近35年青藏高原植被帶變化對(duì)氣候變化及人類活動(dòng)的響應(yīng)

魏彥強(qiáng)，蘆海燕，王金牛，孫 建，王旭峰

（1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué) 會(huì)計(jì)學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；4.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041；5.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

近些年來(lái)，當(dāng)代全球暖溫化問(wèn)題(contemporary global warming)，尤其是在高海拔、高緯度等氣候變化敏感區(qū)的環(huán)境變化已引起了全球的廣泛關(guān)注[1-2]。在高緯度和高海拔地區(qū)的積雪、冰川、凍土和植被等對(duì)氣候變化的響應(yīng)顯得尤為明顯，是較為典型和敏感的氣候指示因子[3-4]。目前的研究結(jié)果表明，高海拔地區(qū)氣候暖化較低海拔地區(qū)明顯[5-7]，全面的暖化對(duì)寒冷的高海拔地區(qū)并不意味著都是負(fù)面的影響，例如增溫使得嚴(yán)寒地區(qū)開(kāi)始改善植物的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于植物向高海拔地區(qū)遷移和動(dòng)物及人類的進(jìn)入，是全球變暖中物種的避難所[8-10]。因此，對(duì)高海拔地區(qū)氣候變化的研究在當(dāng)代氣候變化研究中具有代表性和典型性。

氣候制約著植被的地理分布，植被是區(qū)域氣候特征的反映和指示，二者之間存在密不可分的聯(lián)系。植被帶往往被認(rèn)為是氣候帶的典型指示物。在大尺度的植被特征研究中，植被帶的概念與因海拔、經(jīng)度、緯度變化而產(chǎn)生的水熱梯度差異相結(jié)合，以指示植被類型的劃分[11-15]。由于植物的分布受控于氣候模式，最低溫度對(duì)限制物種的分布范圍和向南北極高緯度地區(qū)及高海拔地區(qū)的極化擴(kuò)展起著決定性的作用[16-17]。可以預(yù)測(cè)，全球全面暖化將改變物種分布的適宜環(huán)境和生存范圍的極限，因而使得物種在暖化過(guò)程中得到重新分布[16-17]。當(dāng)前在高海拔地區(qū)關(guān)于全球變暖引起的分布界限變化研究主要集中于以下幾個(gè)方面：1)雪線/零物質(zhì)平衡線 (snowline / equilibrium line altitude, ELA)隨冰川退縮的變動(dòng)[18-19]；2)樹(shù)線/林線(timberline)和生態(tài)交錯(cuò)帶(ecotone)隨全球變暖向兩極高緯度地區(qū)及高海拔地區(qū)的極化移動(dòng)[20-22]；3)氣候帶(climate belt)或物種(species)向兩極高緯度地區(qū)及高海拔地區(qū)的遷移[8, 16-17]；4)土地利用變化 (land-use and land-cover change, LUCC)[23-25]。Colwell等[16]和 Jump 等[17]研究認(rèn)為，由于在垂直方向上氣溫遞減率的存在以及在南北方向上溫度隨緯度的遞減，在全球增溫情形下，樹(shù)線的分布范圍將向高緯度高海拔地區(qū)擴(kuò)展。植被的重分布及其他物種的遷移將隨之發(fā)生[21, 24, 26]。與此同時(shí)，暖溫化使得物種的適宜生存條件下限隨之改變，人口的遷移及以游牧為主的牲畜也隨之?dāng)U展其活動(dòng)范圍，表現(xiàn)為向兩極及高海拔地區(qū)的遷入，人類活動(dòng)增強(qiáng)[16, 27-28]。因此高山區(qū)和高緯度地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球暖化的響應(yīng)往往表現(xiàn)為植被帶的分布范圍及其面積的變化，以及植被生長(zhǎng)狀況的變化。而目前在該領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)和研究，歸一化植被指數(shù) (normalized difference vegetation index, NDVI)被認(rèn)為是一個(gè)很好的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[9, 29]。

青藏高原 (Qinghai-Tibetan Plateau, QTP)因其對(duì)氣候變化的高敏感性和在氣候變化中其氣候因子的指示意義較同緯度低海拔地區(qū)更具代表性和典型性而倍受關(guān)注[30-31]。根據(jù)最近的研究結(jié)果，青藏高原地區(qū)在過(guò)去的幾十年中經(jīng)歷了一個(gè)加速的暖化過(guò)程，其降水變化較為平緩，而潛在蒸散能力則有下降趨勢(shì)[32-34]。根據(jù)最新對(duì)青藏高原冰川及凍土退化和環(huán)境效應(yīng)的調(diào)查顯示，從1950s開(kāi)始青藏高原暖溫化趨勢(shì)明顯，其凍土和山岳冰川遭受了大規(guī)模的退縮和面積縮減[35-37]。大量事實(shí)已表明，因高原的全面暖化，其雪線/零物質(zhì)平衡線及樹(shù)線的位置因冰川退縮而得到了抬升，植被覆蓋發(fā)生了明顯的變化[19, 22]。氣候條件的變化已經(jīng)引起了其生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的變化[38-39]，而人為因素如人口增加、基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)、城鎮(zhèn)化發(fā)展、過(guò)度放牧等的干擾已對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的影響，并在一些區(qū)域超過(guò)了氣候變化影響本身[27-28, 40]。另外，大量的氣候模擬情景和預(yù)測(cè)結(jié)果表明，青藏高原在21世紀(jì)將經(jīng)歷持續(xù)的暖化過(guò)程，并且會(huì)進(jìn)一步緩解其嚴(yán)寒而干冷的氣候環(huán)境[5, 41-42]。目前已有很多關(guān)于青藏高原植被變化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究[38, 42-44]，但通過(guò)林線及生態(tài)交錯(cuò)帶位置變化而研究植被帶變動(dòng)，以及除了考慮氣候因素之外，綜合考慮人為活動(dòng)影響的研究還相對(duì)較少[27-28]。且在人為影響因素的解釋上，指標(biāo)的選取具有較強(qiáng)的任意性，概念化、定性化的描述較多而定量化的數(shù)值模擬和分析較為少見(jiàn)[27-28, 35]，往往與氣候影響難以剝離，缺乏客觀性評(píng)價(jià)[43-45]。近些年來(lái)，隨著人口規(guī)模、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及城鎮(zhèn)化的發(fā)展，越來(lái)越多的研究表明，人類活動(dòng)增強(qiáng)是一個(gè)不可忽視的重要影響方面，在區(qū)域環(huán)境變化中往往超過(guò) 氣 候 變 化 影 響 本 身[24, 27-28, 44, 46]， 而 目 前 在 青 藏 高原地區(qū)對(duì)該方面的研究相對(duì)較少，相關(guān)研究較為薄弱。因此，本研究從NDVI的變化出發(fā)，分析植被帶變化趨勢(shì)和氣候變化、人類活動(dòng)之間的關(guān)系，進(jìn)而剖析植被帶變化對(duì)氣候變化及人類活動(dòng)的響應(yīng)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選擇氣候變化較為劇烈且垂直地帶性較為典型的青藏高原地區(qū)作為研究區(qū)。該區(qū)域海拔普遍較高，且擁有相對(duì)較為寬闊的海拔范圍、垂直帶譜較為發(fā)育，其對(duì)氣候變化響應(yīng)較為敏感。依據(jù)Zhang等[47]界定的包括其南部的喜馬拉雅山脈、北部的昆侖山及祁連山、西至帕米爾高原及喀喇昆侖山、東至成都平原的范圍目前在學(xué)界普遍比較接受。本研究以此為參考，南部以中國(guó)國(guó)界線為界，其北部及東部選擇海拔在3 500 m以上的地區(qū)為其邊緣。本研究中青藏高原總面積約2.57 ×106km2，平均海拔 4 390 m 左右，其經(jīng)度在 70°-105° E，緯度為 25°-40° N(圖 1)。

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 NDVI數(shù)據(jù)

由于植被地上生物量及凈初級(jí)生產(chǎn)力與歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間有很高的相關(guān)性，借用遙感數(shù)據(jù)對(duì)地上植被狀況的分析通常以NDVI來(lái)代替植被覆蓋狀況[9, 48-50]。本研究選擇美國(guó)航空航天局(NASA)全球監(jiān)測(cè)與模型研究組GIMMS (Global Inventory Monitoring and Modelling Studies)提 供的NOAA AVHRR-NDVI-3g V1.0 數(shù)據(jù)集 (https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，其空間分辨率為8 km × 8 km，屬半月合成數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為 1981 年7月1日-2015年12月31日，共計(jì)69個(gè)NetCDF-4半月合成圖像文件。該數(shù)據(jù)集的NDVI已經(jīng)過(guò)幾何精糾正、輻射校正、大氣校正等預(yù)處理，且已采用最大值合成法(MVC)以減少云、大氣、太陽(yáng)高度角的影響。

1.2.2 氣候及其他數(shù)據(jù)

本研究的氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供，時(shí)間范圍為1961-2015年。其中位于高原上的站點(diǎn)91個(gè)，因站點(diǎn)變動(dòng)，記錄缺失等原因，其中有完整月平均氣溫和月降水記錄的站點(diǎn)87個(gè)。由于高原上的站點(diǎn)分布較少，尤其是廣大的中西部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的站點(diǎn)較少，本研究另外選取了環(huán)境數(shù)據(jù)分析中心(CEDA)的長(zhǎng)序列再分析數(shù)據(jù) CRUTS 4.01 (http://catalogue.ceda.ac.uk/intro)。該數(shù)據(jù)集包括了每天的平均溫度、降水等常用指標(biāo)，數(shù)據(jù)包括1900年1月1日到2016年12月31日的逐日氣象要素，空間分辨率為 0.5° × 0.5°。人口、牲畜數(shù)量等經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來(lái)自各個(gè)省市的統(tǒng)計(jì)年鑒。由于該類數(shù)據(jù)均以行政單元(縣)來(lái)統(tǒng)計(jì)，但青藏高原是一個(gè)自然地理邊界，在高原上的部分以其所占總縣域面積的比例來(lái)進(jìn)行分割。另外DEM 數(shù)據(jù)由 NASA提供，空間分辨率為90 m × 90 m。植被覆蓋/土地利用類型數(shù)據(jù)為基于GLC2000的中國(guó)科學(xué)院1∶100萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)集(圖1A)；生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù)采用Zheng[51]擬定的中國(guó)地理生態(tài)區(qū)域系統(tǒng)的框架方案，將青藏高原分為11個(gè)自然區(qū)(圖1B，表1)，包含了3個(gè)溫度帶和4個(gè)干濕區(qū)。

圖1 青藏高原地區(qū)根據(jù)GLC2000分類的植被覆蓋/土地利用類型(A)，多年平均NDVI以及依照鄭度等[51]擬定的生態(tài)氣候分區(qū)(B)Figure 1 Vegetation types/land covers in the Tibetan Plateau according to the GLC2000 categories (A),the mean NDVI in recent years and eco-climatic zones in the TP according to [51] (B)

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)GIMMS-NDVI的半月合成數(shù)據(jù)通過(guò)國(guó)際通用的最大值合成法 MVC (maximum value composites)合成月NDVI，該方法可以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等部分干擾。并利用12個(gè)月月數(shù)據(jù)合成4個(gè)季節(jié)NDVI數(shù)據(jù)和年數(shù)據(jù)。合成公式為：

式(1)中，NDVIi為半月NDVI數(shù)據(jù)或已經(jīng)合成的月值數(shù)據(jù)，NDVIm為合成后的NDVI季節(jié)數(shù)據(jù)或年數(shù)據(jù)?？紤]到青藏高原地區(qū)植被覆蓋普遍較低，且大多為溫帶草原及高寒草甸，本研究取NDVI的閥值為0.05[9, 52]，即小于此值的地區(qū)被認(rèn)為是無(wú)植被帶覆蓋。為清楚地了解NDVI在空間上的變化趨勢(shì)，逐柵格的趨勢(shì)分析能直觀地反映其在空間上的變化趨勢(shì)。一般地，可以通過(guò)計(jì)算植被綠度變化率 (greenness rate of change, GRC)來(lái)表征植被帶變化趨勢(shì)[10, 52]。而常用的則是采用容易實(shí)現(xiàn)的最小二乘法擬合年均NDVI的變化斜率[10]。但最小二乘法線性回歸的缺點(diǎn)則是樣本量較小時(shí)，極易受到異常觀測(cè)點(diǎn)的影響。本研究采用了Theil-Sen線性趨勢(shì)分析法。該方法是一種非參數(shù)的估計(jì)算法，能有效消除長(zhǎng)時(shí)間序列分析中的異常值的影響[53-54]，是對(duì)最小二乘線性回歸方法的改進(jìn)。其計(jì)算公式為：

式(2)中：slope為植被綠度變化率，變量i，j為年的序號(hào)，即i，j= 1, 2, …, 35。n為研究的時(shí)間序列長(zhǎng)度，n= 35；NDVIi為第i年的年最大 NDVI值。其中slope＞ 0說(shuō)明NDVI在這35年中的變化趨勢(shì)是增加的，反之則是減少的，其值的大小反映出植被帶變化的劇烈程度。以上線性趨勢(shì)分析均在PyCharm平臺(tái)上利用Python 3.7.1計(jì)算完成。

2 結(jié)果

2.1 植被帶的年際變化

時(shí)間序列的變化分析可以從植被帶演化更替的角度來(lái)分析整個(gè)青藏高原整體的狀況。為了綜合分析植被帶隨時(shí)間的變化，本研究計(jì)算了整個(gè)青藏高原NDVI平均值的歷年變化情況，并按季節(jié)平均值統(tǒng)計(jì)其在過(guò)去35年的變化。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，NDVI在以月為尺度的變化中呈現(xiàn)出倒“U”字形的周期性變化特點(diǎn)，即年內(nèi)的變化在冬春兩季較低，平均值約為0.16，而夏秋兩季達(dá)到年內(nèi)植被生長(zhǎng)的最好水平，平均值夏季為0.29，秋季為0.26左右。年內(nèi)的變化顯現(xiàn)出地上生物量與四季的更替及氣溫的變化較為一致的特點(diǎn)。從總體變動(dòng)趨勢(shì)上看，最近35年的NDVI年際變化較小，且波動(dòng)不大，總體上處于平穩(wěn)的波動(dòng)態(tài)勢(shì)。

表1 青藏高原生態(tài)地理系統(tǒng)分區(qū)Table 1 Eco-climate zones in the Qinghai-Tibetan Plateau

由于青藏高原整體上全年氣溫普遍較低，冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，生長(zhǎng)季(5-9月)相對(duì)短暫，因此植被帶的發(fā)育主要集中在以夏季為主的生長(zhǎng)季。從生長(zhǎng)季的NDVI變化趨勢(shì)來(lái)看，過(guò)去35年生長(zhǎng)季的NDVI呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但總體趨勢(shì)平緩，最大值出現(xiàn)在1988年，為0.296；最小值出現(xiàn)在1995年，為0.267；多年生長(zhǎng)季平均值為0.282左右，有輕微的上升趨勢(shì)。以上結(jié)果表明，一方面，較低的NDVI反映了青藏高原總體上植被覆蓋較差，整個(gè)柴達(dá)木盆地、藏北高原等地區(qū)植被分布稀疏，幾近于裸地。由于生長(zhǎng)季節(jié)較短，地上生物量普遍相對(duì)較小，使得區(qū)域平均值較低。另一方面，青藏高原內(nèi)部植被類型多樣、植被帶較多、生態(tài)氣候區(qū)種類較多，氣候的垂直地帶性分布較為明顯，復(fù)雜的地形和氣候類型狀況使得區(qū)域間的植被發(fā)育狀況差異明顯。有些因增溫而使得植被帶生長(zhǎng)條件改善的地區(qū)，很可能因一些地區(qū)因生長(zhǎng)環(huán)境的惡化以致植被覆蓋減少，但在整個(gè)高原求其平均值時(shí)而被相互抵消掉，使得總體上植被帶變化趨勢(shì)波動(dòng)性不大。因此，以青藏高原為整體來(lái)研究其平均的植被帶生長(zhǎng)狀況的變化顯得意義甚微。為此，在空間上分區(qū)域和植被帶類型的生長(zhǎng)狀況變化研究顯得頗為必要。

2.2 植被帶的空間變化

2.2.1 總體變化

逐柵格的趨勢(shì)分析能直觀地反映植被帶在空間上的變化趨勢(shì)，能較好地反映出每個(gè)柵格在時(shí)間序列上的變化差異，因此是在空間上研究植被帶對(duì)氣候及人為因素響應(yīng)差異的有效途徑。利用公式(2)可以計(jì)算出最近35年植被帶的空間變化趨勢(shì)(圖2)。

圖2 青藏高原1981-2015年間植被帶生長(zhǎng)狀況變化情況Figure 2 Vegetation trends during 1981-2015 in the Tibetan Plateau

從整個(gè)區(qū)域來(lái)看，大部分地區(qū)的植被覆蓋趨于好轉(zhuǎn)。在高原西南部及中部、柴達(dá)木盆地周圍的廣大地區(qū)植被都出現(xiàn)了增長(zhǎng)情況。部分地區(qū)的年增長(zhǎng)率達(dá)到了0.002 5及以上。尤其是在H1C1、H1C2兩個(gè)高原亞寒帶高寒草甸草原區(qū)及H2C2藏南高山灌叢草原區(qū)的增長(zhǎng)尤為明顯。而處于惡化趨勢(shì)的植被帶分布于山南林芝、云南北部、川西北及青海湖附近的低海拔地區(qū)，高原的東部邊緣是這一趨勢(shì)較為集中的區(qū)域。另外H1B1果洛那曲高原亞寒帶灌叢草甸區(qū)的植被覆蓋退化也十分明顯(圖2)。

2.2.2 不同分區(qū)間的差異

由于植被帶的分布與海拔、植物種類、氣候類型等緊密相關(guān)，本研究依據(jù)海拔帶、植被覆蓋種類和生態(tài)氣候區(qū)統(tǒng)計(jì)在各個(gè)類型區(qū)中的植被帶生長(zhǎng)狀況變化情況(圖3)。

從生態(tài)氣候區(qū)的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(圖3A1)，在整個(gè)青藏高原的11個(gè)生態(tài)氣候區(qū)中，植被帶生長(zhǎng)狀況平均水平處于較明顯改善的有6個(gè)區(qū)，其中有H1C1、H1C2和H1B1三個(gè)高原亞寒帶氣候區(qū)以及H2C2、H2D1、H2D2三個(gè)高原溫帶氣候區(qū)。而植被帶平均生長(zhǎng)狀況趨于退化的有4個(gè)區(qū)，均為植被生長(zhǎng)條件相對(duì)較好的亞熱帶闊葉林區(qū)(H3)和2個(gè)溫度較高的高原溫帶針葉林(H2AB1和H2C1)及高原溫帶荒漠區(qū)(H2D3)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，位于高原亞寒帶的H1D1昆侖山高寒荒漠區(qū)變化不明顯。由于趨于改善的生態(tài)區(qū)集中于高原亞寒帶和高原溫帶，而退化的區(qū)域處于平均溫度等相對(duì)較高的亞熱帶及高原溫帶地區(qū)，因此推測(cè)，全球暖化對(duì)改善高海拔地區(qū)嚴(yán)寒條件下的植被帶生長(zhǎng)狀況有積極作用，溫度升高有可能是樹(shù)線和林線在這一地區(qū)升高、植被趨于改善的主導(dǎo)因素。而在氣候條件相對(duì)較好的亞熱帶、高原溫帶地區(qū)的植被退化極有可能是升溫后蒸散發(fā)加劇或人為因素影響的結(jié)果。但具體原因還待進(jìn)一步詳細(xì)分析。

為了進(jìn)一步的深入分析植被帶生長(zhǎng)狀況在空間上的變化差異，以植被覆蓋類型來(lái)統(tǒng)計(jì)各個(gè)類型區(qū)內(nèi)的植被帶變化情況顯得十分必要。植被帶的分布與植被覆蓋/土地利用變化之間有著直接的聯(lián)系，植被覆蓋/土地利用變化的種類界定了植被帶的基本類型[16-17, 55]。本研究以 GLC 2000 的用地分類系統(tǒng)為參考，對(duì)其6個(gè)大類的25個(gè)小類進(jìn)行重新合并調(diào)整，將水體和冰川等進(jìn)行歸并，最后形成12個(gè)土地覆蓋類型。以此類型為基礎(chǔ)，分別對(duì)各個(gè)區(qū)內(nèi)的植被帶生長(zhǎng)狀況變化率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖3B1)。

從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出，在12個(gè)大的植被覆蓋/土地利用類型中，有4個(gè)顯著增長(zhǎng)的類型區(qū)，即L31高覆蓋度(＞ 50%)草地、L32中覆蓋度(20%～50%)草地、L4水體及L33低覆蓋度(5%～20%)草地。其中平均增長(zhǎng)速度最快的為L(zhǎng)33低覆蓋度(5%～20%)草地。從植被帶的平均變化速度來(lái)看，保持基本不變的為L(zhǎng)6沙漠/戈壁，這與實(shí)際的情況相吻合。而在其他所剩的幾個(gè)植被帶減小的區(qū)域中，L21森林、L22高覆蓋度灌叢及L23疏林地等的減少較為明顯，是3種減少最為劇烈的類型區(qū)。從植被覆蓋在空間上的分布來(lái)看，增長(zhǎng)的區(qū)域L31、L32、L33基本上是位于高海拔地區(qū)的草地，由于水體中在分類時(shí)已包含了冰川和積雪，其覆蓋度的增加推測(cè)應(yīng)當(dāng)是氣溫增加后雪線升高、植被帶的上線苔原線隨之升高的結(jié)果；而高海拔地區(qū)整體上植被的好轉(zhuǎn)則反映了對(duì)氣候轉(zhuǎn)暖后植被帶生存狀況改善、植被長(zhǎng)勢(shì)趨好及覆蓋范圍擴(kuò)大的結(jié)果。在減少的幾個(gè)區(qū)域中，L21森林、L22高覆蓋度灌叢及L23疏林地均分布于高原邊緣谷地及南部海拔相對(duì)較低、溫度、降水等生長(zhǎng)環(huán)境相對(duì)較好的地區(qū)。

在以上幾個(gè)分析結(jié)果中，無(wú)論是基于生態(tài)氣候分區(qū)的分析還是從用地類型分區(qū)分析，均顯示出植被帶的空間變化和海拔之間的密切聯(lián)系，在不同的海拔上其變化趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的差異性。由于本研究的植被帶位置移動(dòng)假設(shè)是以植被帶的垂直帶譜變化為依據(jù)，據(jù)此，按海拔分區(qū)來(lái)分析植被帶的空間變化顯得很有必要。本研究以500 m等間隔做海拔分區(qū)，分別劃分出各個(gè)范圍的海拔帶，即 0-500 m、500-1 000 m 和 1 000-1 500 m等不同的分區(qū)，分別對(duì)每個(gè)區(qū)內(nèi)植被帶的變化率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖3C1)。從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，在劃分的15個(gè)海拔區(qū)中，有5個(gè)均表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，除去最高海拔的一個(gè)分區(qū)，幾個(gè)植被好轉(zhuǎn)的地區(qū)均集中分布于4 500-6 500 m的高海拔地區(qū)，并且占整個(gè)高原絕大部分的面積(圖3C2)。而4 000-4 500 m似乎是植被帶變化的一個(gè)臨界位置，該范圍內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義上的明顯變化，而在該海拔以下各個(gè)植被帶均表現(xiàn)出了較為明顯的退化趨勢(shì)。從平均減少速率來(lái)看，1 000-2 500 m 之間的 3 個(gè)較低海拔區(qū)減少較快，處于明顯的退化水平。

從以上結(jié)果可以看出，植被帶生長(zhǎng)狀況的變化與生長(zhǎng)季節(jié)、植被帶類型、生態(tài)氣候區(qū)和海拔等有關(guān)。以青藏高原為整體的時(shí)間序列分析并不能體現(xiàn)出植被帶的變化差異，而在考慮到按生態(tài)氣候區(qū)、植被覆蓋類型和海拔后，其變化的差異性過(guò)程才得到了明顯體現(xiàn)。以分區(qū)為視角的空間差異分析體現(xiàn)出青藏高原植被帶在最近35年的變化中與生態(tài)氣候區(qū)、植被覆蓋類型及海拔之間的密切關(guān)系。

3 討論

3.1 植被帶變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)

一般認(rèn)為，植被類型、生長(zhǎng)狀況及其分布受氣候因子的直接影響，在特定的氣候模式制約下在地理分布上形成特定的植被帶和生態(tài)系統(tǒng)類型[16, 55]。因而植被帶類型及其生長(zhǎng)狀態(tài)的變化是對(duì)一定氣候模式和生長(zhǎng)環(huán)境變化的直接反應(yīng)，氣候條件的改變使得植被的種類和分布范圍隨之發(fā)生相應(yīng)的變化以適應(yīng)新的氣候特點(diǎn)[26, 55-56]。在眾多的氣候因子中，光照、溫度、降水、蒸散發(fā)等被認(rèn)為是植被生長(zhǎng)的最重要且起決定性作用的氣候因子，而通常以日照、溫度和降水的影響最為直接[57]?？紤]到數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究在分析植被帶與氣候變化的相互關(guān)系時(shí)，選取了與之相對(duì)應(yīng)的年平均溫度和年總降水作為主要?dú)夂騾⒖家蜃印?/p>

從臺(tái)站的氣象記錄來(lái)看(圖4)，整個(gè)青藏高原的年平均溫度(87個(gè)站點(diǎn)的平均值)呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在Theil-Sen法線性擬合的結(jié)果中，年溫度增長(zhǎng)率為 0.035 3 ℃·a-1(R2= 0.688,P＜ 0.001)。表明整個(gè)青藏高原最近幾十年經(jīng)歷了較為快速的增溫暖化過(guò)程，這一暖化過(guò)程與NDVI緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)基本一致，可以認(rèn)為是對(duì)氣候暖化的正向響應(yīng)。

與溫度相比較，年總降水量在總體上呈現(xiàn)出略微的增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度較小，為每年0.831 mm(R2=0.041,P＜ 0.32)，線性增長(zhǎng)趨勢(shì)不太明顯，呈現(xiàn)出較大的年際變化差異。因此，從整個(gè)高原總體的NDVI及溫度和降水變化的趨勢(shì)來(lái)看，NDVI的增長(zhǎng)趨勢(shì)與溫度有較好的一致性，但與降水增加的關(guān)系不太明顯。

從同化的數(shù)據(jù)來(lái)看(圖5A、B)，氣溫的增長(zhǎng)率在H1C2、H1C1、H2C2、H2AB1及H2DI等藏北高原、高原南部河谷及柴達(dá)木盆地等地區(qū)相對(duì)較高，而在H2C1、H1B1高原的東北部及果洛那曲亞寒帶高原草甸區(qū)的增長(zhǎng)率相對(duì)較小。而降水在整個(gè)高原的增加則主要集中在西藏和青海兩省 (區(qū))的中部地區(qū)，尤其以H1C1、H2C2和H2C2等區(qū)的增加為主。而其他生態(tài)氣候區(qū)內(nèi)則基本上呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。以溫度和降水的變化區(qū)分氣候變化的類型，即暖濕、暖干、冷濕和冷干4種氣候變化模式。其中以暖濕為主的地區(qū)主要集中于高原中部及南部的H1C1、H2C2、H2C2等高海拔地區(qū)。在其他幾個(gè)暖干化為主的區(qū)域中NDVI變化出現(xiàn)了不同的變化態(tài)勢(shì)，其中H2D1柴達(dá)木盆地周邊地區(qū)有較為顯著的增長(zhǎng)，但在H2C1及H1B1兩區(qū)中總體上有不同程度的減少。因此，總體上可以判斷，氣候的暖濕化有利于植被的生長(zhǎng)，植被帶在暖濕氣候條件下出現(xiàn)了明顯的恢復(fù)和擴(kuò)展；而暖干化則在帶來(lái)部分地區(qū)植被好轉(zhuǎn)的同時(shí)，退化較為明顯。值得一提的是，在氣候條件較好的高原南部林芝地區(qū)及滇西北的NDVI減小趨勢(shì)明顯。雖然年均溫度上升較快，但近些年降水減少明顯，尤其是近些年的夏季干旱極有可能是這一地區(qū)植被退化的主要原因[58-59]。

以上分析可以總結(jié)為，最近35年整個(gè)青藏高原的暖溫化對(duì)植被狀況的改善具有明顯的促進(jìn)作用，尤其是在高原中部及西南部的H1C1、H1C2、H2C2三個(gè)高海拔區(qū)暖濕化促進(jìn)作用明顯，但在H2AB1區(qū)中尤其是川西北地區(qū)，無(wú)論是年均溫還是降水都不明顯。由此可以推斷，暖化的過(guò)程使得在高海拔地區(qū)的植被帶生長(zhǎng)環(huán)境改善，有利于植被的生長(zhǎng)和植被帶向高海拔，高緯度地區(qū)擴(kuò)展。但在H2AB1區(qū)中，尤其是川西北地區(qū)，無(wú)論是年均溫還是降水都與NDVI變化的關(guān)系并不明顯，則說(shuō)明這些地區(qū)的植被帶變化原因中，氣候要素變化并不是其最主要原因，可能是人為因素影響等其他因素作用的結(jié)果。

3.2 植被帶變化對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)

圖5 2010s年平均氣溫T(A)和平均降水量P(B)與1980s年平均氣溫T(A)和平均降水量P(B)的差值Figure 5 The mean temperature (A2) and mean precipitation increasing maps (B2) were generated from the differences between the two periods (Mean T/P2010-2016 - Mean T/P1981-1990)

由于植被覆蓋狀況受氣候條件和人為干擾兩個(gè)方面的影響，尤其是在生態(tài)環(huán)境比較脆弱的青藏高原高寒草甸及草原生態(tài)區(qū)，其生長(zhǎng)季較短，植被地上生物量較少，破壞后恢復(fù)能力弱，很容易受氣候及人為因素的影響而使植被帶退化[27, 55, 60]。除了氣候因素之外，人為因素的影響其實(shí)一直為人 們 所 關(guān) 注[24, 27-28, 43]。 由 于 青 藏 高 原 地 區(qū) 是 我 國(guó) 四大牧區(qū)之一，畜牧業(yè)在該區(qū)域中的比重歷來(lái)較高[28]。近些年來(lái)，隨著氣候轉(zhuǎn)暖及西部大開(kāi)發(fā)等國(guó)家發(fā)展政策的實(shí)施，青藏鐵路的開(kāi)通等使得這一地區(qū)的遷移及流動(dòng)人口逐漸增多，人口規(guī)模持續(xù)地增加[35]，旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使得該地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快[44, 46]。由于人口的增加及城鎮(zhèn)的發(fā)展，伴隨人口增長(zhǎng)的是對(duì)奶類、肉類、毛皮制品等畜產(chǎn)品的需求增加，并且牧民的收入與牲畜數(shù)量直接相關(guān)，收入需求的刺激使得畜牧業(yè)超規(guī)模發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)高寒草原草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響在持續(xù)加強(qiáng)[28, 43-44]。近些年來(lái)在牲畜數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，畜牧業(yè)的發(fā)展對(duì)高寒草甸草地生態(tài)系統(tǒng)的壓力進(jìn)一步加大，過(guò)度放牧、鼠蟲害等使草地退化的報(bào)道越來(lái)越多[35, 43-44]。為了分析人類活動(dòng)對(duì)青藏高原地區(qū)植被帶變化的影響，本研究選取了人為因素影響中最重要的兩個(gè)指標(biāo)，即反映人為因素規(guī)模和城鎮(zhèn)規(guī)模的人口規(guī)模，以及代表畜牧業(yè)規(guī)模的牲畜數(shù)量，并以二者與NDVI變化間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而探討人類活動(dòng)對(duì)植被帶的影響。

從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來(lái)看，近些年來(lái)，青藏高原地區(qū)無(wú)論是人口規(guī)模還是牲畜規(guī)模都得到了較快的增長(zhǎng)(圖6)。人口數(shù)量從1971年的813萬(wàn)人很快增長(zhǎng)為2010年的1 553.5萬(wàn)人，平均年增長(zhǎng)率達(dá)到18.51萬(wàn)人·年-1，總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)了近兩倍。而以羊單位換算的整個(gè)青藏高原牲畜的數(shù)量則由1971年的1.002 8 ×108羊單位增長(zhǎng)到 2010 年的 1.343 6 × 108羊單位，平均增長(zhǎng)速度為85.2萬(wàn)羊單位·年-1，總規(guī)模增長(zhǎng)了1.34倍。由于青藏高原地區(qū)以畜牧業(yè)為主的第一產(chǎn)業(yè)占有較大的比重，從第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及整個(gè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)規(guī)模來(lái)看，青藏高原地區(qū)近些年的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)較為明顯，尤其是第二、三產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)速度一度處于加速階段(圖7)。另外近些年來(lái)，以礦產(chǎn)開(kāi)采及能源開(kāi)發(fā)為主的第二產(chǎn)業(yè)以及以旅游和服務(wù)業(yè)為主的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭較快，其比重越來(lái)越高，并逐漸占據(jù)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體地位。另外人口的快速發(fā)展也進(jìn)一步地推動(dòng)了青藏高原城鎮(zhèn)數(shù)量和規(guī)模的發(fā)展，近些年城鎮(zhèn)化的發(fā)展速度較快[46]。

由于青藏高原地區(qū)的植被生長(zhǎng)季節(jié)較短，高海拔高寒及缺氧的生態(tài)環(huán)境使得生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，極易受人為活動(dòng)的影響和干擾。另外與其他低海拔氣候較適宜地區(qū)相比，青藏高原地區(qū)無(wú)論是從植被的生物總量、活動(dòng)狀況、污染的自然降解水平還是破壞后的自我恢復(fù)能力等都比其他暖濕氣候條件下的生態(tài)系統(tǒng)差，脆弱的生態(tài)環(huán)境使得這一地區(qū)對(duì)人為因素的干擾尤其敏感[43, 60]。

圖6 青藏高原地區(qū)1971-2010年人口規(guī)模及以羊單位換算的牲畜數(shù)量的增長(zhǎng)情況Figure 6 Population and sheep-unit livestock numbers for the Qinghai-Tibetan Plateau during 1971-2010

圖7 1978-2010年青海、西藏地區(qū)三次產(chǎn)業(yè)的規(guī)模(以當(dāng)年價(jià)格計(jì)算)及城鎮(zhèn)化率Figure 7 The sizes of the three industries and urbanization rate of the Qinghai Province and Tibet

圖8 青藏高原地區(qū)最近35年的人口(A)及牲畜(B)密度線性增長(zhǎng)率Figure 8 Mean population (A) and mean livestock increase rates (B) over the past 40 years

為了從空間上探討人為因素對(duì)植被帶的影響，本研究分析了青藏高原人口的分布及近40年的人口增長(zhǎng)速度(圖8)，以及以羊單位換算的整個(gè)青藏高原的牲畜增長(zhǎng)速度(圖8)。受高海拔及高寒缺氧等惡劣的自然條件的限制，人口基本上分布于海拔高度相對(duì)較低、植被狀況較好的低山河谷地區(qū)，并在高原邊緣接近低海拔的地區(qū)有相對(duì)較為集中的分布。從生態(tài)氣候分區(qū)上來(lái)看，H2C1、H1B1、H2AB1及H3等地區(qū)的人口密度較高。而在高原廣闊的中西部地區(qū)人口分布則較為稀疏。從人口的年平均增長(zhǎng)率也可以看出，高原邊緣地區(qū)、藏南及中部地區(qū)的人口增長(zhǎng)較快。牲畜的空間分布與人口的分布相似，主要分布于海拔高度相對(duì)較低、氣候環(huán)境相對(duì)較好的低海拔河谷地區(qū)，H2C1、H1B1、H2AB1及H2C2等地區(qū)是分布相對(duì)較為集中的地區(qū)。與人口分布不同的是，牲畜的增長(zhǎng)速度近些年在川西北及高原的西部高海拔地區(qū)增長(zhǎng)較快，而在高原中部的H1C1、H1B1兩個(gè)地區(qū)有減少的態(tài)勢(shì)。由于這兩個(gè)地區(qū)是三江源自然保護(hù)區(qū)，近些年來(lái)的退牧還草等生態(tài)移民及植被保護(hù)政策可能是其主要原因。

以上無(wú)論是人口規(guī)模的分布還是牲畜規(guī)模的分布，如果對(duì)比分析最近幾十年的植被帶生長(zhǎng)狀況在空間上的變化(圖2)，則可以發(fā)現(xiàn)，在H2C1、H1B1、H2AB1等人口及牲畜密度較高的地區(qū)，雖然植被的生長(zhǎng)環(huán)境相較高原北部及西部高海拔地區(qū)為好，但與其植被改善相反，這些人口及牲畜密度較高的地區(qū)其植被卻普遍出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上的明顯下降態(tài)勢(shì)。由于人為活動(dòng)對(duì)植被帶的影響除了人為的對(duì)礦山開(kāi)采、森林的砍伐及城鎮(zhèn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)土地的侵占之外，最為直接的則是以發(fā)展畜牧業(yè)為主的牲畜放牧對(duì)植被帶的影響[27, 43-44]。為了檢驗(yàn)人為因素對(duì)植被帶的壓力和影響，本研究按縣統(tǒng)計(jì)了最近35年來(lái)青藏高原人口及牲畜的密度及其與NDVI變化率之間的關(guān)系。由于密度的數(shù)量級(jí)差異較大，本研究在取密度的自然對(duì)數(shù)后與NDVI增長(zhǎng)率之間進(jìn)行了Theil-Sen線性回歸分析 (圖 9A，9B)。

從在青藏高原上的207個(gè)縣區(qū)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，人口、牲畜密度對(duì)數(shù)和NDVI變化率之間均出現(xiàn)了較為一致的負(fù)相關(guān)性。其中NDVI變化率NDVItrend和人口密度自然對(duì)數(shù)ln(Population Density)之 間 的 回 歸 方 程 為y= -0.000 2x+ 0.000 2(R2=0.166，P＜ 0.001)，NDVI變化率與牲畜密度自然對(duì)數(shù)ln(Livestock Density)之間的回歸關(guān)系為y= -0.000 3x+0.009(R2= 0.142，P＜ 0.001)，二者的回歸方程檢驗(yàn)均較為顯著?；貧w結(jié)果表明，隨著人口、牲畜密度的增加，NDVI增長(zhǎng)率出現(xiàn)了明顯的遞減，反映出隨著人口、牲畜對(duì)植被帶的壓力加大后，植被帶出現(xiàn)了退化現(xiàn)象。這與在NDVI變化生態(tài)氣候分區(qū)統(tǒng)計(jì)中的結(jié)果基本一致。

圖9 以及1981-2015年以縣為統(tǒng)計(jì)單位人口密度(取自然對(duì)數(shù))與NDVI增長(zhǎng)率之間的回歸關(guān)系(A)及牲畜密度(取自然對(duì)數(shù))與NDVI增長(zhǎng)率之間的回歸關(guān)系(B)Figure 9 The correlations between the NDVI trend and ln(population density) (A)/ln(livestock density) (B)during 1981-2015 in each county

由于人口及牲畜分布較為集中的地區(qū)為H2C1、H2AB1及H3等海拔相對(duì)較低、氣候環(huán)境相對(duì)較好的地區(qū)，但這些地區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況卻普遍出現(xiàn)了退化。在分析人口/牲畜密度與NDVI變化率之間的關(guān)系后可知，氣候的暖化使這些地區(qū)嚴(yán)寒的氣候條件緩解，變得更適宜于人類的游牧和定居，人口的遷入和畜牧業(yè)的快速發(fā)展卻對(duì)這一地區(qū)的植被帶帶來(lái)了壓力和干擾、產(chǎn)生了負(fù)面的影響，干擾加大從而使植被帶總體上處于退化狀態(tài)。在這些地區(qū)植被帶生長(zhǎng)狀況惡化的原因中，人為因素的影響已經(jīng)超過(guò)了平穩(wěn)而緩慢的氣候變化影響本身，已成為其退化的主要原因。

4 結(jié)論

本研究以對(duì)氣候變化和人為影響較為敏感的青藏高原地區(qū)植被帶變化趨勢(shì)為視角，采用GIMMSNDVI來(lái)反映植被帶的生長(zhǎng)狀況，并就其時(shí)空間變化與氣候因子、人為影響之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

ⅰ)最近35年來(lái)整個(gè)青藏高原的植被帶生長(zhǎng)狀況有緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與近些年來(lái)的氣候全面暖化和降水的輕微增加有正向的相關(guān)性。

ⅱ)在高原中部及西南部等高海拔地區(qū)，暖濕化的氣候變化趨勢(shì)是其植被好轉(zhuǎn)的直接原因。即隨著氣候暖化，高海拔地區(qū)嚴(yán)寒的植物生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，林線上升，植被帶向高海拔、高緯度地區(qū)擴(kuò)展，NDVI相應(yīng)地增加。

ⅲ)在高原東北部及其東部邊緣、東南部等海拔高度相對(duì)較低、氣候環(huán)境相對(duì)較好的地區(qū)植被普遍出現(xiàn)惡化。與緩慢的氣候暖化相比，人口及牲畜數(shù)量的增加等人為影響增強(qiáng)是其主要原因。即隨著氣候的暖化，一些地區(qū)因嚴(yán)寒的氣候環(huán)境改善而開(kāi)始適宜于游牧及定居，人口遷入，人為活動(dòng)的影響加劇，當(dāng)超過(guò)了植被帶的承載能力時(shí)，植被帶開(kāi)始退化，表現(xiàn)為NDVI相應(yīng)地減少。

致謝：感謝兩位匿名審稿人對(duì)本文提出的修改建議。中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心(NMIC)及英國(guó)環(huán)境數(shù)據(jù)分析中心(CEDA)提供了氣象資料，在此一并致謝。