近40年青藏高原植被動態(tài)變化對水熱條件的響應(yīng)

李紅英,張存桂,汪生珍,馬偉東,劉峰貴,2,*,陳 瓊,周 強,夏興生,牛百成

1 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,西寧 810008 2 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,西寧 810008 3 青海省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室,西寧 810008

植被是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1],在調(diào)節(jié)氣候變化、維持陸地生態(tài)系統(tǒng)功能等方面發(fā)揮著重要作用[2—3]。青藏高原作為全球平均海拔最高的獨特自然地理單元,是我國乃至亞洲重要的生態(tài)安全屏障[4],素有“世界第三極”之稱,也是全球氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶[5—6]。在過去幾十年,隨著全球氣候變化與人類活動加劇,青藏高原地表自然地理要素經(jīng)歷了復(fù)雜的變化過程[7—8],這種變化不僅顯著影響了當(dāng)?shù)氐闹脖簧鷳B(tài)系統(tǒng)[1,9],也對毗鄰周邊、乃至全球變化產(chǎn)生深刻的影響[10]。從20世紀80年代以來,青藏高原一直是氣候-植被關(guān)系及生態(tài)系統(tǒng)變化研究的熱點和難點區(qū)域[11—12],被視為我國乃至全球氣候變化的“天然實驗室”[13]。因此,深入探討全球變化背景下高原植被的時空演變機制,理解高原生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)機理,對于應(yīng)對區(qū)域和全球氣候變化、提升和優(yōu)化高原生態(tài)功能和全球生態(tài)建設(shè)都具有重要意義。

一般而言,區(qū)域植被的短期變化多是受人類活動和自然干擾的影響,而長期變化則取決于溫度、降水、輻射等水熱條件的影響[14]。在全球氣候變化的背景下,植被生長受水熱條件脅迫的影響日趨明顯[15],然而,植被對水熱變化的響應(yīng)由于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性而呈現(xiàn)明顯的空間差異[16]。目前國內(nèi)外學(xué)者主要基于AVHRR、MODIS、Landsat等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對整個青藏高原或高原局地區(qū)域開展了一系列植被動態(tài)研究[17—19],主要包括植被時空變化格局[20]、演變規(guī)律[9]及其驅(qū)動機制[21]等內(nèi)容。研究結(jié)果顯示,由于研究區(qū)域、時空尺度的不同,青藏高原的植被對水熱條件變化的響應(yīng)機制也明顯的不同[15,22]。近40年來,青藏高原植被呈現(xiàn)“整體增加、局部減少”的趨勢[14—15],但是不同子區(qū)域植被動態(tài)機制存在顯著差異[14,23],水熱條件缺乏區(qū)域植被顯著增加,而水熱條件充足地區(qū)植被卻表現(xiàn)為減少趨勢[22]。大部分研究認為,青藏高原植被的變化主要受氣溫影響[24—25],三江源等局部區(qū)域植被對氣溫的響應(yīng)尤為明顯[26]。也有學(xué)者認為,青藏高原植被變化受降水[18]或輻射[27]的影響較氣溫密切。而最新研究結(jié)果顯示,不同類型植被受不同水熱條件的影響,如高寒草甸主要受溫度影響,高寒草原受降水和溫度雙重影響[28],溫性草地植被生長受地表溫度的影響[21]。

綜上所述,以往對青藏高原植被動態(tài)的研究基于不同數(shù)據(jù)源、時間尺度和地理區(qū)域,在植被時空變化規(guī)律、植被對水熱條件變化的響應(yīng)方向和響應(yīng)程度,尤其是長時間尺度上的響應(yīng)過程還存在著不確定性,甚至爭議。為此,本文基于近40年的長時間序列植被數(shù)據(jù),從不同時空尺度上探究不同類型植被的變化規(guī)律及其對水熱條件的響應(yīng),以期對青藏高原植被-氣候變化之間的關(guān)系有更深一步的了解,為氣候變化背景下青藏高原植被動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)資源的合理利用和保護等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原面積約為257萬km2[29],平均海拔超過4000 m,年平均氣溫為-6—20℃,年降水量50—2000 mm,太陽輻射量達0.5861—0.7954 MJ cm-1a-1,是我國太陽總輻射值最高的地區(qū)[30]。由于水熱條件在水平和垂直方向上的區(qū)域差異,不同氣候梯度的熱量和水分約束下,青藏高原的植被群落由東南的亞熱帶雨林過渡到西北的高寒荒漠[23,31]。中國植被區(qū)劃將青藏高原劃分為11個不同的植被類型區(qū)(圖1)。植被類型分區(qū)在空間上是呈現(xiàn)出完整的、連續(xù)的植被帶狀分異性[33],可以指示植被地理分布的經(jīng)緯度和垂直地帶性規(guī)律及其與水熱條件的關(guān)系。

圖1 青藏高原植被區(qū)劃及植被類型分布(中國1∶100萬植被類型及區(qū)劃[32])Fig.1 Vegetation zoning and vegetation type distribution on the Qinghai-Tibet Plateau IA1：昆侖山高寒荒漠區(qū)；IA2：阿里高寒荒漠區(qū)；IB：果洛那曲高寒草甸區(qū)；IC1：羌塘高原高寒草原區(qū)；IC2：藏南高山谷地溫性草原區(qū)；IIC：祁連山東灌叢草原區(qū)；IIIA1：柴達木盆地高寒荒漠區(qū)；IIIA2：祁連山東草甸草原區(qū)；IIIA3：天山南高寒灌叢荒漠區(qū)；IVA：藏南高山谷地針葉林區(qū)；IVB：藏東川西針葉林灌叢區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)來源

AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) 數(shù)據(jù)來源于美國國家航空和航天局(NASA)的全球監(jiān)測與模型研究組GIMMS (Global Inventor Modeling and Mapping Studies) 發(fā)布的半月最大值合成產(chǎn)品GIMMS NDVI3g(以下簡稱GIMMS NDVI),空間分辨率為0.083°,時間跨度為1982—2015年。MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) NDVI數(shù)據(jù)亦來源于NASA 陸地產(chǎn)品組MODIS發(fā)布的16天的合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13C1,其空間分辨率為0.05°,時間跨度為2000—2020年。氣溫、降水和太陽輻射數(shù)據(jù)(1979—2018年)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),該數(shù)據(jù)是基于全國2400多個氣象站 點日觀測數(shù)據(jù),利用澳大利亞 ANUSPLIN插值軟件插值處理生成,空間分辨率0.01°。數(shù)據(jù)高程模型(DEM)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為1km。植被類型數(shù)據(jù)為1∶100萬中國植被類型圖。

1.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于AVHRR和MODIS兩種數(shù)據(jù)的傳感器及時空分辨率的不同,造成兩種數(shù)據(jù)的NDVI值之間存在一定的差異[34]。為降低這種差異,同時保持數(shù)據(jù)在空間上的一致性,首先利用Savitzky-Golay濾波對青藏高原1982—2020年GIMMS NDVI、MODIS NDVI數(shù)據(jù)進行濾波去噪,采用最大值合成(Maximum Value Composition,MVC)計算生長季(5—9月)NDVI,并將MODIS NDVI采樣到0.083°；對兩組數(shù)據(jù)集重疊觀測年份(2000—2015年)的NDVI逐像元建立數(shù)據(jù)的映射關(guān)系；最終,通過逐像元回歸分析將NDVI時序數(shù)據(jù)從1982年延伸至2020年(圖2),用其代表研究區(qū)植被的年際變化。GIMMS NDVI和MODIS NDVI數(shù)據(jù)在重疊年份的年際變化趨勢是一致的,相關(guān)系數(shù)介于0.88—0.93之間,均通過了0.001的置信度檢驗,適用于分析青藏高原植被覆蓋的時空變化格局。為了消除非植被因素對研究結(jié)果的影響,本文取NDVI≥0.1的像元進行分析[35]。

1.3 研究方法

1.3.1Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall(MK)檢驗法，是一種非參數(shù)的統(tǒng)計方法。由于該方法不需要數(shù)據(jù)服從特定的分布特征，且受異常值的影響較小[36—37]，能更好地監(jiān)測輕微的變化區(qū)域，變化趨勢更為準確[38]。因此本文利用MK趨勢檢驗來計算長時間序列的植被指數(shù)變化趨勢。計算方法如公式(1)—(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Zmk標準化檢驗統(tǒng)計量，S是由1982—2020年的NDVI計算得到的近似服從正態(tài)分布的趨勢統(tǒng)計量，sgn(θ)為邏輯判別函數(shù)，var(S)為S統(tǒng)計量的方差。本文中的檢驗取顯著性水平α=0.01，在Z1-α=2.58上進行雙邊趨勢檢驗。

1.3.2相關(guān)分析法

植被生長通常受到多個水熱因子共同作用的影響，相關(guān)分析法已廣泛應(yīng)用于探索植被生長與水熱因子之間的聯(lián)系[16]。本文分別采用偏相關(guān)分析和復(fù)相關(guān)分析法逐像元對青藏高原生長季最大合成NDVI與生長季月平均溫度、累計降水量、太陽輻射量進行相關(guān)分析，其中偏相關(guān)系數(shù)用以表示植被與單個水熱因子之間的相關(guān)程度，復(fù)相關(guān)系數(shù)表示植被與多個水熱因子之間的復(fù)合關(guān)系程度。偏向關(guān)系數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)計算方法為公式(5)—(7)：

(5)

(6)

(7)

式中，Rxy為植被與單個水熱因子間的簡單相關(guān)系數(shù)；Ry1·23為表示固定水熱因子2、3之后NDVI(y)與水熱因子1的偏相關(guān)系數(shù)；Ry·123為NDVI(y)與水熱因子1、2、3之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)。最后，采用t檢驗方法完成偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗，采用F檢驗完成復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原植被的時空演變特征

2.1.1空間分布格局

如圖3所示青藏高原1982—2020年近40年NDVI均值在空間分布上具有較強的規(guī)律性,在區(qū)域水熱條件的影響下,青藏高原植被整體上呈現(xiàn)由東南-西北梯度遞減的分布特征。青藏高原植被NDVI最高的區(qū)域位于東南部等,以草甸、草原、森林為主,NDVI最高達0.92,青藏高原主要的農(nóng)耕地及人工園林也分布于此(圖1)。植被NDVI最低的區(qū)域則集中于西北部和北部邊界的高寒荒漠地帶,這與高原上的地形、氣候分異和植被類型相關(guān)。

圖3 青藏高原多年平均NDVI空間分布及海拔梯度分布特征統(tǒng)計Fig.3 The spatial distribution and vertical distribution characteristics of NDVI in the Qinghai-Tibet Plateau

由海拔梯度分布特征統(tǒng)計結(jié)果(圖3)看,青藏高原的植被覆蓋呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性,隨著海拔的升高,植被NDVI逐漸減小。海拔<2500m的高原東南緣,面積僅占整個高原的2.37%,NDVI均值達到0.90；2500—3500m的中海拔帶既有植被覆蓋極低(NDVI<0.1)的北部沙漠區(qū)域,也有以山區(qū)林地和農(nóng)耕地為主的東部主要人類活動區(qū)(NDVI>0.8),面積占14.37%；3500—4500m的中高海拔帶,是青藏高原主要的牧場所在地,植被覆蓋較高的高寒草甸、草原均分布于此,面積占比27.57%,NDVI均值達0.55；4500—5500m的高海拔帶主要為高原西北部的高寒草原及高山植被區(qū),面積超過高原總面積的一半以上(51.79%),而NDVI均值僅為0.33；>5000m的極高海拔帶則基本無植被分布。

2.1.2年際時空變化

1982—2020年青藏高原植被生長季NDVI以平均0.006/10a(P<0.01)的速度呈增加趨勢(圖4)。MK趨勢分析結(jié)果表明,植被NDVI的變化在不同的植被類型分區(qū)中有所不同,從高寒荒漠區(qū)的0.014/10a降低到高寒草甸區(qū)的-0.007/10a。其中顯著增加的區(qū)域主要集中分布在高原北部、西部和南部,面積約為183.47萬km2,占總面積的73.97%；顯著減少的區(qū)域主要分布在高原腹地及海拔相對較低、人類活動頻繁的高原東南部地區(qū),面積約為45.59萬km2,占比18.38%；植被基本保持不變的區(qū)域分散在高原各處,東南部居多。此外,在海拔梯度上,除<2500m的海拔帶外,植被顯著增加的區(qū)域面積均大于減少的區(qū)域面積。

圖4 1982—2020年青藏高原生長季NDVI年際變化Fig.4 Inter-annual Variation of growing season NDVI on the Qinghai-Tibet Plateau during 1982—2020

2.1.3不同類型植被的年際變化

青藏高原植被以草原、草甸、高山植被、灌叢、荒漠、針葉林和闊葉林為主,占青藏高原總面積的90%以上[11]。1982—2020年間,青藏高原所有類型的植被生長季NDVI均呈現(xiàn)增加的趨勢(圖5),這與Zhou等[2]的研究結(jié)果一致。其中荒漠、草原、高山植被NDVI年際變化為極顯著增加(P<0.01),增加面積分別達到19.2萬km2(7.74%)、56.60萬km2(22.92%)、18.65萬km2(7.52%)；森林和灌草叢的NDVI年際變化在2000年前后呈現(xiàn)先波動后趨于平穩(wěn)的增加趨勢,這與NDVI數(shù)值在高植被密度區(qū)敏感性降低有較大關(guān)系,而在2000年后不同傳感器的數(shù)據(jù)融合弱化了這種波動使得年際變化趨于平穩(wěn)增加,增速分別達到0.009/10a(P<0.01)和0.005/10a(P<0.01),顯著增加面積分別為13.88萬km2(5.6%)和17.94萬km2(7.23%)；年際變化上只有高寒草甸NDVI呈現(xiàn)不顯著地增加(0.0002/10a),但增加的面積達到42.31萬km2(17.06%)。

圖5 青藏高原1982—2020年不同植被類型的NDVI年際變化特征Fig.5 NDVI interannual variation of different vegetation types in Qinghai-Tibet Plateau during 1982—2020

2.1.4年代際時空變化

從1982—2020年的四個年代際尺度上分析高原植被變化的變化特征(圖6)。1982—1990年,青藏高原88.86%的區(qū)域植被NDVI呈現(xiàn)不顯著的增加,僅有高原西南邊緣和柴達木盆地西南約9.01%的區(qū)域呈顯著增加趨勢。顯著減少的區(qū)域分散在一江兩河、河湟谷地等主要人類開發(fā)聚集區(qū)域。1991—2000年間,高原大部分區(qū)域(84.1%)的植被變化依然為不顯著增加。顯著增加的區(qū)域主要聚集于黃河、長江、雅魯藏布江等水源的區(qū)域及川西高原,而顯著減少的區(qū)域則分布于高原北部荒漠地帶,說明該階段植被主要受水分影響。2001—2010年,隨著三江源生態(tài)保護、禁牧、退耕還草等生態(tài)工程的實施,生態(tài)正效應(yīng)明顯。三江源、祁連山及高原東部區(qū)域植被顯著增加,面積占比達到21.45%。顯著減少的區(qū)域主要在高原西南、西藏境內(nèi),這與卓嘎等[18]、張鐿鋰等[39]和王敏等[40]的研究結(jié)果一致。2011—2020年,整個高原面上64.79%的區(qū)域植被NDVI表現(xiàn)為不顯著的增加,明顯增加的區(qū)域集中于高原北部的祁連山、長江與瀾滄江水源區(qū)；顯著減少的區(qū)域零星分布在柴達木盆地、橫斷山脈、喜馬拉雅山脈沿線。

圖6 青藏高原1982—2020年生長季NDVI在年代際上的變化趨勢和顯著性檢驗Fig.6 The interdecadal trend and significance test of NDVI in growing season of Qinghai-Tibet Plateau during 1982—2020

2.2 植被對水熱變化的響應(yīng)

2.2.1靜態(tài)響應(yīng)

以8km的方格網(wǎng)為單元,建立1982—2018年青藏高原生長季平均NDVI與平均氣溫、累計降水量、以及輻射量之間的相關(guān)性散點圖(圖7),從靜態(tài)角度探討植被對水熱因子的響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)NDVI值與氣溫、降水和輻射量之間均為非線性關(guān)系。根據(jù)NDVI與氣溫二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.202,P<0.001),取氣溫閾值區(qū)間2—11℃,在該氣溫區(qū)間內(nèi),NDVI隨氣溫升高而迅速增加,增速達0.026/℃,當(dāng)氣溫超過11℃時,NDVI增加不再顯著。從空間分布上看,青藏高原大部分植被均分布2—11℃的溫度區(qū)域內(nèi)。同樣,根據(jù)NDVI與降水的二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.693,P<0.001),取閾值區(qū)間250—650mm,在該降水量區(qū)間內(nèi),NDVI隨降水量增加而迅速升高,增速為0.001/(mm),高原腹地的草原、草甸等植被均分布在該降水區(qū)間內(nèi),而在閾值區(qū)間外的NDVI與降水量關(guān)系則不顯著。根據(jù)NDVI與太陽輻射的二次函數(shù)關(guān)系 (R2=0.649,P<0.001),取閾值區(qū)間2900—3750 MJ/m2,在該太陽輻射區(qū)間內(nèi),NDVI隨著輻射量的增加而迅速減少,減少速率為0.0007/(MJ/m2),表明過高的太陽輻射抑制植被生長,在輻射量>3350 MJ/m2高原西部高海拔地帶,較少有植被分布。

圖7 青藏高原生長季平均NDVI與氣溫(TEM)、降水(PRE)、太陽輻射(RAD)之間的相關(guān)性散點圖及其空間分布圖Fig.7 Scatter plot and spatial distribution of the correlation between average NDVI and air temperature (TEM), precipitation (PRE) and solar radiation (RAD) in the growing season of Qinghai-Tibet Plateau

2.2.2動態(tài)響應(yīng)

為探討植被對單個水熱條件因子變化的動態(tài)響應(yīng),逐像元計算了生長季NDVI與氣溫、降水、輻射量之間的偏相關(guān)關(guān)系(圖8)。從空間分布看,1982—2018年青藏高原生長季氣溫在大部分區(qū)域為增加趨勢,NDVI與氣溫的偏相關(guān)關(guān)系由東南向西北呈現(xiàn)中部高、外圍低的“夾心”狀特征,其中顯著正相關(guān)(P<0.01)區(qū)域集中于青海境內(nèi)的柴達木盆地、羌塘高原、及西藏西南部；顯著負相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域在高原西北部、東南部的橫斷山脈等均有分布。降水量變化雖在整個高原上呈現(xiàn)不顯著增加趨勢,但高原南部的大部分區(qū)域表現(xiàn)為降水減少的趨勢。NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)呈東西向的干濕地帶性分布,并由北向南遞減,除森林、灌草叢植被區(qū)域外,高原上大部分植被類型區(qū)的NDVI都與降水呈正相關(guān),其中北部的高山植被、草原、草甸等植被類型區(qū)NDVI與降水顯著正相關(guān)(P<0.01)。太陽輻射除了在喀喇昆侖山西北部、橫斷山脈西南部的分布地區(qū)外,其他大部分區(qū)域為減少趨勢,而輻射顯著減少的區(qū)域也正是與NDVI呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)的區(qū)域。

圖8 植被NDVI對水熱條件因子變化的動態(tài)響應(yīng)Fig.8 Dynamic response of vegetation NDVI to hydrothermal conditions

2.2.3不同類型植被的動態(tài)響應(yīng)

從不同類型植被(圖9)及區(qū)劃(圖10)與水熱因子的相關(guān)程度看,青藏高原上除森林和灌草叢區(qū)(IVA、IVB)外,各類型植被與降水的相關(guān)程度要好于氣溫和輻射。降水對高原不同植被類型的正效應(yīng)大小排序為：荒漠>草原>草甸>高山植被>森林>灌叢>栽培植被,說明降水是荒漠、草原、草甸的主要促進因子。溫度對高原不同植被類型負效應(yīng)大小排序是：栽培植被>高寒植被>荒漠>灌叢>森林>草甸>草原,氣溫是荒漠、高寒植被的主要抑制因子。輻射量與不同植被類型的相關(guān)系數(shù)大小排序是：森林>灌叢>高山植被>栽培植被>草甸>荒漠>草原,輻射對森林、灌叢和高山植被的影響為正效應(yīng),而對荒漠、草原影響為負效應(yīng)。植被類型相同的不同分區(qū)間,由于地形地貌、海拔、經(jīng)緯度、土壤類型等自然環(huán)境的不同存在顯著的差異,如IIIA1柴達木盆地高寒荒漠區(qū)、IA1昆侖山高寒荒漠區(qū)、及IA2阿里高寒荒漠區(qū)都是荒漠類型,但由于三個區(qū)域地處不同的緯度和海拔帶,地形地貌也顯著不同,因此植被與水熱條件的相關(guān)關(guān)系有明顯的差異。

圖9 青藏高原不同植被類型與水熱條件的相關(guān)關(guān)系 Fig.9 The Correlation between different vegetation types with hydrothermal factors on the Qinghai-Tibet Plateau

圖10 青藏高原不同植被類型區(qū)劃與水熱條件的相關(guān)關(guān)系 Fig.10 The Correlation between vegetation zones with hydrothermal factors on the Qinghai-Tibet Plateau

2.3 植被變化對水熱條件響應(yīng)分區(qū)

根據(jù)以上的分析發(fā)現(xiàn),青藏高原地表植被變化的水熱因子驅(qū)動存在著明顯的區(qū)域分異,大部分區(qū)域植被變化受單一因子(氣溫或降水或輻射)的驅(qū)動較為顯著,部分區(qū)域受多個因子的共同作用。對植被變化的驅(qū)動因子進行分區(qū),才可以進一步的概括植被在區(qū)域尺度上的變化規(guī)律。因此,本文通過分析青藏高原多年NDVI與氣溫、降水、以及輻射量的偏相關(guān)和復(fù)相關(guān)關(guān)系(圖11),同時為保證變化特征的最大一致性提取其顯著性水平為0.01的區(qū)域,按表1規(guī)則進行水熱驅(qū)動因子分區(qū)研究。

圖12 青藏高原植被變化的水熱驅(qū)動因子分區(qū) Fig.12 Hydrothermal drivers of vegetation change on the Qinghai-Tibet Plateau zone

表1 植被變化的驅(qū)動分區(qū)規(guī)則Table 1 The regionalization rules of driving force for vegetation change

整體而言,在全球變暖和青藏高原向暖濕化演變的過程中,大部分區(qū)域植被變化受氣候因素影響,呈現(xiàn)氣候驅(qū)動型,不同類型植被生長的主要驅(qū)動因子與植被的生態(tài)特征及氣候環(huán)境密切相關(guān)。其中,高原北部高寒植被生長主要受氣溫和太陽輻射影響,高原腹地干旱半干旱的草原主要受降水影響,高原中南部草甸、灌叢區(qū)則主要受氣溫驅(qū)動,對于高原南部邊緣的森林生長,受輻射和溫度的影響多一點,但則沒有明顯的規(guī)律性。這一結(jié)果與Wu D等[16]、Li等[31]和Jong等[41]的研究具有較好的一致性。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

基于1982—2020的時序NDVI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在過去的近40年中,青藏高原73.97%的區(qū)域呈現(xiàn)綠化趨勢,且在大多數(shù)的植被類型區(qū),生長季NDVI的變化速率都是正值,平均增速達0.006/10a。其中2000年以前增速為0.005/10a,而2000年以后增速達0.011/10a,植被迅速增加,這與國家在地區(qū)實行“退耕還林”與“退牧還草”等生態(tài)政策密切相關(guān)。植被變化的這一增長趨勢與楊元合等[30](1982—1999年)、與Huang等[27](2001—2017年)的結(jié)果近似或一致,而與韓炳宏等[24]認為的2000—2009年呈減少態(tài)勢,2010—2018年呈增加態(tài)勢有所不同,這種差異可能與趨勢分時所選取的數(shù)據(jù)起始年份有一定的關(guān)系。從海拔梯度上的變化(圖3)可以看出,整個高原除<2500m的海拔帶外,其他海拔帶上植被NDVI變化速率也均為正值,其中2500—3500m的海拔帶為青藏高原主要人類活動區(qū),植被類型以草甸、灌叢、栽培植被為主,植被變化受人類活動(耕作制度、灌溉及施肥方式、退耕還林等相關(guān)政策)影響較大；在3500—5500m海拔帶,植被NDVI增加的面積隨海拔升高而不斷增加,這一海拔高度的植被主要受氣溫、降水等水熱條件影響,受人為干擾較少,在全球變暖的大背景下,氣候變化對該區(qū)植被產(chǎn)生正效應(yīng)。

在氣候變化影響下,植被總是在不斷地區(qū)適應(yīng)外界條件的改變使其自身生長更為有利,該過程是動態(tài)的、非線性的,植被活動隨著水熱氣候因子的變化過程存在明顯的閾值[42]。當(dāng)溫度、降水等水熱條件的改變超過植被的適應(yīng)能力時,植被將會在結(jié)構(gòu)功能等多方面受到抑制作用[46]。如圖8所示,柴達木盆地、羌塘高原、及西藏西南部等高海拔區(qū)域,植被增加與氣候變暖有顯著的正相關(guān)；而高原西北部、東南部的橫斷山脈等區(qū)域為稀疏的高山植被或荒漠,升溫加速土壤水分蒸發(fā),抑制了植被生長；東南部的灌木及森林地帶的升溫加速植被蒸騰,光合作用減弱[46],溫度成為影響這些區(qū)域植被生長的限制性因子。NDVI與降水量顯著正相關(guān)的高原中北部為高山植被、草原、草甸等低矮植被類型,降水量增加有利土壤水分和養(yǎng)分的運轉(zhuǎn)、植被吸收和生長。雖然西藏東部與橫斷山脈的森林和灌木區(qū)降水量較大,但這些區(qū)域的NDVI與降水量呈現(xiàn)不顯著負相關(guān)關(guān)系,而與輻射量顯著正相關(guān),說明降水量不構(gòu)成植被生長的限制因子,但由于降水量大,云量較大,導(dǎo)致輻射減弱,不利于植被蒸騰和光合作用,輻射成為影響這些區(qū)域植被生長的限制因子。NDVI與輻射負相關(guān)的地區(qū)如柴達木盆地,地處干旱區(qū),海拔低、輻射強、地下水出露、加之人類活動等各種因素,植被的生長規(guī)律與其他荒漠區(qū)截然不同[47],但這一過程的機制機理還不得而知,需要另行研究。

長時間序列的植被變化是一個復(fù)雜的過程,不同的植被類型對水熱條件和人類活動的干擾存在不同的響應(yīng),而本文只研究了青藏高原生長季植被在長時間尺度上對的水熱條件響應(yīng)的規(guī)律,并未深入植被對水熱條件變化的時滯性不同。同時,對于如柴達木盆地、青海南部高原等特殊高寒區(qū)脆弱自然環(huán)境下植被對水熱響應(yīng)表現(xiàn)出的不同現(xiàn)象并未深入研究。由于青藏高原的地理特殊性,植被的生長不僅與氣溫、降水、輻射等水熱條件有密切的關(guān)系,同時也與冰川凍土、土壤水熱、植被蒸散等多種因素有復(fù)雜的相互關(guān)系,這些都將是未來探索的方向。

4.2 結(jié)論

(1)1982—2020年青藏高原植被NDVI在年際上呈波動增長趨勢(0.006/10a)。植被顯著增加的區(qū)域占高原總面積的73.97%,主要分布在青藏高原北部、西部及南部邊緣,植被減少的區(qū)域主要為高原東部及南部的人類活動區(qū)。在年代際上,2001—2010年三江源等區(qū)域的生態(tài)保護工程正效應(yīng)明顯。

(2)青藏高原植被對水熱氣候條件的響應(yīng)具有顯著的空間異質(zhì)性。靜態(tài)上,植被對氣溫的顯著響應(yīng)區(qū)間為2—11℃,對降水的響應(yīng)區(qū)間為250—650mm,對輻射的響應(yīng)區(qū)間為2900—3750MJ/m2,空間上表現(xiàn)為高原腹地響應(yīng)明顯,東南部四川盆地、西北部昆侖山脈和柴達木盆地?zé)o明顯響應(yīng)的一致性；動態(tài)上,植被對氣溫、降水和輻射的響應(yīng)在不同植被類型中，其響應(yīng)關(guān)系、方向、程度均存在差異,而除森林和灌叢類型外,植被與降水的偏相關(guān)程度要優(yōu)于溫度和輻射。

(3)青藏高原植被生長受水熱因子驅(qū)動的區(qū)域占高原總面的55.95%,其中42.72%的區(qū)域由氣溫、降水和輻射互補驅(qū)動,首要驅(qū)動因子是溫度,占比26.54%,13.23%的區(qū)域由多因子聯(lián)合驅(qū)動；非氣候驅(qū)動區(qū)域占高原總面積的44.05%。