梁蕓，王大為

(西北區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州 730020)

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2000年以來甘南植被變化趨勢及原因分析

梁蕓，王大為

(西北區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州 730020)

摘要：歸一化植被指數(shù)(NDVI)可表征植被生長狀況，利用2000-2014年EOS/MODIS-NDVI及同期氣溫、降水資料、2000-2012年載畜量資料分析了甘南州植被時空變化及氣象因子、人類活動對其影響。結果表明，1)近15年來，甘南整體植被穩(wěn)定性呈增加趨勢，林地穩(wěn)定性大于草地，植被空間變異主要由草地的空間變化引起。2)15年來甘南州植被整體趨于好轉，局部有顯著減少趨勢(P<0.05)，研究區(qū)70%的區(qū)域植被呈增加趨勢，21%的區(qū)域呈惡化趨勢，惡化以草地為主，占總惡化面積的75%，主要分布在瑪曲、碌曲及迭部。3)植被主要惡化區(qū)(瑪曲、碌曲和迭部)氣溫有升高趨勢；載畜量舟曲呈顯著減少趨勢(P<0.05)，其它各縣市均呈極顯著增加趨勢(P<0.01)；載畜量逐年增加，過度放牧是引起甘南州局部植被趨于惡化、空間離散、分布不均的主要原因。

關鍵詞：甘南；植被變化；EOS-MODIS NDVI

甘南州位于甘肅省南部，地處青藏高原、黃土高原和隴南山區(qū)的過渡地帶，是長江、黃河上游重要的生態(tài)屏障，具有重要的水源涵養(yǎng)、水源補給、水土保持、維持生物多樣性、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等功能，在維護長江、黃河流域水資源和生態(tài)安全方面具有不可替代的作用[1-3]，其生態(tài)環(huán)境狀況不僅影響到其本身，甚至深刻影響到全國的生態(tài)安全[4]。近年來，甘南生態(tài)植被變化成為許多學者研究的熱點，劉建華等[5]采用樣方調(diào)查法，研究了瑪曲縣高寒天然草地優(yōu)勢種群及其光合特征，指出提高瑪曲高寒草地的生產(chǎn)能力，應在維護生物多樣性的基礎上，加強對優(yōu)勢種群的培育；郭鈮等[6]利用遙感資料結合地面調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，退牧還草工程對瑪曲草地生態(tài)環(huán)境恢復效果明顯；王浩等[7]利用2000-2008年MODIS數(shù)據(jù)分析指出，甘南草地植被覆蓋度總體呈下降趨勢；趙有益等[8]基于灰色-馬爾科夫殘差預測模型對2010-2014年甘南州4縣市草地實際載畜量和理論載畜量進行預測分析，為相關部門合理確定草地載畜量和進行科學草地管理提供了參考。以上關于甘南植被的研究多集中在甘南草地或黃河上游瑪曲縣[9-13]，甘南也是甘肅省主要林區(qū)，森林面積占全省1/3左右，除了大面積連片草地外，還有一些草地與森林相間，所以甘南天然森林和草地互為屏障，構成了良好的生態(tài)系統(tǒng)，林盛草茂，林衰草枯[14]，因此有必要研究甘南州整體植被的變化情況。歸一化植被指數(shù)(normal different vegetation index，NDVI)是表征植被變化的有效參數(shù)之一[15-16]，對植被的長勢和生長量非常敏感，在一定程度上能代表地表植被覆蓋變化[17-19]，已被廣泛應用于植被活動的研究中[20-21]，溫度和水分等也較多地被用作衡量氣候變化對草原影響的指標[22]。本研究利用EOS-MODIS NDVI數(shù)據(jù)及降水、氣溫和載畜量資料，分析甘南州近15年來草地、林地及總植被的變化趨勢，以及植被變化與氣象因子和人類活動的關系。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)甘南州海拔為2 000～4 900 m，大部分地區(qū)在3 000 m以上，平均氣溫1.7 ℃，沒有絕對無霜期。轄夏河、瑪曲、碌曲、卓尼、迭部、臨潭、舟曲7縣和合作市。全區(qū)主要用地類型為草地和林地，兩者占到甘南牧區(qū)土地總面積的90%以上[3]，草原面積遼闊，全州7縣1市均有畜牧業(yè)，草原面積占土地總面積的70.18%，天然草地是耕地面積的30多倍，是林地面積的3倍[23]。

1.2資料來源與分析方法

1.2.1資料來源及處理EOS-MODIS NDVI數(shù)據(jù)來源于美國LPDAAC(Land Process Distributed Active Archive Center)的MODIS數(shù)據(jù)中的16 d最大值合成的植被指數(shù)MOD13A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，時段為2000-2014年；年降水、氣溫來自甘肅省氣象局，時段為2000-2014年；載畜量來自《甘肅省農(nóng)村年鑒》的羊出欄數(shù)和存欄數(shù)、牛出欄數(shù)數(shù)據(jù)(無牛存欄數(shù)數(shù)據(jù))，時段為2000-2012年。

利用MRT軟件對NDVI數(shù)據(jù)進行格式轉換、投影轉換等處理，對同屬一個月的NDVI影像進行最大值合成，進一步去除噪聲點，提高數(shù)據(jù)的可靠性；甘南州高原春秋短促，夏季植被生長旺盛，最能體現(xiàn)植被的生長狀況，將6、7、8月NDVI的平均值作為該年的年NDVI，結合1∶100萬土地利用圖[24]，剔除非植被區(qū)，分離出草地、林地，來分析草地、林地及總植被的變化程度；因植被指數(shù)選擇時段為夏季(6、7、8月)，秋冬的氣象因子對當年夏季植被生長無貢獻，所以在氣象資料的年計算中，選擇上一年秋季到當年夏季的降水累積作為當年的年降水量，上一年秋季到當年夏季氣溫平均作為當年的年平均氣溫；畜牧是甘南州主要的經(jīng)濟來源，故用載畜量數(shù)據(jù)代表人類活動數(shù)據(jù)，載畜量指牲畜存欄數(shù)和出欄數(shù)總和，數(shù)量按羊單位計算，每個大牲畜按4羊單位計算[25]。

1.2.2植被空間穩(wěn)定性計算空間數(shù)據(jù)的變異系數(shù)可以表示數(shù)據(jù)的空間離散程度，變異系數(shù)越大，表明數(shù)據(jù)分布越離散，空間數(shù)據(jù)波動較大；反之則表明數(shù)據(jù)分布較為緊湊，空間序列數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。公式如下：

(1)

1.2.3植被變化趨勢分析NDVI數(shù)據(jù)中的每個柵格都有15年時間序列數(shù)值，利用一元線性回歸分析來模擬每個柵格數(shù)據(jù)的直線斜率，從而揭示該柵格數(shù)據(jù)的變化趨勢，公式如下：

(2)

式中:NDVIi為第i年的NDVI，n為研究時段長度(15年)，b為線性擬合斜率，斜率大于零，則植被趨于正向發(fā)展，斜率小于零，則表明植被有惡化趨勢[26]。

2結果與分析

2.1植被空間穩(wěn)定性分析

利用式(1)求出甘南州植被指數(shù)NDVI空間變異系數(shù)(圖1)。可以看出，林地的空間變異系數(shù)相對最小，草地的較大。草地、林地、總植被空間變異的年際變化均呈下降趨勢(P整體<0.01，P草<0.01，P林<0.05)，變化趨勢基本一致，草地與總植被的變化趨勢更為接近，林地變化相對平緩。說明15年來，甘南州植被的空間離散程度逐年減少，植被空間分布趨于穩(wěn)定。林地植被空間變異相對最小，且變化幅度相對平緩，草地植被空間變異的變化趨勢與總植被的變化趨勢非常相似，說明林地植被相對均勻穩(wěn)定，甘南州植被空間變異主要由草地變異引起。

圖1　甘南州植被空間變異系數(shù)年際變化

2.2植被時空變化趨勢分析

結合1∶100萬土地利用圖，利用一元線性回歸分析來模擬每個柵格數(shù)據(jù)的直線斜率表明(圖2、表1)，甘南各地植被指數(shù)呈增加趨勢的面積遠遠大于呈減小趨勢的面積，研究區(qū)70%的區(qū)域呈增加趨勢，21%的區(qū)域呈減少趨勢，說明15年來甘南植被整體趨于好轉；夏河、臨潭、舟曲和合作總體植被呈增加趨勢的面積分別占該縣(市)的88%、82%、82%和80%，植被增加比較明顯；瑪曲、碌曲和迭部的總體植被呈減小趨勢的面積分別占該縣(區(qū))的33%、26%和25%，植被惡化比較明顯；在植被指數(shù)呈增加趨勢的地方，草地占73%，林地占20%；在植被呈惡化趨勢的地方，草地占76%，林地占16%；大部分縣(市)植被變化也以草地變化為主。

圖2　2000-2014年植被變化趨勢分布及土地利用

地點Site增加Increase面積Area/km2總植被Vegetation草Grass林Forest百分比Percentage/%總植被Vegetation草Grass林Forest減少Reduction面積Area/km2總植被Vegetation草Grass林Forest百分比Percentage/%總植被Vegetation草Grass林Forest合作HezuoCounty1628143616980881025823026138910夏河XiaheCounty5281479334188916444392327887瑪曲MaquCounty48214552165594/29372670263391/碌曲LuquCounty2540224526063881010419127626887卓尼ZhuoniCounty349319861178715734960546329205734臨潭LintanCounty11424163518236311717744124526迭部DiebuCounty2925121114146641481085481510254447舟曲ZhouquCounty23329811031824244320148142114644

注：林、草增加(減少)百分比指在增加(減少)總植被中，林、草所占的比例;總植被包括林、草及其它植被，其它植被未統(tǒng)計。

Note: The increase (reduction) percentage for forest or grass indicates the proportion of forest or grass in the increased (reduced) total vegetation. Total vegetation includes forest, grass and other vegetables which are not counted.

結合上述植被空間穩(wěn)定性整體增加、植被空間不穩(wěn)定性主要由草地植被變化引起的結論，進一步說明甘南部分地區(qū)部分植被低值區(qū)正在恢復，整體正向發(fā)展，惡化植被主要以草地為主，主要分布在瑪曲、碌曲及迭部。由于甘南草原面積遠遠大于林地面積，畜牧業(yè)是甘南的支柱產(chǎn)業(yè)，近年來，退牧還草等政策的實施，對草原的恢復取得了一定成效[3，6，27]，植被整體好轉。但是各地實際載畜過多，超載嚴重[28-29]，草地生態(tài)壓力還是很大，短時間內(nèi)很難扭轉局部植被惡化的局面，且有些區(qū)域退牧還草工程執(zhí)行力度差，個別圍欄區(qū)草地仍有惡化趨勢[30]。同時，國家實施天然林保護工程后，原木生產(chǎn)已經(jīng)停止，全州實施封山育林，荒山造林，濫砍盜伐現(xiàn)象也基本絕跡，森林資源萎縮的狀況已有所改觀[31-32]，林地生態(tài)效益較好[33]，林地直接的生態(tài)壓力相對小于草地。

2.3植被退化因素分析

2.3.1氣象因子和載畜量的變化碌曲、迭部的氣溫升高顯著(P<0.05)，瑪曲也有增高趨勢(圖3)，但未通過90%的顯著性檢驗，夏河、合作、臨潭、卓尼、舟曲5縣(市)變化趨勢均不明顯(夏河、合作、臨潭、卓尼圖略)；甘南州8個縣(市)的降水變化趨勢均不明顯；2000-2007年舟曲載畜量變化比較平穩(wěn)，2008年開始明顯下降，整體呈下降趨勢，其余7縣(市)2000-2004年變化比較平穩(wěn)，從2005年開始明顯增加，整體呈極顯著增加趨勢(P<0.01,圖略)(圖4)。整體來看，甘南局部地區(qū)氣溫有升高趨勢；舟曲縣載畜量呈下降趨勢，尤其從2007年開始明顯下降；迭部縣載畜量2010年達最大，之后有所下降，但整體呈顯著增加趨勢(P<0.05)；其它各縣市載畜量逐年呈極顯著增加(P<0.01)。

圖3　2000-2014年甘南州氣溫和降水及載畜量的年際變化

2.3.2植被退化與氣象因子及載畜量的相關分析以上研究表明，甘南林地植被相對穩(wěn)定，植被指數(shù)減少主要以草地植被減少為主。將各地草地植被惡化區(qū)的年NDVI與氣象因子、載畜量做相關分析，來研究甘南草原植被變化與氣象因子和人類活動的關系。植被惡化區(qū)NDVI及其空間變異程度與氣象因子、載畜量的相關分析表明(表2)，碌曲植被指數(shù)空間變異系數(shù)與氣溫呈顯著的正相關(P<0.05)，瑪曲、夏河、合作、臨潭、卓尼、迭部、舟曲7縣(市)植被指數(shù)、植被指數(shù)的空間變異系數(shù)與氣象因子關系均未通過90%的顯著性檢驗；甘南州各縣(市)植被指數(shù)NDIV與載畜量呈顯著或極顯著負相關，其空間變異系數(shù)與載畜量呈顯著或極顯著正相關?？傮w上，植被指數(shù)及其空間分布與氣象因子的關系不明顯，而與載畜量的關系密切,多數(shù)縣市相關極顯著(P<0.01)。

注：*和**分別表示顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)相關。

Note: * and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

圖4　2000-2014年甘南州載畜量的年際變化

3討論與結論

關于甘南草地惡化原因比較復雜，前人研究表明，超載放牧是直接驅動因素，氣候的異常擾動是次生驅動因素[34]。甘南大多地方仍然沒有擺脫傳統(tǒng)數(shù)量型畜牧業(yè)生產(chǎn)模式[35]，平均超載率為74.3%，各縣(市)實際均處于超載狀況[28]。家畜對牧草的踐踏和采食導致植物受損、光合作用器官減少，使其減少或失去養(yǎng)分的供給，嚴重影響分蘗和繁殖更新，生長發(fā)育受到抑制[36]，隨放牧強度增加，草地質(zhì)量指數(shù)和優(yōu)良牧草地上生物量比例逐漸下降，草地間的相似性指數(shù)減小[37]，物種豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)與多樣性指數(shù)也呈現(xiàn)下降趨勢[38]，引起植物種群分布格局發(fā)生改變[36]，增加了相應鼠類的可利用性食物，導致鼠類種群數(shù)量的上升。鼠害發(fā)生和危害，進一步加劇了草原的退化，所以，過度利用草原促使草原退化和鼠害危害處于一種惡性交替過程[39-43]，草地資源陷入為滿足牧民生存需求而引發(fā)的惡性循環(huán)[44]。本研究表明，甘南州各縣(市)植被指數(shù)NDIV與載畜量呈顯著負相關，其空間變異系數(shù)與載畜量呈顯著正相關，說明過度超載放牧引起植被指數(shù)下降、空間分布不均、空間變異程度增加，穩(wěn)定性減少，草地植被惡化，這與前人的結果一致。

高海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)是受全球氣候變暖影響最明顯的生態(tài)系統(tǒng)之一[45],以往研究表明，甘南草原退化自然因素不容忽視[46-47]。甘南州地處青藏高原高寒地區(qū)，地下存在常年凍土層，凍土層能夠阻止地表水下滲。而在氣候變暖之后，凍土層急劇退化，隔離地表水的能力明顯降低，使大量的地表水下滲，直接導致了濕地的干涸、萎縮和地下水位的不斷下降[33]，氣候變暖是引起植被退化、空間分布不均另一重要因素。本研究中，2000年以來甘南州草地植被惡化與降水、氣溫的關系不明顯，一方面可能與本研究所用資料時間較短，難以反映氣候變化特征，另一方面也反映了植被的變化的原因比較復雜，很難歸結為某單一氣象因子所致。草原生態(tài)環(huán)境包括各種自然要素的組合和人與自然要素構成的各種生態(tài)關系的組合,氣候變化影響一種自然要素時也必然影響另外要素或組合。不同要素對氣候變化有不同的反應,而且不同要素間也相互影響,考慮氣候變化對單個自然要素的影響,較少考慮其它自然要素以及不同要素之間影響,研究結果的誤差可能較大[45]。所以植被指數(shù)的變化可能與區(qū)域降水量、太陽輻射、草地類型及土-草-根的耦合關系有關[37]，還有待進一步研究。

本研究利用2000-2014年EOS/MODIS-NDVI及同期氣溫、降水資料、2000-2012年載畜量資料分析了甘南州植被時空變化及氣象因子、人類活動對其影響，結果表明：近15年來，甘南植被整體趨于好轉，整體穩(wěn)定性呈增加趨勢，植被空間變異主要由草地的空間變化引起，惡化植被以草地為主，主要分布在瑪曲、碌曲及迭部；載畜量逐年增加，過度放牧是引起甘南州局部植被趨于惡化、空間離散、分布不均的主要原因。減少牲畜數(shù)量，以草定畜，是減少草畜矛盾、緩解草原退化、提高甘南生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的當務之急。

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(責任編輯武艷培)

Analysis of vegetation changing trends and causes in Gannan since 2000

Liang Yun， Wang Da-wei

(Northwest Regional Climate Center, Lanzhou 730020, China)

Abstract:The normalized difference vegetation index (NDVI) can characterize the vegetation growth status. The temporal and spatial changes of Ganan vegetation and of its response to climatic factors and human activities are analyzed using EOS/MODIS NDVI data，precipitation, temperature and stock capacity data during 2000-2014.The results show that: 1) The overall stability of vegetation takes on an increasing trend in recent 15 years. The stability of forest is higher than that of grassland. The spatial variability of vegetation is mainly caused by the grassland. 2) The vegetation tends to be improved and accounting 70% of the studying area. The decreasing trend (P<0.05) happens only in a local place occupying 21% of total studying area. The decreasing is mainly owing to grassland degradation which contributes to 75% of the total degraded area. The degraded regions are primarily distributed in Maqu, Luqu and Diebu County. 3) Temperature tends to increase mainly in degraded regions (Maqu, Luqu and Diebu). The stock capacities show an extremely significant increasing trend (P<0.01) except Zhouqu County, which has a decreased trend (P<0.05). The increasing stock capacity and overgrazing are the primary reasons caused the vegetation degradation, discrete, and nonuniform distribution.

Key words:Gannan； vegetable change； EOS-MODIS NDVI

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0532

*收稿日期：2015-09-28接受日期：2016-01-31

基金項目：國家自然科學基金“半干旱區(qū)大氣邊界層湍流相干結構對地表能量平衡的貢獻”(41375019)；甘肅省氣象局科研項目“甘肅省典型區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究”

通信作者：梁蕓(1975-)，女，寧夏中寧人，高級工程師，本科，主要從事農(nóng)業(yè)氣象及遙感監(jiān)測研究。E-mail:17931390@qq.com

中圖分類號：Q948.15

文獻標志碼：A

文章編號：1001-0629(2016)6-1102-10*

Corresponding author:Liang YunE-mail:17931390@qq.com

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