疏勒河上游凍土區高寒草地NDVI分布特征及制約因素分析

周兆葉，宜樹華，葉柏生，任世龍，許 民，李乃杰

（中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅 蘭州730000）

多年凍土上部由于冰的存在而形成隔水層，可以阻止近地表水向下滲透［1］，使地表土壤保持濕潤，這有助于凍土區植被的生長，防治寒區草地沙化。但全球氣溫和地表溫度升高，多年凍土活動層吸收熱量增加，活動層厚度增大，表層土壤含水量減少，從而影響多年凍土區植被特征及共演替趨勢［2］。多年凍土退化使賦存于高寒草地和維系高寒草地生長發育的多年凍土上部的凍結層地下水位持續下降或消失，從而使高寒沼澤草甸逐漸演變為高寒草甸草原，植物種屬發生變化，植被覆蓋度降低［3］，這對位于干旱、半干旱區的青藏高原植被生長發育影響尤為明顯。

然而，多年凍土退化過程及其后果因凍土類型而存在差異［4］。目前，我國將高海拔多年凍土區的凍土按穩定性分為極穩定型［年均地溫（MAGT）＜－5℃］、穩定型（－5℃＜MAGT＜－3℃）、亞穩定型 （－3 ℃ ＜ MAGT＜ －1．5 ℃）、過 渡 型（－1．5℃＜MAGT＜－0．5℃）、不穩定型（－0．5℃＜MAGT＜0．5℃）和季節性（MAGT＞0．5℃）6類［4］。Karnieli等［5］用 AVHRR數據建立北美地區NDVI（歸一化植被指數）－LST（地表溫度）的相關關系，指出在低緯度和低海拔地區，水分是植被生長的限制因素，NDVI－LST負相關；而在高緯度和高海拔地區，熱量是限制植被生長的主要因素，NDVILST正相關。這說明NDVI和LST的關系在大尺度地理范疇內存在差異，但在區域尺度上，NDVI和LST的關系是否受約于凍土類型尚不清楚。

我國環境與災害監測預報小衛星A星（HJ－1A）自2008年9月發射以來，可提供時間分辨率為2d、空間分辨率為30m的數據，該數據波譜范圍覆蓋藍光（0．43～0．52μm）、綠光（0．52～0．60μm）、紅光（0．63～0．69μm）、近紅外（0．76～0．90μm），可代替云量大、影像質量不好的Landsat TM／ETM數據計算NDVI。Carlson［6］用AVHRR數據的LST和NDVI之間的關系式研究地表土壤水分，而土壤水分是凍土環境的主要組分之一，這為研究不同凍土類型間NDVI和LST的關系提供了一個可借鑒的思路。

祁連山凍土區是青藏高原凍土活動層厚度最大的地區之一。20世紀70年代至1998年凍土下界從3 420m 上升到3 500m［3］，祁連觀測站1961－1998年的觀測資料表明，最大季節凍結深度呈現減薄趨勢，減少幅度大于20cm［3］。疏勒河上游流域位于祁連山區西段，為祁連山多年凍土發育最為成熟的地區之一［3］。該區降水量少、地表干燥，植被整體發育較差，代表了一類干旱氣候條件下的多年凍土分布特征，而不同凍土退化類型區植被和地表基況可能存在差異。因此，本研究通過分析流域內1995、2002和2010年不同凍土類型區NDVI，建立NDVI－LST關系式，分析影響植被生長的制約因素。

1 研究區概況

疏勒河流域位于青藏高原東北緣的祁連山西段（圖1），為我國河西三大內陸河流域之一［7］，發源于青海省境內祁連山西段的疏勒南山和托勒南山之間，其上游區域（96．6°～99．0°E，38．2°～40．0°N）為疏勒河出山口以上的區域，區域面積1．1萬km2，海拔2 078～5 763m，河谷地區地形平緩，高山地區地形陡峭。研究區位于大陸性干旱荒漠氣候區，氣候干冷、多風［8－9］。據疏勒河流域上游最近的氣象站——托勒氣象站（98．42°E，38．82°N）多年觀測資料顯示，該站點多年平均氣溫－2．7℃、年均降水量349．2mm。

圖1 研究區位置及凍土類型分布Fig．1 Location of study area and the types of permafrost

2 研究方法

2．1 數據準備 本研究用到的數據主要有年均地溫、MOD13A2（1 000m 分辨率的16日合成 NDVI），MOD11A2（1 000m分辨率的8日合成LST）、Landsat TM、HJ－1A。

2．1．1 年均地溫數據 年均地溫數據（MAGT）［8］主要用于凍土類型的劃分［4］。本研究采用程國棟和王紹令［4］提出的青藏高原多年凍土分帶方案，根據年均地溫將研究區凍土類型劃分為極穩定型、穩定型、亞穩定型、過渡型、不穩定型和季節凍土6種類型。

2．1．2 MOD11A2、MOD13A2數據 下載2001－2010年4－10月MOD13A2數據，計算NDVI 10年平均值，7月下旬－8月上旬為該流域植被生長的最佳季節，因此選擇7月20日－8月4日的 MOD11A2、MOD13A2數據。MOD11A2有白天（Day）、夜晚（Night）兩種數據，在本研究中選擇白天的MOD11A2數據與 MOD13A2建立NDVI－LST的關系式來分析影響植被生長的因素。

2．1．3 Landsat TM、HJ－1A 數據 HJ－1A 數據是我國2008年9月發射的環境與災害監測預報小衛星A星上的數據，該數據時間分辨率為2d、空間分辨率為30m，波段范圍與Landsat TM的前4個波段相同。選取相近時段的TM和HJ－1A數據，計算NDVI，在像元尺度上對兩種數據進行一致性檢驗。從像元尺度來看，兩種數據集的NDVI數據之間有很好的線性關系（圖2），并能通過0．001的置信水平檢驗。所以，當研究時段的Landsat TM影像云量大、數據質量不好時，可用其代替。選擇1995年8月9日和2002年8月1日的Landsat TM數據和2010年7月27日的HJ－1A數據計算NDVI。

圖2 TM與HJ－1A數據NDVI對比Fig．2 Comparison of NDVI between TM and HJ－1A

2．2 NDVI－LST關系式的建立 用最大值合成法對2001－2010年7月20日－8月4日MOD13A（28日合成NDVI）的20景影像進行合成，使其與MOD11A2（16日合成 LST）時間一致。NDVILST正相關時，熱量是限制植被生長的條件；NDVI－LST負相關時，水分是制約植被生長的條件［5］。通過研究NDVI－LST正負相關性來分析不同凍土類型區影響植被生長的因素。

3 結果與分析

3．1 1995－2010年NDVI分布特征及變化

研究區1995、2002和2010年不同凍土類型區NDVI均值僅為0．23左右（圖3），亞穩定型、過渡型凍土區NDVI最大，為0．20～0．25，極穩定型凍土區NDVI僅有0．05左右。從極穩定型到季節性凍土區，NDVI呈倒“U”形分布，亞穩定型、過渡型凍土區植被覆蓋狀況最佳，穩定型、不穩定型凍土區植被覆蓋狀況次之，極穩定型、季節性凍土區植被覆蓋最低。1995－2010年，亞穩定型、過渡型凍土區NDVI呈增加趨勢；極穩定型、穩定型凍土區NDVI略有增加；不穩定型、季節凍土區NDVI呈降低趨勢。

圖3 1995、2002和2010年不同凍土類型區NDVIFig．3 NDVI of different types of permafrost in 1995，2002and 2010

圖4 不同凍土類型區LST和NDVI相關性Fig．4 Correlationship between LST and NDVI of different types of permafrost

3．2 NDVI－LST相關性分析結果 NDVI－LST的正負相關性可以體現出影響植被生長的主要因素（熱量和水分）。線性關系的斜率可反映出熱量和水分在植被生長中制約作用的大小［10］。10年間平均NDVI和LST的相關性因凍土類型存在一定的分異（圖4）：極穩定型、穩定型凍土區NDVI－LST正相關，熱量是限制該區植被生長的主要因素，海拔越高，植被對熱量的需求越強；亞穩定型、過渡型凍土區NDVI－LST略呈正相關，相關性不顯著，說明熱量、水分在該區達到較好的組合，氣溫升高有利于該區植被的生長；不穩定型、季節性凍土區NDVI－LST負相關，水分是制約該區植被發育的主要因素。

4 討論與結論

不同凍土區的高程，不同高程帶的降水和氣溫決定了NDVI的分布特征。從季節性凍土區到極穩定型凍土區，高程從2 000m過渡到5 700m。對距研究區最近的托勒、祁連氣象站的氣象觀測資料進行統計，結果表明（圖5），1980年以來，年均降水沒有明顯變化，但氣溫表現出明顯上升趨勢，由此引起的區域蒸發量也呈現上升趨勢，植被生長所需要的水分減少，從而限制了植被的生長發育。干旱－半干旱地區的不穩定型、季節性凍土區植被的生長主要依賴于水分，降水量沒有比較明顯的變化，但是增溫趨勢明顯，使得低山區NDVI呈減少趨勢。而在海拔較高的極穩定型、穩定型凍土區，NDVI與降水的相關性較弱且不顯著，但氣溫與NDVI顯著正相關［11］。因此，中高山區NDVI的變化主要受氣溫的影響，氣溫的升高有利于植被生長，從而導致NDVI呈增加趨勢。

圖5 托勒、祁連站1961－2010年年均氣溫、降水量變化Fig．5 Average annual air temperature and annual precipitation at Qilian and Tuole meteorological stations during 1961－2010

NDVI－LST關系式被稱為地表水分的指示器，可用于土壤水分和蒸發量的相關研究［11－12］。本研究建立NDVI－LST關系式以揭示不同凍土類型區限制植被生長的因素（熱量或水分）。在極穩定型凍土區，LST較低，NDVI較小，該區植被生長主要受限于溫度；而在季節性凍土區，LST較高，NDVI卻較小，水分是制約該區植被生長的主要因素；在亞穩定型、過渡型凍土區，植被覆蓋狀況最好，但LST卻不是最高，NDVI－LST未表現出明顯的正相關或負相關，說明熱量和水分達到較好的平衡狀態時，有利于植被的生長、發育。本研究說明，在不同的凍土退化階段，多年凍土退化對高寒草地的影響也不盡相同，現有的研究過分強調了氣候變暖引起的多年凍土的退化對高寒草地的不利影響［13］。

本研究通過分析祁連山地區不同凍土類型區1995、2002和2010年3個時期植被生長狀況最佳季節的NDVI，建立NDVI－LST關系。從極穩定型到季節凍土區，植被分布呈倒“U”形，植被覆蓋狀況較差，亞穩定型、過渡型凍土區植被覆蓋狀況最好，但NDVI均值也僅為0．22。1995－2010年，極穩定型、亞穩定型凍土區植被覆蓋狀況略有好轉；亞穩定型、過渡型凍土區NDVI呈較明顯增大趨勢；不穩定型、季節性凍土區植被狀況變差，NDVI值呈減小趨勢。從極穩定型過渡到季節性凍土區，NDVILST由正相關過渡到負相關，即限制植被生長的因素從熱量過渡到水分。

［1］ Kane D L，Hinzman L D，Zarling J P．Thermal response of the active layer to climatic warming in permafrost environment［J］．Cold Regions Science and Technology，1991，19：111－122．

［2］ 趙林，程國棟，李述訓，等．青藏高原五道梁附近多年凍土活動層凍結和融化過程［J］．科學通報，2000，45（23）：2181－2186．

［3］ 龐強強．青藏高原多年凍土活動層厚度變化研究［D］．北京：中國科學院研究生院，2009．

［4］ 程國棟，王紹令．試論中國高海拔多年凍土帶的劃分［J］．冰川凍土，1982，4（2）：1－16．

［5］ Karnieli A，Agam N，Pinker R T，et al．Use of NDVI and land surface temperature for drought assessment：Merits and limitations［J］．Climate，2010，23：618－633．

［6］ Carlson T N．An overview of the“Triangle Method”for estimating surface evapotranspiration and soil moisture from satellite imagery［J］．Sensor，2007（7）：1612－1629．

［7］ 盛煜，李靜，吳吉春，等．基于GIS的疏勒河流域上游多年凍土分布特征［J］．中國礦業大學學報，2010，39（1）：32－39．

［8］ 李靜．祁連山典型流域的多年凍土分布模型與地溫分帶特征研究［D］．北京：中國科學院研究生院，2009．

［9］ 天峻縣縣志編纂委員會．天峻縣志［Z］．蘭州：甘肅文化出版社，1995．

［10］ Wang J，Ye B，Liu J，et al．Variations of NDVI over elevation zones during the past two decades and climatic controls in the Qilian Mountains，Northwestern China［J］．Arctic，Antarctic and Alpine Research，2011，43（1）：127－136．

［11］ Sun D，Kafatos M．Note on the NDVI－LST relationship and the use of temperature－related drought indices over North America Geophys［J］．Geographical Research Letter，2007，34，L24406，doi：10．1029／2007GL031485．

［12］ Tang R，Li Z，Tang B．An application of the Ts－VI triangle method with enhanced edges determination for evapotranspiration estimation from MODIS data in arid and semi－arid regions：implementation and validation［J］．Remote Sensing of Environment，2010，114：540－551．

［13］ Yi S，Zhou Z，Ren S，et al．Effects of permafrost degradation on alpine grassland in a semi－arid basin on the Qinghai－Tibetan Plateau［J］．Environmental Research Letter，2011，6，045403，doi：10．1088／1748－9326／6／4／045403．