何国兴，韩天虎，柳小妮*，张德罡，李 强，孙 斌，潘冬荣，刘志刚，关文昊，杨军银

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；2.草业生态系统教育部重点实验室(甘肃农业大学)，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省草原技术推广总站，甘肃 兰州 730000)

草地生态系统是地球上分布最广的陆地生态系统，约占陆地总面积的20%[1]。草地植被作为草地生态系统的重要组成成分，是连接大气圈、水圈、土壤圈和生物圈的纽带[2]。它不仅能够反映全球或区域生态环境的状况，而且在生物多样性保护，应对全球气候变化，维持生态系统碳循环和碳储存，以及全球和区域生态安全和可持续发展中发挥着巨大的作用[3]。传统草地植被变化研究主要通过实地采样，既耗费人力物力又难以得到长时间序列、大区域范围数据[4]。遥感技术的发展，为草地植被动态监测提供了新思路。如利用传感器红外和近红外波段组合后形成的植被指数反映植被的覆盖程度，从而获得长时间、大尺度范围内草地覆盖的变化数据，不仅能够克服传统方法的不足，而且更加客观地评价草地现状，因此被广泛应用于植被动态变化的研究中[5]。归一化植被指数(normalized different vegetation index,NDVI)对绿色植物具有高敏感性，可消除环境因素的影响，是监测植被变化中使用最广泛的植被指数，利用NDVI动态监测草地已成为快速获取植被生长动态的有效手段[6]。

20世纪以来，随着全球气候持续变暖和人类活动干扰不断加大[7]，草地生态系统发生了显著的变化[4]。气候变化、社会经济发展和牧区人口数量增长，造成我国草地大面积退化，严重威胁生态安全[8]。草地植被时空变化与气候、人类活动之间关系的研究成为国内外学者广泛关注的焦点[9-11]。满卫东等[4]研究东北地区草地变化发现，气候变暖、变干是造成草地退化的主要因素；宋伟宏等[12]研究发现气候因素中，降水量变化对祁连山自然保护区不同草原植被NDVI的影响高于气温；李元春等[13]研究发现温度和降水对甘南和川西北地区草地的变化起正向影响作用，而人类活动也在不同程度上影响着草地的变化。2000年以来，我国开始制定并实施“退耕还林”，“退牧还草”等一系列草地生态工程，以期改善西北地区草地生态环境[14]。

甘肃省地处青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交汇带，由于甘肃省草地所处的独特的地理位置导致其生态环境脆弱。甘肃省草地生态系统在生态文明建设和“一带一路”建设中扮演着重要角色，是维持中国西北地区生态系统稳定的重要屏障[15]。研究甘肃省近年来草地NDVI的变化，不同季节气温和降水对生长季NDVI的影响可以揭示驱动NDVI变化的因素。另外人类活动对甘肃省草地NDVI的影响研究有助于从宏观评价生态工程对草地生态恢复的效果。本研究基于2000—2019年草地植被生长季MOD13Q1 NDVI数据和地面气象站台观测数据，分析甘肃省不同草地类型生长季NDVI均值年际变化、空间分布和稳定性，揭示生态工程实施后甘肃省草地的时空变化，探讨气候与人类活动对生长季NDVI的影响，了解驱动草地覆盖变化的主要因子，以期为气候变化背景下未来甘肃省草地的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省(92°13′～108°46′ E，32°11′～42°57′ N)位于中国西北部，地形狭长，地势自西南向东北降低，海拔相差悬殊；年平均气温0～14℃，年均降水量42～760 mm，均自东南向西北降低，降水各季分配不均，主要集中在6—9月；年日照时数1 700～3 300 h，自东南向西北逐渐增多[16]。

甘肃省草地面积1.79×105km2，占土地资源总面积的42.04%，是全国重要牧区之一；草地资源主要分布在甘南高原、祁连山地、北部河西走廊和陇中黄土高原[17]，分为温性草原、高寒草原、温性荒漠、暖性灌草丛、低地草甸、山地草甸和高寒草甸(图1a)。

1.2 数据来源及预处理

1.2.1草地类型及高程数据 将中国草业与生态网络(http://www.ecograss.com.cn)提供的《中国1∶100万草地资源图》校正后与草地分类标准(NY/T2997—2016)[18]进行融合，得到甘肃省草地类型数据(图1a)；甘肃省1∶100万行政区划图来源于地球科学数据共享平台(http://www.geodata.cn)；数字高程模型(digital elevation model, DEM)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)的SRTM产品数据，分辨率为30 m，重采样为250 m(图1b)。

图1 甘肃省草地类型(a)及DEM、气象站点空间分布(b)

1.2.2气象数据 气象(气温、降水)数据由中国气象数据网站(http://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode)提供。选用甘肃省境内及周边44个气象站点2000—2019年气温、降水月数据(图1b)。采用基于样条函数插值理论的专业气象插值软件ANUSPLINE[19]，以DEM数据为协变量，对气温和降水数据进行空间插值，得到250 m春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和生长季(5—9月)气温和降水栅格数据。

1.2.3遥感数据 MOD13Q1 NDVI产品来源于NASA对地观测系统数据共享平台(EOS data gateway，http://delenn.gsfc.nasa.gov/-imswww/pub/imswel-come/)上，空间分辨率250 m，时间分辨率16 d，时间序列为2000—2019年。运用MRT(modis re-projection tool)读取数据，同时转换遥感影像的数据格式和地图投影；利用ENVI 5.3中的Band math工具将MOD13Q1每个像元值缩小10 000倍，得到真实的NDVI值。在Arc GIS软件中，采用最大值合成法(maximum value composites，MVC)[20]得到2000—2019年生长季NDVI数据，并用甘肃省草地类型图对数据进行掩膜提取。

1.3 研究方法

1.3.1趋势分析 采用一元线性回归分析可以在像元尺度上模拟每个栅格的变化趋势，从而分析2000—2019年甘肃省草地NDVI的变化趋势。计算公式如下[21-22]：

式中：i为年变量，取值1～20；NDVIi为第i年生长季的NDVI；θSlope为草地NDVI在20年间的变化趋势，θSlope<0，说明NDVI在这20年间是减少的；θSlope>0时，说明NDVI是增加的。另外，根据已有研究[23]利用ArcGIS中的Reclass命令将θslope的值划分为5个等级：显著增加、轻度增加、基本不变、轻度减少、显著减少，并分别统计其面积百分比。

1.3.2变异系数 为了解甘肃省草地NDVI的稳定性，本研究通过计算变异系数(variation coefficient,Cv)来反映草地NDVI的波动情况。Cv<0.150说明草地NDVI变化较小，草地生长状况相对稳定；Cv>0.150说明NDVI变化较大，草地生长状况波动[24]。计算公式如下[25]：

1.3.3偏相关分析 偏相关分析是多因素影响下，研究其中一个因素对另外一个因素的相关程度时，暂时不考虑第3个变量的影响，单独分析另外两个变量之间相关程度[26]。利用偏相关系数分别计算春季、夏季、秋季、生长季均温和春季、夏季、秋季、生长季累计降水量对生长季NDVI变化的影响。计算公式如下[25]：

式中，x表示NDVI,y代表降水量、z为气温，rxy表示生长季NDVI与降水的相关系数，rxz表示生长季NDVI与气温的相关系数，ryz表示降水与气温的相关系数。rxy,z为变量降水固定后NDVI与气温之间的偏相关系。NDVI与降水的偏相关系数同上。

1.3.4残差分析 在不考虑其他因素的条件下，天然草地的NDVI由自然因素和人类活动共同决定。通过残差分析可以剔除自然因素，从而得到人类活动对草地的影响。选取气象因子多元回归后得到草地NDVI的预测值，即自然因素作用下的草地NDVI。NDVI真实值与预测值的残差为人类活动对草地的影响[27]。计算公式如下：

ε=NDVIti-NDVIpi

式中：ε为第i年草地NDVI真实值与预测值的差，NDVIti为第i年草地NDVI的真实值，NDVIpi为第i年草地NDVI的预测值。当ε>0时，人类活动对草地NDVI为正向影响；当ε<0时，人类活动影响为负向；ε=0时，人类活动对草地无影响。

2 结果与分析

2.1 草地生长季NDVI的时间变化

通过计算甘肃省草地生长季NDVI均值，得到2000—2019年间的时间特征(图2)。20年间草地NDVI值为0.108～0.812，多年平均值0.366。甘肃省草地NDVI呈现波动上升趋势，其中在2003年、2008年、2013年和2018年分别出现拐点。

图2 2000—2019年甘肃省各类草地NDVI平均值年际变化

从草地类型来看，不同草地类型NDVI的平均值不同。其中，暖性灌草丛、山地草甸和高寒草甸的NDVI高于其他草地类型；温性荒漠类草地的面积是所有草地中面积最大，然而NDVI值却最低，这直接影响了全区草地NDVI的平均值。高寒草甸NDVI最大值0.751，最小值0.687，差值0.064，说明高寒草甸NDVI较高且波动幅度较小。另外，山地草甸NDVI整体较高且波动上升，NDVI最大值和最小值出现在2018年和2019年，分别为0.812和0.741，差值0.071，波动幅度略大于高寒草甸类。

2.2 草地生长季NDVI的空间变化

2000—2019年间，甘肃省草地NDVI整体较低(图3a)。其中NDVI低值(0～0.20)范围的面积最大，占甘肃省草地面积的41.05%；较低值(0.20～0.40)范围面积次之，占草地总面积的20.62%；中等、较高和高值(0.40

不同草地类型NDVI等级面积比例统计(图3b)发现，温性草原、高寒草原、温性荒漠、低地草甸NDVI在低值范围的面积分别占各类面积的52.37%，53.08%，84.48%和63.78%。暖性灌草丛、山地草甸和高寒草甸NDVI在较高值范围的面积比例为59.09%，38.63%和41.10%，在高值范围的面积比例为30.14%，54.08%，41.68%。

图3 2000—2019年甘肃省草地NDVI均值分级(a)及不同等级面积比例(b)

2000—2019年，甘肃省生长季草地NDVI呈上升趋势的面积占草地总面积的77.26%(图4a)。其中显著增加(P<0.05)的面积为3.72×104km2，主要分布在陇中黄土高原；轻度增加的面积占总面积的58.18%，主要分布于祁连山地和甘南高原；北山山地一带，草地NDVI较稳定。轻度减少和显著减少(P<0.05)的面积分别占草地面积的0.47%和0.33%，零散分布于祁连山地。

统计各草地类型变化面积后发现不同类型草地轻度增加的面积比例较高(图4b)。其中高寒草原、温性荒漠和高寒草甸NDVI轻度增加的面积分别占草地总面积的87.30%，81.77%和87.63%；温性草原和暖性灌草丛显著增加的面积分别占43.23%和43.07%；温性荒漠和低地草甸基本稳定的面积分别占50.48%和43.42%。

图4 2000—2019年甘肃省草地NDVI变化趋势分级(a)及不同变化趋势面积比例(b)

2.3 草地生长季NDVI稳定性分析

甘肃省草地NDVI稳定性分析结果表明(图5a)：2000—2019年草地NDVI整体稳定，波动较小的面积占总草地面积的55.98%，主要分布在甘南高原、祁连山地东段以及北山山地。其中，Cv<0.1的面积占36.24%，0.1≤Cv<0.15的面积占19.74%。草地NDVI相对不稳定(Cv>0.2)的地区主要分布在祁连山地，占草地面积的24.89%。其中，高波动地区(Cv>0.3)面积为1.05×104km2，面积占比5.43%，主要分布在陇中黄土高原。

暖性灌草丛、山地草甸和高寒草甸NDVI稳定较高，Cv<0.1的面积占比分别为53.57%，88.58%和82.93%。温性草原、高寒草原、温性荒漠和低地草甸NDVI的稳定性较低，Cv>0.2的面积占比分别为45.13%，44.39%，24.93%和21.45%(图5b)。

图5 2000—2019年甘肃省草地NDVI变异系数分级(a)及各草地类型不同等级面积比例(b)

2.4 草地生长季NDVI的变化与降水量的偏相关分析

2000—2019年甘肃省草地生长季NDVI与不同季节累计降水量的偏相关分析结果表明(图6)：降水与生长季NDVI呈正相关关系的区域主要分布在河西走廊、北山山地和陇中黄土高原。春季、夏季、秋季和生长季累计降水量与生长季NDVI呈正相关关系的面积分别占草地总面积的84.67%，90.34%，69.67%和88.52%。其中，夏季降水量与NDVI的相关性最高(0.324)，生长季次之(0.310)，秋季最低(0.136)。

图6 2000—2019年甘肃省草地NDVI与春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、生长季(d)降水量偏相关系数

2.5 草地生长季NDVI的变化与气温的偏相关分析

气温与草地生长季NDVI的偏相关分析表明(图7)：生长季气温与NDVI呈正相关性的面积最高，主要分布在甘南高原、河西走廊和陇东黄土高原，占草地总面积的73.74%。其中相关性>0.45的面积为2.80×104km2；春季和秋季气温与NDVI呈正相关性的面积较低，分别占43.31%和40.59%；其中呈负相关性的区域主要分布在研究区祁连山地一带。不同季节气温的偏相关系数平均值为：生长季(0.172)>夏季(0.146)>秋季(—0.056)>春季(—0.064)。从整体来看，春季和秋季气温升高对草地NDVI具有抑制作用，而夏季和生长季气温升高对草地NDVI有促进作用。

图7 2000—2019年甘肃省草地生长季NDVI与春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和生长季(d)气温偏相关系数

2.6 人类活动对草地生长季NDVI的变化的影响

人类活动作为重要的因素影响着草地的生长状况，残差分析表明(图8)：2000—2006年甘肃省草地生长季NDVI残差介于—0.179～0.1315之间，平均残差为—0.004，残差小于0的面积占71.68%，其中残差小于0的区域主要集中在黄土高原、河西走廊和北山山地；2007—2013年间甘肃省草地NDVI残差介于—0.221～0.226之间，平均残差为0.005，该时间段内人类活动对甘肃省草地NDVI呈正向影响的面积高于负向影响，分别占草地面积的72.47%和7.53%，其中呈正向影响的区域主要分布在甘南高原、陇中、东黄土高原、祁连山地；2014—2019年间，甘肃省草地NDVI残差介于—0.197～0.238之间，平均残差-0.001，该时间段内人类活动对草地NDVI负向影响的面积占63.38%，主要分布在甘南高原、陇中黄土高原和北山山地，而祁连山地区人类活动促进草地NDVI的增长。

整体来看(图8 d)，2000—2019年间，人类活动对甘肃省30.72%草地的NDVI具有促进作用，分布在河西走廊、陇中和陇东黄土高原等草地面积较少的农业地区；在甘南高原、祁连山地和北山山地以草地为主的地区，人类活动对草地NDVI的影响趋势为持续的负向干扰。

3 讨论

对甘肃省2000—2019年草地生长季NDVI时空变化特征分析表明，20年间草地NDVI呈现波动上升趋势，陇中黄土高原草地NDVI显著增加，这与甘肃省[14-15]、甘肃省河东地区[28]和河西荒漠地区植被[29]的相关研究一致。甘肃省草地NDVI由西北向东南呈增加趋势，高NDVI地区分布在甘南高原和祁连山地，高寒草甸生长季NDVI处于较高水平，且波动性最小，这与李元春等[13]在甘南地区的研究结果相一致。

植被的生长与气候有着密切的关系，季节和区域性气候变化对植被生长的影响也不同。适宜的温度和水分促进植物生理生化反应，干旱高温会抑制植物体内正常的代谢反应，导致植物生长缓慢、植株矮小、发育不良[30]。本研究发现，降水量对草地生长季NDVI的影响中呈正相关性关系的面积大于呈负相关性关系的面积。生长季NDVI与夏季降水量相关性最高，与秋季降水量相关性最低，这与杨瑞瑞[30]在黄河源区甘肃部分的研究结果相一致。可能是因为草地植被的生长需要一定的时间，只有前期降水量的积累才能对植物后期的生长产生影响[31]，降水对草地植物生长影响有滞后性，相同时期的降水对NDVI影响表现不明显[32]。

另外，甘肃省大部分区域气候干旱、高温少雨，主要草地类型为温性草原和温性荒漠，NDVI整体较低，对水分较为敏感。肖强等[33]的研究也说明降水量对甘肃省草地植被NDVI的影响较大。陇中黄土高原年均气温较高、水土流失严重，而河西走廊日照充足，年均降水量较少仅200 mm，干旱少雨成为限制这两个地区草地植被生长的因素。偏相关分析发现，陇中黄土高原草地NDVI与降水量的相关性较高，这与其他学者在该地区的研究结果相一致[29,33]。而甘南高原地处青藏高原东北边缘，是亚热带季风边缘区和高寒气候的过渡区[34]，降水充足，适宜草地植被的生长。因此，甘南高原草地NDVI和最主要的草地类(高寒草甸)整体较高且稳定性较好[35]。

以高寒草原、高寒草甸和山地草甸为主的甘南高原和祁连山地海拔较高，降水量充足，制约该地区草地生长的主要因素是较低的年均气温，这与韩炳宏等[23]在青藏高原地区甘南和祁连山部分的研究结果相一致。不同季节气温对生长季草地植被NDVI的影响也不相同，整体来看，生长季气温与NDVI的相关性最高，而春季气温与生长季NDVI呈负相关关系。这可能是由于春季温度与生长季NDVI在时间上存在一定差距，以至于春季累积气温不足以对生长季NDVI产生影响[36]。

由于城市化的发展和人口数量的增长，人类活动对草地NDVI有着一定程度的影响。1998年至2012年底，国家相继实施了治理“三化”草原、退牧还草、禁牧草原、补播改良、建设人工饲草地和减畜达到草畜平衡等一系列生态工程措施来恢复草地生态系统功能，如2000年我国开始制定并实施“退耕还林还草”“退牧还草”等草地保护政策[14]；2003年甘肃、四川等8个省区开始推行“退牧还草”计划，2005年甘肃省政府进一步加强了退牧还草工程管理[37]，对草地NDVI的增加起到了积极的作用。本研究也发现，2007—2013年人类活动对研究区草地NDVI呈正向驱动。

2000—2006年人类活动对草地NDVI表现为负影响，可能是由于生态工程实施面积有限，超载放牧的现象没有得到大面积遏制，牧户不合理的养殖管理方式等原因导致的[8]。其中，甘南高原、河西走廊以及北山山地人类活动对草地NDVI的影响较大。因此，我国结合退耕还林还草工程和退牧还草工程存在的问题，对生态补奖进行适时调整，于2011—2015年和2016—2020年分别实施了第一、二轮生态补奖[38]，不断提高补偿标准，并由饲料粮补助转变为现金补贴，对禁牧封育的草地进行补偿性补助，对草地补播、舍饲棚圈、人工饲草等进行奖励性补贴[8]，对甘肃省草地NDVI的增加均起到了积极的作用。如陇中黄土高原地区生态系统脆弱，受人类活动和气候变化的影响较大，草地变异系数较大，稳定性差，但由于近年来夏季降水不断增加，加之生态工程的持续推进，NDVI显著增加。而三江源国家自然公园和祁连山国家级自然保护区的建立，对甘南高原和祁连山地草地生态系统的保护起到了决定性作用，草地NDVI处于相对稳定的状态。

4 结论

2000—2019年甘肃省草地生长季NDVI水平整体较低，呈波动上升趋势，甘南高原和祁连山区域草地NDVI增加趋势不明显，陇中黄土高原地区草地NDVI呈显著增加趋势。草地整体生长状况稳定，大面积草地NDVI变异系数较小。不同草地类型中高寒草甸波动幅度最小，温性草原波动幅度最大。降水对草地生长季NDVI主要表现为正影响，其中以夏季降水的影响最为明显，秋季降水的影响最低；温度对NDVI的影响小于降水。生态工程的实施对甘肃省草地NDVI具有一定促进作用，需长期实施。