近23年來青藏高原東北部香日德地區高寒草甸上界變化及其與氣候變化關系研究

王 鑫, 曾 彪, 仝莉棉， 楊太保

(蘭州大學 資源環境學院, 蘭州 730000)

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近23年來青藏高原東北部香日德地區高寒草甸上界變化及其與氣候變化關系研究

王 鑫, 曾 彪, 仝莉棉， 楊太保

(蘭州大學 資源環境學院, 蘭州 730000)

利用1990年、1999年、2013年的Landsat衛星遙感影像數據，通過遙感和GIS技術，運用非監督分類和目視解譯相結合的方法，提取香日德地區的高寒草甸上界，分析其變化特征及其與該地區氣候變化的關系。結果顯示：(1) 1990—1999年升溫趨勢顯著，降水量基本保持不變；1999—2013年氣溫基本不變而降水呈顯著增加的趨勢。(2) 香日德地區高寒草甸上界呈現向更高海拔即原高寒荒漠的范圍擴張的趨勢，其上界的擴張受氣溫和降水變化的共同作用。其中以氣溫變化為主導的1990—1999年期間，高寒草甸面積擴張迅速；以降水變化為主導的1999—2013年期間，高寒草甸上界擴張減慢。并且海拔越高的地區高寒草甸面積增加越迅速。(3) 高寒草甸上界在不同坡向上均有擴張。其中，以升溫為主導的1990—1999年主要集中在北坡與西坡；以降水量增加為主導的1999—2013年期間則主要集中在南向坡。(4) 從坡度分布來看，1990—1999年高寒草甸上界的擴張主要發生在15°～25°，而1999—2013年為20°～35°。

Landsat; 高寒草甸上界; 非監督分類; 目視解譯; 氣候變化

草地生態系統是陸地生態系統的重要組成部分。高寒草甸作為分布在高山、高原寒冷環境下的一種草地類型，廣泛分布在青藏高原中東部地區，是青藏高原主要的植被類型之一，對維持青藏高原生態平衡和畜牧業的發展有重要的生態價值[1-3]。青藏高原作為氣候變化敏感區，其植被變化不僅影響其環境的變化，而且關系著北半球甚至全球氣候環境系統[4-5]。近幾十年來，氣候變化導致的環境問題日益明顯，隨著青藏高原大部分地區氣溫上升并由干向濕發展的趨勢[6]，其生態環境亦發生了明顯變化[7]，高寒草地面臨嚴重的生態脅迫[8-9]。

對青藏高原高寒草地變化已進行了大量的研究。部分研究認為隨著青藏高原氣候的暖濕化和人類活動對環境的干擾，一些地區的高寒草地退化明顯[10-11]。同時也存在一些不同的結論，丁明軍等[12]利用遙感數據得出1982—2009年青藏高原大部分地區草原蓋度呈增加的態勢。楊元合等[13]利用青藏高原NDVI數據分析發現青藏高原草地植被的生長季NDVI增加。徐興奎等[14]利用NOAA-AVHRR數據，得到1980—2000年高原植被覆蓋呈總體增加的趨勢。以上說明高寒草地的變化存在明顯的區域化特點。而與高寒荒漠相鄰的高寒草甸上界區域，由于人類活動對其產生的直接影響較小，影響其變化的主要是自然因素，并且目前對高寒草甸上界的變化研究甚少。

柴達木盆地是青藏高原氣候變化的敏感區[15]，其氣候變化明顯，使得其周圍的生態環境發生了巨大變化[16-17]。本文利用遙感技術對柴達木盆地東南緣的香日德地區高寒草甸上界進行提取，并結合氣候數據與DEM數據探討高寒草甸上界變化與氣候變化及地形的關系，以期為高寒草甸保護提供參考。

1 研究區概況

研究區位于青藏高原東北部，柴達木盆地東南緣，香日德鎮西南巴隆鄉的部分區域(97°28′—97°56′E，35°38′—35°52′N)。該區域海拔為3 900～5 400 m，氣候類型為典型的大陸性荒漠氣候。主要植被類型為高寒荒漠與高寒蒿草草甸，優勢種為小蒿草(Kobresiapygmaea)和紫花針茅草甸(Stipapurpureameadow)，伴生種為紫花針茅草原(Stipapurpureastepp)、鳳毛菊[Saussureajaponica(Thunb.) DC.]、紅景天(RhodiolaroseaL.)、垂頭菊[Cremanthodiumreniforme(DC.) Benth.]等稀疏植被。

2 數據介紹

2.1 遙感影像數據

本文所選的遙感數據來自美國地質調查局空間分辨率為30 m的Landsat-5TM，Landsat-7ETM+，Landsat-8OLI。該數據經過系統輻射校正和地面控制點幾何校正，并通過DEM進行了地形校正。此產品的大地測量校正依賴于精確的地面控制點和高精度的DEM數據。遙感影像選取標準為：(1) 盡量選取夏季7月、8月份植被生長最好時期的影像；(2) 云覆蓋度低的影像；(3) 為了減少不同時期植被分布變化所造成的誤差，選取影像時間間隔為10 a左右。本文選取1990年8月、1999年7月、2013年8月的影像為代表對香日德地區的高寒草甸近23年來上界的變化情況進行對比分析。

2.2 氣候數據

氣溫和降水數據來自中國氣象局氣象科學數據共享服務網提供的中國地面氣候資料月值數據集，選擇距離香日德地區較近的且記錄連續的都蘭、諾木洪、瑪多3個氣象站點的氣溫、降水量數據(其中都蘭站位于研究區北部，距研究區約60 km；諾木洪站位于研究區西北部，距研究區約120 km；瑪多站位于研究區南部，距研究區約110 km)，經計算得到年值數據，并計算3個站點的平均值，與高寒草甸上界變化情況進行分析。

2.3 DEM數據

DEM數據選取美國國家航空和航天局NASA空間分辨率為30 m的ASTER GDEM V2數據。該數據是對GDEM數據的修正，其清晰度高且水平和垂直方向的準確度較高。

2.4 研究方法

首先對三景Landsat遙感影像分別進行監督分類、非監督分類、NDVI閾值提取處理，得到高寒草甸分布邊界并進行對比研究。本文最終選擇簡單易行的ISODATA法進行非監督分類，然后將影像進行近紅外、紅、綠波段組合得到標準假彩色影像并對非監督分類結果進行分類合并，然后通過目視解譯修正非監督分類結果，確定高寒草甸分布邊界。通過與DEM數據結合提取海拔在4 200 m以上的區域(該區域的植被類型只有高寒草甸與高寒荒漠)作為高寒草甸上界范圍并進行誤差檢驗。人工目視解譯可能造成像元水平位移的誤差。

結合過去研究的結果，一般認為小于半個像元的位移誤差是能夠被接受的[18]，因此我們利用Granshaw[19]提出的緩沖區分析方法建立了一個7.5 m的緩沖區來評估目視解譯的結果，進行誤差檢驗。經過計算三景影像的誤差分別為4.29%，3.46%，4.94%。對提取的高寒草甸上界范圍進行對比，得到23年來高寒草甸發生變化的區域，最后統計高寒草甸面積變化與氣候變化的關系，并結合該區域的DEM數據進行地形分析，統計高寒草甸上界的海拔高度、坡度、坡向分布特征。

3 結果與分析

3.1 氣候變化特征

由圖1可以看出，1990—1999年，都蘭、諾木洪、瑪多3個站點的年平均氣溫均呈升高的趨勢，分別為1.1，1.1，0.79℃/10 a；1999—2013年，都蘭的年均氣溫呈降低的趨勢，而諾木洪與瑪多呈上升趨勢，但上升趨勢明顯低于1990—1999年，分別為-0.38，0.21，0.45℃/10 a。

從3個站的平均值來看，1990—1999年氣溫呈明顯上升趨勢，為0.99℃/10 a，1999—2013年則微弱上升。

圖1 1982-2013年3個站點年平均氣溫變化及平均變化

由圖2可以看出，1990—1999年都蘭和瑪多的年降水量呈微弱上升趨勢，而諾木洪的年降水量呈現比較明顯的增加趨勢，都蘭、諾木洪、瑪多降水變化分別為8.9，31.47，3.21 mm/10 a。1999—2013年都蘭、諾木洪、瑪多均表現為降水量增加的趨勢，分別為37.88，20.81，56.27 mm/10 a。

圖2 1982-2013年3個站點年降水量變化及平均變化

從3個站的平均值來看，1990—1999年研究區降水量呈微弱上升的趨勢，平均每10 a增加降水量14.53 mm；1999—2013年研究區降水量顯著增加，平均每10 a增加38.32 mm。氣溫變化特征表現為1990—1999年升溫趨勢顯著;1999—2013年微弱上升。

3.2 高寒草甸上界變化特征

由圖3可以看出，23年來高寒草甸上界呈現向高寒荒漠擴張的趨勢。本文利用分布在更高海拔的高寒荒漠面積的變化來解釋高寒草甸上界的分布變化。由圖4可以看出，近23年來，香日德地區高寒荒漠面積呈退縮趨勢，面積減少了39.3 km2，即高寒草甸面積增加了39.3 km2。1990年研究區內的高寒荒漠面積為464 km2，1999年高寒荒漠面積為435.5 km2，比1990年減少6%，平均每年減少3.16 km2，即高寒草甸上界平均每年擴張3.16 km2；2013年高寒荒漠面積為424.7 km2，比1999年面積減少2.5%，平均每年減少0.77 km2，即高寒草甸上界平均每年擴張0.77 km2。高寒草甸在1990—1999年的擴張速度明顯快于1999—2013年的。

圖3 不同年份提取的高寒草甸上界范圍及高寒草甸上界變化示例

圖4 不同時期高寒荒漠面積與面積變化率

由圖5可以看出，高寒草甸上界主要分布在4 200～4 600 m范圍內，該海拔范圍內的高寒草甸面積的增長率在兩個時期比較接近，均在0.1左右；而在高于4 600 m的高海拔地區，高寒草甸面積亦呈現持續增加，面積增長率也明顯高于低海拔地區，說明高寒草甸上界向更高海拔的原高寒荒漠地區分布。與吳建國等[20]得到的在氣候變化下高寒草甸將主要朝高寒草原和高寒荒漠分布區范圍擴展的結論一致。

3.3 不同坡度和坡向高寒草甸上界變化情況

分別統計不同坡度、坡向高寒草甸上界的面積變化(圖6—7)可知：1990—1999年高寒草甸上界的擴張主要集中在15°～25°，1999—2013年擴張主要集中在20°～35°。兩個時期均是在坡度大于25°的地區高寒草甸上界的增長率較大。從坡向統計來看，1990—1999年高寒草甸上界的擴張主要集中在北坡、西北坡和西坡；1999—2013年擴張則集中在南坡。

圖5 不同海拔高寒草甸面積變化

圖6 不同坡度高寒草甸面積變化

圖7 不同坡向高寒草甸面積變化率

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 高寒草甸上界變化與氣候變化的關系。過去23年香日德地區高寒草甸上界呈向高寒荒漠擴張的趨勢。其中，1990—1999年呈快速增加的趨勢，面積增長28.5 km2，平均每年擴張3.16 km2。同時期該地區年平均氣溫呈明顯上升趨勢，降水量呈現微弱增加，說明該時期的高寒草甸上界的擴張主要是氣溫上升導致的；而1999—2013年氣溫呈微弱上升，年降水量則呈顯著的波動上升趨勢，同時期高寒草甸上界面積增長速度趨緩，年增長0.77 km2，說明該時期高寒草甸上界的擴張主要是降水量變化主導的。可知，整個研究區高寒草甸上界擴張受氣溫和降水變化的共同作用，高寒草甸上界在以氣溫變化為主導時期的擴張速度要快于降水量變化為主導時期的擴張速度。這與王秀紅[21]認為的影響高寒草甸上限分布的主導因素是溫度條件基本一致，與吳建國等[20]得到的高寒草甸變化受年平均氣溫變化和年降水量變化影響的結論相一致。

(2) 高寒草甸上界變化與地形因子的關系。地形可以通過改變光照、氣溫、降水、土壤水分等因子對植被生長產生重要影響。其中，坡度、坡向均是重要的地形指標。坡向能夠通過改變光照、氣溫和水分條件等氣象要素對植被的變化產生影響，一般情況下，北坡(西坡)較南坡(東坡)的土壤水分條件好；坡度則能夠通過影響土壤水分對植被生長產生影響，一般情況下坡度與水分含量呈負相關[22-23]。

由于高寒草甸主要分布在海拔高、相對濕度較大的高寒地區。在氣候變暖、降水量增加的條件下，高寒草甸會優先選擇生長在溫度適宜、坡度平緩、水分條件相對較好的草谷地區。當高寒草甸在草谷地區分布到一定程度無法繼續在該區域擴張時，將向坡度更大的地區擴張，這些區域的水分條件較差，土層變淺；當坡度增大到土層淺薄、水分條件差等不利于植被生長的情況下，高寒草甸向高寒荒漠的擴張就會受到限制。由圖6可以看出，以升溫為主導因素的高寒草甸擴張主要集中在15°～25°坡度的地區，這些地區水分條件相對較好，隨著氣溫的升高，高寒草甸大量擴張；在降水量增加為主導因素的高寒草甸擴張主要集中在坡度為20°～35°的地區，這可能是由于降水量的增加導致該坡度范圍內的土壤濕度增加，從而有利于高寒草甸的擴張?？傮w來看，高寒草甸上界在1999—2013年增加的坡度要大于1990—1999年的。而在坡度大于25°的地區高寒草甸增長率明顯快于低坡度地區，這可能是大坡度地區的高寒草甸面積較小導致的。

由圖7可以看出，在以升溫為主導因素的高寒草甸上界在各個坡向上均有增加，其中增加較快的區域主要集中在西北坡、北坡，而在南坡與東南坡增加較慢。這可能是由于在相同氣候條件下北坡的熱量要少于南坡，隨著氣溫的顯著升高，在熱量不足的北坡、西北坡地區植被會得到補償性生長擴張；并且北坡的水分條件相對較好，會促進植被在該地區的生長，這使得高海拔地區的北坡、西北坡與西坡有大量的高寒草甸開始生長；而在降水量增加為主導因素的高寒草甸上界在西北坡、北坡和東北坡基本保持不變，在南坡、西南坡和東南坡等水分條件差的地區擴張。這可能是由于該時期的氣溫微弱上升，但降水量明顯增加，坡向導致的水分條件差異縮小，使得在過去水分條件相對較差的南坡、東南坡和西南坡的南向坡區域高寒草甸大量補償性擴張。

4.2 結 論

近23年來香日德地區的高寒草甸上界呈向高寒荒漠擴張的趨勢，其擴張受氣溫和降水變化的共同作用。其中以升溫主導的1990—1999年期間，高寒草甸上界向高海拔地區擴張迅速；以降水增加為主導的1999—2013年期間，高寒草甸上界擴張減慢；并且海拔越高的地區高寒草甸面積增加越迅速。

1990—2013年高寒草甸上界在不同坡向上均有增長，其中以升溫為主導因素的高寒草甸上界擴張主要集中在北坡與西坡；以降水量增加為主導因素的擴張則主要集中在南向坡增長。從坡度分布來看，1990—1999年高寒草甸上界的擴張主要發生在15°～25°，而1999—2013年為20°～35°。

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Research on the Upper Boundary Change of Alpine Meadow and Its Relationship with Climate Change During the Past 23 Years in Xiangride, in Northeast Tibetan Plateau

WANG Xin, ZENG Biao, TONG Limian， YANG Taibao

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

We adopted the unsupervised classification and visual interpretation to extract upper boundary of alpine meadow in Xiangride by using remote sensing images of 1990, 1999 and 2013 to summarize the change characteristics and analyze its relationship with climate change. The results showed that: (1) the temperature had a significant increasing trend and the precipitation remained unchanged from 1990 to 1999; the temperature remained unchanged and the precipitation increased significantly from 1999 to 2013. (2) the upper boundary change of alpine meadow was controlled by both temperature and precipitation, the alpine meadow expanded in higher region in the past 23 years, the area increased fast from 1990 to 1999 which was controlled by temperature change, the area increased slowly from 1999 to 2013 which was controlled by precipitation change. (3) the upper boundary of alpine meadow increased in all slope aspects, alpine meadow increased mainly in north and west from 1990 to 1999 which was controlled by temperature, and it increased in southern slope aspect from 1999 to 2013 which was controlled by precipitation. (4) according to the distribution of slope gradient changes, the expansion of the upper boundary of the alpine meadow in 1990 to 1999 mainly occurred in steepness of 15°～25°，and the expansion in 1999—2013 mainly occurred in gradients of 20°～35°.

Landsat; the upper boundary of alpine meadow; unsupervised classification; visual interpretation; climate change;

2014-08-29

2014-11-12

國家自然科學資助項目(40901056);中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(lzujbky-2013-130);國家基礎科學人才培訓資助項目(J1210065)

王鑫(1989—),男,遼寧大連人,碩士研究生,研究方向為全球變化與區域響應。E-mail:messikaka@126.com

曾彪(1979—),男,湖北京山人,副教授,主要從事全球變化與區域響應研究。E-mail:zengb@lzu.edu.cn

Q948; TP79

1005-3409(2015)05-0294-06