青藏高原干旱荒漠地區(qū)葉面積指數(shù)時(shí)空變化及影響因素

郭玉超, 任鴻瑞

(太原理工大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)系,030024,太原)

青藏高原面積廣闊,內(nèi)部自然環(huán)境差異顯著,是地球上一個(gè)獨(dú)特的地理單元。依據(jù)水分狀況、溫度條件、地形特征、植被類型等指標(biāo),青藏高原可劃分為不同的自然地域系統(tǒng)[1]。青藏高原干旱荒漠地區(qū)位于青藏高原主體西北部,是高原重要的自然地區(qū),與高原其他地區(qū)相比,干旱荒漠地區(qū)緯度、海拔較高,氣候更為寒冷干旱,年降水量最少,年干燥度最高,荒漠廣泛分布。其生態(tài)環(huán)境極為脆弱,抗干擾能力低,植被生長易受外界條件影響[1-3]。受到以全球變暖為主要特征的氣候變化影響及來自人類放牧、建設(shè)等活動的侵?jǐn)_,該地區(qū)草地生產(chǎn)力下降、沙化土地區(qū)域擴(kuò)大等問題日益顯現(xiàn)[3]。在此條件下,迫切需要研究該地區(qū)植被覆蓋時(shí)空分布及其變化特征,并且利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測該地區(qū)植被生長狀況對于區(qū)域荒漠化防治、土地可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[3]。

目前有學(xué)者在此相關(guān)區(qū)域展開研究,楊達(dá)等[4]分析2001—2008年青藏高原不同氣候區(qū)植被生長季歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)時(shí)空變化動態(tài),結(jié)果顯示干旱氣候區(qū)植被改善情況優(yōu)于較為濕潤地區(qū)。魏彥強(qiáng)等[5]基于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在1981—2015年間,位于青藏高原干旱地區(qū)的柴達(dá)木盆地荒漠區(qū)及昆侖北翼山地荒漠區(qū)植被生長狀況趨于改善,植被帶有所增長。丁佳等[6]通過研究青藏高原1981—2015年植被變化,發(fā)現(xiàn)在高原干旱地區(qū)植被生長呈增長趨勢,大部分區(qū)域NDVI趨于改善。根據(jù)上述研究可知,當(dāng)前涉及到青藏高原干旱荒漠地區(qū)的植被生長監(jiān)測研究主要基于整個(gè)青藏高原尺度展開,缺乏區(qū)域針對性與側(cè)重性,其中植被生長指示因子多采用NDVI。NDVI能夠反映植被長勢,被廣泛用于監(jiān)測植被生長狀況,是區(qū)域植被監(jiān)測研究的常用數(shù)據(jù)來源[4-10],然而其在高植被覆蓋條件下容易發(fā)生飽和現(xiàn)象,難以反映地表植被真實(shí)狀況。葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)定義為單位地表面積上葉片總面積的一半[11],是植被非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),也是呼吸作用、光合作用、蒸騰蒸發(fā)等過程的重要參數(shù)[12],常被用于表征植被葉片的冠層結(jié)構(gòu)及疏密程度[13],同時(shí)也可反映氣候變化。與NDVI相比,LAI更有利于表征地表植被真實(shí)情況,在反映植被特征方面更具代表性,可以更好地監(jiān)測植被數(shù)量特征和結(jié)構(gòu)變化以及植被對氣候的響應(yīng)[14-15],而目前鮮有基于LAI數(shù)據(jù)并針對青藏高原干旱荒漠地區(qū)的植被生長監(jiān)測研究的報(bào)道。

為深入分析青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被生長狀況,筆者基于1981—2018年GLASS LAI數(shù)據(jù),同時(shí)輔助氣候、地形、社會等因素,采用最大值合成法、趨勢分析法、變異系數(shù)法與偏相關(guān)分析法,探討植被LAI在這38 a間空間變化特征并解譯LAI與氣候要素間相關(guān)性,同時(shí)揭示該地區(qū)水熱環(huán)境變化趨勢及經(jīng)濟(jì)、人口對該區(qū)植被覆蓋產(chǎn)生的影響,旨為了解在全球氣候變暖背景下青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被生長格局,且為區(qū)域土地治理及生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

鄭度等[1]和Zheng等[16]依據(jù)溫度、水分、地形多項(xiàng)自然地理要素將青藏高原自然地域系統(tǒng)劃分為2個(gè)溫度帶、3個(gè)干濕地區(qū),并劃分出10個(gè)自然區(qū)。筆者選取這10個(gè)自然區(qū)中處于干旱地區(qū)的自然區(qū),共包含昆侖高山高原高寒荒漠區(qū)(H1D1)、柴達(dá)木盆地荒漠區(qū)(H2D1)、昆侖山北翼山地荒漠區(qū)(H2D2)和阿里山地荒漠區(qū)(H2D3)4個(gè)自然區(qū),以青藏高原干旱荒漠地區(qū)概述,具體位置、自然分區(qū)及行政區(qū)劃如圖1所示。整個(gè)研究區(qū)地理范圍介于 E 77°～100°、N 28°～40°之間,全區(qū)海拔差異大,植被類型多為荒漠、草原、草甸,行政區(qū)域主要包括新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、青海省、甘肅省交界處地帶。其中H1D1位于高原亞寒帶,是青藏高原主體西北部地勢最高的區(qū)域,包括羌塘高原北部、喀喇昆侖山區(qū)、昆侖山南翼和可可西里山地,該區(qū)氣候寒冷干旱,主要由寬谷盆地組成。除H1D1外,其余3個(gè)荒漠區(qū)均位于溫帶。H2D1位于青藏高原北部,荒漠居多,包括柴達(dá)木盆地及阿爾金山地,全年降水稀少、晴朗干燥,是青藏高原上最干旱的地區(qū)。H2D2包括西、中昆侖山北翼及帕米爾高原東部,大體呈東西走向。H2D3地形較為復(fù)雜,寬谷、盆地與高山相間,太陽輻射強(qiáng)烈,日照時(shí)間長,區(qū)內(nèi)干旱少雨[1]。

H1D1:Kunlun high mountain and plateau alpine desert region. H2D1:Qaidam Basin desert region. H2D2:Kunlun mountain north desert region. H2D3:Ngali mountain desert region. The same below.

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的1981—2018年LAI數(shù)據(jù)來源于全球陸表特征參量(global land surface satellite,GLASS)產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)基于時(shí)間序列AVHRR地表反射率采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演得到,時(shí)間分辨率為8 d,空間分辨率為0.05°,相較于全球已有的LAI產(chǎn)品,具有精度高、空間連續(xù)性和時(shí)間完整性特點(diǎn),能夠很好地抓住植被物候變化規(guī)律[17]。氣象數(shù)據(jù)采用1981—2018年空間分辨率為1 km的中國逐月平均氣溫及逐月降水量數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集是依據(jù)CRU發(fā)布的全球0.5°氣候數(shù)據(jù)集與WorldClim發(fā)布的全球高分辨率氣候數(shù)據(jù)集,通過Delta空間降尺度方案在中國地區(qū)降尺度生成。將逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算均值得到年平均氣溫,將逐月降水量數(shù)據(jù)累加得到年降水量。LAI及氣象數(shù)據(jù)均來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥www.geodata.cn/)。

土地利用類型數(shù)據(jù)選取1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015和2018年共8期數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km,是人工通過目視解譯陸地衛(wèi)星Landsat影像生成,共含有耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)一級類型;美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測繪(shuttle radar topography mission,SRTM)數(shù)據(jù)具有現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、免費(fèi)獲取等優(yōu)點(diǎn),被全球許多應(yīng)用研究采用,本研究選取由SRTM V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣1 km后生成的DEM數(shù)據(jù);國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)數(shù)據(jù)集包括1995、2000、2005、2010、2015和2019年6期數(shù)據(jù),人口空間分布數(shù)據(jù)集包括1990、1995、2000、2005、2010、2015和2019年7期數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km,均通過在縣級統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,結(jié)合土地利用類型、夜間燈光亮度、居民點(diǎn)密度多個(gè)因素以實(shí)現(xiàn)GDP與人口數(shù)據(jù)空間化;以上數(shù)據(jù)均來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn)。統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)包含青海統(tǒng)計(jì)年鑒、新疆統(tǒng)計(jì)年鑒、西藏統(tǒng)計(jì)年鑒、甘肅發(fā)展年鑒,分別來自于青海省統(tǒng)計(jì)局、新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局、西藏自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局、甘肅省統(tǒng)計(jì)局。

2.2 分析方法

2.2.1 最大值合成法 基于1981—2018年青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI數(shù)據(jù),為反映植被年內(nèi)生長最佳狀態(tài),采用最大值合成法(maximum value composite,MVC)得到逐年LAI最大值序列數(shù)據(jù)。計(jì)算式為

Lmaxi=max(Lij)。

(1)

式中:Lmaxi為第i年LAI最大值;Lij為第i年第j天的LAI數(shù)據(jù)。

2.2.2 趨勢分析法 趨勢分析法能夠反映變量隨時(shí)間的變化趨勢,利用該法對每個(gè)LAI像元在1981—2018年間的變化斜率進(jìn)行計(jì)算,以分析青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI變化趨勢的空間特征。計(jì)算式為

(2)

式中:Slope為LAI年變化趨勢;n為年份總數(shù),n=38;i為第i年,依次取1～38;Li為第i年的LAI。若Slope>0,表明該像元在1981—2018年間LAI呈增加趨勢,若Slope<0,則表明該像元在1981—2018年間呈降低趨勢。

2.2.3 變異系數(shù)法 變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)能夠代表地理數(shù)據(jù)的相對波動程度,變異系數(shù)值越大,數(shù)據(jù)波動程度越高。本研究采用變異系數(shù)來分析青藏高原干旱荒漠地區(qū)1981—2018年間LAI變化的波動程度,計(jì)算式為

(3)

2.2.4 偏相關(guān)分析 偏相關(guān)分析可以用于衡量2個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系,當(dāng)這2個(gè)變量均與第3個(gè)變量相關(guān)時(shí),能夠剔除第3個(gè)變量的影響,只分析該2個(gè)變量間的相關(guān)程度。本研究為消除溫度與降水之間的影響,通過計(jì)算1981—2018年間青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI與溫度、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)來分析該區(qū)LAI與氣象因子之間的相關(guān)性。計(jì)算式為

(4)

式中:Rxy,z為剔除變量z后x與y之間的偏相關(guān)系數(shù);rxy、rxz和ryz分別為x與y、x與z、y與z間的Pearson相關(guān)系數(shù)。

Pearson相關(guān)系數(shù)r能夠反映2個(gè)變量之間的相關(guān)程度,計(jì)算式為

(5)

對LAI與降水、氣溫的偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn),分析其顯著性,計(jì)算式為

(6)

式中:Rxy,z為偏相關(guān)系數(shù);n為樣本數(shù);m為自變量數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 LAI時(shí)間變化

根據(jù)整個(gè)青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI時(shí)間變化趨勢可知(圖2),在1981—2018年間,LAI值整體偏低,主要位于0.12～0.24之間,其中1981年LAI值最低,2013年LAI值達(dá)到最高。植被LAI值在這38 a中增長速率為0.001 5/a,1981—2000年間LAI值在0.12～0.18間波動,2000—2018年間LAI值在0.14～0.24間波動,2000年后較2000前LAI值增加更為明顯,總體呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(P<0.05)。

圖2 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI時(shí)間變化

對青藏高原干旱荒漠地區(qū)4個(gè)自然分區(qū)的植被LAI時(shí)間變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3),所有分區(qū)植被LAI在1981—2018年間均呈現(xiàn)出增長趨勢。其中H1D1區(qū)LAI增長速率最低,僅為0.000 8/a,其余3個(gè)自然區(qū)H2D1、H2D2和H2D3的LAI增長速率較高,分別為0.002 1/a、0.002 1/a和0.001 4/a。在1981—2018年間,4個(gè)自然分區(qū)的植被LAI變化趨勢呈現(xiàn)出相似性,且與干旱荒漠地區(qū)全區(qū)變化具有一致性。其中H1D1、H2D1和H2D2自然分區(qū)植被LAI均表現(xiàn)出顯著的增加趨勢(P<0.05),而H2D3區(qū)與其他分區(qū)有所差異,其植被LAI增加趨勢并不顯著(P>0.05)。

圖3 青藏高原干旱荒漠地區(qū)不同自然分區(qū)LAI時(shí)間變化

3.2 LAI空間分布及變化

3.2.1 LAI空間分布特征 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI空間分布、變化斜率和變異系數(shù)空間分布結(jié)果分別如圖4a、圖4b和圖4c所示。逐像元統(tǒng)計(jì)青藏高原干旱荒漠地區(qū)1981—2018年間LAI均值空間分布結(jié)果(圖4a),總體來看,全區(qū)植被LAI偏低,大部分區(qū)域LAI位于0～0.9之間(99.39%)。LAI<0.3的區(qū)域面積為65萬7 738 km2,占整個(gè)干旱地區(qū)面積的86.91%,在各個(gè)分區(qū)均有分布且占據(jù)面積最廣。LAI>0.3的區(qū)域面積為9萬9 034 km2,占總面積的13.09%,主要位于H2D1區(qū)東側(cè)都蘭縣與烏蘭縣、北部酒泉市及西南部格爾木市,H2D2區(qū)西北部阿克陶縣、和田地區(qū)皮山縣及和田縣、喀什地區(qū)葉城縣,以及相間分布于H2D3區(qū)日土縣、杞達(dá)縣等阿里地區(qū)西部區(qū)域。上述LAI>0.3分布的區(qū)域中:都蘭縣、烏蘭縣和酒泉市位于柴達(dá)木盆地東部,該地區(qū)受夏季風(fēng)影響,氣候較為濕潤;和田地區(qū)、喀什地區(qū)處于昆侖山北翼地帶,此地帶部分屬于向暖溫帶荒漠帶過渡區(qū)域,其海拔較低,氣溫稍高,給植被生長提供了較好的水熱環(huán)境。

圖4 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI空間分布

青藏高原干旱荒漠地區(qū)地勢差異較大,最低海拔為1 555 m,最高海拔達(dá)7 473 m。該地區(qū)地形以中高海拔為主,其中高海拔區(qū)(>4 000 m)比例65%,主要包括H1D1和H2D3這2個(gè)分區(qū);中海拔區(qū)(3 000～4 000 m)比例為21%,主要包含位于昆侖山北翼地區(qū)的克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)及和田縣和皮山縣地區(qū);低海拔區(qū)(<3 000 m)比例最低,僅為14%,主要位于H2D1區(qū)柴達(dá)木盆地。不同海拔區(qū)間植被LAI存在差異,為進(jìn)一步探究研究區(qū)植被LAI分布的地形差異,將海拔分為6個(gè)區(qū)間:≤2 000、>2 000～3 000、>3 000～4 000、>4 000～5 000、>5 000～6 000和>6 000 m。根據(jù)圖5可知,在≤2 000至>2 000～3 000 m區(qū)間植被LAI從0.47迅速下降到0.13,在3 000 m以上LAI值則隨海拔升高逐漸由0.18降至0.13。整體來看,青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI隨海拔升高具體表現(xiàn)出迅速下降—增加—緩慢下降的特征。

圖5 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI隨海拔變化特征

根據(jù)1981—2018年青藏高原干旱荒漠地區(qū)不同海拔區(qū)間LAI變化結(jié)果可知(圖6)可知,≤2 000 m時(shí)植被LAI以0.000 8/a的速率下降且變化趨勢不顯著(P>0.05),>2 000 m則均呈顯著增加趨勢(P<0.05)。植被LAI增長速率在>2 000～3 000、>3 000～4 000、>4 000～5 000、>5 000～6 000和>6 000 m海拔區(qū)間分別為0.18%/a、0.08%/a、0.15%/a、0.18%/a和0.12%/a,其中>2 000～3 000和>5 000～6 000 m海拔區(qū)間植被LAI增長速率相對于其他海拔區(qū)間更為顯著。

圖6 青藏高原干旱荒漠地區(qū)不同海拔區(qū)間LAI變化

3.2.2 LAI空間變化趨勢 根據(jù)像元尺度的趨勢變化計(jì)算結(jié)果(圖4b),分析青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI在空間上隨時(shí)間的變化趨勢。在1981—2018年間,整個(gè)研究區(qū)大部分區(qū)域植被LAI趨于好轉(zhuǎn),變化斜率多處于-0.005～0.005之間,呈降低趨勢的區(qū)域比例35.15%,呈增加趨勢的區(qū)域比例64.85%。對不同自然分區(qū)植被LAI像元的變化斜率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得:H1D1區(qū)LAI呈增加趨勢區(qū)域比例64.81%,減少趨勢區(qū)域比例35.19%,增加區(qū)域主要分布于阿里地區(qū)改則縣、那曲地區(qū)雙湖縣等寒旱核心區(qū)及其周邊地帶。其生態(tài)環(huán)境極為脆弱,易受外界因素影響,可能由于氣候變暖等因素導(dǎo)致植被生長狀況有所好轉(zhuǎn)。H2D1區(qū)LAI變化趨勢表現(xiàn)出明顯的東西差異,該區(qū)呈增加趨勢區(qū)域比例64.49%,主要集中在該區(qū)東部,35.51%的區(qū)域呈現(xiàn)出減少趨勢,主要位于該區(qū)西部柴達(dá)木盆地。H2D2區(qū)中LAI呈增加趨勢區(qū)域比例67.62%,主要集中分布在該區(qū)西北部昆侖山北翼喀什、和田等地區(qū)。這些地區(qū)冰川分布較廣,推測氣溫升高使冰川融化導(dǎo)致水資源增加,在一定程度上改善植被生長環(huán)境。H2D3區(qū)植被LAI呈增長、減少趨勢的區(qū)域相間分布,與該區(qū)復(fù)雜的地形分布呈現(xiàn)出一定相似性,其中60.03%的區(qū)域呈增加趨勢,39.97%的區(qū)域呈減少趨勢?？傮w而言,在1981—2018年間,青藏高原干旱荒漠地區(qū)大部分區(qū)域植被LAI呈增長趨勢。

逐像元計(jì)算1981—2018年植被LAI變異系數(shù)以分析研究區(qū)LAI變化波動程度(圖4c),結(jié)果顯示青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI變異系數(shù)位于0.20～6.17之間,全區(qū)平均變異系數(shù)為0.87。參照皇彥等[18]研究將變異系數(shù)分為 ≤0.5、>0.5～1.0、>1.0～1.5、>1.5～2.0和>2.0共5個(gè)等級,對應(yīng)區(qū)域面積比例分別是12.75%、58.82%、19.72%、6.38%和2.33%。整體來看,研究區(qū)植被LAI變化波動程度高,植被生長穩(wěn)定性差。從空間分布上看,變異系數(shù)>1.0的區(qū)域主要位于:H1D1與H2D2區(qū)西北部克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣、喀什地區(qū)葉城縣及塔什庫爾干縣、和田地區(qū),H2D1區(qū)西北部海西蒙古族藏族自治區(qū)茫崖市,H2D3區(qū)阿里地區(qū)日土縣。這些地區(qū)植被生長十分不穩(wěn)定,在這期間年際波動極大。

通過統(tǒng)計(jì)不同海拔區(qū)間植被LAI變異系數(shù)(圖7),發(fā)現(xiàn)LAI在4 000 m以下時(shí)隨海拔升高波動程度逐漸降低,在4 000 m以上則隨海拔升高波動程度逐漸增加,大致呈現(xiàn)出兩頭高中間低的“凹槽形”特征,表明植被LAI在低海拔與高海拔時(shí)變化波動程度較大。低海拔區(qū)適宜人類居住,人類放牧、建設(shè)等活動會對局部植被生長產(chǎn)生影響,高海拔區(qū)人口密度低,植被生長易受氣溫等自然條件影響,使海拔偏低或偏高時(shí)植被生長易不穩(wěn)定。

圖7 青藏高原干旱荒漠地區(qū)不同海拔區(qū)間LAI變異系數(shù)

3.3 LAI變化與氣象因素相關(guān)分析

根據(jù)青藏高原干旱荒漠地區(qū)這38 a間年均氣溫與年降水量的時(shí)間變化(圖8)可知,1981—2018年間研究區(qū)氣溫呈上升趨勢,體現(xiàn)以氣候變暖為標(biāo)志的全球環(huán)境變化影響。年降水量在1981—2018年間大致以2001年為趨勢轉(zhuǎn)點(diǎn),在2001年前呈降低趨勢,在2001年后呈增加趨勢。年均氣溫處于-5.5～-3.0 ℃之間,1983年年均氣溫最低,2016年年均氣溫最高,增長速率為0.034 7/a,呈顯著上升趨勢(P<0.05)。年降水量處于80～145 mm之間,1989年降水量最高,2001年降水量最低,以0.023 0/a的速率下降且變化趨勢不顯著(P>0.05)。

圖8 青藏高原干旱荒漠地區(qū)氣溫、降水變化趨勢

對青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI和降水、氣溫之間關(guān)系進(jìn)行偏相關(guān)分析,并對偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn),根據(jù)顯著性(P<0.05)檢驗(yàn)結(jié)果,將相關(guān)性劃分為4個(gè)等級:顯著正相關(guān)(P<0.05,R>0)、顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05,R<0)、不顯著正相關(guān)(P>0.05,R>0)、不顯著負(fù)相關(guān)(P>0.05,R<0)。

根據(jù)偏相關(guān)分析與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知(圖9～12):植被LAI與氣溫偏相關(guān)系數(shù)介于-0.66～0.75之間,平均偏相關(guān)系數(shù)為0.07;呈正相關(guān)的區(qū)域面積比例63.93%,其中不顯著正相關(guān)面積比例52.37%,顯著正相關(guān)面積比例11.56%。LAI與氣溫呈顯著正相關(guān)的區(qū)域大體位于整個(gè)研究區(qū)南部,主要分布在H2D2區(qū)東南部若羌縣、格爾木市地帶,H1D1區(qū)阿里地區(qū)改則縣、那曲地區(qū)雙湖縣等高寒荒漠地帶寒旱核心區(qū)以及H2D1區(qū)柴達(dá)木盆地周邊的格爾木市、都蘭縣、德令哈市等地;呈負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在H2D1區(qū)包含茫崖市、海西蒙古族藏族自治州直轄等行政區(qū)的柴達(dá)木盆地以及H2D3區(qū)杞達(dá)縣、日土縣等地區(qū)。植被LAI與降水量偏相關(guān)系數(shù)介于-0.59～0.71之間,平均偏相關(guān)系數(shù)為0.02;呈正相關(guān)區(qū)域面積比例52.72%,其中呈顯著正相關(guān)區(qū)域僅比例4.45%,主要分布在H2D1區(qū)都蘭縣、烏蘭縣等柴達(dá)木盆地東部區(qū)域;呈不顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域面積比例47.28%,主要分布于H2D1區(qū)西部與H1D1區(qū)。結(jié)合研究區(qū)植被LAI變化趨勢可知,青藏高原干旱荒漠地區(qū)氣溫、降水量與植被LAI關(guān)系密切,氣溫、降水量有助于研究區(qū)植被LAI的增長,對大部分植被生長起到促進(jìn)作用,且氣溫相對于降水量與該區(qū)植被LAI關(guān)系更為緊密、影響更為顯著。

圖9 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)

圖10 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI與降水量的偏相關(guān)系數(shù)

圖11 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI與氣溫偏相關(guān)性顯著性檢驗(yàn)

圖12 青藏高原干旱荒漠地區(qū)LAI與降水量偏相關(guān)性顯著性檢驗(yàn)

4 討論

根據(jù)周寧芳等[19]、朱伊等[20]、許建偉等[21]和冀欽等[22]對青藏高原地區(qū)氣候研究可得,在過去幾十年中,青藏高原氣溫、降水量都趨于增長。本研究通過分析氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在1981—2018年間,青藏高原干旱荒漠地區(qū)年均氣溫呈顯著增加趨勢,年降水量雖呈降低趨勢但其變化趨勢不顯著且其在2001年后趨于增長,這與青藏高原整體氣候變化趨勢在一定程度上具有一致性。青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI大部分區(qū)域呈增長趨勢,通過與氣候因素分析,發(fā)現(xiàn)LAI與氣溫的關(guān)系相較于降水有著更為緊密的聯(lián)系,這與以往樊啟順等[23]、孟夢等[24]和韓炳宏等[25]的研究結(jié)果具有相似性。這意味在全球氣候變暖背景下,青藏高原氣候向暖濕化轉(zhuǎn)變,其干旱荒漠地區(qū)植被覆蓋對氣溫響應(yīng)相對于降水更為敏感。

柴達(dá)木盆地荒漠區(qū)降水量自東向西遞減,東部氣候較西部更為濕潤。根據(jù)本研究可知該區(qū)東部多受到氣溫、降水正面影響,使東部植被LAI多表現(xiàn)為增長趨勢,較西部植被生長狀況更佳。柴達(dá)木盆地降水量少、蒸發(fā)量大,水資源在該地區(qū)的收入遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支出。由于氣候變暖,在一定程度上加重了旱情,河流水量有所減少,湖泊面積有所縮小,加速了柴達(dá)木盆地沙漠化擴(kuò)張及植被退化[26],使得該盆地大部分植被LAI趨于減少。全球氣候變暖使得青藏高原升溫,從而引起帕米爾高原及昆侖山脈附近的冰川消融[27],這對昆侖高山高原高寒荒漠區(qū)、昆侖山北翼山地荒漠區(qū)草地等低植被覆蓋類型起到正面作用[28]。

根據(jù)陳舒婷等[29]研究,在青藏高原干旱地區(qū),人類活動相對于氣候?qū)χ脖挥绊戄^小,但也會對植被覆蓋產(chǎn)生影響。土地利用類型及其轉(zhuǎn)變能夠體現(xiàn)人類活動對植被覆蓋的影響,其中影響土地利用類型的因素主要有區(qū)域人口因子、社會經(jīng)濟(jì)因子等。為揭示人類活動對青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被覆蓋的影響,采用GDP及人口數(shù)據(jù)對研究區(qū)植被生長變化進(jìn)行分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)可知,從1980年至2018年青藏高原干旱荒漠地區(qū)所處的新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、青海省及甘肅省的GDP和人口數(shù)據(jù)均為增長走向,其中1980—1990年位于改革開放初期,此時(shí)西部城鎮(zhèn)發(fā)展開始復(fù)蘇,經(jīng)濟(jì)建設(shè)開始推進(jìn),整體發(fā)展水平低,而2000年國家西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,更是對青藏高原工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、旅游業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)發(fā)展起到重要推動作用。結(jié)合圖13可知,從1990—2019年,研究區(qū)內(nèi)人口從82.11萬人增加到129.99萬,GDP從1995年的34億元增加到2019年的617億元,表明青藏高原干旱荒漠地區(qū)GDP及POP數(shù)值隨時(shí)間推移呈增加趨勢,且主要受柴達(dá)木盆地荒漠區(qū)(H2D1)與昆侖山北翼山地荒漠區(qū)(H2D2)兩地影響。近幾十年來,柴達(dá)木盆地經(jīng)濟(jì)水平呈上升趨勢,尤其是2005年建設(shè)的國家級柴達(dá)木循環(huán)經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)對該地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供顯著支持[30],喀什地區(qū)、和田地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州均參與中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè),此舉促進(jìn)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)運(yùn)行,拉動地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[31],經(jīng)濟(jì)建設(shè)在一定程度上影響這些地區(qū)植被LAI變化及其波動程度。

圖13 青藏高原干旱荒漠地區(qū)GDP及POP變化

根據(jù)多時(shí)期土地利用類型面積變化(表1)可知,青藏高原干旱荒漠地區(qū)草地與未利用土地面積最大,占全區(qū)土地面積的90%以上。整體來看,在1980—1990、1990—1995、1995—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015和2015—2018年7個(gè)時(shí)間段中,耕地除1990—1995年間面積有所減少外,在其他6個(gè)時(shí)間段內(nèi)多為增加。林地在2015年前大多時(shí)間段內(nèi)呈減少趨勢,而在2015—2018年期間大幅上升。草地則在1980—1990年期間增長1 219 km2,隨后一直處于減少趨勢。水域面積變化以2000年為轉(zhuǎn)點(diǎn),在2000年前呈減少趨勢,在2000年后呈增加趨勢。建設(shè)用地在2015年前多為擴(kuò)張態(tài)勢,在2015年后有較大規(guī)?？s減。未利用土地隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出緩慢增加—減少—迅速增加的變化趨勢。結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)可以得到,在1980—2018年期間,除草地呈減少趨勢外,耕地、林地、水域、建設(shè)用地及未利用土地均呈增加趨勢。其中草地減少4萬5 822 km2,主要轉(zhuǎn)化為水域、未利用土地;耕地增加290 km2,主要由草地轉(zhuǎn)入;林地、水域、建設(shè)用地分別增加6 873、645和225 km2,主要由草地、未利用土地轉(zhuǎn)入;未利用土地增加3萬7 789 km2,主要由水域及草地轉(zhuǎn)入。青藏高原干旱荒漠地區(qū)人口膨脹以及社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)繁榮的同時(shí)也加速了城鎮(zhèn)化。然而人民經(jīng)濟(jì)水平提高的同時(shí),也帶來不可忽視的生態(tài)環(huán)境問題,人類開墾、占用及濫用大片草地,過度放牧等活動造成草地退化,使土地沙漠化問題突出。隨著林業(yè)生態(tài)建設(shè)、造林綠化等工程的實(shí)施,青藏高原地區(qū)的森林資源得以有效增長。這表明發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)需要合理開發(fā)和利用資源,并且須要繼續(xù)加強(qiáng)植被生態(tài)保護(hù)措施,以維護(hù)干旱荒漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境。干旱地區(qū)植被生長變化影響因素來源較多,在后續(xù)研究中可添加更多氣候、社會等方面的因子,以分析其他因素如何對植被生長產(chǎn)生影響及驅(qū)動。

表1 青藏高原干旱荒漠地區(qū)1980—2018年多時(shí)期不同土地利用類型變化

5 結(jié)論

1)1981—2018年間,青藏高原干旱荒漠地區(qū)年均LAI值在1.9以下,這是由于研究區(qū)本身荒漠范圍廣,再加上氣候寒冷干旱,植被生長環(huán)境較為嚴(yán)峻,故植被LAI值分布較低。研究區(qū)4個(gè)自然分區(qū)中,植被LAI分布從高到低依次為H2D3、H2D2、H2D1和H1D1。在這38 a間,青藏高原干旱荒漠地區(qū)植被LAI整體呈顯著增加趨勢(P<0.05),其中H2D3區(qū)LAI增加趨勢并不顯著(P>0.05),其余H1D1、H2D1、H2D2分區(qū)LAI均呈顯著增加趨勢(P<0.05)。在空間分布上,研究區(qū)植被LAI呈增加趨勢的區(qū)域面積比例64.85%,大部分地區(qū)植被狀況有所好轉(zhuǎn)。

2)青藏高原干旱荒漠地區(qū)地形差異較大,不同海拔區(qū)間內(nèi)植被LAI變化與波動程度具有空間分異性。隨海拔升高,LAI值具體表現(xiàn)出迅速下降—增加—緩慢下降的特征。1981—2018年間,植被LAI在2 000 m以上各海拔區(qū)間均呈顯著增加趨勢(P<0.05),而在2 000 m以下時(shí)呈降低趨勢且變化不顯著(P>0.05)。在2 000 m以下或6 000 m以上植被LAI變化波動程度相對于其他海拔區(qū)間更大,變異系數(shù)以4 000 m為分界點(diǎn)大致呈現(xiàn)出兩頭高中間低的“凹槽形”特征。

3)1981—2018年間,青藏高原干旱荒漠地區(qū)年均氣溫顯著上升,年降水量在2001年前呈降低趨勢而在2001年后呈增加趨勢,表明隨時(shí)間推移該地區(qū)氣候逐漸向暖濕化方向轉(zhuǎn)變。相對于降水,植被LAI與氣溫具有更強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,且氣溫、降水有助于該區(qū)植被生長,給植被生長帶來積極影響。除水熱影響外,人類活動對該區(qū)植被覆蓋也有一定影響,體現(xiàn)在土地利用類型及轉(zhuǎn)變上,主要表現(xiàn)為草地縮減、未利用土地增加的特征,對植被生長產(chǎn)生不利作用。