基于GIMMS NDVI 3g.v1的近34年青海省植被生長(zhǎng)季NDVI時(shí)空變化特征

代子俊，趙 霞，李冠穩(wěn)，王興春，龐龍輝

(1.青海師范大學(xué) 中美合作(青海師范大學(xué)&普渡大學(xué))自然資源與環(huán)境建模實(shí)驗(yàn)室 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008； 2.青海省測(cè)繪局，青海 西寧 810001)

植被具有顯著的季節(jié)變化和年際變化，是連接各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的“紐帶”，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著重要作用[1]。同時(shí)植被的生長(zhǎng)活動(dòng)對(duì)氣候變化非常敏感，氣候的變化必然會(huì)引起植被生長(zhǎng)環(huán)境的變化，從而影響植被的生長(zhǎng)狀況[2]。氣溫和降水是影響植被生長(zhǎng)主要的自然因素，目前有關(guān)植被生長(zhǎng)與水熱因子的相關(guān)性已有大量研究[3-6]，但結(jié)果不盡一致，孫艷玲等[3]和Sun等[4]認(rèn)為降水量是影響植被生長(zhǎng)狀況的主要因子；然而羅玲等[5]及Zhang等[6]認(rèn)為氣溫較降水對(duì)植被生長(zhǎng)的作用更強(qiáng)；并且不同植被類(lèi)型對(duì)水熱因子的響應(yīng)不同。因此，不同區(qū)域和不同生態(tài)環(huán)境下植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在差異。青海省位于青藏高原的東北部，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，是氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)的敏感區(qū)，也是國(guó)家“退耕還林還草”和“生態(tài)保護(hù)與生態(tài)建設(shè)”的重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)。研究青海省植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)對(duì)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)具有重要意義。

植被生長(zhǎng)是一個(gè)地區(qū)植被長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，具有明顯的地域性，研究植被生長(zhǎng)活動(dòng)需要從長(zhǎng)時(shí)間序列角度進(jìn)行[7]。監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間序列植被的時(shí)空變化特征有助于理解和掌握該區(qū)植被生長(zhǎng)與環(huán)境變化的相互作用。然而，目前有關(guān)青海省植被生長(zhǎng)的報(bào)道中，主要利用GIMMS NDVI數(shù)據(jù)[8-9]研究1982-2006年植被生長(zhǎng)變化，利用MODIS數(shù)據(jù)[10-12]分析2000年以來(lái)的植被生長(zhǎng)變化，缺少30年以上長(zhǎng)時(shí)間序列的研究；有學(xué)者[13-14]將GIMMS NDVI數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)研究長(zhǎng)時(shí)間序列植被生長(zhǎng)變化，但由于傳感器之間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量不同，對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定影響甚至出現(xiàn)了研究結(jié)論截然相反的問(wèn)題[15]。GIMMS NDVI 3g(AVHRR傳感器第三代GIMMS NDVI產(chǎn)品)，時(shí)間跨度為1981-2013年，已被證實(shí)是研究長(zhǎng)時(shí)間序列植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化最好的數(shù)據(jù)之一[16-18]，成功解決了由傳感器不一致帶來(lái)的誤差；其最新GIMMS NDVI 3g.V1數(shù)據(jù)集跨度為1981-2015年，有關(guān)該數(shù)據(jù)集在青海省的應(yīng)用還鮮有報(bào)道。基于此，本研究利用GIMMS NDVI 3g.v1數(shù)據(jù)，輔以Sen+Mann-Kendall分析和R/S方法分析研究青海省植被生長(zhǎng)時(shí)空變化特征及未來(lái)變化趨勢(shì)，并揭示植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，以期深入了解青海省植被生長(zhǎng)變化過(guò)程，為青海省的生態(tài)建設(shè)及恢復(fù)工程提供有益參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省地域遼闊，位于世界屋脊青藏高原的東北部(89°35′-103°04′ E和31°39′-39°19′ N)。全省地勢(shì)總體呈西高東低、南北高中部低的態(tài)勢(shì)，西部海拔高峻，向東傾斜，呈梯型下降。參考中國(guó)氣象地理區(qū)劃手冊(cè)[19]，將青海省分為4個(gè)分區(qū)：環(huán)湖(青海湖)和祁連山區(qū)處在祁連山地和阿尼瑪卿山地之間，地形起伏較大，以牧業(yè)為主，農(nóng)牧結(jié)合，處在東部農(nóng)業(yè)區(qū)向西部牧業(yè)區(qū)過(guò)渡地帶；東部農(nóng)業(yè)區(qū)處于黃土高原向青藏高原和西北干旱區(qū)的過(guò)渡地帶，平均海拔1 700～3 500 m，氣候條件相對(duì)較好，占全省總面積的4.85%；西北部的柴達(dá)木盆地，降水稀少，年均溫1.1～5.1 ℃，光能資源豐富，形成干旱、極干旱的自然地理景觀；青南牧區(qū)海拔在4 200 m以上，為青藏高原的腹心地帶，以高寒草原畜牧業(yè)為主，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地。青海省年降水量的分布趨勢(shì)是由東南向西北逐漸減少，絕大部分地區(qū)年降水量在400 mm以下，柴達(dá)木盆地年降水量在17～182 mm，盆地西北部少于50 mm。統(tǒng)計(jì)1∶1 000 000植被類(lèi)型圖得到，青海省植被類(lèi)型為草甸、草原、荒漠、高山植被、灌叢、針葉林、栽培植被、闊葉林和沼澤9大類(lèi)，分別占全省植被覆蓋面積的42.15%、20.02%、9.36%、6.89%、5.61%、0.89%、0.50%、0.15%和0.05%，除栽培植被外其他類(lèi)型均屬自然植被，占植被覆蓋面積的90%以上。青海省研究區(qū)概況及植被類(lèi)型如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況(a)及植被類(lèi)型(b)Fig. 1 Study area (a) and vegetation types (b)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)為NASA’s Goddard Space Flight Center 15 d合成數(shù)據(jù)，空間分辨率0.083°×0.083°，是目前研究植被NDVI變化時(shí)間序列最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)集，其最新GIMMS NDVI 3g.v1數(shù)據(jù)集，是GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)的升級(jí)產(chǎn)品，減少了數(shù)據(jù)中的噪聲，數(shù)據(jù)為ncd格式，每年有兩個(gè)nc4文件，每個(gè)nc4文件包含6個(gè)月NDVI數(shù)據(jù)，共12景(時(shí)間分辨率為15 d)，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址：(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms)。本研究通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、投影變換、行政區(qū)矢量裁剪及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理過(guò)程，最后得到研究青海省植被NDVI變化的數(shù)據(jù)集。為消除云、大氣和月內(nèi)物候的影響，采用最大值合成法(MVC)[20]，使得每一像元為該月最大NDVI值。青海省植被一般5月份開(kāi)始明顯生長(zhǎng)，持續(xù)到9月份中旬[21]，故選取5-9月作為青海省植被生長(zhǎng)季節(jié)；為排除非植被因素對(duì)分析結(jié)果的影響[7]，采用1982-2015年生長(zhǎng)季NDVI平均值大于0.1的區(qū)域作為植被覆蓋區(qū)域，剔除NDVI小于0.1的非植被區(qū)域。植被類(lèi)型圖數(shù)據(jù)(1∶1 000 000)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。氣象數(shù)據(jù)為青海省1982-2015年的逐月平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

1.3 分析方法

1.3.1變異系數(shù) 變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)，也稱(chēng)“離散系數(shù)”，是衡量各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，可以消除測(cè)量尺度和量綱的影響?，F(xiàn)已被廣泛用于反映植被年際變化波動(dòng)情況[22-23]，公式如下：

(1)

1.3.2Sen+Mann-Kendall 趨勢(shì)分析 Theil-Sen斜率也被稱(chēng)為“Kendall斜率”或“非線(xiàn)性參數(shù)回歸斜率”。Theil-Sen基于聚群和排序方法來(lái)計(jì)算變化趨勢(shì)，與常規(guī)的線(xiàn)性回歸相比，規(guī)避誤差能力較強(qiáng)[25]。公式為：

(2)

1982≤i

式中：NDVIj和NDVIi為各像元第j年和第i年NDVI最大合成值，當(dāng)β>0 時(shí)，反映NDVI呈上升趨勢(shì)，反之為下降趨勢(shì)。

Theil-Sen趨勢(shì)變化的顯著性不能通過(guò)自身判斷，而Mann-Kendall是一種非參數(shù)秩次檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，也不受少數(shù)極端值的影響[25]。公式如下：

設(shè) {NDVIi}，i=1982,1983,…,2015,

(3)

方差V(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

式中：NDVIi和NDVIj分別為研究區(qū)像元第i年和第j年的生長(zhǎng)季NDVI值，為符號(hào)函數(shù)，n表示研究植被變化的時(shí)間長(zhǎng)度。Z采用雙邊檢驗(yàn)，取值范圍為(-∞,+∞)，通過(guò)查找正態(tài)分布表，本研究中取0.05置信水平即在∣Z∣>1.96上判斷植被NDVI變化趨勢(shì)的顯著性。

Theil-Sen斜率和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)合已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到植被趨勢(shì)分析中[26-28]，是研究長(zhǎng)時(shí)間序列植被NDVI數(shù)據(jù)的一種重要方法。為使結(jié)果準(zhǔn)確可靠，應(yīng)用MATLAB 2016年生成Sen+Mann-Kendall函數(shù)。

1.3.3R/S分析 R/S分析法，也稱(chēng)重標(biāo)極差分析(rescaled range analysis)[29]。該方法由Hurst于1965年最先提出，在水文學(xué)、氣候?qū)W、經(jīng)濟(jì)學(xué)等各種時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析中有著廣泛應(yīng)用，近期在植被生長(zhǎng)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)中也得以應(yīng)用[30-31]。為使結(jié)果準(zhǔn)確可靠，采用IDL8.5生成Hurst函數(shù)，最后運(yùn)用最小二乘法擬合得到H值。公式如下：

給定時(shí)間序列{NDVI(t)}，t=1，2，…，n。對(duì)于任意正整數(shù)τ，定義均值序列：

(4)

累積差：

(5)

1≤t≤τ。

極差：

R(τ)=max1≤t≤τX(jué)(t,τ)-min1≤t≤τX(jué)(t,τ)。

(6)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(7)

若存在R/S∝τH，則表示時(shí)間序列{NDVI(t)}存在Hurst現(xiàn)象，H值稱(chēng)為Hurst指數(shù)。當(dāng)0

2 結(jié)果與分析

2.1 青海省植被生長(zhǎng)季NDVI空間分布特征

生長(zhǎng)季NDVI是計(jì)算最大值合成后5-9月份NDVI平均值，利用1982-2015年的逐年植被生長(zhǎng)季節(jié)NDVI平均值，得到青海省近34 年間植被NDVI空間分布特征圖(圖2)。青海省植被NDVI整體呈西部低、東部高，從西北到東南逐漸上升趨勢(shì)，植被NDVI大于0.3區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的46.4%。NDVI高值區(qū)主要分布在環(huán)湖和祁連山區(qū)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)及三江源區(qū)東南部，這些地區(qū)植被類(lèi)型主要為針葉林、闊葉林、栽培植被、草甸；低值區(qū)主要分布在柴達(dá)木盆地及可可西里荒漠區(qū)，這些地區(qū)植被類(lèi)型主要為高山植被、草原及荒漠。

2.2 青海省植被生長(zhǎng)季NDVI變異性分析

變異系數(shù)反映了植被變化的穩(wěn)定性，基于34年青海省植被NDVI的變異系數(shù)分析結(jié)果，采用幾何間隔分割法分為5個(gè)層次(圖3)。極低波動(dòng)(0.013～0.061)區(qū)、低波動(dòng)(0.061～0.077)區(qū)分別占植被覆蓋區(qū)域面積的55.4%和17.2%，主要分布在環(huán)湖和祁連山區(qū)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)及青南牧區(qū)?？梢?jiàn)青海省大部分地區(qū)植被生長(zhǎng)變化較穩(wěn)定；中度波動(dòng)(0.077～0.125)區(qū)、較高(0.125～0.275)區(qū)和高波動(dòng)(0.275～0.729)區(qū)分別占植被覆蓋區(qū)域面積的22.6%、4.4%和0.3%，主要分布在祁連山地區(qū)、鄂拉山地區(qū)、茶卡-共和盆地、東部河湟谷地、東昆侖山區(qū)及唐古拉山地區(qū)。青海省植被NDVI變化表現(xiàn)出了明顯的地域差異性，呈現(xiàn)“東南穩(wěn)定、柴達(dá)木盆地邊緣波動(dòng)”的現(xiàn)象。青海省東南部地勢(shì)較低，向西北部逐漸增高，印度洋孟加拉灣濕熱氣流從東南向西北部爬升[32]，造成東南部地區(qū)降水充沛，氣候條件適宜，因此青海省東南部植被生長(zhǎng)變化較穩(wěn)定。而青海東部中低山區(qū)、丘陵、盆地和谷地以及東昆侖山區(qū)等柴達(dá)木盆地邊緣地區(qū)降水相對(duì)較少，同時(shí)受人為因素影響較大，故柴達(dá)木盆地邊緣植被覆蓋變化波動(dòng)性較強(qiáng)。

圖2 近34年青海省植被生長(zhǎng)季平均NDVI空間分布Fig. 2 Spatial distribution of NDVI in vegetation-growth season in Qinghai Province in the past 34 years

圖3 近34年青海省生長(zhǎng)季植被NDVI波動(dòng)性空間分布圖Fig. 3 Distribution pattern of NDVI in vegetation-growth season in Qinghai Province in the past 34 years

2.3 青海省植被生長(zhǎng)季NDVI年際變化特征

取青海省1982-2015年逐年植被生長(zhǎng)季NDVI均值制作植被年際NDVI變化圖(圖4)。1982-2015年植被NDVI整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增速為0.38%·10 a-1，并通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.01)。其中1994-1995年植被NDVI急劇下降，將兩年NDVI值相減，約有86%的像元NDVI值在下降；1995-2000年植被NDVI持續(xù)增長(zhǎng)，到2001年突然下降，統(tǒng)計(jì)兩幅影像得出，79%的像元NDVI值在下降。已有研究發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)90年代NDVI的趨勢(shì)發(fā)生了重大變化，例如Piao等[33]發(fā)現(xiàn)，1997年是歐亞大陸25年(1982-2006年)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可能由于該時(shí)期的厄爾尼諾事件導(dǎo)致氣候突變，從而影響了植被生長(zhǎng)變化。而Zhang等[6]在喜馬拉雅山科西河流域發(fā)現(xiàn)1994年和2000年兩個(gè)植被生長(zhǎng)突變點(diǎn)，與本研究一致。1994年青海省植被生長(zhǎng)突變點(diǎn)比歐亞大陸早了3年，可能是由于高原和低海拔地區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的差異造成的。

圖4 1982-2015年青海省植被生長(zhǎng)季NDVI年際變化圖Fig. 4 Interannual variation in NDVI in vegetation-growing season from 1982 to 2015

植被生長(zhǎng)活動(dòng)是一個(gè)不斷適應(yīng)氣候變化和人為影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而研究長(zhǎng)時(shí)間序列植被生長(zhǎng)變化的整體趨勢(shì)忽略了這個(gè)過(guò)程，同時(shí)由于1994和2000年NDVI值對(duì)后續(xù)植被變化趨勢(shì)有明顯影響，因此有必要對(duì)整體進(jìn)行分段擬合，分為1982-1994年、1995-2000年、2001-2015年3個(gè)階段。如圖4所示，各階段植被NDVI的增長(zhǎng)率均超過(guò)了整體水平，且都通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)；其中1995-2000年增速最快，達(dá)到了4.5%·10 a-1。1982年植被生長(zhǎng)季NDVI均值為0.28，到2015年上升到0.298，增長(zhǎng)了6.3%。

2.4 近34年青海省植被生長(zhǎng)變化趨勢(shì)

將Theil-Sen趨勢(shì)分析和Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)結(jié)果疊加，并將耦合結(jié)果分為4個(gè)層次[30](表1)。1982-2015年，β>0且|Z|>1.96，植被呈顯著改善趨勢(shì)，占全省植被覆蓋面積的40.9%；β>0且|Z|≤1.96，植被呈輕微改善趨勢(shì)，占植被覆蓋面積的34.5%；β<0且|Z|>1.96，植被呈顯著退化趨勢(shì)，占植被覆蓋面積的4.9%；β<0且|Z|≤1.96，植被呈輕微退化趨勢(shì)，占植被覆蓋面積的19.7%。植被改善區(qū)占植被覆蓋區(qū)的絕大部分(75.4%)，表明青海省近34年來(lái)大部分地區(qū)植被以改善為主。分段結(jié)果顯示，1982-1994年輕微改善面積占植被覆蓋面積的最大部分(54.3%)，其次是顯著改善面積(占24.4%)、輕微退化面積，占20.6%，顯著退化面積，僅占0.7%；1995-2000年輕微改善面積占植被覆蓋面積的絕大部分(76.6%)，顯著改善和顯著退化面積分別占12.9%、0.1%，輕微退化面積占12.9%；2001-2015年改善面積占植被覆蓋面積的大部分(48.9%)，顯著改善面積占27.7%，輕微退化面積占21.7.1%，顯著退化面積僅占1.8%。

將植被變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果在GIS10.3疊加顯示(圖5)，圖5 a為青海省近34年植被變化趨勢(shì)，圖5b、5c、5d為各階段植被變化趨勢(shì)。整體與分段顯示結(jié)合，可以清楚地了解青海省近34年植被覆蓋區(qū)的植被變化情況?？梢钥闯?，1982-2015年間植被改善區(qū)主要分布在東昆侖山區(qū)、東部柴達(dá)木盆地小區(qū)、中祁連山地小區(qū)、茶卡-共和盆地及部分河湟谷地；退化區(qū)主要位于阿尼瑪卿山-黃南高原小區(qū)。1982-1994年植被覆蓋變化趨勢(shì)，顯著改善區(qū)主要位于東昆侖山區(qū)、可可西里區(qū)；輕微改善區(qū)占大部分，除曲麻萊-雜多高原小區(qū)出現(xiàn)輕微退化外，基本均有分布。1995-2000年植被覆蓋變化趨勢(shì)，顯著改善區(qū)零星分布于曲麻萊-雜多高原小區(qū)小區(qū)，輕微改善占植被覆蓋區(qū)域的絕大部分；輕微退化區(qū)主要分布在東部農(nóng)業(yè)區(qū)，基本無(wú)顯著退化。2001-2015年植被覆蓋變化趨勢(shì)，顯著改善區(qū)域主要分布在中祁連山地小區(qū)、東昆侖山區(qū)、茶卡-共和盆地及河湟谷地，輕微改善區(qū)約占植被覆蓋面積的50%，全省基本都有分布，輕微退化和顯著退化區(qū)主要位于玉樹(shù)-囊謙高山深谷小區(qū)及阿尼瑪卿山-黃南高原小區(qū)。通過(guò)分段分析可得，隨時(shí)間變化植被NDVI在空間上存在轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，其中退化區(qū)轉(zhuǎn)移較明顯，1982-1994年主要分布在青南牧區(qū)西南部的曲麻萊-雜多高原小區(qū)，1995-2000年轉(zhuǎn)移到了東部農(nóng)業(yè)區(qū)，2001-2015年轉(zhuǎn)移到青南牧區(qū)南部的玉樹(shù)-囊謙高山深谷小區(qū)及阿尼瑪卿山-黃南高原小區(qū)。

表1 近34年青海省植被生長(zhǎng)變化趨勢(shì)Table 1 Trend of vegetation change in Qinghai Province in the past 34 years

圖5 1982-2015年青海省各階段生長(zhǎng)季植被變化趨勢(shì)空間分布圖Fig. 5 Spatial distribution of vegetation trends at various stages in the growing season in Qinghai Province from 1982 to 2015

2.5 青海省植被變化持續(xù)性分析

上述分析主要反映了近34年青海省植被變化情況，對(duì)其未來(lái)變化趨勢(shì)尚不清楚，為此將植被變化結(jié)果與R/S分析結(jié)果疊加(圖6)，用以揭示青海省植被未來(lái)的變化趨勢(shì)。H值越接近于0.5，表明時(shí)間序列前后的變化無(wú)關(guān)聯(lián)，即無(wú)法確定其變化趨勢(shì)，借鑒劉焱序等[31]經(jīng)驗(yàn)，本研究將H值介于0.4～0.6的視為不能判定其持續(xù)性。根據(jù)R/S分析結(jié)果得出，青海省植被NDVI的H值平均為0.39(0.045～0.733)，其中H值小于0.4的區(qū)域占植被覆蓋區(qū)面積的58%，介于0.4～0.6間的占41.5%，大于0.6的僅占0.5%，說(shuō)明青海省植被變化反持續(xù)性較強(qiáng)。如圖6b所示，由退化轉(zhuǎn)為改善的區(qū)域占植被覆蓋區(qū)域的13.7%，主要分布在玉樹(shù)-囊謙高山深谷原小區(qū)、黃河源頭-巴顏喀拉山地小區(qū)及阿尼瑪卿山-黃南高原小區(qū)；由改善轉(zhuǎn)為退化的區(qū)域占44.3%，主要分布在東部柴達(dá)木盆地小區(qū)、中祁連山地小區(qū)、曲麻萊-雜多高原小區(qū)、玉樹(shù)-囊謙高山深谷原小區(qū)及黃河源頭-巴顏喀拉山地小區(qū)；未來(lái)變化趨勢(shì)不確定的區(qū)域占41.5%，主要分布在東部農(nóng)業(yè)區(qū)及青南牧區(qū)；持續(xù)性改善和持續(xù)性退化的區(qū)域僅分別占0.2%和0.3%。

圖6 青海省植被Hurst指數(shù)(a)及未來(lái)變化趨勢(shì)(b)Fig. 6 Hurst index of vegetation (a) and future trends in Qinghai Province (b)

3 討論

3.1 植被NDVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)

3.1.1像元尺度 青海省內(nèi)降水量較大的區(qū)域主要集中在東南部，東北部的祁連山地區(qū)次之，可可西里及西北的柴達(dá)木盆地降水量最少，總的趨勢(shì)是由東南向西北遞減；年均溫較高的地區(qū)主要分布在中部的湟水谷地及柴達(dá)木盆地，較低的區(qū)域主要分布在祁連山中西部及青南高原，總的趨勢(shì)是南北低中間高[32]。近34年青海省植被生長(zhǎng)季節(jié)氣溫和降水總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，氣溫增長(zhǎng)率為0.7 ℃·10 a-1，降水量增長(zhǎng)率為7.7 mm·10 a-1(圖7)，將生長(zhǎng)季節(jié)NDVI與氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)為0.56，并通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.01)，但與降水量變化相關(guān)不顯著(P>0.05)；因此氣溫對(duì)植被覆蓋變化的影響更明顯。

3.1.2植被類(lèi)型尺度 每種植被類(lèi)型都具有獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件，使得不同植被類(lèi)型對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在差異[33-34]。由于自然植被占全省植被覆蓋面積的90%以上，且Chen等[35]認(rèn)為，土地覆被變化、火災(zāi)、植被病蟲(chóng)害等對(duì)GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)影響可以忽略不計(jì)，因此可以利用該植被類(lèi)型圖獲得用于本研究中各植被類(lèi)型生長(zhǎng)季NDVI的數(shù)據(jù)集。從不同植被類(lèi)型的NDVI變化規(guī)律分析(圖8)，近34年各植被類(lèi)型NDVI均呈增加趨勢(shì)，只是增加速率和幅度不一致，其中栽培植被和草原增長(zhǎng)最快，增速分別為0.73%·10 a-1、0.58%·10 a-1，下來(lái)依次為闊葉林(0.47%·10 a-1)、高山植被(0.41%·10 a-1)、草甸(0.34%·10 a-1)、荒漠(0.36%·10 a-1)、針葉林(0.34%·10 a-1)、沼澤(0.30%·10 a-1)和灌叢(0.24%·10 a-1)，除闊葉林、針葉林、灌叢外其他類(lèi)型均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

圖7 植被生長(zhǎng)季NDVI與氣溫和降水的關(guān)系Fig. 7 Relationship of NDVI with temperature and precipitation in growth season

圖8 各植被類(lèi)型生長(zhǎng)季NDVI年際變化圖Fig. 8 Interannual variation in NDVI of each vegetation type

1982-2015年，闊葉林、灌叢及針葉林生長(zhǎng)季NDVI分別介于0.516～0.585、0.508～0.545、0.500～0.544，其中1982年值最小，2013年值最大，將3種植被生長(zhǎng)季NDVI均值與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，闊葉林、灌叢及針葉林均未通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)；草甸、高山植被及草原生長(zhǎng)季NDVI均值分別在0.383～0.431、0.282～0.323和0.211～0.256，其中1995年值最小，2010年值最大，將其生長(zhǎng)季NDVI均值與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，3種植被生長(zhǎng)季NDVI均與生長(zhǎng)季平均氣溫呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.46、0.52和0.51，且通過(guò)了0.01水平顯著性檢驗(yàn)；栽培植被生長(zhǎng)季NDVI在0.350～0.367，34年來(lái)NDVI變化幅度較大，增長(zhǎng)了14.1%，其中1982年值最小，2012年值最大，將栽培植被生長(zhǎng)季NDVI均值與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量做相關(guān)分析得，其與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量均相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.38和0.35，均通過(guò)了0.05水平顯著性檢驗(yàn)；沼澤和荒漠生長(zhǎng)季NDVI較低，生長(zhǎng)季NDVI均值分別為0.142和0.103，二者生長(zhǎng)季NDVI增長(zhǎng)幅度都較大，分別增長(zhǎng)了8.5%和13.7%，將沼澤和荒漠生長(zhǎng)季NDVI與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析得，其均與生長(zhǎng)季平均氣溫呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.56和0.51，均通過(guò)了0.01水平顯著性檢驗(yàn)。以上分析表明，不同植被類(lèi)型對(duì)氣候變化干擾的反映存在較大差異，生理結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)所需環(huán)境較穩(wěn)定的針葉林、灌木、闊葉林相對(duì)生理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的荒漠、沼澤等類(lèi)型的抗干擾能力強(qiáng)。

3.2 植被NDVI對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)

植被覆蓋變化與人類(lèi)活動(dòng)息息相關(guān)，尤其是國(guó)家退耕還林還草等大型生態(tài)恢復(fù)政策。本研究統(tǒng)計(jì)了從1983-2015年逐年的營(yíng)造林和草地建設(shè)面積(1995-1999年青海省封山育林面積缺失)[36]，營(yíng)造林面積主要為當(dāng)年的人工造林面積和封山(沙)育林面積，草地建設(shè)面積主要為栽培草地面積和圍欄草地面積(圖9)。1983-2015年青海省營(yíng)造林面積和草地建設(shè)面積整體均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，1999年以后顯著增長(zhǎng)，這與青海省1999年實(shí)行退耕還林還草生態(tài)恢復(fù)政策有關(guān)，同時(shí)植被NDVI也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明營(yíng)造林和草地建設(shè)對(duì)植被NDVI變化起到一定的促進(jìn)作用，但植被覆蓋變化并未與營(yíng)造林和草地建設(shè)趨勢(shì)完全一致，這可能是由于氣候變化等其他因子也對(duì)植被覆蓋造成了影響。將逐年生長(zhǎng)季節(jié)NDVI與逐年?duì)I造林和草地建設(shè)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋變化與逐年?duì)I造林面積呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但與逐年草地建設(shè)的相關(guān)性不顯著。綜上所述，青海省植被覆蓋面積是在氣候和人為因子共同作用下呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。

圖9 生長(zhǎng)季節(jié)NDVI與逐年?duì)I造林面積和逐年草地建設(shè)的關(guān)系Fig. 9 Relationship of NDVI in growing season with annual afforestation and grassland establishment

4 結(jié)論

本研究利用最新發(fā)布的時(shí)間跨度最長(zhǎng)的1982-2015年GIMMS NDVI 3g.v1數(shù)據(jù)集，從空間、時(shí)間、植被類(lèi)型3個(gè)尺度上，研究了青海省近34年植被NDVI的時(shí)空變化特征及植被變化趨勢(shì)的可持續(xù)性。得出以下結(jié)論：

1)近34年青海省植被NDVI整體呈從西北到東南逐漸增加趨勢(shì)，且變異系數(shù)表明，波動(dòng)較大部分主要分布在柴達(dá)木盆地周邊和青南高原西北部植被NDVI較低區(qū)，波動(dòng)較小部分主要分布在祁連山東部、東部農(nóng)業(yè)區(qū)和青南牧區(qū)東南部植被NDVI較高區(qū)。

2)近34年青海省植被NDVI呈增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.38%·10 a-1；不同植被類(lèi)型NDVI均呈增加趨勢(shì)，但增加速率和幅度不一致，其中栽培植被增速最快。植被變化存在1994年和2000年兩個(gè)植被生長(zhǎng)突變點(diǎn)，1982-1994年、1995-2000年、2001-2015年均呈增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)率分別為1.1%·10 a-1、4.5%·10 a-1和1.0%·10 a-1。

3)近34年青海省植被改善區(qū)(75.4%)遠(yuǎn)大于退化區(qū)(24.6%)，其中顯著改善面積占植被覆蓋區(qū)面積的40.9%；1982-1994年、1995-2000年和2001-2015年改善面積均在植被覆蓋區(qū)面積的78%以上，通過(guò)分段研究可以清楚地了解青海省近34年植被覆蓋區(qū)的植被變化情況。

4) Hurst指數(shù)分析表明，58%的植被覆蓋區(qū)域H值小于0.4，H值在0.4～0.6占植被覆蓋區(qū)域的41.5%，青海省植被變化反向特征顯著。趨勢(shì)變化與變化持續(xù)性耦合得出，由退化轉(zhuǎn)為改善的區(qū)域占植被覆蓋區(qū)面積的13.7%；由改善轉(zhuǎn)為退化的區(qū)域占44.3%；未來(lái)變化趨勢(shì)不確定的區(qū)域占41.5%；持續(xù)性改善和持續(xù)性退化區(qū)域僅占0.2%和0.3%。

5)不同植被類(lèi)型對(duì)氣候變化的反映存在較大差異，闊葉林、灌叢及針葉林與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析，均未通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)；草甸、高山植被、草原、沼澤和荒漠與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析，均通過(guò)了0.01水平顯著性檢驗(yàn)；栽培植被與生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行相關(guān)分析，均通過(guò)了0.05水平顯著性檢驗(yàn)。

青海省現(xiàn)有的草原、灌叢、森林等植被是在長(zhǎng)期嚴(yán)酷的自然環(huán)境下形成的，一旦遭到破壞短期內(nèi)難以恢復(fù)。本研究結(jié)果較常規(guī)回歸斜率方法更能反映青海省植被覆蓋變化的趨勢(shì)及變化程度，對(duì)近34年植被NDVI進(jìn)行R/S分析，給出了青海省未來(lái)植被變化趨勢(shì)的可持續(xù)性特征，對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等工程的具體實(shí)施具有一定的參考意義，且以GIMMS NDVI 3g.v1為數(shù)據(jù)源，研究近34年青海省植被覆蓋變化，盡量減少了傳感器不一致對(duì)結(jié)果的影響。本研究仍存在一些不確定性，首先研究數(shù)據(jù)分辨率(0.083°×0.083°)較低，對(duì)區(qū)域細(xì)節(jié)的解釋能力有限，但對(duì)于植被宏觀變化仍具有一定的指示意義；其次，本研究只選用了GIMMS NDVI 3g.v1一種數(shù)據(jù)集，缺乏對(duì)多源NDVI數(shù)據(jù)集的相互比較和驗(yàn)證，今后將進(jìn)一步分析多種NDVI數(shù)據(jù)集在植被覆蓋變化評(píng)估中的一致性，以期得到更精準(zhǔn)的結(jié)論。

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