1999-2019年青藏高原不同植被類型NDVI時空演變特征及其對氣候因子的響應

繆 利, 陸 晴,2,3, 劉根林, 危小建,3

(1.東華理工大學 測繪工程學院, 南昌 330013; 2.東華理工大學 資源與環境經濟研究中心,南昌 330013; 3.自然資源部環鄱陽湖區域礦山環境監測與治理重點實驗室, 南昌 330013)

青藏高原作為東亞地區的生態安全屏障，青藏高原的生態環境變化對高原本身及周邊地區的氣候、生態、自然災害等多方面產生影響，對維護周邊地區的自然環境穩定有巨大作用[1]。青藏高原在全球變暖背景下，生態安全問題日漸復雜多樣[2]，仍面臨草地大面積退化，凍土面積萎縮、沼澤濕地減少、部分生物棲息地消失以及局部生態系統退化等生態風險[3]。植被作為陸地生態系統的生產者，它對生態系統的物質與能量循環起著重要作用，也在維護地區氣候穩定等方面具有不可替代的作用[4-5]。植被作為物質交換與能量循環的首要環節，深入研究青藏高原植被時空變化特征及對氣候變化的響應過程，對認識和反映全球氣候變化對陸地生態系統的影響具有重要意義[6-7]。

歸一化植被指數(Normal Difference Vegetation Index, NDVI)是通過紅外與近紅外波段的組合實現對植被信息狀態的表達，被用于大規模監測植被覆蓋變化，是應用最為廣泛的經典植被指數[8-9]。基于長序列的NDVI數據，Ukkola等分析了干旱地對降水量的敏感性[10]、Sanz等對干旱草原的草地退化進行了監測[11]、王彥吉等發現松嫩平原沼澤濕地植被明顯改善[12]。在中國西北、華北、東北、西南和黃土高原等地區在近幾十年植被覆蓋不斷改善[13-17]。青藏高原地域遼闊，王春雅等認為藏東南地區植被變化趨勢以穩定不變和改善趨勢為主，區域總體呈穩中向好態勢[18]，張佳華等認為藏北地區受人類活動影響較小，因此藏北的植被變化更多的表現為自然變動[19]，藏南地區62%的植被面積NDVI呈上升趨勢[20]。結合前人的研究成果，本文將對1999—2019年青藏高原不同區域內各植被類型的NDVI變化及其對氣候因子的響應進行探究。

植被和氣候因子的關系一直是全球生態環境研究的重要內容，而氣候因子主要以降水量和平均氣溫作為主要代表[21]。在中國大部分地區多年生長季平均NDVI與平均氣溫呈顯著正相關[22]，在中國北方，生長季NDVI與溫度和降水都呈正相關，而且對氣溫的響應更為強烈[23]，但在秦嶺—淮河以北地區，降水量是影響植被生長的限制因子[24]，中國西南大部分地區植被NDVI與氣溫和降水呈正相關[25]。青藏高原植被NDVI總體上與年降水成正相關，在高原的東南部NDVI與平均氣溫呈正相關，而在西南部則呈負相關[26]。青藏高原北部的高寒草地NDVI變化受降水主導，在降水充沛的中東部高原，高寒草地的生長受氣溫的制約[27]。青藏高原處于氣候變化敏感地帶，生態系統較為脆弱，青藏高原不同植被類型對氣候因子的響應具有空間異質性。在21世紀可持續發展的大背景下，了解青藏高原不同植被的動態變化及其對氣候因子的響應，對青藏高原生態保護措施的調整，促進社會經濟與生態系統的協調發展具有一定的指向性意義。

本文以1999—2019年SOPT/VEGTATION NDVI數據、植被類型和氣象數據為基礎，分析研究青藏高原不同植被類型NDVI年際變化趨勢以及對氣候因子(降水和氣溫)的響應；運用線性趨勢法分析不同植被類型多年生長季NDVI變化趨勢，結合偏相關和Pearson相關法對不同植被NDVI從空間上分析氣候因子對其的直接、間接影響，旨在從空間分異的角度了解青藏高原植被的變化以及與氣候變化的關系，為科學評估和應對氣候變化提供依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

青藏高原位于中國西南部，北起西昆侖山—祁連山山脈北麓，南抵喜馬拉雅山等山脈南麓，東起橫斷山脈，西至帕米爾高原，范圍為73°18′52″—104°46′59″E，26°00′12″—39°46′50″N(圖1)，在中國境內的青藏高原面積約為257萬km2，平均海拔4 400 m，分布在西藏、青海、甘肅、四川、云南、和新疆等6個省區[28]。青藏高原作為巍峨壯美的自然地理單元被譽為“世界屋脊”，在其獨特的地理因素作用下，東南部屬于暖濕性氣候，西北部屬于干冷性氣候。青藏高原氣候主要特點是太陽輻射強、氣溫低、日較差大，巨大的海拔高程阻擋暖濕氣流北上，不易形成降水，不同地域降水量差異極大，有利于冰川、凍土的發育，使青藏高原冰雪與寒凍風化作用普遍。

圖1 研究區位置及植被類型分布

1.2 數據來源及處理

歸一化植被指數(NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(https:∥www.resdc.cn/)提供的中國月度1 km植被指數(NDVI)空間分布數據集，該數據集是在SPOT/VEGETATION PROBA-V 1 KM產品的基礎上，采用最大值合成法得到[29]，可以準確反映地表植被覆蓋狀況。本文將5—9月定為植被生長季[27]，選擇1999—2019年5—9月的中國NDVI月數據集，通過AcrGIS 10.4裁剪得到青藏高原生長季NDVI數據。

植被類型數據來源于中國科學院環境資源科學數據中心(https:∥www.resdc.cn/)的中國100萬植被類型空間分布數據，該數據植被類型分為11類，分辨率為1 km。青藏高原包含其中9類(針葉林、闊葉林、草甸、草原、高山植被、灌叢、沼澤濕地、荒漠裸地、其他)，由于針葉林、闊葉林占比較少，故合并為森林進行研究。其中草甸占比27.98%、草原占比30.61%、森林占比8.13%、灌叢占比11.43%、沼澤濕地占比0.58%、高山植被占比12.53%、荒漠裸地占比0.6%、其他占比8.13%，本文選取草甸、草原、森林、灌叢和高山植被等5種占比較大的植被類型作為主要研究對象(圖1)。

氣候數據來自國家地球系統科學數據中心(http:∥loess.geodata.cn)數據集的中國逐月降水量數據和逐月平均氣溫數據，空間分辨率為0.008 333 3°(約1 km)。數據是據CRU發布全球0.5°氣候數據以及WorldClim發布的全球高分辨率氣候數據，通過Delta空間降尺度方案在中國地區降尺度生成。并用496個獨立氣象觀測點數據進行驗證，驗證結果可信。將數據用ArcGIS 10.4進行裁剪、重采樣成1 km分辨率，與NDVI數據匹配進行分析研究。

2 研究方法

2.1 線性趨勢分析法

通過線性最小二乘回歸法對每年生長季的平均NDVI進行計算，分析1999—2019年逐個像元的變化趨勢[14]，計算公式為：

(1)

式中:θslope為變化趨勢斜率；n=21表示研究年數；i表示第i年；NDVIi為第i年的生長季平均歸一化植被指數。θslope>0,說明NDVI在這21年間的變化趨勢為增加,θslope<0,說明NDVI變化為減少趨勢。采用F檢驗方法對變化趨勢進行顯著性檢驗。其計算公式為:

(2)

2.2 Pearson相關分析

為了從空間上分析植被與氣候因子之間的關系，利用Pearson相關系數分別對全域不同植被類型多年生長季NDVI與主要氣候因子的相關性進行計算[30]，計算公式為：

(3)

2.3 偏相關分析

生態系統是由多種要素構成的復雜系統，任何一個要素的變化都可能引起其他要素發生變化，當我們要單獨研究兩個要素之間的相互影響作用時，偏相關分析法就可以很好解決上述問題，偏相關將其他要素的影響視為常數[31]。計算公式為：

(4)

式中:rxy,rxz,ryz分別為要素x與y,x與z,y與z之間的相關系數;rxy·z為將要素z固定后要素x與y的偏相關系數。

其中，x，y和z之間的相關系數計算公式為：

(5)

偏相關系數的顯著性檢驗，通常采用t檢驗法。其計算公式為：

(6)

式中:r1，2,3，4,…,m為偏相關系數;n為樣本數;m為自變量個數。顯著水平的臨界值ta可以通過查詢t分布表獲得,若t>ta,則表明偏相關顯著;若t

3 結果與分析

3.1 青藏高原多年生長季NDVI時空變化特征

從時間變化來看(圖2)，1999—2019年青藏高原多年生長季NDVI均值呈波動上升趨勢，增長速率為0.013/10 a(p<0.01)，2001年出現最小值為0.247，2013年達到最大值為0.285，多年生長季NDVI平均值為0.263。從空間分布來看(圖3)，青藏高原生長季植被NDVI值由西北向東南呈現逐漸增加趨勢，其顯著性檢驗結果表明，青藏高原東部和中部地區表現為顯著增加趨勢，青藏高原北部和西部零星地區表現為顯著減少趨勢。

圖2 1999-2019年青藏高原生長季NDVI值變化趨勢

圖3 1999-2019年青藏高原生長季NDVI值變化趨勢顯著性檢驗

3.2 青藏高原不同植被類型多年生長季NDVI時空變化特征

3.2.1 時間分布特征 圖4為1999—2019年青藏高原5種植被類型生長季NDVI均值年際變化圖，由圖可知，青藏高原草原NDVI最小值出現在2015年(0.146)，在2013年達到最大值(0.170)，表現為波動增長趨勢，速率為0.008/10 a(p<0.05)。草甸NDVI最小值出現在2003年(0.345)，在2013年達到最大值(0.392)，表現為明顯增長趨勢，速率為0.018/10 a(p<0.01)。灌叢NDVI最小值出現在2001年(0.439)，在2013年達到最大值(0.512)，表現為明顯的增長趨勢，速率為0.030/10 a(p<0.01)。高山植被NDVI最小值出現在2003年(0.125)，在2013年達到最大值(0.151)，變化率趨近于0。森林NDVI最小值出現在2000年(0.548)，在2017年達到最大值(0.658)，表現為明顯增長趨勢，速率為0.042/10 a(p<0.01)。其中，草原、草甸、灌叢和森林表現為增長趨勢，在2013年達到最大值，高山植被沒有通過顯著性檢驗。不同植被類型NDVI值依次為森林(0.6)>灌叢(0.48)>草甸(0.37)>草原(0.16)>高山植被(0.13)。

圖4 1999-2019年青藏高原不同植被類型NDVI年際變化

3.2.2 空間分布特征 表1為1999—2019年青藏高原不同植被類型NDVI面積變化占比情況，圖5為不同植被類型NDVI變化趨勢及顯著性檢驗結果。青藏高原整體上NDVI呈增長趨勢，局部地區呈退化趨勢。

表1 1999-2019年青藏高原不同植被類型NDVI面積變化占比情況

青藏高原不同植被類型NDVI空間變化特征不同，草原主要分布在青藏高原的中西部以及東北部，其變化速率為-0.195～0.328/10 a。占草原面積的64.28%區域呈現為增加趨勢，其中有24.96%的面積為極顯著增加(p<0.01)，增加區域分布在青藏高原東北部及中部地區；呈現減少的草原面積為35.72%，其中極顯著退化面積占比5.10%(p<0.01)，分布區域較為零散，集中在高原的中西部地區。草甸主要分布在青藏高原的中部、東部以及西南的地區，變化速率為-0.271～0.300/10 a。草甸面積的76.88%表現為增加趨勢，其中的40.82%為極顯著增加(p<0.01)，增加區域集中在中東部地區。呈現為減少的草甸面積為23.12%，其中極顯著退化的面積占5.06%(p<0.01)，主要分布區域在青藏高原的中北部地區。

高山植被分布區域較為零散，在整個青藏高原全域均有覆蓋，變化速率為-1.168～0.199/10 a，高山植被面積的41.41%表現為增加趨勢，其中17.22%為極顯著增加(p<0.01)，增加區域主要分布在高原的中部地區；呈現減少的高山植被面積為58.59%，其中極顯著退化的面積占14.73%(p<0.01)，主要分布在青藏高原的邊緣地區。灌叢主要分布在青藏高原的東南部地區，變化速率為-0.245～0.211/10 a，灌叢面積的82.48%表現為增長趨勢，其中47.38%為極顯著增加(p<0.01)，增加區域分布在青藏高原的東部和中部地區；呈現減少的灌叢面積為17.52%，其中極顯著減少的面積占3.04%(p<0.01)。森林主要分布在青藏高原的南部地區，變化速率-0.280～0.115/10 a，87.55%森林表現為增長趨勢，其中40.82%為極顯著增加(p<0.01)，增加區域基本覆蓋整個青藏高原南部；呈現減少的森林面積為12.45%，其中極顯著減少的面積占1.20%(p<0.01)。

圖5 1999-2019年青藏高原不同植被類型NDVI變化趨勢及顯著性檢驗

3.3 青藏高原植被與氣候因子的響應分析

3.3.1 青藏高原生長季氣候因子的年際變化 由圖6可知，1999—2019年青藏高原生長季降水量集中在260～350 mm，處于上下波動趨勢，平均降水量為306.76 mm；21年來青藏高原的生長季平均氣溫在5.5～6.5℃浮動，平均氣溫為6.06℃。

圖6 1999-2019年青藏高原生長季降水量與平均氣溫的年際變化

3.3.2 青藏高原不同植被類型NDVI與氣候因子的關系 運用偏相關分析法，從整體上對生長季不同植被類型的NDVI和平均降水量、平均氣溫進行了相關分析及顯著性檢驗(表2)。發現青藏高原不同植被類型NDVI跟生長季平均氣溫有著較強的相關性，其中與草原、草甸和灌叢的相關性顯著，與高山植被相關性極其顯著，說明生長季平均氣溫對不同植被的NDVI變化有重要影響，不同植被類型NDVI與平均降水量的相關性分析結果不理想。

表2 不同植被類型生長季NDVI與降水量、氣溫的相關系數及顯著性檢驗

運用Pearson相關分析法從區域尺度上研究降水量和氣溫對植被NDVI變化的影響，發現生長季降水量和平均氣溫對不同植被類型的NDVI在不同的區域產生的影響也不相同(圖7)。主要表現為以下特征，草原NDVI與降水量的相關性在-0.83～0.93，草原分布區域的東部地區表現出顯著正相關性，且自東向西遞減，在西部表現出顯著負相關性；草原NDVI與平均氣溫的相關性在-0.89～0.88，草原分布區域的中部地區表現為顯著正相關性，在分布區域的西南部和邊緣地區表現為顯著負相關性，呈現為中部高四周低的特征。草甸NDVI與降水量的相關性在-0.87～0.86，草甸分布區域的東北部地區表現為顯著正相關性，且由東北向西南遞減，在分布區域的南部和西南部表現為顯著負相關性；草甸NDVI與平均氣溫的相關性在-0.87～0.92，草甸分布區域的東部和中部的大部分區域表現為顯著正相關性，在西南部表現為顯著負相關，呈現為自東向西南遞減的特征。高山植被NDVI與降水量的相關性在-0.87～0.87，高山植被分布區域的上半部分表現為顯著正相關性，由北向南遞減，在西南部地區表現為顯著負相關性；高山植被NDVI與平均氣溫的相關性在-0.80～0.93，高山植被分布區域的大部分地區都表現為正向關性，有顯著正相關性的地區為北部地區和中部地區。

灌叢NDVI與降水量的相關性在-0.89～0.84，灌叢主要分布在青藏高原的西南角，在分布區域的上部分表現為顯著正相關性，在分布區域的下部分表現為顯著負相關性，有明顯的地域分異特征；灌叢NDVI與平均氣溫的相關性在-0.86～0.88，且大部分區域表現為與平均氣溫有正相關性，有顯著正相關性的地區為分布區域的中部地區，有顯著負相關性的區域分布西南邊緣地帶。森林NDVI與降水量的相關性在-0.90～0.82，森林主要分布在青藏高原的東部邊緣及東南地區，在分布區域的東部零星地區表現為顯著正相關性性，在分布區域下半部分表現為具有負相關性，存在明顯的地域分異情況；森林NDVI與平均氣溫的相關性在-0.81～0.84，森林覆蓋的全域基本表現為與平均氣溫正相關，顯著正相關性的區域分布在東南部地區。

圖7 1999-2019年青藏高原主要植被生長季降水量及平均氣溫與NDVI的關系

4 討論與結論

4.1 討 論

本文研究結果表明，在1999—2019年，除青藏高原北部和西部零星地區呈減少趨勢外，青藏高原植被NDVI整體呈增長趨勢，這與卓嘎等、韓炳宏等研究結果相一致[26,32]。高山植被有輕微退化趨勢，其他植被類型均有顯著改善，改善面積占比依次為灌叢58.46%(p<0.05)、森林52.78%(p<0.05)、草甸51.60%(p<0.05)、草原32.65%(p<0.05)。

通過分析青藏高原不同植被類型逐年生長季平均NDVI對同時期平均降水量、平均氣溫的響應狀況發現，整體上青藏高原平均氣溫對植被生長季NDVI變化的影響更為顯著。本研究結果與王春雅和張戈麗等認為氣溫對整個青藏高原植被生長季NDVI的驅動作用強于降水和相對濕度[18,33]的結論相似。從區域尺度上研究生長季降水量和氣溫對不同植被類型NDVI的變化影響發現，降水量和平均氣溫的空間異質性導致植被NDVI在區域上的差異。降水量對植被生長季NDVI變化的影響區域為青藏高原北部地區，該區域內植被主要為高寒草原，生長季溫度較為適宜，降水量則成為該區域植被NDVI生長的主要促進因素，已有研究表明，青藏高原高寒草地生長季NDVI均值與降水呈顯著正相關[27]，除藏南部分地區外，氣溫對青藏高原植被生長季NDVI的變化影響范圍較廣，在降水量較為充沛的區域，植被NDVI的變化受氣候因子的影響主要為氣溫，楊達等[34]研究表明，在青藏高原的濕潤氣候區，植被NDVI主要受氣溫影響較大。而在降水和氣溫均較適宜的青藏高原中部區域，植被NDVI的生長與降水量和氣溫都呈正相關。

植被NDVI變化受多方地理因素制約，在分析植被與氣候因子的相互關系時，還受到人為活動和地形以及海拔等多方面綜合因素影響[35]。柴立夫等[36]在人類活動對青藏高原植被影響中提到，青藏高原植被覆蓋受人類活動的促進和抑制作用面積分別為61.16%和38.84%。馬海麗等[37]在草原生態補獎對青藏高原草地的影響分析表明，補獎政策對草地植被的影響存在空間異質性，對青海省的草地植被狀況改善大于西藏省，且對牧區縣和草地狀況較好的縣NDVI值促進作用更顯著。隨著國家對生態環境保護的重視和相關保護及修復政策的出臺，各大自然保護區的建立，實施退牧還草、生態移民等相關措施，使得保護區及其周圍的植被覆蓋得到改善。本研究只選取了逐年生長季的降水量和平均氣溫對不同植被類型進行了相關性分析，缺乏對氣候因子滯后性的考慮，還有其他氣候因素(如極端氣候、日照長度等)也需要考慮在研究變量之內。除氣候因素外，自然災害、人類活動等對研究區植被覆蓋的影響也不可忽略。因此，如何將眾多影響因子分離量化其貢獻率是下一步要進行研究的問題。

4.2 結 論

本文基于1999—2019年SPOT/VEGETATION-NDVI、植被類型和氣候數據，分析了青藏高原近21年來不同植被類型生長季NDVI的時空變化特征，探討了不同植被類型對氣候因子的響應，初步結論如下：

(1) 青藏高原不同植被類型生長季平均覆蓋度依次為森林、灌叢、草甸、草原和高山植被。近21年來，青藏高原整體植被生長情況良好，除高山植被有輕微退化趨勢外，其他植被類型均有顯著改善，改善面積占比依次為灌叢58.46%(p<0.05)、森林52.78%(p<0.05)、草甸51.60%(p<0.05)、草原32.65%(p<0.05)。

(2) 草原主要分布在青藏高原西北部分，其中24.96%表現為極顯著增長趨勢(p<0.01)；草甸分布在青藏高原的中東部和西南部分，其中40.82%表現為極顯著增長趨勢(p<0.01)；高山植被在青藏高原上零星分布，其中17.22%表現為極顯著減少趨勢(p<0.01)；灌叢主要分布在青藏高原的東南部分，其中47.38%表現為極顯著增長趨勢(p<0.01)；森林主要分布在青藏高原的東南邊緣部分，其中40.28%表現為極顯著增長趨勢(p<0.01)。整個青藏高原大部分植被覆蓋在近21年來增長趨勢向好，少部分區域表現為輕微退化。

(3) 各類植被NDVI與氣候因子的相關性具有明顯的地域差異性。平均氣溫對青藏高原植被生長季NDVI變化的影響更為顯著，且影響范圍更為廣闊；而降水主要影響青藏高原北部地區的草原、草甸等植被類型的NDVI變化，綜合得知青藏高原植被生長季NDVI變化受平均氣溫影響要強于同時期的降水量。