(guān)區(qū)的殘差就可以表示為剔除了氣候因素后其他因素的影響。而三江源地區(qū)幾乎整個顯著區(qū)的殘差趨勢為正值,即是在除過氣候要素的其他因素對植被覆蓋的影響是增加的,而人類的濫墾亂伐、蟲鼠害、草藥采挖、黃金開采等是三江源地區(qū)植被覆蓋減小的主要因素,所以斷定該地區(qū)的植被覆蓋的改善主要是由于人類活動造成的,即殘差趨勢可以用來衡量人類活動對三江源地區(qū)植被覆蓋的影響。

    從植被類型來看,人類活動對山地草原的正影響作用最強烈,殘差趨勢在0.03-0.035/10a之間,其次是山地常綠針葉林,殘差趨勢為0.02/10a,其他由大到小依次為高寒草甸、高寒草原、高山植被、亞高山植被和高寒匍匐矮半灌木荒漠,殘差趨勢均低于0.015/10a,其中高寒匍匐矮半灌木荒漠受人類活動影響最小,殘差趨勢為0.005/10a,其余植被類型的殘差趨勢均在0.01-0.015/10a之間。

    生態(tài)區(qū)劃上,黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)受人類活動的正影響作用較強,殘差趨勢分別為0.016/10a和0.014/10a,其次為長江源區(qū),殘差趨勢為0.012/10a,高寒荒漠草原區(qū)受人類活動影響最小,為0.007/10a。

    (2)三江源地區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋主要受氣溫影響,其次在黃河源區(qū)北部長江源區(qū)中東部分布有降水影響區(qū)以及水熱共同影響區(qū)。

    (3)近12年來,三江源地區(qū)平均殘差趨勢為0.018/10a,表明人類活動對三江源地區(qū)的植被覆蓋變化呈正影響。人類活動對山地草原的正影響作用最強烈,其次是山地常綠針葉林,其他由大到小依次為高寒草甸、高寒草原、高山植被、亞高山植被和高寒匍匐矮半灌木荒漠。生態(tài)區(qū)劃上,黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)受人類活動的正影響作用較強且相當(dāng),其次為長江源區(qū),高寒荒漠草原區(qū)受人類活動影響最小。

    (4)由于不同的地域,地形、氣候等要素存在差異,植被覆蓋的變化有所差別,因此本文以柵格為單位,對NDVImax與氣候要素進(jìn)行了偏相關(guān)分析,提取出植被覆蓋與氣候要素的顯著相關(guān)區(qū),在顯著相關(guān)區(qū)為每一個柵格建立不同的線性模型,進(jìn)而利用殘差趨勢表示人類活動對植被覆蓋的影響,結(jié)果更為準(zhǔn)確。

    本文所采用的數(shù)據(jù)為年際NDVImax、年降水量和年均溫,而年內(nèi)水熱分配不均,年際水熱并不完全決定了NDVImax的大小,模擬結(jié)果會受到無效水熱的影響,而年際NDVImax對應(yīng)時間點之前的水熱的累積效應(yīng)才可能是NDVI最大值的決定因素,所以在今后的研究中將對植被覆蓋對水熱的累積效應(yīng)的響應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步論證。

    (編輯:常 勇)

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