三江源草地GNDVI年際波動(dòng)及其沿海拔梯度敏感性分析

王向濤，陳懂懂

1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008

三江源地區(qū)（Three-River Headwater Region，TRH）屬于氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶（孫鴻烈，1998），廣泛分布著高寒草甸、高寒草原等植被。近幾十年來(lái)，三江源地區(qū)氣候變化明顯，年均溫升高，年降水量增加（王根緒等，2001），生長(zhǎng)季均溫、降水和太陽(yáng)輻射均呈增加趨勢(shì)，氣候變化對(duì)植被的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的影響（錢(qián)拴等，2010）。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感，能準(zhǔn)確反映植被覆蓋度、生產(chǎn)力等生物性狀的變化（Prince，1991），NDVI的變化趨勢(shì)可以用來(lái)評(píng)估植被覆蓋的改善或退化情況（Alcaraz-Segura et al.，2010），在大尺度植被活動(dòng)研究中被廣泛應(yīng)用（Fang et al.，2004；畢曉麗等，2005）。有關(guān)三江源植被 NDVI變化已有諸多研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在NDVI年際變化當(dāng)量及其影響因子方面。如：陳瓊（2010）分析了1999—2008年三江源區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與氣溫和降水之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度是三江源區(qū)植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子。錢(qián)栓（2010）根據(jù)NDVI的變化趨勢(shì)分析了三江源區(qū)植被變化，發(fā)現(xiàn) 2004年以來(lái)三江源草地處于恢復(fù)狀態(tài)。

雖然近 10年來(lái)三江源地區(qū)生長(zhǎng)季 NDVI（Growing Season NDVI，GNDVI）表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但由于氣候、干擾、植被的生理生態(tài)過(guò)程等方面的變化，GNDVI年際間存在較大的波動(dòng)，即年際波動(dòng)（Interannual Variability，IAV）（Yuan et al.，2009），而目前對(duì)三江源區(qū)GNDVI年際波動(dòng)及其對(duì)不同水熱因子組合的響應(yīng)模式并不清楚。海拔梯度在較小的地理范圍可以引起水熱組合發(fā)生變化，不同海拔梯度的植被動(dòng)態(tài)可能差距巨大。因此，本研究收集了2000—2015年GNDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析了GNDVI的年際波動(dòng)及其在不同海拔梯度上的敏感性，探討了不同海拔GNDVI年際波動(dòng)與氣候因子波動(dòng)之間的關(guān)系，旨在明確主導(dǎo)三江源高寒草地年際波動(dòng)的區(qū)域，了解不同水熱組合環(huán)境下高寒植被波動(dòng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，為三江源生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)簡(jiǎn)介

三江源區(qū)位于青海省南部、青藏高原的腹地，是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，被譽(yù)為“中華水塔”，也是生物多樣性較高、生態(tài)環(huán)境較為脆弱和敏感的地區(qū)（圖 1）。地理位置介于東經(jīng) 89°24′～102°23′和北緯31°39′～36°16′之間，平均海拔 4000 m以上，東與甘肅、四川兩省相鄰，西部和南部與西藏自治區(qū)接壤。行政區(qū)包括玉樹(shù)藏族自治州（曲麻萊縣、治多縣、稱多縣、囊謙縣、雜多縣、玉樹(shù)縣）、果洛藏族自治州（瑪多縣、瑪沁縣、甘德縣、達(dá)日縣、久治縣、班瑪縣）及海南州的同德縣、興?？h，黃南州的澤庫(kù)縣、河南縣及格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)，總面積約為36.3×104km2。研究區(qū)為典型的高原大陸性氣候，冷熱兩季交替，干濕分明，氣溫年較差小、日較差大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、四季區(qū)分不明顯。三江源地區(qū)擁有天然草地面積20.3×104hm2（徐新良等，2008），主要植物種類(lèi)有莎草科嵩草屬（Kobresia Willd.）、苔草屬（Carex L.）和禾本科披堿草屬（Elymus L.）等。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

2.1.1 NDVI數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)為NASA提供的MODIS（Moderate Resolution Image Spectroradiometer）NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MOD13A2），時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間尺度為2000年1月1日—2015年12月31日。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)共享數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用ANUSPLIN 4.2插值軟件對(duì)其中30個(gè)氣象站點(diǎn)的月均溫、月降水?dāng)?shù)進(jìn)行插值，分辨率為1 km，使用三江源地區(qū)矢量邊界裁剪氣象柵格數(shù)據(jù)。ANUSPLIN插值方法是基于光滑薄板樣條法開(kāi)發(fā)的，適用于氣象因子在時(shí)間序列上的插值（劉志紅等，2008）。本研究插值的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自以往研究數(shù)據(jù)，相關(guān)性分析結(jié)果表明插值數(shù)據(jù)與觀測(cè)值之間呈極顯著相關(guān)（李猛等，2016）。

2.1.3 其他數(shù)據(jù)

1∶100萬(wàn)中國(guó)植被圖集、分辨率為1 km的三江源區(qū)DEM數(shù)據(jù)以及三江源地區(qū)的邊界矢量圖。

2.2 研究方法

2.2.1 變化趨勢(shì)計(jì)算

本研究采取線性趨勢(shì)線模擬三江源地區(qū)GNDVI在時(shí)間尺度上的變化方向和變化強(qiáng)度，即最小二乘方擬合曲線。計(jì)算公式為：（1）

式中，SNDVI為回歸趨勢(shì)斜率，SNDVI為正值，說(shuō)明2000—2015年ANPP呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，SANPP為零或負(fù)值說(shuō)明ANPP保持不變或呈減少趨勢(shì)；n為監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度；xi表示柵格在第i年的數(shù)據(jù)值。

2.2.2 年際波動(dòng)計(jì)算

GNDVI的年際波動(dòng)采取去趨勢(shì)化法，計(jì)算公式為：

IAV=Yi-yi（2）yi=a+b×t （3）

式中，IAV是GNDVI去趨勢(shì)化后的年際波動(dòng)；t為時(shí)間；yi是GNDVI的擬合值；a為擬合常數(shù)；b為GNDVI的年際變率；Yi為GNDVI的實(shí)際值。

2.2.3 相對(duì)貢獻(xiàn)度計(jì)算

首先計(jì)算不同植被類(lèi)型GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)整個(gè)三江源區(qū)草地 GNDVI年際波動(dòng)的相對(duì)貢獻(xiàn)度，再分析不同海拔梯度上GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)三江源區(qū)草地 GNDVI的年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)度（Ahlstr?m et al.，2015；Fu et al.，2017）。計(jì)算公式為：

式中，xit是第i個(gè)區(qū)域在t年GNDVI的年際波

2.2.4 偏相關(guān)分析法

為排除相關(guān)分析時(shí)其他氣象要素對(duì)第一氣象要素的影響，結(jié)合各因子之間的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算了各氣象因子在時(shí)間序列上的偏相關(guān)系數(shù)。本研究對(duì)三江源全區(qū)、草甸區(qū)和草原區(qū)的GNDVI的年際波動(dòng)與氣象因子（年均溫度，年總降水量）的年際波動(dòng)的偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中，x、y、z分別代表GNDVI、年均溫和年降水的年際波動(dòng)值；rxy·z為將要素 z固定后要素 x與y之間的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、rxz、ryz為要素x與y、x與z、y與z之間的相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 GNDVI年際波動(dòng)特征

從變化趨勢(shì)來(lái)看，2000—2015年整個(gè)三江源地區(qū)（Three Headwater Region，TRH）草地GNDVI呈波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖 2a），增加趨勢(shì)并不顯著（R2=0.20，P＞0.05），每年可增加0.0015，多年平均值為 0.357；對(duì)于草甸地區(qū)和草原地區(qū)來(lái)說(shuō)，2000—2015年三江源草地GNDVI同樣表現(xiàn)為波動(dòng)上升（圖 2b），草甸地區(qū)的增加幅度（0.0015 a-1）大于草原地區(qū)（0.0004 a-1），多年平均值分別為0.428、0.124。

從年際波動(dòng)來(lái)看，三江源區(qū)GNDVI的年際波動(dòng)與三江源草甸GNDVI和草原GNDVI均存在顯著相關(guān)關(guān)系（圖2b）（R2=0.99，P＜0.001），而草甸地區(qū)GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)三江源全區(qū)草地GNDVI的年際波動(dòng)的相對(duì)貢獻(xiàn)度為75.4%，草原地區(qū)的相對(duì)貢獻(xiàn)度僅有24.6%。

3.2 GNDVI年際波動(dòng)與海拔之間的關(guān)系

高寒草地GNDVI的年際波動(dòng)存在顯著的空間差異，本文從整個(gè)三江源和不同植被區(qū)的空間尺度對(duì)高寒草地GNDVI的年際波動(dòng)與海拔之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

3.2.1 三江源區(qū)草地GNDVI年際波動(dòng)與海拔之間的關(guān)系

三江源區(qū)高寒草地GNDVI的分布與海拔之間存在顯著的規(guī)律性變化（圖3a）。隨著海拔的上升，GNDVI表現(xiàn)為先增加后下降，在海拔為3800～4000 m時(shí) GNDVI達(dá)到最大值（0.595）。從年際變化趨勢(shì)看，各海拔均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，而其隨海拔的變化與GNDVI隨海拔的變化完全相反，表現(xiàn)為先降低后增加，相對(duì)中低海拔地區(qū)而言，高海拔的GNDVI的變化幅度更大。

各海拔的 GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)高寒草地GNDVI年際波動(dòng)的相對(duì)貢獻(xiàn)度存在顯著性差異（圖 3b），隨著海拔的上升，相對(duì)貢獻(xiàn)度表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)。低海拔地區(qū)的高寒草地雖然面積較小，但其年際波動(dòng)大，決定了整個(gè)高寒草地的年際波動(dòng)。

圖2 2000—2015年三江源地區(qū)草地GNDVI（a）變化趨勢(shì)和（b）年際波動(dòng)Fig. 2 Trends (a) and interannual variability (b) of grassland GNDVI in the Three-River Headwater Regio

圖3 2000—2015年三江源區(qū)（a，b）、草甸區(qū)（c，d）和草原區(qū)（e，f）GNDVI的年際波動(dòng)沿海拔變化格局Fig. 3 Changes of trend and IAV with different elevations in the THR region (a, b), meadow region (c, d) and steppe region (e, f)

3.2.2 不同植被類(lèi)型GNDVI年際波動(dòng)與海拔之間的關(guān)系

不同植被類(lèi)型GNDVI年際波動(dòng)的海拔敏感性存在差異性。就高寒草甸而言，GNDVI表現(xiàn)為先增加后減少的變化（圖3c），在4000 m開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，GNDVI的年際變化趨勢(shì)則表現(xiàn)出相反的變化，年際變化趨勢(shì)在4200 m以下表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，在4200 m以上表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。草甸植被各海拔GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)整個(gè)草甸植被的年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)度表現(xiàn)為先降低后增加再降低的變化（圖3d），3800 m以下區(qū)域的年際波動(dòng)對(duì)草甸植被GNDVI的年際波動(dòng)貢獻(xiàn)度最大，為14.53%。

隨著海拔的增加，高寒草原GNDVI表現(xiàn)出顯著減少趨勢(shì)（圖 3e），而變化趨勢(shì)隨著海拔的變化未表現(xiàn)出明顯的變化。草原植被GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)整個(gè)草甸植被的年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)度隨著海拔的增加而降低（圖3f），4400 m以下區(qū)域雖然只占據(jù)整個(gè)草原區(qū)域的15.5%，該區(qū)域的 GNDVI年際波動(dòng)對(duì)整個(gè)草原區(qū)域GNDVI年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)度達(dá)45.2%。

3.3 不同海拔梯度GNDVI年際波動(dòng)與氣候因子之間的關(guān)系

表 1所示為三江源地區(qū)不同海拔梯度 GNDVI年際波動(dòng)與同區(qū)域年均溫度和年降水年際波動(dòng)之間的偏相關(guān)關(guān)系。對(duì)于三江源高寒植被而言，決定不同海拔GNDVI年際波動(dòng)的氣候因子并不相同，4800 m以下區(qū)域GNDVI的年際波動(dòng)由降雨波動(dòng)決定，且表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；海拔介于4800 m和5400m之間區(qū)域GNDVI的年際波動(dòng)與溫度年際波動(dòng)的偏相關(guān)系數(shù)大于與降雨年際波動(dòng)的偏相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明溫度是控制該區(qū)域 GNDVI年際波動(dòng)的主導(dǎo)因子；當(dāng)海拔高于5400之后，降雨波動(dòng)再次成為主導(dǎo)因子，但與GNDVI年際波動(dòng)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 不同海拔梯度GNDVI的年際波動(dòng)與年均溫和年降水的關(guān)系Table 1 Correlation between GNDVI and mean annual temperature,mean annual precipitation with different elevations in the Three Headwater River region

高寒草甸和高寒草原GNDVI年際波動(dòng)在不同海拔上與溫度和降水年際波動(dòng)的偏相關(guān)性存在類(lèi)似的空間分布，均表現(xiàn)為低海拔地區(qū)為降雨波動(dòng)主導(dǎo)，高海拔地區(qū)為溫度波動(dòng)主導(dǎo)，但兩者轉(zhuǎn)折點(diǎn)并不相同，草甸植被的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為 4800 m，而草原植被的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為5400 m。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

2000—2015年三江源地區(qū)增溫增水，在保證足夠水分的同時(shí)，為植被的生長(zhǎng)提供了更多的能量（吳珊珊等，2016）。此外，本世紀(jì)初至今，為遏制并恢復(fù)三江源地區(qū)退化的生態(tài)系統(tǒng)，在三江源地區(qū)實(shí)施了一系列生態(tài)工程，如退耕還草、草蓄平衡管理政策等。在氣候暖濕化和生態(tài)建設(shè)工程的耦合作用下，三江源地區(qū)植被恢復(fù)明顯，三江源區(qū)GNDVI、草甸GNDVI和草原GNDVI均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。同時(shí)由于氣候變化、植被生理生態(tài)過(guò)程等因素的影響，三江源地區(qū)GNDVI的增加存在較大的年際波動(dòng)。本研究對(duì)三江源草甸區(qū)和草原區(qū)GNDVI年際波動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，草甸植被的年際波動(dòng)決定了過(guò)去16年三江源區(qū)GNDVI的年際波動(dòng)，其貢獻(xiàn)度達(dá)75.4%，草原區(qū)域?qū)θ磪^(qū)年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)度僅有 24.6%，說(shuō)明草甸地區(qū) GNDVI的年際波動(dòng)遠(yuǎn)大于草原地區(qū) GNDVI的年際波動(dòng)。水熱條件隨海拔升高表現(xiàn)出明顯的變化（K?rner，2007），低海拔地區(qū)在三江源地區(qū)占比雖小，但由于水熱組合較為理想，更有利于高寒草地植被生長(zhǎng)，存在較大的GNDVI。同時(shí)，由于降雨和溫度在低海拔地區(qū)存在較大的年際波動(dòng)，高寒草地 GNDVI同樣存在較大的年際波動(dòng)，對(duì)全區(qū) GNDVI的年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)度遠(yuǎn)大于高海拔地區(qū)。隨著海拔的增加，水熱組合不利于植被的生長(zhǎng)，但水條件年際波動(dòng)小，故三江源區(qū)草地GNDVI及其年際波動(dòng)均小于低海拔地區(qū)。

植被生長(zhǎng)受光、溫、水等環(huán)境因子的綜合作用影響，并且會(huì)受到某一關(guān)鍵因子的限制。三江源是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)，溫度和降水的變化可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)力的改變，而不同海拔梯度上水熱組合存在較大的差異，從而導(dǎo)致限制植被生產(chǎn)的關(guān)鍵因子隨海拔梯度的變化而產(chǎn)生變化。三江源低海拔地區(qū)植被年際波動(dòng)主要受降水波動(dòng)的控制，主要是因?yàn)榈秃０蔚貐^(qū)在低降水時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)干旱脅迫，同時(shí)較高的溫度引起蒸散作用的加強(qiáng)可進(jìn)一步加劇水分脅迫，使得降雨量成為限制低海拔區(qū)域植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子（Wang et al.，2013；Webb et al.，1983）。然而，就三江源高海拔地區(qū)植被而言，低溫會(huì)限制植被水分和營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)，同時(shí)會(huì)顯著降低葉片同化CO2的日總量，從而限制植被的生長(zhǎng)（Luo et al.，2009）。

4.2 結(jié)論

（1）自 2000以來(lái)，三江源生長(zhǎng)季 NDVI（GNDVI）呈上升趨勢(shì)，同時(shí)存在較大的年際波動(dòng)，其中草甸區(qū) GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)三江源全區(qū)的GNDVI的年際波動(dòng)具有主導(dǎo)作用。

（2）低海拔地區(qū)GNDVI的年際波動(dòng)對(duì)三江源全區(qū)高寒草地年際波動(dòng)具有主導(dǎo)作用。

（3）無(wú)論是三江源全區(qū)、草甸區(qū)還是草原區(qū)，低海拔地區(qū)GNDVI的年際波動(dòng)主要受降雨波動(dòng)的影響，而高海拔地區(qū)GNDVI的年際波動(dòng)主要受溫度波動(dòng)的影響。