三江源區(qū)植被指數(shù)時(shí)空變化對(duì)水熱條件的響應(yīng)

趙 芳，林恭華，趙之重

(1.青海大學(xué)，青海 西寧 810016；2.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008)

三江源區(qū)位于青藏高原腹地，是青藏高原構(gòu)成的主體[1]。三江源區(qū)是中國(guó)江河中下游地區(qū)和東南亞國(guó)家生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障，同時(shí)也是中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)最敏感和最脆弱的地區(qū)之一[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)是三江源區(qū)的主體生態(tài)系統(tǒng)類型，對(duì)這一地區(qū)乃至全球氣候環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義。三江源區(qū)以高寒植被為主體[3]，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，植被特征隨著時(shí)間和空間而變化。植被指數(shù)是對(duì)地表植被活動(dòng)的簡(jiǎn)單、有效的經(jīng)驗(yàn)度量，分析三江源區(qū)植被指數(shù)時(shí)空變化對(duì)重要?dú)夂蛞蜃拥捻憫?yīng)，有助于準(zhǔn)確了解這一地區(qū)的植被現(xiàn)狀并為預(yù)測(cè)植被變化提供重要理論依據(jù)。

水熱條件(降水和氣溫)是表征氣候最重要的因子[4]，也是影響植被指數(shù)時(shí)空異質(zhì)性的重要因子[5]。當(dāng)前，對(duì)于三江源區(qū)植被指數(shù)時(shí)空差異及其與水熱條件的關(guān)系研究，主要包括兩類方法。一類是以三江源區(qū)的整體或部分區(qū)域?yàn)榭臻g單元，分析其植被指數(shù)在年際間的變化規(guī)律及其與水熱條件的關(guān)系[4,6-7]；另一類是以某一年或連續(xù)多年為時(shí)間單元，研究不同采樣點(diǎn)間植被指數(shù)的分布及其與水熱條件的關(guān)系[8-10]。然而，值得注意的是，三江源地區(qū)植被指數(shù)變化存在明顯的時(shí)空差異[11-12]，單獨(dú)對(duì)局部地區(qū)或三江源區(qū)整體進(jìn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)分析可能會(huì)忽略空間水平上的特殊性，而單獨(dú)對(duì)個(gè)別年份進(jìn)行空間差異分析則可能忽略時(shí)間水平上的異質(zhì)性細(xì)節(jié)。此外，值得一提的是，近10年來(lái)，在全球氣候變化的整體背景下，三江源區(qū)氣溫、降水特征有新的變化，對(duì)這一地區(qū)草地植被指數(shù)的時(shí)空變化可能存在新的影響。因此，利用最新資料對(duì)三江源區(qū)植被指數(shù)時(shí)空異質(zhì)性及其與水熱因素的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析是極其必要的。

大部分相關(guān)研究都是基于8 km精度的NOAA-AVHRR NDVI指數(shù)，2000年以來(lái)，精度更高(可達(dá)250 m)、對(duì)植被具有更高敏感度的MODIS Ⅵ產(chǎn)品(NDVI和EVI)逐漸成為草地監(jiān)測(cè)的主要基礎(chǔ)資料。然而，利用MODIS產(chǎn)品對(duì)三江源地區(qū)近10年來(lái)植被指數(shù)時(shí)空變化及其與水熱條件的關(guān)系研究，至今未見報(bào)道。本研究基于三江源區(qū)18個(gè)站點(diǎn)2000-2009共10年的氣溫、降水和MODIS(NDVI、EVI)數(shù)據(jù)，結(jié)合多種統(tǒng)計(jì)分析方法，重點(diǎn)探討三江源區(qū)植被指數(shù)的年際變化和空間變化對(duì)水熱條件變化的響應(yīng)機(jī)制，為這一地區(qū)的草地形勢(shì)預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的參考資料。

1 資料與分析方法

1.1衛(wèi)星遙感影像 采用NASA/MODIS產(chǎn)品MOD13Q1(MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid.)。因?yàn)槿磪^(qū)牧草生長(zhǎng)季為4月中旬-9月下旬，所以選用2000-2009年4月23日-9月30日合成的NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)和EVI(Enhanced Vegetation Index)植被指數(shù)時(shí)空數(shù)據(jù)集。而且三江源區(qū)覆蓋兩景影像，所以每年共有20景影像。該數(shù)據(jù)可以從NASA’WIST數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載，網(wǎng)址為https://wist.echo.nasa.gov/api/。

1.2氣象資料 收集了三江源區(qū)18個(gè)氣象臺(tái)站(圖1)2000-2009年年均溫和年均降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 三江源區(qū)氣象臺(tái)站分布

1.3分析方法 首先，利用MRT(MODIS Reprojection Tool)對(duì)每年的原始影像進(jìn)行同期鑲嵌處理，得到拼接后的10景NDVI和10景EVI影像；而后在ArcGIS 9.3中進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，利用Spatial Analyst模塊中的Raster Calculator程序分別將10景NDVI和10景EVI影像合并為單景的NDVI和EVI均值影像(即對(duì)影像取平均值)。將18個(gè)臺(tái)站的經(jīng)緯度信息導(dǎo)入ArcGIS 9.3，使用Extract Values to Points工具，從每年NDVI和EVI均值影像中提取出每個(gè)臺(tái)站每年的NDVI像元值和EVI像元值。

為了充分探討植被指數(shù)對(duì)水熱條件的響應(yīng)規(guī)律，研究分別進(jìn)行了分年(多臺(tái)站)和分臺(tái)站(多年)數(shù)據(jù)分析過(guò)程。在分析植被指數(shù)對(duì)水熱條件的分年動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，將每年18個(gè)臺(tái)站的NDVI像元值和EVI像元值以及對(duì)應(yīng)臺(tái)站的年均溫、年降水量在PASW18.0中進(jìn)行相關(guān)分析、偏相關(guān)分析等。同樣，在分析植被指數(shù)對(duì)水熱條件的分臺(tái)站響應(yīng)時(shí)，將各個(gè)臺(tái)站10年的NDVI像元值和EVI像元值與對(duì)應(yīng)年的平均氣溫、降水量在PASW18.0中進(jìn)行相關(guān)分析、偏相關(guān)分析等。

2 結(jié)果

2.1三江源區(qū)植被指數(shù)變化

2.1.1年際變化趨勢(shì) 從三江源區(qū)18個(gè)臺(tái)站在2000-2009年植被指數(shù)NDVI和EVI的變化趨勢(shì)圖(圖2)中可以發(fā)現(xiàn)，NDVI和EVI的走勢(shì)基本一致，不同的植被指數(shù)在反映三江源區(qū)植被變化時(shí)具有很高的相關(guān)性(R2=0.939)和同步性。從植被指數(shù)的線性趨勢(shì)線可以看出，三江源區(qū)近10年來(lái)植被指數(shù)總體上呈上升趨勢(shì)；值得注意的是，NDVI和EVI與年份的Spearman相關(guān)性較弱(RNDVI=0.430，REVI=0.321,P>0.200)，推測(cè)可能是三江源區(qū)植被指數(shù)的年際波動(dòng)幅度較大所致。

2.1.2空間分布差異 三江源區(qū)植被指數(shù)存在很大的空間差異，值最大的清水河臺(tái)站和值最小的五道梁臺(tái)站的NDVI、EVI值分別相差4 380.30和3 232.60(圖3)。將18個(gè)臺(tái)站按地理位置分為東部、中部和西部地區(qū)臺(tái)站，其中東部、中部和西部地區(qū)NDVI均值分別為4 050.37、3 502.85和2 151.72，EVI均值分別為2 683.16、2 391.45和1 364.92，呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即由東向西逐漸降低。而在區(qū)域內(nèi)部，同樣存在明顯的空間差異，如中部地區(qū)的班瑪臺(tái)站其NDVI和EVI分別是興海臺(tái)站的2.48和2.22倍。

2.2三江源區(qū)植被指數(shù)變化對(duì)水熱條件的響應(yīng)

2.2.1植被指數(shù)年際變化對(duì)水熱變化的響應(yīng) 從2000-2009年18個(gè)臺(tái)站年均降水、氣溫與對(duì)應(yīng)臺(tái)站NDVI、EVI值的直接相關(guān)和偏相關(guān)結(jié)果(表1)來(lái)看，NDVI、EVI與降水和氣溫在每一年的相關(guān)性顯著程度都不同，表現(xiàn)出較明顯的時(shí)間差異。NDVI、EVI在除了2002年的其他所有年份，與降水呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明降水是影響近10年三江源區(qū)植被的主導(dǎo)因子。同時(shí)，NDVI、EVI在10年內(nèi)與氣溫的相關(guān)關(guān)系都不顯著，偏相關(guān)結(jié)果又顯示相關(guān)關(guān)系為負(fù)值，表明近10年來(lái)，氣溫對(duì)三江源區(qū)植被的影響較小，而且是負(fù)向影響。

圖2 三江源區(qū)NDVI、EVI在2000-2009年的變化趨勢(shì)

圖3 三江源區(qū)18個(gè)臺(tái)站NDVI、EVI的空間差異

表1 2000-2009年18個(gè)臺(tái)站年平均降水、氣溫和植被指數(shù)的相關(guān)性

2.2.2植被指數(shù)空間分布差異對(duì)水熱變化的響應(yīng) 從18個(gè)臺(tái)站2000-2009年年均降水、氣溫與對(duì)應(yīng)年的NDVI、EVI值的直接相關(guān)和偏相關(guān)結(jié)果(表2)來(lái)看，在三江源區(qū)這個(gè)大區(qū)域內(nèi)，各個(gè)臺(tái)站植被指數(shù)與水熱條件的相關(guān)顯著性各不相同，有的臺(tái)站相關(guān)性極顯著，有的則不顯著，其中分別有7個(gè)和5個(gè)臺(tái)站的NDVI或EVI與降水和氣溫呈顯著相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出很大的空間差異。降水和氣溫對(duì)植被指數(shù)的影響仍然不同，多數(shù)臺(tái)站植被指數(shù)與降水的相關(guān)性好于氣溫(如瑪多)，也有臺(tái)站氣溫的相關(guān)性好于降水(如班瑪)，有的則是降水和氣溫的相關(guān)顯著性都較高(如曲麻萊)，總體而言，三江源區(qū)降水與NDVI、EVI的相關(guān)性好于氣溫。

表2 18個(gè)臺(tái)站2000-2009年年平均降水、氣溫和植被指數(shù)的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

三江源區(qū)植被指數(shù)在2000-2009年間呈明顯上升趨勢(shì)，降水和氣溫也是逐漸增加和升高，這表明，三江源區(qū)在2000-2009年間植被狀況逐漸恢復(fù)，植被指數(shù)總體上對(duì)水熱條件的響應(yīng)很高。同時(shí)，三江源區(qū)植被指數(shù)存在明顯的空間差異。18個(gè)臺(tái)站的NDVI和EVI值各不相同，有的甚至相差5～6倍，區(qū)域之間也有明顯的差異，植被指數(shù)呈從東部往西部逐漸降低的趨勢(shì)，降水、氣溫均值也是逐漸降低，區(qū)域之間植被指數(shù)對(duì)水熱條件有很好的響應(yīng)。因此認(rèn)為，三江源區(qū)地處高寒地區(qū)，氣候條件惡劣，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，降水和氣溫的大幅度波動(dòng)和不確定性對(duì)植被指數(shù)的時(shí)空差異影響很大。

基于不同年份的相關(guān)分析結(jié)果顯示，三江源區(qū)植被指數(shù)與水熱條件的相關(guān)性存在時(shí)間上的差異。降水在某些年份與植被指數(shù)呈極顯著相關(guān)，而在有的年份卻不顯著，因此認(rèn)為，有些研究用某一年或一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)分析水熱條件對(duì)該區(qū)植被的影響，可能會(huì)影響結(jié)論的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，將每年18個(gè)臺(tái)站的氣溫和降水取均值后與對(duì)應(yīng)年的年均NDVI、EVI值進(jìn)行直接相關(guān)和偏相關(guān)分析，結(jié)果表明相關(guān)性都不顯著；可見，植被指數(shù)對(duì)水熱條件響應(yīng)規(guī)律的時(shí)間異質(zhì)性也隨空間地域的不同而變化，如若將三江源區(qū)大面積范圍內(nèi)的植被指數(shù)看作一個(gè)整體進(jìn)行分析，也可能發(fā)生誤判的情況。分臺(tái)站的相關(guān)分析結(jié)果表明，植被指數(shù)與水熱條件的相關(guān)性在三江源區(qū)18個(gè)臺(tái)站間各不相同。如果片面地選取整個(gè)三江源區(qū)或某個(gè)局部地區(qū)進(jìn)行分析，很容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。將每個(gè)臺(tái)站10年的降水、氣溫取均值后與NDVI、EVI進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性不顯著，可見，空間異質(zhì)性也有時(shí)間段的差異。綜上所述，鑒于三江源區(qū)植被指數(shù)及其對(duì)水熱條件響應(yīng)規(guī)律具有嚴(yán)重的時(shí)空差異，在這一地區(qū)進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)應(yīng)充分考慮研究對(duì)象的時(shí)空特性。

唐紅玉等[4]和陳瓊等[7]研究顯示，氣溫是影響三江源區(qū)植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子。而本研究表明，降水對(duì)三江源區(qū)植被時(shí)空變化的影響大于溫度，即降水才是影響三江源區(qū)植被變化的主導(dǎo)因子。由于之前的相關(guān)研究所用的植被指數(shù)為8 km的NDVI數(shù)據(jù)，而本研究結(jié)合250 m的NDVI和EVI數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行分析，精度和數(shù)據(jù)量都高于前者，結(jié)果應(yīng)更能反映真實(shí)規(guī)律。值得一提的是，不論是分年份，還是分臺(tái)站，都發(fā)現(xiàn)降水總體上對(duì)植被指數(shù)呈正向影響，而氣溫總體上呈負(fù)向影響，具體原因有待進(jìn)一步的分析。

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