青藏高原植被覆蓋變化及氣候驅(qū)動(dòng)因子分析

薛宇軒 盧宏瑋

摘要：利用青藏高原2001—2015年的MODIS歸一化植被數(shù)據(jù)集、地表溫度數(shù)據(jù)集和317個(gè)氣象站的氣溫、降水量數(shù)據(jù)，分析了歸一化植被指數(shù)（NDVI）與氣溫、降水量及地溫的相關(guān)性，討論了3種氣候因子的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明，青藏高原植被覆蓋呈由東向西、自南向北的遞減狀態(tài)，且總體上呈波動(dòng)增長趨勢(shì);青藏高原植被覆蓋與降水量、氣溫及地溫均呈正相關(guān)，與氣溫相關(guān)性最強(qiáng);青藏高原植被增長的首要驅(qū)動(dòng)因子是熱量，且降水量與熱量對(duì)植被生長的驅(qū)動(dòng)作用呈互補(bǔ)性。

關(guān)鍵詞：歸一化植被指數(shù);氣候驅(qū)動(dòng)因子;氣溫;地溫;降水量;青藏高原

中圖分類號(hào)：TP79;Q948.15+6 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）15-0044-05

Abstract： MODIS product （NDVI and land surface temperature） and meteorological data （precipitation and temperature） from 317 stations of the Qinghai-Tibet plateau from 2001 to 2015 were used to study the correlation coefficient between NDVI and temperature， precipitation and land surface temperature， and the combined driving mechanism of three climatic factors was discussed. The results indicated that the vegetation decreased from east to west and from south to north， and the vegetation growth trend was positive on the Qinghai-Tibet plateau. The vegetation was positively correlated with precipitation， temperature and ground temperature. The vegetation had the highest correlation coefficient with temperature on the Qinghai-Tibet plateau. The primary driving factor for vegetation growth is heat. Precipitation and heat play a complementary role in the growth of vegetation on the Qinghai-Tibet plateau.

Key words：NDVI; climate driving factor; temperature; land surface temperature; precipitation; Qinghai-Tibet plateau

青藏高原西起帕米爾高原，東至橫斷山脈，南自喜馬拉雅山脈南緣，北迄昆侖山—祁連山北側(cè)，面積257萬km2，占中國陸地總面積的26.8%[1]。青藏高原在行政區(qū)劃上主要包括西藏、青海、新疆南部、四川西北部以及云南北部。青藏高原是中蒙干旱區(qū)的主體，來自大洋的水汽較少，大部分地區(qū)年降水量不足200 mm，且降水量主要用于蒸發(fā)，多年平均徑流系數(shù)大多小于0.2[2，3]。青藏高原屬高原亞寒帶與高原溫帶氣候，在全球變暖背景下其增溫效應(yīng)十分顯著，是對(duì)氣候變化較為敏感的區(qū)域之一[4，5]。同時(shí)，青藏高原生態(tài)十分脆弱，植被覆蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)異常敏感[6]。因此，研究青藏高原植被覆蓋變化及其氣候驅(qū)動(dòng)因子十分重要。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是表征植被生長的重要指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋變化及其驅(qū)動(dòng)因子的研究[7-12]。Shen等[13]利用2000—2012年的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)與SPOT/NDVI數(shù)據(jù)分析了青藏高原植被對(duì)日最高氣溫和日最低氣溫的響應(yīng)，結(jié)果表明青藏高原植被對(duì)日最低氣溫的響應(yīng)較強(qiáng)。Wang等[14]利用1982—2008年的GIMMS/NDVI數(shù)據(jù)分析了青藏高原降水量、日照時(shí)數(shù)與氣溫對(duì)植被的影響，結(jié)果表明青藏高原植被變化的主要原因是氣溫變化。He等[15]利用1982—2011年的AVHRR/NDVI3g數(shù)據(jù)分析了三北防護(hù)林植被對(duì)氣候因素的響應(yīng)，結(jié)果表明西部地區(qū)的暖濕條件可以促進(jìn)植被生長。Li等[16]利用1982—1999年的GIMMS/NDVI數(shù)據(jù)與2000—2015年的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)分析了黃土高原植被變化的原因。王志鵬等[17]利用2000—2015年的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)分析了青藏高原植被對(duì)降水變化的響應(yīng)，結(jié)果表明降水的分配格局對(duì)灌叢草地植被影響較大。劉軍會(huì)等[18]利用1981—2005年的GIMMS/NDVI數(shù)據(jù)分析了青藏高原植被覆蓋變化及其與降水量、氣溫的關(guān)系，結(jié)果表明植被與降水量、氣溫均呈正相關(guān)關(guān)系。沈振西等[19]利用2011—2014年植被生長季的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)分析了藏北高原不同海拔高度植被與氣候因子的關(guān)系。郭繼凱等[20]利用2001—2013年的逐旬MODIS/NDVI數(shù)據(jù)分析了塔里木河流域植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子。

盡管關(guān)于青藏高原植被變化及其氣候驅(qū)動(dòng)因子已經(jīng)有很多研究，但較多關(guān)注于單一氣候因子對(duì)植被的影響，且氣象數(shù)據(jù)的插值方法未考慮青藏高原地形起伏較大的情況。為了明晰青藏高原植被變化情況及其與氣候因子的關(guān)系，本研究使用長時(shí)間序列遙感反演產(chǎn)品MODIS/NDVI（2001—2015年），并結(jié)合氣象站氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)及MODIS/地溫?cái)?shù)據(jù)，采用ANUSPLIN氣象插值、一元線性回歸、相關(guān)分析等方法對(duì)青藏高原植被變化進(jìn)行分析，討論了氣候因子對(duì)植被的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及氣候因子間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象站實(shí)測(cè)氣溫與降水量數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），該數(shù)據(jù)囊括了來自317個(gè)氣象站的2001—2015年逐日氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)字高程模型（DEM）來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/），空間分辨率為1 km。2001—2015年的MODIS數(shù)據(jù)（NDVI和地溫）下載于美國國家宇航局（NASA）的EOS數(shù)據(jù)中心（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。MODIS/NDVI數(shù)據(jù)類型為MOD13A1，每16 d一景影像，數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m;MODIS/地溫?cái)?shù)據(jù)類型為MOD11B3，每30 d一景影像，數(shù)據(jù)空間分辨率為6 km。同源的NDVI與地溫?cái)?shù)據(jù)可以降低遙感反演導(dǎo)致的不確定性。

1.2 研究方法

1.2.1 ANUSPLIN氣象插值法 ANUSPLIN是一種采用平滑樣條函數(shù)對(duì)多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和分析的工具。該方法被廣泛應(yīng)用于青藏高原氣候因子模擬的研究中[17，21]，能夠較好地?cái)M合青藏高原復(fù)雜地表氣象要素的空間分布[22]。針對(duì)青藏高原地形起伏較大的情況，采用數(shù)字高程模型作為青藏高原氣象數(shù)據(jù)插值的協(xié)變量，得出考慮海拔的氣溫與降水量的空間插值結(jié)果。

1.2.2 一元線性回歸法 2001—2015年NDVI空間變化趨勢(shì)采用一元線性回歸法計(jì)算，即15年內(nèi)NDVI年平均值的一元線性回歸方程的斜率。本研究計(jì)算2001—2015年NDVI空間變化趨勢(shì)，公式如下：

[θslope=n×i=1ni×NDVImean-i=1nii=1nNDVImeann×i=1ni2-（i=1ni）2] （1）

式（1）中，[i]為各年序號(hào);[n]為研究時(shí)段的總年數(shù)，[n=15];NDVImean為第[i]年NDVI的平均值;[θslope]為NDVI的變化趨勢(shì)。

1.2.3 相關(guān)分析法 為了研究NDVI與氣候因子的關(guān)系，運(yùn)用ArcGIS中的柵格計(jì)算器計(jì)算NDVI與氣溫、降水量、地溫的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，比較NDVI與各氣候因子的相關(guān)性。本研究計(jì)算2001—2015年NDVI與各氣候因子的相關(guān)系數(shù)，公式如下：

[R=n×i=1nXi×NDVImean-i=1nXii=1nNDVImeann×i=1nXi2-（i=1nXi）2×n×i=1nNDVImean2-（i=1nNDVImean）2] （2）

式（2）中，[Xi]為第[i]年氣候因子的平均值;R為2001—2015年NDVI與氣候因子的相關(guān)系數(shù)。

1.2.4 多驅(qū)動(dòng)因子分析方法 為了研究NDVI受多種氣候因子驅(qū)動(dòng)的相互關(guān)系，根據(jù)NDVI與各氣候因子是否呈正相關(guān)關(guān)系設(shè)置編號(hào)進(jìn)行多驅(qū)動(dòng)因子分析（表1）。根據(jù)編號(hào)對(duì)青藏高原NDVI進(jìn)行重分類，進(jìn)而對(duì)青藏高原NDVI受氣候因子驅(qū)動(dòng)的不同類型進(jìn)行空間分析，得出青藏高原NDVI的首要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原植被覆蓋年際變化及空間分布

2001—2015年，青藏高原年均NDVI呈波動(dòng)上升狀態(tài)（圖1a），多年平均NDVI為0.219，增速為0.000 7/年，變異系數(shù)為1.7%。2008年前后年均NDVI差異較大，2008年前平均NDVI為0.216，2008年后平均NDVI為0.222。青藏高原多年平均NDVI的空間分布呈由東向西、自南向北的遞減狀態(tài)（圖1b）。多年平均NDVI高值主要分布在橫斷山脈、唐古拉山以及祁連山，青海西部、西藏西部以及新疆南部多年平均NDVI值較低。新疆南部（青藏高原北緣）有小范圍的NDVI較高值，這一區(qū)域沿昆侖山呈條帶狀分布。昆侖山融雪產(chǎn)生的徑流為植被生長供給了充足的水源，導(dǎo)致此區(qū)域NDVI相比附近其他位置較高。

2.2 青藏高原植被覆蓋變化趨勢(shì)空間分異

圖2為2001—2015年青藏高原年均NDVI變化趨勢(shì)。青藏高原NDVI整體呈上升趨勢(shì)，青藏高原總面積的70.04%呈NDVI上升趨勢(shì)，其余29.96%呈下降趨勢(shì)。呈下降趨勢(shì)的NDVI主要分布于西藏西部與中部，呈顯著上升趨勢(shì)的NDVI主要分布于青藏高原北部與東部，即祁連山、橫斷山脈及昆侖山。值得注意的是，柴達(dá)木盆地除盆地邊緣NDVI上升趨勢(shì)較高外，大部分區(qū)域NDVI上升趨勢(shì)較低，小部分區(qū)域呈下降趨勢(shì)。小部分的下降趨勢(shì)主要集中在湖泊附近，這是由于湖泊面積變化使NDVI變?yōu)樨?fù)值，進(jìn)而導(dǎo)致了NDVI的下降。

2.3 植被覆蓋變化的氣候驅(qū)動(dòng)因子分析

2.3.1 降水驅(qū)動(dòng)因子分析 圖3為2001—2015年青藏高原NDVI與降水量相關(guān)系數(shù)的空間分布。青藏高原NDVI總體上與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域面積占總面積的60.95%，呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.1）的區(qū)域主要包括新疆南部、西藏中部以及青海南部，西藏東部、橫斷山脈與柴達(dá)木盆地的NDVI與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.1）。西藏東部與橫斷山脈的降水量較大，降水量不構(gòu)成植被生長的限制因子，故這2個(gè)區(qū)域呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。柴達(dá)木盆地NDVI與降水量的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系主要分布于NDVI平均值較低的地區(qū)（NDVI<0.1）[23]，且該區(qū)域的NDVI上升趨勢(shì)也較低（圖2），因此此顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系并不可信。

2.3.2 氣溫驅(qū)動(dòng)因子分析 圖4為2001—2015年青藏高原NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)的空間分布。青藏高原NDVI總體上與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域面積占總面積的65.62%，呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.1）的區(qū)域主要包括青海南部、西藏西北部以及四川北部，西藏中部的NDVI與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.1）。西藏中部的降水量較低，降水量成為首要的植被生長限制因子，氣溫成為次要限制因素，因此該區(qū)域NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)比圖3與圖4，青藏高原NDVI與降水量、氣溫的相關(guān)系數(shù)呈明顯的互補(bǔ)關(guān)系，即有較多的區(qū)域NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)大，則其與氣溫的相關(guān)系數(shù)小。

2.3.3 地溫驅(qū)動(dòng)因子分析 圖5為2001—2015年青藏高原NDVI與地溫相關(guān)系數(shù)的空間分布。青藏高原NDVI總體上與地溫呈正相關(guān)關(guān)系，呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域面積占總面積的52.43%，呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.1）的區(qū)域主要包括青海南部和西藏西北部，青海西部及西藏中部的NDVI與地溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.1）。青海西部及西藏中部的地溫較高，未構(gòu)成當(dāng)?shù)刂脖簧L的限制因子，故這2個(gè)區(qū)域的NDVI與地溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)比圖4及圖5，NDVI與地溫的負(fù)相關(guān)系數(shù)和氣溫的負(fù)相關(guān)系數(shù)分布區(qū)域基本相同，但地溫的分布區(qū)域更大。在青藏高原，地溫與氣溫的變化趨勢(shì)相似，但地溫升幅一般高于氣溫[24]，因此氣溫更容易比地溫成為植被生長的限制因子，即地溫更容易與NDVI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3.4 多驅(qū)動(dòng)因子聯(lián)合分析 圖6為2001—2015年青藏高原NDVI與3種氣候因子聯(lián)合分析的空間分布及面積占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖6可知，NDVI變化同時(shí)受3種氣候因子驅(qū)動(dòng)的情況主要發(fā)生在昆侖山南部以及柴達(dá)木盆地以東，這些區(qū)域降水、氣溫及地溫均較低，故當(dāng)?shù)豊DVI同時(shí)受3種氣候因子的驅(qū)動(dòng)。NDVI變化只受一種氣候因子驅(qū)動(dòng)的情況主要發(fā)生在西藏中部，且主要為降水量驅(qū)動(dòng)。該地區(qū)氣溫與地溫均較高，降水量較低，故降水量為植被生長的主要影響因子，即降水量的上升會(huì)驅(qū)動(dòng)NDVI的上升。NDVI變化同時(shí)受氣溫、地溫二者驅(qū)動(dòng)的區(qū)域占比最高，但考慮到氣溫與地溫均為表征當(dāng)?shù)責(zé)崃康闹笜?biāo)，即對(duì)青藏高原NDVI驅(qū)動(dòng)效果最大的氣候因子是熱量。

3 結(jié)論

1）青藏高原植被覆蓋整體呈由東向西、自南向北的遞減狀態(tài)，多年平均NDVI為0.219。從時(shí)間上看，2001—2015年青藏高原植被覆蓋總體上呈波動(dòng)增長趨勢(shì)，增長速度為0.000 7/年。從空間上看，2001—2015年青藏高原植被覆蓋呈增長趨勢(shì)的區(qū)域面積占青藏高原總面積的70.04%，主要分布于青藏高原北部與東部，即祁連山、橫斷山脈及昆侖山。

2）青藏高原植被覆蓋與降水量、氣溫及地溫均呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域分布最廣，占青藏高原總面積的65.62%，與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要包括青海南部、西藏西北部以及四川北部，與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要包括新疆南部、西藏中部以及青海南部，與地溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要包括青海南部和西藏西北部。植被覆蓋程度低且變化幅度小的地區(qū)（如柴達(dá)木盆地）計(jì)算出的相關(guān)關(guān)系并不準(zhǔn)確。

3）通過對(duì)3種氣候因子與NDVI的關(guān)系聯(lián)合分析后發(fā)現(xiàn)，青藏高原植被覆蓋增長的首要驅(qū)動(dòng)因子是熱量，即氣溫與地溫。在青藏高原1/2以上的區(qū)域，降水量與熱量對(duì)植被生長的驅(qū)動(dòng)作用呈互補(bǔ)性。降水量較多的區(qū)域，其驅(qū)動(dòng)作用較低，當(dāng)?shù)刂脖簧L以氣溫（或地溫）為首要驅(qū)動(dòng)因子;反之，則植被生長以降水量為首要驅(qū)動(dòng)因子。

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