三江源植被覆蓋區(qū)NDVI變化及影響因素分析

饒品增， 王義成， 王 芳

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，連接著各圈層的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，是水循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)的重要途徑[1]。三江源位于世界第三極——青藏高原的腹地，是多條大江大河的發(fā)源地，具有重要的水資源保障功能和生態(tài)屏障價(jià)值。三江源作為重要的水源地和生態(tài)寶庫(kù)，其植被生長(zhǎng)狀況對(duì)水源涵養(yǎng)和區(qū)域生態(tài)安全具有重要價(jià)值。由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，上世紀(jì)末三江源出現(xiàn)較嚴(yán)重的植被退化，主要表現(xiàn)為草場(chǎng)退化、冰川萎縮、水土流失和土地荒漠化等[2]。進(jìn)入新世紀(jì)，三江源生態(tài)得到重視，為保護(hù)三江源的正常生態(tài)功能，自2000年起中央和青海省政府出臺(tái)了一系列保護(hù)政策，并設(shè)立國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和建設(shè)國(guó)家公園。

準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)三江源植被變化特征和主要影響因素，對(duì)三江源生態(tài)保護(hù)和管理具有重要參考價(jià)值。遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)，有助于從宏觀尺度上認(rèn)識(shí)植被變化的規(guī)律。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)分析了植被的空間分布和時(shí)間變化特點(diǎn)[3-4]。由于三江源地形復(fù)雜、植被稀疏程度差異大、氣候變化敏感等，加之研究時(shí)間和空間尺度的不同，研究人員評(píng)價(jià)的植被變化規(guī)律存在較大差異。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[5]基于1970—2004多期土地利用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)三江源植被存在明顯退化。Li等[6]選取三江源6個(gè)典型區(qū)域，結(jié)果顯示1976—2015年這些地區(qū)的草地退化均呈明顯增加趨勢(shì)。李輝霞等[7]利用SPOT產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析了2001—2010年歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI) 變化，研究區(qū)NDVI整體呈上升趨勢(shì)，表明植被生長(zhǎng)呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。徐嘉昕等[8]利用中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析了2000—2016年植被生長(zhǎng)季NDVI變化，也發(fā)現(xiàn)三江源植被整體趨向變好。另外，許多研究表明，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)三江源的植被整體影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)[7,9]。

隨著全球氣候變暖加劇，三江源地區(qū)植被變化仍存在較大不確定性。為認(rèn)識(shí)三江源植被變化的特點(diǎn)，本研究以MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品為依據(jù)，分析三江源近20年來(lái)的植被覆蓋區(qū)NDVI時(shí)空變化，并分析氣候變化和植被NDVI變化的相關(guān)關(guān)系。此外，本研究還將植被類(lèi)型、凍土、DEM和坡度等數(shù)據(jù)和NDVI變化結(jié)果進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，分析植被NDVI變化受其他因素影響的特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源地處青藏高原腹地，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，地理位置介于31°39′～36°12′ N，89°45′～102°23′ E之間，總面積36.94萬(wàn)km2，平均海拔在4 000 m以上(圖1)。三江源屬于高原大陸性氣候，日照長(zhǎng)，年日照時(shí)數(shù)2 336～3 341 h；日內(nèi)氣溫波動(dòng)較大，年平均氣溫在5.1～9.0℃之間，高海拔區(qū)年均氣溫在0℃以下；降水量少，絕大部分地區(qū)年降水量在400 mm以下;地域差異大，東部雨水較多，西部干燥多風(fēng)、缺氧、寒冷;植被類(lèi)型以高寒草甸和草原為主。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源及處理 本文獲取了2000—2019年的MODIS植被產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13Q1，該產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，主要植被指數(shù)包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced vegetation index,EVI)。其中，NDVI可應(yīng)用于檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀況和覆蓋度變化等。該數(shù)據(jù)獲取和計(jì)算主要在Google Earth Engine(簡(jiǎn)稱(chēng)GEE，https://earthengine.google.com/)平臺(tái)上進(jìn)行。

植被類(lèi)型數(shù)據(jù)為1∶100萬(wàn)植被矢量圖(http://www.resdc.cn/)。該數(shù)據(jù)分為11個(gè)大類(lèi)，三江源地區(qū)主要涵蓋其中9類(lèi)，見(jiàn)圖2(a)。

凍土數(shù)據(jù)為1 km多年凍土穩(wěn)定型分布圖[10]，來(lái)自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)基于多年凍土的穩(wěn)定性特征將凍土類(lèi)型分為6類(lèi)，見(jiàn)圖2(b)。

圖2 三江源植被類(lèi)型和凍土分布類(lèi)型Fig.2 Types of vegetation and frozen soil distribution in the Three-River Headwaters Region

高程數(shù)據(jù)為ASTER-GDEM V2數(shù)據(jù)，直接在GEE平臺(tái)上獲取。三江源的高程空間分布見(jiàn)圖1。另外，坡度數(shù)據(jù)由DEM數(shù)據(jù)生成。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，選取1961—2018年研究區(qū)及周邊數(shù)據(jù)資料較為完整的36個(gè)代表性站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)，其中14個(gè)站點(diǎn)位于研究區(qū)域內(nèi)，其分布見(jiàn)圖1。本研究主要選取年降水量、年平均溫度和年日照時(shí)數(shù)3個(gè)指標(biāo)。由于三江源地形起伏較大，采用氣象站點(diǎn)插值過(guò)程中應(yīng)考慮高程的影響。降水和日照時(shí)數(shù)不考慮地形影響，均采用普通的克里金插值方法；溫度受地形影響較大，采用克里金插值方法時(shí)加入高程信息。

為便于計(jì)算，所有柵格數(shù)據(jù)均重采樣到250 m分辨率。

1.2.2主要方法 本研究的整體流程如圖3所示。首先，獲取植被覆蓋區(qū)逐像元NDVI年均值序列。該過(guò)程在GGE中進(jìn)行，為了消除地表水體擴(kuò)張對(duì)結(jié)果的影響，采用歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心(Joint research centre of European commission，JRC)提供的2000—2018年地表水體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。然后，通過(guò)趨勢(shì)分析方法確定NDVI時(shí)空變化特征，采用偏相關(guān)分析計(jì)算NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。最后，通過(guò)空間疊置分析植被類(lèi)型、凍土、DEM、坡度與植被變化的空間特征。

(1)趨勢(shì)分析方法

本文采用一元線(xiàn)性回歸方法分析研究區(qū)NDVI和氣候因子的變化趨勢(shì)。計(jì)算公式如下：

Yt=k×Xt+b

(2)

式中，Xt代表t時(shí)刻自變量的值；Yt代表t時(shí)刻因變量的值；k，b為一元線(xiàn)性回歸方程的參數(shù)，k可用于表征NDVI和氣候因子的變化斜率。

在趨勢(shì)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合F檢驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)NDVI變化進(jìn)行分級(jí)(表1)。

表1 NDVI變化趨勢(shì)分級(jí)Table 1 Classification of NDVI trends

(2)NDVI與氣候因子相關(guān)分析

采用偏相關(guān)分析方法計(jì)算研究區(qū)NDVI和氣候因子的相關(guān)特征。相比簡(jiǎn)單的相關(guān)分析，偏相關(guān)分析消除了其他因素的影響，具有更好的說(shuō)服力[11]。對(duì)NDVI和氣候因子進(jìn)行偏相關(guān)分析有助于分析植被變化的氣候因子主控因素。變量數(shù)量的多少?zèng)Q定偏相關(guān)系數(shù)的階數(shù)。對(duì)于一階偏相關(guān)系數(shù)，其公式為：

(3)

式中，rxy·z為不考慮變量z影響下變量x和變量y的偏相關(guān)系數(shù)。

(3)多要素空間疊置分析

除氣候要素外，土壤溫度和水分條件是植被生長(zhǎng)的重要因素。研究區(qū)為多年凍土區(qū)，隨著氣溫升高，凍土融化導(dǎo)致土壤水分條件發(fā)生變化，從而進(jìn)一步影響植被生長(zhǎng)。由于缺乏有效的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，本研究選取與研究區(qū)土壤水分變化相關(guān)的因素，包括凍土類(lèi)型、DEM和坡度等，構(gòu)建相適應(yīng)的空間圖層，對(duì)影像進(jìn)行空間疊加，計(jì)算研究區(qū)各類(lèi)要素和NDVI變化的空間關(guān)聯(lián)，并進(jìn)一步分析土壤水分變化對(duì)NDVI的影響。

圖3 研究流程圖Fig.3 Flow chart of this study

2 結(jié)果和分析

2.1 生長(zhǎng)季NDVI分布及其時(shí)空變化特征

三江源植被覆蓋區(qū)逐像元2000-2019年生長(zhǎng)季NDVI多年平均值及其變化趨勢(shì)結(jié)果見(jiàn)圖4。研究區(qū)生長(zhǎng)季NDVI年平均值及其變化趨勢(shì)均存在明顯空間差異。在除去河湖和冰川等非植被區(qū)影響后，NDVI多年平均值自西北向東南增加。以NDVI年平均值的變化斜率來(lái)看，研究區(qū)NDVI主要呈上升趨勢(shì)，黃河源東北部NDVI上升最為顯著；研究區(qū)中部NDVI下降，主要集中在長(zhǎng)江源東部，其余地區(qū)的下降較分散。

結(jié)合NDVI變化趨勢(shì)顯著性，對(duì)NDVI變化進(jìn)行分級(jí)(圖4(d))。其中，NDVI明顯增加區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部，尤其是在黃河源東部和北部、長(zhǎng)江流域西北地區(qū)；NDVI明顯減小和略微減小主要分布在長(zhǎng)江源東部以及黃河源南部和瀾滄江源少部分地區(qū)，分布較零散，呈破碎斑塊狀；三江源中部和南部地區(qū)NDVI以略微增加和基本不變?yōu)橹?。各源區(qū)的NDVI變化類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。其中，NDVI明顯增加區(qū)域占植被覆蓋區(qū)面積的38.49%，略微增加占比26.43%，兩者相加超過(guò)60%，表明研究區(qū)NDVI以增加為主；明顯減小和略微減小分別占1.49%和3.76%，證明三江源局部地區(qū)存在植被退化；基本不變部分占29.83%。各源區(qū)NDVI增加和減小比例不同，其中黃河源的明顯增加面積占比達(dá)到48.20%，高于長(zhǎng)江源和瀾滄江源，明顯減小和略微減小部分占比也相對(duì)偏低。

表2 三江源各NDVI變化類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The statistical results of the area of each NDVI change type in the Three-River Headwaters Region/×104 km2

圖4 三江源2000-2019年植被生長(zhǎng)季NDVI多年平均及其變化空間分布Fig.4 The multi-year average and spatial distribution of NDVI in the vegetation growth season of the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2019

各源區(qū)植被生長(zhǎng)季NDVI年平均值變化如圖5所示。2000-2019年三江源NDVI整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中最大值發(fā)生在2018年，最小值發(fā)生在2000年。黃河源和瀾滄江源的NDVI年均值要遠(yuǎn)高于長(zhǎng)江源，三者2000-2019年的生長(zhǎng)季NDVI均值分別為0.40，0.40和0.23。另外，他們的變化趨勢(shì)基本一致，NDVI呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中黃河源上升幅度最大，且上升趨勢(shì)表現(xiàn)顯著，其他均不顯著。

2.2 NDVI變化的氣候因子分析

2.2.1氣象站點(diǎn)緩沖區(qū)結(jié)果分析 源區(qū)內(nèi)的14個(gè)站點(diǎn)2000—2018年植被生長(zhǎng)季NDVI和氣候因子(年降水量、年平均溫度和年日照時(shí)數(shù))的變化趨勢(shì)及其和NDVI均值偏相關(guān)系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。14個(gè)站點(diǎn)中有5個(gè)站點(diǎn)的NDVI顯著上升，分別為同仁、五道梁、興海、沱沱河和共和站，上升的斜率均超過(guò)1.30×10-3a-1；其它站點(diǎn)的NDVI呈不顯著上升或下降趨勢(shì)。大部分站點(diǎn)降水呈增加趨勢(shì)，其中同仁、清水河、久治、星海、共和及貴德站點(diǎn)降水增加顯著；囊謙和沱沱河站的降水呈下降趨勢(shì)，但表現(xiàn)不顯著。大部分站點(diǎn)溫度顯著上升，興海站溫度呈不顯著上升趨勢(shì)，另外玉樹(shù)站的溫度呈不顯著下降趨勢(shì)。除久治站外，其它所有站點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)均呈減小趨勢(shì)，其中同仁、清水河、沱沱河、曲麻萊、玉樹(shù)和共和站的下降趨勢(shì)顯著。

圖5 2000—2019年三江源植被覆蓋區(qū)NDVI年際變化Fig.5 Interannual changes of NDVI in the vegetation coverage area of the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2019

分析各個(gè)站點(diǎn)2000—2018年的NDVI與氣候因子偏相關(guān)關(guān)系。大部分站點(diǎn)的NDVI與降水和溫度呈正相關(guān)，與日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)。14個(gè)氣象站點(diǎn)中，有8個(gè)站點(diǎn)和氣候因子相關(guān)性顯著，主要分布在草原、草甸、灌叢和荒漠，且它們的NDVI上升斜率普遍較大；另外6個(gè)站點(diǎn)的NDVI和氣候因子沒(méi)有顯著的偏相關(guān)關(guān)系，且這些站點(diǎn)的NDVI變化趨勢(shì)均不顯著?？梢?jiàn)，氣候變化很大程度上促進(jìn)了NDVI增加。從站點(diǎn)的空間分布來(lái)看，溫度影響顯著的點(diǎn)位主要位于三江源西部海拔較高地區(qū)，這些點(diǎn)位的溫度上升顯著但降水和日照時(shí)數(shù)變化不明顯；在東部和南部海拔偏低地區(qū)，盡管大部分點(diǎn)位溫度也上升顯著，但NDVI變化還受到降水和日照時(shí)數(shù)的很大影響。一些位于草甸和草原區(qū)域的站點(diǎn)NDVI和氣候因子相關(guān)性不顯著，且它們的NDVI變化趨勢(shì)也均不顯著，這很可能受到其他因素影響。另外，貴德站位于栽培植被區(qū)域，NDVI和各氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)均偏小，這很可能是因?yàn)槭苋藶榛顒?dòng)影響造成的。

表3 氣象站點(diǎn)生長(zhǎng)季NDVI與氣候因子的回歸系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)Table 3 Regression coefficients and partial correlation coefficients of NDVI and climate factors in the growing season of meteorological stations

2.2.2像元尺度結(jié)果分析 2000—2018年的氣候變化斜率結(jié)果如圖6所示。研究區(qū)大部分地區(qū)降水呈增加趨勢(shì)，只有西南少部分地區(qū)為負(fù)值，降水的增加幅度從西南向東北逐漸上升。根據(jù)網(wǎng)格插值結(jié)果，研究區(qū)溫度均呈上升趨勢(shì)，黃河源南部和長(zhǎng)江源西部溫度上升幅度較大，黃河源北部上升較緩慢。日照時(shí)數(shù)變化斜率普遍為負(fù)值，黃河源東部和北部減小幅度最大，研究區(qū)南部少部分地區(qū)日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖6 三江源氣候因子年變化趨勢(shì)Fig.6 Annual change trend of climate factors in the growth season of The Three-River Headwaters Region

對(duì)研究區(qū)2000—2018年生長(zhǎng)季NDVI與氣候因子進(jìn)行逐像元偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示，各氣候因子對(duì)研究區(qū)NDVI的影響存在很大差異(圖7)。降水和NDVI顯著相關(guān)區(qū)域在東北部和南部大部分海拔較低地區(qū)主要為正相關(guān)，在西北部高海拔地區(qū)主要為負(fù)相關(guān)。圖4(d)顯示，東北部顯著相關(guān)區(qū)域NDVI多為明顯增加區(qū)域，而西部和南部顯著相關(guān)區(qū)域的NDVI主要為略微增加和基本不變區(qū)域?？梢?jiàn)，降水增加對(duì)研究區(qū)東北部NDVI增加的促進(jìn)作用較大。溫度和NDVI的顯著和弱顯著正相關(guān)區(qū)域分布較廣泛，在研究東部和西部地區(qū)較集中，其它地區(qū)分布較分散，而負(fù)相關(guān)區(qū)域幾乎沒(méi)有。對(duì)比NDVI變化類(lèi)型(圖4(d))和溫度變化(圖6(b))，研究區(qū)東部的顯著相關(guān)區(qū)域NDVI主要為略微增加，且溫度增加幅度相對(duì)較小，而西部地區(qū)的顯著相關(guān)區(qū)域NDVI主要為明顯增加且溫度上升幅度較大?？梢?jiàn)，溫度上升對(duì)研究區(qū)西部地區(qū)的NDVI促進(jìn)作用更大。日照時(shí)數(shù)和NDVI在研究區(qū)北部主要為負(fù)相關(guān)，而在南部存在少部分正相關(guān)。在北部地區(qū)，降水偏少，植被類(lèi)型多為草甸和草原，日照時(shí)數(shù)減小降低了植被和土壤水分消耗，促進(jìn)了植被生長(zhǎng)和NDVI增加；在南部地區(qū)，降水量比較豐富，一些植被對(duì)水分不是很敏感，日照時(shí)數(shù)增加會(huì)改善植被光合作用，促進(jìn)NDVI增加。

圖7 三江源生長(zhǎng)季NDVI與氣候因子的偏相關(guān)關(guān)系Fig.7 Partial correlation between NDVI and climatic factors during the growing season of The Three-River Headwaters Region

根據(jù)氣候因子和NDVI的顯著性關(guān)系，將研究區(qū)分成顯著相關(guān)區(qū)域、弱顯著相關(guān)區(qū)域和基本不相關(guān)區(qū)域。其中，顯著相關(guān)區(qū)域?yàn)槿我粴夂蛞蜃雍蚇DVI存在顯著相關(guān)的區(qū)域，弱顯著相關(guān)區(qū)域?yàn)槿我粴夂蛞蜃雍蚇DVI存在弱顯著相關(guān)但不存在顯著相關(guān)區(qū)域，基本不相關(guān)區(qū)域?yàn)闅夂蛞蜃雍蚇DVI均為基本不相關(guān)區(qū)域。統(tǒng)計(jì)各個(gè)NDVI變化類(lèi)型中三者的面積占比(圖8)。NDVI明顯增加到明顯減小中，顯著相關(guān)和弱顯著相關(guān)面積占比均在呈下降趨勢(shì)，而基本不相關(guān)區(qū)域面積占比在不斷下降。這表明，總體上氣候變化對(duì)研究區(qū)NDVI增加有較明顯的促進(jìn)作用，提高了研究區(qū)域植被的綠化程度。

圖8 三江源不同NDVI變化類(lèi)型的各氣候因子相關(guān)性占比Fig.8 Correlation proportions of various climatic factors of different types of NDVI changes in the Three-River Headwaters Region

2.3 NDVI不同變化類(lèi)型與相關(guān)因素的空間關(guān)聯(lián)

本文對(duì)NDVI變化類(lèi)型和植被類(lèi)型、凍土、DEM和坡度進(jìn)行空間疊加，計(jì)算得到疊加圖層中各類(lèi)NDVI變化類(lèi)型的面積和所占百分比，結(jié)果見(jiàn)圖9。研究區(qū)的植被類(lèi)型以草甸和草原為主，高山植被和灌叢占比在5%～10%之間，其余占比很小。從各個(gè)植被類(lèi)型NDVI增加部分看，所有植被類(lèi)型的NDVI增加(包括明顯增加和略微增加，下同)部分占總的比例均超過(guò)50%，高于基本不變和減小(包括明顯減小和略微減小，下同)部分；闊葉林、栽培植被和荒漠的NDVI明顯增加部分占比要遠(yuǎn)高于平均水平，草原和針葉林的NDVI明顯增加部分也高于平均值，其余均低于38.49%的平均水平；草甸的NDVI明顯增加部分占比最低，若加上略微增加部分，高山植被的增加部分占比最低。從減小部分看，栽培植被的NDVI明顯減小最為突出，但略微減小部分占比相對(duì)較小；草甸和灌叢的明顯減小和略微減小部分高于其它植被類(lèi)型；荒漠的明顯減小部分也占一定比例，但略微減小部分占比很??；闊葉林不存在明顯減小部分，略微減小部分占比也相對(duì)較小?？偟膩?lái)看，NDVI增加是研究區(qū)各植被類(lèi)型變化的主要趨勢(shì)，各植被類(lèi)型均呈一定的上升趨勢(shì)；與NDVI增加部分相比，NDVI減小部分主要集中在草甸以及少部分的草原和灌叢等；栽培植被受人為影響較大，NDVI減小可能是由于輪換耕種和棄耕等導(dǎo)致。

各類(lèi)凍土面積差異很大，季節(jié)凍土是研究區(qū)主要的凍土類(lèi)型，占比為50.08%，其余均在20%以下，極穩(wěn)定凍土面積占比很小，幾乎可以忽略不計(jì)。不同凍土類(lèi)型的NDVI變化存在一定差異。從增加部分看，6類(lèi)凍土層中，季節(jié)凍土的NDVI明顯增加和略微增加部分均高于其它凍土層，且隨著凍土穩(wěn)定性提高，增加部分比例在逐漸減小。從減小部分看，除穩(wěn)定型外，其它凍土層明顯減小和略微減小部分均占一定比例。從基本不變部分看，越穩(wěn)定的凍土層基本不變部分占的比例越高，這說(shuō)明研究區(qū)越不穩(wěn)定的凍土層NDVI變化越明顯，無(wú)論是增加還是減小。

研究區(qū)的海拔多在4 000～5 000 m之間，低于3 000和高于5 500 m的地區(qū)占比很低。不同海拔NDVI變化差異很大。從增加部分看，海拔越低，NDVI增加的比例越高，基本不變的比例越低;從減小部分看，明顯減小和略微減小集中分布在4 000～5 000 m之間，低海拔和高海拔地區(qū)減小的面積和占比均較低。

研究區(qū)坡度以低坡為主，其中坡度8°以下占總面積比為62.13%，隨著坡度增加，面積占比快速減小。不同坡度的NDVI增加比例差異較小，低坡度地區(qū)的NDVI明顯增加部分占比相對(duì)較高，高坡度地區(qū)的略微增加部分相對(duì)較高。從減小部分來(lái)看，NDVI的減小比例隨著坡度增加呈先上升后減小趨勢(shì)，8°～13°區(qū)間的NDVI明顯減小和略微減小部分占比最高。

由表2可知，研究區(qū)大部分站點(diǎn)氣溫呈顯著上升趨勢(shì)。氣溫上升引起凍土融化，尤其是不穩(wěn)定的凍土。凍土消融會(huì)增加土壤水分和溫度，并加速土壤水分遷移。在低坡度地區(qū)，消融的水分幾乎不發(fā)生遷移，且由于高坡度地區(qū)的土壤水分流入會(huì)導(dǎo)致土壤水分不斷增加，會(huì)改善植被生長(zhǎng)條件，促進(jìn)植被生長(zhǎng)，這與圖5中季節(jié)凍土層NDVI增加比例偏高的結(jié)果一致。相反，對(duì)于高坡度地區(qū)，凍土消融土壤水分會(huì)加速流失，并導(dǎo)致植被根系缺水。圖5中顯示3°以上地區(qū)的NDVI減小部分比例要高于3°以下地區(qū)。高寒草甸對(duì)水分要求較高，一般生長(zhǎng)在水分充足的低洼地區(qū)，是對(duì)水分變化最敏感的植被類(lèi)型之一。研究區(qū)草甸NDVI減小比例明顯高于其它類(lèi)型，這表明凍土退化影響到高坡度地區(qū)草甸的生長(zhǎng)。而從凍土類(lèi)型和海拔來(lái)看，NDVI減小集中在4 000～5 000 m之間的穩(wěn)定性較低的凍土地帶。在更低海拔地區(qū)，凍土本身深度較淺且穩(wěn)定性差，對(duì)植被影響相對(duì)較?。辉诟吆０蔚貐^(qū)，凍土很深，氣溫上升只對(duì)表層影響較大，可提供的植被根系蓄水仍然充足，暫時(shí)還不會(huì)引起植被退化。

圖9 三江源NDVI變化類(lèi)型與多要素疊加面積和百分比Fig.9 The area and its percentage of NDVI change types and multi-element superposition area in the Three-River Headwaters Region

3 討論

本文對(duì)2000—2019年三江源植被覆蓋區(qū)NDVI空間分布、時(shí)間變化及影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明2000—2019年三江源植被覆蓋區(qū)NDVI整體呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)，這與徐嘉昕等[8]和于秀娟等[12]的結(jié)論基本一致，也與李輝霞等[7]選用的SPOT數(shù)據(jù)2000—2010年的NDVI變化結(jié)果吻合。另外，從整個(gè)青藏高原角度，Shen等[13]和韓炳宏等[14]的結(jié)論也表明青藏高原植被整體呈現(xiàn)變好趨勢(shì)?？梢?jiàn)，從整體上看，三江源植被整體變好是較一致、可靠的結(jié)論。根據(jù)孫慶齡等[9]的研究，2000—2013年NDVI明顯增加地區(qū)位于西部和北部，這與本文東部地區(qū)NDVI增加最顯著的結(jié)論并不一致，這可能是由于研究時(shí)間尺度和選取范圍的不同。本文研究尺度為2000—2019年，采用5月到9月的10景NDVI影像數(shù)據(jù)做年平均，而孫慶齡等研究尺度為2000—2013年，采用5月中旬到9月底的8景影像數(shù)據(jù)做年平均，且研究區(qū)域并未包括植被上升最顯著的青海湖周邊地區(qū)。

本文也通過(guò)NDVI變化分級(jí)分析得出三江源植被存在一定量的植被退化，并借助植被類(lèi)型、凍土類(lèi)型、DEM和坡度數(shù)據(jù)等，分析得出NDVI明顯減小主要為高坡度地區(qū)的高寒草甸等，這和Li等[9]的存在草地退化的結(jié)論基本一致，但更完善。退化的草地主要位于長(zhǎng)江源東部，海拔4 000～5 000 m之間。根據(jù)尚占環(huán)等[22]的研究，三江源乃至青藏高原的草地退化主要是受到水土流失、鼠疫和毒雜草擴(kuò)張的影響，本文沒(méi)有關(guān)注后兩者的影響，需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)地調(diào)研進(jìn)行完善。

此外，三江源湖泊不斷擴(kuò)張是公認(rèn)的結(jié)論[15-16]。由于湖泊擴(kuò)張，湖泊周邊的NDVI會(huì)出現(xiàn)顯著下降，這與植被退化存在明顯的差別，而過(guò)去的研究幾乎都沒(méi)有明確考慮這一點(diǎn)[16-17]，這對(duì)研究區(qū)為數(shù)不多的植被退化來(lái)講影響很大。本文通過(guò)借助多年的遙感水體產(chǎn)品去除了這部分水域，從而降低了水域擴(kuò)張對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

氣候變化對(duì)研究區(qū)NDVI增加起主導(dǎo)作用。本文采用偏相關(guān)分析的方法分析了氣候因子和NDVI的相關(guān)關(guān)系，年內(nèi)時(shí)間范圍為生長(zhǎng)季而非全年，一定程度上更加合理。另外，過(guò)去一些研究忽略了日照時(shí)數(shù)對(duì)NDVI變化的影響[7,18]，本文計(jì)算結(jié)果表明，日照時(shí)數(shù)對(duì)部分地區(qū)的NDVI影響要高于降水和溫度。

由于缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的土壤水分和溫度數(shù)據(jù)，本文借助其他相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)空間疊加方式分析了研究區(qū)凍土退化引起的土壤水分變化對(duì)植被的影響。從不同凍土層的植被變化來(lái)看，越不穩(wěn)定的凍土NDVI上升越明顯，這表明氣候變化導(dǎo)致的冰川凍土消融一定程度上有利于植被增長(zhǎng)。這主要是因?yàn)閮鐾料谠黾恿送寥浪趾蜏囟?，改善了植被生長(zhǎng)條件，從而促進(jìn)了植被生長(zhǎng)。值得注意的是，在高坡度地區(qū)，當(dāng)凍土進(jìn)一步消融水分流失殆盡將很有可能導(dǎo)致植被失去水分并轉(zhuǎn)而走向退化[19-20]，目前在研究區(qū)4 000～5 000 m不穩(wěn)定凍土層中表現(xiàn)較為明顯。

基于NDVI反映植被變化存在一定局限性。NDVI是最常用的植被指數(shù)之一，能很好地區(qū)分植被和非植被，并反映植被的生長(zhǎng)狀況，但無(wú)法給出植被類(lèi)型變化和群落結(jié)構(gòu)演替。實(shí)際上，三江源的植被類(lèi)型也存在一定的變化。隨著氣候和土壤條件改善，部分地區(qū)由荒漠逐漸轉(zhuǎn)向草原草甸植被類(lèi)型[19]。由圖4(b)可知，黃河源東部地區(qū)的荒漠NDVI增加明顯，可見(jiàn)該地區(qū)可能已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴菰虿莸?。此外，NDVI一定程度上會(huì)受到天氣因素影響[21]，如降水和多云天氣。土壤濕度對(duì)NDVI也有一定的影響。一般來(lái)說(shuō)，濕的土壤NDVI偏小，在植被并未改善而土壤濕度減小的情況下NDVI也會(huì)顯示增加，這一定程度上會(huì)造成結(jié)果誤差。另外，本文沒(méi)有考慮人類(lèi)活動(dòng)的影響。盡管人類(lèi)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)大部分地區(qū)的植被影響很小，但在一些地區(qū)，人類(lèi)活動(dòng)的影響程度可能很大，在未來(lái)研究過(guò)程中，需要進(jìn)一步考慮人類(lèi)活動(dòng)對(duì)局部地區(qū)植被的影響。

4 結(jié)論

自2000年以來(lái)，三江源植被覆蓋區(qū)NDVI發(fā)生了明顯變化。其中，明顯增加比例為38.49%，略微增加比例為26.43%，基本不變比例為29.83%，略微減小比例為3.76%，明顯減小比例為1.49%。氣候變化對(duì)研究區(qū)NDVI整體起促進(jìn)作用，降水增加對(duì)研究區(qū)東部NDVI增加效果較為明顯，溫度上升在西部地區(qū)起主導(dǎo)作用，日照時(shí)數(shù)下降對(duì)研究區(qū)北部的NDVI增加作用較顯著，上升對(duì)研究區(qū)南部一些地區(qū)有一定的促進(jìn)作用。不同植被類(lèi)型、凍土、海拔和坡度的NDVI變化存在較大差異，海拔較低、凍土不穩(wěn)定區(qū)域的NDVI增加更為明顯，NDVI減小主要發(fā)生在坡度較高、分布在4 000～5 000 m之間的高寒草甸。總體上，NDVI增加主要是由于氣候變化直接作用導(dǎo)致，NDVI減小一定程度上是由于氣溫上升高坡度地區(qū)的凍土融化導(dǎo)致土壤水分流失造成。