王 鑫, 曾 彪, 仝莉棉， 楊太保

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000)

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近23年來(lái)青藏高原東北部香日德地區(qū)高寒草甸上界變化及其與氣候變化關(guān)系研究

王 鑫, 曾 彪, 仝莉棉， 楊太保

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000)

利用1990年、1999年、2013年的Landsat衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)遙感和GIS技術(shù)，運(yùn)用非監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法，提取香日德地區(qū)的高寒草甸上界，分析其變化特征及其與該地區(qū)氣候變化的關(guān)系。結(jié)果顯示：(1) 1990—1999年升溫趨勢(shì)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(shì)。(2) 香日德地區(qū)高寒草甸上界呈現(xiàn)向更高海拔即原高寒荒漠的范圍擴(kuò)張的趨勢(shì)，其上界的擴(kuò)張受氣溫和降水變化的共同作用。其中以氣溫變化為主導(dǎo)的1990—1999年期間，高寒草甸面積擴(kuò)張迅速；以降水變化為主導(dǎo)的1999—2013年期間，高寒草甸上界擴(kuò)張減慢。并且海拔越高的地區(qū)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(kuò)張。其中，以升溫為主導(dǎo)的1990—1999年主要集中在北坡與西坡；以降水量增加為主導(dǎo)的1999—2013年期間則主要集中在南向坡。(4) 從坡度分布來(lái)看，1990—1999年高寒草甸上界的擴(kuò)張主要發(fā)生在15°～25°，而1999—2013年為20°～35°。

Landsat; 高寒草甸上界; 非監(jiān)督分類; 目視解譯; 氣候變化

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。高寒草甸作為分布在高山、高原寒冷環(huán)境下的一種草地類型，廣泛分布在青藏高原中東部地區(qū)，是青藏高原主要的植被類型之一，對(duì)維持青藏高原生態(tài)平衡和畜牧業(yè)的發(fā)展有重要的生態(tài)價(jià)值[1-3]。青藏高原作為氣候變化敏感區(qū)，其植被變化不僅影響其環(huán)境的變化，而且關(guān)系著北半球甚至全球氣候環(huán)境系統(tǒng)[4-5]。近幾十年來(lái)，氣候變化導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日益明顯，隨著青藏高原大部分地區(qū)氣溫上升并由干向濕發(fā)展的趨勢(shì)[6]，其生態(tài)環(huán)境亦發(fā)生了明顯變化[7]，高寒草地面臨嚴(yán)重的生態(tài)脅迫[8-9]。

對(duì)青藏高原高寒草地變化已進(jìn)行了大量的研究。部分研究認(rèn)為隨著青藏高原氣候的暖濕化和人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾，一些地區(qū)的高寒草地退化明顯[10-11]。同時(shí)也存在一些不同的結(jié)論，丁明軍等[12]利用遙感數(shù)據(jù)得出1982—2009年青藏高原大部分地區(qū)草原蓋度呈增加的態(tài)勢(shì)。楊元合等[13]利用青藏高原NDVI數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)青藏高原草地植被的生長(zhǎng)季NDVI增加。徐興奎等[14]利用NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)，得到1980—2000年高原植被覆蓋呈總體增加的趨勢(shì)。以上說(shuō)明高寒草地的變化存在明顯的區(qū)域化特點(diǎn)。而與高寒荒漠相鄰的高寒草甸上界區(qū)域，由于人類活動(dòng)對(duì)其產(chǎn)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(duì)高寒草甸上界的變化研究甚少。

柴達(dá)木盆地是青藏高原氣候變化的敏感區(qū)[15]，其氣候變化明顯，使得其周圍的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化[16-17]。本文利用遙感技術(shù)對(duì)柴達(dá)木盆地東南緣的香日德地區(qū)高寒草甸上界進(jìn)行提取，并結(jié)合氣候數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)探討高寒草甸上界變化與氣候變化及地形的關(guān)系，以期為高寒草甸保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部，柴達(dá)木盆地東南緣，香日德鎮(zhèn)西南巴隆鄉(xiāng)的部分區(qū)域(97°28′—97°56′E，35°38′—35°52′N)。該區(qū)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(yōu)勢(shì)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(shù)據(jù)介紹

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

本文所選的遙感數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局空間分辨率為30 m的Landsat-5TM，Landsat-7ETM+，Landsat-8OLI。該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正和地面控制點(diǎn)幾何校正，并通過(guò)DEM進(jìn)行了地形校正。此產(chǎn)品的大地測(cè)量校正依賴于精確的地面控制點(diǎn)和高精度的DEM數(shù)據(jù)。遙感影像選取標(biāo)準(zhǔn)為：(1) 盡量選取夏季7月、8月份植被生長(zhǎng)最好時(shí)期的影像；(2) 云覆蓋度低的影像；(3) 為了減少不同時(shí)期植被分布變化所造成的誤差，選取影像時(shí)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(duì)香日德地區(qū)的高寒草甸近23年來(lái)上界的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 氣候數(shù)據(jù)

氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集，選擇距離香日德地區(qū)較近的且記錄連續(xù)的都蘭、諾木洪、瑪多3個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水量數(shù)據(jù)(其中都蘭站位于研究區(qū)北部，距研究區(qū)約60 km；諾木洪站位于研究區(qū)西北部，距研究區(qū)約120 km；瑪多站位于研究區(qū)南部，距研究區(qū)約110 km)，經(jīng)計(jì)算得到年值數(shù)據(jù)，并計(jì)算3個(gè)站點(diǎn)的平均值，與高寒草甸上界變化情況進(jìn)行分析。

2.3 DEM數(shù)據(jù)

DEM數(shù)據(jù)選取美國(guó)國(guó)家航空和航天局NASA空間分辨率為30 m的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是對(duì)GDEM數(shù)據(jù)的修正，其清晰度高且水平和垂直方向的準(zhǔn)確度較高。

2.4 研究方法

首先對(duì)三景Landsat遙感影像分別進(jìn)行監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、NDVI閾值提取處理，得到高寒草甸分布邊界并進(jìn)行對(duì)比研究。本文最終選擇簡(jiǎn)單易行的ISODATA法進(jìn)行非監(jiān)督分類，然后將影像進(jìn)行近紅外、紅、綠波段組合得到標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像并對(duì)非監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行分類合并，然后通過(guò)目視解譯修正非監(jiān)督分類結(jié)果，確定高寒草甸分布邊界。通過(guò)與DEM數(shù)據(jù)結(jié)合提取海拔在4 200 m以上的區(qū)域(該區(qū)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(jìn)行誤差檢驗(yàn)。人工目視解譯可能造成像元水平位移的誤差。

結(jié)合過(guò)去研究的結(jié)果，一般認(rèn)為小于半個(gè)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(qū)分析方法建立了一個(gè)7.5 m的緩沖區(qū)來(lái)評(píng)估目視解譯的結(jié)果，進(jìn)行誤差檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算三景影像的誤差分別為4.29%，3.46%，4.94%。對(duì)提取的高寒草甸上界范圍進(jìn)行對(duì)比，得到23年來(lái)高寒草甸發(fā)生變化的區(qū)域，最后統(tǒng)計(jì)高寒草甸面積變化與氣候變化的關(guān)系，并結(jié)合該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形分析，統(tǒng)計(jì)高寒草甸上界的海拔高度、坡度、坡向分布特征。

3 結(jié)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(gè)站點(diǎn)的年平均氣溫均呈升高的趨勢(shì)，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(shì)，而諾木洪與瑪多呈上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)明顯低于1990—1999年，分別為-0.38，0.21，0.45℃/10 a。

從3個(gè)站的平均值來(lái)看，1990—1999年氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，為0.99℃/10 a，1999—2013年則微弱上升。

圖1 1982-2013年3個(gè)站點(diǎn)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(shì)，而諾木洪的年降水量呈現(xiàn)比較明顯的增加趨勢(shì)，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(xiàn)為降水量增加的趨勢(shì)，分別為37.88，20.81，56.27 mm/10 a。

圖2 1982-2013年3個(gè)站點(diǎn)年降水量變化及平均變化

從3個(gè)站的平均值來(lái)看，1990—1999年研究區(qū)降水量呈微弱上升的趨勢(shì)，平均每10 a增加降水量14.53 mm；1999—2013年研究區(qū)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(xiàn)為1990—1999年升溫趨勢(shì)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(lái)高寒草甸上界呈現(xiàn)向高寒荒漠?dāng)U張的趨勢(shì)。本文利用分布在更高海拔的高寒荒漠面積的變化來(lái)解釋高寒草甸上界的分布變化。由圖4可以看出，近23年來(lái)，香日德地區(qū)高寒荒漠面積呈退縮趨勢(shì)，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(qū)內(nèi)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(kuò)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(kuò)張0.77 km2。高寒草甸在1990—1999年的擴(kuò)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(shí)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(nèi)，該海拔范圍內(nèi)的高寒草甸面積的增長(zhǎng)率在兩個(gè)時(shí)期比較接近，均在0.1左右；而在高于4 600 m的高海拔地區(qū)，高寒草甸面積亦呈現(xiàn)持續(xù)增加，面積增長(zhǎng)率也明顯高于低海拔地區(qū)，說(shuō)明高寒草甸上界向更高海拔的原高寒荒漠地區(qū)分布。與吳建國(guó)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(qū)范圍擴(kuò)展的結(jié)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(tǒng)計(jì)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(kuò)張主要集中在15°～25°，1999—2013年擴(kuò)張主要集中在20°～35°。兩個(gè)時(shí)期均是在坡度大于25°的地區(qū)高寒草甸上界的增長(zhǎng)率較大。從坡向統(tǒng)計(jì)來(lái)看，1990—1999年高寒草甸上界的擴(kuò)張主要集中在北坡、西北坡和西坡；1999—2013年擴(kuò)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(jié)論

4.1 討 論

(1) 高寒草甸上界變化與氣候變化的關(guān)系。過(guò)去23年香日德地區(qū)高寒草甸上界呈向高寒荒漠?dāng)U張的趨勢(shì)。其中，1990—1999年呈快速增加的趨勢(shì)，面積增長(zhǎng)28.5 km2，平均每年擴(kuò)張3.16 km2。同時(shí)期該地區(qū)年平均氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，降水量呈現(xiàn)微弱增加，說(shuō)明該時(shí)期的高寒草甸上界的擴(kuò)張主要是氣溫上升導(dǎo)致的；而1999—2013年氣溫呈微弱上升，年降水量則呈顯著的波動(dòng)上升趨勢(shì)，同時(shí)期高寒草甸上界面積增長(zhǎng)速度趨緩，年增長(zhǎng)0.77 km2，說(shuō)明該時(shí)期高寒草甸上界的擴(kuò)張主要是降水量變化主導(dǎo)的。可知，整個(gè)研究區(qū)高寒草甸上界擴(kuò)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(dǎo)時(shí)期的擴(kuò)張速度要快于降水量變化為主導(dǎo)時(shí)期的擴(kuò)張速度。這與王秀紅[21]認(rèn)為的影響高寒草甸上限分布的主導(dǎo)因素是溫度條件基本一致，與吳建國(guó)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(jié)論相一致。

(2) 高寒草甸上界變化與地形因子的關(guān)系。地形可以通過(guò)改變光照、氣溫、降水、土壤水分等因子對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響。其中，坡度、坡向均是重要的地形指標(biāo)。坡向能夠通過(guò)改變光照、氣溫和水分條件等氣象要素對(duì)植被的變化產(chǎn)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(guò)影響土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，一般情況下坡度與水分含量呈負(fù)相關(guān)[22-23]。

由于高寒草甸主要分布在海拔高、相對(duì)濕度較大的高寒地區(qū)。在氣候變暖、降水量增加的條件下，高寒草甸會(huì)優(yōu)先選擇生長(zhǎng)在溫度適宜、坡度平緩、水分條件相對(duì)較好的草谷地區(qū)。當(dāng)高寒草甸在草谷地區(qū)分布到一定程度無(wú)法繼續(xù)在該區(qū)域擴(kuò)張時(shí)，將向坡度更大的地區(qū)擴(kuò)張，這些區(qū)域的水分條件較差，土層變淺；當(dāng)坡度增大到土層淺薄、水分條件差等不利于植被生長(zhǎng)的情況下，高寒草甸向高寒荒漠的擴(kuò)張就會(huì)受到限制。由圖6可以看出，以升溫為主導(dǎo)因素的高寒草甸擴(kuò)張主要集中在15°～25°坡度的地區(qū)，這些地區(qū)水分條件相對(duì)較好，隨著氣溫的升高，高寒草甸大量擴(kuò)張；在降水量增加為主導(dǎo)因素的高寒草甸擴(kuò)張主要集中在坡度為20°～35°的地區(qū)，這可能是由于降水量的增加導(dǎo)致該坡度范圍內(nèi)的土壤濕度增加，從而有利于高寒草甸的擴(kuò)張?？傮w來(lái)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(qū)高寒草甸增長(zhǎng)率明顯快于低坡度地區(qū)，這可能是大坡度地區(qū)的高寒草甸面積較小導(dǎo)致的。

由圖7可以看出，在以升溫為主導(dǎo)因素的高寒草甸上界在各個(gè)坡向上均有增加，其中增加較快的區(qū)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(qū)植被會(huì)得到補(bǔ)償性生長(zhǎng)擴(kuò)張；并且北坡的水分條件相對(duì)較好，會(huì)促進(jìn)植被在該地區(qū)的生長(zhǎng)，這使得高海拔地區(qū)的北坡、西北坡與西坡有大量的高寒草甸開(kāi)始生長(zhǎng)；而在降水量增加為主導(dǎo)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(qū)擴(kuò)張。這可能是由于該時(shí)期的氣溫微弱上升，但降水量明顯增加，坡向?qū)е碌乃謼l件差異縮小，使得在過(guò)去水分條件相對(duì)較差的南坡、東南坡和西南坡的南向坡區(qū)域高寒草甸大量補(bǔ)償性擴(kuò)張。

4.2 結(jié) 論

近23年來(lái)香日德地區(qū)的高寒草甸上界呈向高寒荒漠?dāng)U張的趨勢(shì)，其擴(kuò)張受氣溫和降水變化的共同作用。其中以升溫主導(dǎo)的1990—1999年期間，高寒草甸上界向高海拔地區(qū)擴(kuò)張迅速；以降水增加為主導(dǎo)的1999—2013年期間，高寒草甸上界擴(kuò)張減慢；并且海拔越高的地區(qū)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(zhǎng)，其中以升溫為主導(dǎo)因素的高寒草甸上界擴(kuò)張主要集中在北坡與西坡；以降水量增加為主導(dǎo)因素的擴(kuò)張則主要集中在南向坡增長(zhǎng)。從坡度分布來(lái)看，1990—1999年高寒草甸上界的擴(kuò)張主要發(fā)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(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(40901056);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(lzujbky-2013-130);國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培訓(xùn)資助項(xiàng)目(J1210065)

王鑫(1989—),男,遼寧大連人,碩士研究生,研究方向?yàn)槿蜃兓c區(qū)域響應(yīng)。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(qū)域響應(yīng)研究。E-mail:zengb@lzu.edu.cn

Q948; TP79

1005-3409(2015)05-0294-06