2000—2016年藏北高原降水對植被覆蓋的影響

曹亞楠， 孫明翔， 陳夢冉， 何永濤， 宋宏利

(1.河北工程大學， 地球科學與工程學院， 河北 邯鄲 056038； 2.中國科學院地理科學與資源研究所， 生態網絡觀測與模擬重點實驗室， 拉薩高原生態試驗站， 北京 100101； 3.中國科學院大學資源與環境學院， 北京 100049)

降水是河川徑流的主要補給來源之一，降水格局變化直接關系到當地生態系統的穩定以及區域的可持續發展[1]。以氣候變暖為主要標志的氣候變化已成為事實，而氣候變化對降水格局的影響一方面體現在降水量的改變，這可能會造成土壤有機質含量的變化，影響光合有效輻射，造成植被覆蓋度和凈初級生產力(Net primary productivity,NPP)發生變化[2-5]。另一方面，氣候變化對降水格局的影響還體現在降水頻次、強度和年內分布等結構變化上，這種變化也會影響植被對水分的利用，進而影響植被的覆蓋度、生產力等功能[6-8]。對于中、半干旱涼爽型草地和半干旱溫暖型草地來說，在降水高于和低于平均水平的年份，降水的遺留效應也對植被生長狀況產生影響[9]。因此，在探討降水變化對生態系統的作用時，應考慮多種降水指標，以充分反映降水格局變化的影響。

植被覆蓋變化直接影響局部氣候調節、水土保持等作用，從而改變生態系統的穩定性[10-11]。如今，探索不同時間、空間尺度的植被狀況往往需要長時間序列遙感影像數據的支撐[10]。利用衛星遙感數據，可以有效的對植被進行動態監測，而研究植被時空變化中最重要的指數是植被指數，植被指數多達數十種，其中歸一化差異植被指數(Normalized difference vegetation index,NDVI)，常常與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數等密切相關，是表示地表植被狀況最常用的指標[12-14]。NDVI可以很好的表征植被的生長情況，目前已在許多研究上得到應用，以說明氣候變化對植被覆蓋的影響。但是目前降水格局變化對植被的影響仍需更加充分的探究，尤其是生態環境較為脆弱的地帶，其植被狀況通常對氣候變化的反映更為敏感和迅速[15]。

青藏高原被稱為“世界屋脊”和“地球第三極”，是我國水資源安全的戰略基地，也是我國重要的生態安全屏障[16]。青藏高原自然生態系統以高寒草地為主體，由于海拔高，氣候常年寒冷干燥等惡劣的環境條件，使其自然屬性十分脆弱，對全球氣候變化具有敏感的響應[17]。青藏高原在過去的五十年里呈顯著增溫趨勢，其升溫速率遠超過全球變暖的速度[18]。相對于溫度來說，青藏高原降水的時空變動相對較大，整體上呈極緩的上升趨勢[19]。從相關研究的預測結果來看，未來青藏高原的降水量仍會繼續增加，且不同季節的增加幅度不同[20]。在氣候變化的背景下，青藏高原高寒草地生態系統的植被狀況也隨之發生改變[21]。但是，目前對于青藏高原降水格局變化的研究主要還是側重于降水量變化的影響[22-23]，關于降水特征對植被覆蓋狀況的影響的研究也大多集中在NDVI與降水量的相關性研究[24]。本文從降水量和降水結構兩方面出發，選取生長季降水、非生長季降水、降水集度和降水重心指數四項指標，全面的分析藏北高原降水量、降水格局變化以及降水遺留作用對植被覆蓋狀況的影響，以期為藏北高原生態環境保護提供一些參考。

本文基于2000—2016年歸一化植被指數NDVI遙感數據，獲取藏北高原的植被覆蓋度狀況，并從降水量和降水結構兩方面出發，選取生長季降水、非生長季降水、降水集度和降水重心指數，來分析藏北高原降水格局的變化特征及其對植被覆蓋狀況的影響，為藏北高原生態環境保護及當地畜牧業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

藏北高原又稱“羌塘高原”，經緯度范圍為29°53′～36°32′ N，78°41′～92°16′ E，是青藏高原的主體部分，平均海拔4 500 m，面積為5.97×105km2。藏北高原氣候常年寒冷干燥，空氣稀薄，屬于亞寒帶高原氣候[25]。大部分地區年平均氣溫<0℃，降水在50～800 mm之間，水熱條件的季節變化明顯，5—9月屬于植被的生長季，溫暖多雨，降水多集中于這個時期。受地形和氣候分異的影響，藏北高原的植被由東南到西北大致分為三種類型，草原、草甸和荒漠草原。其中，高寒草原分布面積廣袤，優勢種為紫花針茅(Stipapurpurea)，伴生高山嵩草(Kobresiapygmaea)、伊凡苔草(Carexivanovae)、青藏苔草(Carexmoocroftii)、羊茅(Festucaovina)、矮羊茅(Festucacoelestis)等。畜牧業是當地對草地主要的利用方式，也成為牧民主要的收入來源。近年來，受氣候變化和放牧活動的影響，藏北高原部分地區草地發生退化[26]。由于植被類型相對單一，藏北高原被認為是研究氣候變化對植被覆蓋影響的理想區域。

1.2 數據來源

1.2.1降水數據 本研究中2000—2016年的降水數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心。將每天的降水數據重新計算為月平均值，并利用ANUSPLIN 4.3將重新計算的數據插入到空間分辨率為1公里的連續光柵表面[27]。網格氣候表面的質量已被證明與觀測記錄有很高的相關性[28]。藏北高原大多數草本植物的生長期為5—9月，因此我們計算了生長季降水和非生長季降水，非生長季降水為前一年10月至次年4月。

1.2.2柵格數據 歸一化差異植被指數是反映植物生長和活動季節性和年際變化的一個足夠穩定的植被參數，廣泛應用于植被覆蓋和生產力研究[29-30]。本研究中采用的2000—2016年的NDVI數據為美國國家航空航天局(National aeronautics and space administration agency,NASA)的LAADS網站中獲得的MOD13A3產品，時間精度為1個月，空間分辨率為1公里。年際NDVImax的計算采用的是被廣泛用于草地年最大生物量估算的最大值合成法[31]。本研究除去了NDVImax< 0.1的區域，消除裸露和植被稀疏區域的影響[32-33]。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度 植被覆蓋度和NDVI之間存在顯著的線性相關，通常通過轉換二者的關系，直接獲取植被覆蓋度信息[34]。采用像元二分模型估算植被覆蓋度，假設每個像元的NDVI值可以由植被和土壤兩部分合成，則其公式如下[35]：

NDVI=NDVIvCx+NDVIs(1-Cx)

(1)

式中NDVIv為植被覆蓋地區的NDVI值，取為NDVI的最大值；NDVIs為裸露土壤地區的NDVI值，取為NDVI的最小值，Cx代表植被覆蓋度。根據(1)式，得出植被覆蓋度Cx公式為[36]：

(2)

NDVImin選取累積頻率0.5%的NDVI值；NDVImax選取99.5%的NDVI值，通過R語言求取，求得：

NDVImin=NDVIs=0.1018

NDVImax=NDVIv=0.7676

所得植被覆蓋度Cx值接近于1時，說明該地區植被覆蓋度高，趨近于純植被，當植被覆蓋度接近于0時，說明該地區植被稀少，接近于裸地。

1.3.2降水集度 降水集度指數通常表示降水在年際內各月間變化的分異性[35]。對PCI的計算公式為[37]：

(3)

式中pi為第i月的降水量，當PCI<10時，則表明該地區年降水分布均勻；當1020時，則表明該地區全年降水分布不均勻。

1.3.3降水重心 降水重心是反應某地區降水集中時間的指標，本次研究采用王志鵬在研究青藏高原草地歸一化植被指數對降水變化的響應中的重心坐標的計算公式來表征降水重心(PC)，公式如下[3]：

(4)

式中i表示第i月，Vi表示第i月的降水量，V表示該年的年際降水量。結果可以很清楚的反應該年的降水主要集中在哪些月份，有助于驗證生長季總降水的數據。

1.3.4相關分析和偏相關分析 相關分析是對兩個或多個變量進行分析，衡量它們之間相關的密切程度。本研究用皮爾森相關系數(Pearson Correlation Coefficient)來衡量降水變量與NDVI之間的相關程度。Pearson相關系數公式如下：

(5)

式中，為相關系數，和分別表示年份的兩個變量值，和分別表示兩個變量的平均值。

為消除不同降水變量間的相互影響，只分析兩個特定變量之間相關程度，結合各變量間的相關系數，計算了各變量的偏相關系數。其公式為：

(6)

式中，為排除變量z影響后，變量x與y之間的偏相關系數,分別為變量x與y,x與z,y與z之間的相關系數。

1.4 數據處理

利用SPSS Statistics 25對2000—2016年藏北地區降水變量與NDVI的年際變化數據進行相關與偏相關分析，Origin2017制作相關變量的年際變化圖件。降水變量與NDVI的空間變化趨勢、顯著性、相關與偏相關分析均通過R語言進行逐像元的分析處理，并通過軟件ArcMap10.6繪制各變量的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 藏北高原植被覆蓋情況

如圖1所示，空間分布上，藏北高原的植被覆蓋整體呈由西向東遞增的趨勢。藏北東南地區植被覆蓋度較大，表明該地區植被生長狀況較好，降水較多，草地比較茂盛。而在藏北高原的中部和西部地區，植被覆蓋狀況較差，植被稀少，植被覆蓋度普遍低于0.3，北部和西部邊緣地區甚至小于0.1。植被覆蓋度變化趨勢上，藏北高原中部和東南部地區的植被覆蓋度呈下降趨勢，且部分地區降低顯著。而植被覆蓋度增加的地區主要分布在北部和西部，且北部邊緣地區增加較為顯著。

圖1 藏北高原植被覆蓋度的空間格局及其變化格局Fig.1 Spatial pattern of vegetation coverage and its change pattern in the northern Tibetan Plateau注:(a)植被覆蓋度空間分布圖;(b)植被覆蓋度空間變化趨勢圖Note:(a) is the spatial distribution of vegetation coverage;(b) is the spatial variation trend of vegetation coverage

如圖2植被覆蓋度年際變化所示，2000—2016年間，2001年的植被覆蓋度最高，植被覆蓋度為0.24，而植被覆蓋度最低的年份是2015年，僅為0.19。年際變動趨勢上，2007年前，植被覆蓋度以下降趨勢為主，而2007年之后波動上升。正是由于植被覆蓋度的年際波動較大，整體來看，藏北高原的植被覆蓋度變化不顯著，變化速率接近于0。

圖2 藏北高原植被覆蓋度的年際變化Fig.2 Interannual variation of vegetation coverage in the northern Tibetan Plateau

2.2 藏北高原降水特征

如圖3a所示，藏北高原非生長季降水極少，波動較大，大部分地區非生長季降水不足50 mm，而只有東部邊緣地區的非生長季降水在100 mm以上。藏北高原東部和北部地區非生長降水呈減少趨勢，但減少趨勢并不顯著。而藏北西南部地區非生長季降水量雖然較少，但有較顯著的增長趨勢(圖3b)。由圖4a可得，藏北高原非生長季年際降水在2000年達到峰值，為42 mm，2004年之前，非生長季降水以下降為主，在2004年達到最低值16 mm。2005—2008年，非生長季降水呈下降趨勢，而2008年之后非生長季降水又波動上升。由圖4a斜率可得藏北高原非生長季降水年增長速率僅為0.02 mm·a-1。

圖3c中，藏北高原生長季降水整體呈自東南向西北遞減的趨勢，東南部地區降水量較多，生長季降水>400 mm，而西北部地區降水不足150 mm。如圖3d所示，生長季降水僅在藏北高原邊緣的極少數地區變化趨勢顯著。如圖4b所示，2008年生長季降水達到了峰值329 mm，而2015年的生長季降水最少，僅為211 mm。從年際變化趨勢來看，生長季降水年際波動較大，整體呈下降趨勢，差異不顯著，下降速率為0.54 mm·a-1。

如圖3e所示，藏北高原降水重心大致分布在6—7月期間，除西部邊緣地區降水重心在6月初外，其他地區降水重心均分布在6月末至7月初。如圖3f中，藏北地區西南部、東北部和東南部的邊緣地區降水重心呈提前趨勢，且東南部邊緣地區降水重心的提前趨勢顯著，而中部的大部分地區降水重心則呈顯著推遲趨勢，向7月末偏移。如圖4c可知，藏北高原降水重心在2001年為最小值6.57(6月中旬)，在2010年達到最大值7.33(7月中上旬)。從年際變化趨勢來看，降水重心整體向7月推遲。

如圖3g所示，除東南部和西南邊緣地區降水呈季節性分布，降水較均勻外，其他地區降水都常年分布不均勻，降水主要集中于5—9月。從圖3h得，藏北中部和南部降水呈顯著集中趨勢，而西北和東北部地區降水則呈現分散趨勢，且僅在西北和東北邊緣地區分散趨勢顯著。由圖4d可知，藏北高原在2000—2016年間降水集度均超過20，年際波動較大，在2003年達到最小值20.78，在2012年達到峰值27.98。從年際變化趨勢來看，藏北高原降水集度呈不顯著增加趨勢，表示該地區降水在時間上的不均勻性越來越明顯。

圖3 藏北高原降水因子的空間格局及變化趨勢Fig.3 Spatial pattern and variation trend of precipitation factors in the northern Tibetan Plateau注:(a),(c),(e)和(g)分別為非生長季降水、生長季降水、降水重心和降水集度的空間分布圖；(b),(c),(e)和(g)分別為非生長季降水、生長季降水、降水重心和降水集度的變化趨勢圖Note:(a),(c),(e) and (g) are the spatial distribution of non-growing season precipitation,growing season precipitation，precipitation centroid and precipitation concentration index,respectively. (b),(c),(e) and (g) are the spatial variation trend of non-growing season precipitation,growing season precipitation，precipitation centroid and precipitation concentration index,respectivel

圖4 藏北地區各降水因子的年際變化圖Fig.4 Interannual variation of precipitation factors in northern Tibet注：(a)非生長季降水年際變化圖;(b)生長季降水年際變化圖;(c)降水重心年際變化圖;(d)降水集度年際變化圖Note:(a) is interannual variation of non-growing season precipitation;(b) is interannual variation of growing season precipitation;(c) is interannual variation of precipitation centroid;(d) is interannual variation of precipitation concentration index

2.3 降水對植被覆蓋度的影響

由圖5可知，2000—2016年，藏北高原中部地區非生長季降水與植被覆蓋度呈負相關，而西南部與東部地區非生長季降水則與植被覆蓋度呈正相關，且西南部地區呈顯著正相關。藏北高原大部分地區生長季降水與植被覆蓋度呈正相關，且中部和東南部部分地區呈顯著正相關。降水集度與植被覆蓋度在藏北高原北部和東南部地區呈顯著正相關，而南部地區植被覆蓋度與降水集度則呈顯著負相關。藏北北部和東部地區降水重心與植被覆蓋度呈正相關，且北部正相關顯著，而在南部和西南部地區則呈負相關，尤其是西南部地區負相關顯著。

通過偏相關分析發現，其結果與圖5所示的相關性結果在大部分地區一致，僅部分地區存在差異。如圖6所示，藏北地區的西北部地區非生長季降水與植被覆蓋度的相關性呈顯著正相關，中部地區則呈負相關。生長季降水與植被覆蓋度偏相關性則與相關性類似，除中部地區呈較弱顯著正相關，其余地區與相關性趨勢相同。藏北地區降水集度與植被覆蓋度偏相關性與相關性差異在西南部地區較明顯。降水重心與植被覆蓋度偏相關性對比相關性差異則在北部地區呈不顯著正相關，而南部地區則呈現弱顯著正相關。

圖5 藏北高原各降水因子與植被覆蓋度相關性的空間分布Fig.5 Spatial distribution of correlation between precipitation factors and vegetation coverage in the northern Tibetan Plateau注:(a)植被覆蓋度與非生長降水相關性空間分布圖;(b)植被覆蓋度與生長季降水相關性空間分布圖;(c)植被覆蓋度與降水集度相關性空間分布圖;(d)植被覆蓋度與降水重心相關性空間分布圖Note:(a) is the spatial distribution of correlation between vegetation coverage and non-growing season precipitation;(b) is the spatial distribution of correlation between vegetation coverage and growing season precipitation;(c) is the spatial distribution of correlation between vegetation coverage and precipitation concentration index;(d) is the spatial distribution of correlation between vegetation coverage and precipitation centroid

圖6 藏北高原各降水因子與植被覆蓋度偏相關性的空間分布Fig.6 Spatial distribution of partial correlation between precipitation factors and vegetation coverage in the northern Tibetan Plateau注:(a)植被覆蓋度與非生長季降水偏相關性空間分布圖;(b)植被覆蓋度與生長季降水偏相關性空間分布圖;(c)植被覆蓋度與降水集度偏相關性空間分布圖;(d)植被覆蓋度與降水重心偏相關性空間分布圖Note:(a) is the spatial distribution of partial correlation between vegetation coverage and non-growing season precipitation;(b) is the spatial distribution of partial correlation between vegetation coverage and growing season precipitation;(c) is the spatial distribution of partial correlation between vegetation coverage and precipitation concentration index;(d) is the spatial distribution of partial correlation between vegetation coverage and precipitation centroid

通過分析降水因子與植被覆蓋度的年際相關性與偏相關性可得，生長季降水與植被覆蓋度呈顯著正相關，表明隨著生長季降水量的增加植被覆蓋度也相應增加。而非生長季降水、降水重心和降水集度與植被覆蓋度之間的相關性與偏相關性均不顯著(表1)。

表1 藏北高原各降水因子與植被覆蓋度相關與偏相關系數Table 1 Correlation and partial correlation coefficients between precipitation factors and vegetation coverage in the northern Tibetan Plateau

3 討論

藏北高原高寒草地主要分布在干旱半干旱地區，容易受到氣候變暖和降水的影響[22]。本研究結果表明，藏北高原北部和西部邊緣地區植被類型多為高寒荒漠草原，植被稀疏，植被覆蓋度較低，但2000—2016年間，植被覆蓋狀況卻顯著趨好(圖1a和1b)。其他學者也得到類似的研究結果，如曹旭娟等[26]通過草地退化指數發現藏北西部地區草地比上世紀80年代初有明顯的恢復趨勢。拉巴等[38]通過分析那曲市植被NDVI狀況，發現高山植被類、高寒荒漠類和高寒草原類植被覆蓋呈上升趨勢，其中高寒荒漠類植被呈顯著上升趨勢。這主要是得益于這些地區降水量增加，氣溫也明顯升高，氣候整體呈暖濕化趨勢，有利于植被的生長恢復[39]。同時，退牧還草和生態補償政策的實施，也對草地的恢復產生了推動作用[40]。而藏北高原中部和東南部地區雖然植被覆蓋度較高，但植被覆蓋狀況卻日漸惡化。這些地區屬于人口相對比較密集的區域，放牧壓力相對較大，再加上近些年降水量趨于減少，氣候條件狀況不佳，因此導致了植被覆蓋度的下降[25,41-42]。從藏北高原植被覆蓋狀況的年際變動來看，2000—2007年植被覆蓋度有明顯下降趨勢，而2008—2016年有明顯上升趨勢，這與韓炳宏對青藏高原的研究、曹亞楠對藏北高原等人的研究結果相似[43-44]。

氣候變化和人類活動是植被覆蓋變化的主要影響因素，但本研究側重于討論降水對植被覆蓋的影響。本研究結果表明，相對于降水結構來說，降水量的變化對藏北高寒草地植被覆蓋度的影響更為顯著，尤其是生長季降水，與植被覆蓋間呈顯著的正相關，這與丁佳等人[45]在青藏高原對降水量與NDVI的研究結果一致。空間分布上，生長季降水量增加的區域與植被覆蓋度增加的區域分布一致，而生長季降水量減少的地方植被覆蓋狀況趨于變差。楊秀海等[46]認為影響NDVI年際波動的主要因素是水環境條件，水資源越豐富，植被的生長狀況越好。徐興奎[47]等在對青藏高原植被覆蓋特征的成因分析中指出降水量與植被生長覆蓋狀況呈正相關特征，因此，降水是影響高原地區植被整體覆蓋變化的主要氣候驅動因素。陸晴等[23]人通過分析高寒草地植被覆蓋變化與氣候因子之間關系發現，青藏高原草地NDVI變化與降水呈顯著正相關。也有研究認為降水結構的改變，也在一定程度上影響了植被的生長狀況，如王志鵬等[7]人對藏北高原當雄縣草原化草甸的研究結果表明，降水分配集中會提高草地的水分利用效率，從而促進生產力的增加。造成這種現象的原因主要是降水集中利于土壤深層水的補充，這種水分補充不僅對植被生長有利，同時還能有效減少水分的地表蒸發率，造成植被生產力的提高[48]。在本研究中也得到了相似的結論，通過偏相關分析發現降水集度與植被覆蓋度間呈正相關關系，但這種正相關關系并不顯著。造成結果差異的原因主要在于指標的選取和數據的精度，有關于長時間序列更高精度的的降水結構變化對植被覆蓋狀況的影響未來還需進一步探討。

4 結論

2000—2016年藏北高原的植被覆蓋度由西向東遞增，北部和西部地區植被覆蓋度呈增加趨勢，草地植被處于恢復狀態。藏北高原降水主要集中在生長季，除藏北高原東南部和西南邊緣地區外，其余地區降水常年分布不均勻，降水重心大致分布在6—8月間，且中部和南部降水重心呈顯著推遲趨勢。相對于非生長季降水、降水集度和降水重心來說，生長季降水對藏北地區植被覆蓋度變化的影響更為顯著，生長季降水與植被覆蓋度呈顯著正相關。整體而言，藏北高原植被覆蓋度主要受生長季降水影響，生長季降水增加對于藏北高原北部和西部地區的植被恢復來說具有積極作用。