三江源草地GNDVI年際波動及其沿海拔梯度敏感性分析

王向濤，陳懂懂

1. 西藏農牧學院，西藏 林芝 860000；2. 中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008

三江源地區（Three-River Headwater Region，TRH）屬于氣候變化的敏感區和生態脆弱帶（孫鴻烈，1998），廣泛分布著高寒草甸、高寒草原等植被。近幾十年來，三江源地區氣候變化明顯，年均溫升高，年降水量增加（王根緒等，2001），生長季均溫、降水和太陽輻射均呈增加趨勢，氣候變化對植被的生長發育有顯著的影響（錢拴等，2010）。歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）對氣候變化響應敏感，能準確反映植被覆蓋度、生產力等生物性狀的變化（Prince，1991），NDVI的變化趨勢可以用來評估植被覆蓋的改善或退化情況（Alcaraz-Segura et al.，2010），在大尺度植被活動研究中被廣泛應用（Fang et al.，2004；畢曉麗等，2005）。有關三江源植被 NDVI變化已有諸多研究，研究內容主要集中在NDVI年際變化當量及其影響因子方面。如：陳瓊（2010）分析了1999—2008年三江源區生長季NDVI與氣溫和降水之間的關系，發現溫度是三江源區植被生長的主導因子。錢栓（2010）根據NDVI的變化趨勢分析了三江源區植被變化，發現 2004年以來三江源草地處于恢復狀態。

雖然近 10年來三江源地區生長季 NDVI（Growing Season NDVI，GNDVI）表現出上升趨勢，但由于氣候、干擾、植被的生理生態過程等方面的變化，GNDVI年際間存在較大的波動，即年際波動（Interannual Variability，IAV）（Yuan et al.，2009），而目前對三江源區GNDVI年際波動及其對不同水熱因子組合的響應模式并不清楚。海拔梯度在較小的地理范圍可以引起水熱組合發生變化，不同海拔梯度的植被動態可能差距巨大。因此，本研究收集了2000—2015年GNDVI數據和氣象數據，分析了GNDVI的年際波動及其在不同海拔梯度上的敏感性，探討了不同海拔GNDVI年際波動與氣候因子波動之間的關系，旨在明確主導三江源高寒草地年際波動的區域，了解不同水熱組合環境下高寒植被波動對氣候變化的響應規律，為三江源生態環境建設提供科學依據。

1 研究區簡介

三江源區位于青海省南部、青藏高原的腹地，是長江、黃河和瀾滄江的發源地，被譽為“中華水塔”，也是生物多樣性較高、生態環境較為脆弱和敏感的地區（圖 1）。地理位置介于東經 89°24′～102°23′和北緯31°39′～36°16′之間，平均海拔 4000 m以上，東與甘肅、四川兩省相鄰，西部和南部與西藏自治區接壤。行政區包括玉樹藏族自治州（曲麻萊縣、治多縣、稱多縣、囊謙縣、雜多縣、玉樹縣）、果洛藏族自治州（瑪多縣、瑪沁縣、甘德縣、達日縣、久治縣、班瑪縣）及海南州的同德縣、興?？h，黃南州的澤庫縣、河南縣及格爾木市的唐古拉鄉，總面積約為36.3×104km2。研究區為典型的高原大陸性氣候，冷熱兩季交替，干濕分明，氣溫年較差小、日較差大，太陽輻射強烈、四季區分不明顯。三江源地區擁有天然草地面積20.3×104hm2（徐新良等，2008），主要植物種類有莎草科嵩草屬（Kobresia Willd.）、苔草屬（Carex L.）和禾本科披堿草屬（Elymus L.）等。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源和處理

2.1.1 NDVI數據

遙感數據為NASA提供的MODIS（Moderate Resolution Image Spectroradiometer）NDVI數據產品（MOD13A2），時間分辨率為月，空間分辨率為1 km×1 km，時間尺度為2000年1月1日—2015年12月31日。

2.1.2 氣象數據

氣象數據來源于中國氣象科學共享數據網，采用ANUSPLIN 4.2插值軟件對其中30個氣象站點的月均溫、月降水數進行插值，分辨率為1 km，使用三江源地區矢量邊界裁剪氣象柵格數據。ANUSPLIN插值方法是基于光滑薄板樣條法開發的，適用于氣象因子在時間序列上的插值（劉志紅等，2008）。本研究插值的氣象數據來自以往研究數據，相關性分析結果表明插值數據與觀測值之間呈極顯著相關（李猛等，2016）。

2.1.3 其他數據

1∶100萬中國植被圖集、分辨率為1 km的三江源區DEM數據以及三江源地區的邊界矢量圖。

2.2 研究方法

2.2.1 變化趨勢計算

本研究采取線性趨勢線模擬三江源地區GNDVI在時間尺度上的變化方向和變化強度，即最小二乘方擬合曲線。計算公式為：（1）

式中，SNDVI為回歸趨勢斜率，SNDVI為正值，說明2000—2015年ANPP呈增長趨勢，SANPP為零或負值說明ANPP保持不變或呈減少趨勢；n為監測時間長度；xi表示柵格在第i年的數據值。

2.2.2 年際波動計算

GNDVI的年際波動采取去趨勢化法，計算公式為：

IAV=Yi-yi（2）yi=a+b×t （3）

式中，IAV是GNDVI去趨勢化后的年際波動；t為時間；yi是GNDVI的擬合值；a為擬合常數；b為GNDVI的年際變率；Yi為GNDVI的實際值。

2.2.3 相對貢獻度計算

首先計算不同植被類型GNDVI的年際波動對整個三江源區草地 GNDVI年際波動的相對貢獻度，再分析不同海拔梯度上GNDVI的年際波動對三江源區草地 GNDVI的年際波動的貢獻度（Ahlstr?m et al.，2015；Fu et al.，2017）。計算公式為：

式中，xit是第i個區域在t年GNDVI的年際波

2.2.4 偏相關分析法

為排除相關分析時其他氣象要素對第一氣象要素的影響，結合各因子之間的相關系數，計算了各氣象因子在時間序列上的偏相關系數。本研究對三江源全區、草甸區和草原區的GNDVI的年際波動與氣象因子（年均溫度，年總降水量）的年際波動的偏相關系數進行了計算。計算公式為：

式中，x、y、z分別代表GNDVI、年均溫和年降水的年際波動值；rxy·z為將要素 z固定后要素 x與y之間的偏相關系數；rxy、rxz、ryz為要素x與y、x與z、y與z之間的相關系數。

3 結果分析

3.1 GNDVI年際波動特征

從變化趨勢來看，2000—2015年整個三江源地區（Three Headwater Region，TRH）草地GNDVI呈波動上升趨勢（圖 2a），增加趨勢并不顯著（R2=0.20，P＞0.05），每年可增加0.0015，多年平均值為 0.357；對于草甸地區和草原地區來說，2000—2015年三江源草地GNDVI同樣表現為波動上升（圖 2b），草甸地區的增加幅度（0.0015 a-1）大于草原地區（0.0004 a-1），多年平均值分別為0.428、0.124。

從年際波動來看，三江源區GNDVI的年際波動與三江源草甸GNDVI和草原GNDVI均存在顯著相關關系（圖2b）（R2=0.99，P＜0.001），而草甸地區GNDVI的年際波動對三江源全區草地GNDVI的年際波動的相對貢獻度為75.4%，草原地區的相對貢獻度僅有24.6%。

3.2 GNDVI年際波動與海拔之間的關系

高寒草地GNDVI的年際波動存在顯著的空間差異，本文從整個三江源和不同植被區的空間尺度對高寒草地GNDVI的年際波動與海拔之間的關系進行了分析。

3.2.1 三江源區草地GNDVI年際波動與海拔之間的關系

三江源區高寒草地GNDVI的分布與海拔之間存在顯著的規律性變化（圖3a）。隨著海拔的上升，GNDVI表現為先增加后下降，在海拔為3800～4000 m時 GNDVI達到最大值（0.595）。從年際變化趨勢看，各海拔均表現出增加的趨勢，而其隨海拔的變化與GNDVI隨海拔的變化完全相反，表現為先降低后增加，相對中低海拔地區而言，高海拔的GNDVI的變化幅度更大。

各海拔的 GNDVI的年際波動對高寒草地GNDVI年際波動的相對貢獻度存在顯著性差異（圖 3b），隨著海拔的上升，相對貢獻度表現出顯著下降趨勢。低海拔地區的高寒草地雖然面積較小，但其年際波動大，決定了整個高寒草地的年際波動。

圖2 2000—2015年三江源地區草地GNDVI（a）變化趨勢和（b）年際波動Fig. 2 Trends (a) and interannual variability (b) of grassland GNDVI in the Three-River Headwater Regio

圖3 2000—2015年三江源區（a，b）、草甸區（c，d）和草原區（e，f）GNDVI的年際波動沿海拔變化格局Fig. 3 Changes of trend and IAV with different elevations in the THR region (a, b), meadow region (c, d) and steppe region (e, f)

3.2.2 不同植被類型GNDVI年際波動與海拔之間的關系

不同植被類型GNDVI年際波動的海拔敏感性存在差異性。就高寒草甸而言，GNDVI表現為先增加后減少的變化（圖3c），在4000 m開始出現轉折，GNDVI的年際變化趨勢則表現出相反的變化，年際變化趨勢在4200 m以下表現為下降趨勢，在4200 m以上表現為增加趨勢。草甸植被各海拔GNDVI的年際波動對整個草甸植被的年際波動的貢獻度表現為先降低后增加再降低的變化（圖3d），3800 m以下區域的年際波動對草甸植被GNDVI的年際波動貢獻度最大，為14.53%。

隨著海拔的增加，高寒草原GNDVI表現出顯著減少趨勢（圖 3e），而變化趨勢隨著海拔的變化未表現出明顯的變化。草原植被GNDVI的年際波動對整個草甸植被的年際波動的貢獻度隨著海拔的增加而降低（圖3f），4400 m以下區域雖然只占據整個草原區域的15.5%，該區域的 GNDVI年際波動對整個草原區域GNDVI年際波動的貢獻度達45.2%。

3.3 不同海拔梯度GNDVI年際波動與氣候因子之間的關系

表 1所示為三江源地區不同海拔梯度 GNDVI年際波動與同區域年均溫度和年降水年際波動之間的偏相關關系。對于三江源高寒植被而言，決定不同海拔GNDVI年際波動的氣候因子并不相同，4800 m以下區域GNDVI的年際波動由降雨波動決定，且表現出正相關關系；海拔介于4800 m和5400m之間區域GNDVI的年際波動與溫度年際波動的偏相關系數大于與降雨年際波動的偏相關系數，說明溫度是控制該區域 GNDVI年際波動的主導因子；當海拔高于5400之后，降雨波動再次成為主導因子，但與GNDVI年際波動之間呈負相關關系。

表1 不同海拔梯度GNDVI的年際波動與年均溫和年降水的關系Table 1 Correlation between GNDVI and mean annual temperature,mean annual precipitation with different elevations in the Three Headwater River region

高寒草甸和高寒草原GNDVI年際波動在不同海拔上與溫度和降水年際波動的偏相關性存在類似的空間分布，均表現為低海拔地區為降雨波動主導，高海拔地區為溫度波動主導，但兩者轉折點并不相同，草甸植被的轉折點為 4800 m，而草原植被的轉折點為5400 m。

4 討論與結論

4.1 討論

2000—2015年三江源地區增溫增水，在保證足夠水分的同時，為植被的生長提供了更多的能量（吳珊珊等，2016）。此外，本世紀初至今，為遏制并恢復三江源地區退化的生態系統，在三江源地區實施了一系列生態工程，如退耕還草、草蓄平衡管理政策等。在氣候暖濕化和生態建設工程的耦合作用下，三江源地區植被恢復明顯，三江源區GNDVI、草甸GNDVI和草原GNDVI均表現為增加趨勢。同時由于氣候變化、植被生理生態過程等因素的影響，三江源地區GNDVI的增加存在較大的年際波動。本研究對三江源草甸區和草原區GNDVI年際波動進行對比分析發現，草甸植被的年際波動決定了過去16年三江源區GNDVI的年際波動，其貢獻度達75.4%，草原區域對三江源區年際波動的貢獻度僅有 24.6%，說明草甸地區 GNDVI的年際波動遠大于草原地區 GNDVI的年際波動。水熱條件隨海拔升高表現出明顯的變化（K?rner，2007），低海拔地區在三江源地區占比雖小，但由于水熱組合較為理想，更有利于高寒草地植被生長，存在較大的GNDVI。同時，由于降雨和溫度在低海拔地區存在較大的年際波動，高寒草地 GNDVI同樣存在較大的年際波動，對全區 GNDVI的年際波動的貢獻度遠大于高海拔地區。隨著海拔的增加，水熱組合不利于植被的生長，但水條件年際波動小，故三江源區草地GNDVI及其年際波動均小于低海拔地區。

植被生長受光、溫、水等環境因子的綜合作用影響，并且會受到某一關鍵因子的限制。三江源是氣候變化的敏感區和脆弱區，溫度和降水的變化可能會導致生產力的改變，而不同海拔梯度上水熱組合存在較大的差異，從而導致限制植被生產的關鍵因子隨海拔梯度的變化而產生變化。三江源低海拔地區植被年際波動主要受降水波動的控制，主要是因為低海拔地區在低降水時往往會出現干旱脅迫，同時較高的溫度引起蒸散作用的加強可進一步加劇水分脅迫，使得降雨量成為限制低海拔區域植被生長的主導因子（Wang et al.，2013；Webb et al.，1983）。然而，就三江源高海拔地區植被而言，低溫會限制植被水分和營養元素的供應，同時會顯著降低葉片同化CO2的日總量，從而限制植被的生長（Luo et al.，2009）。

4.2 結論

（1）自 2000以來，三江源生長季 NDVI（GNDVI）呈上升趨勢，同時存在較大的年際波動，其中草甸區 GNDVI的年際波動對三江源全區的GNDVI的年際波動具有主導作用。

（2）低海拔地區GNDVI的年際波動對三江源全區高寒草地年際波動具有主導作用。

（3）無論是三江源全區、草甸區還是草原區，低海拔地區GNDVI的年際波動主要受降雨波動的影響，而高海拔地區GNDVI的年際波動主要受溫度波動的影響。