王 鑫, 曾 彪, 仝莉棉， 杨太保

(兰州大学 资源环境学院, 兰州 730000)



近23年来青藏高原东北部香日德地区高寒草甸上界变化及其与气候变化关系研究

王 鑫, 曾 彪, 仝莉棉， 杨太保

(兰州大学 资源环境学院, 兰州 730000)

利用1990年、1999年、2013年的Landsat卫星遥感影像数据，通过遥感和GIS技术，运用非监督分类和目视解译相结合的方法，提取香日德地区的高寒草甸上界，分析其变化特征及其与该地区气候变化的关系。结果显示：(1) 1990—1999年升温趋势显著，降水量基本保持不变；1999—2013年气温基本不变而降水呈显著增加的趋势。(2) 香日德地区高寒草甸上界呈现向更高海拔即原高寒荒漠的范围扩张的趋势，其上界的扩张受气温和降水变化的共同作用。其中以气温变化为主导的1990—1999年期间，高寒草甸面积扩张迅速；以降水变化为主导的1999—2013年期间，高寒草甸上界扩张减慢。并且海拔越高的地区高寒草甸面积增加越迅速。(3) 高寒草甸上界在不同坡向上均有扩张。其中，以升温为主导的1990—1999年主要集中在北坡与西坡；以降水量增加为主导的1999—2013年期间则主要集中在南向坡。(4) 从坡度分布来看，1990—1999年高寒草甸上界的扩张主要发生在15°～25°，而1999—2013年为20°～35°。

Landsat; 高寒草甸上界; 非监督分类; 目视解译; 气候变化

草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分。高寒草甸作为分布在高山、高原寒冷环境下的一种草地类型，广泛分布在青藏高原中东部地区，是青藏高原主要的植被类型之一，对维持青藏高原生态平衡和畜牧业的发展有重要的生态价值[1-3]。青藏高原作为气候变化敏感区，其植被变化不仅影响其环境的变化，而且关系着北半球甚至全球气候环境系统[4-5]。近几十年来，气候变化导致的环境问题日益明显，随着青藏高原大部分地区气温上升并由干向湿发展的趋势[6]，其生态环境亦发生了明显变化[7]，高寒草地面临严重的生态胁迫[8-9]。

对青藏高原高寒草地变化已进行了大量的研究。部分研究认为随着青藏高原气候的暖湿化和人类活动对环境的干扰，一些地区的高寒草地退化明显[10-11]。同时也存在一些不同的结论，丁明军等[12]利用遥感数据得出1982—2009年青藏高原大部分地区草原盖度呈增加的态势。杨元合等[13]利用青藏高原NDVI数据分析发现青藏高原草地植被的生长季NDVI增加。徐兴奎等[14]利用NOAA-AVHRR数据，得到1980—2000年高原植被覆盖呈总体增加的趋势。以上说明高寒草地的变化存在明显的区域化特点。而与高寒荒漠相邻的高寒草甸上界区域，由于人类活动对其产生的直接影响较小，影响其变化的主要是自然因素，并且目前对高寒草甸上界的变化研究甚少。

柴达木盆地是青藏高原气候变化的敏感区[15]，其气候变化明显，使得其周围的生态环境发生了巨大变化[16-17]。本文利用遥感技术对柴达木盆地东南缘的香日德地区高寒草甸上界进行提取，并结合气候数据与DEM数据探讨高寒草甸上界变化与气候变化及地形的关系，以期为高寒草甸保护提供参考。

1 研究区概况

研究区位于青藏高原东北部，柴达木盆地东南缘，香日德镇西南巴隆乡的部分区域(97°28′—97°56′E，35°38′—35°52′N)。该区域海拔为3 900～5 400 m，气候类型为典型的大陆性荒漠气候。主要植被类型为高寒荒漠与高寒蒿草草甸，优势种为小蒿草(Kobresiapygmaea)和紫花针茅草甸(Stipapurpureameadow)，伴生种为紫花针茅草原(Stipapurpureastepp)、凤毛菊[Saussureajaponica(Thunb.) DC.]、红景天(RhodiolaroseaL.)、垂头菊[Cremanthodiumreniforme(DC.) Benth.]等稀疏植被。

2 数据介绍

2.1 遥感影像数据

本文所选的遥感数据来自美国地质调查局空间分辨率为30 m的Landsat-5TM，Landsat-7ETM+，Landsat-8OLI。该数据经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并通过DEM进行了地形校正。此产品的大地测量校正依赖于精确的地面控制点和高精度的DEM数据。遥感影像选取标准为：(1) 尽量选取夏季7月、8月份植被生长最好时期的影像；(2) 云覆盖度低的影像；(3) 为了减少不同时期植被分布变化所造成的误差，选取影像时间间隔为10 a左右。本文选取1990年8月、1999年7月、2013年8月的影像为代表对香日德地区的高寒草甸近23年来上界的变化情况进行对比分析。

2.2 气候数据

气温和降水数据来自中国气象局气象科学数据共享服务网提供的中国地面气候资料月值数据集，选择距离香日德地区较近的且记录连续的都兰、诺木洪、玛多3个气象站点的气温、降水量数据(其中都兰站位于研究区北部，距研究区约60 km；诺木洪站位于研究区西北部，距研究区约120 km；玛多站位于研究区南部，距研究区约110 km)，经计算得到年值数据，并计算3个站点的平均值，与高寒草甸上界变化情况进行分析。

2.3 DEM数据

DEM数据选取美国国家航空和航天局NASA空间分辨率为30 m的ASTER GDEM V2数据。该数据是对GDEM数据的修正，其清晰度高且水平和垂直方向的准确度较高。

2.4 研究方法

首先对三景Landsat遥感影像分别进行监督分类、非监督分类、NDVI阈值提取处理，得到高寒草甸分布边界并进行对比研究。本文最终选择简单易行的ISODATA法进行非监督分类，然后将影像进行近红外、红、绿波段组合得到标准假彩色影像并对非监督分类结果进行分类合并，然后通过目视解译修正非监督分类结果，确定高寒草甸分布边界。通过与DEM数据结合提取海拔在4 200 m以上的区域(该区域的植被类型只有高寒草甸与高寒荒漠)作为高寒草甸上界范围并进行误差检验。人工目视解译可能造成像元水平位移的误差。

结合过去研究的结果，一般认为小于半个像元的位移误差是能够被接受的[18]，因此我们利用Granshaw[19]提出的缓冲区分析方法建立了一个7.5 m的缓冲区来评估目视解译的结果，进行误差检验。经过计算三景影像的误差分别为4.29%，3.46%，4.94%。对提取的高寒草甸上界范围进行对比，得到23年来高寒草甸发生变化的区域，最后统计高寒草甸面积变化与气候变化的关系，并结合该区域的DEM数据进行地形分析，统计高寒草甸上界的海拔高度、坡度、坡向分布特征。

3 结果与分析

3.1 气候变化特征

由图1可以看出，1990—1999年，都兰、诺木洪、玛多3个站点的年平均气温均呈升高的趋势，分别为1.1，1.1，0.79℃/10 a；1999—2013年，都兰的年均气温呈降低的趋势，而诺木洪与玛多呈上升趋势，但上升趋势明显低于1990—1999年，分别为-0.38，0.21，0.45℃/10 a。

从3个站的平均值来看，1990—1999年气温呈明显上升趋势，为0.99℃/10 a，1999—2013年则微弱上升。

图1 1982-2013年3个站点年平均气温变化及平均变化

由图2可以看出，1990—1999年都兰和玛多的年降水量呈微弱上升趋势，而诺木洪的年降水量呈现比较明显的增加趋势，都兰、诺木洪、玛多降水变化分别为8.9，31.47，3.21 mm/10 a。1999—2013年都兰、诺木洪、玛多均表现为降水量增加的趋势，分别为37.88，20.81，56.27 mm/10 a。

图2 1982-2013年3个站点年降水量变化及平均变化

从3个站的平均值来看，1990—1999年研究区降水量呈微弱上升的趋势，平均每10 a增加降水量14.53 mm；1999—2013年研究区降水量显著增加，平均每10 a增加38.32 mm。气温变化特征表现为1990—1999年升温趋势显著;1999—2013年微弱上升。

3.2 高寒草甸上界变化特征

由图3可以看出，23年来高寒草甸上界呈现向高寒荒漠扩张的趋势。本文利用分布在更高海拔的高寒荒漠面积的变化来解释高寒草甸上界的分布变化。由图4可以看出，近23年来，香日德地区高寒荒漠面积呈退缩趋势，面积减少了39.3 km2，即高寒草甸面积增加了39.3 km2。1990年研究区内的高寒荒漠面积为464 km2，1999年高寒荒漠面积为435.5 km2，比1990年减少6%，平均每年减少3.16 km2，即高寒草甸上界平均每年扩张3.16 km2；2013年高寒荒漠面积为424.7 km2，比1999年面积减少2.5%，平均每年减少0.77 km2，即高寒草甸上界平均每年扩张0.77 km2。高寒草甸在1990—1999年的扩张速度明显快于1999—2013年的。

图3 不同年份提取的高寒草甸上界范围及高寒草甸上界变化示例

图4 不同时期高寒荒漠面积与面积变化率

由图5可以看出，高寒草甸上界主要分布在4 200～4 600 m范围内，该海拔范围内的高寒草甸面积的增长率在两个时期比较接近，均在0.1左右；而在高于4 600 m的高海拔地区，高寒草甸面积亦呈现持续增加，面积增长率也明显高于低海拔地区，说明高寒草甸上界向更高海拔的原高寒荒漠地区分布。与吴建国等[20]得到的在气候变化下高寒草甸将主要朝高寒草原和高寒荒漠分布区范围扩展的结论一致。

3.3 不同坡度和坡向高寒草甸上界变化情况

分别统计不同坡度、坡向高寒草甸上界的面积变化(图6—7)可知：1990—1999年高寒草甸上界的扩张主要集中在15°～25°，1999—2013年扩张主要集中在20°～35°。两个时期均是在坡度大于25°的地区高寒草甸上界的增长率较大。从坡向统计来看，1990—1999年高寒草甸上界的扩张主要集中在北坡、西北坡和西坡；1999—2013年扩张则集中在南坡。

图5 不同海拔高寒草甸面积变化

图6 不同坡度高寒草甸面积变化

图7 不同坡向高寒草甸面积变化率

4 讨论与结论

4.1 讨 论

(1) 高寒草甸上界变化与气候变化的关系。过去23年香日德地区高寒草甸上界呈向高寒荒漠扩张的趋势。其中，1990—1999年呈快速增加的趋势，面积增长28.5 km2，平均每年扩张3.16 km2。同时期该地区年平均气温呈明显上升趋势，降水量呈现微弱增加，说明该时期的高寒草甸上界的扩张主要是气温上升导致的；而1999—2013年气温呈微弱上升，年降水量则呈显著的波动上升趋势，同时期高寒草甸上界面积增长速度趋缓，年增长0.77 km2，说明该时期高寒草甸上界的扩张主要是降水量变化主导的。可知，整个研究区高寒草甸上界扩张受气温和降水变化的共同作用，高寒草甸上界在以气温变化为主导时期的扩张速度要快于降水量变化为主导时期的扩张速度。这与王秀红[21]认为的影响高寒草甸上限分布的主导因素是温度条件基本一致，与吴建国等[20]得到的高寒草甸变化受年平均气温变化和年降水量变化影响的结论相一致。

(2) 高寒草甸上界变化与地形因子的关系。地形可以通过改变光照、气温、降水、土壤水分等因子对植被生长产生重要影响。其中，坡度、坡向均是重要的地形指标。坡向能够通过改变光照、气温和水分条件等气象要素对植被的变化产生影响，一般情况下，北坡(西坡)较南坡(东坡)的土壤水分条件好；坡度则能够通过影响土壤水分对植被生长产生影响，一般情况下坡度与水分含量呈负相关[22-23]。

由于高寒草甸主要分布在海拔高、相对湿度较大的高寒地区。在气候变暖、降水量增加的条件下，高寒草甸会优先选择生长在温度适宜、坡度平缓、水分条件相对较好的草谷地区。当高寒草甸在草谷地区分布到一定程度无法继续在该区域扩张时，将向坡度更大的地区扩张，这些区域的水分条件较差，土层变浅；当坡度增大到土层浅薄、水分条件差等不利于植被生长的情况下，高寒草甸向高寒荒漠的扩张就会受到限制。由图6可以看出，以升温为主导因素的高寒草甸扩张主要集中在15°～25°坡度的地区，这些地区水分条件相对较好，随着气温的升高，高寒草甸大量扩张；在降水量增加为主导因素的高寒草甸扩张主要集中在坡度为20°～35°的地区，这可能是由于降水量的增加导致该坡度范围内的土壤湿度增加，从而有利于高寒草甸的扩张。总体来看，高寒草甸上界在1999—2013年增加的坡度要大于1990—1999年的。而在坡度大于25°的地区高寒草甸增长率明显快于低坡度地区，这可能是大坡度地区的高寒草甸面积较小导致的。

由图7可以看出，在以升温为主导因素的高寒草甸上界在各个坡向上均有增加，其中增加较快的区域主要集中在西北坡、北坡，而在南坡与东南坡增加较慢。这可能是由于在相同气候条件下北坡的热量要少于南坡，随着气温的显著升高，在热量不足的北坡、西北坡地区植被会得到补偿性生长扩张；并且北坡的水分条件相对较好，会促进植被在该地区的生长，这使得高海拔地区的北坡、西北坡与西坡有大量的高寒草甸开始生长；而在降水量增加为主导因素的高寒草甸上界在西北坡、北坡和东北坡基本保持不变，在南坡、西南坡和东南坡等水分条件差的地区扩张。这可能是由于该时期的气温微弱上升，但降水量明显增加，坡向导致的水分条件差异缩小，使得在过去水分条件相对较差的南坡、东南坡和西南坡的南向坡区域高寒草甸大量补偿性扩张。

4.2 结 论

近23年来香日德地区的高寒草甸上界呈向高寒荒漠扩张的趋势，其扩张受气温和降水变化的共同作用。其中以升温主导的1990—1999年期间，高寒草甸上界向高海拔地区扩张迅速；以降水增加为主导的1999—2013年期间，高寒草甸上界扩张减慢；并且海拔越高的地区高寒草甸面积增加越迅速。

1990—2013年高寒草甸上界在不同坡向上均有增长，其中以升温为主导因素的高寒草甸上界扩张主要集中在北坡与西坡；以降水量增加为主导因素的扩张则主要集中在南向坡增长。从坡度分布来看，1990—1999年高寒草甸上界的扩张主要发生在15°～25°，而1999—2013年为20°～35°。

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Research on the Upper Boundary Change of Alpine Meadow and Its Relationship with Climate Change During the Past 23 Years in Xiangride, in Northeast Tibetan Plateau

WANG Xin, ZENG Biao, TONG Limian， YANG Taibao

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

We adopted the unsupervised classification and visual interpretation to extract upper boundary of alpine meadow in Xiangride by using remote sensing images of 1990, 1999 and 2013 to summarize the change characteristics and analyze its relationship with climate change. The results showed that: (1) the temperature had a significant increasing trend and the precipitation remained unchanged from 1990 to 1999; the temperature remained unchanged and the precipitation increased significantly from 1999 to 2013. (2) the upper boundary change of alpine meadow was controlled by both temperature and precipitation, the alpine meadow expanded in higher region in the past 23 years, the area increased fast from 1990 to 1999 which was controlled by temperature change, the area increased slowly from 1999 to 2013 which was controlled by precipitation change. (3) the upper boundary of alpine meadow increased in all slope aspects, alpine meadow increased mainly in north and west from 1990 to 1999 which was controlled by temperature, and it increased in southern slope aspect from 1999 to 2013 which was controlled by precipitation. (4) according to the distribution of slope gradient changes, the expansion of the upper boundary of the alpine meadow in 1990 to 1999 mainly occurred in steepness of 15°～25°，and the expansion in 1999—2013 mainly occurred in gradients of 20°～35°.

Landsat; the upper boundary of alpine meadow; unsupervised classification; visual interpretation; climate change;

2014-08-29

2014-11-12

国家自然科学资助项目(40901056);中央高校基本科研业务费专项资金项目(lzujbky-2013-130);国家基础科学人才培训资助项目(J1210065)

王鑫(1989—),男,辽宁大连人,硕士研究生,研究方向为全球变化与区域响应。E-mail:messikaka@126.com

曾彪(1979—),男,湖北京山人,副教授,主要从事全球变化与区域响应研究。E-mail:zengb@lzu.edu.cn

Q948; TP79

1005-3409(2015)05-0294-06