1982-2013年新疆不同植被生長(zhǎng)時(shí)空變化

許玉鳳，楊井,李衛(wèi)紅，方功煥，張淑花，鄧海軍，董杰

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011;

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252000)

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1982-2013年新疆不同植被生長(zhǎng)時(shí)空變化

許玉鳳1,2，楊井1*,李衛(wèi)紅1，方功煥1,2，張淑花1,2，鄧海軍1,2，董杰3

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011;

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252000)

摘要：基于逐像元一元線性回歸模型，應(yīng)用MODIS NDVI數(shù)據(jù)對(duì)AVHRR-GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列拓展，建立了1982-2013年間長(zhǎng)時(shí)間序列生長(zhǎng)季最大NDVI數(shù)據(jù)集，分析了新疆不同分區(qū)的生長(zhǎng)季植被NDVI變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明，1)北疆平原地區(qū)、南疆平原地區(qū)和南疆山地地區(qū)的植被NDVI變化呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，北疆山地地區(qū)的植被呈下降趨勢(shì)。2)水分條件和最低氣溫是影響新疆植被生長(zhǎng)的重要因素，但不同分區(qū)的影響程度不同。北疆平原地區(qū)植被受水分條件影響較大，其中最低氣溫對(duì)農(nóng)田植被影響較大；南疆平原地區(qū)植被受氣溫和降水的雙重作用；山地地區(qū)植被受水分條件影響較大。3)從不同植被類型來(lái)看，水分條件對(duì)草地的影響最大，其次是林地，農(nóng)田植被受水分條件的限制較小，與灌溉有著直接關(guān)系。4)增溫增濕的氣候條件有利于植被生長(zhǎng)；北疆山地地區(qū)植被退化趨勢(shì)受氣候變化、火災(zāi)、平原草地圍欄保護(hù)后放牧壓力向山地轉(zhuǎn)移等綜合因素的影響。

關(guān)鍵詞：歸一化植被指數(shù)；遙感數(shù)據(jù)融合；相關(guān)分析；南疆；北疆

全球變化對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的重大影響已毋庸置疑。而植被是生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)，是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其分布、組成、發(fā)生、發(fā)展與全球變化密切相關(guān)[1-3]。研究植被-氣候之間的關(guān)系已成為全球變化的主要研究焦點(diǎn)[4-8]。歸一化植被指數(shù)(normal difference vegetation index, NDVI) 能在大、中時(shí)空尺度上客觀反映植被覆蓋信息，是目前最為廣泛應(yīng)用的表征植被狀況的指數(shù)[3,7,9-11]，是植被生長(zhǎng)狀態(tài)的良好指示因子[7]。利用NDVI對(duì)植被變化進(jìn)行長(zhǎng)期定量分析能夠反映環(huán)境演變的過(guò)程及其與氣候變化的關(guān)系[12]。

中國(guó)西北干旱區(qū)沙漠化和荒漠化較嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對(duì)氣候變化反應(yīng)敏感[13-14]。而新疆植被作為西北干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是西北生態(tài)的重要屏障。在全球氣候變暖和人類活動(dòng)綜合影響下，新疆生態(tài)環(huán)境發(fā)生了重大變化。已有研究表明，新疆植被生長(zhǎng)總體狀況在增強(qiáng)[15-16]、局部區(qū)域有退化趨勢(shì)[17-18]，該區(qū)域植被變化對(duì)氣候變化反應(yīng)敏感[15,19-21]。

對(duì)于新疆植被變化的研究，主要包括：利用GIMMS NDVI數(shù)據(jù)側(cè)重于從宏觀上研究1982-2006年間的植被變化[15-16]；利用MODIS 數(shù)據(jù)側(cè)重于在縣域范圍上研究2000年以來(lái)的植被變化[17-18]。

目前對(duì)新疆植被變化的研究仍有以下不足：1)已有研究基于一種數(shù)據(jù)源，有時(shí)間的局限性，不利于探討長(zhǎng)時(shí)間序列植被變化及其與氣候因子間的關(guān)系[22]。國(guó)外學(xué)者通過(guò)融合不同數(shù)據(jù)源的遙感數(shù)據(jù)，研究長(zhǎng)時(shí)間序列植被變化[23-24]，但目前國(guó)內(nèi)在融合數(shù)據(jù)方面的研究較少，針對(duì)干旱區(qū)的就更少；2)已有研究大多從整個(gè)研究區(qū)或者從行政區(qū)域的角度進(jìn)行研究，基于不同自然地理特征進(jìn)行的研究較少；3)已有研究主要側(cè)重于年均氣溫和年降水量，結(jié)合其他氣象因子如潛在蒸散發(fā)的研究較少。

本文的研究目的在于：1)通過(guò)融合兩種遙感數(shù)據(jù)源，獲得1982-2013年長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集，結(jié)合DEM圖和土地覆蓋類型圖，分別獲取北疆和南疆平原地區(qū)和山地地區(qū)的不同植被類型的NDVI數(shù)據(jù)集；2)對(duì)30多年來(lái)新疆不同自然環(huán)境條件下的植被時(shí)空變化對(duì)氣象因子(即年降水量、年均氣溫、最低氣溫、最高氣溫和潛在蒸散發(fā)等)的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)具體區(qū)域的研究，為新疆因地制宜進(jìn)行生態(tài)安全建設(shè)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處亞歐大陸腹地，位于我國(guó)西北邊陲(73°32′-96°21′ E， 34°22′-49°33′ N)。山脈較多，北有阿爾泰山、南有昆侖山系、中有橫亙?nèi)车奶焐?。在阿爾泰山和天山之間為準(zhǔn)噶爾盆地，在昆侖山與天山之間為塔里木盆地，構(gòu)成了典型的“三山夾兩盆”的獨(dú)特地理環(huán)境。

新疆屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，光熱資源充足，日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)。橫亙?cè)谛陆胁康奶焐缴矫}，是新疆重要的地理分界線，其南北自然地理特點(diǎn)有明顯差異，在氣溫、降水及潛在蒸散發(fā)等氣候因子方面的變化明顯不同。北疆降水150~200 mm，南疆大部分地區(qū)在100 mm以下。北疆年均溫為-4~9℃，南疆平原年均溫為10~13℃。北疆潛在蒸散發(fā)為1100~1200 mm，南疆為1200~1300 mm。

由于特殊的地理位置、地形和氣候等條件的影響，新疆生態(tài)環(huán)境極為脆弱，植物種類稀少，覆蓋度低，類型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[25]。新疆植被主要分布在天山、阿爾泰山、昆侖山、阿爾金山等山地和準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地周邊的綠洲，其中河流沿岸是重要的植被分布區(qū)，形成典型的山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)。主要植被類型為農(nóng)田、林地和草地(圖1)，其中草地面積最大，是耕地面積的15倍，是森林面積的22倍，占全區(qū)植被面積的86%[25]。

新疆植被的空間分布規(guī)律為：北疆西部區(qū)域植被覆蓋高于其東部區(qū)域，山地植被覆蓋高于平原；南疆西部植被覆蓋高于其東部區(qū)域，平原植被覆蓋高于山地。

圖1　研究區(qū)土地類型Fig.1　The land cover types of the study area

不同地理環(huán)境條件下的植被類型對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度不同[26]。借鑒師慶東等[27]分區(qū)分海拔的研究方法，將北疆和南疆兩個(gè)地域單元的地形分別進(jìn)行平原和山地的劃分。本文將傳統(tǒng)意義上的東疆和南疆合稱為南疆。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1遙感數(shù)據(jù)AVHRR GIMMS數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，時(shí)間跨度為1982-2006年，時(shí)間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km×8 km。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)校正等處理，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。利用最大值合成法(maximum value composite, MVC)將每月的上、下半月數(shù)據(jù)合成整月數(shù)據(jù)。

MODIS數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA/EOS LPDAAC數(shù)據(jù)分發(fā)中心，為2001-2013年逐月的MODIS產(chǎn)品MOD13A3數(shù)據(jù)集(http://edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome)，時(shí)間分辨率為月數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km。利用MODIS網(wǎng)站提供的專業(yè)處理軟件MRT Tools對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、拼接處理。

利用新疆行政區(qū)劃圖裁剪出新疆地區(qū)1982-2006年和2001-2013年逐月NDVI的柵格數(shù)據(jù)。然后對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，得到與GIMMS數(shù)據(jù)相同分辨率的研究數(shù)據(jù)。由于NDVI<0.1的部分容易受到裸地條件的影響，因此只對(duì)NDVI>0.1的植被變化進(jìn)行研究。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)提供，包括新疆53個(gè)氣象站點(diǎn)1982-2013年的逐月氣溫、降水、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。利用Penman-Monteith公式[28]計(jì)算獲得各站點(diǎn)的潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。

根據(jù)各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，在ArcGIS軟件平臺(tái)上，對(duì)氣象數(shù)據(jù)(降水、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫和潛在蒸散發(fā))進(jìn)行Kriging空間插值，得到與NDVI數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的多年逐月氣象因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)集。通過(guò)數(shù)據(jù)掩膜、裁剪等獲取新疆地區(qū)氣象因子的柵格數(shù)據(jù)集。

1.2.3土地覆蓋類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，2000年的中國(guó)WESRDC土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分為6個(gè)大類：農(nóng)田、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地。

1.3研究方法

1.3.12007-2013年拓展數(shù)據(jù)的獲取本文利用AVHRR-GIMMS和MODIS兩種數(shù)據(jù)源重合階段(2001-2006年)的月數(shù)據(jù)，建立基于兩種數(shù)據(jù)源間的逐像元一元線性回歸模型，應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)GIMMS數(shù)據(jù)進(jìn)行拓展。逐像元一元線性回歸模型可以在每個(gè)像元上獲得最適合的回歸方程[22]。一元線性回歸模型的基本結(jié)構(gòu)形式為：

Gi=a+bVi+εi

(1)

式中，Gi為GIMMS數(shù)據(jù)，Vi為MODIS數(shù)據(jù)；參數(shù)a、b的估計(jì)使用最小二乘法；εi為隨機(jī)誤差；i為研究數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的年份。參數(shù)a、b的擬合值表達(dá)式為：

(2)

1.3.2估算潛在蒸散發(fā)

(3)

式中，Rn為地表面凈輻射(MJ/m2·d)，G為土壤熱通量(MJ/m2·d)，Tmean為2 m高平均溫度(℃)，U2為2 m高風(fēng)速(m/s)，vps為飽和水汽壓(kPa)，vp為實(shí)際水汽壓(kPa)，γ為干濕球常數(shù)(kPa/℃)，Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)。

(4)

式中，T為月平均溫度(K)。

對(duì)于凈輻射Rn的計(jì)算，采用：

(5)

(6)

1.3.3綠度變化率利用綠度變化率可以在每個(gè)像元的基礎(chǔ)上，利用一元線性回歸模型模擬研究期間的植被覆蓋隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式如下：

(7)

式中，k為綠度變化率，n為研究時(shí)間段內(nèi)的年數(shù)，xi為第i年的NDVI數(shù)值。k>0表示植被覆蓋呈增加趨勢(shì)，k<0表示植被覆蓋呈減小趨勢(shì)，k=0表示植被覆蓋沒(méi)有明顯變化。

1.4數(shù)據(jù)相關(guān)分析

生長(zhǎng)季NDVI是計(jì)算5-10月份NDVI平均值，利用土地覆蓋類型圖得到農(nóng)田、林地和草地的NDVI數(shù)據(jù)集。利用SPSS軟件，對(duì)1982-2013年新疆植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)(氣溫、降水、潛在蒸散發(fā))進(jìn)行線性動(dòng)態(tài)擬合和相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1拓展數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)基于逐像元一元線性回歸模型獲取的2001-2013年NDVI拓展數(shù)據(jù)的精度，本文基于新疆氣象站點(diǎn)提取2001-2006年GIMMS NDVI、MODIS NDVI和兩種數(shù)據(jù)源融合后的NDVI數(shù)據(jù)，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(圖2)。

GIMMS NDVI和融合后的NDVI數(shù)據(jù)的R2為0.9591(P<0.001)，GIMMS NDVI 與MODIS NDVI數(shù)據(jù)的R2為0.7769(P<0.001)。一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，基于逐像元一元線性回歸模型，應(yīng)用MODIS NDVI數(shù)據(jù)對(duì)GIMMS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列拓展，通過(guò)驗(yàn)證，延展數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，拓展數(shù)據(jù)可以用于NDVI時(shí)間序列分析。

2.2新疆植被時(shí)空變化分析

2.2.1新疆植被年際變化在過(guò)去的32 a里，新疆植被NDVI總體上呈顯著增加趨勢(shì)(R2=0.5742,P<0.001)，平均增加速度為0.17%/a，總體狀況呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)[29-30](圖3a)。

圖2　2001-2006年間融合數(shù)據(jù)NDVI、MODIS NDVI與GIMMS NDVI數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)Fig.2　Consistency check for time-series NDVI of fusion, MODIS NDVI and GIMMS NDVI from 2001 to 2006

圖3　1982-2013年(a)、1982-1999年(b)和2000-2013年(c)新疆植被NDVI的年際變化趨勢(shì)Fig.3　The vegetation change trend in Xinjiang from 1982 to 2013 (a), from 1982 to 1999 (b) and, from 2000 to 2013(c)

圖4　1982-2013年新疆植被空間變化趨勢(shì)Fig.4　The spatial trend of vegetation changein Xinjiang from 1982 to 2013

新疆植被增長(zhǎng)趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的階段性。植被生長(zhǎng)季NDVI的增加主要發(fā)生在1982-1999年(R2=0.6427,P<0.001)[15]，平均每年增加速度為0.35%，約是1982-2013年間增加速度的2倍多(圖3a,b)[31-32]。1999年以來(lái)，新疆植被生長(zhǎng)季NDVI的增長(zhǎng)速度開(kāi)始減緩，只有0.13%/a，整體的增速顯著性降低(R2=0.5242,P=0.003)，但是仍保持增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖3c)。

2.2.2新疆植被空間變化利用綠度變化率計(jì)算每個(gè)像元位置上的植被變化趨勢(shì)。研究表明植被變化增加趨勢(shì)和減小趨勢(shì)并存(圖4)。北疆天山北麓山前沖積平原、伊犁河谷、博州和哈密等區(qū)域的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，以及南疆塔里木盆地外緣水資源豐富的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，植被變化增加趨勢(shì)最顯著[15,33-35]；伊犁河谷周圍山地、塔城地區(qū)、阿爾泰山地南坡等區(qū)域[17,36-37]、和田地區(qū)東部等地區(qū)植被變化減小趨勢(shì)明顯[38]。

對(duì)新疆植被的空間變化狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究期間植被活動(dòng)沒(méi)有明顯變化的面積占研究區(qū)總面積的64.30%，主要分布在沙漠戈壁等無(wú)植被區(qū)或低植被覆蓋區(qū)；有增加趨勢(shì)的區(qū)域面積略小于有減小趨勢(shì)的區(qū)域，但是有顯著增加趨勢(shì)和極顯著增加趨勢(shì)的面積大于有顯著減小和極顯著減小趨勢(shì)的面積。新疆植被變化總體呈良好發(fā)展趨勢(shì)(表1)。

表1　不同綠度變化率的像元所占面積及百分比

。表2 北疆和南疆平原地區(qū)和山地地區(qū)的植被綠度變化率比較Table2 ThecomparisonofgreenrateofchangebetweenplainandmountainousinnorthernXinjiangandsouthernXinjiang植被類型Vegetationform北疆NorthernXinjiang平原地區(qū)Plainregion山地地區(qū)Mountainousarea南疆SouthernXinjiang平原地區(qū)Plainregion山地地區(qū)Mountainousarea農(nóng)田植被Cropland0.00936-0.001330.004820.00166林地Forestland0.00203-0.001390.001650.00014草地Grassland0.00109-0.001360.001130.00046

從總體上分析新疆植被變化可能會(huì)忽略不同地區(qū)不同植被類型的變化特征及其成因機(jī)理。因此本文從新疆的特殊地形地貌出發(fā),對(duì)不同地理分區(qū)的植被變化進(jìn)行具體分析。

對(duì)北疆和南疆不同分布區(qū)的植被空間變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2。研究期間,北疆平原地區(qū)、南疆平原地區(qū)和南疆山地地區(qū)的綠度變化率都是正值,表示植被變化呈增加趨勢(shì),尤其是平原地區(qū)的農(nóng)田植被增加趨勢(shì)顯著。北疆的山地地區(qū)植被綠度變化率呈現(xiàn)負(fù)值,說(shuō)明在研究期間其植被呈減小趨勢(shì),尤其是山地森林減小趨勢(shì)明顯。

2.3北疆和南疆平原地區(qū)和山地地區(qū)植被變化研究

2.3.1北疆平原地區(qū)植被變化研究期間，北疆平原地區(qū)NDVI總體上呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中農(nóng)田植被平均增長(zhǎng)速度為0.45%/a(R2=0.7623,P<0.001)；林地和草地平均增長(zhǎng)速度為0.12%/a(R2=0.2730,P=0.002;R2=0.2239,P=0.006)(圖5)。植被總體狀況良好，其中農(nóng)田植被增長(zhǎng)趨勢(shì)最大，林地和草地增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同。植被增長(zhǎng)最快的階段是在1982-1999年，之后農(nóng)田植被繼續(xù)顯著上升，林地和草地波動(dòng)性上升，上升幅度小于農(nóng)田植被。最近十幾年林地和草地沒(méi)有維持顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

表3　北疆平原地區(qū)植被NDVI與對(duì)應(yīng)的氣象因子的相關(guān)系數(shù)

注：“*”表示在0.05水平上顯著；“**”表示在0.01水平上顯著，均為雙側(cè)檢驗(yàn)。括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示顯著性程度。下同。

Note: “*” and “**” indicate significant correlation at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection. The digital in the blanket indicates the significant degree. The same below.

圖5　北疆平原地區(qū)植被NDVI及其對(duì)應(yīng)的氣象因子的變化趨勢(shì)Fig.5　The trends of vegetation NDVI and the corresponding meteorological factors in plain of northern Xinjiang　a、b、c分別表示農(nóng)田、林地和草地；1~6分別表示NDVI、年降水量、年均氣溫、最低氣溫、最高氣溫及潛在蒸散發(fā)。下同。a, b, c indicate cropland, forestland and grassland respectively; 1-6 indicate NDVI, annual precipitation, mean temperature, minimum temperature, maximum temperature and potential evaporation. The same below.

農(nóng)田植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.489,P=0.005)、平均氣溫(r=0.405,P=0.022)、最低氣溫(r=0.575,P=0.001)和潛在蒸散發(fā)(r=-0.363,P=0.041)之間有顯著相關(guān)關(guān)系，與最高氣溫(r=0.293,P=0.104)之間相關(guān)不顯著(表3)。研究期間，農(nóng)田植被降水年際變化波動(dòng)較大，上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0839,P=0.108)，年均增加1.1024 mm；1999年前后相比，降水量稍有增加，2010年較大。平均氣溫和最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯(R2=0.2491,P=0.004;R2=0.4244,P<0.001)，年均增加0.0395和0.0536℃；最高氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.1696,P=0.019)，年均增加0.0345℃。除了1984年氣溫降低較大外，1984年之后氣溫上升趨勢(shì)顯著。潛在蒸散發(fā)呈不顯著的下降趨勢(shì)(R2=0.0258,P=0.380)，年均減少0.8570 mm(圖5)。1990年之前潛在蒸散發(fā)在下降，1990-2000年之間波動(dòng)變化，2000年之后顯著上升。

林地生長(zhǎng)季NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.571,P=0.001)、潛在蒸散發(fā)(r=-0.525,P=0.002)之間有顯著相關(guān)關(guān)系，和平均氣溫(r=0.031,P=0.867)、最低氣溫(r=0.182,P=0.320)、最高氣溫(r=-0.038,P=0.837)呈不顯著相關(guān)關(guān)系(表3)。 研究期間，降水存在不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.0852,P=0.105)，年均增加1.1137 mm；1999年之前波動(dòng)較大，1999-2009年之間波動(dòng)較小，2009年之后波動(dòng)性較大。最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著(R2=0.3128,P=0.001)，年均增加0.0497℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.1735,P=0.018;R2=0.1236,P=0.048)，年均增加0.0370和0.0337℃。1984年氣溫最低，之后氣溫上升趨勢(shì)顯著。林地氣溫較農(nóng)田植被區(qū)稍低。潛在蒸散發(fā)呈不顯著下降趨勢(shì)(R2=0.0268,P=0.370)，年均減少0.9386 mm(圖5)；1982-1992年之間下降，1993-2001年波動(dòng)較大，2002-2013年波動(dòng)上升。

草地生長(zhǎng)季NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.635,P<0.001)、潛在蒸散發(fā)(r=-0.534,P=0.002)顯著相關(guān)，與平均氣溫(r=0.192,P=0.292)、最低氣溫(r=0.340,P=0.057)和最高氣溫(r=0.085,P=0.643)之間相關(guān)性不顯著，但與最低氣溫的相關(guān)系數(shù)較大(表3)。研究期間，降水存在不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.0830,P=0.110)，年均增加1.0525 mm；同期降水量低于農(nóng)田植被和林地。最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著(R2=0.3787,P<0.001)，年均增加0.0527℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.2144,P=0.008;R2=0.1466,P=0.031)，年均增加0.0386和0.0338℃；同期氣溫稍高于林地，稍低于農(nóng)田。潛在蒸散發(fā)呈不顯著下降趨勢(shì)(R2=0.0139,P=0.520)，年均減少0.6285 mm(圖5)；1982-1990年之間呈下降趨勢(shì)，1990-2000年之間波動(dòng)較大，2000之后波動(dòng)上升。

水分條件轉(zhuǎn)好(降水的增多或人為灌溉)、溫度持續(xù)升高，北疆平原地區(qū)植被變化顯著上升。

2.3.2北疆山地地區(qū)植被變化研究北疆山地地區(qū)植被呈下降趨勢(shì)，其中農(nóng)田植被平均下降速度為0.10%/a(R2=0.0992,P=0.079)；林地平均下降速度為0.13%/a(R2=0.3629,P<0.001)；草地平均下降速度為0.13%/a(R2=0.3355,P=0.001)(圖6)。林地和草地下降趨勢(shì)基本相同，農(nóng)田植被下降趨勢(shì)稍低，北疆山地地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況存在惡化趨勢(shì)。

研究期間北疆山地植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的氣溫和潛在蒸散發(fā)存在不顯著負(fù)相關(guān)，與降水呈不顯著正相關(guān)(表4)。北疆地區(qū)降水的補(bǔ)給量隨海拔的降低而減少，因此同期降水對(duì)低海拔地區(qū)的影響較大[39]。山地植被NDVI對(duì)降水量的敏感性小于平原植被。

表4　北疆山地地區(qū)植被NDVI與對(duì)應(yīng)的氣象因子的相關(guān)系數(shù)

圖6　北疆山地地區(qū)植被NDVI及其對(duì)應(yīng)的氣象因子的變化趨勢(shì)Fig.6　The trends of vegetation NDVI and the corresponding meteorological factors in mountainous of northern Xinjiang

農(nóng)田植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.141,P=0.443)、平均氣溫(r=-0.229,P=0.207)、最低氣溫(r=-0.227,P=0.212)、最高氣溫(r=-0.253,P=0.163)和潛在蒸散發(fā)(r=-0.022,P=0.904)之間都存在不顯著相關(guān)關(guān)系(表4)。研究期間，降水變化上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0395,P=0.276)，年均增加1.0420 mm，年際變化波動(dòng)較大；平均氣溫和最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)比較顯著(R2=0.2845,P=0.002;R2=0.4595,P<0.001)，年均增加0.0370和0.0500℃；最高氣溫上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.2083,P=0.009)，年均增加0.0352℃；潛在蒸散發(fā)呈不顯著下降趨勢(shì)(R2=0.0942,P=0.088)，年均減少2.4423 mm(圖6)。

林地NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.161,P=0.378)、潛在蒸散發(fā)(r=-0.085,P=0.644)之間存在不顯著相關(guān)；與平均氣溫(r=-0.488,P=0.005)、最低氣溫(r=-0.540,P=0.001)和最高氣溫(r=-0.521,P=0.002)都存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。研究期間，降水上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0975,P=0.082)，年均增加1.2700 mm；最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)比較顯著(R2=0.3597,P<0.001)，年均增加0.0486℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.1849,P=0.014;R2=0.1553,P=0.026)，年平均增加0.0349和0.0342℃；與潛在蒸散發(fā)呈不顯著下降趨勢(shì)(R2=0.0628,P=0.166)，年均減少1.5251 mm(圖6)。

草地NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.277,P=0.124)、潛在蒸散發(fā)(r=-0.312,P=0.083)之間存在不顯著相關(guān)；與平均氣溫(r=-0.411,P=0.019)、最低氣溫(r=-0.423,P=0.016)和最高氣溫(r=-0.422,P=0.016)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。研究期間，降水存在不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.1006,P=0.077)，年均增加1.1639 mm；最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)比較顯著(R2=0.3891,P<0.001)，年均增加0.0511℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)(R2=0.2225,P=0.006;R2=0.1616,P=0.023)，年均增加0.0379和0.0350℃；潛在蒸散發(fā)呈不顯著下降趨勢(shì)(R2=0.0124,P=0.543)，年均減少0.5997 mm(圖6)。

綜合來(lái)看，北疆平原地區(qū)植被指數(shù)增幅大于山區(qū)植被指數(shù)增幅[1,40]。北疆山地植被降水條件較其他區(qū)域豐富，但是1999年之后，降水量除了在2010年較大之外，其他年份有下降的趨勢(shì)，而氣溫在升高；潛在蒸散發(fā)先減后增。氣候條件不利于植被生長(zhǎng)。

2.3.3南疆平原地區(qū)植被變化研究南疆平原地區(qū)植被總體呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中農(nóng)田植被平均增長(zhǎng)速度為0.49%/a(R2=0.8740,P<0.001)；林地平均增長(zhǎng)速度為0.26%/a(R2=0.7896,P<0.001)；草地平均增長(zhǎng)速度為0.26%/a(R2=0.8926,P<0.001)(圖7)。植被總體狀況發(fā)展良好，其中農(nóng)田植被的增長(zhǎng)趨勢(shì)最大，林地次之，草地增長(zhǎng)趨勢(shì)最小。

農(nóng)田植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.437,P=0.012)、平均氣溫(r=0.520,P=0.002)、最低氣溫(r=0.699,P<0.001)和最高氣溫(r=0.457,P=0.009)存在顯著相關(guān)；和潛在蒸散發(fā)(r=-0.035,P=0.849)存在不顯著負(fù)相關(guān)(表5)。研究期間，降水年際變化波動(dòng)較大，上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0986,P=0.080)，年均增加0.9367 mm；潛在蒸散發(fā)上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0427,P=0.256)，年均增加1.0596 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢(shì)較顯著(R2=0.6457,P<0.001;R2=0.4241,P<0.001;R2=0.3199, P =0.001)，年均增加0.0550,0.0384和0.0375℃(圖7)。

林地NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.305,P=0.089)、潛在蒸散發(fā)(r=0.023,P=0.901)存在不顯著相關(guān)關(guān)系；平均氣溫(r=0.499,P=0.004)、最低氣溫(r=0.583,P<0.001)和最高氣溫(r=0.483,P=0.005)存在顯著相關(guān)關(guān)系(表5)。降水年際變化波動(dòng)較大，上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0646,P=0.160)，年均增加0.6136 mm；潛在蒸散發(fā)上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0303,P=0.390)，年均增加0.9494 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢(shì)比較顯著(R2=0.5027,P<0.001;R2=0.4042,P<0.001;R2=0.3303,P=0.001)，年均增加0.0562,0.0365和0.0379℃(圖7)。

草地NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.411,P=0.020)、平均氣溫(r=0.586,P<0.001)、最低氣溫(r=0.722,P<0.001)和最高氣溫(r=0.520,P=0.002)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系；和潛在蒸散發(fā)(r=0.147,P=0.421)存在不顯著相關(guān)關(guān)系(表5)。降水年際變化波動(dòng)較大，上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0776,P=0.123)，年均增加0.6221 mm；潛在蒸散發(fā)增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著(R2=0.0972,P=0.183)，年均增加1.8818 mm；最低溫度、平均溫度和最高氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)較顯著(R2=0.5965,P<0.001;R2=0.4692,P<0.001;R2=0.3671,P<0.001)，年均增加0.0537，0.0409和0.0400℃(圖7)。

圖7　南疆平原地區(qū)植被NDVI及其對(duì)應(yīng)的氣象因子的變化趨勢(shì)Fig.7　The trends of vegetation NDVI and the meteorological factors in plain of southern Xinjiang

植被類型Vegetationform降水量Precipitation平均氣溫Meantemperature最低氣溫Minimumtemperature最高氣溫Maximumtemperature潛在蒸散發(fā)Potentialevaporation農(nóng)作物NDVICroplandNDVI0.437*(0.012)0.520**(0.002)0.699**(0.000)0.457**(0.009)-0.035(0.849)林地NDVIForestlandNDVI0.305(0.089)0.499**(0.004)0.583**(0.000)0.483**(0.005)0.023(0.901)草地NDVIGrasslandNDVI0.411*(0.020)0.586**(0.000)0.722**(0.000)0.520**(0.002)0.147(0.421)

氣溫升高、降水稍有增加，一定程度上有利于植被生長(zhǎng)。農(nóng)田植被的顯著增長(zhǎng)還與灌溉、管理關(guān)系密切。

2.3.4南疆山地地區(qū)植被變化研究南疆山地地區(qū)植被總體呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，農(nóng)田植被平均增長(zhǎng)速度為0.11%/a (R2=0.1242,P=0.048)；林地增長(zhǎng)速度為0.05%/a(R2=0.1031,P=0.073)；草地增長(zhǎng)速度為0.03%/a(R2=0.0695,P=0.145)(圖8)。植被變化總體在增長(zhǎng)，其中農(nóng)田植被增長(zhǎng)趨勢(shì)較大，林地次之，草地增長(zhǎng)趨勢(shì)稍低。

農(nóng)田植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.344,P=0.054)、潛在蒸散發(fā)(r=0.073,P=0.693)、平均氣溫(r=0.136,P=0.459)、最低氣溫(r=0.212,P=0.245)和最高氣溫(r=0.136,P=0.458)存在不顯著相關(guān)關(guān)系，但與降水的相關(guān)系數(shù)最大(表6)。降水年際變化上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.1095,P=0.064)，年均增加1.0755 mm；潛在蒸散發(fā)上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0336,P=0.367)，年均增加1.1072 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢(shì)較顯著(R2=0.6844,P<0.001;R2=0.4710,P<0.001;R2=0.3246,P=0.001)，年均增加0.0600，0.0430和0.0392℃(圖8)。氣溫高于其他植被類型分布區(qū)。

表6　南疆山地地區(qū)植被NDVI與對(duì)應(yīng)的氣象因子的相關(guān)系數(shù)

林地植被NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.578,P=0.001)存在顯著相關(guān)關(guān)系；與潛在蒸散發(fā)(r=-0.222,P=0.222)、平均氣溫(r=0.138,P=0.451)、最低氣溫(r=0.274,P=0.129)和最高氣溫(r=0.077,P=0.674)存在不顯著相關(guān)關(guān)系(表6)。降水年際變化波動(dòng)較大，上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.1727,P=0.018)，年均增加1.0919 mm；降水量稍大于農(nóng)田植被區(qū)和草地植被覆蓋區(qū)。潛在蒸散發(fā)下降趨勢(shì)不顯著(R2=0.0010,P=0.863)，年均減少0.1686 mm；稍低于同期的農(nóng)田植被區(qū)和草地植被覆蓋區(qū)。最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢(shì)較顯著(R2=0.6161，P<0.001;R2=0.3966,P<0.001;R2=0.2888,P=0.002)，年均分別增加0.0539，0.0377和0.0352℃(圖8)；低于農(nóng)田植被覆蓋區(qū)，稍低于草地植被覆蓋區(qū)。

草地NDVI與對(duì)應(yīng)區(qū)域的降水(r=0.569,P=0.001)、潛在蒸散發(fā)(r=-0.461,P=0.008)存在顯著相關(guān)關(guān)系；與平均氣溫(r=0.146,P=0.426)、最低氣溫(r=0.274,P=0.130)和最高氣溫(r=0.080,P=0.661)都存在不顯著相關(guān)關(guān)系(表6)。降水上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.1435,P=0.033)，年均增加0.8790 mm；潛在蒸散發(fā)上升趨勢(shì)不顯著(R2=0.0220,P=0.500)，年均增加0.8070 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢(shì)較顯著(R2=0.6639,P<0.001;R2=0.4562,P<0.001;R2=0.3456,P<0.001)，年均增加0.0555，0.0397和0.0380℃(圖8)。降水較少、氣溫稍高、潛在蒸散發(fā)較大，不利于草地植被的增長(zhǎng)。

圖8　南疆山地地區(qū)植被NDVI及其對(duì)應(yīng)的氣象因子的變化趨勢(shì)Fig.8　The trends of vegetation NDVI and the meteorological factors in mountainous of southern Xinjiang

3結(jié)論與討論

本文基于逐像元一元線性回歸模型，利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)AVHRR GIMMS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列拓展，獲得長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集。其中拓展數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列植被變化的研究。應(yīng)用拓展時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，解決了單一遙感數(shù)據(jù)源時(shí)間序列局限性的問(wèn)題，豐富了當(dāng)前植被NDVI及植被-氣候關(guān)系的研究。

研究表明，過(guò)去32年間，新疆植被變化呈顯著上升趨勢(shì)，其中1982-1999年間增長(zhǎng)最快，1999年之后上升趨勢(shì)開(kāi)始減緩。新疆不同分區(qū)的植被生長(zhǎng)季NDVI變化空間差異顯著；植被增加趨勢(shì)明顯的區(qū)域是在綠洲農(nóng)田區(qū)，農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的提高和人類引水灌溉彌補(bǔ)降水不足是促進(jìn)新疆綠洲植被呈顯著上升趨勢(shì)的主要原因[34]。氣溫升高、降水減少是導(dǎo)致1999年以來(lái)植被變化增速減緩的主要原因[33]。植被減小趨勢(shì)明顯的區(qū)域在新疆西北地區(qū)山地和東南地區(qū)的山麓地帶。其中西北地區(qū)山地的減少與過(guò)度放牧等有著直接的關(guān)系[41]，東南地區(qū)的植被減少與過(guò)渡帶植被受損嚴(yán)重有著直接的關(guān)系[37]。

不同自然地理環(huán)境條件下的植被變化與氣候因子的相關(guān)程度不同。NDVI變化與氣候變化關(guān)系密切[33,42-44]。

北疆平原地區(qū)植被變化呈顯著上升趨勢(shì)。其中農(nóng)田植被上升趨勢(shì)較大，林地和草地上升趨勢(shì)相似。降水和潛在蒸散發(fā)即水分條件對(duì)草地的影響程度大，氣溫對(duì)農(nóng)田植被的影響較大。

北疆山地地區(qū)植被變化呈顯著下降趨勢(shì)，主要是由于：氣候暖干化導(dǎo)致草地荒漠化的易發(fā)和其進(jìn)程的加速[43]；用圍欄保護(hù)平原地區(qū)草地，導(dǎo)致放牧活動(dòng)向山地轉(zhuǎn)移，把牲畜壓力轉(zhuǎn)移到山區(qū)草地，導(dǎo)致山區(qū)草地嚴(yán)重退化[44]；火災(zāi)、鼠災(zāi)、病蟲害等自然災(zāi)害和人類只采不育、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)等導(dǎo)致森林破壞與墾殖、過(guò)度放牧等帶來(lái)的荒漠化并存[45-46]。北疆山地地區(qū)植被變化呈減少趨勢(shì)是受氣候因素和人類活動(dòng)的雙重影響。

南疆平原地區(qū)植被變化呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中農(nóng)田植被上升趨勢(shì)最大，林地次之，草地最低。降水量、氣溫和潛在蒸散發(fā)對(duì)草地影響程度較大，對(duì)農(nóng)田植被影響最小。南疆平原綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的改善與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高有關(guān)[34]。氣溫升高、降水增多，有利于森林生長(zhǎng)。但由于降水總量較少，南疆林地主要分布在大河沿岸，或者是農(nóng)田防護(hù)林的周邊等水分條件相對(duì)較好的區(qū)域。降水量、潛在蒸散發(fā)呈不顯著增多趨勢(shì)，氣溫顯著升高，在水分條件較好的區(qū)域草地生長(zhǎng)較好。南疆平原地區(qū)植被的生長(zhǎng)變化受氣溫和降水的雙重驅(qū)動(dòng)作用[47]。

南疆山地地區(qū)植被變化呈不顯著上升趨勢(shì)。其中農(nóng)田植被變化的上升趨勢(shì)最大，林地次之，草地稍低。農(nóng)田植被與氣象因子呈不顯著相關(guān)，但與降水的相關(guān)系數(shù)最大，說(shuō)明水分條件是影響農(nóng)田植被生長(zhǎng)的重要條件。降水增多，氣溫升高，潛在蒸散發(fā)下降，氣候條件有利于林地生長(zhǎng)。草地和林地受水分條件影響較大[48-49]。降水、最低氣溫對(duì)植被生長(zhǎng)影響較大。植被尤其是草地，與降水、潛在蒸散發(fā)呈顯著相關(guān)，與氣溫呈不顯著正相關(guān)，水分條件是南疆山地地區(qū)植被生長(zhǎng)的重要條件。

南疆地區(qū)的氣候條件雖然惡劣，但近年來(lái)多少有所緩解，氣溫略有上升的同時(shí)，降水量稍有增加，風(fēng)沙天氣減少[50]。

綜合來(lái)看，草地受氣候變化的影響最大，其中水分條件是草地生長(zhǎng)年際變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[51]。農(nóng)田植被受氣候變化的影響最小。但是不同分區(qū)的植被，受氣候因子的影響程度有明顯的區(qū)別。因此，應(yīng)本著因地制宜的原則制定相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策。

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XU Yu-Feng1,2, YANG Jing1*, LI Wei-Hong1, FANG Gong-Huan1,2, ZHANG Shu-Hua1,2, DENG Hai-Jun1,2, DONG Jie3

1.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.SchoolofEnvironmentandPlanning,LiaochengUniversity,Liaocheng252000,China

Abstract:Based on a pixel scale linear regression model, we extended Advanced Very High Resolution Radiometer Global Inventory Modeling and Mapping Studies (AVHRR GIMMS) using MODIS normalized difference vegetation index (NDVI) data and constructed a time series of NDVI covering Xinjiang province from 1982 to 2013. We also analyzed the spatial-temporal changes in vegetation growth in different districts and correlated these changes with climate factors. NDVI increased significantly in the plain regions of northern and southern Xinjiang and in the mountainous region of southern Xinjiang, but decreased in the mountainous region of northern Xinjiang. Rainfall and minimum temperature were important factors in vegetation growth in Xinjiang. Vegetation was influenced by rainfall on the northern Xinjiang plain; crop growth was influenced by temperature, especially minimum temperature. On the southern plain vegetation growth was influenced by both rainfall and temperature and in the mountain regions by rainfall. Rainfall played a more important role in grassland compared to forest and cropland areas; rainfall has little influence on cropland because of the use of irrigation. Increasing rainfall and temperature promoted an increase in the NDVI while the degradation of vegetation in mountainous region of northern Xinjiang is influenced by a range of factors including climate change, fire, and the control of grazing pressure by fencing.

Key words:NDVI; remote data fusion; correlation analysis; southern Xinjiang; northern Xinjiang

*通信作者Corresponding author. E-mail: yangjing@ms.xjb.ac.cn

作者簡(jiǎn)介：許玉鳳(1969-)，女，山東冠縣人，在讀博士。E-mail: xuyufeng_159@163.com

基金項(xiàng)目：新疆青年千人計(jì)劃項(xiàng)目(Y371051001)資助。

*收稿日期：2015-02-05；改回日期：2015-04-09

DOI：10.11686/cyxb2015073

http://cyxb.lzu.edu.cn

許玉鳳，楊井,李衛(wèi)紅，方功煥，張淑花，鄧海軍，董杰. 1982-2013年新疆不同植被生長(zhǎng)時(shí)空變化. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(1): 47-63.

XU Yu-Feng, YANG Jing, LI Wei-Hong, FANG Gong-Huan, ZHANG Shu-Hua, DENG Hai-Jun, DONG Jie. Spatial-temporal change in different vegetation growth of Xinjiang from 1982 to 2013. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 47-63.