渾善達(dá)克地區(qū)典型植被DNVI與溫度、降水的相關(guān)性分析

程高 張寶林 常成虎

摘要：渾善達(dá)克沙地處于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)的一級(jí)敏感區(qū)， 植被對(duì)氣候變化敏感?；?998-2010年SPOT/VEGETATION VGT-S10逐旬NDVI數(shù)據(jù)，研究區(qū)域典型植被的旬歸一化植被指數(shù)（NDVI）動(dòng)態(tài)變化及其與溫度、降水的相關(guān)性以及氣象因子影響的滯后效應(yīng)。結(jié)果表明，長時(shí)間旬NDVI序列較好地反映了主要植被類型隨著季節(jié)變化的生長發(fā)育狀況；生長季節(jié)內(nèi)植被旬NDVI和氣溫的相關(guān)性高于其與降水的相關(guān)性，氣溫、降水對(duì)不同植被的影響具有滯后效應(yīng)，滯后期均在40 d以內(nèi)，滯后期長短因植被而異；年際間旬NDVI與降雨量、溫度的相關(guān)分析表明在植被快速生長期降雨量對(duì)植被生長有重要促進(jìn)作用，而溫度在植被生長初期和成熟期則是植被旬NDVI提高的重要原因；由于春、冬季旬NDVI與溫度、降水變化的高度一致性，全年旬NDVI與氣象因子相關(guān)分析的可靠性降低；而生長季節(jié)內(nèi)植被旬NDVI與降水、溫度的相關(guān)性分析可以很好地揭示氣象因子與植被生長發(fā)育的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：渾善達(dá)克沙地；歸一化植被指數(shù)（NDVI）；氣溫；降水；相關(guān)分析

中圖分類號(hào)：P461+.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）06-1298-06

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植被是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分的自然“紐帶”[1]，在陸地表面的能量交換、生物地球化學(xué)和水文循環(huán)過程中扮演著重要的角色，同時(shí)在全球變化中起著敏感“指示器”的作用[2]。

大范圍植被變化研究需要覆蓋范圍廣、時(shí)空連續(xù)性好的數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星遙感為獲得植被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供了先進(jìn)的技術(shù)手段[3]。SPOT/VEGETATION具有紅光波段對(duì)葉綠素吸收敏感、近紅外波段剔除了強(qiáng)水汽吸收帶和空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，更適于植被變化監(jiān)測(cè)研究[4，5]。由于衛(wèi)星遙感獲得的歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）能夠在大尺度上反映植被的綠度和光合作用強(qiáng)度，較好地反映植被的代謝強(qiáng)度及季節(jié)性變化和年際間變化，被廣泛地運(yùn)用于植被的第一性生產(chǎn)力估算[6，7]、物候分析[8，9]、農(nóng)作物估產(chǎn)、葉面積指數(shù)估算等研究。然而，由于區(qū)域環(huán)境變化的不確定性[10，11]，植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)方式及程度仍然是全球變化研究的熱點(diǎn)[9]。

中國已在全國范圍[10]、東北地區(qū)[12]、西北地區(qū)[13]、東部地區(qū)[14]以及其他一些地區(qū)[15，16]進(jìn)行了大量的植被對(duì)氣候因子響應(yīng)的研究，但在干旱、半干旱地區(qū)的研究結(jié)論仍存在較大爭議。高志強(qiáng)等[17]認(rèn)為西北干旱區(qū)植被指數(shù)與降水的關(guān)系不大，同溫度的相關(guān)性也不好，但李曉兵等[10]則認(rèn)為西北內(nèi)陸的溫帶荒漠植被NDVI的變化明顯受到溫度、降水變化的影響；陳云浩等[18]在中國陸地NDVI變化的氣候驅(qū)動(dòng)分析中，把塔里木盆地、準(zhǔn)格爾盆地、阿拉善高原定為氣溫和降水驅(qū)動(dòng)區(qū)，把新疆西部山地定為弱降水驅(qū)動(dòng)區(qū)；李霞等[19]從定性的角度分析了西北地區(qū)NDVI與氣候的關(guān)系，得出NDVI與降水存在明顯的正相關(guān)，與溫度變化關(guān)系不明顯的結(jié)論，但張遠(yuǎn)東等[20]則認(rèn)為荒漠綠洲NDVI與氣溫關(guān)系顯著。

渾善達(dá)克沙地處于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)的一級(jí)敏感區(qū)，又是農(nóng)牧交錯(cuò)帶，植被對(duì)氣候變化及人類土地利用方式的變更非常敏感。基于NOAA/AVHRR-NDVI的植被類型與氣候因子的關(guān)系研究表明，羊草對(duì)溫度較降水敏感，而克氏針茅降水較溫度敏感，大針茅草對(duì)溫度和降水敏感度相差不大；無論是哪種植被均對(duì)生長同期的降水最敏感，在荒漠草原和克氏針茅草原，溫度對(duì)NDVI變化的影響有滯后效應(yīng)[21]。為了進(jìn)一步探討渾善達(dá)克沙地NDVI對(duì)氣候因子敏感性中的不確定性問題，利用SPOT/VEGETAFION VGT-S10逐旬NDVI數(shù)據(jù)，研究了不同氣象站點(diǎn)植被旬NDVI與溫度、降水的相關(guān)關(guān)系，以期為區(qū)域環(huán)境變化研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

渾善達(dá)克沙地東西長約450 km，南北寬約300 km，總面積7 100 810 hm2[22]（圖1）。該區(qū)域?qū)儆跍貛Ц珊?、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，大部分處于中國季風(fēng)邊緣地區(qū)[23]。冬季漫長寒冷，夏季短促溫?zé)嵘儆?；降水量季?jié)分配不均，變化較大[24]，因受東南季風(fēng)的影響，年平均降水量從東南部的400 mm左右向西北遞減至200 mm[25]。地帶性植被為典型干旱草原、荒漠草原，局部地區(qū)有草甸草原分布，年8級(jí)以上大風(fēng)日50～80 d，風(fēng)力剝蝕作用強(qiáng)烈，是中國北方沙塵暴多發(fā)區(qū)之一[26]。研究選擇了面積較大的5種典型草原，即大針茅和克氏針茅草原、克氏針茅和糙隱子草草原、戈壁針茅草原、羊草草原、沙地錦雞兒和柳蒿灌叢草原（圖1），對(duì)其13年旬NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1.2 數(shù)據(jù)來源

所采用的數(shù)據(jù)為1998-2010年SPOT/VEGETATION的VGT-S10逐旬NDVI數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括了大氣校正、輻射校正、幾何校正， SPOT/VEGETATION的VGT-S10采用最大值合成法（MVC）可以避免云和幾何變形的影響及去除圖像噪聲。考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性和連續(xù)性，在研究區(qū)內(nèi)選擇了5個(gè)氣象站（表1），即二連浩特、朱日和、阿巴嘎、錫林浩特和多倫，同期氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中國地面國際交換站氣候資料旬值數(shù)據(jù)集的1998-2010年的逐旬平均氣溫和降水資料。

1.3 研究方法

研究認(rèn)為氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的有效范圍是10 km[27-29]，因此取每個(gè)氣象站點(diǎn)所在區(qū)域3 km×3 km像元的NDVI平均值作為該站點(diǎn)像元逐旬NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，以下載的同期溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)作為溫度、降水時(shí)間序列。

1.3.1 全序列植被旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)分析 對(duì)1998-2010年逐旬NDVI與氣象因子（溫度和降水量）進(jìn)行相關(guān)分析，得到13年不同植被旬NDVI序列與氣象因子序列的相關(guān)系數(shù)，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

1.3.2 年內(nèi)植物生長期間（5～9月）旬NDVI與氣溫、降水的時(shí)滯相關(guān)分析 氣候變化對(duì)植物具有累積效應(yīng)，除了同期氣候狀況影響植被變化外，前期氣候狀況對(duì)植被生長有滯后效應(yīng)[9]。通過計(jì)算氣象站點(diǎn)所在區(qū)域5種植被1998-2010年全生育期（5～9月）旬NDVI序列與同年同期及前期（前1～4旬）降水、溫度序列之間相關(guān)系數(shù)的平均值，得到時(shí)滯期為0～4旬的相關(guān)系數(shù)[14]，探討降水、溫度對(duì)植被NDVI的影響。

1.3.3 年際植物生長期間（5～9月）旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)分析 為分析不同年份間生長季內(nèi)（5～9月）植被NDVI與降水、溫度變化的相關(guān)關(guān)系，將不同年份間同一旬的NDVI 序列作為一變量，相應(yīng)不同年份間同一旬的溫度、降水量序列分別作為另一變量，計(jì)算1998-2010年植被的旬NDVI 序列與同期降水量、溫度序列之間的相關(guān)系數(shù)。研究計(jì)算了氣象站點(diǎn)所在區(qū)域5種植被旬NDVI 序列與同期降水量、溫度序列之間的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 1998-2010年5種植被NDVI動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

區(qū)域NDVI隨時(shí)間周期性地升高和降低是植被生長周期的典型體現(xiàn)，夏、秋季植被覆蓋度較高，春、冬季植被覆蓋度較低。13年間研究區(qū)域旬NDVI呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，年最大值多出現(xiàn)在7～8月份，為0.3～0.5。2000和2001年旬NDVI較低，植被生長情況較差。13年間旬NDVI雖然呈現(xiàn)較為規(guī)律的周期性變化，但是整體趨勢(shì)并沒有明顯的變化。不同植被類型區(qū)旬NDVI總體表現(xiàn)為羊草（多倫）>大針茅、克氏針茅（錫林浩特）>克氏針茅、糙隱子草（阿巴嘎）>沙地錦雞兒、柳蒿灌叢（朱日和）>戈壁針茅（二連浩特）（圖2a、圖2b）。

戈壁針茅草原旬NDVI整體偏低，旬NDVI每年最大值為0.2～0.3。由于旬NDVI整體平均值低，變化幅度并不很大，季節(jié)性變化不明顯?？耸厢樏?、糙隱子草草原13年間植被覆蓋度年周期性變化明顯，夏、秋季植被覆蓋度較高，NDVI年的季節(jié)變化明顯；NDVI最大值多出現(xiàn)在8月中下旬到9月上旬，最大值為0.3～0.4。大針茅、克氏針茅草原NDVI年周期性變化明顯，年最大值多出現(xiàn)在7月下旬到8月，最大值為0.35～0.50。沙地錦雞兒、柳蒿灌叢13年間植被覆蓋度整體也偏低，NDVI年最大值多出現(xiàn)在7月下旬到8月，最大值為0.25～0.35，季節(jié)性變化不明顯，但略高于戈壁針茅草原。羊草草原13年間植被覆蓋度年周期性變化顯著，夏季植被覆蓋度較高；旬NDVI年最大值多出現(xiàn)在7月下旬到8月，最大值約為0.5。

2.2 全序列植被旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)分析

每一種植被旬NDVI與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系表明，氣溫與不同植被旬NDVI的相關(guān)程度依次為羊草，大針茅、克氏針茅，克氏針茅、糙隱子草，戈壁針茅，沙地錦雞兒、柳蒿灌叢，這與其旬NDVI大小順序一致；降水與旬NDVI的相關(guān)程度依次為羊草，克氏針茅、糙隱子草，沙地錦雞兒、柳蒿灌叢，大針茅、克氏針茅，戈壁針茅（表2）。植被旬NDVI與降水和溫度的相關(guān)系數(shù)均以戈壁針茅草原最低，以羊草草原最高。此外，在各個(gè)植被類型區(qū)，旬NDVI與溫度的相關(guān)系數(shù)均高于其與降水的相關(guān)系數(shù)。

2.3 生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)分析

為了進(jìn)一步揭示旬尺度上各植被NDVI與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算了年內(nèi)植被5～9月旬NDVI序列與前1～4旬的氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)，以及植被年間生長期旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)。

2.3.1 年內(nèi)生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)分析 1998-2010年生長期內(nèi)不同植被旬NDVI 序列與同期及前期（前1～4 旬） 降水序列之間的相關(guān)系數(shù)表明，降水對(duì)植被旬NDVI的滯后效應(yīng)與草原植被類型有關(guān)（圖3）。對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)的5種植被類型，旬NDVI與同期降水量的相關(guān)系數(shù)最低，隨時(shí)間向前推移，相關(guān)系數(shù)升高后又下降，說明降水對(duì)植被旬NDVI的影響存在滯后效應(yīng)。不論滯后期長短，均以戈壁針茅草原和大針茅、克氏針茅草原旬NDVI與降水量的相關(guān)性較弱。從降水的滯后效應(yīng)來看，降水對(duì)植被旬NDVI影響的滯后期為前2～3旬。

1998-2010年生長期內(nèi)植被旬NDVI 序列與同期及前期（前1～4旬）氣溫序列之間的相關(guān)系數(shù)表明，5種植被類型旬NDVI變化對(duì)氣溫的響應(yīng)也有滯后效應(yīng)，氣溫對(duì)羊草草原、大針茅和克氏針茅草原、克氏針茅和糙隱子草草原影響的滯后期為2～3旬，對(duì)戈壁針茅草原和沙地錦雞兒、柳蒿灌叢草原影響的滯后期為4旬（圖4）。對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)的5種植被類型，旬NDVI與同期溫度的相關(guān)系數(shù)最低，隨時(shí)間的向前推移，相關(guān)系數(shù)升高后又下降。溫度變化與植被旬NDVI的關(guān)系密切程度表現(xiàn)為羊草>大針茅和克氏針茅>克氏針茅、糙隱子草>沙地錦雞兒、柳蒿灌叢>戈壁針茅，這一表現(xiàn)與全序列二者之間的關(guān)系一致，也與旬NDVI的高低順序一致。

此外，植被旬NDVI與同期降水和溫度的相關(guān)系數(shù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，在年內(nèi)生長期內(nèi)5種植被類型旬NDVI與溫度的相關(guān)性均高于其與降水的相關(guān)性。

2.3.2 年際生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關(guān)分析 不同年份不同植被生長期的大部分時(shí)間內(nèi)，旬NDVI與同期降水量多呈正相關(guān)關(guān)系（圖5），尤其是植被快速生長的6～7月。從總體來看，1998-2010年旬NDVI與同期降水量的相關(guān)系數(shù)波動(dòng)較大，變化趨勢(shì)不明顯。但是，生長期間旬NDVI最高值較大的植被類型，如羊草草原、克氏針茅和糙隱子草草原、沙地錦雞兒和柳蒿灌叢草原，其旬NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)波動(dòng)較大；生長期間NDVI最高值較小的植被類型，如戈壁針茅草原和大針茅、克氏針茅草原，其旬NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)波動(dòng)較小。

1998-2010年旬NDVI與同期溫度的相關(guān)系數(shù)波動(dòng)較大，變化趨勢(shì)不明顯，但是不同年份不同植被生長期的大部分時(shí)間內(nèi)，旬NDVI與同期溫度多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而，在溫度較低的時(shí)段內(nèi)，即5月的返青期和9月的成熟期旬NDVI與同期溫度多呈正相關(guān)關(guān)系，而在生長中期多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6）。

3 結(jié)論與討論

1）長時(shí)間序列旬NDVI數(shù)據(jù)的周期性變化較好地反映了研究區(qū)域各種植被類型隨著季節(jié)而變化的生長發(fā)育情況。從整體上來講，5種典型的草地類型旬NDVI表現(xiàn)為羊草草原旬NDVI>大針茅、克氏針茅草原旬NDVI>克氏針茅、糙隱子草草原旬NDVI>草原沙地錦雞兒、柳蒿灌叢旬NDVI>戈壁針茅草原旬NDVI。

2）1998-2010年研究區(qū)域5種植被類型全年旬NDVI序列與同期降水量和溫度的相關(guān)系數(shù)表明，5種植被全序列旬NDVI與降水量和溫度均呈正相關(guān)關(guān)系，且旬NDVI與溫度的相關(guān)系數(shù)高于其與降水量的相關(guān)系數(shù)，即同一植被類型受氣溫影響強(qiáng)于降水。這一結(jié)論與在我國西南喀斯特地區(qū)[30]、東北地區(qū)[28]、貴州省[15]、北方13省[31]、松花江流域[32]等地區(qū)開展的研究結(jié)論一致，但卻與中國北方溫帶草原的研究結(jié)果不同[17]。

3）年內(nèi)生長期間植被旬NDVI和氣溫的相關(guān)性高于其與降水的相關(guān)性，氣溫、降水對(duì)不同植被的影響具有滯后效應(yīng)，滯后期長短因植被而異，說明不同植被類型對(duì)氣候變化有不同的響應(yīng)特征[15]；溫度影響較一致，但降水的影響差異較大。在此次研究中，5種植被類型旬NDVI和氣溫的相關(guān)性均高于其與降水的相關(guān)性，雖然與眾多研究結(jié)果相一致[15，28，30-32]，但辜智慧等[21]認(rèn)為以羊草為主的典型草原，溫度比降水的影響大；在以克氏針茅為主的典型草原，降水的影響高于溫度；在大針茅為主的草原，兩者與旬NDVI變化量的相關(guān)性相差不大；在荒漠草原，降水是最主要的影響因子，同期的溫度作用并不大。此外，此次研究中，溫度和降水對(duì)5種植被類型旬NDVI影響的滯后期均在40 d以內(nèi)，較相關(guān)研究的滯后期短[33]。

4）不同年份不同植被生長期的大部分時(shí)間內(nèi)，旬NDVI與同期降水量多呈正相關(guān)關(guān)系，而與溫度多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（尤其是生長中期）。分析表明在植被快速生長期降水量對(duì)植被生長有重要的促進(jìn)作用，而氣溫在植被生長初期和成熟期與植被旬NDVI呈現(xiàn)正相關(guān)性，這與在美國大平原的研究結(jié)論一致[34]，說明氣溫升高引起的生長期提前和生長季延長是植被覆蓋度增加的一個(gè)重要原因[32]，而植被生長中期氣溫升高會(huì)加速植物的蒸騰作用和地表的蒸散，進(jìn)而抑制草原植被的生長[19，34]。

5）1998-2010年植被全序列旬NDVI與降水、溫度均呈正相關(guān)，而年際生長期內(nèi)的相關(guān)系數(shù)變化較復(fù)雜，但所反映出的植被旬NDVI與溫度和降水等氣象因子的相互關(guān)系更符合植被生長發(fā)育規(guī)律。因?yàn)槿甑臄?shù)據(jù)序列分析中，春季和冬季的旬NDVI較低，與溫度和降水變化的一致性較高，故相關(guān)系數(shù)也較高，結(jié)論的可靠性降低；生長期內(nèi)，年內(nèi)和年際植被旬NDVI與降水和溫度的相關(guān)性分析可以很好地揭示氣象因子與植被生長發(fā)育的相關(guān)性。

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