新疆2000 －2012 年NDVI、降水和RUE 的時(shí)空特征

李春娥，劉秋榮，張麗君

(1．新疆氣象培訓(xùn)中心，新疆 烏魯木齊830013;2．新疆哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密839000)

降水量是陸表植被組成的主要影響因素，因植被生長(zhǎng)的地區(qū)和植被類型不同，降水量對(duì)其的影響程度也不一樣。特別是在干旱和半干旱區(qū)域，降水量總體偏少，降水時(shí)間和大小對(duì)植被生長(zhǎng)影響更為明顯。植被降水利用率(Rain Use Efficiency，RUE)是植被光合作用生產(chǎn)的干物質(zhì)(或凈初級(jí)生產(chǎn)力，NPP)與降水量之比，對(duì)理解水循環(huán)有比較好的適用性。它反映了植被生長(zhǎng)與耗水特性之間的關(guān)系，是描述生態(tài)系統(tǒng)中植被生產(chǎn)力和健康狀況的一種綜合指標(biāo)。RUE 的變化與自然氣候、植被和土地類型關(guān)系緊密［1-2］。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)分析植被和降水的時(shí)空關(guān)系已成為研究植被特征的重要手段之一，RUE 更是作為荒漠化評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一［3-9］。目前，利用遙感手段研究植被和降水時(shí)空關(guān)系的文獻(xiàn)主要是從NOAA/AVHRR、MODIS 等影像數(shù)據(jù)的NDVI/EVI 等植被指數(shù)產(chǎn)品和氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析得出植被變化和氣候因子的時(shí)空分布關(guān)系［3-6］，或從植被指數(shù)反演產(chǎn)品(如植被蓋度、植被降水利用率)和水熱條件進(jìn)行分析研究［7-9］，研究方法主要采用相關(guān)性分析植被與氣候因子的相關(guān)情況［10-11］，采用趨勢(shì)變化等方法分析植被時(shí)空變化與其影響因子的響應(yīng)情況［12］。本研究以新疆區(qū)域作為研究區(qū)域，通過(guò)分析2000 －2012 年降水量、植被、RUE 的時(shí)空變化特征，研究干旱和半干旱區(qū)域植被對(duì)降水條件的響應(yīng)特征。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

新疆(73°40'－96°18' E，34°25' －48°10' N)深居內(nèi)陸，屬歐亞大陸干旱和半干旱氣候帶，“三山夾兩盆(阿爾泰山、準(zhǔn)格爾盆地、天山、塔里木盆地和昆侖山)”地貌格局對(duì)區(qū)域內(nèi)的氣候和植被產(chǎn)生了重要的影響，新疆地區(qū)的植被類型主要有草原、森林、灌叢、草甸等，綠洲與自然植被比重較小，植被整體稀疏，存在生態(tài)環(huán)境極其脆弱、荒漠化嚴(yán)重、土地生產(chǎn)力低等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。降水量的多少對(duì)植被生長(zhǎng)影響較大，但由于地域特殊的地表特征，不容易形成地表徑流，因此RUE 是影響植被長(zhǎng)勢(shì)的重要因素之一［11］。

1．2 研究數(shù)據(jù)

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括，1)氣象數(shù)據(jù):從中國(guó)氣象局提供的2000 －2012 年6 －9 月逐月降水?dāng)?shù)據(jù)中(http://www． escience． gov． cn/metdata/page/index．html)，選取新疆及周邊省份、自治區(qū)77 個(gè)氣象站點(diǎn)地面觀測(cè)數(shù)據(jù);2)遙感影像數(shù)據(jù):從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www． gscloud． cn/)下載覆蓋新疆地區(qū)的2000 －2012 年6 －9 月Terra 星陸地標(biāo)準(zhǔn)月植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13A3)，提取研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index，NDVI)數(shù)據(jù)，涉及h23v04、h23v05、h24v04、h24v05、h25v04 和h25v05 共6 景，空間分辨率為1 000 m;3)土地利用類型圖:中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)研究所提供的2000 年1∶ 400 萬(wàn)數(shù)據(jù)。

1．3 研究方法

RUE 一般是通過(guò)NPP 與降水量的比值計(jì)算的，但由于植被對(duì)降水具有響應(yīng)的滯后性，一般在40 ～60 d，因此，本研究采用與NDVI 相應(yīng)時(shí)間的前兩月降水累計(jì)值代替降水量［13-16］，考慮到NDVI 和NPP具有較強(qiáng)的相關(guān)性，采用月NDVI 代替NPP 值計(jì)算RUE［17］，研究時(shí)間段為6 －9 月(主要考慮降水集中時(shí)間段)，平均值統(tǒng)計(jì)范圍為6 －9 月。

采用距平百分率(Anomaly)，用“實(shí)測(cè)值－同期歷史均值)/同期歷史均值”表示，反映了某一時(shí)段某指標(biāo)與同期平均狀態(tài)的偏離程度［18］)方法計(jì)算2000－2012年期間年降水量、年RUE 的距平百分率。

考慮到最小二乘法(Ordinary Least Squares，OLS)可以用簡(jiǎn)單公式處理極值問(wèn)題、最小絕對(duì)偏差(Least Absolute Deviations，LAD)擬合結(jié)果不容易受到個(gè)別異常點(diǎn)影響的優(yōu)勢(shì)，本研究采用兩種相結(jié)合的方式建立降水量、NDVI 和RUE 與年份的線性關(guān)系，通過(guò)兩種方法求得的斜率代表2000 －2012 年各指標(biāo)的變化趨勢(shì)［19-21］，具體公式如下:

式中，θslope表示斜率，n 表示年份，本研究中取2000，2001，…，2012。

1．4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括預(yù)處理和疊加運(yùn)算，預(yù)處理包括2000 －2012 年6 －9 月的312 景影像數(shù)據(jù)的投影、降水量數(shù)據(jù)克里金空間插值(Kriging)和土地利用類型數(shù)據(jù)合并(水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地類型暫不考慮)［22-24］，合并方案詳見(jiàn)表1。疊加計(jì)算包括RUE 數(shù)據(jù)、NDVI、降水量和RUE 年距平百分率和年變化斜率的生成，具體流程詳見(jiàn)圖1。

2 結(jié)果

2．1 2000 －2012 年降水量時(shí)空分布

2000 －2012 年期間，新疆區(qū)域伊犁河谷月平均降水量最高，在300 mm 以上，由此向東南呈逐漸減少的趨勢(shì);其次，西天山沿線、準(zhǔn)格爾盆地西部山區(qū)和北塔山地區(qū)月平均降水量在200 ～300 mm，準(zhǔn)格爾盆地東部、北塔山南部峽谷和塔里木盆地月平均降水量最低，低于200 mm，特別是塔克拉瑪干、羅布泊區(qū)域在50 mm 以下，甚至為0 mm(圖2)。

13 年間，除準(zhǔn)格爾盆地部分山區(qū)外的北疆地區(qū)、南疆吐魯番盆地和塔里木河、孔雀河流域土地類型多樣復(fù)雜，斜率在－11 ～0，年降水量呈緩慢的遞減趨勢(shì)。南疆地區(qū)，沿昆侖山山脈和塔里木盆地南緣年降水量呈遞增趨勢(shì)，阿爾金山地區(qū)和昆侖山東麓的峽谷地帶降水量遞增趨勢(shì)較明顯，此地區(qū)多為草地、沙地、戈壁等未利用土地，斜率在0 ～6?？傊陆畢^(qū)域近13 年降水量整體上北疆呈不同程度的遞減趨勢(shì)，南疆大部分地區(qū)呈不同程度的遞增趨勢(shì)，整體而言遞增和遞減趨勢(shì)集中在0 ～3 和－3 ～0之間(圖3)。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig．1 Data processing flow

圖2 2000 －2012 年月平均降水量(mm)Fig．2 Monthly mean precipitation(mm)in 2000 －2012

2．2 2000 －2012 年NDVI 時(shí)空分布

2000－2012 年期間，新疆區(qū)域月平均NDVI 呈西北向東南遞減的趨勢(shì)，天山沿線、伊犁河谷、準(zhǔn)格爾西部山區(qū)、阿勒泰山區(qū)、塔里木盆地北部和西部的綠洲地區(qū)NDVI 平均值在0．4 以上，植被長(zhǎng)勢(shì)較好。其他區(qū)域多為沙漠、戈壁，NDVI 平均值在0．2 以下(圖4)。

圖3 2000 －2012 年降水量變化斜率Fig．3 Change slope of annual precipitation in 2000 －2012

13年間，西天山、伊犁河谷、阿勒泰山山區(qū)、準(zhǔn)格爾西部山區(qū)和昆侖山南坡有零星區(qū)域年NDVI 呈遞減趨勢(shì)，此地區(qū)多為耕地、林地和草地等土地類型，斜率在－0．053 ～0 之間。南疆大部分地區(qū)和北疆準(zhǔn)格爾盆地年NDVI 呈遞增趨勢(shì)，此地區(qū)多為沙地、戈壁、鹽堿地、裸土和沼澤等未利用類土地，斜率在0 ～0．067 之間。整體而言遞減趨勢(shì)較遞增趨勢(shì)較緩(圖5)。

圖4 2000 －2012 年月平均NDVIFig．4 Monthly mean NDVI in 2000 －2012

圖5 2000 －2012 年NDVI 變化斜率Fig．5 Change slope of annual NDVI in 2000 －2012

2．3 2000 －2012 年RUE 時(shí)空分布

2000 －2012 年期間，北疆阿勒泰山、西天山沿線、塔里木盆地周邊綠洲流域、吐魯番盆地東部區(qū)域月平均RUE 在0．008 ～0．092 NDVI 值·mm－1。準(zhǔn)格爾西部山區(qū)、伊犁河谷、孔雀河流域、塔里木盆地南 部 綠 洲 邊 緣 次 之，在 0． 004 ～ 0． 008 NDVI 值·mm－1。準(zhǔn)格爾盆地、北塔山、塔里木盆地、昆侖山、阿爾金山山脈沿線最低，在0 ～0． 002 NDVI 值·mm－1(圖6)。

13 年間，準(zhǔn)格爾盆地北部及其西部山區(qū)、吐魯番盆地、塔里木河流域、孔雀河流域、塔里木盆地西部羌河流域和阿爾金山沿線多為沙地、戈壁、草地等土地類型，年RUE 變化斜率在－0．03 ～0，呈遞減趨勢(shì)。阿勒泰北部山區(qū)、天山沿線、塔里木盆地腹地、昆侖山沿線土地類型多樣并存，年RUE 變化斜率在0 ～0．03，呈遞增趨勢(shì)，整體而言，遞增和遞減趨勢(shì)集中在0 ～0．03 和－0．03 ～0(圖7)。

圖6 2000 －2012 年月平均RUEFig．6 Monthly mean RUE in 2000 －2012

圖7 2000 －2012 年RUE 變化斜率Fig．7 Change slope of annual RUE in 2000 －2012

2．4 2000 －2012 年不同土地類型RUE 距平百分率年際變化特征

計(jì)算耕地、林地、草地和未利用土地4 種土地類型所對(duì)應(yīng)的13 年年RUE 距平百分率最小值、最大值和平均值(表2)。結(jié)果表明，從每年不同土地類型的RUE 距平百分率平均值整體情況來(lái)看，2001年(除耕地和林地類型RUE 距平百分率小于0)、2004 年(除耕地類型RUE 距平百分率小于0 外)、2006 年、2008 年和2009 年期間RUE 距平百分率平均值大于0，不同土地類型的植被對(duì)降水條件的響應(yīng)情況較好，表明2006 年、2008 年和2009 年植被對(duì)降水條件的響應(yīng)情況明顯好轉(zhuǎn)(圖8);其他年份RUE 距平百分率平均值小于0，不同土地類型的植被對(duì)降水條件的響應(yīng)情況較差，特別是2005 年各種土地類型RUE 距平百分率明顯下降。

表2 2000 －2012 年期間不同土地類型年RUE 距平百分率統(tǒng)計(jì)表Table 2 The statistical table of annual RUE in different land-use types in 2000 －2012

圖8 2006、2008 和2009 年RUE 距平百分率Fig．8 The RUE anomaly in 2006，2008，and 2009

3 討論

3．1 降水量和NDVI、RUE 的相關(guān)性分析

通過(guò)提取77 個(gè)臺(tái)站站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的13 年降水量、NDVI 和RUE 的平均值進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示，1)降水量和NDVI 的相關(guān)系數(shù)r 為0．23，降水量和RUE 的相關(guān)系數(shù)r 為－0．59，相比NDVI，降水量和RUE 的相關(guān)性較明顯，且呈負(fù)相關(guān)。

通過(guò)耕地、林地、草地和未利用土地4 種土地類型所對(duì)應(yīng)的13 年降水量、NDVI 和RUE 平均值的相關(guān)分析(表3)發(fā)現(xiàn)，1)降水量和NDVI 在4 種土地類型中相關(guān)系數(shù)r 均大于0，其中林地和草地類型的植被受降水的影響比較明顯，耕地類型中的植被長(zhǎng)勢(shì)受人為因素影響較大，未利用類型土地生產(chǎn)力不高，兩者受降水量的影響較小;2)降水和RUE 在4種土地類型中相關(guān)系數(shù)r 均小于0，降水對(duì)耕地類型RUE 的負(fù)面影響較大，對(duì)林地、草地和未利用土地RUE 的負(fù)面影響較?。?］。

新疆區(qū)域13 年月平均降水量和月平均NDVI的空間分布特征基本一致，表明在干旱和半干旱地區(qū)，植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)降水量的響應(yīng)比較明顯，降水量的多少在很大程度上影響著植被的分布狀況，新疆區(qū)域年降水量和年NDVI 呈遞增或遞減年際變化的區(qū)域大致相似，也說(shuō)明降水量對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)的有一定的影響。

RUE 與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力有關(guān)，且植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是水分、熱量和下墊面覆蓋相互作用的結(jié)果［9］，RUE 的影響因素較為復(fù)雜。13 年間，平均降水量和平均RUE 呈負(fù)相關(guān)，且年降水量和年RUE的年際變化趨勢(shì)相異，這主要是由于降水對(duì)RUE 的影響主要體現(xiàn)在降水對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，夏天過(guò)量的降水會(huì)抑制植被光合作用，在降水量增加到一定程度時(shí)，過(guò)量的降水反而抑制植被的生長(zhǎng)。2006 年、2008 年和2009 年3 年的RUE 距平百分率均為正值，與這3 年的RUE 距平百分率空間分布相一致，與這3 年的降水量距平百分率(圖9)的空間分布相異，從另一個(gè)角度表明降水與RUE 呈負(fù)相關(guān)。

表3 降水量與NDVI、RUE 的相關(guān)性Table 3 The correlation between precipitation and NDVI，RUE

3．2 NDVI 替換為NPP 的誤差分析

RUE 一般是通過(guò)NPP 和NDVI 的比值計(jì)算的，為減小NPP 模型產(chǎn)生的誤差，同時(shí)由于NPP 和NDVI 之間良好的相關(guān)性、植被指數(shù)對(duì)地面植被葉綠素變化的敏感性和高時(shí)空分辨率［25-26］，本研究采用NDVI 代替NPP 計(jì)算。由于NPP 和NDVI 產(chǎn)生的機(jī)理不同(NPP 表示光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，反映植被碳循環(huán)能力的大小，NDVI 是植被覆蓋指數(shù)，能夠反映出植物冠層的背景影響)，NDVI 對(duì)高蓋度植被區(qū)的反映情況較好，對(duì)低蓋度植被區(qū)有較大的誤差，受土壤背景的干擾比較強(qiáng)烈［27］，對(duì)土壤亮度、反射率的變化更敏感。

本研究的研究時(shí)間段是植被長(zhǎng)勢(shì)較好的生長(zhǎng)關(guān)鍵期，植被指數(shù)較全年情況較好，但仍有部分區(qū)域?yàn)槲蠢猛恋仡愋偷牡蜕w度植被區(qū)、積雪覆蓋區(qū)，土壤背景復(fù)雜，NDVI和NPP存在較大的誤差，對(duì)RUE的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生誤差的傳遞，最終影響部分研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 2006、2008 和2009 年降水量距平百分率Fig．9 The precipitation anomaly in 2006，2008，2009

4 結(jié)論

本研究主要分析新疆區(qū)域2000 －2012 年6 －9月降水集中的夏季時(shí)間段植被和降水量的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，近13 年來(lái)，NDVI 和降水量在時(shí)空分布上呈北疆遞減、南疆遞增的相似特征，降水量和RUE 在時(shí)空分布上呈現(xiàn)相異的特征，通過(guò)不同土地類型中降水量與NDVI 和RUE 的相關(guān)性分析也證明這點(diǎn)。但由于植被、RUE 影響因素的多樣性和復(fù)雜性，后續(xù)將對(duì)其他時(shí)間段、其他影響因素(例如:溫度、土壤肥力等)的變化特征做進(jìn)一步的分析和對(duì)比研究，同時(shí)對(duì)NDVI 代替NPP 計(jì)算的精度也需做進(jìn)一步驗(yàn)證和分析。

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