天山北坡NDVI對氣候因子響應(yīng)的敏感性分析

徐麗萍+郭鵬+劉琳+張正勇+李慧婷

摘要：利用1982—2006年8 km×8 km的NASA/GIMMS半月合成的歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)集和天山北坡烏魯木齊、石河子、克拉瑪依等11個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)分析了天山北坡NDVI動態(tài)變化與氣溫、降水變化的響應(yīng)特征及敏感性。結(jié)果表明，25年來，天山北坡的NDVI呈波動性增加的趨勢，植被覆蓋增加;并且在全球背景下氣溫和降水也呈現(xiàn)不同程度的增加，氣候暖濕化趨勢明顯;年際NDVI與年均氣溫存在一般正相關(guān)，與降水存在極顯著正相關(guān);主要生長季NDVI變化與同期氣溫存在較低正相關(guān)，與降水存在極顯著正相關(guān);進(jìn)行滯后分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)月NDVI與前月氣溫呈負(fù)相關(guān)，與前月降水存在極顯著正相關(guān)。說明天山北坡NDVI對氣溫的敏感性比較低，對降水的敏感性較高。

關(guān)鍵詞：天山北坡;植被指數(shù)（NDVI）;氣候因子;敏感性

中圖分類號：Q142 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）19-5116-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.016

The Sensitivity of Vegetation Index and Climate Factors

in North Tianshan Mountain

XU Li-ping，GUO Peng，LIU Lin，ZHANG Zheng-yong，LI Hui-ting

（College of Science，Shihezi University，Shihezi 832003， Xinjiang，China）

Abstract： Using 8 km × 8 km NASA/GIMMS half of the synthesis of the normalized new NDVI （normalized difference vegetation index） data set and the meteorological data of eleven sites in north Tianshan mountain， NDVI dynamic changes with the temperature and the relationship between the change of precipitation from year 1982 to 2006 was analyzed. The results showed that during 25 years， NDVI in north Tianshan mountain increased in fluctuation and the vegetation cover increased. The temperature and precipitation increased in the different degrees under the global environment. The annual NDVI and annual temperature was positively correlated while the change of main growing season was positively correlated with precipitation. The lagging analysis showed that NDVI was negatively correlated with the temperature of the previous month and positively correlated with precipitation of previous month. The sensitivity of the NDVI temperature was low while the sensitivity of precipitation was high in the north Tianshan mountain.

Key words： north Tianshan mountain; vegetation index; climate factor; sensitivity

植被在全球變化研究中充當(dāng)“指示器”的作用[1]。研究植被覆蓋變化與氣候因子的相互關(guān)系已經(jīng)成為全球變化研究的一個(gè)重要領(lǐng)域[2-4]。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是用于植被動態(tài)監(jiān)測的有效指標(biāo)，近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用NDVI對地表植被覆蓋變化及其與氣溫、降水之間的關(guān)系和響應(yīng)特征作了大量研究。國外學(xué)者通過對位于中低緯度的美國中部地區(qū)、歐亞大陸以及非洲等地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)降水量是影響NDVI變化的主要因素[5-9];而對位于高緯度的北美洲北部以及北極地區(qū)的研究卻表明NDVI變化與溫度關(guān)系密切[10-12]。國內(nèi)學(xué)者在分析全國范圍植被變化與氣候關(guān)系的研究中也發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)對氣候的響應(yīng)存在著區(qū)域差異[13-20]。孫紅雨等[13]認(rèn)為，在東部濕潤季風(fēng)區(qū)，沿同一經(jīng)線分布的地表植被指數(shù)主要受熱量條件的影響，西北干旱半干旱地區(qū)植被指數(shù)和月平均降水量有較大正相關(guān)。前人的相關(guān)研究由于研究區(qū)域的時(shí)空尺度與分析方法不同，所得觀點(diǎn)和結(jié)論不盡相同，且多數(shù)研究分析方法單一，都是基于植被指數(shù)與氣候因子的簡單相關(guān)分析，針對NDVI對氣候因子響應(yīng)及敏感程度及敏感閾值方面還沒有開展深入研究。本研究克服了以上缺點(diǎn)，綜合采用斜率法、相關(guān)分析法、空間分析等方法分析天山北坡1982～2006年25年NDVI時(shí)空動態(tài)、對降水和溫度的響應(yīng)特征及敏感性，以期揭示出該區(qū)25年植被覆蓋變化對全球變暖背景下主要?dú)夂蛞蜃拥拿舾谐潭?，為有針對性地指?dǎo)該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?研究區(qū)域概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是我國西北干旱區(qū)的一個(gè)大幅度、多層次而有規(guī)律的、典型的“山盆系統(tǒng) （MODS）”[21]，主要系天山山脈中段博格達(dá)山、依連哈比乃山和婆羅科努山分水嶺以北的區(qū)域，面積95 598 km2。包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、昌吉市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、沙灣縣、烏蘇市、奎屯市、奇臺縣、吉木薩爾縣、木壘縣和精河縣等。天山北坡屬內(nèi)陸干旱區(qū)，夏季炎熱干旱，冬季寒冷多風(fēng)，年平均降水量220 mm，年平均蒸發(fā)量1 817 mm，年均氣溫6.9 ℃。研究區(qū)中有較為多樣的半灌木與小喬木荒漠植被類型，此外，位于山帶的山地植被及位于人工綠洲區(qū)的耕地植被也是研究區(qū)的重要植被類型。

2 ?數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 ?數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)由美國航空航天局（NASA）全球監(jiān)測與模型研究組（Global Inventor Modeling and Map-ping Studies，GIMMS）發(fā)布，空間分辨率為8 km×8 km，時(shí)間范圍從1982年至2006年共25年，該數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何精校正、輻射校正、大氣校正等預(yù)處理[13]。

1982～2006年氣溫、降水等數(shù)據(jù)來自新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心提供的北疆35個(gè)基本氣象臺站的月均溫和月均降水?dāng)?shù)據(jù)，選取天山北坡數(shù)據(jù)完整的11個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，處理得到每年的年均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，季均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.2 ?處理方法

2.2.1 ?植被覆蓋特征分析方法 ?遙感影像用遙感圖像處理軟件ERDAS 9.1、ENVI 4.2進(jìn)行處理。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，使其校正到UTM投影系統(tǒng)下。在ERDAS 9.1中對GIMMS數(shù)據(jù)（1982～2006）進(jìn)行批處理，然后裁切出天山北坡，采用最大值合成法（Maximum value composite，MVC）將每月2期半月NDVI合成月NDVI，以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角的部分干擾，取1年12個(gè)月NDVI平均值代表年均NDVI;取3～5月均值代表春季NDVI、6～8月均值代表夏季NDVI、9～11月均值代表秋季NDVI、12至翌年2月均值代表冬季NDVI;取4～9月NDVI平均值代表生長季NDVI。數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件處理。

2.2.2 ?斜率法 ?斜率法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋、生物量、NPP、物候以及農(nóng)作物產(chǎn)量的長期變化趨勢等方面[22，23]。本研究采用變化斜率的方法來研究NDVI時(shí)空演變趨勢，計(jì)算公式如下：

b=（1）

其中，i為年序號，n為時(shí)間長度，NDVI為基于像元的25年時(shí)間序列，采用生長季（4～9月）平均值。NDVI隨時(shí)間的變化斜率反映植被覆蓋的變化方向，斜率為正值表示植被覆蓋呈增加趨勢，為負(fù)值表示植被覆蓋呈減少趨勢，為0表示植被覆蓋無變化。NDVI變化百分率可表示25年NDVI的變化程度，計(jì)算方法如下：

NDVI變化百分率=×100%（2）

對斜率的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法。設(shè)置0.05（顯著）和0.01（極顯著）兩個(gè)顯著性水平。進(jìn)行植被覆蓋變化性質(zhì)和強(qiáng)度的判斷，通過t檢驗(yàn)作為NDVI顯著或極顯著增加或顯著或極顯著減少的趨勢判斷標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t值計(jì)算方法如下：

t=（3）

2.2.3 ?氣溫和降水空間插值法 ?為了減少因天山北坡海拔和地勢差異較大而造成的誤差，首先以ArcGIS為平臺，由DEM數(shù)據(jù)提取研究區(qū)坡度、坡向，然后運(yùn)用反距離插值法繪制研究區(qū)氣溫和降水空間分布圖。然后在此插值基礎(chǔ)上運(yùn)用經(jīng)過修正的插值方法進(jìn)行計(jì)算，得出最終的氣溫、降水變化趨勢圖。

2.2.4 ?相關(guān)分析法 ?NDVI與相應(yīng)氣溫和降水等氣候因子之間的敏感性分析采用相關(guān)分析法進(jìn)行分析。先將提取的NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到Excel中用趨勢線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，再用SPSS軟件的相關(guān)分析得出年均、季均、典型生長季月均NDVI與同期氣溫、降水之間的相關(guān)系數(shù)，并把該相關(guān)系數(shù)繪成NDVI與氣溫、NDVI與降水的相關(guān)性分布圖。最后通過1982～2006年年均NDVI與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行二項(xiàng)式線性擬合，可以分析出年平均NDVI與氣溫、降水的敏感閾值范圍。由此確定植被指數(shù)對氣候因子的敏感程度。

3 ?結(jié)果與分析

3.1 ?天山北坡NDVI的時(shí)間特征

由NDVI年際變化曲線（圖1a）可以看出，天山北坡1982～2006年年均NDVI整體呈波動上升趨勢，植被覆蓋有所增加，25年間年平均增長0.06%，植被覆蓋增長比較緩慢。而典型生長季的月平均NDVI的變化呈現(xiàn)單峰趨勢（圖1b），最大值出現(xiàn)在7月。

3.2 ?天山北坡生長季NDVI變化的空間特征

典型生長季NDVI平均值變化基本可以代表當(dāng)年植被生長狀況[14]，利用斜率法對天山北坡山區(qū)近25年生長季累積NDVI變化趨勢進(jìn)行了分析，計(jì)算的斜率為負(fù)值時(shí)，表示其植被覆蓋呈減少趨勢，反之，植被覆蓋呈增加趨勢，趨勢顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)，根據(jù)研究區(qū)各像元NDVI變化趨勢和顯著性水平，將變化趨勢分為三類：顯著增加（P<0.05）、顯著減少（P<0.05）、變化不顯著（P >0.05）（圖2）。分析可知25年該區(qū)NDVI顯著增加的區(qū)域面積占該區(qū)的39.02%;生長季NDVI顯著減少的面積僅占1.00%（表1）。由此可見，25年間該區(qū)生長季NDVI在空間分布上總體呈現(xiàn)增長趨勢。顯著增長區(qū)域主要位于天山北坡山區(qū)、山前平原區(qū)，顯著減少的地方有伊犁谷地南部、博爾塔拉谷地北部、天山北坡山區(qū)東段等區(qū)域，面積較小且零散。

3.3 ?天山北坡氣溫與降水的變化

3.3.1 ?天山北坡氣溫與降水的年際變化 ?天山北坡1982～2006年平均氣溫、年降水的變化總體呈上升趨勢（圖3）。1982～2006年平均氣溫年增率為0.091 ℃/年（圖3 a），1982～2006年降水年增率為1.522 mm/年（圖3 b）。說明在全球變暖背景下，天山北坡從20世紀(jì)80年代以來氣候暖濕化趨勢較為明顯。

3.3.2 ?天山北坡氣溫與降水的空間分布

1）氣溫的空間特征。天山北坡年均氣溫空間分布呈現(xiàn)由西向東遞減的特點(diǎn)（圖4），其中在西部形成兩個(gè)高溫中心，分別是以阿拉山口和克拉瑪依為代表的地區(qū)，年均氣溫達(dá)到9 ℃，東部的低溫中心位于以北塔山為代表的高山林地，年均氣溫3 ℃左右。

2）降水空間特征。天山北坡年均降水量空間分布呈現(xiàn)“三中心”的特征（圖4）。以達(dá)坂城為代表的山區(qū)東段為低降水量中心，年均降水量僅有80 mm左右，該中心周邊區(qū)域降水量逐漸增加，造成這一現(xiàn)象的原因是達(dá)坂城地區(qū)三面環(huán)山，西面開闊，呈半封閉狀態(tài)，使得東亞夏季風(fēng)和西風(fēng)氣流均無法帶來潮濕空氣，所以降水量極低;以溫泉和烏魯木齊為中心形成降水量較多的區(qū)域，年均降水量高達(dá)300 mm左右，周邊地區(qū)降水逐漸減少。

3.4 ?天山北坡NDVI對氣候因子的敏感性分析

3.4.1 ?對氣溫的敏感性 ?對天山北坡年均NDVI與年均氣溫，季均NDVI對季均氣溫，典型生長季季均NDVI對同期平均氣溫，月均NDVI對月均氣溫，以及典型月月均NDVI與前一月的平均氣溫進(jìn)行了相關(guān)分析（表2）。結(jié)果表明，年平均NDVI與年平均氣溫呈正相關(guān)，但是顯著性并不高。春季季均NDVI與春季季均氣溫呈正相關(guān);夏季季均NDVI與夏季季均氣溫呈顯著正相關(guān);秋季季均NDVI與秋季季均氣溫與春季相類似;冬季季均NDVI與冬季季均氣溫呈較低正相關(guān)關(guān)系。生長季平均NDVI與同期平均氣溫呈極顯著正相關(guān)。滯后分析中典型月平均NDVI與前月平均氣溫呈負(fù)相關(guān)。

對研究區(qū)1982～2006年間年平均NDVI與年平均氣溫進(jìn)行趨勢線分析（圖5 a）。隨著年平均氣溫的增加，年均NDVI也增加，則植被覆蓋度也逐漸升高。當(dāng)年均氣溫在7.5 ℃時(shí)，植被長勢最好;在年均氣溫6.5～8.3 ℃植被生長旺盛，這是年均NDVI對年均氣溫敏感的閾值范圍。

3.4.2 ?對降水的敏感性 ?對天山北坡1982～2006年年均NDVI與年均降水量、季均NDVI對季均降水量、典型生長季平均NDVI對同期平均降水量、前月平均降水量對當(dāng)月平均NDVI進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，年平均降水量和年平均NDVI存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。春季季均NDVI與春季季均降水量相關(guān)系數(shù)為0.983，呈正相關(guān);夏季季均NDVI與夏季季均降水量呈一般正相關(guān);秋季季均NDVI與秋季季均降水量的相關(guān)性比春季高;冬季季均NDVI與冬季季均降水量呈較低負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)程度并不高。說明季均NDVI對季均降水量的敏感性不高。在生長季季均NDVI與季均降水量的相關(guān)性呈較低正相關(guān)。這可能是在降水本來就多的生長季，植被生長所需要的水分已經(jīng)很充足，植被呈良好長勢，多余的降水對植被沒有大的影響，另外在典型生長季，農(nóng)業(yè)植被主要靠灌溉，對降水敏感性低，因此相關(guān)程度并不高。時(shí)滯分析中用7月平均降水量對8月NDVI進(jìn)行相關(guān)分析，當(dāng)月平均NDVI與前月平均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.646，呈極顯著正相關(guān)，說明月均NDVI與前月平均降水量存在明顯滯后關(guān)系。

對研究區(qū)1982～2006年年均NDVI與年均降水量進(jìn)行趨勢線分析，表明在年平均NDVI與年平均降水量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。且年均降水量在100～200 mm時(shí)，點(diǎn)的分布較密集，說明此時(shí)段植被生長較好，植被覆蓋度高，這是年均NDVI對年均降水量敏感的閾值范圍（圖5b）。

4 ?小結(jié)與討論

4.1 ?小結(jié)

1）25年來，天山北坡的NDVI整體上呈增加的趨勢，植被覆蓋度也逐漸變好，但植被的覆蓋度增長比較緩慢。由同期氣溫和降水序列分析可知，氣候暖濕化現(xiàn)象較為明顯。

2）天山北坡年均NDVI和年均氣溫呈正相關(guān)，但顯著程度不高;春季、夏季、秋季、冬季季均NDVI與同期平均氣溫呈正相關(guān);生長季平均NDVI與同期平均氣溫的相關(guān)性呈極顯著正相關(guān)。

3）天山北坡年均NDVI和年均降水量呈極顯著正相關(guān);春季、夏季、秋季季均NDVI與同期平均降水量呈正相關(guān)，冬季季均NDVI與同期平均降水量呈負(fù)相關(guān);生長季季均NDVI與同期平均降水量的相關(guān)性呈較低正相關(guān)，說明在生長季階段，降水對植被的影響并不是很大。年均氣溫6.5～8.3 ℃是平均NDVI對年均氣溫敏感的閾值范圍，年均降水量在100～200 mm是NDVI對年均降水量敏感的閾值范圍。

4）天山北坡月均NDVI與月均氣溫、月均降水量都存在明顯的滯后關(guān)系。4月月均氣溫對5月月均NDVI滯后性影響明顯;7月月均降水量對8月月均NDVI滯后性影響非常明顯。

4.2 ?討論

天山北坡年均NDVI對氣溫的敏感性較低，而對降水的敏感性高;季均NDVI受氣溫影響大于降水，特別是夏季尤為突出，表明季節(jié)NDVI對氣溫的敏感性更高。典型生長季NDVI對氣溫的敏感性高于對降水的敏感性。典型生長季當(dāng)月NDVI對前月降水的敏感性高于前月氣溫。由分析可知，天山北坡植被覆蓋變化與氣候因子有一定相關(guān)關(guān)系，但在不同時(shí)段敏感性有差異，說明氣候變化是天山北坡植被覆蓋時(shí)空變化的重要影響因素，但非氣候因素的影響也不容忽視。植被受到氣候因子影響的同時(shí)也受到其他驅(qū)動因子的影響。這些驅(qū)動因子包括快速增加的城市化生活和人類活動以及社會經(jīng)濟(jì)因素。如果能嘗試其他地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來探索量化這些因素作用的強(qiáng)度且進(jìn)行更長時(shí)間序列的研究，對天山北坡農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的指導(dǎo)分析會更全面。

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（責(zé)任編輯 ?鄭 ?威）

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（責(zé)任編輯 ?鄭 ?威）

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯 ?鄭 ?威）