青藏高原32年濕地對氣候變化的空間響應

邢宇

(1.中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083；2.中國科學院生態環境研究中心,北京 100085)

青藏高原32年濕地對氣候變化的空間響應

邢宇1,2

(1.中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083；2.中國科學院生態環境研究中心,北京 100085)

青藏高原是全球氣候變化敏感區，其濕地狀況對該區的生態安全有重要影響?；?975年MSS，1990年TM，2000年ETM和2006年CBERS遙感數據，建立4大類10亞類濕地的遙感解譯標志；通過目視和人機交互解譯，結合多年野外調查資料，獲取4期濕地信息數據；經過Kriging空間插值處理獲得1962—2007年青藏高原每一年的年平均降水和氣溫空間數據；應用ArcInfo軟件進行Grid計算，以遙感數據的時相分布圖為控制層，分別生成4期氣溫鑲嵌圖和降水鑲嵌圖；使用AML宏語言實現濕地變化與氣候因子(溫度和降水)基于像元的相關分析、偏相關分析和復相關分析，在空間上定量分析濕地變化與氣候變化的響應關系。結果表明：青藏高原1975—2000年濕地總面積持續減少，2000年后有所回升；以干燥為主要特征的柴達木流域、祁連山區及黃河流域的濕地變化對降水變化的響應較敏感；在青藏高原整體升溫、尤其是低溫地區增溫幅度較大的情況下，以冰川融水作為補給的濕地對氣溫變化的響應較為敏感。

遙感(RS)；地理信息系統(GIS)；青藏高原；濕地變化；氣候變化；空間響應

0 引言

濕地是水生和陸生環境連接或交互延伸的生態區域，控制著區域內自然環境以及動植物的生長狀態。青藏高原很少受到人類活動的干擾，其生態系統對全球氣候變化的反應極其敏感[1]，在全球氣候變化研究中具有前兆或預警的作用。氣溫和降水等氣候因素的微小變化都可能導致地表水與地下水位的波動，從而導致濕地的萎縮、擴展、消亡或新生，以及濕地生物發生多樣性的變化。已有很多學者對青藏高原的若爾蓋草原沼澤地區[2]、三江源地區[3]、拉薩河流域[4]、雅魯藏布江流域[5]、祁連山地區[6]及青藏鐵路沿線[7]等的典型濕地區進行過研究；從青藏高原大尺度的角度，研究者多從濕地空間格局、動態變化等方面入手[8]，或對氣候背景對濕地變化的原因進行探討[8-10]，側重于氣候長期時間序列變化對濕地變化的影響；僅是定性或半定量的分析，對濕地不同類型的影像特征研究還不很成熟，而且忽略了青藏濕地在空間上對氣候變化的響應特征。本文基于不同時期獲取的MSS,TM,ETM和CBERS衛星遙感數據，通過分析濕地特征并建立完善的解譯標志，結合多年的野外調查資料，以較高精度的目視和人機交互解譯得到4期濕地信息；結合氣候數據，充分發揮GIS技術優勢，通過空間相關性分析，定量分析濕地變化與氣候變化在空間上的響應關系。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

我國青藏高原地域遼闊，西起帕米爾高原，東接秦嶺，南自東喜馬拉雅山脈南麓，北迄祁連山西段北麓，E73°26′～102°59′,N25°36′～39°42′，總面積約261.5萬 km2，約占我國陸地面積的1/4[11]。地勢從西北向東南逐漸傾斜，海拔由5 000 m以上逐漸遞降到4 000 m左右，由低山、丘陵和寬谷盆地組合而成。在高原面以上，縱橫延展著許多高聳的巨大山系，構成了高原地貌的骨架；在高原面中間，鑲嵌著眾多的濕地；而在高原面之下，交織著性質不同的內外流水系。

1.2 數據源及其預處理

根據青藏高原的氣候特點，遙感數據的時相首選夏季，其次選擇春季或秋季，以突出濕地的遙感影像特征；以掃描數字化并糾正后的1∶10萬地形圖為基準，對2000年ETM遙感圖像進行幾何糾正；再以ETM圖像為基準，分別對2006年CBERS，1990年TM和1975年MSS遙感圖像進行幾何配準。每景圖像選擇12～18個均勻分布的控制點，以保證幾何糾正誤差控制在2個像元以內。CBERS采用B3(R)B4(G)B1(B)，ETM/TM采用B7(R)B4(G)B1(B)，MSS采用B5(R)B7(G)B4(B)波段組合方式，制作了假彩色合成圖像，作為濕地解譯的基礎圖像。

1.3 濕地信息提取

1.3.1遙感解譯標志建立

根據《濕地公約》分類系統、《中華人民共和國濕地分類標準(GB/T 24708-2009)》及《全國濕地資源調查與監測技術規程》，參照前人濕地分類特征[8-13]和青藏高原濕地發育的實際情況，將青藏高原濕地劃分為湖泊濕地(包括永久性咸水湖、永久性淡水湖和季節性淡水湖)、河流濕地(包括永久性河流、泛洪平原濕地、季節性或間歇性河流)、沼澤濕地(包括沼澤化草甸、草本沼澤和泥炭沼澤)及人工濕地(包括水庫)4大類10亞類。在建立解譯標志的過程中，對室內分析把握性不大、尚有疑義的影像特征進行了野外考察(如對泥炭沼澤進行了多次野外驗證)，利用GPS建立調查點數據庫，在掌握實地資料基礎上反復修改、完善解譯標志(表1)。

表1 青藏高原濕地解譯標志Tab.1 Interpretation keys of wetland in Qinghai-Tibet Plateau

1.3.2濕地信息提取

根據上述遙感解譯標志，以MapGIS軟件為平臺，采用目視和人機交互解譯方法，結合多年野外調查資料，解譯和提取出4期濕地信息數據；通過野外抽樣調查驗證，解譯精度高于98%。

1.3.3濕地數據柵格化

對所有的濕地解譯數據在ArcInfo平臺上進行綜合分析。因4期遙感數據的空間分辨率差異較大(MSS為80 m，ETM為30 m)，考慮到動態對比的有效性，最小圖斑面積取0.1 km2(約300 m×300 m)；然后，生成青藏高原10 km×10 km網格26 461個，計算每一網格內濕地面積并記為該網格的屬性(其中沒有濕地落入的網格記為“0”值)；最后，將4期濕地網格信息轉換為相同分辨率的柵格，得到1975年、1990年、2000年和2006年單位網格內濕地分布的柵格圖，作為空間響應分析的基礎數據。

1.4 氣候數據處理

選用275個氣象站點觀測的1962—2007年平均降水和氣溫數據(由中國氣象科學數據共享服務網提供)，并對原始氣候數據進行精度驗證，剔除錯誤數據；然后，對每一年的氣候數據進行Kriging空間插值處理，獲得像元大小和地圖投影均與濕地數據相同的氣候要素柵格數據；最后，采用交叉檢驗方法，以誤差平均值和誤差標準差為指標，對插值前、后的2組數據抽樣進行T檢驗。結果表明，在99%的置信度下，絕大部分數據的顯著性概率均遠遠大于0.01，說明插值前、后數據無顯著性差異，插值結果比較理想[14-15]。

由于青藏高原面積遼闊，同一年的遙感數據不可能完全將其覆蓋，因此覆蓋青藏高原的MSS,TM,ETM和CBERS的每一期遙感數據都是由多個時相的影像集拼接而成的。為了能精確地得到濕地對氣候變化的空間響應關系，首先生成MSS,TM,ETM和CBERS這4期遙感數據的時相分布圖；然后對4期數據所跨年代的時相進行分析，得到MSS影像對應的5種時相(1972年、1973—1974年、1975年、1976—1977年及1978年)、TM影像對應的5種時相(1986年、1987—1990年、1991年、1992—1994年及1995年)、ETM影像對應的4種時相(1999年、2000年、2001年及2002年)和CBERS影像對應的1種時相(2006—2007年)共15種時相的數據。利用ArcInfo軟件進行Grid計算，以時相分布圖為控制層，分別生成對應4期遙感數據的氣溫和降水分布鑲嵌圖。對各年份的氣象數據進行空間插值；處理跨年時相數據時，對插值數據取均值。

1.5 空間相關性分析

使用AML宏語言對青藏高原濕地變化與氣候因子(溫度和降水)變化進行基于像元的Pearson相關分析、偏相關分析和復相關分析，其計算公式見文獻[16-17]。本文的相關系數檢驗是在給定的置信水平下，通過查找相關系數檢驗的臨界值表完成：若P<0.1，則相關系數達到顯著相關水平；若P<0.01，則相關系數達到極顯著相關水平。偏相關系數和復相關系數的顯著性檢驗分別通過T檢驗法和F檢驗法實現。

2 結果與分析

2.1 濕地分布現狀及動態變化

2006年青藏高原濕地分布如圖1所示。

圖1 2006年青藏高原濕地分布圖Fig.1 Wetland distribution of Qinghai-Tibet Plateau in 2006

由圖1可以看出，羌塘高原湖泊濕地與河流濕地眾多，柴達木盆地以沼澤濕地和湖泊濕地為主，雅魯藏布江流域以河流濕地為主，泥炭濕地大多分布在黃河流域，而人工濕地僅是黃河流域北部的龍羊峽水庫。

由于青藏高原受人為因素影響很小，絕大部分濕地為天然濕地，因此在進行與氣候因素響應分析時將天然濕地看作一個整體，不細分濕地類型。對4期青藏高原濕地面積(最小圖斑面積取0.1 km2)按流域類型進行統計的結果如表2所示。

表2 青藏高原不同流域的濕地面積動態變化統計Tab.2 Statistics of dynamic changes of wetland areas in different watersheds in Qinghai-Tibet Plateau (km2)

由表2可以看出，青藏高原1975—2000年濕地總面積持續減少了15 224.08 km2，其減少速度為608.96 km2/a；2000年后濕地面積略有回升，以610.35 km2/a的速度，至2006年增加了3 662.09 km2。不同水系流域的濕地變化規律有所不同：青藏高原東北部、東部、東南和南部濕地面積均明顯減少(如柴達木流域的濕地面積共減少了12 118.76 km2)。塔里木流域、羌塘高原、黃河流域、祁連山區、長江流域、瀾滄江流域及森格藏布流域濕地面積均表現為先減少后增加的變化，其中羌塘高原濕地面積在后期的增加最為顯著(增加了5001.50 km2)。怒江流域和雅魯藏布江流域濕地面積表現為增加與減少反復動蕩變化的特點。總體而言，1975—2006年青藏高原除了羌塘高原和塔里木流域內濕地面積增加外，其余流域內的濕地面積均有不同程度的減少。

2.2 濕地柵格數據的生成

根據濕地數據處理方法，將4期濕地的矢量數據進行柵格化。限于篇幅，圖2僅示出2006年青藏高原柵格數據的濕地分布圖。

圖2 2006年青藏高原濕地數據的柵格化Fig.2 Rasterization of wetland data of

2.3 氣候要素鑲嵌數據的生成

以遙感數據的時相分布圖為控制層生成的4個時期跨年代的氣溫鑲嵌圖如圖3所示。

(a) 1975年MSS (b) 1990年TM

(c) 2000年ETM (d) 2006年CBERS

圖3 遙感數據跨年代氣溫鑲嵌圖

Fig.3 Mosaic of multiple year temperatures from remote sensing data

由圖3可以看出，各時期氣溫的空間分布整體呈現以青藏高原腹地為中心、分別向東南和西北遞增的趨勢。大部分地區年均溫較低，尤其是藏北地區，80%以上地區的年均溫度低于7.5℃，中心部分地區的年均溫度低于0℃。

生成的4個時期跨年代的降水鑲嵌圖如圖4所示。

(a) 1975年MSS (b) 1990年TM

(c) 2000年ETM (d) 2006年CBERS

圖4 遙感數據跨年代降水鑲嵌圖

Fig.4 Mosaic of multiple year precipitation from remote sensing data

由圖4可以看出，大部分地區年降水量小于400 mm，青藏高原各時期降水在空間分布上具有一定的規律性，均由西北向東南遞增。東南部降水大于800 mm的區域在1975年時面積較大，1990年以后逐漸收縮，2006年后則僅分布在青藏高原東南角。

2.4 濕地對氣候變化的響應

2.4.1濕地對氣溫變化的響應

對濕地面積和氣溫變化的響應分別進行了相關分析和偏相關分析，得到青藏高原濕地變化對氣溫變化的空間響應關系(圖5)。

(a) 相關系數 (b) 偏相關系數

圖5 1975—2006年濕地對氣溫變化的空間響應分布

Fig.5 Distribution of wetland spatial response to temperature changes from 1975 to 2006

統計圖5中的數據得到表3。

表3 1975—2006年青藏高原濕地與氣溫變化的相關分析統計

Tab.3 Correlation statistics between wetlands and temperature changes of Qinghai-Tibet Plateau from 1975 to 2006 (%)

濕地與氣溫相關分析①極顯著負相關顯著負相關非顯著負相關非顯著正相關顯著正相關極顯著正相關相關系數0.303.4429.2753.1312.681.18偏相關系數0.566.1727.7047.7816.171.62

①顯著為在0.1水平上達到顯著相關，極顯著為在0.01水平上達到顯著相關。

由表3可以看出，青藏高原濕地的變化與氣溫變化在0.1置信水平上的非顯著面積比例達到了82.40%；而在不考慮降水的情況下，在0.1置信度水平上，非顯著相關的面積比例占75.48%。大部分區域濕地與氣溫的顯著相關比例有所升高，這也說明了濕地變化是在氣溫和降水綜合作用下產生的；單因素分析不能代表整個氣候因素對濕地變化的作用，也不能說明濕地變化對氣候的響應。

由表3還可以看出，無論是相關系數，還是偏相關系數，濕地與氣溫呈正相關比例高于呈負相關的比例，說明絕大部分濕地面積的增加是由氣溫升高所致。查閱資料不難得出冰川融化是其主要因素[18]的結論，濕地增加明顯，而附近山脈地區的冰川雪線都呈退縮趨勢。

由偏相關分析可知，65.57%的濕地與氣溫變化呈正相關，34.43%的濕地面積變化與氣溫變化呈負相關，通過90%顯著性檢驗的達24.52%；其中羌塘湖盆區大部分地區、長江流域西北部及其與黃河流域交界處以及諾爾蓋地區的濕地變化與氣溫呈正顯著相關，而柴達木流域、雅魯藏布江流域東部地區的濕地變化與氣溫呈負顯著相關。黃河流域的濕地變化與氣溫變化相關性較大，顯著和極顯著相關的比例達33.60%；且隨氣溫升高濕地增加的地區高于減少的地區，區域上的相關性變化規律明顯，集中分布在黃河流域西北地區。通過99%極顯著性檢驗的達2.18%，主要集中分布在羌塘湖盆區大部分地區、長江流域西北部及其與黃河流域交界處以及雅魯藏布江流域西部地區。

2.4.2濕地對降水變化的響應

對濕地面積和降水變化的響應分別進行了相關分析和偏相關分析，得到青藏高原濕地變化對降水變化的空間響應關系(圖6)。

(a) 相關系數 (b) 偏相關系數

圖6 1975—2006年濕地對降水變化的空間響應分布

Fig.6 Distribution of wetland spatial response to precipitation changes from 1975 to 2006

統計圖6數據得到表4。

表4 1975—2006年青藏高原濕地變化與降水變化的相關分析統計

Tab.4 Correlation statistics between wetlands and precipitation changes of Qinghai-Tibet Plateau from 1975 to 2006(%)

濕地與降水相關分析①極顯著負相關顯著負相關非顯著負相關非顯著正相關顯著正相關極顯著正相關相關系數0.313.3635.8053.266.380.89偏相關系數0.838.2039.8040.399.790.99

①顯著為在0.1水平上達到顯著相關，極顯著為在0.01水平上達到顯著相關。

從表4可以看出，青藏高原濕地的變化與降水變化在0.1置信水平上的相關性分析中，非顯著相關的濕地面積所占比例為89.06%；而偏相關分析中，在不考慮氣溫的情況下，在0.1置信度水平上，非顯著相關的濕地面積為80.19%，顯著相關的濕地面積所占比例比單相關大。

由偏相關分析可知，濕地面積的51.17%與降水呈正相關，其中顯著正相關的地區主要有雅魯藏布江流域西部、羌塘高原北部、黃河流域西部；有48.83%的濕地隨著降水的增加而減少，其中顯著負相關的地區有羌塘高原東南部和長江流域的西北部、雅魯藏布江流域東部。

綜上所述，濕地與氣溫的偏相關都略高于降水，且顯著正相關和極顯著正相關的像元所占的比例高于顯著負相關和極顯著負相關像元所占的比例。這主要是因為青藏高原廣泛分布著冰川與河流，水資源補給相對充足，致使氣溫高低成為該地區濕地擴張與萎縮的決定性因素。

2.4.3流域分析

各流域的濕地變化對氣候要素的響應差異較大(圖7)，其中祁連山區和瀾滄江流域的濕地與降水的相關性大于氣溫，說明濕地變化對降水比較敏感，與降水顯著正相關和極顯著正相關的面積所占比例分別達到22.13%和29.51%；因此，降水成為影響這2個流域濕地變化的主要因素。其他各流域濕地面積變化與氣溫的相關性均大于降水。

圖7 各流域濕地對氣溫和降水變化的響應Fig.7 Wetland response to temperature and

桑格藏布江流域的濕地變化對溫度和降水的響應顯著分別為15.9%和12.07%，是青藏高原流域中最低的；與降水和溫度的偏相關達到0.5以下的濕地面積分別達到總面積的63.67%和41.2%。由此可以看出，桑格藏布江濕地動態對于同期氣候因子的敏感性不強，該地區濕地變化是氣候因素與其他因素共同影響的結果，氣候波動對其濕地變化不起決定性作用。

羌塘高原是青藏高原中濕地分布最為密集的地區，占整個研究區濕地面積的46.5%。偏相關分析的結果表明：濕地與氣溫呈顯著相關的面積所占比例為24.01%；偏相關系數為正的濕地面積達71.18%，偏相關系數大于0.5以上的濕地面積達57.88%；氣溫與羌塘高原中、東南部地區濕地面積呈負相關，而羌塘高原西部和北部與氣溫呈現正相關趨勢。這主要是由于羌塘高原四周的大山脈發育了較大規模的冰川，隨著氣溫的升高，冰雪融水補給比較豐富。該區濕地對氣溫變化非常敏感，相對而言受降水影響明顯偏小。

2.4.4綜合響應

對濕地和氣溫、降水的變化進行復相關分析：羌塘高原中部的復相關系數較小(小于0.5)，表明該氣候要素對濕地變化的影響關系比較復雜。面積占75.48%的濕地，其復相關系數大于0.75，廣泛分布在在羌塘高原北部、南部和東部，長江流域西部和黃河流域交界處延伸到若爾蓋濕地等地區；該區濕地面積變化與氣溫、降水的線性關系較好。整個研究區在0.1置信度上與溫度和降水明顯呈線性相關的濕地面積占11.11%，在羌塘高原、長江流域西北部、黃河流域西部和若爾蓋地區分布較集中；其中極顯著相關占0.46%，顯著相關占10.65%(圖8)。

圖8 1975—2006年濕地對氣溫、降水變化的空間響應分布Fig.8 Wetland spatial response to temperature and precipitation changes from 1975 to 2006

3 結論

1)本文通過建立青藏高原濕地遙感解譯標志，進行多時相濕地信息提取，濕地變化與氣溫、降水等氣候因子變化的相關分析和野外驗證，取得的結果表明：青藏高原1975—2000年濕地總面積持續減少，由1975年的142 275.81 km2減少到2000年的127 051.73 km2；2000年后濕地面積略有回升，共增加了3 662.09 km2(統計最小濕地圖斑面積為0.1 km2)。

2)以干燥為主要特征的大部分地區(如柴達木流域、祁連山區及黃河流域)濕地需要降水作為補給，濕地與氣候變化的響應關系表現為降水驅動型；在青藏高原整體升溫、尤其是低溫地區增溫幅度較大的情況下，以冰川融水作為補給的濕地對氣溫變化的響應較為敏感。

3)青藏高原由干向濕發展的大部分地區，大多是由冰雪融水量增加和潛在蒸發量降低造成的，這與冰川退縮有關。冰川對濕地面積的增加起到了關鍵性作用。由此可以推斷，如果未來若干年中全球變暖仍為主要趨勢，青藏高原的氣溫會繼續升高，冰川補給區的濕地將繼續擴大；反之，當冰川融水規模減小到一定程度、補給大范圍減少時，這些地區的濕地環境情況將會令人擔憂。

4)本文受數據源的限制，在空間響應研究中每個空間位置僅有4期遙感數據，樣本數量偏少；雖然在統計學上通過了顯著性檢驗，但在一定程度上會影響研究效果，故在今后研究中還需要增加數據量，并進一步探討能夠反映小樣本變化規律的新方法。

志謝：感謝吉林大學姜琦剛教授在數據獲取等方面的幫助。

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(責任編輯：劉心季)

Spatial responses of wetland change to climate in 32 years in Qinghai-Tibet Plateau

XING Yu1,2

(1.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083，China；2.ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085，China)

The Qinghai-Tibet Plateau is an area sensitive to global climate change, and its wetland status plays an important role in the ecological security of the Plateau. Based on the remote sensing data of MSS in 1975, TM in 1990, ETM in 2000 and CBERS in 2006, the author established the interpretation keys, and obtained the wetland information data of the four periods by visual and human-computer interactive interpretation，in combination with the field data accumulated in quite a few years. The annual average precipitation and temperature spatial data were obtained by Kriging spatial interpolation processing for each year from 1962 to 2007 in the Qinghai-Tibet Plateau. With the phase distribution of the remote sensing data as the control layer, the temperature mosaic images of four periods and the precipitation mosaic images were generated by Grid computation using ArcInfo software. Using the pixel-based correlation analysis, the partial correlation analysis and multiple correlation analysis, the author analyzed quantitatively the relationship of spatial response between wetland change and climatic factors (temperature and precipitation) with AML macro language. The results show that the total area of wetlands decreased continuously in the Qinghai-Tibet Plateau from 1975 to 2000, but the total area of wetlands increased after 2000. The responses of wetland change to precipitation in the Chaidam Basin, Hexi Corridor and the Yellow River Basin characterized by dry climate are sensitive. Following the overall warming in the Qinghai-Tibet Plateau, the responses of the changes of the wetland supplied by the glacial melt water to the temperature of the region are sensitive, especially in the case of the large magnitude of warming in the low-temperature region.

remote sensing (RS)；geographic information system(GIS)；Qinghai-Tibet Plateau；wetland change；climatic change；spatial response

2014-12-08；

2014-12-30

中國地質調查局地質調查項目“青藏高原生態地質環境遙感調查與監測”(編號：1212010510218)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.03.17

邢宇.青藏高原32年濕地變化對氣候的空間響應[J].國土資源遙感,2015,27(3):99-107.(Xing Y.Spatial responses of wetland change to climate in 32 years in Qinghai-Tibet Plateau[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(3):99-107.)

TP 79

A

1001-070X(2015)03-0099-09

邢宇(1982-),女,博士后,主要從事資源環境遙感與GIS應用研究。Email：xingyurs@163.com。