青藏高原兩種高寒草地植被變化及其水溫驅(qū)動(dòng)因素分析

梁大林,唐海萍

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院, 北京 100875

青藏高原草地資源占全國(guó)總草地資源的1/3,是我國(guó)面積最大的天然草地[1—2],研究青藏高原不同草地植被變化對(duì)草地資源保護(hù)與調(diào)查具有重要意義。青藏高原也是我國(guó)重要的生態(tài)功能區(qū),是全球氣候變化最敏感的地區(qū)之一[3—4],其草地植被對(duì)氣候變化響應(yīng)研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一[5—9]。

上世紀(jì)以來青藏高原地區(qū)年平均氣溫總體呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì),年降水量在近40年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[10],這種以變暖變濕為主要特征的氣候變化對(duì)青藏高原植被覆蓋具有重要影響,高寒草地作為青藏高原主要植被類型之一,受氣候變化影響較為顯著[11—12]。植被NPP是衡量植物在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力,表征全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響及相應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)[13—14],不少學(xué)者基于植被NPP研究植被變化[15—17],從時(shí)空尺度探討植被NPP變化特征及其與氣候變化之間的關(guān)系[18]。張鐿鋰等[19]利用CASA模型估算青藏高原高寒草地1982—2009年間植被凈初級(jí)生產(chǎn)力,分析了高寒草地植被NPP時(shí)空格局與變化特征,對(duì)青藏高原草地植被NPP變化有整體認(rèn)識(shí)；Zheng等[20]研究青藏高原2001—2015年植被NPP時(shí)空格局及其對(duì)氣溫、降水和太陽(yáng)輻射的響應(yīng),從總體上對(duì)青藏高原植被NPP與氣候因素進(jìn)行分析；韓炳宏等[21]通過植被NDVI研究了青藏高原2000—2018年植被覆蓋變化及其與氣候因素的關(guān)系,得出青藏高原植被整體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài),與降水和溫度呈正相關(guān)。前人在青藏高原植被NPP變化方面做了很多研究,取得眾多研究成果,但對(duì)青藏高原不同地區(qū)具體植被類型NPP變化與氣候變化響應(yīng)差異研究相對(duì)欠缺。周秉榮等[22]研究發(fā)現(xiàn)三江源區(qū)近54年植被NPP整體呈顯著增加趨勢(shì),氣溫是影響該地區(qū)植被NPP增加的主要?dú)庀笠蛩?該研究只是針對(duì)三江源植被,氣溫是否也是影響青藏高原其他地區(qū)植被NPP增加的主要?dú)庀笠蛩匦柽M(jìn)一步研究； 陳舒婷等[23]通過相關(guān)分析和重心模型等方法對(duì)2000—2015年整個(gè)青藏高原植被NPP時(shí)空變化格局及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究,從整體上區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被變化的影響。而戴黎聰?shù)萚24]只是分析了青藏高原高寒小嵩草草甸和高寒金露梅灌叢兩種植被NPP變化和氣候相關(guān)性,對(duì)全球變暖背景下這兩種植被NPP變化差異有進(jìn)一步認(rèn)識(shí),而對(duì)于高寒草甸和高寒灌叢是否也成立,需要進(jìn)一步研究。

現(xiàn)有研究主要集中在青藏高原整體植被NPP時(shí)空分布格局及其對(duì)氣候響應(yīng),為青藏高原區(qū)域尺度上長(zhǎng)時(shí)間序列植被NPP時(shí)空分異格局與變化規(guī)律研究奠定了基礎(chǔ)[25],但對(duì)青藏高原內(nèi)部不同區(qū)域、不同草地類型之間植被NPP與氣候變化相關(guān)性差異研究較少,缺乏對(duì)青藏高原不同草地植被生長(zhǎng)與氣候制約因子比較研究。而高寒草甸和高寒草原作為青藏高原兩種典型植被類型,是青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的主體[26—27],在不同地區(qū)、不同氣候環(huán)境下,二者對(duì)氣候變化的響應(yīng)也可能存在顯著差異,目前關(guān)于兩者對(duì)比研究相對(duì)欠缺。

基于此,本文以三江源高寒草甸和阿里高寒草原為研究對(duì)象,利用研究區(qū)2000—2017年草地植被月最大值NPP變化表征植被變化(下文所提NPP均代表月最大值NPP),根據(jù)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值得到研究區(qū)氣溫、降水時(shí)空變化,研究?jī)煞N高寒草地植被變化與氣象因子相關(guān)性,得出氣象因子對(duì)兩種高寒草地植被變化影響差異,為青藏高原不同草地植被對(duì)氣候變化響應(yīng)研究提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于我國(guó)青海省南部(圖1),是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地,平均海拔3500—4800 m。該區(qū)域總面積達(dá)38.24×104km2,年平均氣溫低于-1℃,屬于典型的高原大陸性氣候,冷熱兩季交替、干濕季節(jié)分明,且植被類型以高寒草甸為主[28]。

阿里地區(qū)位于青藏高原北部西藏自治區(qū)西部(圖1),平均海拔4500 m以上,素有“世界屋脊”的屋脊之稱。該地區(qū)總面積約為33.7×104km2,年平均氣溫在0.4—3.6℃之間,屬亞寒帶干旱高原氣候區(qū),植被類型以高寒草原為主[29—30]。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)、氣象站點(diǎn)和高程分布Fig.1 Sampling points, meteorological stations and elevation distribution in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所采用數(shù)據(jù)和預(yù)處理過程如下

(1)研究區(qū)草地類型數(shù)據(jù)源自1∶100萬植被圖(圖1)。(2)2000年3月—2018年2月降水、氣溫月值數(shù)據(jù)集均來自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.nmic.cn/),包括青藏高原及周邊地區(qū)102個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)；利用專業(yè)氣象插值軟件ANUSPLIN對(duì)各年月值氣象數(shù)據(jù)插值,得到青藏高原2000—2017年250 m分辨率氣溫與降水柵格數(shù)據(jù)。ANUSPLIN插值是一種廣泛應(yīng)用于青藏高原氣候因子模擬的方法,插值時(shí)加入高程協(xié)變量能較好地?cái)M合青藏高原氣象要素[7]。(3)三江源與阿里地區(qū)各縣牛羊肉產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)知網(wǎng)中青海省統(tǒng)計(jì)年鑒(https://www.cnki.net/)。(4)NPP數(shù)據(jù)來源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)青藏高原生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估遙感反演凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集[31—32],空間分辨率250 m×250 m。本研究最后將所有數(shù)據(jù)重采樣為250 m×250 m柵格數(shù)據(jù)。

1.3 NPP數(shù)據(jù)評(píng)估

本研究分析所用NPP數(shù)據(jù)均來自青藏高原生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估遙感反演凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集,時(shí)間跨度2000—2017年,該數(shù)據(jù)集基于CASA模型計(jì)算得到植被月最大值NPP[31],代表植被一年中生長(zhǎng)最好月份狀況。為評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在三江源與阿里地區(qū)的可靠性,本研究基于Liang等人[33]發(fā)表文獻(xiàn)中實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)評(píng)估三江源區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,利用國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心公開的藏北樣帶實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)評(píng)估阿里區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過對(duì)研究區(qū)NPP數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)與線性回歸分析,結(jié)果表明,三江源區(qū)高寒草甸植被NPP與實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.863(P<0.001),線性回歸擬合優(yōu)度R2為0.749；阿里地區(qū)高寒草原NPP與實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.833(P<0.05),線性回歸擬合優(yōu)度R2為0.695(圖2)。由此可見,本研究所用產(chǎn)品中兩種高寒草地植被NPP計(jì)算結(jié)果可靠,可進(jìn)行下步相關(guān)研究。

圖2 研究區(qū)NPP數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)線性擬合Fig.2 Linear fit between NPP data and measured biomass data in the study area

1.4 研究方法

1.4.1Sen+M-K趨勢(shì)分析

對(duì)NPP及氣象數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析一般采用回歸分析或Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)分析,回歸分析要求時(shí)間序列符合正態(tài)分布,且結(jié)果容易受噪聲干擾[34]。相比之下Theil-Sen Median(Sen)趨勢(shì)度分析是計(jì)算序列中的中位數(shù),可以很好地減少噪聲干擾,是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法,但其本身不能實(shí)現(xiàn)序列趨勢(shì)顯著性判斷。這兩種方法結(jié)合使用在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中具有很大優(yōu)勢(shì),不僅可以有效增強(qiáng)抗噪性,且更準(zhǔn)確地檢驗(yàn)時(shí)間序列趨勢(shì)及其顯著性。本文利用Sen趨勢(shì)度對(duì)時(shí)間序列趨勢(shì)進(jìn)行判斷,利用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)趨勢(shì)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

Sen趨勢(shì)計(jì)算公式：

(1)

式中,xj和xi為時(shí)間序列數(shù)據(jù),Median()表示序列中位數(shù),當(dāng)Sen>0表示時(shí)間序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)Sen<0表示時(shí)間序列呈下降趨勢(shì)[35]。

M-K趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)方法如下：

(2)

(3)

式中,xj和xi為時(shí)間序列數(shù)據(jù),n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；當(dāng)n≥8時(shí),(3)式檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S近似為正態(tài)分布。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)量S標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z：

(4)

原假設(shè)H0表示時(shí)間序列(x1、x2、x3、…,xn)是獨(dú)立同分布樣本數(shù)據(jù),不存在時(shí)間序列趨勢(shì),備擇假設(shè)H1表示序列存在上升或下降趨勢(shì)。在給定顯著性水平α下,若|Z|≥Z1-α/2,則拒絕原假設(shè)H0,在置信水平α上采用備擇假設(shè),即時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在顯著上升或下降趨勢(shì)。在本文檢驗(yàn)中Sen>0表示呈上升趨勢(shì),Sen<0表示下降趨勢(shì)；當(dāng)Z的絕對(duì)值大于1.65、1.96和2.58時(shí),表示趨勢(shì)通過的信度分別為90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

M-K方法還可以用于突變檢驗(yàn),假定有n個(gè)樣本的時(shí)間序列x1,x2,…,xn,構(gòu)造一秩序列：

(5)

式中,xi>xj時(shí),ri=+1；xi

(6)

1.4.2相關(guān)與偏相關(guān)性計(jì)算

本文對(duì)阿里和三江源地區(qū)草地NPP與氣象因子分別采用逐像元相關(guān)與偏相關(guān)分析。由于年降水量和年平均溫度都對(duì)草地NPP有影響,控制其中一種氣象要素不變,研究另一種氣象要素對(duì)草地NPP的影響[36],計(jì)算原理見參考文獻(xiàn) [36]。

Pearson相關(guān)分析計(jì)算公式如下式(7)：

(7)

偏相關(guān)分析計(jì)算公式如下式(8)

(8)

式中,n表示時(shí)間序列長(zhǎng)度,本研究時(shí)間序列為18,rxy表示x與y之間相關(guān)系數(shù),rxy·z表示控制變量為z時(shí),x與y之間偏相關(guān)系數(shù)[37]。

本研究數(shù)據(jù)處理使用了ANUSPLIN和Matlab軟件, 結(jié)果分析與統(tǒng)計(jì)地圖制作使用了Origin和ArcMap軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源與阿里地區(qū)氣溫與降水變化

通過對(duì)氣象站點(diǎn)進(jìn)行ANUSPLINE氣象插值得到三江源地區(qū)與阿里地區(qū)2000—2017年氣溫與降水柵格數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。計(jì)算結(jié)果表明三江源地區(qū)與阿里地區(qū)年平均氣溫總體均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但二者年際升溫幅度差異較大。阿里地區(qū)從2000年的2.59℃上升至2017年的4.12℃,平均年際增長(zhǎng)為0.085℃/a(圖3、圖4),而三江源地區(qū)升溫相對(duì)不穩(wěn)定,三江源地區(qū)年際平均氣溫變化大,在2000—2013年間,氣溫上下波動(dòng)較大,從2014年開始呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì), 2000—2017年平均增長(zhǎng)速率為0.084℃/a。阿里地區(qū)年平均氣溫M-K趨勢(shì)分析表明,2000—2017年氣溫均為上升趨勢(shì),其中2007年、2012年和2017年上升趨勢(shì)顯著(圖4)。即2000—2017年阿里地區(qū)年平均氣溫相對(duì)穩(wěn)步上升,而三江源地區(qū)2000—2014年氣溫波動(dòng)較大,2014—2017年氣溫上升顯著。

圖3 研究區(qū)年平均氣溫與累計(jì)年降水變化Fig.3 Annual average temperature and cumulative annual precipitation changes in the study area

圖4 研究區(qū)年平均氣溫與累計(jì)年降水變化趨勢(shì)M-K突變性檢驗(yàn)Fig.4 M-K mutation test of the variation trend of annual average temperature and cumulative annual precipitation in the study areaUF:正序統(tǒng)計(jì)量Positive sequence statistics；UB:逆序統(tǒng)計(jì)量Inverse sequence statistics

在降水方面,三江源地區(qū)與阿里地區(qū)年降水量均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。三江源地區(qū)年降水量從2000年363.84 mm上升至2017年的433.61 mm；而阿里地區(qū)年降水量從2000年的163.93 mm上升至2017年的204.12 mm,兩地降水均呈現(xiàn)不同程度波動(dòng)增長(zhǎng)。降水M-K趨勢(shì)分析表明,2008—2014年三江源地區(qū)降水呈顯著上升趨勢(shì)(α<0.05),阿里地區(qū)降水上升趨勢(shì)不顯著(α>0.05)。

2.2 研究區(qū)兩種高寒草地植被變化時(shí)間對(duì)比分析

從2000年到2017年,三江源和阿里地區(qū)高寒草地植被平均NPP均呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì),其中三江源地區(qū)高寒草甸植被NPP平均年增長(zhǎng)率為0.49gC m-2a-1,阿里地區(qū)高寒草原植被NPP平均年增長(zhǎng)率為0.0454gC m-2a-1(圖5)。分時(shí)間段看,兩種高寒草地植被NPP變化具有一定差異,三江源地區(qū) 2000—2005年高寒草甸植被NPP出現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)；而阿里地區(qū)2000—2005年高寒草原植被NPP出現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)。從2007年到2017年,三江源地區(qū)高寒草甸植被NPP出現(xiàn)明顯波動(dòng)上升趨勢(shì),而阿里地區(qū)高寒草原植被NPP在2010—2017年呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖5 兩種高寒草地植被NPP年際變化Fig.5 Interannual changes in NPP of vegetation in two types of alpine grasslands

2.3 研究區(qū)兩種高寒草地NPP空間分布及變化趨勢(shì)

空間上兩種高寒草地植被NPP均呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減格局(圖6)；阿里地區(qū)高寒草原NPP整體處于相對(duì)較低水平,月最大值NPP不超過30gC m-2a-1,NPP相對(duì)高值區(qū)集中在普蘭縣、措勤縣和改則縣南部,而日土縣及改則縣西北部地區(qū),高寒草原NPP均處于最低值。三江源地區(qū)高寒草甸NPP整體比阿里地區(qū)高寒草原高,空間上高值區(qū)分布也相對(duì)更集中。如三江源地區(qū)NPP高值集中分布東北部庫(kù)澤縣和河南蒙古自治縣以及玉樹縣和囊謙縣連片區(qū)92.7—139.1gC m-2a-1,在瑪多縣和稱多縣地區(qū)NPP值處于中間水平,而格爾木市及治多縣西北部NPP最低0—26.2gC m-2a-1；相比阿里地區(qū),三江源地區(qū)高寒草原NPP低值集中分布在北部及西部邊緣地區(qū)。

圖6 研究區(qū)NPP空間分布Fig.6 Patial distribution of NPP in the study area

研究區(qū)兩種高寒草地2000—2017年NPP變化趨勢(shì)差異明顯(圖7和表1),高寒草甸NPP增長(zhǎng)趨勢(shì)較高寒草原明顯。高寒草甸NPP呈上升趨勢(shì)部分占總面積57.7%,下降趨勢(shì)占總面積42.3%,其中呈顯著上升趨勢(shì)占比13%,顯著下降趨勢(shì)占比6.49%,高寒草甸NPP總體呈上升趨勢(shì)。而高寒草原NPP上升趨勢(shì)略比下降趨勢(shì)占比高,上升趨勢(shì)占比50.96%,下降趨勢(shì)占比49.04%,總體NPP上升部分相對(duì)較少?？臻g上,位于三江源地區(qū)的高寒草甸NPP增長(zhǎng)區(qū)主要集中在西南部的格爾木市、雜多縣和治多縣,這些地區(qū)均為氣溫和降水相對(duì)較低區(qū)域。阿里地區(qū)高寒草原NPP增長(zhǎng)區(qū)主要集中在改則縣和日土縣北部及札達(dá)縣,其中改則縣北部上升趨勢(shì)最顯著。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),三江源與阿里地區(qū)高寒草地NPP增長(zhǎng)顯著區(qū)均位于降水和溫度相對(duì)低值區(qū)域。

圖7 研究區(qū)NPP年際變化Sen+M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Fig.7 M-K trend test results of interannual changes in NPP in the study areaSen>0,|Z|>1.65表示NPP序列呈顯著上升趨勢(shì)；Sen>0,|Z|<1.65表示NPP序列呈上升趨勢(shì)但不顯著；Sen<0,|Z|>1.65表示NPP序列呈顯著下降趨勢(shì),Sen<0,|Z|<1.65, 表示NPP序列呈下降趨勢(shì)但不顯著；以上通過顯著性檢驗(yàn)均為90%置信區(qū)間

表1 兩種高寒草地NPP變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

2.4 放牧與高寒草地植被變化

放牧等人類活動(dòng)可能對(duì)兩種高寒草地植被NPP變化產(chǎn)生一定影響?；谌春桶⒗锏貐^(qū)各縣統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2016)中牛羊肉產(chǎn)量代表各縣放牧強(qiáng)度,利用各縣域草地NPP均值代表植被生長(zhǎng)狀況,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明兩種高寒草地牛羊肉產(chǎn)量年際變化與草地NPP變化不存在明顯負(fù)相關(guān)性。在三江源區(qū),牛羊肉產(chǎn)量呈明顯逐年上升趨勢(shì),而高寒草甸植被NPP并沒有出現(xiàn)逐年下降趨勢(shì),而是出現(xiàn)一定波動(dòng)變化,二者線性回歸擬合優(yōu)度R2為0.0352,相關(guān)系數(shù)-0.187(P>0.05)。在阿里地區(qū),2000—2014年牛羊肉產(chǎn)量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),2014—2016年牛羊肉產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢(shì),而該地區(qū)高寒草原植被NPP變化并沒有出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),部分年份(2014—2016年)變化趨勢(shì)與牛羊肉產(chǎn)量變化趨同,二者線性回歸擬合優(yōu)度R2為0.0256,相關(guān)系數(shù)-0.16(P>0.05)(圖8)。從相關(guān)系數(shù)符號(hào)可以看出,放牧強(qiáng)度對(duì)兩種高寒草地植被NPP均具有負(fù)作用,但影響均不明顯(r<-0.2,P>0.05),不是影響兩種高寒草地植被變化的主要因素。

圖8 兩種高寒草地牛羊肉產(chǎn)量與植被NPP變化Fig.8 Changes of beef and mutton yield and vegetation NPP in two alpine grasslands

2.5 兩種高寒草地NPP與氣溫、降水相關(guān)性分析

分別對(duì)兩種高寒草地NPP與氣溫和降水變化進(jìn)行相關(guān)和偏相關(guān)分析,相關(guān)與偏相關(guān)系數(shù)大小反映溫度與降水對(duì)草地植被NPP的影響,該方法被廣泛用于研究氣象因素對(duì)植被生長(zhǎng)的影響[36—39], 2000—2017年兩種高寒草地NPP對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)差異顯著,并且偏相關(guān)性分析效果明顯好于相關(guān)性分析(圖9)。

相關(guān)性分析結(jié)果表明,高寒草甸NPP與氣溫呈顯著正相關(guān)區(qū)集中在三江源地區(qū)西部格爾木市和雜多縣,整體呈正相關(guān)區(qū)占比48.14%,而在東南部班瑪縣、久治縣和甘德縣則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。高寒草原NPP與氣溫呈顯著正相關(guān)區(qū)集中在阿里地區(qū)東北部即改則縣北部(圖9)。氣溫對(duì)兩種草地NPP的影響存在空間差異,在高寒草甸區(qū)氣溫越低其與NPP正相關(guān)系數(shù)越大,而在高寒草原區(qū)氣溫相對(duì)較高地區(qū)其與NPP正相關(guān)系數(shù)越大。NPP與降水相關(guān)性分析表明,高寒草原區(qū)NPP與降水呈正相關(guān)性面積占比49.01%,而高寒草甸區(qū)NPP與降水呈正相關(guān)面積占比20.37%。

圖9 研究區(qū)2000—2017年兩種高寒草地NPP與氣溫、降水相關(guān)性分析Fig.9 Correlation analysis of NPP, temperature and precipitation of two typical grasslands in the study area from 2000 to 2017

偏相關(guān)性分析結(jié)果表明,在控制降水不變,高寒草甸NPP與氣溫呈顯著正相關(guān),面積占比達(dá)64.9%,比相關(guān)性分析48.14%提高16.76%(表3和表2)。偏相關(guān)性分析對(duì)控制降水研究溫度對(duì)高寒草地NPP的影響更敏感,尤其在三江源地區(qū)東南部甘德縣、達(dá)日縣、久治縣及其周邊縣,氣溫與高寒草甸NPP呈顯著正相關(guān)。相比之下,阿里地區(qū)改則縣北部、札達(dá)縣和革吉縣中部部分地區(qū)氣溫與草地NPP呈顯著正相關(guān),占比達(dá)49.91%(表2)。同樣,控制氣溫不變對(duì)降水與草地植被NPP進(jìn)行偏相關(guān)性分析,結(jié)果表明在三江源大部分區(qū)域,降水與高寒草甸植被NPP不呈顯著正相關(guān),相反在東部及中部大部分縣均呈負(fù)相關(guān)性,占比達(dá)77.92%(表3)；而在西南部格爾木市及雜多縣西北部降水相對(duì)較少地區(qū)呈正相關(guān),總體呈正相關(guān)性面積占比22.89%(表3)。阿里地區(qū)降水與草地植被NPP偏相關(guān)分析表明札達(dá)縣、革吉縣中部呈顯著正相關(guān)性,改則縣西北部降水與草地NPP呈正相關(guān)性,總體呈正相關(guān)性面積占比47.76%(表3)。

表2 兩種高寒草地NPP與氣溫相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

表3 兩種高寒草地NPP與降水相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

3 討論

3.1 兩種高寒草地氣溫、降水變化差異分析

三江源與阿里地區(qū)所處緯度相當(dāng),且均處于暖濕化趨勢(shì),二者年平均氣溫分別以0.085℃/a和0.084℃/a的速率上升,相比張鐿鋰等人[8]計(jì)算青藏高原1980—2010年平均每年上升0.06℃略高；而年平均降水量分別以平均每年3.87 mm和2.23 mm速率增加,相比陸晴等[40]計(jì)算整個(gè)青藏高原1982—2013年平均每年降水增加0.96 mm高,這表明2000—2017年阿里與三江源地區(qū)暖濕化速率高于青藏高原平均水平。兩地升溫速率相當(dāng),但三江源高寒草甸區(qū)增濕速率明顯較阿里高寒草地區(qū)快,可能原因是2000—2017年三江源高寒草甸區(qū)同時(shí)受中緯度西風(fēng)帶和南亞季風(fēng)共同影響增強(qiáng),導(dǎo)致降水增加相對(duì)較多[41]。

3.2 兩種高寒草地放牧等人類活動(dòng)與植被變化

研究中采用兩種高寒草地牛羊肉產(chǎn)量表示放牧情況,一定程度反映當(dāng)?shù)胤拍粱顒?dòng)強(qiáng)弱。根據(jù)結(jié)果分析,三江源區(qū)放牧強(qiáng)度比阿里地區(qū)強(qiáng),且三江源區(qū)東部人類活動(dòng)相對(duì)密集,放牧等人類活動(dòng)比阿里地區(qū)強(qiáng)度更大,但兩地高寒草地植被NPP變化主要受氣候變化影響,放牧活動(dòng)影響較小。這與一些學(xué)者研究結(jié)果相近,三江源區(qū)位于氣候變化主導(dǎo)作用區(qū)[23,42]。在三江源區(qū)同時(shí)有一系列生態(tài)保護(hù)工程,對(duì)高寒草甸植被NPP具有一定影響,主要集中在三江源國(guó)家公園區(qū)域內(nèi),彭凱峰等人[17]對(duì)該區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)植被變化影響進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)降水和溫度預(yù)測(cè)的植被覆蓋度與觀測(cè)到的植被覆蓋度變化趨勢(shì)基本吻合,表明三江源國(guó)家公園生態(tài)保護(hù)區(qū)植被變化主要受氣候變化影響,人類活動(dòng)影響較小。兩種高寒草地植被NPP變化受放牧等人類活動(dòng)影響較小,受氣候變化影響較大。

3.3 兩種高寒草地植被NPP變化與氣候變化相關(guān)性差異分析

通過相關(guān)與偏相關(guān)分析得出氣溫是促進(jìn)高寒草甸植被生長(zhǎng)主要因素,而降水對(duì)大部分高寒草甸植被NPP促進(jìn)作用不明顯,甚至在降水相對(duì)豐沛地區(qū)出現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),該研究結(jié)果與周秉榮等[22]、王軍邦等[43]、朱文會(huì)等[44]和Xiong等[45]研究得到氣溫是影響三江源區(qū)植被NPP增加的關(guān)鍵氣象因子結(jié)論相似。Bai等[42]研究直接得出氣候變暖有助于三江源高寒植被增長(zhǎng),與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果中降水相對(duì)豐沛區(qū)降水與高寒草甸植被NPP 呈顯著負(fù)相關(guān),可能原因是高寒草甸在滿足一定降水量后降水的增加意味著日照時(shí)數(shù)的減小,因此太陽(yáng)有效輻射的減少,造成氣溫的下降,而氣溫是高寒草甸植被生長(zhǎng)的主要促進(jìn)因素,降水增多一定程度上會(huì)對(duì)高寒草甸植被生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)作用。以上溫度和降水對(duì)高寒草地植被的影響在阿里高寒草原區(qū)卻沒有得到相似的結(jié)果,溫度并不是高寒草原植被NPP增長(zhǎng)關(guān)鍵因子,相反溫度和降水對(duì)高寒草原植被NPP增長(zhǎng)的影響相當(dāng)(呈正相關(guān)占比均為49%左右)。一方面可能是阿里地區(qū)溫度相對(duì)更高,不像三江源大部分地區(qū)溫度成為植被生長(zhǎng)關(guān)鍵限制因素；另一方面阿里地區(qū)降水相對(duì)匱乏,植被生長(zhǎng)受到降水不足的脅迫,不能與相對(duì)充足的溫度協(xié)調(diào)促進(jìn)植被生理生態(tài)過程。因此在三江源地區(qū)高寒草甸恢復(fù)與保護(hù)應(yīng)該更加注重對(duì)耐低溫植物培育與保護(hù),在阿里高寒草原區(qū)應(yīng)該對(duì)耐低溫耐旱植物培育與保護(hù)。

本文研究了三江源高寒草甸與阿里高寒草原植被NPP變化及其氣象驅(qū)動(dòng)因子差異,為青藏高原氣候變化與不同草地響應(yīng)研究提供參考資料。同時(shí)本研究也存在一些不足,以氣溫和降水表征氣候影響因素,認(rèn)為太陽(yáng)輻射差異較小,未考慮太陽(yáng)輻射差異對(duì)植被生長(zhǎng)影響；在分析放牧強(qiáng)度對(duì)高寒草地植被的影響中未能將縣域尺度產(chǎn)肉量分解到柵格尺度與植被NPP對(duì)比研究,存在一定不確定性；對(duì)于三江源與阿里地區(qū)不同生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施對(duì)兩種高寒草地NPP產(chǎn)生的影響缺乏研究。接下來的研究應(yīng)該更深入考慮氣候變化、生態(tài)保護(hù)工程共同對(duì)兩種高寒草地NPP變化的影響。

4 結(jié)論

本研究主要結(jié)論如下：

(1)三江源高寒草甸與阿里高寒草原區(qū)均處于暖濕化趨勢(shì),且三江源地區(qū)增濕速率較阿里地區(qū)快。(2)三江源高寒草甸和阿里高寒草原植被NPP均呈現(xiàn)東南向西北遞減空間格局；三江源及阿里地區(qū)高寒草地NPP增長(zhǎng)顯著區(qū)均位于降水和溫度相對(duì)低值區(qū)域,且高寒草甸植被NPP增長(zhǎng)趨勢(shì)總體較高寒草原區(qū)明顯。(3)兩種高寒草地植被變化受放牧影響不大,受氣候變化影響較大。(4)兩種高寒草地植被NPP增長(zhǎng)的氣象驅(qū)動(dòng)因子差異明顯,氣溫升高是促進(jìn)高寒草甸植被NPP增長(zhǎng)關(guān)鍵因子,降水增多對(duì)三江源東北部高寒草甸植被增長(zhǎng)具有一定抑制作用；而對(duì)于高寒草原植被,氣溫和降水增加共同促進(jìn)高寒草原植被NPP增長(zhǎng)。

致謝：NPP數(shù)據(jù)來源于“國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://data.tpdc.ac.cn)