柴達木盆地氣候變化對植被的影響分析

李紅梅

(青海省氣候中心，青海 西寧 810001)

植被是陸地生態系統中對氣候變化響應最敏感的組分，在一定程度上是氣候變化的指示器。在當前氣候變化背景下，世界各地植被生長發育狀況和地域分布特征都發生了明顯改變，但隨著各地氣候變化特征的不同，植被所作出的響應亦存在較大的差異[1-6]。有學者研究表明20 世紀80 年代初至90 年代末，氣候變暖導致了中國青藏高原和北半球高緯度地區植被活動的顯著增強[7-10]。也有學者指出2000 年以后北半球多個地區植被活動呈減弱趨勢，氣溫持續升高所導致的干旱化過程可能是驅動這些地區植被活動變化的主要原因[11]。綜合以上分析可以發現，氣候變化在不同時間尺度和空間尺度上分析結果存在較大的差異，或者由于利用的資料源不同，所分析的結果也存在很大的不同，由此引起的對植被的影響評估結果也存在很大的差異性，尤其是在地形條件復雜多樣的青藏高原表現更為突出。

柴達木盆地位于青海高原西北部，是我國海拔最高的高原型盆地，盆地四周高山環抱，地貌復雜多樣，垂直分異明顯，整個盆地大致以海拔3350 m為界，可分為盆地內干旱荒漠區和盆地四周高寒區[12]。該區域降水稀少, 蒸發強烈，氣候干燥，生態環境脆弱，是整個青藏高原升溫最顯著的地方，也是全球氣候變化影響最敏感的地區[13-15]。近年來隨著全球氣候變暖，眾多學者對柴達木盆地氣候變化特征進行了研究[16-22]，并指出，隨著柴達木盆地降水的增多，該區正經歷著由暖干向暖濕的氣候轉型[23-26]。然而，在此氣候轉型背景下，對本地條件極其脆弱的草地植被產生了何種影響，加之，柴達木盆地各地氣候條件差異較大，氣候變化對不同區域、不同植被類型所產生的影響是否相同，目前對這些問題的研究尚顯不足。 本研究利用1961-2016年氣象觀測資料和1982-2016年遙感監測資料，評估柴達木盆地氣候變化對不同區域、不同植被類型歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)的影響，以及氣候變化對植被演替的影響趨勢，通過研究氣候變化對植被的影響，在一定程度上可以預估未來植被可能變化的趨勢，為今后柴達木盆地實施生態環境保護和開展適應氣候變化工作等提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象數據利用柴達木盆地1961-2016年茫崖、冷湖、大柴旦、德令哈、天峻、格爾木、諾木洪、都蘭、茶卡和小灶火共10個氣象站逐日氣溫、降水等資料，所有資料均經過嚴格的質量控制，具有較高的可信度。

NDVI值采用GIMMS和MODIS兩個衛星源的數據。GIMMS 數據是美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)全球監測與模型研究組(Global Inventor Modeling and Mapping Studies, GIMMS)發布的NDVI半月最大值合成值(maximum value composites, MVC), 空間分辨率為 8 km×8 km, 時段為1982年5月至2006年12月。MODIS數據采用青海省遙感中心 EOS/MODIS系統接收的數據, 空間分辨率為 250 m×250 m，時段為2002年1月至2016年12月。兩種NDVI數據集都已經過幾何精糾正、輻射校正、大氣校正等預處理, 并采用最大值合成法減少云、大氣、太陽高度角等的影響。

1.2 方法

1.2.1遙感資料的處理 由于GIMMS和MODIS數據采用了不同的傳感器，利用1982-2006年GIMMS資料和2001-2016年MODIS資料相重疊的2001-2006年NDVI值進行相關性分析。分析發現在不同區域(盆地四周高寒區和盆地內干旱荒漠區)以及不同植被類型(溫性荒漠、低地草甸、高寒草原)的GIMMS 數據和NDVI數據均存在較高的相關性，都通過了置信度為0.01的極顯著檢驗(圖1)。根據GIMMS和MODIS兩者關系，利用2007-2016年GIMMS的NDVI值插補MODIS NDVI值，建立1982-2016年柴達木盆地四周高寒區、盆地內干旱荒漠區、低地草甸、溫性荒漠、高寒草原植被MODIS NDVI值序列。

1.2.2遙感資料的插補模型 根據不同區域(盆地四周高寒區和盆地內干旱荒漠區)和不同植被類型(低地草甸類、溫性荒漠類、高寒草原類)GIMMS NDVI和MODIS NDVI值的相關性，利用GIMMS NDVI值對MODIS NDVI值進行插補，具體插補模型見表1。

圖1 2001-2006年盆地四周高寒區(a)、盆地內干旱荒漠區(b)、低地草甸類(c)、溫性荒漠類(d)和高寒草原類(e)GIMMS NDVI和MODIS NDVI相關性Fig.1 The correlation between GIMMS NDVI and MODIS NDVI in high cold region around Qaidam Basin (a), arid desert region in the Qaidam Basin (b), lowland meadow region (c), warm desert region (d) and alpine meadow region (e)

類型Type模型ModelF值FvalueR2盆地四周高寒區ThecoldregionaroundbasinY=1．547X+0．184935．063??0．9524盆地內干旱荒漠區TheariddesertregioninbasinY=2．717X-0．014330．426??0．9019低地草甸類LowlandmeadowY=1．181X+0．048643．673??0．9758溫性荒漠類WarmdesertY=0．493X+0．0204110．309??0．9154高寒草原類AlpinemeadowY=0．414X+0．021432．517??0．9697

注：Y為MODIS NDVI，X為GIMMS NDVI，**表示通過置信度為0.01的極顯著檢驗。

Note:Yexpress MODIS NDVI,Xexpress GIMMS NDVI, **express through highly significant test of the reliability of 0.01.

1.2.3植被演替分析方法 采用改進的綜合順序分類法分析植被演替特征，綜合順序分類法是以任繼周院士為代表，在其草原發生與發展理論的指導下，參考并吸收世界各國草原分類方法的優點，提出的一種草原分類方法[27-28]。1995年胡自治等[29]對綜合順序分類法進行了新的改進，使劃分結果更趨完善，該方法以>0 ℃的年積溫和濕潤度指數K作為草地類型的劃分因子，比較適合于劃分青海高原的草地類型[30-32]。

2 結果與分析

2.1 植被NDVI變化特征分析

2.1.1不同區域植被變化趨勢 1982-2016年柴達木盆地四周高寒區植被NDVI值呈明顯增加趨勢，趨勢系數為0.008/10年(圖2a)，并通過顯著性水平0.05的檢驗。從長期變化曲線來看以1999年為界大致分為兩個階段，其中1982-1998年NDVI值總體呈略微下降趨勢，而1999年以來植被NDVI值變化較為平穩，且維持在一個較高水平。

1982-2016年柴達木盆地內干旱荒漠區植被總體呈增加趨勢，趨勢系數為0.007/10年，通過顯著性水平0.01的檢驗。干旱荒漠區NDVI值具有階段性變化，1996年以前年際間變化幅度較大，呈增加趨勢，1996年以后變化較為平穩(圖2b)。

圖2 1982-2016年柴達木盆地四周高寒區(a)、盆地內干旱荒漠區(b)植被NDVI變化趨勢Fig.2 The change trend of NDVI in the high cold region around Qaidam Basin (a) and arid desert region in the Qaidam Basin (b) from 1982 to 2016

2.1.2不同植被類型NDVI變化特征 低地草甸類、溫性荒漠類、高寒草原類3種植被類型是柴達木盆地主要植被類型，1982-2016年這3種植被類型NDVI值均呈增加趨勢，趨勢系數分別為0.001/10年、0.003/10年和0.005/10年，其中只有高寒草原類變化趨勢通過置信度0.01的極顯著水平檢驗。主要是因為高寒草原類廣泛分布在柴達木盆地四周高寒區，受氣溫升高、降水增多的有利影響，NDVI值增加較為明顯，而在盆地中分布較多的溫性荒漠類受氣候干旱的影響，NDVI值變化不明顯(圖3)。

2.2 氣候變化對植被NDVI的影響

2.2.1氣候條件對不同類型植被NDVI的影響 以柴達木盆地低地草甸類、溫性荒漠類、高寒草原類為代表性植被，分析氣候變化對這3種植被NDVI的影響。受柴達木盆地植被生長季高溫少雨的影響，低地草甸類、溫性荒漠類、高寒草原類3種主要植被類型生長均受降水和蒸發量影響較大，其中低地草甸類、高寒草原類與降水量呈線性相關，隨著降水量的增加，植被NDVI值呈增加趨勢(圖4a，c)。而降水對溫性荒漠類植物的影響較為復雜，在降水量開始增加時，隨著降水量的增加NDVI值呈增加趨勢，降水增加到一定程度后NDVI值不再增加(圖4b)。

蒸發量對植被NDVI值具有較明顯的負影響(圖4d～f)，通過相關分析表明，低地草甸類、溫性荒漠類與蒸發量的相關系數分別為-0.49和-0.56，通過置信度為0.01的顯著性檢驗，高寒草原NDVI與蒸發量的相關系數為0.40，通過了置信度為0.05的顯著性檢驗。

2.2.2植被NDVI的氣候模擬模型 根據1982-2016年低地草甸類、溫性荒漠類和高寒草原類NDVI值和4-8月降水量和蒸發量變化特征，建立不同植被類型氣候模擬模型，見表2。

利用1982-2016年4-8月降水量和蒸發量模擬低地草甸類、溫性荒漠類和高寒草原類NDVI值，從圖5中可以看出，3種類型草地NDVI值的氣候模擬模型都能很好地模擬出歷年變化趨勢。

圖3 1982-2016年柴達木盆地低地草甸類(a)、溫性荒漠類(b)和高寒草原類(c)NDVI變化趨勢Fig.3 The NDVI change trend of lowland meadow (a), warm desert (b) and alpine meadow (c) from 1982 to 2016

圖4 低地草甸類NDVI、溫性荒漠類NDVI、高寒草原類NDVI與4-8月降水量(a、b、c)以及年蒸發量(d、e、f)相關性Fig.4 The correlation between NDVI of lowland meadow (a), warm desert (b) and alpine meadow (c) and the sum of precipitation from April to August, and the correlation between NDVI of lowland meadow (d), warm desert (e) and alpine meadow (f) and the annual evaporation

2.3 植被類型演替特征

利用綜合順序分類法分析柴達木盆地1961-2016年植被演替特征，根據相關學者對柴達木盆地氣溫變化特征的研究發現，該地區在1987年發生由冷向暖的突變[22]，因此以氣溫發生突變的1987年為界和以10年為間隔，計算不同年代植被演替方向。>0 ℃年積溫和濕潤度K值是確定植被類型的氣象因子，本研究主要基于這兩個區劃因子進行植被演替特征的分析。

表2 低地草甸類、溫性荒漠類和高寒草原類NDVI氣候模擬模型Table 2 The climate simulation model of NDVI of lowland meadow, warm desert and alpine meadow

注：Y為NDVI值，X1為4-8月降水量，X2為4-8月蒸發量，**表示通過置信度為0.01的極顯著檢驗。

Note:Yexpress NDVI,X1express precipitation from April to August,X2expresse evaporation from April to August， ** express through highly significant test of the reliability of 0.01.

圖5 低地草甸類(a)、溫性荒漠類(b)和高寒草原類(c)實際NDVI值與模擬值對比Fig.5 Comparison of actual and simulated NDVI values of lowland meadow (a), warm desert (b) and alpine meadow (c)

2.3.1氣象因子變化特征 1961-2016年>0 ℃年積溫呈顯著上升趨勢，趨勢系數達每10年上升85.4 ℃，與柴達木盆地年平均氣溫變化趨勢一致，1998年以來>0 ℃年積溫呈明顯增加趨勢，1961-1997年平均>0 ℃年積溫為2157.6 ℃，而1998-2016年平均值上升為2452.4 ℃，前后兩個時段平均值相差294.8 ℃(圖6a)。同時，從>0 ℃年積溫變化圖也可以看出，在1994年左右柴達木盆地的熱量級由寒溫帶轉為微溫帶。

從空間變化趨勢來看，柴達木盆地的西部積溫增加率大于東部地區，其中茫崖、格爾木一帶>0 ℃年積溫增加幅度較大，平均每10年達到183.8 ℃，而柴達木盆地的東部天峻、烏蘭等地增加率相對較小，平均每10年增加34.1 ℃(圖6b)。

受柴達木盆地降水量增多的影響，1961-2015年濕潤度K值呈微弱增加趨勢，整體來看，90年代以前濕潤度K值變化幅度較大，位于歷史前4高的極值均出現在這一時段；1990年以后濕潤度K值變化平穩，尤其是進入21世紀以來增加明顯，且一直在較高水平(圖7a)。

柴達木盆地各地濕潤度指數變化趨勢不盡相同，呈明顯的東高西低特征，東部地區的德令哈、烏蘭、都蘭為一個大值區，濕潤度指數增加系數為每10年增加0.052，而柴達木盆地西部的格爾木一帶濕潤度指數呈降低趨勢，平均每10年降低0.028(圖7b)。

圖6 1961-2016年柴達木盆地>0 ℃年積溫變化(a)、空間變率分布(b)Fig.6 >0 ℃ accumulated temperature change (a), and its variability spatial distribution (b) from 1961 to 2016 in Qaidam Basin

圖7 1961-2015年柴達木盆地濕潤度K變化(a)、濕潤度K空間變率分布(b)Fig.7 K index change (a), and its variability spatial distribution (b) from 1961 to 2015 in Qaidam Basin

2.3.2以氣溫突變點為界分析植被演替 柴達木盆地氣溫在1987年前后發生了突變，因此以1987年為界分析氣候突變前后植被演替特征。

在氣象要素進行空間插值時，發現氣候突變前后的>0 ℃年積溫和濕潤度K值與海拔存在較高的相關性，為了提高空間插值精度，采用表3所示的回歸方程進行插值。

利用表3中>0 ℃年積溫和濕潤度K值的插值方程對柴達木盆地各格點進行插值，并根據綜合順序分類法對氣候突變前和突變后植被進行分類。從表4可以看出，氣候突變植被類型發生了變化，突變前植被類型主要有寒冷潮濕類、寒冷濕潤類、寒溫潮濕類、冷溫干旱類、冷溫微干類、冷溫微潤類、冷溫濕潤類、微溫極干類和微溫干旱類，而氣候突變后植被類型主要有寒冷潮濕類、寒溫潮濕類、冷溫干旱類、冷溫微干類、冷溫微潤類、冷溫濕潤類、冷溫潮濕類、微溫極干類和微溫干旱類。氣溫突變前后雖然植被類型數量都為9類，但突變前的寒冷濕潤植被類型消失，氣溫突變后新增了冷溫潮濕類。

由植被類型發生改變的區域可以看出，在盆地四周高寒區和盆地內干旱荒漠區的交錯區氣候變化對植被的影響最大，植被類型易發生改變。

從各植被類型面積變化(表5)來看，氣溫突變前后熱量級發生了顯著改變，1987年前植被類型以寒溫類為主，而1987年以后轉為以微溫類植被為主。從濕潤度面積變化結果來看，植被主要朝著濕潤的方向發展，尤以極干類植被變化較為顯著，由1987年以前的12.85×104m2減少為之后的9.67×104m2，減少了近25%。

表3 >0 ℃年積溫、濕潤度K回歸方程Table 3 Regression equation of >0 ℃ accumulated temperature and K index

注：表中HB表示海拔，**表示通過顯著性水平0.01的相關性檢驗。

Note: HB express altitude, **express through highly significant test of the reliability of 0.01.

表4 氣溫突變前后主要植被類型Table 4 Main vegetation types before and after temperature change

表5 氣溫突變前后不同類型植被分布面積變化Table 5 The area of different vegetation types of before and after temperature change (×104 m2)

2.3.3以年代際變化為界分析植被演替 >0 ℃年積溫和濕潤度K是植被類型分布的決定性因素，受這兩要素的影響，50多年來，植被類型發生了變化。將1961-2010年以10年為間隔進行植被類型演變分析(表6)，從表中可以看出柴達木盆地寒溫帶植被類型逐步減少，微溫帶植被類型逐步增多，同時濕潤度級別逐漸升高，尤其是進入21世紀以來，出現了微溫微干和微溫微潤的植被類型。

表6 不同年代不同類型植被分布面積變化Table 6 The area of different vegetation types in different interdecadal (×104 m2)

3 討論與結論

溫性荒漠類植被對降水變化響應的特征主要是因為溫性荒漠類主要以超旱生灌木和半灌木為優勢種，這些植被長期生長于干旱的環境，比較適合于旱生生境，適度的干旱有利于其生長發育，當降水量增大到一定程度后，植被類型就會演替到合適潮濕環境的植被生長，這和相關的研究結論比較一致[33]。

通過對柴達木盆地不同區域植被NDVI指數和不同類型植被NDVI指數變化特征、不同時期植被演替特征分析，主要得出以下結論：

1)按不同海拔、植被分布特征等將柴達木盆地分為盆地四周高寒區和盆地內干旱荒漠區。1982-2016年兩區域植被NDVI指數均呈顯著上升趨勢，趨勢系數分別為0.009/10年、0.007/10年，其中四周高寒區植被NDVI變化趨勢通過顯著性水平0.05的檢驗，而盆地內干旱荒漠植被NDVI指數變化趨勢通過顯著性水平0.01的檢驗。

2)從不同植被類型NDVI指數變化特征可以看出，1982-2016年溫性荒漠類和低地草甸類植被類型NDVI呈微弱的增加趨勢，但沒有通過顯著性檢驗，而高寒草原類植被NDVI指數變化明顯，趨勢系數為0.0058/10年，通過顯著性水平0.01的檢驗。

3)柴達木盆地氣候極其干旱，年降水量和蒸發量是影響植被生長發育的重要氣象因子。因此年降水量與植被NDVI值呈明顯的正相關關系，而蒸發量與植被NDVI值呈顯著的負相關關系。但值得探討的是溫性荒漠類植被NDVI指數與降水量呈非線性相關，當降水量增加到一定程度后，植被NDVI指數不再增加，這可能是該植被類型比較適合干旱環境，當生存環境發生較大的改變時，則會抑制生長發育，被其他類型植被所代替。

4)柴達木盆地在1987年發生氣溫由冷向暖的突變，以氣溫發生突變的1987年為界，1987年前后植被類型雖然均為9類，但突變后植被朝著溫暖化及濕潤化的方向發展。從植被類型發生變化的區域分布來看，在盆地四周高寒區和盆地內干旱荒漠區的交錯區氣候變化對植被演替的影響最為明顯。

5)從年代際變化特征分析結果表明，寒溫帶植被類型逐漸減少，微溫帶植被類型逐漸增多，同時濕潤度級別有所升高，尤其是進入21世紀以來，出現了微溫微干和微溫微潤的植被類型。

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