祁連山國家公園酒泉片區(qū)多年氣候變化對生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響研究

摘要：祁連山國家公園位于甘肅省與青海省的交界處，地處青藏高原東北部邊緣，自然資源豐富。為了明確祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)變化趨勢，結(jié)合2006—2021年Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，運用歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）建立解譯樣本集，應(yīng)用eCognition軟件與ArcGIS軟件人機交互的解譯方式，研究冰川與積雪、草地、河流水面、內(nèi)陸灘涂、裸巖、湖泊水面、沙地和建設(shè)用地等地類的變化。同時，結(jié)合研究區(qū)2006—2021年溫度、濕度、降雨量和蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，運用偏最小二乘法建立祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)變化回歸模型，結(jié)合MATLAB 軟件定量模擬分析16年間氣候變化對區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，從而更好地推進區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)，保護祁連山生物多樣性，維護自然生態(tài)系統(tǒng)原真性與完整性。

關(guān)鍵詞：祁連山國家公園；氣候變化；生態(tài)結(jié)構(gòu)；歸一化植被指數(shù)（NDVI）；氣象因子；生態(tài)因子

中圖分類號：P901；Q948 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.017

Study on the Impact of Years of Climate Change on Ecological Structure in the Jiuquan Area of Qilian Mountain National Park

DONG Zhongxiang1， SE Yongjun1， ZHANG Fan1， LU Shuxiang1， SONG Zhijun2

（1. Gansu Yanchiwan National Nature Reserve Management and Protection Center， Jiuquan 736300， China;

2. Ningxia Tianyu Technology Co.， Ltd.， Yinchuan 750000， China）

Abstract： The Qilian Mountains National Park is located at the border of Gansu province and Qinghai province， on the northeast edge of the Qinghai-Tibet Plateau， with abundant natural resources. In order to clarify the change trend of ecological structure in Jiuquan area of Qilian Mountain National Park， combined with the Landsat satellite image data from 2006 to 2021， the Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） is used to establish the interpretation sample set， and the interpretation method of human-computer interaction between eCognition software and ArcGIS software is used to study the changes of glaciers and snow， grasslands， river water， inland mudflat， bare rocks， lake water， sandy land and construction land. At the same time， based on the temperature， humidity， rainfall， and evaporation data of the research area from 2006 to 2021， a partial least squares regression model for ecological structure changes in the Jiuquan area of Qilian Mountain National Park is established using the method of partial least squares， and MATLAB" software is used to quantitatively simulate and analyze the impact of climate change on regional ecological structure over the past 16 years， in order to better promote regional ecological civilization construction， protect Qilian Mountain biodiversity， and maintain the authenticity and integrity of the natural ecosystem.

Keywords： Qilian Mountain National Park; climate change; ecological structure; Normalized Difference Vegetation Index （NDVI）; meteorological factors; ecological factors

祁連山東起烏鞘嶺，西至塔里木盆地，南靠柴達木盆地，北臨河西走廊，平均海拔超過4 000 m，東西延綿1 300多千米，是西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要補償區(qū)，是6大內(nèi)陸水源補給地，是西北地區(qū)野生動物聚集地，可謂西北地區(qū)植物的世界、動物的王國[1]。祁連山國家公園地處青藏高原、蒙新高原、黃土高原交匯地帶的祁連山北麓，地跨甘肅省和青海省，總面積為5.02萬km2，有冰川、雪山、河流、濕地、森林、草原、荒漠等豐富的自然資源和復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)。因此，要樹立和落實“綠色青山就是金山銀山”的觀念，加強對祁連山國家公園酒泉片區(qū)生物多樣性研究與保護，探索綠色發(fā)展道路，建立健全空天地一體化生態(tài)垂直監(jiān)管體系[2]。祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)功能較為復(fù)雜，植被類型以高覆蓋草地、中覆蓋草地和低覆蓋草地為主，草地面積共計13 240 km2，研究區(qū)有400 km2濕地，其他地類還有冰川與積雪、裸巖、內(nèi)陸灘涂、河流、湖泊和沙地等。

1 數(shù)據(jù)獲取與解譯

1.1 數(shù)據(jù)獲取

祁連山國家公園酒泉片區(qū)數(shù)據(jù)選取考慮歷史遙感數(shù)據(jù)資源、影像數(shù)據(jù)波段及衛(wèi)星數(shù)據(jù)重訪周期等因素，主要采用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。部分黨河濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用超高清無人機影像數(shù)據(jù)代替Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從低分辨率到高分辨率的多級數(shù)據(jù)交互使用，更好地提高研究區(qū)解譯數(shù)據(jù)的準確性[3-6]。針對2006—2021年祁連山生長季衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進行正射校正、波段融合和幾何校正等技術(shù)處理，然后創(chuàng)建解譯樣本集，應(yīng)用軟件自動化解譯與人機交互提升解譯精度，數(shù)據(jù)質(zhì)檢合格后，將數(shù)據(jù)應(yīng)用于建模運算[7-10]。

1.2 數(shù)據(jù)解譯

影像分割時，創(chuàng)建冰川及永久積雪、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、河流水面、內(nèi)陸灘涂、裸巖、湖泊水面、沙地、道路和居民用地11類解譯樣本庫。經(jīng)計算，精準確定各地類最適合的歸一化植被指數(shù)[11-15]（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），取值介于-1～1。將建立的模型導(dǎo)入eCognition軟件進行自動化切割，完成切割的數(shù)據(jù)應(yīng)用arcgis軟件進行人工精細化修調(diào)，最終獲得精度高達95%的地類解譯矢量數(shù)據(jù)庫。經(jīng)解譯數(shù)據(jù)分析，2006年祁連山國家公園酒泉片區(qū)中，草地面積占75.75%，裸巖面積占16.97%，沙地面積占0.31%。截至2021年8月，祁連山國家公園酒泉片區(qū)草地面積同比增長2.24%，裸巖面積同比下降1.77%，沙地面積同比下降0.02%。

2 2006—2021年祁連山國家公園酒泉片區(qū)氣候變化對生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響分析

研究區(qū)2006—2021年溫度、濕度、降水量和蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和當?shù)貧庀蟛块T。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用偏最小二乘法建立生態(tài)因子與區(qū)域氣象因子的關(guān)聯(lián)性模型[16-18]，應(yīng)用MATLAB軟件仿真分析16年間祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)因子變化趨勢，明確影響生態(tài)因子變化的主要氣象因子。

經(jīng)氣象數(shù)據(jù)分析，確定2006—2021年祁連山國家公園酒泉片區(qū)氣溫、濕度、降水量以及蒸發(fā)量的年平均最小值和最大值。首先根據(jù)式（1）對16年間氣象數(shù)據(jù)進行歸一化處理，然后進行數(shù)據(jù)分析，歸一化值介于0～1。解譯數(shù)據(jù)需要與氣象數(shù)據(jù)在同一尺度中進行擬合分析，對16年間遙感解譯數(shù)據(jù)進行歸一化處理，可將遙感解譯誤差降至最低，從而提高成果數(shù)據(jù)的準確性[19-22]。

式中：xscale為氣象因子的歸一化值；x為單年氣象因子值；xmin為2006—2021年氣象因子最小值；xmax為2006—2021年氣象因子最大值。

2.1 氣象因子與生態(tài)因子的擬合分析

將草地、河流水面、內(nèi)陸灘涂、裸巖、湖泊水面、沙地、冰川與積雪等生態(tài)因子視為因變量，將氣溫、降水量、濕度和蒸發(fā)量等氣象因子視為自變量，對二者進行線性擬合，確保擬合效果最好[23-24]。待定系數(shù)采用最小二乘法進行計算，但最小二乘法存在多重共線性和不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，選擇主成分分析法確定影響生態(tài)因子變化的主要氣象因子，精準獲取祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)因子隨氣象因子的變化趨勢，運用MATLAB軟件對標準數(shù)據(jù)集合進行線性仿真和二次擬合，得到氣象因子與生態(tài)因子擬合對比圖，明確主要氣象因子對生態(tài)因子的影響。

2.2 生態(tài)因子隨氣象因子的變化趨勢

2006—2021年，研究區(qū)遙感解譯生態(tài)地類屬性如圖1所示，歸一化植被指數(shù)變化趨勢如圖2所示。2014年以后，隨著氣溫的逐漸增加，祁連山國家公園酒泉片區(qū)草地面積和沙地面積均呈增長趨勢；

2010年以后，隨著氣溫的緩慢增長，河流水面、湖泊水面和裸巖面積迅速退縮。2006—2021年，隨著降水量的緩慢增多，草地面積明顯增加。2014年以后，冰川及永久性積雪面積輕微增加，隨著降水量的微增，裸巖面積大幅度下降。2010年開始，蒸發(fā)量逐年稍有增加，河流水面和湖泊水面的面積迅速減少，草地面積顯著增加。

3 結(jié)語

祁連山國家公園地處青藏高原、蒙新高原、黃土高原交匯地帶的祁連山北麓，分為甘肅省和青海省2個片區(qū)，有豐富的自然資源和復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)。除人類活動以外，氣象因子是影響祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)多樣性的重要因素。經(jīng)解譯數(shù)據(jù)分析，2006—2021年，影響祁連山國家公園酒泉片區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)的主要氣象因子有氣溫、降水量和蒸發(fā)量。隨著氣溫的升高，祁連山國家公園酒泉片區(qū)湖泊水面減少，冰川消融加快，高寒草原與高寒草甸面積增加。總之，采用最小二乘法和主成分分析法對氣候因子與生態(tài)因子的關(guān)系進行擬合分析，明確16年間氣候變化對區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，有助于推進區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)，保護祁連山生物多樣性，維護自然生態(tài)系統(tǒng)原真性與完整性。

參考文獻

1 韓天虎，俞聯(lián)平，張貞明.論草業(yè)與河西走廊生態(tài)安全[J].草業(yè)科學，2012（6）：1013-1016.

2 李 新，勾曉華，王寧練，等.祁連山綠色發(fā)展：從生態(tài)治理到生態(tài)恢復(fù)[J].科學通報，2019

（27）：2928-2937.

3 葛 靜，孟寶平，楊淑霞，等.基于UAV技術(shù)和MODIS遙感數(shù)據(jù)的高寒草地蓋度動態(tài)變化監(jiān)測研究：以黃河源東部地區(qū)為例[J].草業(yè)學報，2017（3）：1-12.

4 宋偉宏，王莉娜，張金龍.甘肅祁連山自然保護區(qū)草地時空變化及其對氣候的響應(yīng)[J].草業(yè)科學，2019（9）：2233-2249.

5 李 震，閻福禮，范湘濤.中國西北地區(qū)NDVI變化及其與溫度和降水的關(guān)系[J].遙感學報，2005（3）：308-313.

6 馬曉芳，陳思宇，鄧 婕，等.青藏高原植被物候監(jiān)測及其對氣候變化的響應(yīng)[J].草業(yè)學報，2016（1）：13-21.

7 黃德青，于 蘭，張耀生，等.祁連山自然保護區(qū)草地生物量及其與氣象因子的關(guān)系[J].草業(yè)科學，2011（8）：1495-1501.

8 韓天虎，俞聯(lián)平，張貞明.論草業(yè)與河西走廊生態(tài)安全[J].草業(yè)科學，2012（6）：1013-1016.

9 唐海濱，李樹基.保護和建設(shè)甘肅草原綠色生態(tài)屏障[J].甘肅社會科學，2011（2）：209-212.

10 韋惠蘭，祁應(yīng)軍.基于遙感監(jiān)測的青藏高原草地退化及其人文驅(qū)動力分析[J].草業(yè)科學，2016（12）：2576-2586.

11 李肖娟.氣候變化和人類活動對祁連山草地演變影響程度的研究[D].西安：陜西師范大學，2018：19.

12 曹旭娟.青藏高原草地退化及其對氣候變化的響應(yīng)[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院，2017：11-12.

13 丁婧祎，尹彩春，韓 逸，等.草原灌叢化對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的影響[J].生態(tài)學報，2023

（20）：8257-8267.

14 蒲桂娟.青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)保護和修復(fù)氣象服務(wù)保障對策研究[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2023（10）：142-144.

15 常學向，趙文智，田全彥.干旱區(qū)氣候變化及其對山地森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和水文過程影響研究進展[J].干旱區(qū)地理，2024（2）：228-236.

16 何再軍，程江浩，劉悅俊，等.1990—2020年土地利用和氣候變化對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)的影響[J].冰川凍土，2023（5）：1616-1628.

17 于成龍，劉 丹，殷世平.氣候變化對扎龍自然保護區(qū)植被生產(chǎn)力的影響[J].水土保持通報，2023（5）：220-226.

18 黨 寧，馬 望，代澤成，等.積雪變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)植被特征和土壤碳氮過程的影響[J].生態(tài)學報，2024（1）：18-35.

19 楊昆榆.氣候變化對云南洱海流域生態(tài)質(zhì)量的影響研究[J].黑龍江環(huán)境通報，2023（6）：40-42.

20 袁榮燕，張 寧，邵麗文，等.1990—2020年間內(nèi)蒙古自然保護區(qū)景觀生態(tài)風險評估及驅(qū)動因素分析[J].內(nèi)蒙古大學學報（自然科學版），2023

（5）：519-528.

21 張萬剛.氣候變化對祁連山凍土區(qū)碳過程的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2023

（8）：34-36.

22 薛 健，李宗省，陳雪嬌，等.2000—2020年河西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時空變化與影響因素分析[J].環(huán)境生態(tài)學，2023（7）：1-12.

23 張曉思，邵繼中，林潤澤，等.武漢市極端氣溫與生態(tài)空間景觀格局的影響指數(shù)及耦合特征[J].華中農(nóng)業(yè)大學學報，2023（4）：64-73.

24 張艷軍，李子輝，官冬杰，等.2000—2020年成渝雙城經(jīng)濟圈植被生態(tài)質(zhì)量變化及其對極端氣候因子的響應(yīng)[J].中國環(huán)境科學，2023（9）：4876-4885.