玛曲地区植被变化及对极端气候的响应＊

贺海燕 ,文 军

（1.卓尼县气象局,甘肃 卓尼 747600；2.成都信息工程大学，四川 成都 610000）

据世界气象组织宣布1998—2007 年是有记载以来最温暖的十年[1]。无人知道这种变化在怎样的阈值之内是“安全”，但是极端天气、生态系统改变、永久冻土层融化等极端事件的出现，让这一系列事件不再是科学家口中的预言。研究表明影响草原的初级净生产力主要因子是降水，温度与其相关性较之降水更强[2]。特别是高海拔地区，辐射强但温度低，牧草生长周期变短。高原草原的环境蠕变与人类活动导致的气候暖干化、草地沙化、产流量下降有关[3]，气象要素对研究植被长势、草地生产力和灾害评估等方面影响重大。同时研究还发现草地生态系统的间接生态价值要远大于其直接提供的生产价值[4-5]，不同年型气候变化不同，牧草生长对气候资源利用不同，干物质生长曲线有差异，最大生产率、月最大产量及其出现时间也不同，从短时间尺度波动认识气候变化对牧草生产力的影响有重要意义。夏季全国草原净初级生产力总体呈现增加趋势[6]，较好的气象条件对其贡献较大。宁和平等[7]等则通过建立回归模型等方法分析了在气候变化影响下如何提高仔畜成活率及降低牲畜死损率，为更好地安排牲畜群结构提供了参考价值。

而植被是陆地生态系统中的重要组成部分，同时也是对气候变化最敏感的成分，它能够响应自然环境中的大气、水、土壤等要素的变化，而植被的年际和季节性变化又可以作为地球气候变化的指示器[8]。气候变化在一定程度上影响着当地植被生长，植被生长状况也在一定程度上反作用于当地气候，二者相互影响[9]。卫星遥感可从空间上较为直观地监测一地植被生长状况，而也有研究表明高程和坡度对植被损毁与恢复的影响明显高于坡向[10]，而在极端气候指数方面则发现无论是整个区域所有站点的均值还是基于每个站点的变化趋势空间格局分布情况，极端气温类指数都呈现了较为一致的变化趋势[11]。而在滞后性研究方面则均表明在研究地区的植被对部分极端气候指数的响应均存在一定的滞后性[12]。玛曲地区地处气候敏感区和生态环境脆弱区，因此本研究采取归一化植被指数（NDVI）来对玛曲地区植被覆盖状况进行研究分析。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

玛曲湿地草原位于甘肃省西南部，总面积达1.019 万km2，海拔在1 500.0～4 806.0 m，气候高寒阴湿，属于半湿润过渡地带的草原区，同时也属气候敏感区。在这里累计有超过300 条支流，像神经纤维一样交叉穿梭在这片草地，黄河最初流入玛曲时，所携带的水量资源只占黄河总水量的五分之一，离开玛曲时已经超过了总水量的五分之三以上，丰盈的水源滋养了广袤的草场。而这也有效补给了黄河近二分之一的水量，形成了黄河上游完整的水源体系，作为黄河上游重要的水源补给区和调蓄区的生态地位不可撼动。玛曲地区地势西高东低，如图1 所示。2018 年8 月，中国气象局兰州干旱气象研究所联合玛曲县气象局，在玛曲国家基本气象站设立大气环境与湿地生态观测与试验站。该实验站的设备日常维护和数据采集等相关工作由玛曲县气象局负责。

图1 玛曲县行政区划及数字高程图

1.2 数据来源

本研究所有卫星遥感数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）。使用Landsat4 数据处理得到玛曲地区1999—2019 年每年代表NDVI 数据，空间分辨率为30 m，使用中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）数据处理得到玛曲地区1999—2019 年植被主要生长季4—9 月NDVI 数据，空间分辨率为500 m。影像的调用和剪裁均在Google Earth Engine 服务器云平台进行操作处理。气象资料来源于玛曲县气象台，主要为1980—2019 年基本气象要素观测数据，具体为逐日平均气温、最高、最低气温、降水量、日照时数。1∶25 万全国基础地理地图数据来源于国家测绘地理信息局。

1.3 研究方法

本研究主要采用一元回归分析、极端气候指数、相关性分析等方法进行研究。一元回归分析是分析只有一个自变量的线性相关分析方法。相关性分析主要在于研究两个变量之间相关性程度和方向，表征要素之间的相关密切程度。

极端气候指数是利用RClimdex 模型计算得到，受WMO 认可，具有一定国际影响的极端气候研究工具[13]。所选取的极端指数包括1 个极端降水指数和3 个极端气温指数，具体见表1。

表1 本研究所取的极端气候指数

2 结果与分析

2.1 月NDVI 的时空变化特征

根据多年观测资料显示，玛曲地区牧草返青期开始于4 月，黄枯期开始于9 月，故本研究仅分析4—9 月期间的月NDVI 和植被覆盖度的时空分布。图2 为1999—2019 年玛曲地区4—9 月NDVI 空间分布图。4 月玛曲地区草原牧草逐渐开始进入返青阶段，可以发现4 月玛曲地区在欧拉秀玛乡、欧拉乡、木西和乡及阿万仓乡接壤地界，即阿尼玛卿山附近植被生长状况较差，存在大片NDVI＜0.1 的地界，而在玛曲地区东南部主要以齐哈玛乡、采日玛乡和曼日玛乡为代表的地界植被生长状况相对较好，存在NDVI 在0.3～0.4 之间区域，4 月平均NDVI是0.246，值域为-0.018～0.397。5 月牧草生长逐渐进入分蘖阶段，NDVI 相比4 月整体而言已经有了明显改善，5 月平均NDVI 是0.394，值域为-0.003～0.617。6 月进入夏季，随着牧草大部分进入抽穗阶段，植被覆盖状况得到进一步改善，6 月平均NDVI是0.568，值域为0.076～0.785。7—8 月逐渐进入盛夏，大部分牧草处于开花、种子成熟阶段，NDVI 也达到一年中峰值，7 月平均NDVI 是0.676，值域为0.114～0.850，8 月平均NDVI 是0.701，值域为0.154～0.862。9 月牧草开始逐渐进入黄枯阶段，植被生长状况经历了由差变好直到巅峰的阶段之后开始再次变差，9 月平均NDVI 是0.593，值域为-0.001～0.772。

图2 玛曲地区月NDVI 空间分布（a）4 月、（b）5月、（c）6 月、（d）7 月、（e）8 月、（f）9 月

图3 为玛曲地区月NDVI 的趋势变化图，可以发现在1999—2019 年玛曲地区4—9 月月平均最大NDVI、月平均NDVI 及月平均最小NDVI 均呈先上升后下降的趋势，月平均最大NDVI、月平均NDVI 和月平均最小NDVI 均在8 月达到最大，4 月达到最小，最大值分别为0.86、0.70、0.15，最小值分别为0.39、0.25，与图2 描述相对应。

图3 1999—2019 年玛曲地区NDVI 的月际变化

2.2 年NDVI 时空变化特征

为了揭示玛曲地区不同年份NDVI 的空间分布，图4 给出玛曲地区具有代表性的不同年份NDVI的空间分布图。

可以看出在各个不同年份，欧拉秀玛乡、欧拉乡、木西河乡三乡接壤地带均存在一明显的弱植被覆盖地带，究其原因主要是由于此三乡接壤地带为阿尼玛卿山主峰附近，海拔在4 500～5 500 m，阿尼玛卿山山体高兀，岩石裸露，加之海拔较高温度较低，光照充足但热量不足，致使山腰至山顶终年积雪，盛夏不消，堆积成冰。阿尼玛卿山山腰往下则地势逐渐平坦，黄河川流而过带来充沛的水资源利于植被生长，成为玛曲境内主要的天然草场。

通过进一步研究表明在1999 年玛曲地区只有少部分地区NDVI 在0.8 以上，大部分地区NDVI 都在0.8 以下，除了在阿尼玛卿山下附近存在一明显的弱植被覆盖地带，尼玛镇北部及采日玛乡中部地区也存在一些弱植被覆盖区域，其余乡镇大多NDVI 都在0.4～0.7 以下。1999 年，年平均最大NDVI 是0.840，年平均NDVI 是0.739，年平均最小NDVI 是0.344。到2003 年，1999 年存在的弱植被覆盖区植被生长状况已经得到明显改善，年平均最大NDVI 已经由1999 年的0.840 变为0.848，年平均NDVI 则由1999年的0.739 变为0.740。2007 年，年平均最大NDVI 是0.888，年平均NDVI 是0.788，年平均最小NDVI 是0.392。2011 年，年平均最大NDVI 是0.888，年平均NDVI 是0.801，年平均最小NDVI 是0.376。2015年，年平均最大NDVI 是0.900，年平均NDVI 是0.804，年平均最小NDVI 是0.272。2019 年，年平均最大NDVI 是0.900，年平均NDVI 是0.825，年平均最小NDVI 是0.268。

总体而言，1999—2019 年，玛曲地区除了阿尼玛卿山附近因特殊地理原因导致仍有部分区域植被覆盖层较差之外，境内植被覆盖已经得到了较为明显的改善，全县各个乡镇几乎都出现了NDVI 大于0.8 的区域，而整个齐哈玛乡NDVI 都在0.5 以上，成为全县植被覆盖度最好的一个乡镇，且2015年欧拉秀玛乡及欧拉乡背部的一条西北至东南走向的弱植被覆盖地带，在2019 年出现了更强的生命力，NDVI 大于0.8 的区域范围和强度都明显增强。总体来说，在1999—2019 年这21 年当中，玛曲地区植被生长状况出现了一个总体变好的趋势，年平均NDVI 由1999 年的0.739 增长为2019 年的0.825。通过进一步分析发现在1999—2019 年玛曲地区年最大NDVI、年平均NDVI 均呈上升趋势，并且都通过了0.01 水平的显著性检验，表明上升趋势明显，上升幅度为0.03/10 a、0.04/10 a。而年最小NDVI则呈下降趋势，并且也通过了0.01 水平的显著性检验，表明下降趋势明显，下降幅度为0.04/10 a。

2.3 NDVI 总体时空变化特征

图5 为1999—2019 年玛曲地区草原21 年间NDVI 变化空间分布图，可以发现，玛曲地区西北部阿尼玛卿山附近及木西和乡植被覆盖状况改善明显，而其他乡镇均零散存在着植被覆盖轻微改善、中度改善地区，并且也都零散夹杂着轻中度退化区域。总的来说，整个玛曲地区改善区域大于退化区域。

究其现实退化原因可能是因为玛曲地区主要以草原为主，森林覆盖度较低，人口较少，经济发展缓慢，外加各种灾害侵损如病虫害等，除了正常牲畜采食以外，草原老鼠啃噬，人类环保意识的淡漠是草原退化的一方面原因，另一方面可能由于玛曲地区政府在1995 年实施的草地承包制度中的小尺度单户经营放牧[14-17]模式导致。而其改善原因则有可能是后期由于当地政府意识到之前实施的小尺度单户经营模式的不足而转变为大尺度的联户经营模式，外加“绿水青山就是金山银山”的新型环保理念的发展，玛曲地区政府积极采取的一系列退耕还林政策及一系列森林补贴、草原补贴的发放极大地改善了牧区人民的生活水平并缓和了牧民与牧草的紧张关系，从而使得玛曲地区草原有了一定程度的恢复。

2.4 玛曲地区植被覆盖度的时空变化特征

为了准确揭示玛曲地区境内草地植被覆盖度的时空变化，本研究将NDVI 转换为植被覆盖度来进行更进一步的研究。图6 为1999—2019 年玛曲地区草原4—9 月植被覆盖度空间分布图。

图6 1999—2019 年玛曲地区月植被覆盖度空间分布变化图（a）4 月（b）5 月（c）6 月（d）7 月（e）8月（f）9 月

研究发现：在玛曲地区牧草主要生长阶段，4—9月植被覆盖度先增大后减小，与玛曲地区牧草开始返青到黄枯时间相对应。经分析，4 月平均覆盖度为58%，最大覆盖度为78.0%，最小覆盖度为23.0%；5月平均覆盖度为82.0%，最大覆盖度为89.0%，最小覆盖度为24.0%；6 月平均覆盖度为86.0%，最大覆盖度为93.0%，最小覆盖度为26.0%；7 月平均覆盖度为93.0%，最大覆盖度为97.0%，最小覆盖度为28.0%；8 月平均覆盖度为87.0%，最大覆盖度为96.0%，最小覆盖度为28.0%；9 月平均覆盖度为68.0%，最大覆盖度为84.0%，最小覆盖度为14.0%。

图7 为玛曲地区月植被覆盖度的趋势变化，可以发现玛曲地区在1999—2019 年4—9 月月平均最大植被覆盖度、月平均植被覆盖度及月平均最小植被覆盖度呈先上升后下降的趋势。月平均最大植被覆盖度在7 月达到最大为98.0%，4 月最小为78.0%；月平均植被覆盖度在7 月达到最大为93.0%，4 月最小为58.0%；月平均最小植被覆盖度在7 月、8 月达到最大均为28.0%，9 月最小为14.0%。

图7 1999—2019 年玛曲地区月植被覆盖度的月际变化

2.5 年NDVI 与气候要素相关性

经分析玛曲地区年NDVI 与年平均气温之间为正相关（r＝0.511，p＜0.01），年平均NDVI 与年平均降水量、年平均日照时数的对比中可以发现二者无明显相关关系存在，这也说明植被与降水量和日照间的关系是个复杂的系统，需要进一步探索其间的关联机理。以上结果说明年平均气温的增加有利于玛曲地区植被生长。

2.6 月NDVI 与气候要素相关性

由于本研究中主要研究牧草主要生长季4—9月的变化，故在对玛曲地区月NDVI 与气候要素相关性分析中也取4—9 月数据进行处理（见表2）。

表2 NDVI 与气候要素的相关性

从表2 的统计结果看出，4 月月平均NDVI 随4月月平均气温的增加而增大；5 月月平均NDVI 随5月月平均日照时数的增加而减小；8 月月平均NDVI随8 月月平均气温的增加而增大，其他月份相关性不显著。表明玛曲地区在个别月份月NDVI 与气温表现为显著的正相关，说明月平均气温的增加对玛曲地区植被生长有促进作用。而月NDVI 与降水量的相关关系不明显，同时在个别时期，月日照时数的增加反而不利于植被的生长。具体结果为4 月月平均NDVI 与4 月月平均气温有显著正相关关系（r＝0.492，p＜0.05）；5 月月平均NDVI 与5 月月平均日照时数有显著负相关关系（r＝-0.549，p＜0.01）；8 月月平均NDVI 与8 月月平均气温为显著正相关关系（r＝0.614，p＜0.01）。

2.7 极端气候指数的变化趋势

通过对玛曲地区极端气候指数进行变化趋势分析发现TMINmean、TNn 均为上升趋势，但只有TMINmean 通过了0.01 水平的显著性检验，表明TMINmean 为极显著上升趋势，上升速率为0.732 ℃/10 a。而TN10p、RX5day 则为下降趋势，只有TN10p通过了0.01 水平的显著性检验，表明TN10p 为极显著下降趋势，下降速率为2.969 d/10 a。

2.8 年NDVI 与极端气候指数的相关

通过对玛曲地区年NDVI 与极端气候指数进行相关性分析，在年NDVI 与极端气候指数的散点图中发现年NDVI 与极端气候指数（TMINmean、TN10p、TNn）之间存在显著正相关。

经过进一步研究发现，年NDVI 与极端气候指数TMINmean（r＝0.553，p＜0.01）、TN10p（r＝0.631，p＜0.01）及TNn（r＝0.453，p＜0.05）之间存在显著正相关关系，与极端气候指数RX5day 之间相关性不显著，即玛曲地区年NDVI 随极端气候指数TMINmean、TN10p及TNn 的增加而增加，表明随着极端气候指数TMINmean、TN10p、TNn 的增加有利于玛曲地区植被生长（见表3）。

表3 玛曲地区年际NDVI 与极端气候指数相关系数

2.9 月NDVI 与极端气候指数的相关

研究发现玛曲地区4 月NDVI 随极端气候指数Rx5day、TN10p 的增大而减小，随TNn 的增大而增大；5 月NDVI 随极端气候指数TN10p 的增大而减小，随TMINmean 的增大而增大；8 月NDVI 随极端气候指数TN10p 的增大而减小，随TMINmean、TNn 的增大而增大，而在6—7 月月NDVI 则与这些极端气候指数之间无显著相关关系存在。同时也发现在玛曲地区部分月份月NDVI 与极端气候指数Rx5day、TN10p 之间均为负相关，而与极端气候指数TNn、TMINmean 之间均为正相关，表明在个别月份随着极端气候指数TNn、TMINmean 的增加有利于玛曲地区植被生长，随着极端气候指数Rx5day、TN10p 的增加抑制玛曲地区植被生长。具体表现为4 月NDVI与极端气候指数Rx5day（r＝-0.458，p＜0.05）、TN10p（r＝-0.547，p＜0.05）有显著负相关关系，与TNn（r＝0.561，p＜0.01）有显著正相关关系；5 月NDVI 与极端气候指数TN10p（r＝-0.527，p＜0.05）有显著负相关关系，与TMINmean（r＝0.670，p＜0.01）有显著正相关关系；8 月NDVI 与极端气候指数TN10p（r＝-0.585，p＜0.01）有显著负相关关系，与TMINmean（r＝0.525，p＜0.05）、TNn（r＝0.671，p＜0.01）有显著正相关关系（见表4）。

表4 玛曲地区月际NDVI 与极端气候指数相关系数

2.10 月NDVI 与气候要素的滞后性分析

由于植被在生长过程中对气温、降水及日照等气候要素存在滞后性，所以对玛曲地区月NDVI 与当前月、前1 个月、前2 个月、前3 个月气候要素进行相关性分析，结果见表5（不相关数据未给出）。研究表明4 月NDVI 随4 月平均气温的增加而增加，5月NDVI 随2 月气温的增加而增加，随5 月、2 月日照的增加而减小，7 月NDVI 随5 月日照的增加而减小，8 月NDVI 随8 月气温的增加而增加，随5 月日照的增加而减小，9 月NDVI 则随8 月气温的增加而增加。同时也表明玛曲地区部分月份月NDVI不论是于当前月还是前1—3 月气温之间均为正相关，而与日照之间则均为负相关，即玛曲地区部分月份随着气温的增加有利于植被生长，而日照的增加则不利于植被生长。

表5 月NDVI 与当月、前1 个月、前2 个月、前3 个月气温、降水、日照相关系数

具体结果为4 月NDVI 与4 月平均气温之间为正相关（r＝0.492，p＜0.01），5 月NDVI 与2 月气温之间为正相关（r＝0.442，p＜0.05），与5 月日照（r＝-0.549，p＜0.01）、2 月日照（r＝-0.606，p＜0.01）之间为负相关，7 月NDVI 与5 月日照为负相关（r＝-0.528，p＜0.05），8月NDVI 与8 月气温之间正相关（r＝0.614，p＜0.01），与5 月日照之间负相关（r＝-0.597，p＜0.01），9 月NDVI与8 月气温之间为正相关（r＝0.611，p＜0.01）。

2.11 月NDVI 与极端气候指数的滞后性分析

选取玛曲地区4—9 月月NDVI 与极端气候指数TMINmean、TNn、Rx5day、TN10p 当前月份、前1个月、前2 个月、前3 个月极端气候指数进行相关性分析，结果见表6。可以发现：月平均NDVI 随当月、前一个月极端气候指数TNn 的增加而增加，随当月、前2—3 月极端气候指数TMINmean 的增加而增加，表明玛曲地区月平均NDVI 与极端气候指数TMINmean、TNn 均为正相关，即随极端气候指数TMINmean、TNn 的增加，无论是当前月还是前1—3月均有利于玛曲地区植被生长发育。

表6 月NDVI 与当月、前1 个月、前2 个月、前3 个月极端气候指数相关系数

具体为月NDVI 与当月、前一个月极端气候指数TNn 存在显著正相关关系（r＝0.671、0.514，p＜0.01），月NDVI 与当月、前2—3 个月极端气候指数TMINmean 存在显著正相关关系（r＝0.670、0.508、0.602，p＜0.01）。从中可以发现极端气候指数TNn、TMINmean无论是当月还是前1—3 个月与月NDVI 之间均为正相关，同时也反映出月NDVI 对极端气候指数TNn、TMINmean 的响应存在一定程度上的滞后性。

3 结论与讨论

（1）1999—2019 年期间玛曲地区年最大NDVI和年平均NDVI 均呈上升趋势，并且都通过了0.01水平的显著性检验，表明NDVI 上升趋势明显，上升幅度为0.03/10 a 和0.04/10 a。而年最小NDVI 则呈下降趋势，并且也通过了0.01 水平的显著性检验，表明下降趋势明显，下降幅度为0.04/10 a。在1999—2019 年玛曲地区月平均最大NDVI、月平均NDVI及月平均最小NDVI 均呈上升趋势，但只有月平均NDVI 通过了0.01 水平的显著性检验，表明月平均NDVI上升趋势明显，上升幅度为0.79/10 a。

（2）4—9 月植被覆盖度先增大后减小，与玛曲地区牧草开始返青到黄枯时间相对应。4 月平均覆盖度为58.0%，5 月平均覆盖度为82.0%，6 月平均覆盖度为86.0%，7 月平均覆盖度为93.0%，8 月平均覆盖度为87.0%，9 月平均覆盖度为68.0%。以上研究结果均表明玛曲地区植被生长呈一个逐渐变好的方向发展。

（3）玛曲地区年、月平均气温的增加有利于玛曲地区植被生长，在个别月份月日照时数的增加反而不利于植被的生长。在与极端气候指数进行相关性分析表明随着极端气候指数TMINmean、TN10p、TNn 的增加，有利于玛曲地区植被生长发育。

本研究利用地面气象台站观测数据和卫星遥感数据，探讨了玛曲地区地表植被指数和植被覆盖度的时空变化特征。取得的研究结果对认识黄河源区气候变化规律和保护玛曲高寒湿地生态环境有一定的参考价值。但本研究也存在一定的不足：首先，采用的卫星遥感数据时间序列不够长，且在植被生长状况方面仅采用了归一化植被指数对玛曲草原植被时空分布进行了分析，缺乏对表征草原植被关键物理参数的分析。归一化植被指数虽然是反映植被生长状态及植被覆盖度，但其局限性在于对高植被密度区存在较弱的灵敏度。其次，对玛曲地区气候变化和植被时空分布的相关性进行了分析，但缺乏其间相互关联的物理机制的探讨，特别是没有利用物理模型进行气候变化与草原植被时空演变的模拟研究。