玛曲草原植被NDVI与气候和载畜量变化的关系分析

花立民

（甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州730070）

气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈是当前全球变化的主要研究内容，而植被作为地表状况的重要表征，是陆地生态系统的核心部分［1－6］。归一化植被指数（normal difference vegetation index，NDVI）是目前最为广泛应用的表征植被状况的指数，它是遥感影像的近红外波段和红外波段的比值参数［7］，它与植被覆盖度、生物量、叶面积指数及净初级生产力密切相关，能在大、中时空尺度上客观反映植被覆盖信息，是植被生长状态及空间分布密度的良好指示因子［8］。因此，NDVI是全球植被研究中极有价值的重要数据源，在大、中尺度区域植被动态变化研究中具有重要优势。

近年来，植被NDVI与气候因子（气温和降水等）的关系在全球变化研究中占有重要地位，已成为全球气候变化的主要研究焦点［1－3，7，8］。青藏高原由于其特殊的自然地理环境，该区域植被和气候变化的关系倍受关注［2，8－12］。陈琼等［2］和李辉霞等［8］分析了三江源区植被 NDVI对气候因子和人类活动的响应，付新峰等［3］研究了雅鲁藏布江流域NDVI时空分布及与站点气候因子的关系，袁雷等［10］研究了西藏怒江河谷流域NDVI变化与主要气候因子的关系，毛飞等［11］对近20年藏北地区AVHRR NDVI与气候因子的关系进行了分析，赵玉萍等［12］分析了藏北地区草地生态系统NDVI与8个气象站1981－2003年气候因子的相关性。这些研究认为，温度与植被NDVI一般呈正相关，而降水与NDVI的关系因研究区不同而出现正相关、负相关和相关性不显著3种情况，且植被对气候变化具有累加或时滞效应。

玛曲草原作为青藏高原高寒生态系统的重要组分，是黄河上游地区重要水源涵养区和生态屏障［9］，也是甘肃省主要畜牧业生产基地［13］。但在全球气候变暖和人类活动综合影响下，玛曲草原退化严重，严重影响当地生态平衡。目前，仅有少数学者对玛曲地区的气候变化进行分析［14，15］，虽然陈世强等［9］对其植被NDVI与气候因子关系进行了研究，但由于玛曲植被由典型草甸、高寒草甸、沼泽化草甸和盐生草甸组成，以藏系家畜放牧利用为主，而人类活动（以家畜放牧干扰为主）对玛曲植被的影响不容忽视［8］；同时，以往研究中玛曲植被NDVI对气候因素的时滞响应缺乏系统分析。本研究在综合考虑气候因素和放牧干扰的基础上，利用玛曲县长时间序列的NDVI与气候因子（热量和水分）及载畜量数据，对其年度动态变化和相互关系以及气温和降水的时滞效应进行系统分析，为玛曲高寒草地生态系统的维系和青藏高原脆弱生态区的环境保护提供理论实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘南藏族自治州的玛曲草原位于甘肃省西南部的甘、青、川三省交界处，属青藏高原东端，地理坐标东经100°45′～102°29′，北纬33°06′～34°30′。东北以西倾山为界与碌曲县接壤，东南与四川省若尔盖县、阿坝县相邻，西南、西北分别与青海省久治县、甘德县、玛沁县相连，北邻青海省河南县。县内天然草地面积91.06万hm2，占其国土总面积的89.4%，是一个以天然草原植被为主的典型青藏高原牧区。主要草地类型为高寒草甸。平均海拔3 300m，气候以高寒湿润为主要特征，无绝对无霜期，年均温1.2℃，平均风速2.5m／s，最大风速36m／s，全年大风日77.1d，年降水量615.5mm，年蒸发量1 353.4mm，年均日照2 583.9h［13］。

1.2 数据来源

NDVI数据：为 GIMMS（global inventory monitoring and modeling studies）研究组提供的1982－2005年每旬NDVI数据。时间分辨率为15d，空间分辨率为8km×8km。该数据集的处理过程包括校正遥感器的改变、遥感器灵敏度随时间变化、卫星轨道的漂移和太阳高度角等对数据质量的影响。为消除Elchichon和Pinatubo火山爆发导致的大气气溶胶对数据质量的影响，对1982年4月－1984年2月和1991年6月－1993年12月的数据进行校正［10－15］。年度植被NDVI为其各月的均值，各月NDVI数据分春（3－5月）、夏（6－8月）、秋（9－11月）和冬（12－翌年2月）4季分别进行分析。

气象数据：1982－2005年的月均和年均气温、≥0℃年积温、月降水和年降水资料由玛曲县气象局提供。

家畜数据：1982－2005年玛曲县的家畜数据来自《甘肃农村年鉴》［16］和《甘肃畜牧业五十年》［17］。

利用ENVI图像处理软件，对1981－2005年8km的NASS／GIMISS半月合成的NDVI数据进行处理，包括图像格式转换、投影、裁剪、波段叠合等。在地理信息软件ARC／GIS支持下，提取研究区的行政边界、土地利用图，并投影到与研究区遥感图像NDVI一致的坐标参数下。使用PCI软件按照行政区域、土地利用类型等提取24年各月植被指数过程曲线。

1.3 数据分析

运用SPSS软件，对1982－2005年玛曲草原NDVI与同期气候数据（气温、降水和≥0℃年积温）和家畜数量进行线形动态拟合和相关性分析；用各指标的变异系数（CV）反映植被NDVI、气候以及家畜数量年间均值变化的相对变异程度［18］。

生长季内和生长季间玛曲草原植被NDVI与气候因子时滞分析，用李霞等［19］描述的方法，计算生长季内（4－9月）（或生长季间）植被的NDVI序列与同期（0）及前期（前1～6个月，分别为1，2，3，4，5和6月）气温或降水序列之间的相关系数，按4个时间尺度（1～4个月）和4个时滞期（无时滞期0个月、1个月、2个月和3个月），将气温和降水数据进行16种组合（表1），以探讨植被NDVI对气候因素（气温和降水）的时滞响应特性。

表1 气温和降水的组合方式（4个时间尺度×4个时滞期）Table 1 The combinations of temperature and precipitation（4time durations×4time lags）

2 结果与分析

2.1 玛曲草原NDVI变化

玛曲草原不同季节NDVI的年际变化为，春季（3－5月）和夏季（6－8月）的NDVI呈明显增加变化，通过显著（P＜0.05）和极显著性（P＜0.01）水平检验，其NDVI分别增加0.019／10a和0.022／10a；秋季（9－11月）和冬季（12－2月）的NDVI虽呈增加变化，但未通过显著性（P＞0.05）水平检验，其NDVI增幅为0.009 1／10a和0.009 0／10a（图1）。24年间，春季、夏季、秋季和冬季的 NDVI变化范围为0.197 7～0.316 5，0.607 4～0.707 7，0.377 3～0.485 4和0.161 6～0.231 4，平均为0.260 6±0.028 9，0.659 0±0.027 7，0.447 2±0.024 9和0.202 4±0.018 9，夏季为春季、秋季和冬季的2.5，1.5和3.3倍；各季 NDVI的年间变异程度较小，为4.1%～11.1%。

图1 1982－2005年玛曲草原植被NDVI季节变化Fig.1 Seasonal variation of grassland vegetation NDVI in Maqu County from 1982to 2005

图2 1982－2005年玛曲草原植被全年各月NDVI均值的年际变化Fig.2 Annual variation of average monthly grassland vegetation NDVI in Maqu County from 1982to 2005

全年各月NDVI均值的年际变化与春季和夏季的年际变化类似，呈极显著（P＜0.001）增加，增幅为0.015／10a；1993年之前为负距平，之后为正距平（图2）。其5年NDVI的滑动平均值变幅小、周期长。24年间NDVI变化范围为0.359 9～0.412 9，平均为0.392 3±0.014 5，于1982和2005年出现NDVI低峰和高峰值；其年度变化的变异强度小，为3.7%。这说明，全年各月NDVI均值的较大年际变幅主要由春季和夏季的差异引起。

2.2 玛曲草原气候因子和载畜量变化

图3 1982－2005年玛曲草原气温和降水量季节变化Fig.3 Seasonal variation of temperature and precipitation in Maqu from 1982to 2005

春季、夏季、秋季和冬季气温年际变化均呈明显增加趋势，并通过显著（P＜0.05）和极显著性（P＜0.01）水平检验，10a增幅分别为0.6，0.6，0.5和0.7℃；虽然春季、夏季和秋季的降水量分别呈一定程度增加、增加和下降变化，但均未通过显著性（P＞0.05）水平检验，其变幅分别为2.0，6.4和3.1mm／10a（图3）。24年间，春季、夏季、秋季和冬季的气温和降水分别为0.23～3.67℃和24.7～56.7mm、9.23～11.03℃和78.7～154.8mm、0.80～3.33℃和22.8～70.0mm、－10.27～－6.30℃和1.4～8.2mm，平均为（2.03±0.81）℃和（37.4±8.0）mm、（10.27±0.53）℃和（109.1±21.6）mm、（1.95±0.67）℃和（43.9±12.4）mm、（－7.71±1.09）℃和（4.2±2.0）mm；夏季气温变异强度小，为5.1%，春季、秋季和冬季气温变异强度大，为39.9%，34.4%和14.1%，各季降水年际变化的变异强度均较高，为19.8%～47.6%。可见，植物生长季6－8月气温的年际变化稳定，而春秋季气温及各季节降水的年际变化不稳定。

年均气温、≥0℃年积温和年总降水量的年际变化与各季节气候的年际变化类似，即气温和年积温总体呈极显著上升趋势（P＜0.001），年降水量年际变化小（P＞0.05），变幅为0.6℃／10a和1 215℃／10a与13mm／10a（图4）；气温、≥0℃年积温和年降水均以1995年为界，之前为负距平，之后为正距平，约10a出现1次波动周期。气温1983年最低，2003年最高，分别为0.5和2.8℃；降水量2003年最高，1996年最低，分别为731.4和448.4 mm；≥0℃年积温1982年最低，1998年最高。气温和≥0℃年积温及降水量24年的均值为（1.64±0.60）℃、（1 494±318.3）℃和（585.3±74.8）mm，年间变异强度为36.3%，21.3%和12.8%。可见，年均气温和年积温的年际变化不稳定，而降水的年际变化稳定，此与其季节的年度变化相反。

图4 1982－2005年玛曲草原全年年均气温和年降水量及≥0℃年积温年际变化Fig.4 Annual variation of annual temperature，precipitation and accumulated temperature（≥0℃）in Maqu from 1982to 2005

玛曲草原载畜量年际变化总体呈显著增加趋势（P＜0.001），增幅较大，为4.0万只羊单位／10a（图5）。以1993年为界，之前负距平，之后正距平；1996年之前载畜量变化不明显，之后增加趋势明显。24年间载畜量平均为（128.9±5.0）万只羊单位，年间变异强度为3.8%，说明载畜量多年增加趋势稳定。比较发现，载畜量年际趋势总体与NDVI和气候因素的变化一致。

图5 1982－2005年玛曲草原家畜数量年际变化Fig.5 Annual variation of carrying capacity in Maqu from 1982to 2005

2.3 玛曲草原NDVI与气候因素和载畜量的关系

以各月数据为基础的不同季节NDVI与同期气温和降水的相关性分析结果显示，春季、夏季和秋季的NDVI与气温呈极显著正相关（P＜0.001），其相关系数（R）分别为0.84，0.72和0.95；春季和秋季的NDVI与降水呈极显著正相关（P＜0.001），其相关系数为0.84和0.77；冬季的降水与 NDVI呈极显著负相关（P＜0.001，R＝－0.52），夏季的降水和NDVI无显著关系（P＞0.05）（图6）。可见，玛曲草地植物生长受生长季（春季、夏季和秋季）低温和春秋季干旱影响，夏季因降水较多而使降水对植物生长的抑制作用消除。

1982－2005年，每年各月NDVI与同期气温和降水量存在极显著正相关关系（P＜0.001），相关系数分别为0.87和0.80；每年NDVI的月均值与同期≥0℃的年积温和年家畜数量呈极显著和显著正相关（P＜0.001和P＜0.05），相关系数为0.66和0.45（图7）。可见，气候因子和家畜数量综合作用于玛曲草地植被NDVI。

2.4 玛曲草原NDVI与气温和降水的时滞效应分析

生长季内（4－9月）玛曲草原NDVI与气温和降水的相关分析显示，不同时段玛曲草原植被NDVI对气温和降水的响应效应不同（表2）。时段0，1，2，3，0～1，1～2，2～3，0～2，1～3，2～4，0～3和1～4的植被NDVI与气温变化的响应显著（P＜0.05，P＜0.01和P＜0.001），相关系数为0.83～0.98；在时段0～1（即时间尺度为2个月，当月气温和前1个月气温的平均值）时，玛曲草原植被NDVI与气温的相关系数最高（为0.98），植被NDVI对气温的响应最强。与生长季内气温和NDVI的时滞响应比较（表2），不同时段玛曲草原植被NDVI对降水量的时滞响应为，时段1，0～1，1～2，0～2，1～3，0～3和1～4，即时间尺度为1～4个月、时滞期为0个月和1个月时，玛曲草原植被NDVI对降水的响应显著（P＜0.05，P＜0.01和P＜0.001），相关系数为0.77～0.94；时段0～2（即时间尺度为3个月，当月降水和前2个月降水的总量）时，植被NDVI与降水的相关系数最高（为0.94），植被NDVI对降水的响应最强。相对于较长时间尺度（3个月和4个月）和较高的时滞期（2个月和3个月），时间尺度为1～3个月，时滞期为0个月和1个月时，气温和降水均与NDVI的相关程度较高；这说明，当月和前1～2月气温的均值与当月和前1～2月降水积累对当月和下1个月NDVI的影响较大。

图6 不同季节玛曲植被NDVI与同期气温和降水量的相关性Fig.6 Correlation between NDVI and temperature and precipitation at same period in different seasons in Maqu

生长季间（4－9月）玛曲草原植被NDVI与气温和降水的相关分析显示，随气温或降水累积方式的不同，NDVI与气温或降水的时滞分析结果不同（表3和4）。时段0，0～1和0～2的气温和NDVI在生长季间（或月份间）相关系数较高，为0.24～0.37，而其他各时段气温对NDVI的促进作用较小；表明时间尺度为1～3个月，时滞期为0个月的同期气温对生长季间植被NDVI生长起较大促进作用。生长季初期（4月）气温与植被NDVI相关系数平均值最高，为0.36，这表明生长季早期的气温升高对植被NDVI的促进作用强烈；旺盛生长期（5－7月），各时段气温与NDVI的平均相关系数为0.21～0.33，此时气温对植被NDVI有一定程度促进作用；生长季后期（8－9月）气温与植被NDVI的相关系数为－0.2～－0.1，此时高温抑制植物生长。

与生长季间气温和NDVI的时滞响应比较（表3），时段3，3～4和3～6的降水与植被NDVI的相关系数较高，平均为－0.16～－0.15，表明时间尺度为1～3个月，时滞期为3个月的降水累加对生长季间植被NDVI的抑制效应较大；时段1和1～2在生长季间降水和NDVI的正相关系数较高，为0.10～0.13，表明时间尺度为1～2个月，时滞期为1个月的降水累加对植被NDVI生长季间的促进效应较大。各时段生长季初期（4月）和生长季后期（8月）降水与植被NDVI的负相关系数平均值较高，为－0.16和－0.21，表明生长季初期和后期的降水累加抑制植物生长；生长季中期（5月），各时段降水与NDVI的平均相关系数为0.21，表明降水增加对其NDVI生长促进作用较强。

总体上，生长季间的NDVI和气候因子（气温和降水）的时滞效应呈现出的规律与生长季内的NDVI与气温和降水的时滞效应类似。

图7 玛曲植被NDVI与年均气温、年积温、年降水量及家畜数量的相关性Fig.7 Correlation of NDVI in response to annual temperature，annual accumulated temperature，annual precipitation and carrying capacity in Maqu

表2 生长季内NDVI与气候因子的相关系数Table 2 Correlation coefficients between NDVI and climate factors in vegetation growing seasons

3 讨论

本研究发现，1982－2005年，玛曲草原植被NDVI的年内各月均值的年际变化和不同季节3个月均值的

年际变化均呈增加趋势，但量的变化不大，不同季节间玛曲草原的NDVI相差较大，其中夏季（6－8月）的NDVI维持高水平（0.66），秋季（9－11月）下降到0.45，而冬春季（12月－翌年5月）的很低（0.20～0.26）。这与付新峰等［3］的发现，2001－2003年雅鲁藏布江流域植被NDVI的季节性明显，各年份5月前的NDVI变化小，6－8月的NDVI维持较高水平，且NDVI年际变化总体呈缓慢上升趋势；以及陈世强等［9］的报道，20世纪90年代的玛曲植被状况比80年代好的结果总体一致；这说明，近24年来玛曲草原植被覆盖度逐渐变好。本研究中玛曲草原24年间NDVI的平均值为（0.39±0.01），相比陈世强等［9］的研究结果，1982－2000年玛曲县植被NDVI的平均值＞0.4低，主要原因是NDVI的计算依据不同，本研究的NDVI为各年各月（1－12月）平均值，而后者为多年4－10月NDVI的平均值。

表3 生长季间NDVI与气温的相关系数Table 3 Correlation coefficients between NDVI and temperature among vegetation growing seasons

表4 生长季间NDVI与降水的相关系数Table 4 Correlation coefficients between NDVI and precipitation among vegetation growing seasons

本研究中，玛曲草原气温的季节和年际趋势基本呈显著增加变化，与全球气候变暖的总体趋势一致；但1982－2005年的气温增幅为0.6℃／10a，这比赵玉萍等［12］报道的藏北地区的0.79℃／10a低，比陈世强等［9］报道的玛曲地区1970－1990年的0.27℃／10a高；可能原因是研究地区和时间尺度不同所致。虽然本研究中玛曲草原降水量有一定程度增加但未通过显著性水平检验，增幅仅13mm／10a，这与陈世强等［9］的报道，玛曲地区的年降水量略有增加趋势的结论类似。

研究表明，植被NDVI一般与温度呈正相关，其与降水的关系则因研究区不同而出现正相关、负相关和相关性不显著3种情况。毛飞等［11］和赵玉萍等［12］先后对藏北地区20多年NDVI与气候因子的关系进行研究，发现NDVI与同期气温和降水均呈显著正相关，气温和NDVI的相关系数为0.68～0.83和0.84，均比其与降水的相关系数0.59～0.78和0.63大；由此他们认为，影响藏北地区植被NDVI年变化的最显著气候因子是温度。但付新峰等［3］通过雅鲁藏布江流域NDVI的时空分布与站点气候因子关系研究，发现虽然流域植被NDVI与气温和降水呈显著正相关，且其与降水的相关系数（0.77）比其与气温的（0.72）高。而陈琼等［2］和李辉霞等［8］在研究三江源区植被NDVI对气候因子的响应及受人类活动干扰影响时，得出同一研究区域的部分结果相反；前者认为，生长季三江源区的NDVI与温度和降水分别呈正相关和负相关，且温度是三江源区植被生长的主导因子；而后者发现，该区NDVI与降水和气温均有显著正相关关系，且10a时间尺度上，气候变化是影响植被生长的决定性因素。本研究中，无论季节还是全年各月平均的植被NDVI均与同期气温和降水存在极显著正相关关系，这与以往青藏高原高寒地区的多数研究结果类似［9，11，12］。本研究中，玛曲植被NDVI与气温和降水的相关系数分别为0.87和0.80，这比陈世强等［9］报道的玛曲地区气温和降水与NDVI的相关系数为0.40和0.14高，可能由于后者在进行NDVI与气候因素相关性分析中，以生长季数据为准，而忽视11月－翌年3月期间气候因素的时滞效应所致；同时，本研究玛曲草原植被NDVI与气温的相关系数比降水的高，主要原因是地处高寒区的玛曲气温通常较低，且该区降水充足并有冬季降雪春夏季融化补充，从而使降水对其植被NDVI的影响降低而气温对其NDVI的作用增大所致；这说明，影响玛曲草原植被生长的主导因素是气温。综合分析以往青藏高原地区植被NDVI与气温和降水关系研究的结果认为，虽然因研究区气候和植被类型差异以及研究所选择的时间尺度和空间尺度不同而出现同一区域（如三江源区）或不同区域（藏北地区、雅鲁藏布江流域、三江源区和玛曲地区）植被NDVI与气温和降水相关性效应不一致的结论，但温度或温度和降水仍是青藏高原各地区植被生长的主导因素。

本研究通过系统分析4个时间尺度（1～4个月）和4个时滞期（无时滞期0个月、1个月、2个月和3个月）共16种气温和降水组合下，气温和降水对玛曲草原植被NDVI的时滞效应，发现玛曲植被NDVI与当月和前2月降水的累积量（时间尺度为3个月）以及当月和前1个月气温（时间尺度为2个月）的响应最强，时间尺度为1～3或1～2个月，时滞期为0个月的同期气温或时滞期为1个月的降水对生长季间的NDVI促进效应大；早期（4月）气温升高促进植物生长，而中期和后期（8－9月）的降水累加及后期高温抑制植物生长。此与以往多数研究结果，即气候变化对植被具有累加效应类似。李晓兵等［20］和李霞等［19］通过对1983－1992年和1982－1997年中国北方温带草原植被NDVI与降水的时滞响应分析发现，生长季初期的植物对前1年冬季和春季的降水响应最明显，而生长季中后期的当月和前1～2个月的降水与植被NDVI相关系数最大，降水的时滞期主要为1～2个月；付新峰等［3］报道，虽然雅鲁藏布江流域的降水量与NDVI的变化在时间上基本同步，但流域平均气温的增加比流域NDVI的增加早3个月；赵玉萍等［12］发现，藏北高原多数地区的NDVI与前1个月的温度和降水的相关性高，一般NDVI对温度或降水的响应时滞为1个月；袁雷等［10］发现，西藏怒江河谷流域NDVI变化与主要气候因子的关系，返青初期4月的气温以积温形式影响牧草返青，旺盛生长季5－7月的气温影响牧草生长。这些研究表明，气温和降水变化对植被的累加效应具有普遍性，不仅广泛存在于青藏高原不同植被类型区，还存在于温带典型草原区。因此，植被生长除受当时气候状况的影响外，前一定时段的温度和降水亦对植物生长有显著滞后效应，且这种滞后效应与时间尺度和滞后时段不同有关［12，19］。

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