瑪曲草原植被NDVI與氣候和載畜量變化的關系分析

花立民

（甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州730070）

氣候變化對陸地生態系統的影響及其反饋是當前全球變化的主要研究內容，而植被作為地表狀況的重要表征，是陸地生態系統的核心部分［1－6］。歸一化植被指數（normal difference vegetation index，NDVI）是目前最為廣泛應用的表征植被狀況的指數，它是遙感影像的近紅外波段和紅外波段的比值參數［7］，它與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數及凈初級生產力密切相關，能在大、中時空尺度上客觀反映植被覆蓋信息，是植被生長狀態及空間分布密度的良好指示因子［8］。因此，NDVI是全球植被研究中極有價值的重要數據源，在大、中尺度區域植被動態變化研究中具有重要優勢。

近年來，植被NDVI與氣候因子（氣溫和降水等）的關系在全球變化研究中占有重要地位，已成為全球氣候變化的主要研究焦點［1－3，7，8］。青藏高原由于其特殊的自然地理環境，該區域植被和氣候變化的關系倍受關注［2，8－12］。陳瓊等［2］和李輝霞等［8］分析了三江源區植被 NDVI對氣候因子和人類活動的響應，付新峰等［3］研究了雅魯藏布江流域NDVI時空分布及與站點氣候因子的關系，袁雷等［10］研究了西藏怒江河谷流域NDVI變化與主要氣候因子的關系，毛飛等［11］對近20年藏北地區AVHRR NDVI與氣候因子的關系進行了分析，趙玉萍等［12］分析了藏北地區草地生態系統NDVI與8個氣象站1981－2003年氣候因子的相關性。這些研究認為，溫度與植被NDVI一般呈正相關，而降水與NDVI的關系因研究區不同而出現正相關、負相關和相關性不顯著3種情況，且植被對氣候變化具有累加或時滯效應。

瑪曲草原作為青藏高原高寒生態系統的重要組分，是黃河上游地區重要水源涵養區和生態屏障［9］，也是甘肅省主要畜牧業生產基地［13］。但在全球氣候變暖和人類活動綜合影響下，瑪曲草原退化嚴重，嚴重影響當地生態平衡。目前，僅有少數學者對瑪曲地區的氣候變化進行分析［14，15］，雖然陳世強等［9］對其植被NDVI與氣候因子關系進行了研究，但由于瑪曲植被由典型草甸、高寒草甸、沼澤化草甸和鹽生草甸組成，以藏系家畜放牧利用為主，而人類活動（以家畜放牧干擾為主）對瑪曲植被的影響不容忽視［8］；同時，以往研究中瑪曲植被NDVI對氣候因素的時滯響應缺乏系統分析。本研究在綜合考慮氣候因素和放牧干擾的基礎上，利用瑪曲縣長時間序列的NDVI與氣候因子（熱量和水分）及載畜量數據，對其年度動態變化和相互關系以及氣溫和降水的時滯效應進行系統分析，為瑪曲高寒草地生態系統的維系和青藏高原脆弱生態區的環境保護提供理論實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

甘南藏族自治州的瑪曲草原位于甘肅省西南部的甘、青、川三省交界處，屬青藏高原東端，地理坐標東經100°45′～102°29′，北緯33°06′～34°30′。東北以西傾山為界與碌曲縣接壤，東南與四川省若爾蓋縣、阿壩縣相鄰，西南、西北分別與青海省久治縣、甘德縣、瑪沁縣相連，北鄰青海省河南縣。縣內天然草地面積91.06萬hm2，占其國土總面積的89.4%，是一個以天然草原植被為主的典型青藏高原牧區。主要草地類型為高寒草甸。平均海拔3 300m，氣候以高寒濕潤為主要特征，無絕對無霜期，年均溫1.2℃，平均風速2.5m／s，最大風速36m／s，全年大風日77.1d，年降水量615.5mm，年蒸發量1 353.4mm，年均日照2 583.9h［13］。

1.2 數據來源

NDVI數據：為 GIMMS（global inventory monitoring and modeling studies）研究組提供的1982－2005年每旬NDVI數據。時間分辨率為15d，空間分辨率為8km×8km。該數據集的處理過程包括校正遙感器的改變、遙感器靈敏度隨時間變化、衛星軌道的漂移和太陽高度角等對數據質量的影響。為消除Elchichon和Pinatubo火山爆發導致的大氣氣溶膠對數據質量的影響，對1982年4月－1984年2月和1991年6月－1993年12月的數據進行校正［10－15］。年度植被NDVI為其各月的均值，各月NDVI數據分春（3－5月）、夏（6－8月）、秋（9－11月）和冬（12－翌年2月）4季分別進行分析。

氣象數據：1982－2005年的月均和年均氣溫、≥0℃年積溫、月降水和年降水資料由瑪曲縣氣象局提供。

家畜數據：1982－2005年瑪曲縣的家畜數據來自《甘肅農村年鑒》［16］和《甘肅畜牧業五十年》［17］。

利用ENVI圖像處理軟件，對1981－2005年8km的NASS／GIMISS半月合成的NDVI數據進行處理，包括圖像格式轉換、投影、裁剪、波段疊合等。在地理信息軟件ARC／GIS支持下，提取研究區的行政邊界、土地利用圖，并投影到與研究區遙感圖像NDVI一致的坐標參數下。使用PCI軟件按照行政區域、土地利用類型等提取24年各月植被指數過程曲線。

1.3 數據分析

運用SPSS軟件，對1982－2005年瑪曲草原NDVI與同期氣候數據（氣溫、降水和≥0℃年積溫）和家畜數量進行線形動態擬合和相關性分析；用各指標的變異系數（CV）反映植被NDVI、氣候以及家畜數量年間均值變化的相對變異程度［18］。

生長季內和生長季間瑪曲草原植被NDVI與氣候因子時滯分析，用李霞等［19］描述的方法，計算生長季內（4－9月）（或生長季間）植被的NDVI序列與同期（0）及前期（前1～6個月，分別為1，2，3，4，5和6月）氣溫或降水序列之間的相關系數，按4個時間尺度（1～4個月）和4個時滯期（無時滯期0個月、1個月、2個月和3個月），將氣溫和降水數據進行16種組合（表1），以探討植被NDVI對氣候因素（氣溫和降水）的時滯響應特性。

表1 氣溫和降水的組合方式（4個時間尺度×4個時滯期）Table 1 The combinations of temperature and precipitation（4time durations×4time lags）

2 結果與分析

2.1 瑪曲草原NDVI變化

瑪曲草原不同季節NDVI的年際變化為，春季（3－5月）和夏季（6－8月）的NDVI呈明顯增加變化，通過顯著（P＜0.05）和極顯著性（P＜0.01）水平檢驗，其NDVI分別增加0.019／10a和0.022／10a；秋季（9－11月）和冬季（12－2月）的NDVI雖呈增加變化，但未通過顯著性（P＞0.05）水平檢驗，其NDVI增幅為0.009 1／10a和0.009 0／10a（圖1）。24年間，春季、夏季、秋季和冬季的 NDVI變化范圍為0.197 7～0.316 5，0.607 4～0.707 7，0.377 3～0.485 4和0.161 6～0.231 4，平均為0.260 6±0.028 9，0.659 0±0.027 7，0.447 2±0.024 9和0.202 4±0.018 9，夏季為春季、秋季和冬季的2.5，1.5和3.3倍；各季 NDVI的年間變異程度較小，為4.1%～11.1%。

圖1 1982－2005年瑪曲草原植被NDVI季節變化Fig.1 Seasonal variation of grassland vegetation NDVI in Maqu County from 1982to 2005

圖2 1982－2005年瑪曲草原植被全年各月NDVI均值的年際變化Fig.2 Annual variation of average monthly grassland vegetation NDVI in Maqu County from 1982to 2005

全年各月NDVI均值的年際變化與春季和夏季的年際變化類似，呈極顯著（P＜0.001）增加，增幅為0.015／10a；1993年之前為負距平，之后為正距平（圖2）。其5年NDVI的滑動平均值變幅小、周期長。24年間NDVI變化范圍為0.359 9～0.412 9，平均為0.392 3±0.014 5，于1982和2005年出現NDVI低峰和高峰值；其年度變化的變異強度小，為3.7%。這說明，全年各月NDVI均值的較大年際變幅主要由春季和夏季的差異引起。

2.2 瑪曲草原氣候因子和載畜量變化

圖3 1982－2005年瑪曲草原氣溫和降水量季節變化Fig.3 Seasonal variation of temperature and precipitation in Maqu from 1982to 2005

春季、夏季、秋季和冬季氣溫年際變化均呈明顯增加趨勢，并通過顯著（P＜0.05）和極顯著性（P＜0.01）水平檢驗，10a增幅分別為0.6，0.6，0.5和0.7℃；雖然春季、夏季和秋季的降水量分別呈一定程度增加、增加和下降變化，但均未通過顯著性（P＞0.05）水平檢驗，其變幅分別為2.0，6.4和3.1mm／10a（圖3）。24年間，春季、夏季、秋季和冬季的氣溫和降水分別為0.23～3.67℃和24.7～56.7mm、9.23～11.03℃和78.7～154.8mm、0.80～3.33℃和22.8～70.0mm、－10.27～－6.30℃和1.4～8.2mm，平均為（2.03±0.81）℃和（37.4±8.0）mm、（10.27±0.53）℃和（109.1±21.6）mm、（1.95±0.67）℃和（43.9±12.4）mm、（－7.71±1.09）℃和（4.2±2.0）mm；夏季氣溫變異強度小，為5.1%，春季、秋季和冬季氣溫變異強度大，為39.9%，34.4%和14.1%，各季降水年際變化的變異強度均較高，為19.8%～47.6%。可見，植物生長季6－8月氣溫的年際變化穩定，而春秋季氣溫及各季節降水的年際變化不穩定。

年均氣溫、≥0℃年積溫和年總降水量的年際變化與各季節氣候的年際變化類似，即氣溫和年積溫總體呈極顯著上升趨勢（P＜0.001），年降水量年際變化小（P＞0.05），變幅為0.6℃／10a和1 215℃／10a與13mm／10a（圖4）；氣溫、≥0℃年積溫和年降水均以1995年為界，之前為負距平，之后為正距平，約10a出現1次波動周期。氣溫1983年最低，2003年最高，分別為0.5和2.8℃；降水量2003年最高，1996年最低，分別為731.4和448.4 mm；≥0℃年積溫1982年最低，1998年最高。氣溫和≥0℃年積溫及降水量24年的均值為（1.64±0.60）℃、（1 494±318.3）℃和（585.3±74.8）mm，年間變異強度為36.3%，21.3%和12.8%。可見，年均氣溫和年積溫的年際變化不穩定，而降水的年際變化穩定，此與其季節的年度變化相反。

圖4 1982－2005年瑪曲草原全年年均氣溫和年降水量及≥0℃年積溫年際變化Fig.4 Annual variation of annual temperature，precipitation and accumulated temperature（≥0℃）in Maqu from 1982to 2005

瑪曲草原載畜量年際變化總體呈顯著增加趨勢（P＜0.001），增幅較大，為4.0萬只羊單位／10a（圖5）。以1993年為界，之前負距平，之后正距平；1996年之前載畜量變化不明顯，之后增加趨勢明顯。24年間載畜量平均為（128.9±5.0）萬只羊單位，年間變異強度為3.8%，說明載畜量多年增加趨勢穩定。比較發現，載畜量年際趨勢總體與NDVI和氣候因素的變化一致。

圖5 1982－2005年瑪曲草原家畜數量年際變化Fig.5 Annual variation of carrying capacity in Maqu from 1982to 2005

2.3 瑪曲草原NDVI與氣候因素和載畜量的關系

以各月數據為基礎的不同季節NDVI與同期氣溫和降水的相關性分析結果顯示，春季、夏季和秋季的NDVI與氣溫呈極顯著正相關（P＜0.001），其相關系數（R）分別為0.84，0.72和0.95；春季和秋季的NDVI與降水呈極顯著正相關（P＜0.001），其相關系數為0.84和0.77；冬季的降水與 NDVI呈極顯著負相關（P＜0.001，R＝－0.52），夏季的降水和NDVI無顯著關系（P＞0.05）（圖6）。可見，瑪曲草地植物生長受生長季（春季、夏季和秋季）低溫和春秋季干旱影響，夏季因降水較多而使降水對植物生長的抑制作用消除。

1982－2005年，每年各月NDVI與同期氣溫和降水量存在極顯著正相關關系（P＜0.001），相關系數分別為0.87和0.80；每年NDVI的月均值與同期≥0℃的年積溫和年家畜數量呈極顯著和顯著正相關（P＜0.001和P＜0.05），相關系數為0.66和0.45（圖7）。可見，氣候因子和家畜數量綜合作用于瑪曲草地植被NDVI。

2.4 瑪曲草原NDVI與氣溫和降水的時滯效應分析

生長季內（4－9月）瑪曲草原NDVI與氣溫和降水的相關分析顯示，不同時段瑪曲草原植被NDVI對氣溫和降水的響應效應不同（表2）。時段0，1，2，3，0～1，1～2，2～3，0～2，1～3，2～4，0～3和1～4的植被NDVI與氣溫變化的響應顯著（P＜0.05，P＜0.01和P＜0.001），相關系數為0.83～0.98；在時段0～1（即時間尺度為2個月，當月氣溫和前1個月氣溫的平均值）時，瑪曲草原植被NDVI與氣溫的相關系數最高（為0.98），植被NDVI對氣溫的響應最強。與生長季內氣溫和NDVI的時滯響應比較（表2），不同時段瑪曲草原植被NDVI對降水量的時滯響應為，時段1，0～1，1～2，0～2，1～3，0～3和1～4，即時間尺度為1～4個月、時滯期為0個月和1個月時，瑪曲草原植被NDVI對降水的響應顯著（P＜0.05，P＜0.01和P＜0.001），相關系數為0.77～0.94；時段0～2（即時間尺度為3個月，當月降水和前2個月降水的總量）時，植被NDVI與降水的相關系數最高（為0.94），植被NDVI對降水的響應最強。相對于較長時間尺度（3個月和4個月）和較高的時滯期（2個月和3個月），時間尺度為1～3個月，時滯期為0個月和1個月時，氣溫和降水均與NDVI的相關程度較高；這說明，當月和前1～2月氣溫的均值與當月和前1～2月降水積累對當月和下1個月NDVI的影響較大。

圖6 不同季節瑪曲植被NDVI與同期氣溫和降水量的相關性Fig.6 Correlation between NDVI and temperature and precipitation at same period in different seasons in Maqu

生長季間（4－9月）瑪曲草原植被NDVI與氣溫和降水的相關分析顯示，隨氣溫或降水累積方式的不同，NDVI與氣溫或降水的時滯分析結果不同（表3和4）。時段0，0～1和0～2的氣溫和NDVI在生長季間（或月份間）相關系數較高，為0.24～0.37，而其他各時段氣溫對NDVI的促進作用較小；表明時間尺度為1～3個月，時滯期為0個月的同期氣溫對生長季間植被NDVI生長起較大促進作用。生長季初期（4月）氣溫與植被NDVI相關系數平均值最高，為0.36，這表明生長季早期的氣溫升高對植被NDVI的促進作用強烈；旺盛生長期（5－7月），各時段氣溫與NDVI的平均相關系數為0.21～0.33，此時氣溫對植被NDVI有一定程度促進作用；生長季后期（8－9月）氣溫與植被NDVI的相關系數為－0.2～－0.1，此時高溫抑制植物生長。

與生長季間氣溫和NDVI的時滯響應比較（表3），時段3，3～4和3～6的降水與植被NDVI的相關系數較高，平均為－0.16～－0.15，表明時間尺度為1～3個月，時滯期為3個月的降水累加對生長季間植被NDVI的抑制效應較大；時段1和1～2在生長季間降水和NDVI的正相關系數較高，為0.10～0.13，表明時間尺度為1～2個月，時滯期為1個月的降水累加對植被NDVI生長季間的促進效應較大。各時段生長季初期（4月）和生長季后期（8月）降水與植被NDVI的負相關系數平均值較高，為－0.16和－0.21，表明生長季初期和后期的降水累加抑制植物生長；生長季中期（5月），各時段降水與NDVI的平均相關系數為0.21，表明降水增加對其NDVI生長促進作用較強。

總體上，生長季間的NDVI和氣候因子（氣溫和降水）的時滯效應呈現出的規律與生長季內的NDVI與氣溫和降水的時滯效應類似。

圖7 瑪曲植被NDVI與年均氣溫、年積溫、年降水量及家畜數量的相關性Fig.7 Correlation of NDVI in response to annual temperature，annual accumulated temperature，annual precipitation and carrying capacity in Maqu

表2 生長季內NDVI與氣候因子的相關系數Table 2 Correlation coefficients between NDVI and climate factors in vegetation growing seasons

3 討論

本研究發現，1982－2005年，瑪曲草原植被NDVI的年內各月均值的年際變化和不同季節3個月均值的

年際變化均呈增加趨勢，但量的變化不大，不同季節間瑪曲草原的NDVI相差較大，其中夏季（6－8月）的NDVI維持高水平（0.66），秋季（9－11月）下降到0.45，而冬春季（12月－翌年5月）的很低（0.20～0.26）。這與付新峰等［3］的發現，2001－2003年雅魯藏布江流域植被NDVI的季節性明顯，各年份5月前的NDVI變化小，6－8月的NDVI維持較高水平，且NDVI年際變化總體呈緩慢上升趨勢；以及陳世強等［9］的報道，20世紀90年代的瑪曲植被狀況比80年代好的結果總體一致；這說明，近24年來瑪曲草原植被覆蓋度逐漸變好。本研究中瑪曲草原24年間NDVI的平均值為（0.39±0.01），相比陳世強等［9］的研究結果，1982－2000年瑪曲縣植被NDVI的平均值＞0.4低，主要原因是NDVI的計算依據不同，本研究的NDVI為各年各月（1－12月）平均值，而后者為多年4－10月NDVI的平均值。

表3 生長季間NDVI與氣溫的相關系數Table 3 Correlation coefficients between NDVI and temperature among vegetation growing seasons

表4 生長季間NDVI與降水的相關系數Table 4 Correlation coefficients between NDVI and precipitation among vegetation growing seasons

本研究中，瑪曲草原氣溫的季節和年際趨勢基本呈顯著增加變化，與全球氣候變暖的總體趨勢一致；但1982－2005年的氣溫增幅為0.6℃／10a，這比趙玉萍等［12］報道的藏北地區的0.79℃／10a低，比陳世強等［9］報道的瑪曲地區1970－1990年的0.27℃／10a高；可能原因是研究地區和時間尺度不同所致。雖然本研究中瑪曲草原降水量有一定程度增加但未通過顯著性水平檢驗，增幅僅13mm／10a，這與陳世強等［9］的報道，瑪曲地區的年降水量略有增加趨勢的結論類似。

研究表明，植被NDVI一般與溫度呈正相關，其與降水的關系則因研究區不同而出現正相關、負相關和相關性不顯著3種情況。毛飛等［11］和趙玉萍等［12］先后對藏北地區20多年NDVI與氣候因子的關系進行研究，發現NDVI與同期氣溫和降水均呈顯著正相關，氣溫和NDVI的相關系數為0.68～0.83和0.84，均比其與降水的相關系數0.59～0.78和0.63大；由此他們認為，影響藏北地區植被NDVI年變化的最顯著氣候因子是溫度。但付新峰等［3］通過雅魯藏布江流域NDVI的時空分布與站點氣候因子關系研究，發現雖然流域植被NDVI與氣溫和降水呈顯著正相關，且其與降水的相關系數（0.77）比其與氣溫的（0.72）高。而陳瓊等［2］和李輝霞等［8］在研究三江源區植被NDVI對氣候因子的響應及受人類活動干擾影響時，得出同一研究區域的部分結果相反；前者認為，生長季三江源區的NDVI與溫度和降水分別呈正相關和負相關，且溫度是三江源區植被生長的主導因子；而后者發現，該區NDVI與降水和氣溫均有顯著正相關關系，且10a時間尺度上，氣候變化是影響植被生長的決定性因素。本研究中，無論季節還是全年各月平均的植被NDVI均與同期氣溫和降水存在極顯著正相關關系，這與以往青藏高原高寒地區的多數研究結果類似［9，11，12］。本研究中，瑪曲植被NDVI與氣溫和降水的相關系數分別為0.87和0.80，這比陳世強等［9］報道的瑪曲地區氣溫和降水與NDVI的相關系數為0.40和0.14高，可能由于后者在進行NDVI與氣候因素相關性分析中，以生長季數據為準，而忽視11月－翌年3月期間氣候因素的時滯效應所致；同時，本研究瑪曲草原植被NDVI與氣溫的相關系數比降水的高，主要原因是地處高寒區的瑪曲氣溫通常較低，且該區降水充足并有冬季降雪春夏季融化補充，從而使降水對其植被NDVI的影響降低而氣溫對其NDVI的作用增大所致；這說明，影響瑪曲草原植被生長的主導因素是氣溫。綜合分析以往青藏高原地區植被NDVI與氣溫和降水關系研究的結果認為，雖然因研究區氣候和植被類型差異以及研究所選擇的時間尺度和空間尺度不同而出現同一區域（如三江源區）或不同區域（藏北地區、雅魯藏布江流域、三江源區和瑪曲地區）植被NDVI與氣溫和降水相關性效應不一致的結論，但溫度或溫度和降水仍是青藏高原各地區植被生長的主導因素。

本研究通過系統分析4個時間尺度（1～4個月）和4個時滯期（無時滯期0個月、1個月、2個月和3個月）共16種氣溫和降水組合下，氣溫和降水對瑪曲草原植被NDVI的時滯效應，發現瑪曲植被NDVI與當月和前2月降水的累積量（時間尺度為3個月）以及當月和前1個月氣溫（時間尺度為2個月）的響應最強，時間尺度為1～3或1～2個月，時滯期為0個月的同期氣溫或時滯期為1個月的降水對生長季間的NDVI促進效應大；早期（4月）氣溫升高促進植物生長，而中期和后期（8－9月）的降水累加及后期高溫抑制植物生長。此與以往多數研究結果，即氣候變化對植被具有累加效應類似。李曉兵等［20］和李霞等［19］通過對1983－1992年和1982－1997年中國北方溫帶草原植被NDVI與降水的時滯響應分析發現，生長季初期的植物對前1年冬季和春季的降水響應最明顯，而生長季中后期的當月和前1～2個月的降水與植被NDVI相關系數最大，降水的時滯期主要為1～2個月；付新峰等［3］報道，雖然雅魯藏布江流域的降水量與NDVI的變化在時間上基本同步，但流域平均氣溫的增加比流域NDVI的增加早3個月；趙玉萍等［12］發現，藏北高原多數地區的NDVI與前1個月的溫度和降水的相關性高，一般NDVI對溫度或降水的響應時滯為1個月；袁雷等［10］發現，西藏怒江河谷流域NDVI變化與主要氣候因子的關系，返青初期4月的氣溫以積溫形式影響牧草返青，旺盛生長季5－7月的氣溫影響牧草生長。這些研究表明，氣溫和降水變化對植被的累加效應具有普遍性，不僅廣泛存在于青藏高原不同植被類型區，還存在于溫帶典型草原區。因此，植被生長除受當時氣候狀況的影響外，前一定時段的溫度和降水亦對植物生長有顯著滯后效應，且這種滯后效應與時間尺度和滯后時段不同有關［12，19］。

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