2000—2019年西藏草地植被覆蓋度對氣溫和降水變化的響應

劉 坤，袁 新，肖寒予，董 航

（中國地質調查局軍民融合地質調查中心，成都 610059）

植被覆蓋度（）反映了植被的地表分布狀況，與氣候、土壤、人類活動等因素相關。西藏平均海拔高達4 000 m，傳統(tǒng)調查方法存在耗時長、部分區(qū)域難到達等缺點，遙感技術作為大尺度、全覆蓋、全時段的監(jiān)測調查手段，可準確監(jiān)測植被覆蓋度變化。植被歸一化指數（）是反映地表植被覆蓋狀況的重要植物指數。目前，基于SPOT/VEGETATION 以及MODIS 等衛(wèi)星遙感得到的長時間序列數據已經在不同區(qū)域植被動態(tài)變化監(jiān)測、覆被變化檢測、宏觀植被覆蓋分類等研究中得到了廣泛的應用。

西藏生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候變化因素對植被覆蓋度影響較明顯。從東南部到西北部，西藏的海拔、降水、氣溫變化極其顯著，東南部植被分布率接近100%，西北部植被分布極為稀疏。楊達等研究了青藏高原草原植被生長季與氣候變化的關系，隨著草原類型由濕潤變干燥，變化幅度縮小，濕潤和半干旱區(qū)氣溫是主導因子，干旱區(qū)主導因子是降水。李偉霄等研究發(fā)現，三江源地區(qū)植被具有顯著的季節(jié)變化特征，年變化呈現出波動并且微弱上升的趨勢，三江源地區(qū)植被覆蓋整體趨好，這和氣候變暖、區(qū)域降水增加有關。許寧研究發(fā)現，2005—2014年，西藏生長季平均植被覆蓋度為33.00%～36.00%，整體表現為穩(wěn)定上升趨勢，東南地區(qū)植被覆蓋明顯好于西北地區(qū)。白淑英等分析了西藏山南市植被覆蓋的時空變化特征，并結合地表溫度和降雨量數據，采用植被氣候時空關系模型，定量分析了氣候變化和人類活動對山南市植被覆蓋的影響，指出氣候變化是影響植被生長的決定性因素，但人類活動可在短期內加快植被變化。馮莉莉等研究指出，吉林省不同土地利用類型的植被覆蓋度差異很大，其分析了多個氣象站點的10年降雨數據，結果發(fā)現，處在東部的延吉站降雨量與植被覆蓋度成正相關，處在中西部的長春、四平及前郭爾羅斯3 個氣象站的降雨量與植被覆蓋度均成負相關。楊瑞瑞等研究發(fā)現，若爾蓋大部分地區(qū)植被覆蓋度受非氣溫和降水因素影響。

本研究在西藏不同類型草地選取三個樣地，分別是高寒荒漠草原、高寒草原、高寒草甸草原，這三種草原在西藏分布最廣，對于評價西藏草原植被長時間序列變化有積極意義。近年來，氣候變暖成為熱點。探究氣候變暖下的多年西藏草原植被覆蓋度變化具有積極意義，進而為保護西藏草原、保護西藏生態(tài)提供依據。

1 研究區(qū)概況

西藏自治區(qū)位于中國的西南邊陲，地處北緯26°50′～36°53′，東經78°25′～99°06′，處于青藏高原的西南部。平均海拔高達4 000 m，海拔4 000 m 以上的地區(qū)占全區(qū)面積的85.1%，主要分為藏北高原、雅魯藏布江流域和藏東峽谷地帶。全區(qū)氣候分為東南部溫暖濕潤區(qū)和西北部嚴寒干燥區(qū)，干雨季劃分明顯，主要降水都集中于雨季。從東南到西北，草原類型依次為高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原，地帶性分布特征鮮明。

本文選擇西藏分布面積最大的三種草地類型，即高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原作為研究對象。2021年9月，根據實地調查，噶爾、班戈、那曲三個地方的樣地類型分別為高寒荒漠草原、高寒草原、高寒草甸草原。各類型草原分別選取代表性樣地，取樣地9 個像元的均值（3 km×3 km）作為各類型草原植被覆蓋度值，每個樣地的面積為27 km，如表1 所示。

表1 樣地基本特征

1.1 數據來源及處理

1.1.1 遙感數據

本研究所用數據來源于SPOT/VEGETATION PROBAV 1KM PRODUCTS（http://www.vito-eodata.be），在旬1 km 植被指數數據基礎上，采用最大值合成法生成了2000—2019年的生長季植被指數集。生長季數據為3—11月（春、夏、秋三季）數據的最大值，數據空間覆蓋范圍為西藏，數據獲取時間為2000—2019年。1.1.2 氣象數據

2000—2019年氣象數據來源于國家氣象科學數據中心（http://data.cma.cn/）。選取離樣地點最近的三個氣象站點，即采用噶爾、班戈、那曲氣象站的降水數據和氣溫數據，年降水量是指1—12月的降水量總和。

1.1.3 數據處理及方法

一是歸一化植被指數（）計算。采用預處理后的草原生長盛期的遙感數據，計算歸一化植被指數。

二是累計分布概率統(tǒng)計。統(tǒng)計草原地區(qū)累積分布概率，一般取累積分布概率為5%左右的作為完全裸土或無植被覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數（），取累積分布概率為95%左右的作為純植被像元的歸一化植被指數（）。

三是植被覆蓋度（）遙感估算?；谶b感的植被覆蓋度計算公式如式（1）所示，取值范圍為[0，1]。當像元小于時，該像元＜0，取值為0；當大于時，該像元＞0，取值為1。當介于兩者之間時，利用像元二分模型計算該像元植被覆蓋度，負值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；0 表示有巖石或裸土等，近紅外波段的反射值和紅光波段的反射值近似相等；正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

四是最大合成法。最大合成法將多幅相同的柵格圖疊加，每個柵格單元值取多幅中最大的那個，最后合成一幅。

2 結果與分析

2.1 大氣溫度及降水量變化

2.1.1 大氣溫度變化

噶爾、班戈、那曲樣地區(qū)年平均氣溫變化如圖1所示。2000—2019年，三個樣地區(qū)多年平均溫度分別為2.0 ℃、0.7 ℃、0.5 ℃，從西到東呈現高寒荒漠草原＞高寒草原＞高寒草甸草原的規(guī)律，三種草原樣地的溫度都呈現緩慢上升趨勢，年均變化分別為噶爾0.046 ℃、班戈0.055 ℃、那曲0.076 ℃，那曲樣地區(qū)溫度上升程度大于班戈和噶爾。

圖1 噶爾、班戈、那曲樣地區(qū)年平均氣溫變化

從樣地區(qū)多年生長季平均氣溫變化（見圖2）可以看出，三個樣地區(qū)生長季均溫年際變化幅度較小，在2 ℃范圍內變化。噶爾生長季均溫明顯高于班戈與那曲，最高溫度可以達到15 ℃。而班戈與那曲樣地區(qū)溫度較低，最高溫度是10.5 ℃。

圖2 噶爾、班戈、那曲樣地區(qū)多年生長季平均氣溫變化

2.1.2 年際降水量變化

噶爾、班戈、那曲樣地區(qū)年降水量變化如圖3所示。

圖3 噶爾、班戈、那曲樣地區(qū)年降水量變化

噶爾、班戈、那曲三個樣地區(qū)的多年平均降水量分別為86.2 mm、402.1 mm、538.2 mm，呈現從西到東逐漸增多的變化規(guī)律。三地多年降水量都隨年份變化呈現增多趨勢，班戈年變化為8.7 mm，平均每年降水增加量最大，那曲年變化為7.9 mm，噶爾年變化為1.2 mm。與多年氣溫變化結合分析，三地氣候都呈現暖濕化趨勢。

2.2 不同草地類型植被覆蓋度年際動態(tài)

從西藏草原生長季多年平均植被覆蓋度（見圖4）來看，高寒草甸草原（那曲樣地）最大，為57.23%，高寒草原（班戈樣地）為19.53%，高寒荒漠草原（噶爾樣地）最小，為8.95%。三種草地多年植被覆蓋度變化趨勢均為不顯著上升，高寒草甸草原年際變化率為0.28%，高寒草原年際變化率為0.07%，高寒荒漠草原年際變化率為0.02%。

圖4 不同草地類型植被覆蓋度年際動態(tài)

2.3 西藏植被覆蓋度對氣候變化的響應

2.3.1 年植被覆蓋度對溫度變化的響應

用3—11月植被覆蓋度（）的最大值代表年植被覆蓋度，研究3 種草原年植被覆蓋度與春季（3—5月）月均溫、生長季（6—8月）月均溫、多年均溫的相關系數，探究年植被覆蓋度與溫度的相關性，結果如表2 所示。

表2 草原年植被覆蓋度與溫度的相關性

高寒荒漠草原的年植被覆蓋度與春季月均溫、生長季月均溫以及多年均溫均成負相關，相關性不顯著，說明三種均溫都不利于荒漠草原植被生長，其中高寒荒漠草原與多年均溫的相關系數最大，高寒荒漠草原區(qū)降水較少，且土壤為礫石質，難以保存水分，溫度升高造成土壤水分蒸發(fā)量過大，導致植被缺水，影響植物生長；高寒草原的年植被覆蓋度與春季月均溫負相關，且不顯著，其與生長季月均溫、多年均溫均成正相關，顯著性水平較低，說明溫度對高寒草原植物生長的影響較小；高寒草甸草原的年植被覆蓋度與三種溫度均成正相關，相關性較小，其與春季月均溫、生長季月均溫的相關系數均小于高寒草原，與多年均溫的相關性較大，經分析，原因是高寒草甸草原區(qū)的春季月均溫、生長季月均溫和多年均溫均較低，而合適的溫度上升可以促進植物生長。

整體來看，春季月均溫與高寒荒漠草原及高寒草原的年植被覆蓋度均成負相關，說明植被生長受到抑制，原因可能是溫度升高會導致植被缺水。春季月均溫與高寒草甸草原的年植被覆蓋度成正相關，這對高寒草甸草原植物生長有促進作用，樣地春季溫度最低，適當升高溫度有利于植被返青。生長季月均溫與高寒荒漠草原的年植被覆蓋度成負相關，其平均溫度最高，升高溫度不利于植被保存水分；其與高寒草原年植被覆蓋度的正相關性最大，說明此時植物不缺水，適當升高溫度有益于植被生長；其與高寒草甸草原年植被覆蓋度的相關性較小，經分析，原因可能是降水對其促進作用更大。多年均溫與高寒荒漠草原的年植被覆蓋度負相關，其多年均溫最高，說明其對高寒荒漠草原的抑制作用較大，原因可能是蒸發(fā)量過大導致植被缺水。高寒草原降水處于中游水平，溫度有一定促進作用，但不明顯。高寒草甸草原多年均溫較低，降水較多，適當地升高溫度有益于植被生長，但相關性較小。綜上，溫度變化對于西藏草原植被生長影響較小。

2.3.2 年植被覆蓋度對降水變化的響應

用3—11月植被覆蓋度（）的最大值代表年植被覆蓋度，研究3 種草原年植被覆蓋度與年降水量以及春季（3—5月）、生長季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（1月、2月和12月）累計降水量的相關系數，探究年植被覆蓋度與降水的相關性，結果如表3 所示。

表3 草原年植被覆蓋度與降水的相關性

草原年植被覆蓋度與各季節(jié)累計降水量的相關性較大，其大于溫度對年植被覆蓋度的相關性，說明在高原上草原植被生長受降水驅動。高寒荒漠草原春季降水對植被生長有抑制作用，原因可能是降水導致氣溫下降，不利于植被生長恢復；高寒荒漠草原的年植被覆蓋度與生長季累計降水量具有相關性，但是相關性小于高寒草原和高寒草甸草原，原因可能是高寒荒漠草原分布的植物多為旱生植物，其水分需求不如高寒草原和高寒草甸草原的植物。高寒草原的年植被覆蓋度與春季、生長季累計降水量均成正相關。高寒草甸草原對降水量的響應最大，其年植被覆蓋度與年降水量成極顯著相關（概率＜0.01），與春季、生長季累計降水量均成顯著相關，經分析，原因是其分布植物是喜水植物，生長需要足夠水分。

3 結論

本研究利用西藏樣地區(qū)的旬1 km 植被指數數據，采用最大值合成法生成2000—2019年生長季植被指數集，分析西藏草原年植被覆蓋度與氣候變化的關系，探究氣溫及降水對植被覆蓋度的影響。2000—2019年，噶爾、班戈、那曲三個樣地區(qū)多年平均溫度從西到東呈現高寒荒漠草原＞高寒草原＞高寒草甸草原的變化規(guī)律，三個樣地區(qū)溫度都呈緩慢上升趨勢，其中高寒草甸草原溫度上升程度大于高寒草原和高寒荒漠草原。三個樣地區(qū)的多年平均降水量從西到東逐漸增多，多年降水量都隨年份變化呈增多趨勢。結合多年氣溫變化可知，三地氣候都趨于暖濕化。從生長季多年平均植被覆蓋度來看，高寒草甸草原最大，高寒草原次之，高寒荒漠草原最小。三種草地多年植被覆蓋度變化趨勢均為不顯著上升，高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原的年際變化率分別為0.28%、0.07%、0.02%，說明氣候暖濕化利于草原植被恢復，但是各種草地影響不同。高寒荒漠草原的年植被覆蓋度與春季月均溫、生長季月均溫以及多年均溫均成負相關，相關性不顯著，這對高寒荒漠草原抑制作用較大，三種均溫不利于植被生長，原因可能是蒸發(fā)量過大，導致植被缺水。高寒草原降水處于中游水平，溫度有一定促進作用，但不明顯。高寒草甸草原多年均溫較低，降水較多，適當升高溫度有益于植被生長，但相關性較小。綜上，溫度變化對西藏草原植被生長影響較小，但未考慮溫度上升條件下高山冰川、積雪、多年凍土融化使得土壤水分增加的影響。草原年植被覆蓋度與各季節(jié)累計降水量的相關性較大，其大于溫度對年植被覆蓋度的相關性，說明在高原上草原植被生長受降水驅動。高寒荒漠草原春季降水對植被生長有抑制作用，原因可能是降水導致氣溫下降，不利于植被生長恢復。高寒草原的年植被覆蓋度與春季、生長季累計降水量均成正相關，高寒草甸草原對降水量的響應最大，其年植被覆蓋度與年降水量成極顯著相關，與春季、生長季累計降水量成顯著相關，原因是其分布植物是喜水植物，生長需要足夠水分。