近35年青藏高原植被帶變化對氣候變化及人類活動的響應

魏彥強，蘆海燕，王金牛，孫 建，王旭峰

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院 甘肅省遙感重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學 經濟學院，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州財經大學 會計學院，甘肅 蘭州 730101；4.中國科學院成都生物研究所，四川 成都 610041；5.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

近些年來，當代全球暖溫化問題(contemporary global warming)，尤其是在高海拔、高緯度等氣候變化敏感區的環境變化已引起了全球的廣泛關注[1-2]。在高緯度和高海拔地區的積雪、冰川、凍土和植被等對氣候變化的響應顯得尤為明顯，是較為典型和敏感的氣候指示因子[3-4]。目前的研究結果表明，高海拔地區氣候暖化較低海拔地區明顯[5-7]，全面的暖化對寒冷的高海拔地區并不意味著都是負面的影響，例如增溫使得嚴寒地區開始改善植物的生長環境，有利于植物向高海拔地區遷移和動物及人類的進入，是全球變暖中物種的避難所[8-10]。因此，對高海拔地區氣候變化的研究在當代氣候變化研究中具有代表性和典型性。

氣候制約著植被的地理分布，植被是區域氣候特征的反映和指示，二者之間存在密不可分的聯系。植被帶往往被認為是氣候帶的典型指示物。在大尺度的植被特征研究中，植被帶的概念與因海拔、經度、緯度變化而產生的水熱梯度差異相結合，以指示植被類型的劃分[11-15]。由于植物的分布受控于氣候模式，最低溫度對限制物種的分布范圍和向南北極高緯度地區及高海拔地區的極化擴展起著決定性的作用[16-17]。可以預測，全球全面暖化將改變物種分布的適宜環境和生存范圍的極限，因而使得物種在暖化過程中得到重新分布[16-17]。當前在高海拔地區關于全球變暖引起的分布界限變化研究主要集中于以下幾個方面：1)雪線/零物質平衡線 (snowline / equilibrium line altitude, ELA)隨冰川退縮的變動[18-19]；2)樹線/林線(timberline)和生態交錯帶(ecotone)隨全球變暖向兩極高緯度地區及高海拔地區的極化移動[20-22]；3)氣候帶(climate belt)或物種(species)向兩極高緯度地區及高海拔地區的遷移[8, 16-17]；4)土地利用變化 (land-use and land-cover change, LUCC)[23-25]。Colwell等[16]和 Jump 等[17]研究認為，由于在垂直方向上氣溫遞減率的存在以及在南北方向上溫度隨緯度的遞減，在全球增溫情形下，樹線的分布范圍將向高緯度高海拔地區擴展。植被的重分布及其他物種的遷移將隨之發生[21, 24, 26]。與此同時，暖溫化使得物種的適宜生存條件下限隨之改變，人口的遷移及以游牧為主的牲畜也隨之擴展其活動范圍，表現為向兩極及高海拔地區的遷入，人類活動增強[16, 27-28]。因此高山區和高緯度地區生態系統對全球暖化的響應往往表現為植被帶的分布范圍及其面積的變化，以及植被生長狀況的變化。而目前在該領域長時間序列的監測和研究，歸一化植被指數 (normalized difference vegetation index, NDVI)被認為是一個很好的監測指標[9, 29]。

青藏高原 (Qinghai-Tibetan Plateau, QTP)因其對氣候變化的高敏感性和在氣候變化中其氣候因子的指示意義較同緯度低海拔地區更具代表性和典型性而倍受關注[30-31]。根據最近的研究結果，青藏高原地區在過去的幾十年中經歷了一個加速的暖化過程，其降水變化較為平緩，而潛在蒸散能力則有下降趨勢[32-34]。根據最新對青藏高原冰川及凍土退化和環境效應的調查顯示，從1950s開始青藏高原暖溫化趨勢明顯，其凍土和山岳冰川遭受了大規模的退縮和面積縮減[35-37]。大量事實已表明，因高原的全面暖化，其雪線/零物質平衡線及樹線的位置因冰川退縮而得到了抬升，植被覆蓋發生了明顯的變化[19, 22]。氣候條件的變化已經引起了其生態環境和生態系統的變化[38-39]，而人為因素如人口增加、基礎設施工程建設、城鎮化發展、過度放牧等的干擾已對生態系統產生了明顯的影響，并在一些區域超過了氣候變化影響本身[27-28, 40]。另外，大量的氣候模擬情景和預測結果表明，青藏高原在21世紀將經歷持續的暖化過程，并且會進一步緩解其嚴寒而干冷的氣候環境[5, 41-42]。目前已有很多關于青藏高原植被變化及其對氣候變化響應的研究[38, 42-44]，但通過林線及生態交錯帶位置變化而研究植被帶變動，以及除了考慮氣候因素之外，綜合考慮人為活動影響的研究還相對較少[27-28]。且在人為影響因素的解釋上，指標的選取具有較強的任意性，概念化、定性化的描述較多而定量化的數值模擬和分析較為少見[27-28, 35]，往往與氣候影響難以剝離，缺乏客觀性評價[43-45]。近些年來，隨著人口規模、基礎設施建設及城鎮化的發展，越來越多的研究表明，人類活動增強是一個不可忽視的重要影響方面，在區域環境變化中往往超過 氣 候 變 化 影 響 本 身[24, 27-28, 44, 46]， 而 目 前 在 青 藏 高原地區對該方面的研究相對較少，相關研究較為薄弱。因此，本研究從NDVI的變化出發，分析植被帶變化趨勢和氣候變化、人類活動之間的關系，進而剖析植被帶變化對氣候變化及人類活動的響應。

1 數據和方法

1.1 研究區域

本研究選擇氣候變化較為劇烈且垂直地帶性較為典型的青藏高原地區作為研究區。該區域海拔普遍較高，且擁有相對較為寬闊的海拔范圍、垂直帶譜較為發育，其對氣候變化響應較為敏感。依據Zhang等[47]界定的包括其南部的喜馬拉雅山脈、北部的昆侖山及祁連山、西至帕米爾高原及喀喇昆侖山、東至成都平原的范圍目前在學界普遍比較接受。本研究以此為參考，南部以中國國界線為界，其北部及東部選擇海拔在3 500 m以上的地區為其邊緣。本研究中青藏高原總面積約2.57 ×106km2，平均海拔 4 390 m 左右，其經度在 70°-105° E，緯度為 25°-40° N(圖 1)。

1.2 數據

1.2.1 NDVI數據

由于植被地上生物量及凈初級生產力與歸一化植被指數(NDVI)之間有很高的相關性，借用遙感數據對地上植被狀況的分析通常以NDVI來代替植被覆蓋狀況[9, 48-50]。本研究選擇美國航空航天局(NASA)全球監測與模型研究組GIMMS (Global Inventory Monitoring and Modelling Studies)提 供的NOAA AVHRR-NDVI-3g V1.0 數據集 (https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，其空間分辨率為8 km × 8 km，屬半月合成數據，時間跨度為 1981 年7月1日-2015年12月31日，共計69個NetCDF-4半月合成圖像文件。該數據集的NDVI已經過幾何精糾正、輻射校正、大氣校正等預處理，且已采用最大值合成法(MVC)以減少云、大氣、太陽高度角的影響。

1.2.2 氣候及其他數據

本研究的氣象臺站數據由中國氣象局國家氣候中心提供，時間范圍為1961-2015年。其中位于高原上的站點91個，因站點變動，記錄缺失等原因，其中有完整月平均氣溫和月降水記錄的站點87個。由于高原上的站點分布較少，尤其是廣大的中西部地區長時間序列的站點較少，本研究另外選取了環境數據分析中心(CEDA)的長序列再分析數據 CRUTS 4.01 (http://catalogue.ceda.ac.uk/intro)。該數據集包括了每天的平均溫度、降水等常用指標，數據包括1900年1月1日到2016年12月31日的逐日氣象要素，空間分辨率為 0.5° × 0.5°。人口、牲畜數量等經濟統計數據均來自各個省市的統計年鑒。由于該類數據均以行政單元(縣)來統計，但青藏高原是一個自然地理邊界，在高原上的部分以其所占總縣域面積的比例來進行分割。另外DEM 數據由 NASA提供，空間分辨率為90 m × 90 m。植被覆蓋/土地利用類型數據為基于GLC2000的中國科學院1∶100萬土地利用數據集(圖1A)；生態區劃數據采用Zheng[51]擬定的中國地理生態區域系統的框架方案，將青藏高原分為11個自然區(圖1B，表1)，包含了3個溫度帶和4個干濕區。

圖1 青藏高原地區根據GLC2000分類的植被覆蓋/土地利用類型(A)，多年平均NDVI以及依照鄭度等[51]擬定的生態氣候分區(B)Figure 1 Vegetation types/land covers in the Tibetan Plateau according to the GLC2000 categories (A),the mean NDVI in recent years and eco-climatic zones in the TP according to [51] (B)

1.3 數據處理

首先對GIMMS-NDVI的半月合成數據通過國際通用的最大值合成法 MVC (maximum value composites)合成月NDVI，該方法可以進一步消除云、大氣、太陽高度角等部分干擾。并利用12個月月數據合成4個季節NDVI數據和年數據。合成公式為：

式(1)中，NDVIi為半月NDVI數據或已經合成的月值數據，NDVIm為合成后的NDVI季節數據或年數據。考慮到青藏高原地區植被覆蓋普遍較低，且大多為溫帶草原及高寒草甸，本研究取NDVI的閥值為0.05[9, 52]，即小于此值的地區被認為是無植被帶覆蓋。為清楚地了解NDVI在空間上的變化趨勢，逐柵格的趨勢分析能直觀地反映其在空間上的變化趨勢。一般地，可以通過計算植被綠度變化率 (greenness rate of change, GRC)來表征植被帶變化趨勢[10, 52]。而常用的則是采用容易實現的最小二乘法擬合年均NDVI的變化斜率[10]。但最小二乘法線性回歸的缺點則是樣本量較小時，極易受到異常觀測點的影響。本研究采用了Theil-Sen線性趨勢分析法。該方法是一種非參數的估計算法，能有效消除長時間序列分析中的異常值的影響[53-54]，是對最小二乘線性回歸方法的改進。其計算公式為：

式(2)中：slope為植被綠度變化率，變量i，j為年的序號，即i，j= 1, 2, …, 35。n為研究的時間序列長度，n= 35；NDVIi為第i年的年最大 NDVI值。其中slope＞ 0說明NDVI在這35年中的變化趨勢是增加的，反之則是減少的，其值的大小反映出植被帶變化的劇烈程度。以上線性趨勢分析均在PyCharm平臺上利用Python 3.7.1計算完成。

2 結果

2.1 植被帶的年際變化

時間序列的變化分析可以從植被帶演化更替的角度來分析整個青藏高原整體的狀況。為了綜合分析植被帶隨時間的變化，本研究計算了整個青藏高原NDVI平均值的歷年變化情況，并按季節平均值統計其在過去35年的變化。從統計結果來看，NDVI在以月為尺度的變化中呈現出倒“U”字形的周期性變化特點，即年內的變化在冬春兩季較低，平均值約為0.16，而夏秋兩季達到年內植被生長的最好水平，平均值夏季為0.29，秋季為0.26左右。年內的變化顯現出地上生物量與四季的更替及氣溫的變化較為一致的特點。從總體變動趨勢上看，最近35年的NDVI年際變化較小，且波動不大，總體上處于平穩的波動態勢。

表1 青藏高原生態地理系統分區Table 1 Eco-climate zones in the Qinghai-Tibetan Plateau

由于青藏高原整體上全年氣溫普遍較低，冬季漫長而嚴寒，生長季(5-9月)相對短暫，因此植被帶的發育主要集中在以夏季為主的生長季。從生長季的NDVI變化趨勢來看，過去35年生長季的NDVI呈現出一定的波動性，但總體趨勢平緩，最大值出現在1988年，為0.296；最小值出現在1995年，為0.267；多年生長季平均值為0.282左右，有輕微的上升趨勢。以上結果表明，一方面，較低的NDVI反映了青藏高原總體上植被覆蓋較差，整個柴達木盆地、藏北高原等地區植被分布稀疏，幾近于裸地。由于生長季節較短，地上生物量普遍相對較小，使得區域平均值較低。另一方面，青藏高原內部植被類型多樣、植被帶較多、生態氣候區種類較多，氣候的垂直地帶性分布較為明顯，復雜的地形和氣候類型狀況使得區域間的植被發育狀況差異明顯。有些因增溫而使得植被帶生長條件改善的地區，很可能因一些地區因生長環境的惡化以致植被覆蓋減少，但在整個高原求其平均值時而被相互抵消掉，使得總體上植被帶變化趨勢波動性不大。因此，以青藏高原為整體來研究其平均的植被帶生長狀況的變化顯得意義甚微。為此，在空間上分區域和植被帶類型的生長狀況變化研究顯得頗為必要。

2.2 植被帶的空間變化

2.2.1 總體變化

逐柵格的趨勢分析能直觀地反映植被帶在空間上的變化趨勢，能較好地反映出每個柵格在時間序列上的變化差異，因此是在空間上研究植被帶對氣候及人為因素響應差異的有效途徑。利用公式(2)可以計算出最近35年植被帶的空間變化趨勢(圖2)。

圖2 青藏高原1981-2015年間植被帶生長狀況變化情況Figure 2 Vegetation trends during 1981-2015 in the Tibetan Plateau

從整個區域來看，大部分地區的植被覆蓋趨于好轉。在高原西南部及中部、柴達木盆地周圍的廣大地區植被都出現了增長情況。部分地區的年增長率達到了0.002 5及以上。尤其是在H1C1、H1C2兩個高原亞寒帶高寒草甸草原區及H2C2藏南高山灌叢草原區的增長尤為明顯。而處于惡化趨勢的植被帶分布于山南林芝、云南北部、川西北及青海湖附近的低海拔地區，高原的東部邊緣是這一趨勢較為集中的區域。另外H1B1果洛那曲高原亞寒帶灌叢草甸區的植被覆蓋退化也十分明顯(圖2)。

2.2.2 不同分區間的差異

由于植被帶的分布與海拔、植物種類、氣候類型等緊密相關，本研究依據海拔帶、植被覆蓋種類和生態氣候區統計在各個類型區中的植被帶生長狀況變化情況(圖3)。

從生態氣候區的內部統計結果來看(圖3A1)，在整個青藏高原的11個生態氣候區中，植被帶生長狀況平均水平處于較明顯改善的有6個區，其中有H1C1、H1C2和H1B1三個高原亞寒帶氣候區以及H2C2、H2D1、H2D2三個高原溫帶氣候區。而植被帶平均生長狀況趨于退化的有4個區，均為植被生長條件相對較好的亞熱帶闊葉林區(H3)和2個溫度較高的高原溫帶針葉林(H2AB1和H2C1)及高原溫帶荒漠區(H2D3)。從統計結果來看，位于高原亞寒帶的H1D1昆侖山高寒荒漠區變化不明顯。由于趨于改善的生態區集中于高原亞寒帶和高原溫帶，而退化的區域處于平均溫度等相對較高的亞熱帶及高原溫帶地區，因此推測，全球暖化對改善高海拔地區嚴寒條件下的植被帶生長狀況有積極作用，溫度升高有可能是樹線和林線在這一地區升高、植被趨于改善的主導因素。而在氣候條件相對較好的亞熱帶、高原溫帶地區的植被退化極有可能是升溫后蒸散發加劇或人為因素影響的結果。但具體原因還待進一步詳細分析。

為了進一步的深入分析植被帶生長狀況在空間上的變化差異，以植被覆蓋類型來統計各個類型區內的植被帶變化情況顯得十分必要。植被帶的分布與植被覆蓋/土地利用變化之間有著直接的聯系，植被覆蓋/土地利用變化的種類界定了植被帶的基本類型[16-17, 55]。本研究以 GLC 2000 的用地分類系統為參考，對其6個大類的25個小類進行重新合并調整，將水體和冰川等進行歸并，最后形成12個土地覆蓋類型。以此類型為基礎，分別對各個區內的植被帶生長狀況變化率進行了統計(圖3B1)。

從統計的結果可以看出，在12個大的植被覆蓋/土地利用類型中，有4個顯著增長的類型區，即L31高覆蓋度(＞ 50%)草地、L32中覆蓋度(20%～50%)草地、L4水體及L33低覆蓋度(5%～20%)草地。其中平均增長速度最快的為L33低覆蓋度(5%～20%)草地。從植被帶的平均變化速度來看，保持基本不變的為L6沙漠/戈壁，這與實際的情況相吻合。而在其他所剩的幾個植被帶減小的區域中，L21森林、L22高覆蓋度灌叢及L23疏林地等的減少較為明顯，是3種減少最為劇烈的類型區。從植被覆蓋在空間上的分布來看，增長的區域L31、L32、L33基本上是位于高海拔地區的草地，由于水體中在分類時已包含了冰川和積雪，其覆蓋度的增加推測應當是氣溫增加后雪線升高、植被帶的上線苔原線隨之升高的結果；而高海拔地區整體上植被的好轉則反映了對氣候轉暖后植被帶生存狀況改善、植被長勢趨好及覆蓋范圍擴大的結果。在減少的幾個區域中，L21森林、L22高覆蓋度灌叢及L23疏林地均分布于高原邊緣谷地及南部海拔相對較低、溫度、降水等生長環境相對較好的地區。

在以上幾個分析結果中，無論是基于生態氣候分區的分析還是從用地類型分區分析，均顯示出植被帶的空間變化和海拔之間的密切聯系，在不同的海拔上其變化趨勢表現出明顯的差異性。由于本研究的植被帶位置移動假設是以植被帶的垂直帶譜變化為依據，據此，按海拔分區來分析植被帶的空間變化顯得很有必要。本研究以500 m等間隔做海拔分區，分別劃分出各個范圍的海拔帶，即 0-500 m、500-1 000 m 和 1 000-1 500 m等不同的分區，分別對每個區內植被帶的變化率進行了統計(圖3C1)。從計算的結果來看，在劃分的15個海拔區中，有5個均表現出明顯的增長趨勢，除去最高海拔的一個分區，幾個植被好轉的地區均集中分布于4 500-6 500 m的高海拔地區，并且占整個高原絕大部分的面積(圖3C2)。而4 000-4 500 m似乎是植被帶變化的一個臨界位置，該范圍內沒有統計意義上的明顯變化，而在該海拔以下各個植被帶均表現出了較為明顯的退化趨勢。從平均減少速率來看，1 000-2 500 m 之間的 3 個較低海拔區減少較快，處于明顯的退化水平。

從以上結果可以看出，植被帶生長狀況的變化與生長季節、植被帶類型、生態氣候區和海拔等有關。以青藏高原為整體的時間序列分析并不能體現出植被帶的變化差異，而在考慮到按生態氣候區、植被覆蓋類型和海拔后，其變化的差異性過程才得到了明顯體現。以分區為視角的空間差異分析體現出青藏高原植被帶在最近35年的變化中與生態氣候區、植被覆蓋類型及海拔之間的密切關系。

3 討論

3.1 植被帶變化對氣候變化的響應

一般認為，植被類型、生長狀況及其分布受氣候因子的直接影響，在特定的氣候模式制約下在地理分布上形成特定的植被帶和生態系統類型[16, 55]。因而植被帶類型及其生長狀態的變化是對一定氣候模式和生長環境變化的直接反應，氣候條件的改變使得植被的種類和分布范圍隨之發生相應的變化以適應新的氣候特點[26, 55-56]。在眾多的氣候因子中，光照、溫度、降水、蒸散發等被認為是植被生長的最重要且起決定性作用的氣候因子，而通常以日照、溫度和降水的影響最為直接[57]。考慮到數據的可獲得性，本研究在分析植被帶與氣候變化的相互關系時，選取了與之相對應的年平均溫度和年總降水作為主要氣候參考因子。

從臺站的氣象記錄來看(圖4)，整個青藏高原的年平均溫度(87個站點的平均值)呈現出明顯的增長趨勢，在Theil-Sen法線性擬合的結果中，年溫度增長率為 0.035 3 ℃·a-1(R2= 0.688,P＜ 0.001)。表明整個青藏高原最近幾十年經歷了較為快速的增溫暖化過程，這一暖化過程與NDVI緩慢增長的趨勢基本一致，可以認為是對氣候暖化的正向響應。

與溫度相比較，年總降水量在總體上呈現出略微的增長，但增長幅度較小，為每年0.831 mm(R2=0.041,P＜ 0.32)，線性增長趨勢不太明顯，呈現出較大的年際變化差異。因此，從整個高原總體的NDVI及溫度和降水變化的趨勢來看，NDVI的增長趨勢與溫度有較好的一致性，但與降水增加的關系不太明顯。

從同化的數據來看(圖5A、B)，氣溫的增長率在H1C2、H1C1、H2C2、H2AB1及H2DI等藏北高原、高原南部河谷及柴達木盆地等地區相對較高，而在H2C1、H1B1高原的東北部及果洛那曲亞寒帶高原草甸區的增長率相對較小。而降水在整個高原的增加則主要集中在西藏和青海兩省 (區)的中部地區，尤其以H1C1、H2C2和H2C2等區的增加為主。而其他生態氣候區內則基本上呈現出減少趨勢。以溫度和降水的變化區分氣候變化的類型，即暖濕、暖干、冷濕和冷干4種氣候變化模式。其中以暖濕為主的地區主要集中于高原中部及南部的H1C1、H2C2、H2C2等高海拔地區。在其他幾個暖干化為主的區域中NDVI變化出現了不同的變化態勢，其中H2D1柴達木盆地周邊地區有較為顯著的增長，但在H2C1及H1B1兩區中總體上有不同程度的減少。因此，總體上可以判斷，氣候的暖濕化有利于植被的生長，植被帶在暖濕氣候條件下出現了明顯的恢復和擴展；而暖干化則在帶來部分地區植被好轉的同時，退化較為明顯。值得一提的是，在氣候條件較好的高原南部林芝地區及滇西北的NDVI減小趨勢明顯。雖然年均溫度上升較快，但近些年降水減少明顯，尤其是近些年的夏季干旱極有可能是這一地區植被退化的主要原因[58-59]。

以上分析可以總結為，最近35年整個青藏高原的暖溫化對植被狀況的改善具有明顯的促進作用，尤其是在高原中部及西南部的H1C1、H1C2、H2C2三個高海拔區暖濕化促進作用明顯，但在H2AB1區中尤其是川西北地區，無論是年均溫還是降水都不明顯。由此可以推斷，暖化的過程使得在高海拔地區的植被帶生長環境改善，有利于植被的生長和植被帶向高海拔，高緯度地區擴展。但在H2AB1區中，尤其是川西北地區，無論是年均溫還是降水都與NDVI變化的關系并不明顯，則說明這些地區的植被帶變化原因中，氣候要素變化并不是其最主要原因，可能是人為因素影響等其他因素作用的結果。

3.2 植被帶變化對人類活動的響應

圖5 2010s年平均氣溫T(A)和平均降水量P(B)與1980s年平均氣溫T(A)和平均降水量P(B)的差值Figure 5 The mean temperature (A2) and mean precipitation increasing maps (B2) were generated from the differences between the two periods (Mean T/P2010-2016 - Mean T/P1981-1990)

由于植被覆蓋狀況受氣候條件和人為干擾兩個方面的影響，尤其是在生態環境比較脆弱的青藏高原高寒草甸及草原生態區，其生長季較短，植被地上生物量較少，破壞后恢復能力弱，很容易受氣候及人為因素的影響而使植被帶退化[27, 55, 60]。除了氣候因素之外，人為因素的影響其實一直為人 們 所 關 注[24, 27-28, 43]。 由 于 青 藏 高 原 地 區 是 我 國 四大牧區之一，畜牧業在該區域中的比重歷來較高[28]。近些年來，隨著氣候轉暖及西部大開發等國家發展政策的實施，青藏鐵路的開通等使得這一地區的遷移及流動人口逐漸增多，人口規模持續地增加[35]，旅游業等第三產業的發展使得該地區的城鎮化發展速度加快[44, 46]。由于人口的增加及城鎮的發展，伴隨人口增長的是對奶類、肉類、毛皮制品等畜產品的需求增加，并且牧民的收入與牲畜數量直接相關，收入需求的刺激使得畜牧業超規模發展，人類活動對高寒草原草甸生態系統的影響在持續加強[28, 43-44]。近些年來在牲畜數量持續增長的同時，畜牧業的發展對高寒草甸草地生態系統的壓力進一步加大，過度放牧、鼠蟲害等使草地退化的報道越來越多[35, 43-44]。為了分析人類活動對青藏高原地區植被帶變化的影響，本研究選取了人為因素影響中最重要的兩個指標，即反映人為因素規模和城鎮規模的人口規模，以及代表畜牧業規模的牲畜數量，并以二者與NDVI變化間的相互關系進行分析，進而探討人類活動對植被帶的影響。

從統計的結果來看，近些年來，青藏高原地區無論是人口規模還是牲畜規模都得到了較快的增長(圖6)。人口數量從1971年的813萬人很快增長為2010年的1 553.5萬人，平均年增長率達到18.51萬人·年-1，總人口增長了近兩倍。而以羊單位換算的整個青藏高原牲畜的數量則由1971年的1.002 8 ×108羊單位增長到 2010 年的 1.343 6 × 108羊單位，平均增長速度為85.2萬羊單位·年-1，總規模增長了1.34倍。由于青藏高原地區以畜牧業為主的第一產業占有較大的比重，從第一產業的發展及整個經濟的增長規模來看，青藏高原地區近些年的經濟增長較為明顯，尤其是第二、三產業增長速度一度處于加速階段(圖7)。另外近些年來，以礦產開采及能源開發為主的第二產業以及以旅游和服務業為主的第三產業發展勢頭較快，其比重越來越高，并逐漸占據了經濟發展的主體地位。另外人口的快速發展也進一步地推動了青藏高原城鎮數量和規模的發展，近些年城鎮化的發展速度較快[46]。

由于青藏高原地區的植被生長季節較短，高海拔高寒及缺氧的生態環境使得生態系統較為脆弱，極易受人為活動的影響和干擾。另外與其他低海拔氣候較適宜地區相比，青藏高原地區無論是從植被的生物總量、活動狀況、污染的自然降解水平還是破壞后的自我恢復能力等都比其他暖濕氣候條件下的生態系統差，脆弱的生態環境使得這一地區對人為因素的干擾尤其敏感[43, 60]。

圖6 青藏高原地區1971-2010年人口規模及以羊單位換算的牲畜數量的增長情況Figure 6 Population and sheep-unit livestock numbers for the Qinghai-Tibetan Plateau during 1971-2010

圖7 1978-2010年青海、西藏地區三次產業的規模(以當年價格計算)及城鎮化率Figure 7 The sizes of the three industries and urbanization rate of the Qinghai Province and Tibet

圖8 青藏高原地區最近35年的人口(A)及牲畜(B)密度線性增長率Figure 8 Mean population (A) and mean livestock increase rates (B) over the past 40 years

為了從空間上探討人為因素對植被帶的影響，本研究分析了青藏高原人口的分布及近40年的人口增長速度(圖8)，以及以羊單位換算的整個青藏高原的牲畜增長速度(圖8)。受高海拔及高寒缺氧等惡劣的自然條件的限制，人口基本上分布于海拔高度相對較低、植被狀況較好的低山河谷地區，并在高原邊緣接近低海拔的地區有相對較為集中的分布。從生態氣候分區上來看，H2C1、H1B1、H2AB1及H3等地區的人口密度較高。而在高原廣闊的中西部地區人口分布則較為稀疏。從人口的年平均增長率也可以看出，高原邊緣地區、藏南及中部地區的人口增長較快。牲畜的空間分布與人口的分布相似，主要分布于海拔高度相對較低、氣候環境相對較好的低海拔河谷地區，H2C1、H1B1、H2AB1及H2C2等地區是分布相對較為集中的地區。與人口分布不同的是，牲畜的增長速度近些年在川西北及高原的西部高海拔地區增長較快，而在高原中部的H1C1、H1B1兩個地區有減少的態勢。由于這兩個地區是三江源自然保護區，近些年來的退牧還草等生態移民及植被保護政策可能是其主要原因。

以上無論是人口規模的分布還是牲畜規模的分布，如果對比分析最近幾十年的植被帶生長狀況在空間上的變化(圖2)，則可以發現，在H2C1、H1B1、H2AB1等人口及牲畜密度較高的地區，雖然植被的生長環境相較高原北部及西部高海拔地區為好，但與其植被改善相反，這些人口及牲畜密度較高的地區其植被卻普遍出現了統計意義上的明顯下降態勢。由于人為活動對植被帶的影響除了人為的對礦山開采、森林的砍伐及城鎮、基礎設施建設對土地的侵占之外，最為直接的則是以發展畜牧業為主的牲畜放牧對植被帶的影響[27, 43-44]。為了檢驗人為因素對植被帶的壓力和影響，本研究按縣統計了最近35年來青藏高原人口及牲畜的密度及其與NDVI變化率之間的關系。由于密度的數量級差異較大，本研究在取密度的自然對數后與NDVI增長率之間進行了Theil-Sen線性回歸分析 (圖 9A，9B)。

從在青藏高原上的207個縣區的統計分析結果來看，人口、牲畜密度對數和NDVI變化率之間均出現了較為一致的負相關性。其中NDVI變化率NDVItrend和人口密度自然對數ln(Population Density)之 間 的 回 歸 方 程 為y= -0.000 2x+ 0.000 2(R2=0.166，P＜ 0.001)，NDVI變化率與牲畜密度自然對數ln(Livestock Density)之間的回歸關系為y= -0.000 3x+0.009(R2= 0.142，P＜ 0.001)，二者的回歸方程檢驗均較為顯著。回歸結果表明，隨著人口、牲畜密度的增加，NDVI增長率出現了明顯的遞減，反映出隨著人口、牲畜對植被帶的壓力加大后，植被帶出現了退化現象。這與在NDVI變化生態氣候分區統計中的結果基本一致。

圖9 以及1981-2015年以縣為統計單位人口密度(取自然對數)與NDVI增長率之間的回歸關系(A)及牲畜密度(取自然對數)與NDVI增長率之間的回歸關系(B)Figure 9 The correlations between the NDVI trend and ln(population density) (A)/ln(livestock density) (B)during 1981-2015 in each county

由于人口及牲畜分布較為集中的地區為H2C1、H2AB1及H3等海拔相對較低、氣候環境相對較好的地區，但這些地區的植被生長狀況卻普遍出現了退化。在分析人口/牲畜密度與NDVI變化率之間的關系后可知，氣候的暖化使這些地區嚴寒的氣候條件緩解，變得更適宜于人類的游牧和定居，人口的遷入和畜牧業的快速發展卻對這一地區的植被帶帶來了壓力和干擾、產生了負面的影響，干擾加大從而使植被帶總體上處于退化狀態。在這些地區植被帶生長狀況惡化的原因中，人為因素的影響已經超過了平穩而緩慢的氣候變化影響本身，已成為其退化的主要原因。

4 結論

本研究以對氣候變化和人為影響較為敏感的青藏高原地區植被帶變化趨勢為視角，采用GIMMSNDVI來反映植被帶的生長狀況，并就其時空間變化與氣候因子、人為影響之間的響應關系進行了分析，得出以下結論：

ⅰ)最近35年來整個青藏高原的植被帶生長狀況有緩慢的增長趨勢，這與近些年來的氣候全面暖化和降水的輕微增加有正向的相關性。

ⅱ)在高原中部及西南部等高海拔地區，暖濕化的氣候變化趨勢是其植被好轉的直接原因。即隨著氣候暖化，高海拔地區嚴寒的植物生長環境得到改善，林線上升，植被帶向高海拔、高緯度地區擴展，NDVI相應地增加。

ⅲ)在高原東北部及其東部邊緣、東南部等海拔高度相對較低、氣候環境相對較好的地區植被普遍出現惡化。與緩慢的氣候暖化相比，人口及牲畜數量的增加等人為影響增強是其主要原因。即隨著氣候的暖化，一些地區因嚴寒的氣候環境改善而開始適宜于游牧及定居，人口遷入，人為活動的影響加劇，當超過了植被帶的承載能力時，植被帶開始退化，表現為NDVI相應地減少。

致謝：感謝兩位匿名審稿人對本文提出的修改建議。中國氣象局國家氣象信息中心(NMIC)及英國環境數據分析中心(CEDA)提供了氣象資料，在此一并致謝。