疏勒河上游冻土区高寒草地NDVI分布特征及制约因素分析

周兆叶，宜树华，叶柏生，任世龙，许 民，李乃杰

（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州730000）

多年冻土上部由于冰的存在而形成隔水层，可以阻止近地表水向下渗透［1］，使地表土壤保持湿润，这有助于冻土区植被的生长，防治寒区草地沙化。但全球气温和地表温度升高，多年冻土活动层吸收热量增加，活动层厚度增大，表层土壤含水量减少，从而影响多年冻土区植被特征及共演替趋势［2］。多年冻土退化使赋存于高寒草地和维系高寒草地生长发育的多年冻土上部的冻结层地下水位持续下降或消失，从而使高寒沼泽草甸逐渐演变为高寒草甸草原，植物种属发生变化，植被覆盖度降低［3］，这对位于干旱、半干旱区的青藏高原植被生长发育影响尤为明显。

然而，多年冻土退化过程及其后果因冻土类型而存在差异［4］。目前，我国将高海拔多年冻土区的冻土按稳定性分为极稳定型［年均地温（MAGT）＜－5℃］、稳定型（－5℃＜MAGT＜－3℃）、亚稳定型 （－3 ℃ ＜ MAGT＜ －1．5 ℃）、过 渡 型（－1．5℃＜MAGT＜－0．5℃）、不稳定型（－0．5℃＜MAGT＜0．5℃）和季节性（MAGT＞0．5℃）6类［4］。Karnieli等［5］用 AVHRR数据建立北美地区NDVI（归一化植被指数）－LST（地表温度）的相关关系，指出在低纬度和低海拔地区，水分是植被生长的限制因素，NDVI－LST负相关；而在高纬度和高海拔地区，热量是限制植被生长的主要因素，NDVILST正相关。这说明NDVI和LST的关系在大尺度地理范畴内存在差异，但在区域尺度上，NDVI和LST的关系是否受约于冻土类型尚不清楚。

我国环境与灾害监测预报小卫星A星（HJ－1A）自2008年9月发射以来，可提供时间分辨率为2d、空间分辨率为30m的数据，该数据波谱范围覆盖蓝光（0．43～0．52μm）、绿光（0．52～0．60μm）、红光（0．63～0．69μm）、近红外（0．76～0．90μm），可代替云量大、影像质量不好的Landsat TM／ETM数据计算NDVI。Carlson［6］用AVHRR数据的LST和NDVI之间的关系式研究地表土壤水分，而土壤水分是冻土环境的主要组分之一，这为研究不同冻土类型间NDVI和LST的关系提供了一个可借鉴的思路。

祁连山冻土区是青藏高原冻土活动层厚度最大的地区之一。20世纪70年代至1998年冻土下界从3 420m 上升到3 500m［3］，祁连观测站1961－1998年的观测资料表明，最大季节冻结深度呈现减薄趋势，减少幅度大于20cm［3］。疏勒河上游流域位于祁连山区西段，为祁连山多年冻土发育最为成熟的地区之一［3］。该区降水量少、地表干燥，植被整体发育较差，代表了一类干旱气候条件下的多年冻土分布特征，而不同冻土退化类型区植被和地表基况可能存在差异。因此，本研究通过分析流域内1995、2002和2010年不同冻土类型区NDVI，建立NDVI－LST关系式，分析影响植被生长的制约因素。

1 研究区概况

疏勒河流域位于青藏高原东北缘的祁连山西段（图1），为我国河西三大内陆河流域之一［7］，发源于青海省境内祁连山西段的疏勒南山和托勒南山之间，其上游区域（96．6°～99．0°E，38．2°～40．0°N）为疏勒河出山口以上的区域，区域面积1．1万km2，海拔2 078～5 763m，河谷地区地形平缓，高山地区地形陡峭。研究区位于大陆性干旱荒漠气候区，气候干冷、多风［8－9］。据疏勒河流域上游最近的气象站——托勒气象站（98．42°E，38．82°N）多年观测资料显示，该站点多年平均气温－2．7℃、年均降水量349．2mm。

图1 研究区位置及冻土类型分布Fig．1 Location of study area and the types of permafrost

2 研究方法

2．1 数据准备 本研究用到的数据主要有年均地温、MOD13A2（1 000m 分辨率的16日合成 NDVI），MOD11A2（1 000m分辨率的8日合成LST）、Landsat TM、HJ－1A。

2．1．1 年均地温数据 年均地温数据（MAGT）［8］主要用于冻土类型的划分［4］。本研究采用程国栋和王绍令［4］提出的青藏高原多年冻土分带方案，根据年均地温将研究区冻土类型划分为极稳定型、稳定型、亚稳定型、过渡型、不稳定型和季节冻土6种类型。

2．1．2 MOD11A2、MOD13A2数据 下载2001－2010年4－10月MOD13A2数据，计算NDVI 10年平均值，7月下旬－8月上旬为该流域植被生长的最佳季节，因此选择7月20日－8月4日的 MOD11A2、MOD13A2数据。MOD11A2有白天（Day）、夜晚（Night）两种数据，在本研究中选择白天的MOD11A2数据与 MOD13A2建立NDVI－LST的关系式来分析影响植被生长的因素。

2．1．3 Landsat TM、HJ－1A 数据 HJ－1A 数据是我国2008年9月发射的环境与灾害监测预报小卫星A星上的数据，该数据时间分辨率为2d、空间分辨率为30m，波段范围与Landsat TM的前4个波段相同。选取相近时段的TM和HJ－1A数据，计算NDVI，在像元尺度上对两种数据进行一致性检验。从像元尺度来看，两种数据集的NDVI数据之间有很好的线性关系（图2），并能通过0．001的置信水平检验。所以，当研究时段的Landsat TM影像云量大、数据质量不好时，可用其代替。选择1995年8月9日和2002年8月1日的Landsat TM数据和2010年7月27日的HJ－1A数据计算NDVI。

图2 TM与HJ－1A数据NDVI对比Fig．2 Comparison of NDVI between TM and HJ－1A

2．2 NDVI－LST关系式的建立 用最大值合成法对2001－2010年7月20日－8月4日MOD13A（28日合成NDVI）的20景影像进行合成，使其与MOD11A2（16日合成 LST）时间一致。NDVILST正相关时，热量是限制植被生长的条件；NDVI－LST负相关时，水分是制约植被生长的条件［5］。通过研究NDVI－LST正负相关性来分析不同冻土类型区影响植被生长的因素。

3 结果与分析

3．1 1995－2010年NDVI分布特征及变化

研究区1995、2002和2010年不同冻土类型区NDVI均值仅为0．23左右（图3），亚稳定型、过渡型冻土区NDVI最大，为0．20～0．25，极稳定型冻土区NDVI仅有0．05左右。从极稳定型到季节性冻土区，NDVI呈倒“U”形分布，亚稳定型、过渡型冻土区植被覆盖状况最佳，稳定型、不稳定型冻土区植被覆盖状况次之，极稳定型、季节性冻土区植被覆盖最低。1995－2010年，亚稳定型、过渡型冻土区NDVI呈增加趋势；极稳定型、稳定型冻土区NDVI略有增加；不稳定型、季节冻土区NDVI呈降低趋势。

图3 1995、2002和2010年不同冻土类型区NDVIFig．3 NDVI of different types of permafrost in 1995，2002and 2010

图4 不同冻土类型区LST和NDVI相关性Fig．4 Correlationship between LST and NDVI of different types of permafrost

3．2 NDVI－LST相关性分析结果 NDVI－LST的正负相关性可以体现出影响植被生长的主要因素（热量和水分）。线性关系的斜率可反映出热量和水分在植被生长中制约作用的大小［10］。10年间平均NDVI和LST的相关性因冻土类型存在一定的分异（图4）：极稳定型、稳定型冻土区NDVI－LST正相关，热量是限制该区植被生长的主要因素，海拔越高，植被对热量的需求越强；亚稳定型、过渡型冻土区NDVI－LST略呈正相关，相关性不显著，说明热量、水分在该区达到较好的组合，气温升高有利于该区植被的生长；不稳定型、季节性冻土区NDVI－LST负相关，水分是制约该区植被发育的主要因素。

4 讨论与结论

不同冻土区的高程，不同高程带的降水和气温决定了NDVI的分布特征。从季节性冻土区到极稳定型冻土区，高程从2 000m过渡到5 700m。对距研究区最近的托勒、祁连气象站的气象观测资料进行统计，结果表明（图5），1980年以来，年均降水没有明显变化，但气温表现出明显上升趋势，由此引起的区域蒸发量也呈现上升趋势，植被生长所需要的水分减少，从而限制了植被的生长发育。干旱－半干旱地区的不稳定型、季节性冻土区植被的生长主要依赖于水分，降水量没有比较明显的变化，但是增温趋势明显，使得低山区NDVI呈减少趋势。而在海拔较高的极稳定型、稳定型冻土区，NDVI与降水的相关性较弱且不显著，但气温与NDVI显著正相关［11］。因此，中高山区NDVI的变化主要受气温的影响，气温的升高有利于植被生长，从而导致NDVI呈增加趋势。

图5 托勒、祁连站1961－2010年年均气温、降水量变化Fig．5 Average annual air temperature and annual precipitation at Qilian and Tuole meteorological stations during 1961－2010

NDVI－LST关系式被称为地表水分的指示器，可用于土壤水分和蒸发量的相关研究［11－12］。本研究建立NDVI－LST关系式以揭示不同冻土类型区限制植被生长的因素（热量或水分）。在极稳定型冻土区，LST较低，NDVI较小，该区植被生长主要受限于温度；而在季节性冻土区，LST较高，NDVI却较小，水分是制约该区植被生长的主要因素；在亚稳定型、过渡型冻土区，植被覆盖状况最好，但LST却不是最高，NDVI－LST未表现出明显的正相关或负相关，说明热量和水分达到较好的平衡状态时，有利于植被的生长、发育。本研究说明，在不同的冻土退化阶段，多年冻土退化对高寒草地的影响也不尽相同，现有的研究过分强调了气候变暖引起的多年冻土的退化对高寒草地的不利影响［13］。

本研究通过分析祁连山地区不同冻土类型区1995、2002和2010年3个时期植被生长状况最佳季节的NDVI，建立NDVI－LST关系。从极稳定型到季节冻土区，植被分布呈倒“U”形，植被覆盖状况较差，亚稳定型、过渡型冻土区植被覆盖状况最好，但NDVI均值也仅为0．22。1995－2010年，极稳定型、亚稳定型冻土区植被覆盖状况略有好转；亚稳定型、过渡型冻土区NDVI呈较明显增大趋势；不稳定型、季节性冻土区植被状况变差，NDVI值呈减小趋势。从极稳定型过渡到季节性冻土区，NDVILST由正相关过渡到负相关，即限制植被生长的因素从热量过渡到水分。

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