周伟,王倩,章超斌,李建龙*
(1.南京大学生命科学学院,江苏 南京210093;2.甘肃民族师范学院历史文化系,甘肃 合作747000)
球气候变化与陆地生态系统是当前全球变化研究的重要内容,气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈一直是其中的研究焦点之一[1]。植被是陆地生态系统的主体[2],也是连接大气、土壤和水分等自然要素的“纽带”[3]。植被作为环境变化重要的指示标志,植被指数的变化能够揭示环境的演化、变迁,植被指数遥感数据具有覆盖范围大,周期短的优点,可为大面积植被动态监测提供技术支撑。归一化植被指数(NDVI,normalized difference vegetation index)是表征地表植被覆盖和对光合有效辐射吸收能力的一个较好指标[4],被广泛用于生物量、叶面积指数和植被生产力格局的估算和草地动态监测[5]。草地作为我国生态系统最大的天然屏障[6,7],具有防风固沙、调节气候、保持水土和促进生态平衡的重要作用[8]。
NDVI在高植被覆盖地区存在过饱和现象,而对植被稀疏地区的植被变化尤其敏感。NDVI在草地植被研究方面被广泛应用,Piao等[9]分析了草地植被NDVI动态变化以及对气候变化响应。王新欣等[10]利用MODIS NDVI对天山北坡中段草地进行生物量估测,建立了生物量动态估测模型。卫亚星等[11]利用 MODIS NDVI数据对青海省的草场进行分级,分析了其草地状况;毛飞等[12]利用美国国家海洋和大气局的高级甚高分辨率辐射仪获得的 NDVI(NOAA/AVHRR NDVI,national oceanic atmospheric administer/advanced very high resolution radiometer NDVI)数据对藏北那曲地区草地植被进行了分类。戴声佩等[13]利用SPOT NDVI分析了祁连山地区草地植被的时空变化趋势。齐述华等[14]利用NOAA/AVHRR数据分析了青藏高原中东部植被长势对气候因子的响应,表明气候因子是影响植被覆盖的一个重要因子。辜智慧等[15]利用NOAA/AVHRR数据分析了锡林郭勒草原植被覆盖变化以及对气候因子的响应。王军邦等[16]利用MODIS NDVI对内蒙古中部植被进行动态监测,并且发现降水量引起的NDVI波动变化大于气温。
黑河中上游位于祁连山北坡和河西走廊中段,处于气候变化的敏感区和生态环境脆弱区[17],是研究陆地生态系统对气候变化响应机制的理想场所。草地是该流域的重要植被类型,近年来随着气候变化以及人类活动的影响,黑河流域草地覆盖发生明显变化,因此黑河流域草地植被变化与气候因子的关系研究,将有助于理解流域植被变化对气候变化的响应特征,对分析草地生态系统在气候变暖背景下的变化趋势具有重要的理论意义。目前关于黑河流域草地植被覆盖变化的研究较少;并且在分析植被NDVI与气候因子间的相关性时,多采用气象站点上的植被NDVI和气象因子的点状数据进行分析,分析结果不能综合反映面状植被覆盖变化对气候变化的响应特征。鉴于此,本研究利用由SPOT-4搭载的Vegetation传感器获取的SPOT-Vegetation NDVI数据分析了黑河中上游草地植被NDVI时空变化特征,并采用每种草地类型的NDVI和气候因子的平均值进行相关性分析,进一步探讨影响牧草生长的关键气候因子,以期为该区域应对气候变化以及草地资源的保护和管理提供理论依据。
黑河流域是我国西北干旱区第二大内陆河流域(38°~42°N,98°~101°E),面积约13×104km2。研究区域位于黑河上中游的祁连山地和河西走廊中段(图1)。黑河上中游地区自然条件复杂,水热条件差异大,具有典型大陆性气候特征,由于受东南季风影响的强弱、水热条件的再分配以及复杂多样的地形变化等多因素的综合作用,发育了多种多样的地貌、土壤类型和植被类型,草地类型呈现明显的垂直地带性分异[18,19]。黑河中上游的天然草地分布于海拔1 300~4 100m的祁连山区和祁连山与龙首山、合黎山之间的山前倾斜平原,草地占研究区总面积的73%,从低海拔到高海拔依次分布着沼泽草地、低湿地草甸、干荒漠草地、山地荒漠草地,草原化荒漠草地、荒漠化草原、山地草原、山地草甸草原、山地草甸、高寒草原、高寒草甸[20]。
图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area
本研究所采用的数据为1999-2007年的SPOT VGT-NDVI数据集,来源于国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”(http://westdc.westgis.ac.cn),该数据是通过对SPOT源数据进行大气校正、辐射校正、几何校正和拉伸后生成10d最大化合成NDVI数据,其空间分辨率为1km。土地覆盖数据来源于GLC2000项目开发的基于SPOT-4遥感数据的全球土地覆盖数据中国子集,在ArcGIS 9.3软件中利用公式:NDVI=DN×0.004-0.1将DN值转换为标准NDVI值,然后利用黑河中上游矢量边界进行剪裁,得到黑河中上游NDVI数据。
气象数据由国家气象信息中心资料室提供,包括7个气象站点1999-2007年逐月平均气温、降水量、相对湿度和日照时数。在ArcGIS 9.3中使用反距离权重(inverse distance weighted,IDW)方法进行插值,得到研究区气象栅格数据。NDVI和气象数据均投影为Albers投影。
1.3.1 NDVI数据处理 采用ArcGIS空间分析技术和数理统计方法,对研究区草地植被NDVI数据进行统计和分析。采用国际上惯用的最大值合成MVC(maximum value composites)法对每月10d合成NDVI进行处理,即图像中每一个像元值用该月最大NDVI值代替,该处理可以减少大气的云、颗粒、阴影、视角以及太阳高度角的影响[21]。使用常用的累积平均法和均值法合成草地年累积NDVI值,NDVI年均值,生长期的NDVI年均值和月均值。
1.3.2 NDVI变化趋势线分析 趋势线分析法能模拟每个栅格的变化趋势[22],反映不同时期植被覆盖变化趋势的空间特征,本研究采用趋势线分析模拟1999-2007年黑河中上游草地NDVI变化趋势,计算公式如下:
式中,n为监测年数;NDVIj为第j年NDVI平均值;θslope为趋势线的斜率,其中θslope>0,说明NDVI在n年间的变化趋势是增加的,反之则是减少。根据θslope的变化范围[13,23],定义显著减少(θslope<-0.006),轻度减少(-0.006<θslope<-0.001),基本不变(-0.001<θslope<0.001),轻度增加(0.001<θslope<0.006)和显著增加(θslope>0.006)5个变化区间,并统计每个变化区间的面积及其面积百分比。
1.3.3 草地NDVI的空间变化量分析 本研究使用影像差异法分析草地植被NDVI空间变化量[24]。影像差异是将2个不同时相的影像在完全配准情况下,从一个影像中将另一个影像的信息提取出来。它通常用于提取多时相图像中随时间而变化的信息,常用于动态监测。研究中将2007年与1999年的2期NDVI影像相减,将结果像元值大于0的记作增加,表示1999-2007年黑河流域草地植被NDVI增加,反之为减少。
1.3.4 草地NDVI与气候因子的相关性分析 根据GLC2000全球土地覆盖数据中的中国子集,并结合甘肃省草地资源[18,25]调查资料,将研究区草地分为4类,荒漠草地(GLC2000中的类型11-荒漠草地)、平原草地(GLC2000中的类型10-平原草地)、高寒草甸草地(GLC2000中的类型8-高山亚高山草甸和类型22-高山亚高山草地)、典型草原(GLC2000中的类型12-草甸)。研究区气象站点分布不均匀并且每个站点附近的草地类型不唯一,为了避免以气象站点的气候因子和NDVI的相关性系数代替面状草地类型的NDVI与气候因子相关性,本研究根据研究区气象因子的插值数据和NDVI数据,提取不同草地类型多年月平均气温、降水量、相对湿度、日照时数和月平均NDVI数据,分别计算NDVI与各气候因子间的相关性。5-9月黑河流域气候雨热同期,处于植被生长季,因此本研究选择了草地生长期5-9月的NDVI数据分析植被NDVI与各气候因子间的相关性。相关性系数公式如下:
式中,xi是5-9月第i月的植被NDVI,-x是5-9月NDVI的平均值;yi是5-9月第i月的气候因子值,-y是5-9月气候因子的平均值。并对相关系数进行显著性检验。
1.3.5 数据统计分析 草地NDVI的时间变化特征、空间分布格局、草地NDVI变化趋势系数等数据统计分析均在ArcGIS 9.3中完成,通过SPSS 16.0进行草地NDVI与气候因子的相关性分析和显著性检验,数据分析和图表制作在Excel中完成。
黑河中上游草地植被NDVI空间分布具有明显的地区差异性(图2和3),整体呈现东南部多,西北部少的格局。位于黑河上游及其支流的托来山、走廊南山、冷龙岭和张掖市是典型草原覆盖区域,草地覆盖高,其中祁连县、肃南县东南部和张掖市南部地区植被的年累计NDVI值较高,介于4~5。位于托勒南山北坡和走廊南山两侧的高寒草甸草原覆盖区域以及酒泉和张掖市南部的典型草原覆盖区,NDVI值次之,介于3~4。从高寒草甸草原向荒漠草原过渡的区域草地植被NDVI介于2~3。祁连县和肃南县西北部以及张掖市北部的荒漠草地NDVI较低,为1~2。位于高台县南部荒漠的草地NDVI值最低,小于1。
图2 黑河中上游草地类型分布Fig.2 Grassland types distribution in the middle and upper reaches of Hei River
图3 1999-2007年黑河中上游草地植被年累计NDVI空间分布The distribution of cumulative NDVI from 1999to 2007in the middle and upper reaches of Hei River
2.2.1 NDVI年际变化特征 通过计算得到1999-2007年4种不同草地类型和全部草地植被年均NDVI和生长季(5-9月)年均NDVI值(图4)。年均值NDVI和生长季的平均NDVI变化趋势基本一致,都呈现波动上升趋势,这与程瑛等[26]的研究结论一致,由于祁连山中西段和黑河流域处于气候从暖干向暖湿转型的显著转型区[27],降水量和融雪量增加,草地覆盖度增加。典型草原植被NDVI最高,平原草地次之,高寒草甸草地的NDVI较低,荒漠草地最低,全部草地植被NDVI值介于平原草地和高寒草甸草地之间。年均NDVI最高值出现在2007年,达到0.241,最低值出现在2001年,为0.202,生长季NDVI最高值在2007年,达到0.381,最低值在2001年,为0.301。
图4 黑河中上游不同草地植被NDVI年际变化Fig.4 Interannual changes of NDVI for different grassland types in the middle and upper reaches of Hei River
2.2.2 NDVI年内变化特征 黑河中上游全部草地、典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地的NDVI年内月均变化曲线均呈单峰型(图5),年最大NDVI值均出现在7月份,分别为0.430,0.569,0.503,0.352,0.182。5-9月是牧草生长季,NDVI变化明显,草地NDVI从5月份开始增加,6月份增加迅速,7月份达到最大值,8月份NDVI开始下降,10月份牧草基本停止生长,每年的1-4月和11-12月份草地NDVI变化不大。这主要受气候特征的影响,黑河中上游地区5-9月雨热同期,并且在7-8月份达到最佳,牧草生长茂盛,从11月到翌年2月牧草处于枯黄期,植被覆盖较低,3-4月草地处于返青期,植被生长缓慢,NDVI值也较低。其中荒漠草地NDVI的变化幅度明显低于其他草地类型。
图5 黑河中上游不同草地植被NDVI年内变化特征Fig.5 The monthly changes of NDVI in different grassland types
2.3.1 黑河中上游草地植被NDVI变化空间分布特征 利用趋势分析方法模拟了研究区草地植被NDVI随时间的变化趋势,并且趋势系数大于0.001时,植被NDVI在1999-2007间处于增加趋势,当趋势系数小于-0.001时植被覆盖度降低(表1,图6)。黑河中上游草地植被NDVI总体呈增加趋势,草地覆盖趋于改善,并且存在明显的地区差异性。71.53%的天然草地植被NDVI增加,NDVI增加的面积为28 418km2,NDVI增加的区域主要分布在托来山、走廊南山、冷龙岭和张掖市、山丹县南部海拔在1 800~4 100m的山前倾斜平原和河西走廊中段的天然草地地区。这些地区处于高山亚高山地区,受人类活动影响较小,且随着全球气候变暖,降水量和冰雪融水增多[28,29],使得黑河流域草地植被覆盖度增大。草地NDVI减少的区域主要分布在研究区托勒南山、走廊南山和冷龙岭的荒漠草地向非草地过度区域,NDVI减少的面积为7 717km2,占黑河中上游草地总面积的19.43%。由于该地区受人类活动影响较大,过渡放牧等导致天然草地退化明显[30],草地覆盖降低。1999-2007年只有9.04%的草地NDVI基本不变。
黑河中上游不同草地类型的NDVI变化存在明显差异,典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地植被NDVI增加的面积分别为14 778,515,8 095和5 300km2,分别占黑河中上游总草地面积的36.52%,1.30%,20.37%,13.34%。典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地植被 NDVI分别减少3 143,22,3 664,887 km2,分别占研究区总草地面积的7.92%,0.06%,9.22%,2.23%。其中典型草原植被NDVI增加最明显,高寒草甸草地增加面积次之,平原草地最低。
表1 1999-2007年黑河中上游草地植被NDVI变化统计Table 1 The statistics of grassland NDVI change in the middle and upper reaches of Hei River
2.3.2 黑河中上游草地植被NDVI空间变化量 通过2007年和1999年2期年均NDVI值进行影像差异分析,从中提取得到1999-2007年研究区域草地NDVI变化量分布(图7)。NDVI变化的分布特征与NDVI多年变化趋势分布格局基本相同。NDVI增加量最大的区域分布于河西走廊的山丹军马场、张掖市东部和高台县西南部的典型草原;典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的最大增加量分别为0.187,0.273,0.186,0.211。NDVI减少量最多的地区分布在托勒南山、走廊南山和托莱山和冷龙岭的高寒草甸草地和荒漠草原向非草地过度区域,典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的最大减少量分别为0.105,0.127,0.094,0.067。
影响牧草生长的气候因子很多,本研究选择了月平均气温、月平均降水量、相对湿度和日照时数。分析4种草地类型1999-2007年牧草主要生长期(5-9月)月平均NDVI与上述4个气候因子的相关性(表2)。研究区草地植被NDVI与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为0.942(P<0.01),0.922(P<0.05),0.762,其中与平均气温呈极显著正相关关系,并且NDVI与气温的相关系数大于降水量,这与郭铌等[31]研究结论一致。由于黑河流域处于西北内陆干旱区,降水量较少,对海拔较高的区域气温较低将不利于植被的生长;而近年来随着西北地区气候向暖湿转型[29],气温升高、降水量增加使植被生长加速,NDVI增大。草地NDVI与日照时数呈负相关关系(r=-0.291),因为研究区日照充足,当日照条件得到基本满足情况下,多余的日照反而对牧草生长不利,这是由于日照越多,蒸散越大,最终导致NDVI下降[32]。
图6 1999-2007年黑河中上游草地NDVI变化趋势空间分布Fig.6 Spatial distribution of NDVI changes trend from 1999to 2007
图7 1999-2007年黑河中上游草地植被NDVI变化量atial distribution of NDVI variation from 1999to 2007in the middle and upper reaches of Hei River
典型草原NDVI与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为0.907(P<0.05),0.936(P<0.05),0.761;与日照时数相关系数为-0.308;牧草生长受降水量和气温的影响较大。
平原草地NDVI与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为0.980,0.902,0.764,与平均气温的相关性最高,通过0.01显著性水平检验;与日照时数相关性为-0.256。
高寒草甸草地NDVI与月平均气温呈显著性正相关关系(r=0.934,P<0.05),与降水量和相对湿度相关系数分别为0.833,0.504,与日照时数相关性为-0.062。说明在海拔高降水较丰富的高寒草甸草地,气温升高有利于植被生长,草地NDVI增大。相对湿度对草地NDVI影响不大。
荒漠草地NDVI与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为0.862,0.931(P<0.05),0.82,与日照时数为-0.389。由于荒漠草地降水量较低,牧草生长容易受到干旱胁迫,因此水分是限制荒漠草地植被生长的主要因子。
表2 黑河中上游草地植被NDVI与气候因子的相关性Table 2 Correlation between grassland vegetation NDVI and climate factors in the middle and upper reaches of Hei River
植被被认为是综合反映生态环境变化的敏感指示器。有研究表明近20年来中国植被活动在增强[33]。黑河流域处于生态环境脆弱区和气候变化的敏感区,是研究植被响应气候变化的理想区域。草地作为黑河中上游的主要植被类型,在1999-2007近10年间,其草地植被覆盖变化显著,不同草地植被的年均NDVI和生长期NDVI均呈增加趋势,2007年NDVI值最高,2001年最低。分析其动态变化的原因,可能存在两方面因素:一是近年来随着祁连山自然保护区的成立,一系列生态保护政策的实施,如封山育林、退耕还林还草工程等,促使了该区域植被覆盖的增加;另一方面,受西风环流的影响,该研究区降水量呈现出明显增加趋势[34]。本研究表明,不同草地类型的NDVI年内变化呈单峰曲线型,5月份开始增大,7月份达到最高值,10月份牧草开始枯黄,从11月到翌年4月份草地NDVI值较低且基本不变,NDVI年内变化特征与马明国等[23]和程瑛等[26]结论一致,这种变化特征主要受该地区气候条件以及牧草自身生长特性等因素的影响。
黑河中上游草地植被NDVI空间分布呈现明显的地区差异性,整体呈现东南部的典型草原和高寒草甸草地较高,西北部荒漠草地较低的格局。1999-2007年草地植被NDVI整体呈增加趋势,71.53%的天然草地植被覆盖在增加,增加的区域主要分布在托来山、走廊南山、冷龙岭和张掖市、山丹县南部海拔1 800~4 100m的山前倾斜平原和河西走廊中段的典型草原和高寒草甸草地;这些地区处于高山亚高山地区,受人类活动影响较小,且随着全球气候变化,该区域气候由暖干向暖湿转型[27],降水量和冰雪融水增多[13,26]。典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的NDVI最大增加量分别为0.187,0.273,0.186,0.211。减少的区域主要分布在研究区托勒南山、走廊南山和冷龙岭的荒漠草地向非草地过渡区域,由于该地区受人类活动影响较大,天然草地退化明显,草地覆盖降低[30]。减少面积占黑河中上游草地总面积的19.43%;该区域典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的 NDVI最大减少量分别为0.105,0.127,0.094,0.067。
气温、降水、日照和空气湿度与植物的生长密切相关。本研究中,黑河中上游牧草生长受气温和降水量的影响较为明显,并且表现为NDVI与气温的相关系数大于降水,该结论与郭铌等[31]和毛飞[32]的研究一致,说明热量充足,水资源充沛的条件有利于牧草生长;相对湿度对草地覆盖度的影响较小,日照时数与NDVI呈负相关性,说明日照时数越长,光照越多,植被蒸腾和土壤水分蒸发量就越大,从而导致空气相对湿度下降,结果不利于土壤保墒和牧草生长[32]。对于不同草地类型,其牧草生长的限制因子不同。其中高寒草甸草地NDVI与气温的相关系数大于降水,由于高寒草甸地区降水量相对丰富,对植被生长而言,热量条件较降水更为重要[31]。而对于荒漠草地,由于其热量相对充足,水分则成为牧草生长的最主要限制因子。致谢:感谢国家自然科学基金委员会中国西部环境与生态科学数据中心提供SPOT VGT-NDVI数据集;同时感谢中国气象局气象信息中心资料室提供的气象数据。
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