青藏高原植被活动对降水变化的响应3

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis ,V ol.43,N o.6(N ov.2007)

　3国家自然科学基金(40024101,40152003)资助项目

收稿日期:2006209228;修回日期:2006212227

青藏高原植被活动对降水变化的响应

3

周　

睿1)

　杨元合　方精云

(北京大学城市与环境学院生态学系,北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京,100871;

1)

通讯作者,E 2mail :xnzr2000@gmail.com )

摘　要　为揭示气候变异对青藏高原植被生长的影响,根据2000—2004年间增强型植被指数(E VI )数据和研究区内43个气象台站的气候资料,研究了近5年来青藏高原植被活动及其与气候因子的关系。结果显示,青藏高原植被的E VI 呈现由东南向西北递减的分布格局,降水是导致植被覆盖空间变化的主要因素;2000—2004年青藏高原植被活动的年际变化总体上不显著,局部出现较大变异;E VI 的变异系数(C V )与年降水的变异系数显著正相关,说明降水波动是引起植被活动变化的主要因素。此外,E VI 的C V 与年降水量存在着显著的负相关关系,表明年降水量越大的地区植被活动的年际变化越小,即植被的稳定性越大。关键词　青藏高原;E VI ;时间变异;降水中图分类号　X 171

R esponses of V egetation Activity to Precipitation V ariation on the Tibetan Plateau

ZHOU Rui

1)

　Y ANG Yuanhe 　F ANG Jingyun

(Department o f Ecology ,College o f Urban and Environmental Sciences ,and K ey Laboratory for Earth Sur face Processes o f the Ministry

o f Education ,Peking Univer sity ,Beijing ,100871;

1)

Corresponding Author ,E 2mail :xnzr2000@gmail.com )

Abstract 　T o reveal the effects of climate change on the T ibetan Plateau ,the Enhanced Vegetation Index (E VI )data of 200022004together with the climate data from meteorological stations in the study area is used to analyze the vegetation cover ,variations and the relationships between climate factors.The primary results show as follows :(1)E VI decreases from s outheast to northwest on the T ibetan Plateau ,which resulted from the precipitation ;(2)Vegetation growth keeps stable on the whole ,with obvious variation in s ome areas ;(3)E VI variations mainly come from precipitation variation.C oefficient of Variation (C V )of E VI shows significantly positive relation to precipitation C V ,but has no relation in evidence to temperature C V ;(4)E VI C V shows significant negative relation to precipitation ,which means vegetation growth in areas with m ore precipitation varies less strongly.K ey w ords 　T ibetan Plateau ;E VI ;precipitation ;temporal variation

0　引　言

降水量和降水的季节变化是降水的两个重要特

征,它们对陆地植被生长有着显著的影响[1—6]

。研究者对降水量与植被生长的关系有基本一致的结论,即在降水较少的地区,增加降水会增加植被的生

产力[2,4,7]

,但对降水的季节变化或降水格局的变化

与生产力之间关系则存在着不同的认识。Le H ouerou 等[8]

通过对干旱环境下植被的分析提出存

在降水变异与植被覆盖变化的相关关系;而G oward 和Prince [9]

在对美洲和非洲进行研究后认为鉴于植被对气候的响应机制相当复杂,此类关系仅可能存在于某些特定生境中,在更大尺度上这一关系并不存在。K napp 和Smith

[1]

利用北美长期生态研究

1

77

青藏高原被称为地球的“第三极”,在特异的地理环境和气候条件下,形成了独具特色的生态格局。并且因为青藏高原属于气候敏感区和生态脆弱带,同时深刻影响着周边地区的气候,能起到“预示”的作用,再加上高原上人类干扰少,因此被众多研究者视为研究中国乃至全球变化的“天然实验室”[10]。随着遥感技术的发展,植被指数(Vegetation Index, VI)因为能较好的表征植被覆盖状况,并与植被生物量之间存在良好的相关关系,而被广泛应用于区域研究中。考虑到传统使用的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)存在许多不足和缺陷[11],本文使用增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index,E VI)作为指标,对前述问题进行研究。试图在展示青藏高原植被覆盖(或植被活动)的分布和变化的基础上,研究其对气候变异,尤其是对降水变异的响应。

1　数据和方法

111　研究区概况

本文所研究的青藏高原主要包括自治区和青海省,总面积近200万km2,平均海拔4km以上,是中国三级地形阶梯中最高的一级。这里气候独特,大部分地区年均温低于0℃,年际变化小而日变化大;同时日照时间长,太阳辐射强烈;降水受来自印度洋的西南季风影响,季节分布不均,并从东南向西北方向递减。高原上发育有昆仑山、唐古拉、喜马拉雅等多条山脉,同时也形成了众多湖泊、盆地和河谷。青藏高原东南部多有森林和灌丛生长,尤其是雅鲁藏布大峡谷植被丰富,发育了完整的垂直梯度格局;中西部覆盖着广阔的草甸和草原,藏西北和青海西北则分布了荒漠植被[12]。

112　EVI数据

本研究所使用的E VI数据来自USG S(United States G eological Survey)[13]提供的2000—2004年的M ODIS卫星M OD13A1数据产品,时间分辨率为16d,空间分辨率500m。

根据青藏高原的气候特征和植被生长状况[14],本文将5—9月定义为生长季,研究生长季平均E VI 分布和变化情况(如果不作说明,下文中提到的E VI 均指生长季平均E VI)。E VI数据的具体处理过程如下:使用NAS A(National Aeronautics and S pace Administration)提供的软件M odisT ool将分幅的数据按相同日期合并,并将其中E VI波段转换为UT M投影,500m分辨率的G eotiff格式保存,在ERDAS I M AGI NE817中根据青海和两省的边界将研究区分割出来。其后处理方法为,先通过国际通用的最大合成(Maximum Value C om position,M VC)法将每月两幅影像合并记为当月E VI影像,该法可以进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰[15]。然后将5—9月5幅影像进行平均(式1),生成生长季平均E VI影像,并最终转换为2000—2004年生长季平均E VI栅格图像。为了反映青藏高原植被状况,结合以往研究经验[16—18],本研究将E VI划分为4个等级:0～0106为第1级;0106～012为第2级;012～014为第3级;014～1为第4级。

EVI gs=∑

9

i=5

EVI iΠ5,(1)

式中,E VI

gs

为生长季平均E VI值,E VI

i

为第i月的月E VI值。

113　气候数据

本研究所用的气候数据为国家气象局提供的2000—2004年全国气象台站的月平均温度和月降水。本研究仅选取其中青藏高原上海拔在3km以上的43个气象台站数据。文中用到的所有栅格数据均在ArcView GIS312a软件中处理。

2　结果与分析

211　EVI的空间分布及其成因

图1显示2000—2004年5年平均的E VI分布。其格局呈现自东南向西北递减的趋势。对比中国1∶100万植被图[19]可知,E VI的1级(0～0106)对应荒漠及非植被地区,主要位于青海西部及藏西北;2级(0106～012)对应主体为荒漠草原和高寒草原地区,位于青海中部和中西部;3级(012～014)对应主体为高寒草甸地区,位于青海东部、中东部;4级(014～1)对应主体为灌丛及森林地区,位于

277

　北京大学学报(自然科学版)第43卷　

图1　青藏高原生长季平均EVI的空间分布

Fig11　Distribution of growing2seas on E VI on the T ibetan Plateau

青海东南部和东南河谷区域。上述4级基本上反映了青藏高原的植被分布格局[14,20—24]。

本文选择位于研究区内的43个气象站,并从每年的E VI分布图中读出站点的E VI值,将气候数据和E VI值进行5年平均,然后进行相关分析。从两者相关关系来看,降水与E VI显著相关(图2(a),　　　　P<01001),而温度的影响不显著(图2(b),P= 01713)。综合看来影响E VI空间分布的主导因素依然是东南—西北向的降水梯度。

212　EVI的时间变异

为了反映不同年份植被覆盖的面积变动,表1列出不同E VI等级所占面积的年际变化。E VI1级和4级所占面积的变异较为明显,变异系数分别为618%和1015%,而2级和3级的面积变异则很小,分别为210%和119%(表1)。

从类型上看,表1也列出了每年4个E VI等级的平均E VI和5年的E VI变异系数(C V),可以发现4个E VI等级内部平均E VI变异都很小,体现了植被分布格局在短时期内的稳定性。另一方面,E VI 相对变异最大的是E VI1级地区(215%),其次是2级地区(113%),最后是3级(017%),4级(017%)地区。此现象同Fang等[3]的近20年(1982—1999)观测结果一致,证实了不同植被类型对气候的敏感性不完全相同[25],但K napp和Smith[1]实验显示,最大变异地区为草地类型,可能是因为后者数据来源多数为草地地区,而荒漠地区数据很少。

图2　生长季平均EVI与年降水、年均温的关系

Fig12　Relationships between growing2seas on E VI and annual precipitation,mean annual temperature

表1　2000—2004年不同EVI等级的面积(S)和平均EVI变化

T able1　Area and mean E VI changes of different E VI levels from2000to2004

年份

E VI1级E VI2级E VI3级E VI4级

SΠ104m2平均E VI SΠ104m2平均E VI SΠ104m2平均E VI SΠ104m2平均E VI

200034166010409917001129162013279101496 2001391900104199111011244711901322714101502 2002391230104196183011234811101323914401493 20033611501040100170011244815401322812201500 20043416701043102124011224717201321819801496

变异系数CVΠ%6182152101131190171015017

377

　第6期周　睿等:青藏高原植被活动对降水变化的响应　

　　图3显示E VI 变异系数的空间分布。可以看出,变异较大的区域为藏西北荒漠边缘以及念青唐古拉等多条山脉区域。前者是因为荒漠对气候的敏感,

后者一方面可能是因为山区地形变异强烈形成

图3　

青藏高原2000—2004年EVI 变异系数的分布

Fig 13　Distribution of C V (coefficient of variation )of E VI on

the T ibetan Plateau during the period of 2000—2004

的气候的异质性所造成的,另一方面也可能由于山区是包含不同植被类型的混合像元而导致。

213　EVI 变异与气候的关系

为了揭示青藏高原E VI 变异与气候波动之间的关系,本文利用研究区内43所气象站点的数据进行分析。结果表明:降水变异与E VI 变异之间存在显著的正相关关系(图4(a ),P =

01001)。这一结果与Le H ouerou 等

[8]

在干旱环境下的观测结果一致,也与Fang 等[3]

对整个中国地区进行插值和分类的计算结论相吻合,表明这一关系并非如同G oward

和

Prince [9]

所认为的仅存在于特定生境下,而在更大的环境尺度上仍可能是成立的。结果还显示温度变异与E VI 变异之间的关系不显著(图4(b ),P =

01572)。虽然杨元合等和朴世龙等的研究[14,26]

指出,近20年(1982—1999)来青藏高原地区植被活动的显著增强与温度的关系密不可分,但其结果是以温度变化对植被影响而言,没有涉及温度的年际变异的影响。

图4　EVI 变异与年降水及年均温波动的关系

Fig 14　Relationships between variation of E VI and variation of annual precipitation and annual mean temperature

图5　降水变异、植被活动变异与年降水的关系

Fig 15　Relationships between C V of annual precipitation ,C V of E VI and annual precipitation

4

77　北京大学学报(自然科学版)第43卷　

由于E VI数据发布时间较短,本研究的结论今后尚需要在更多数据和更长时间尺度上进一步拓展。

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　第6期周　睿等:青藏高原植被活动对降水变化的响应