三江源植被覆蓋區NDVI變化及影響因素分析

饒品增， 王義成， 王 芳

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室， 北京 100038)

植被作為陸地生態系統的重要組成部分，連接著各圈層的物質循環和能量流動，是水循環和生物地球化學循環的重要途徑[1]。三江源位于世界第三極——青藏高原的腹地，是多條大江大河的發源地，具有重要的水資源保障功能和生態屏障價值。三江源作為重要的水源地和生態寶庫，其植被生長狀況對水源涵養和區域生態安全具有重要價值。由于氣候變化和人類活動的影響，上世紀末三江源出現較嚴重的植被退化，主要表現為草場退化、冰川萎縮、水土流失和土地荒漠化等[2]。進入新世紀，三江源生態得到重視，為保護三江源的正常生態功能，自2000年起中央和青海省政府出臺了一系列保護政策，并設立國家級自然保護區和建設國家公園。

準確認識三江源植被變化特征和主要影響因素，對三江源生態保護和管理具有重要參考價值。遙感數據具有覆蓋范圍廣、時空分辨率高的特點，有助于從宏觀尺度上認識植被變化的規律。近年來，國內外眾多學者利用遙感數據分析了植被的空間分布和時間變化特點[3-4]。由于三江源地形復雜、植被稀疏程度差異大、氣候變化敏感等，加之研究時間和空間尺度的不同，研究人員評價的植被變化規律存在較大差異。劉紀遠等[5]基于1970—2004多期土地利用數據發現三江源植被存在明顯退化。Li等[6]選取三江源6個典型區域，結果顯示1976—2015年這些地區的草地退化均呈明顯增加趨勢。李輝霞等[7]利用SPOT產品數據分析了2001—2010年歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index，NDVI) 變化，研究區NDVI整體呈上升趨勢，表明植被生長呈好轉趨勢。徐嘉昕等[8]利用中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)產品數據分析了2000—2016年植被生長季NDVI變化，也發現三江源植被整體趨向變好。另外，許多研究表明，人類活動對三江源的植被整體影響很小，幾乎可以忽略不計[7,9]。

隨著全球氣候變暖加劇，三江源地區植被變化仍存在較大不確定性。為認識三江源植被變化的特點，本研究以MODIS植被指數產品為依據，分析三江源近20年來的植被覆蓋區NDVI時空變化，并分析氣候變化和植被NDVI變化的相關關系。此外，本研究還將植被類型、凍土、DEM和坡度等數據和NDVI變化結果進行空間關聯，分析植被NDVI變化受其他因素影響的特點。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三江源地處青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發源地，地理位置介于31°39′～36°12′ N，89°45′～102°23′ E之間，總面積36.94萬km2，平均海拔在4 000 m以上(圖1)。三江源屬于高原大陸性氣候，日照長，年日照時數2 336～3 341 h；日內氣溫波動較大，年平均氣溫在5.1～9.0℃之間，高海拔區年均氣溫在0℃以下；降水量少，絕大部分地區年降水量在400 mm以下;地域差異大，東部雨水較多，西部干燥多風、缺氧、寒冷;植被類型以高寒草甸和草原為主。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據與方法

1.2.1數據來源及處理 本文獲取了2000—2019年的MODIS植被產品數據MOD13Q1，該產品的時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，主要植被指數包括歸一化植被指數(NDVI)和增強型植被指數(Enhanced vegetation index,EVI)。其中，NDVI可應用于檢測植被生長狀況和覆蓋度變化等。該數據獲取和計算主要在Google Earth Engine(簡稱GEE，https://earthengine.google.com/)平臺上進行。

植被類型數據為1∶100萬植被矢量圖(http://www.resdc.cn/)。該數據分為11個大類，三江源地區主要涵蓋其中9類，見圖2(a)。

凍土數據為1 km多年凍土穩定型分布圖[10]，來自國家青藏高原科學數據中心。該數據基于多年凍土的穩定性特征將凍土類型分為6類，見圖2(b)。

圖2 三江源植被類型和凍土分布類型Fig.2 Types of vegetation and frozen soil distribution in the Three-River Headwaters Region

高程數據為ASTER-GDEM V2數據，直接在GEE平臺上獲取。三江源的高程空間分布見圖1。另外，坡度數據由DEM數據生成。

氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)，選取1961—2018年研究區及周邊數據資料較為完整的36個代表性站點的逐日氣象數據，其中14個站點位于研究區域內，其分布見圖1。本研究主要選取年降水量、年平均溫度和年日照時數3個指標。由于三江源地形起伏較大，采用氣象站點插值過程中應考慮高程的影響。降水和日照時數不考慮地形影響，均采用普通的克里金插值方法；溫度受地形影響較大，采用克里金插值方法時加入高程信息。

為便于計算，所有柵格數據均重采樣到250 m分辨率。

1.2.2主要方法 本研究的整體流程如圖3所示。首先，獲取植被覆蓋區逐像元NDVI年均值序列。該過程在GGE中進行，為了消除地表水體擴張對結果的影響，采用歐洲委員會聯合研究中心(Joint research centre of European commission，JRC)提供的2000—2018年地表水體數據進行處理。然后，通過趨勢分析方法確定NDVI時空變化特征，采用偏相關分析計算NDVI與氣候因子的相關關系。最后，通過空間疊置分析植被類型、凍土、DEM、坡度與植被變化的空間特征。

(1)趨勢分析方法

本文采用一元線性回歸方法分析研究區NDVI和氣候因子的變化趨勢。計算公式如下：

Yt=k×Xt+b

(2)

式中，Xt代表t時刻自變量的值；Yt代表t時刻因變量的值；k，b為一元線性回歸方程的參數，k可用于表征NDVI和氣候因子的變化斜率。

在趨勢分析基礎上，結合F檢驗的結果，對NDVI變化進行分級(表1)。

表1 NDVI變化趨勢分級Table 1 Classification of NDVI trends

(2)NDVI與氣候因子相關分析

采用偏相關分析方法計算研究區NDVI和氣候因子的相關特征。相比簡單的相關分析，偏相關分析消除了其他因素的影響，具有更好的說服力[11]。對NDVI和氣候因子進行偏相關分析有助于分析植被變化的氣候因子主控因素。變量數量的多少決定偏相關系數的階數。對于一階偏相關系數，其公式為：

(3)

式中，rxy·z為不考慮變量z影響下變量x和變量y的偏相關系數。

(3)多要素空間疊置分析

除氣候要素外，土壤溫度和水分條件是植被生長的重要因素。研究區為多年凍土區，隨著氣溫升高，凍土融化導致土壤水分條件發生變化，從而進一步影響植被生長。由于缺乏有效的土壤水分數據，本研究選取與研究區土壤水分變化相關的因素，包括凍土類型、DEM和坡度等，構建相適應的空間圖層，對影像進行空間疊加，計算研究區各類要素和NDVI變化的空間關聯，并進一步分析土壤水分變化對NDVI的影響。

圖3 研究流程圖Fig.3 Flow chart of this study

2 結果和分析

2.1 生長季NDVI分布及其時空變化特征

三江源植被覆蓋區逐像元2000-2019年生長季NDVI多年平均值及其變化趨勢結果見圖4。研究區生長季NDVI年平均值及其變化趨勢均存在明顯空間差異。在除去河湖和冰川等非植被區影響后，NDVI多年平均值自西北向東南增加。以NDVI年平均值的變化斜率來看，研究區NDVI主要呈上升趨勢，黃河源東北部NDVI上升最為顯著；研究區中部NDVI下降，主要集中在長江源東部，其余地區的下降較分散。

結合NDVI變化趨勢顯著性，對NDVI變化進行分級(圖4(d))。其中，NDVI明顯增加區域主要分布在研究區北部，尤其是在黃河源東部和北部、長江流域西北地區；NDVI明顯減小和略微減小主要分布在長江源東部以及黃河源南部和瀾滄江源少部分地區，分布較零散，呈破碎斑塊狀；三江源中部和南部地區NDVI以略微增加和基本不變為主。各源區的NDVI變化類型面積統計結果見表2。其中，NDVI明顯增加區域占植被覆蓋區面積的38.49%，略微增加占比26.43%，兩者相加超過60%，表明研究區NDVI以增加為主；明顯減小和略微減小分別占1.49%和3.76%，證明三江源局部地區存在植被退化；基本不變部分占29.83%。各源區NDVI增加和減小比例不同，其中黃河源的明顯增加面積占比達到48.20%，高于長江源和瀾滄江源，明顯減小和略微減小部分占比也相對偏低。

表2 三江源各NDVI變化類型面積統計結果Table 2 The statistical results of the area of each NDVI change type in the Three-River Headwaters Region/×104 km2

圖4 三江源2000-2019年植被生長季NDVI多年平均及其變化空間分布Fig.4 The multi-year average and spatial distribution of NDVI in the vegetation growth season of the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2019

各源區植被生長季NDVI年平均值變化如圖5所示。2000-2019年三江源NDVI整體呈波動上升趨勢，其中最大值發生在2018年，最小值發生在2000年。黃河源和瀾滄江源的NDVI年均值要遠高于長江源，三者2000-2019年的生長季NDVI均值分別為0.40，0.40和0.23。另外，他們的變化趨勢基本一致，NDVI呈波動上升趨勢，其中黃河源上升幅度最大，且上升趨勢表現顯著，其他均不顯著。

2.2 NDVI變化的氣候因子分析

2.2.1氣象站點緩沖區結果分析 源區內的14個站點2000—2018年植被生長季NDVI和氣候因子(年降水量、年平均溫度和年日照時數)的變化趨勢及其和NDVI均值偏相關系數結果見表3。14個站點中有5個站點的NDVI顯著上升，分別為同仁、五道梁、興海、沱沱河和共和站，上升的斜率均超過1.30×10-3a-1；其它站點的NDVI呈不顯著上升或下降趨勢。大部分站點降水呈增加趨勢，其中同仁、清水河、久治、星海、共和及貴德站點降水增加顯著；囊謙和沱沱河站的降水呈下降趨勢，但表現不顯著。大部分站點溫度顯著上升，興海站溫度呈不顯著上升趨勢，另外玉樹站的溫度呈不顯著下降趨勢。除久治站外，其它所有站點的日照時數均呈減小趨勢，其中同仁、清水河、沱沱河、曲麻萊、玉樹和共和站的下降趨勢顯著。

圖5 2000—2019年三江源植被覆蓋區NDVI年際變化Fig.5 Interannual changes of NDVI in the vegetation coverage area of the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2019

分析各個站點2000—2018年的NDVI與氣候因子偏相關關系。大部分站點的NDVI與降水和溫度呈正相關，與日照時數呈負相關。14個氣象站點中，有8個站點和氣候因子相關性顯著，主要分布在草原、草甸、灌叢和荒漠，且它們的NDVI上升斜率普遍較大；另外6個站點的NDVI和氣候因子沒有顯著的偏相關關系，且這些站點的NDVI變化趨勢均不顯著?？梢?，氣候變化很大程度上促進了NDVI增加。從站點的空間分布來看，溫度影響顯著的點位主要位于三江源西部海拔較高地區，這些點位的溫度上升顯著但降水和日照時數變化不明顯；在東部和南部海拔偏低地區，盡管大部分點位溫度也上升顯著，但NDVI變化還受到降水和日照時數的很大影響。一些位于草甸和草原區域的站點NDVI和氣候因子相關性不顯著，且它們的NDVI變化趨勢也均不顯著，這很可能受到其他因素影響。另外，貴德站位于栽培植被區域，NDVI和各氣候因子的偏相關系數均偏小，這很可能是因為受人為活動影響造成的。

表3 氣象站點生長季NDVI與氣候因子的回歸系數和偏相關系數Table 3 Regression coefficients and partial correlation coefficients of NDVI and climate factors in the growing season of meteorological stations

2.2.2像元尺度結果分析 2000—2018年的氣候變化斜率結果如圖6所示。研究區大部分地區降水呈增加趨勢，只有西南少部分地區為負值，降水的增加幅度從西南向東北逐漸上升。根據網格插值結果，研究區溫度均呈上升趨勢，黃河源南部和長江源西部溫度上升幅度較大，黃河源北部上升較緩慢。日照時數變化斜率普遍為負值，黃河源東部和北部減小幅度最大，研究區南部少部分地區日照時數呈現增加趨勢。

圖6 三江源氣候因子年變化趨勢Fig.6 Annual change trend of climate factors in the growth season of The Three-River Headwaters Region

對研究區2000—2018年生長季NDVI與氣候因子進行逐像元偏相關分析，結果顯示，各氣候因子對研究區NDVI的影響存在很大差異(圖7)。降水和NDVI顯著相關區域在東北部和南部大部分海拔較低地區主要為正相關，在西北部高海拔地區主要為負相關。圖4(d)顯示，東北部顯著相關區域NDVI多為明顯增加區域，而西部和南部顯著相關區域的NDVI主要為略微增加和基本不變區域。可見，降水增加對研究區東北部NDVI增加的促進作用較大。溫度和NDVI的顯著和弱顯著正相關區域分布較廣泛，在研究東部和西部地區較集中，其它地區分布較分散，而負相關區域幾乎沒有。對比NDVI變化類型(圖4(d))和溫度變化(圖6(b))，研究區東部的顯著相關區域NDVI主要為略微增加，且溫度增加幅度相對較小，而西部地區的顯著相關區域NDVI主要為明顯增加且溫度上升幅度較大?？梢姡瑴囟壬仙龑ρ芯繀^西部地區的NDVI促進作用更大。日照時數和NDVI在研究區北部主要為負相關，而在南部存在少部分正相關。在北部地區，降水偏少，植被類型多為草甸和草原，日照時數減小降低了植被和土壤水分消耗，促進了植被生長和NDVI增加；在南部地區，降水量比較豐富，一些植被對水分不是很敏感，日照時數增加會改善植被光合作用，促進NDVI增加。

圖7 三江源生長季NDVI與氣候因子的偏相關關系Fig.7 Partial correlation between NDVI and climatic factors during the growing season of The Three-River Headwaters Region

根據氣候因子和NDVI的顯著性關系，將研究區分成顯著相關區域、弱顯著相關區域和基本不相關區域。其中，顯著相關區域為任一氣候因子和NDVI存在顯著相關的區域，弱顯著相關區域為任一氣候因子和NDVI存在弱顯著相關但不存在顯著相關區域，基本不相關區域為氣候因子和NDVI均為基本不相關區域。統計各個NDVI變化類型中三者的面積占比(圖8)。NDVI明顯增加到明顯減小中，顯著相關和弱顯著相關面積占比均在呈下降趨勢，而基本不相關區域面積占比在不斷下降。這表明，總體上氣候變化對研究區NDVI增加有較明顯的促進作用，提高了研究區域植被的綠化程度。

圖8 三江源不同NDVI變化類型的各氣候因子相關性占比Fig.8 Correlation proportions of various climatic factors of different types of NDVI changes in the Three-River Headwaters Region

2.3 NDVI不同變化類型與相關因素的空間關聯

本文對NDVI變化類型和植被類型、凍土、DEM和坡度進行空間疊加，計算得到疊加圖層中各類NDVI變化類型的面積和所占百分比，結果見圖9。研究區的植被類型以草甸和草原為主，高山植被和灌叢占比在5%～10%之間，其余占比很小。從各個植被類型NDVI增加部分看，所有植被類型的NDVI增加(包括明顯增加和略微增加，下同)部分占總的比例均超過50%，高于基本不變和減小(包括明顯減小和略微減小，下同)部分；闊葉林、栽培植被和荒漠的NDVI明顯增加部分占比要遠高于平均水平，草原和針葉林的NDVI明顯增加部分也高于平均值，其余均低于38.49%的平均水平；草甸的NDVI明顯增加部分占比最低，若加上略微增加部分，高山植被的增加部分占比最低。從減小部分看，栽培植被的NDVI明顯減小最為突出，但略微減小部分占比相對較小；草甸和灌叢的明顯減小和略微減小部分高于其它植被類型；荒漠的明顯減小部分也占一定比例，但略微減小部分占比很??；闊葉林不存在明顯減小部分，略微減小部分占比也相對較小。總的來看，NDVI增加是研究區各植被類型變化的主要趨勢，各植被類型均呈一定的上升趨勢；與NDVI增加部分相比，NDVI減小部分主要集中在草甸以及少部分的草原和灌叢等；栽培植被受人為影響較大，NDVI減小可能是由于輪換耕種和棄耕等導致。

各類凍土面積差異很大，季節凍土是研究區主要的凍土類型，占比為50.08%，其余均在20%以下，極穩定凍土面積占比很小，幾乎可以忽略不計。不同凍土類型的NDVI變化存在一定差異。從增加部分看，6類凍土層中，季節凍土的NDVI明顯增加和略微增加部分均高于其它凍土層，且隨著凍土穩定性提高，增加部分比例在逐漸減小。從減小部分看，除穩定型外，其它凍土層明顯減小和略微減小部分均占一定比例。從基本不變部分看，越穩定的凍土層基本不變部分占的比例越高，這說明研究區越不穩定的凍土層NDVI變化越明顯，無論是增加還是減小。

研究區的海拔多在4 000～5 000 m之間，低于3 000和高于5 500 m的地區占比很低。不同海拔NDVI變化差異很大。從增加部分看，海拔越低，NDVI增加的比例越高，基本不變的比例越低;從減小部分看，明顯減小和略微減小集中分布在4 000～5 000 m之間，低海拔和高海拔地區減小的面積和占比均較低。

研究區坡度以低坡為主，其中坡度8°以下占總面積比為62.13%，隨著坡度增加，面積占比快速減小。不同坡度的NDVI增加比例差異較小，低坡度地區的NDVI明顯增加部分占比相對較高，高坡度地區的略微增加部分相對較高。從減小部分來看，NDVI的減小比例隨著坡度增加呈先上升后減小趨勢，8°～13°區間的NDVI明顯減小和略微減小部分占比最高。

由表2可知，研究區大部分站點氣溫呈顯著上升趨勢。氣溫上升引起凍土融化，尤其是不穩定的凍土。凍土消融會增加土壤水分和溫度，并加速土壤水分遷移。在低坡度地區，消融的水分幾乎不發生遷移，且由于高坡度地區的土壤水分流入會導致土壤水分不斷增加，會改善植被生長條件，促進植被生長，這與圖5中季節凍土層NDVI增加比例偏高的結果一致。相反，對于高坡度地區，凍土消融土壤水分會加速流失，并導致植被根系缺水。圖5中顯示3°以上地區的NDVI減小部分比例要高于3°以下地區。高寒草甸對水分要求較高，一般生長在水分充足的低洼地區，是對水分變化最敏感的植被類型之一。研究區草甸NDVI減小比例明顯高于其它類型，這表明凍土退化影響到高坡度地區草甸的生長。而從凍土類型和海拔來看，NDVI減小集中在4 000～5 000 m之間的穩定性較低的凍土地帶。在更低海拔地區，凍土本身深度較淺且穩定性差，對植被影響相對較??；在高海拔地區，凍土很深，氣溫上升只對表層影響較大，可提供的植被根系蓄水仍然充足，暫時還不會引起植被退化。

圖9 三江源NDVI變化類型與多要素疊加面積和百分比Fig.9 The area and its percentage of NDVI change types and multi-element superposition area in the Three-River Headwaters Region

3 討論

本文對2000—2019年三江源植被覆蓋區NDVI空間分布、時間變化及影響因素進行了分析。結果表明2000—2019年三江源植被覆蓋區NDVI整體呈現波動增加趨勢，這與徐嘉昕等[8]和于秀娟等[12]的結論基本一致，也與李輝霞等[7]選用的SPOT數據2000—2010年的NDVI變化結果吻合。另外，從整個青藏高原角度，Shen等[13]和韓炳宏等[14]的結論也表明青藏高原植被整體呈現變好趨勢?？梢姡瑥恼w上看，三江源植被整體變好是較一致、可靠的結論。根據孫慶齡等[9]的研究，2000—2013年NDVI明顯增加地區位于西部和北部，這與本文東部地區NDVI增加最顯著的結論并不一致，這可能是由于研究時間尺度和選取范圍的不同。本文研究尺度為2000—2019年，采用5月到9月的10景NDVI影像數據做年平均，而孫慶齡等研究尺度為2000—2013年，采用5月中旬到9月底的8景影像數據做年平均，且研究區域并未包括植被上升最顯著的青海湖周邊地區。

本文也通過NDVI變化分級分析得出三江源植被存在一定量的植被退化，并借助植被類型、凍土類型、DEM和坡度數據等，分析得出NDVI明顯減小主要為高坡度地區的高寒草甸等，這和Li等[9]的存在草地退化的結論基本一致，但更完善。退化的草地主要位于長江源東部，海拔4 000～5 000 m之間。根據尚占環等[22]的研究，三江源乃至青藏高原的草地退化主要是受到水土流失、鼠疫和毒雜草擴張的影響，本文沒有關注后兩者的影響，需要進一步通過實地調研進行完善。

此外，三江源湖泊不斷擴張是公認的結論[15-16]。由于湖泊擴張，湖泊周邊的NDVI會出現顯著下降，這與植被退化存在明顯的差別，而過去的研究幾乎都沒有明確考慮這一點[16-17]，這對研究區為數不多的植被退化來講影響很大。本文通過借助多年的遙感水體產品去除了這部分水域，從而降低了水域擴張對計算結果的影響。

氣候變化對研究區NDVI增加起主導作用。本文采用偏相關分析的方法分析了氣候因子和NDVI的相關關系，年內時間范圍為生長季而非全年，一定程度上更加合理。另外，過去一些研究忽略了日照時數對NDVI變化的影響[7,18]，本文計算結果表明，日照時數對部分地區的NDVI影響要高于降水和溫度。

由于缺乏長期監測的土壤水分和溫度數據，本文借助其他相關數據通過空間疊加方式分析了研究區凍土退化引起的土壤水分變化對植被的影響。從不同凍土層的植被變化來看，越不穩定的凍土NDVI上升越明顯，這表明氣候變化導致的冰川凍土消融一定程度上有利于植被增長。這主要是因為凍土消融增加了土壤水分和溫度，改善了植被生長條件，從而促進了植被生長。值得注意的是，在高坡度地區，當凍土進一步消融水分流失殆盡將很有可能導致植被失去水分并轉而走向退化[19-20]，目前在研究區4 000～5 000 m不穩定凍土層中表現較為明顯。

基于NDVI反映植被變化存在一定局限性。NDVI是最常用的植被指數之一，能很好地區分植被和非植被，并反映植被的生長狀況，但無法給出植被類型變化和群落結構演替。實際上，三江源的植被類型也存在一定的變化。隨著氣候和土壤條件改善，部分地區由荒漠逐漸轉向草原草甸植被類型[19]。由圖4(b)可知，黃河源東部地區的荒漠NDVI增加明顯，可見該地區可能已經轉變為草原或草甸。此外，NDVI一定程度上會受到天氣因素影響[21]，如降水和多云天氣。土壤濕度對NDVI也有一定的影響。一般來說，濕的土壤NDVI偏小，在植被并未改善而土壤濕度減小的情況下NDVI也會顯示增加，這一定程度上會造成結果誤差。另外，本文沒有考慮人類活動的影響。盡管人類活動對研究區大部分地區的植被影響很小，但在一些地區，人類活動的影響程度可能很大，在未來研究過程中，需要進一步考慮人類活動對局部地區植被的影響。

4 結論

自2000年以來，三江源植被覆蓋區NDVI發生了明顯變化。其中，明顯增加比例為38.49%，略微增加比例為26.43%，基本不變比例為29.83%，略微減小比例為3.76%，明顯減小比例為1.49%。氣候變化對研究區NDVI整體起促進作用，降水增加對研究區東部NDVI增加效果較為明顯，溫度上升在西部地區起主導作用，日照時數下降對研究區北部的NDVI增加作用較顯著，上升對研究區南部一些地區有一定的促進作用。不同植被類型、凍土、海拔和坡度的NDVI變化存在較大差異，海拔較低、凍土不穩定區域的NDVI增加更為明顯，NDVI減小主要發生在坡度較高、分布在4 000～5 000 m之間的高寒草甸?？傮w上，NDVI增加主要是由于氣候變化直接作用導致，NDVI減小一定程度上是由于氣溫上升高坡度地區的凍土融化導致土壤水分流失造成。