基于遙感植被指數(shù)的青海高原植被覆蓋對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系分析

趙健赟，丁圓圓，杜 梅，繆曉星，楊 靜

[1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3.青海省水土保持中心，青海 西寧 810016； 4.剛察縣氣象站，青海 剛察 812300]

20世紀(jì)80年代至今，地球表面的平均溫度上升了0.85 ℃，且中國地表溫度上升速度高于全球平均水平。在全球氣候變化背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)也受其影響。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是地氣能量傳輸和平衡的關(guān)鍵紐帶，也是影響水土流失的重要環(huán)境因素，具有防止水土流失、減緩地表徑流等生態(tài)功能，在全球氣候與環(huán)境變化研究中占有重要地位，其變化及對氣候的響應(yīng)機(jī)制是全球與區(qū)域變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一[1-4]。

氣候變化對植被的生長有較大影響，歸一化植被指數(shù)(NDVI)是表征植被生長密度及其長勢的重要參數(shù)，且與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等植被參數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系[5]。很多學(xué)者利用NDVI研究了全球或區(qū)域尺度上的植被覆蓋變化及其對氣候的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋對降雨量的依賴性較強(qiáng)；也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)植被生長的主要控制因素是溫度、人類活動等，或者受溫度和降雨兩種氣候因子的共同控制，且各種因素對植被的影響均具有一定的時滯效應(yīng)[6-8]。青海高原地區(qū)的各種生態(tài)系統(tǒng)敏感脆弱，大部分植被位于高寒地區(qū)，氣候變化差異性較大，為明確高原地區(qū)植被覆蓋變化的氣候驅(qū)動機(jī)制，我們利用研究區(qū)1982—2015年的氣溫、降水量、風(fēng)速、日照等氣候因子數(shù)據(jù)和遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)，研究了植被覆蓋對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青海高原地處青藏高原東北部，位于89°35′～103°04′E、31°39′～39°19′N，東西長約1 200 km，南北寬約800 km，平均海拔在3 000 m以上。受青藏高原、大氣環(huán)流及地形地勢等多種因素的影響，氣候類型為高原大陸性氣候，南北部地區(qū)年平均氣溫在0 ℃以下，中部地區(qū)在0～8 ℃間，晝夜溫差較大，春季氣溫上升迅速，秋季降溫劇烈，夏季溫涼，冬季較為寒冷，平均溫度7月份最高，1月份最低；年均降水量200～500 mm，主要集中在6—9月份，總體降水量偏少且分布不均勻，由東南向西北遞減；大部分地區(qū)的年蒸發(fā)量高于年降水量，海拔高降水多的地區(qū)年蒸發(fā)量較小，而海拔較低降水少的地區(qū)年蒸發(fā)量大；年日照時數(shù)2 328～3 575 h，太陽總輻射量約6×105J/cm2。研究區(qū)土地資源類型多樣，土地分布具有顯著的高原地帶性，植被主要有針葉林、闊葉林、灌叢、草原、草甸、高山植被和栽培植被等。研究區(qū)地理位置及植被分布見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置及植被空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

1982—2015年的降水量、氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)。

植被指數(shù)數(shù)據(jù)采用AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)傳感器的GIMMS(Global Inventory Modeling and Mapping Studies)第三代NDVI3g數(shù)據(jù)集。NDVI3g數(shù)據(jù)集分別融合了AVHRR/2和AVHRR/3兩種不同傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行了軌道偏移、大氣水汽、輻射、氣溶膠、除云、幾何畸變等校正與處理。NDVI3g數(shù)據(jù)的空間分辨率約為8 km，時間分辨率為15 d，時間長度為1981年7月到2015年12月。

青海高原邊界數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。利用邊界數(shù)據(jù)對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切和投影，獲得研究區(qū)GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)均使用Albers Conical Equal Area投影。

2 研究方法

采用Slope值進(jìn)行氣象因子變化分析，該指標(biāo)是各因子變化回歸方程的斜率[9]，計算方法為

(1)

式中：Slopek為第k像元的Slope值；n為統(tǒng)計年數(shù)；xi為第k像元第i年份對應(yīng)的氣象因子數(shù)值。

基于GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集，計算第i年第k個像元的NDVI均值，即

(2)

(3)

為獲得各氣象因子與NDVI的相關(guān)性特征，計算相關(guān)系數(shù)r，計算式為

(4)

3 結(jié)果與分析

選用研究區(qū)30個氣象站點(diǎn)1982—2015年獲得的月尺度日照時數(shù)、平均風(fēng)速、降水量、平均氣溫等氣象數(shù)據(jù)，計算各因子的逐年平均值，并利用式(1)計算各氣象站點(diǎn)1982—2015年的氣象因子變化斜率，結(jié)果見表1。

表1 各站點(diǎn)1982—2015年氣象因子變化斜率統(tǒng)計

由表1可以看出，研究區(qū)東南部河南站、久治站的日照時數(shù)有明顯增加，其余大部分站點(diǎn)的日照時數(shù)存在減少趨勢；各氣象站點(diǎn)的平均風(fēng)速變化不大，但大多數(shù)有風(fēng)速減小趨勢；降水量大多站點(diǎn)都為增加趨勢，尤其是西南部的沱沱河、五道梁等地區(qū)；平均氣溫除西寧外，其余各地均為增高趨勢。

基于AVHRR GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集，利用式(2)和式(3)計算研究區(qū)1982—2015年逐年平均NDVI值，再利用從各氣象站點(diǎn)獲得的逐年日照時數(shù)、平均風(fēng)速、降水量、平均氣溫數(shù)據(jù)，即可獲得各氣象因子與NDVI變化的關(guān)系，見圖2。

圖2 1982—2015年研究區(qū)氣象因子與NDVI的逐年變化關(guān)系

由圖2可以看出，年均NDVI值有明顯的上升趨勢，即研究區(qū)1982—2015年植被覆蓋度有較大的提高。NDVI變化與日照時數(shù)、風(fēng)速、降水量和氣溫均有一定的相關(guān)性，為進(jìn)一步掌握NDVI變化與各氣象因子的相關(guān)程度，根據(jù)式(4)計算出了它們的相關(guān)系數(shù)(表2)，并繪出了NDVI與平均風(fēng)速、平均氣溫的相關(guān)性散點(diǎn)圖(圖3)。

表2 NDVI與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)

由圖3、表2可以看出，研究區(qū)NDVI變化與平均氣溫、平均風(fēng)速在0.01置信水平下顯著相關(guān)，且與平均氣溫變化呈正相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 NDVI與平均風(fēng)速、平均氣溫的相關(guān)性散點(diǎn)圖

4 討論與結(jié)論

氣候變暖有利于青海高原地區(qū)的植被生長，因?yàn)楦邷赜兄诰徑獾蜏孛{迫，而低溫脅迫又是制約該地區(qū)高寒植被生長和分布的主要環(huán)境因素之一[10-12]。氣候變暖為高海拔地區(qū)的植物生長創(chuàng)造了適宜的溫度條件，這與本研究獲得的植被覆蓋變化與氣溫變化顯著相關(guān)的結(jié)論一致。另外，平均風(fēng)速的降低不僅可以減少水土流失，對植被的生存和生長也會有積極的促進(jìn)作用，這對區(qū)域環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

研究區(qū)NDVI值在1982—2015年間有明顯的上升趨勢，表明植被覆蓋度有較大的提高。氣候因子中，日照時數(shù)除東南部黃河源地區(qū)有明顯增加外，其余大部分地區(qū)有減少趨勢；平均風(fēng)速大多數(shù)地區(qū)有減小趨勢；降水量多為增加趨勢；平均氣溫除西寧外，其余地區(qū)均為增高趨勢。青海高原地區(qū)的氣溫升高、風(fēng)速降低、降水量增加是植被覆蓋改善的主要?dú)夂蝌?qū)動因素，且與氣溫升高、風(fēng)速降低有顯著的相關(guān)關(guān)系。