1982—2012年中亞地區(qū)植被時空變化特征及其與氣候變化的相關(guān)分析

殷 剛,孟現(xiàn)勇,王 浩,胡增運,孫志群

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 3 中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038

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1982—2012年中亞地區(qū)植被時空變化特征及其與氣候變化的相關(guān)分析

殷 剛1,2,孟現(xiàn)勇3,*,王 浩3,胡增運2,孫志群1

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 3 中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038

干旱區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化極為敏感,并且干旱區(qū)的植被變化研究對全球碳循環(huán)具有重要意義。然而近幾十年來,中亞干旱區(qū)植被對氣候變化的響應(yīng)機制尚不甚明朗。利用歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)集和MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)氣象數(shù)據(jù),采用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF,Empirical Orthogonal Function)和最小二乘法等方法系統(tǒng)分析了31a(1982—2012年)來中亞地區(qū)NDVI在不同時間尺度的時空變化特征。進一步分析和研究NDVI與氣溫和降水的相關(guān)性,結(jié)果表明：1982—2012年,中亞地區(qū)年NDVI總體呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,而1994年以后年NDVI呈現(xiàn)明顯下降趨勢,尤其在哈薩克斯坦北部草原地區(qū)下降趨勢尤為突出。這可能是由于過去30年間,中亞地區(qū)降水累計量的持續(xù)減少造成的。NDVI的季節(jié)變化表明春季NDVI增長最為明顯,冬季則顯著下降。與平原區(qū)相比,中亞山區(qū)的NDVI值增長幅度最大,并且山區(qū)年NDVI與季節(jié)NDVI呈現(xiàn)顯著增加趨勢(P<0.05)。中亞地區(qū)年NDVI與年降水量正相關(guān),而年NDVI與氣溫變化存在弱負相關(guān)。年NDVI和氣溫的正相關(guān)中心在中亞南部地區(qū),負相關(guān)中心則出現(xiàn)在哈薩克斯坦的西部和北部地區(qū)；NDVI和降水的相關(guān)性中心剛好與氣溫相反。此外,在近30年間的每年6月至9月,中亞地區(qū)NDVI與氣溫存在近一個月的時間延遲現(xiàn)象。本研究為中亞干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化和中亞地區(qū)碳循環(huán)的估算提供科學(xué)依據(jù)。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)；氣候變化；降水；氣溫；植被動態(tài)變化；中亞

中亞地區(qū)涵蓋了哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦五個國家,總面積近4.0×106km2,是地球陸地北半球溫帶面積最大的世界級干旱區(qū)[1]。中亞遠離海洋,年均降水量極其匱乏。在1979—2011年間,中亞地區(qū)氣候明顯變暖,并且增溫幅度顯著高于周邊其他地區(qū)[2]。總體而言,該地區(qū)年均降水量空間分布極不均勻[3]。在中亞干旱與半干旱區(qū),植被生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化尤為敏感,相對于干旱區(qū)的其它生態(tài)系統(tǒng)而言,植被系統(tǒng)更易受到氣候變化影響。中亞地區(qū)植被變化對該地區(qū)碳循環(huán)以及全球碳循環(huán)具有重要的科學(xué)價值[4]。因此,中亞地區(qū)的植被時空變化特征及植被對氣候因素的動態(tài)響應(yīng)是該區(qū)域研究中的亟待解決的科學(xué)問題。

NDVI是紅色與近紅外反射系數(shù)的標準化比值,一般作為植被變化的良好指標[5-7]。NDVI也因此被廣泛用于探查區(qū)域和全球范圍內(nèi)的土地利用/覆被的變化情況[8-11]。在1982—1999年之間,中國NDVI總體分布在月與季節(jié)尺度上均呈現(xiàn)出顯著增長趨勢,其中春季NDVI增長趨勢最大[9]。而在全球范圍內(nèi),也有超過一半的陸地表面的NDVI有明顯變化[12]。

現(xiàn)有研究表明,NDVI與氣候因素(如降水、氣溫等)之間關(guān)系的研究有助于發(fā)現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)變化的關(guān)鍵因素,并有助于了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對氣候變化的響應(yīng)機制[13-16]。研究發(fā)現(xiàn)：干旱與半干旱區(qū)的NDVI與降水呈現(xiàn)正相關(guān),尤其是在中亞[17]、南非與澳大利亞地區(qū)[18], NDVI對降水量的響應(yīng)存在一定的時間延遲[8,19- 20]。北方高緯度地區(qū)及青藏高原最潮濕寒冷的生態(tài)系統(tǒng)覆蓋的NDVI與其同一時間序列的日最高氣溫呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)[21],而在北半球,NDVI則與其對應(yīng)的日最低氣溫呈負相關(guān)[16]。

迄今為止,中亞地區(qū)的植被多年動態(tài)變化及其對氣候變化的響應(yīng)尚未明確。系統(tǒng)分析中亞地區(qū)多年土地利用變化對NDVI空間分布的影響及NDVI與氣候因素響應(yīng)關(guān)系研究意義重大。此外,中亞地區(qū)植被變化的研究也將對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展起到一定的促進作用。因此,本文通過系統(tǒng)分析近30年來(1982—2012年)中亞地區(qū)月、季節(jié)與年的植被的時空變化規(guī)律,探索中亞地區(qū)NDVI對氣候要素的響應(yīng),并進一步分析影響中亞地區(qū)植被變化的主要氣候因子。

1 研究區(qū)介紹

研究區(qū)域中亞包括哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦5個國家(圖1)。中亞區(qū)域空間上位于歐亞大陸,遠離海洋,氣候?qū)俑珊蹬c半干旱氣候[22]。研究區(qū)總面積的四分之一為地勢低洼的沙漠,其間鑲嵌零星的綠洲。草原海拔高度大多集中在300—500 m,研究區(qū)東部山區(qū)海拔高度超過1000 m,在山麓丘陵海拔以上及更高海拔的冰川以下的山區(qū)均覆蓋有灌木、森林及高寒草甸等植被[23]。

圖1 中亞五國的地形地貌和土地覆蓋類型Fig.1 Topography and the major land features in five Central Asian countries and Land cover types of five Central Asia

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本研究數(shù)據(jù)來自美國國家大氣與海洋局[24](NOAA,National Oceanic and Atmospheric Administration),其中GIMMS[25](Global Inventory Modeling and Mapping Studies)的NDVI數(shù)據(jù)集利用高分辨率輻射計進行采集,時間分辨率為逐日。由于該數(shù)據(jù)時間序列長,可用于長時期植被變化的研究。相對于其他AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)NDVI數(shù)據(jù)集[8],GIMMS系列NDVI數(shù)據(jù)集在實用性和性能方面進行了改進[26],消除了來自火山爆發(fā)的噪聲干擾和傳感器帶來的誤差,數(shù)據(jù)質(zhì)量高,使得GIMMS系列的NDVI數(shù)據(jù)集被廣泛用于植被變化[5,9,27-29]、凈初級生產(chǎn)力評估(NPP)[30]和生物量估算等研究[31]。本研究將運用GIMMS系列NDVI數(shù)據(jù)分析31a(1982—2012年)中亞地區(qū)的NDVI時空分布和變化規(guī)律。

為研究氣候因素對植被變化的影響,采用和觀測數(shù)據(jù)最為接近地美國國家航空航天局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)再分析氣象數(shù)據(jù)集[32](簡稱MERRA, MODERN ERA-RETROSPECTIVE ANALYSIS FOR RESEARCH AND APPLICATIONS,包括氣溫及降水數(shù)據(jù))。MERRA數(shù)據(jù)集由全球氣候模型與數(shù)據(jù)同化小組(GMAO,Global Modeling and Assimilation Office Research Site)建立[32],時間范圍為1979年至今,空間分辨率為0.5°×0.667°(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/FTPSubset.pl.下載)。

2.2 研究方法

本研究通過線性最小二乘法得到不同時間范圍(春季：3月至5月；夏季：6月至8月；秋季：9月至11月；冬季：12月至次年2月)的NDVI的變化趨勢。采用t檢驗方法對NDVI變化趨勢的顯著性進行統(tǒng)計分析,NDVI突變年份則通過MK(Mann-Kendall)方法進行檢驗。此外,采用R/S方法計算Hurst指數(shù)(H)分析NDVI變化的持續(xù)性(LRD)特征[23],為分析NDVI的時空變化格局,本研究利用EOF(empirical orthogonal function)方法對年和四季的NDVI變化進行分析。受地形因素影響,山區(qū)的氣候變化比平原區(qū)更加復(fù)雜,并且降水多分布在山區(qū),這些差異對植被時間變化規(guī)律和空間分布特征產(chǎn)生影響。因此根據(jù)高程、坡度地形要素提取山區(qū)和平原區(qū),并分析對應(yīng)的NDVI變化特征。最后,為得到統(tǒng)一的空間分辨率,采用雙線性插值方法將覆蓋中亞部分的MERRA氣溫和降水數(shù)據(jù)重采樣,與同一空間范圍的NDVI數(shù)據(jù)空間分辨率和格網(wǎng)坐標一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI的時間變化特征

31年來,中亞整個區(qū)域的年NDVI值呈現(xiàn)微弱增長趨勢(圖2)。其中,NDVI年均值在1982—1994年間呈現(xiàn)出顯著增長趨勢(增長速度達0.019/10a),1994年后NDVI呈現(xiàn)下降趨勢。中亞山區(qū)NDVI以0.0025/10a的速度增長并通過95%顯著水平的檢驗,這表明過去30年間,中亞山區(qū)植被整體呈現(xiàn)增加趨勢。1982—2012年期間,中亞山區(qū)NDVI顯著增加 (k=0.0025/10a,P<0.05),而平原區(qū)NDVI呈現(xiàn)微弱變化。

圖2 中亞1982—2012年NDVI年、四季、生長季變化和突變檢測Fig.2 Variations of annual,seasonal and growing season NDVI from 1982 to 2012 and abrupt change detection in Central Asia

從季節(jié)尺度分析,近31a(1982—2012年)間,中亞地區(qū)NDVI在春、夏季均呈現(xiàn)增長趨勢(圖2),而在秋、冬季則呈現(xiàn)下降趨勢(圖2)。平原區(qū)的NDVI變化與整個中亞區(qū)呈現(xiàn)出類似的趨勢(表1)。而在中亞山區(qū),除了冬季NDVI呈下降趨勢外,所有季節(jié)的NDVI均呈顯著增長趨勢。此外,NDVI最大增長幅度也出現(xiàn)在平原區(qū)的春季及山區(qū)的夏季(表1)。

表1 中亞、中亞平原和中亞山區(qū)1982—2012年NDVI的Hurst 指數(shù)H、線性趨勢K、年和四季均值

Table 1 Hurst index (H), NDVI trend (K) and mean values of annual, seasonal and growing season NDVI during 1982—2012 over Central Asia, Central Asia plains and Central Asia mountains

時間范圍Timescale中亞CentralAsia中亞平原PlainareasofCentralAsia中亞山區(qū)MountainousareasofCentralAsiaHurst指數(shù)HNDVI趨勢K(10-4)NDVIHurst指數(shù)HNDVI趨勢K(10-4)NDVIHurst指數(shù)HNDVI趨勢K(10-4)NDVI全年Annual0．860．560．180．830．110．181．022．50??0．18春季Spring0．877．40??0．160．837．80??0．200．925．80??0．15夏季Summer0．862．600．230．821．800．280．976．30??0．31秋季Autumn0．90-0．600．150．91-1．800．170．854．50??0．18冬季W(wǎng)inter0．94-7．40??0．060．93-7．60??0．070．98-6．70??0．07生長季Growingseasonseason0．794．50?0．220．764．100．270．936．60??0．26

* 和 ** 分別表示P<0.05 和P<0.01置信區(qū)間,春季, 3—5月; 夏季, 6—8月; 秋季, 9—11月; 冬季, 12—2月;生長季, 3—9月.

圖3給出1982—2012年間整個研究區(qū)、中亞山區(qū)和中亞平原區(qū)的NDVI、氣溫和降水的年內(nèi)變化特征。在中亞和中亞平原區(qū),NDVI存在類似的變化特征,其中5月變化值最大。但是山區(qū)的NDVI最大值出現(xiàn)在7月,這與山區(qū)的月氣溫變化相一致(圖3)。氣溫變化可以很好地解釋山區(qū)NDVI的最大值有兩個月延遲的情況：在中亞及其平原,最高氣溫超過16℃,而在中亞的山區(qū)最高氣溫低于15℃。

在中亞、中亞平原和中亞山區(qū),Hurst指數(shù)H均大于0.5(表1),這表明NDVI將在未來保持現(xiàn)有的變化趨勢。整個年度、生長季、春季及夏季的NDVI將會繼續(xù)保持增長趨勢,而整個中亞地區(qū)的秋、冬季,NDVI將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢。

3.2 NDVI的突變和長相關(guān)分析(LRD)

本研究通過M-K(Mann-Kendall)方法和R/S方法分別檢測到NDVI的突變和長相關(guān)(LRD)特征。圖2表明NDVI的明顯突變,全年、夏季和秋季的NDVI的增長趨勢變?yōu)橄陆第厔荨４杭緳z測到NDVI的顯著增長突變,1992年是整個中亞近31年NDVI的突變年。冬季NDVI也同樣存在顯著的下降突變,突變年出現(xiàn)在1993年。但是1982—2012年間全年、夏季、秋季及生長季的NDVI并沒有顯著突變。研究還發(fā)現(xiàn),中亞平原地區(qū)的NDVI與中亞整個區(qū)域的NDVI突變點相同。

圖3 中亞、中亞平原和中亞山區(qū)1982—2012年NDVI月均值、氣溫月均值和降水月均值變化Fig.3 The mean monthly NDVI, monthly mean temperature and monthly precipitation from 1982 to 2012 in Central Asia

表2 中亞、中亞平原和中亞山區(qū)1982—2012年的年、四季和生長季NDVI MK突變檢測結(jié)果

Table 2 Results of abrupt change in NDVI at different time scales during 1982—2012 in Central Asia, plains and mountainous areas of Central Asia according to the MK test

區(qū)域Region時間范圍Timescale突變年份Abruptyear突變前的變化Beforetheabruptyear突變后的變化AftertheabruptyearNDVI趨勢k1(10-3)NDVI均方根誤差RMSE(10-2)NDVI趨勢k1(10-3)NDVI均方根誤差RMSE(10-2)中亞CentralAsia全年19941．94?0．180．90-0．540．180．72春季20001．15?0．181．20-0．260．191．10夏季19932．99?0．291．40-0．590．290．98秋季19922．27?0．170．90-0．78?0．180．85冬季19931．630．081．31-1．720．071．10生長季19932．52?0．261．10-0．190．270．88中亞平原年19942．100．181．00-0．610．180．79Plainareasof春季19921．300．191．300．490．201．20CentralAsia夏季19933．13?0．281．50-0．750．281．20秋季19922．300．171．02-0．920．170．90冬季19990．500．081．40-1．500．071．20生長季19932．70?0．261．20-0．300．271．00中亞山區(qū)年19941．520．180．70-0．280．180．54Mountainousareas春季19970．80?0．151．40-0．07?0．161．00ofCentralAsia夏季19912．83?0．321．220．16?0．330．64秋季19932．100．180．81-0．260．191．20冬季19990．510．081．10-0．860．061．20生長季19912．20?0．270．900．32?0．280．57

k1:突變前的NDVI線性趨勢;k2: 突變后的NDVI線性趨勢; RMSE: 均方根誤差

3.3 NDVI的空間變化

NDVI空間分布分析結(jié)果如圖4所示,圖4顯示了31a(1982—2012年),NDVI的高值中心出現(xiàn)在中亞東南部及北部地區(qū)(塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦和哈薩克斯坦),其中哈薩克斯坦南部及山區(qū)兩側(cè)的NDVI值最大；NDVI的低值中心出現(xiàn)在中亞的西南地區(qū),秋季的NDVI與年度NDVI的空間分布相同。而春、夏季和生長季的NDVI具有一致的空間分布格局 (圖4)。

圖4 中亞1982—2012年的NDVI年均值、春季、夏季、秋季、冬季四季均值和生長季均值的空間分布Fig.4 Spatial distribution of the mean NDVI at annual and seasonal scales from 1982 to 2012

中亞區(qū)域的1982—2012年的年度NDVI的增長中心主要在山區(qū),且最大值可達0.1—0.2/10a(表5)。然而,在中亞西部,年NDVI均呈現(xiàn)出下降趨勢。其中年NDVI變化中,46%的面積出現(xiàn)增長趨勢。而顯著增長的面積達到總面積的16%(表3)。春季的NDVI變化中,超過總面積65%的區(qū)域呈現(xiàn)出增加趨勢,其中NDVI顯著增長的區(qū)域超過研究區(qū)總面積的30%。

為了研究31a(1982—2012年)間中亞區(qū)域NDVI年代際的變化規(guī)律,分3個年代：20世紀80年代、20世紀90年代和21世紀2000年代。研究發(fā)現(xiàn)：與80年代NDVI相比,78%的區(qū)域在90年代出現(xiàn)增加,而2000年代的NDVI變化中73.17%的區(qū)域小于90年代。1982—2012年期間,80年代到90年代植被的增加及90年代到2000年代植被的減少可能是由于土地利用變化所致。植被變化主要集中在平原地區(qū)：其中,61.75%的平原地區(qū)在90年代的NDVI大于80年代的數(shù)值,而60.25%的整個平原地區(qū)在2000年代的NDVI要小于1990年代,圖6顯示了兩個時期的空間差異。

表3 中亞、中亞平原和中亞山區(qū)1982—2012年的年、四季和生長季NDVI增加和減少的面積百分比

Table 3 Area percentage of the increased and decreased NDVI at different time scales over Central Asia, plains of Central Asia and mountainous areas of Central Asia during 1982—2012

區(qū)域Region時間范圍Timescale增加/%Increase顯著增加/%Significantincrease減少/%Decrease顯著減少/%Significantdecrease中亞CentralAsia全年 46165424春季 65313516夏季 49145120秋季 37126329冬季 1848247生長季60244019中亞平原全年 35114721PlainareasofCentralAsia春季 52253014夏季 3894418秋季 2695625冬季 1436839生長季50163214中亞山區(qū)全年 11573Mountainousareas春季 13652ofCentralAsia夏季 12562秋季 11473冬季 41147生長季13752

顯著增加或顯著減少的NDVI百分比是顯著增加或減少的NDVI面積占研究區(qū)總面積百分比

圖5 中亞1982—2012年NDVI均值、年累計降水和年平均氣溫變化趨勢空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of the trends K in annual NDVI, annual Precipitation and annual Temperature from 1982 to 2012

圖6 中亞1982—2012年NDVI 1980s—1990s年代際差異和1990s—2000s年代際差異空間分布Fig.6 Spatial differences of NDVI between 1980s—1990s and 1990s—2000s 1980s(1982—1989) 1990s(1990—1999) 2000s(2000—2012)

為更好的研究分析近31年中亞地區(qū)NDVI的時空變化規(guī)律,本研究利用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)對其進行系統(tǒng)分析。研究發(fā)現(xiàn)：年、四季和生長季的EOF的第一模態(tài)(EOF- 1)的方差貢獻超過18%。圖7給出不同時間尺度NDVI 的EOF- 1空間分布結(jié)果和對應(yīng)的時間系數(shù)(PC- 1)。中亞地區(qū)年時間尺度NDVI第一模態(tài)在大部分區(qū)域為正值,這表明了相同的年際變化趨勢。EOF- 1的正值區(qū)域出現(xiàn)在哈薩克斯坦北部及山區(qū)。1982—2012年間,PC- 1與年NDVI變化相似(圖7),EOF- 1春季空間分布與年NDVI空間分布相似(圖7)。春季NVDI的PC- 1時間系數(shù)在1996年之前為負值,而在1996年之后則變?yōu)檎?圖7)。同樣發(fā)現(xiàn)在哈薩克斯坦北部地區(qū)夏季和秋季NDVI的時間系數(shù)(PC- 1)有相反趨勢(圖7)。從圖7相應(yīng)的EOF- 1結(jié)果中可以看出,夏季和秋季的負值中心在哈薩克斯坦北部。EOF- 1為正值區(qū)域分布在中亞南部大部分區(qū)域,表明夏季和秋季的NDVI的空間差異,冬季與生長季的NDVI的EOF- 1結(jié)果如圖7所示。

3.4 NDVI變化與氣溫、降水的相關(guān)性研究

本部分從四季和年尺度分別討論分析了NDVI與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系。表5給出NDVI和氣溫與降水在整個中亞地區(qū)、中亞平原區(qū)和中亞山區(qū)的四季和年尺度的相關(guān)性分析結(jié)果。NDVI和氣溫的相關(guān)性研究表明：年氣溫和年NDVI存在弱的負相關(guān)性；春季NDVI和氣溫存在顯著的正相關(guān)(R=0.62,P<0.01),這說明中亞地區(qū)春季的增溫能夠明顯的促進該地區(qū)的植被生長。前面的研究[2]也表明在1979—2011年期間,中亞地區(qū)的春季增溫最大,圖2中春季NDVI的顯著增加表明春季植被和氣溫的正相關(guān)。其他季節(jié)NDVI和氣溫存在不同程度的負相關(guān),夏季的負相關(guān)性最大(R=-0.23)。NDVI和降水的相關(guān)研究表明：整體上年降水和NDVI正相關(guān)；季節(jié)尺度上,降水和NDVI在夏季、冬季、生長季正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.24、0.20和0.28,而春季和秋季NDVI和降水負相關(guān)。

平原區(qū)NDVI和氣溫在年尺度上呈現(xiàn)弱的負相關(guān),除春季的NDVI和氣溫顯著正相關(guān)外(R=0.58,P<0.01),其他季節(jié)均為負相關(guān)。平原區(qū)的冬季降水與NDVI為顯著的正相關(guān)(R=0.39,P<0.05),其他季節(jié)的為弱的正相關(guān)或負相關(guān)。山區(qū)年NDVI與年氣溫和年降水均呈現(xiàn)出正相關(guān),而春季山區(qū)降水與NDVI為顯著的負相關(guān),這可能由在降水增加時段,氣溫減小不利于植被生長。夏季降水和NDVI則呈現(xiàn)顯著正相關(guān),主要因為山區(qū)氣溫升高,降水增加有利于植被生長。其他季節(jié)的相關(guān)性詳見表5。上述分析表明中亞平原區(qū)降水對植被生長影響大于氣溫,山區(qū)植被生長的受氣溫和降水的共同作用。季節(jié)尺度上,無論平原區(qū)還是山區(qū),氣溫對植被生長起主導(dǎo)作用。

圖7 中亞NDVI 1982—2012年的年、四季和生長季第一經(jīng)驗正交函數(shù)模態(tài)空間分布和對應(yīng)第一主成分時間系數(shù)時間變化Fig.7 The first empirical orthogonal function EOF mode (EOF-1) and its time coefficient (PC-1) of annual and seasonal NDVI during 1982—2012

考慮到不同地區(qū)的NDVI和氣候因素的正負相關(guān)性對區(qū)域平均結(jié)果的影響,進一步分析年和生長季的NDVI和氣溫與降水的相關(guān)性空間分布規(guī)律(圖8)。年NDVI和氣溫的正相關(guān)中心在中亞南部地區(qū),負相關(guān)中心則出現(xiàn)在哈薩克斯坦的西部和北部地區(qū),及哈薩克斯坦、土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦西部的交界地區(qū)(圖8a)。并且負相關(guān)區(qū)域大于正相關(guān)區(qū)域,這使得在區(qū)域平均尺度上年氣溫和年NDVI出現(xiàn)負的相關(guān)性。圖8b表明生長季中NDVI和氣溫的正相關(guān)中心出現(xiàn)在哈薩克斯坦中部地區(qū)(46°—48°N)和中亞山區(qū)。降水和NDVI的年相關(guān)性空間分布表明正值中心與氣溫和NDVI的負值中心大部分區(qū)域一致(圖8a,c),這表明在哈薩克斯坦的西部和北部地區(qū)年降水促進植被生長,而較低的氣溫抑制植被生長。在生長季中,中亞大部分地區(qū)降水與NDVI正相關(guān),正值中心出現(xiàn)在哈薩克斯坦中部和北部草原地區(qū),中亞的南部地區(qū)和東部部分地區(qū)(圖8d)。

圖8 中亞1982—2012年的NDVI和氣溫、降水相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distribution of correlation coefficient between temperature and precipitation during 1982—2012a: 年NDVI和年平均氣溫相關(guān)系數(shù),b: 生長季NDVI和生長季氣溫相關(guān)系數(shù),c: 年NDVI和年降水量相關(guān)系數(shù),d: 生長季NDVI和生長季降水量相關(guān)系數(shù)

已有研究[8,15]表明植被對氣候因素的響應(yīng)存在一定的時間延遲。本研究得到中亞地區(qū)從每年6—9月期間NDVI對氣溫變化響應(yīng)存在一個月的時間延遲。8月的NDVI與7月的氣溫呈顯著正相關(guān),9月 的NDVI與8月的氣溫正相關(guān)。對于中亞平原地區(qū)的NDVI的研究也發(fā)現(xiàn)每年的6—9月,NDVI對于氣溫響應(yīng)有1個月的時間延遲。中亞地區(qū)每年的7—9月,NDVI對氣溫有1個月的響應(yīng)延遲。然而在生長季,NDVI對降水的響應(yīng)并沒有發(fā)現(xiàn)時間延遲。在中亞和中亞平原地區(qū)4月份NDVI與降水量(通過99%的顯著性檢驗)顯著正相關(guān),在中亞山區(qū)4—6月NDVI與降水顯著正相關(guān)。

4 討論與結(jié)論

中亞及西北干旱區(qū)NDVI變化是近年來的研究熱點,本文以全新視角分析了地形影響下的中亞地區(qū)NDVI與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系,主要包括：將氣象數(shù)據(jù)處理分析的數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于NDVI分析；同時,應(yīng)用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF),對中亞地區(qū)NDVI的時空變化特征和趨勢進行了研究。

從地形角度看,由于其氣候變化的重要影響因素之一,因此與地形變化相對較小的平原相比,地形分異大的山區(qū)氣候往往復(fù)雜多變。中亞的山區(qū)大部分位于中亞境內(nèi)的阿勒泰山、天山和帕米爾高原。以丘陵、平原為主,地勢呈東南高,西北低(圖1)的地貌。由于中亞山區(qū)和平原地貌差異較大,造成了不同的氣候變化特征(圖3),故NDVI在該地區(qū)山區(qū)及平原的時空變化特征會具有顯著差異。本研究根據(jù)高程分析了中亞高山帶、中山帶和低山丘陵帶年內(nèi)、四季與生長季期間NDVI的變化情況,該變化分析可以更好的反映NDVI與海拔直接的變化關(guān)系。從表4可以看出,中山帶占中亞面積的百分比雖然最小,但中山帶的NDVI變化趨勢最大,年NDVI變化趨勢分別為：高山帶NDVI變化趨勢的6倍和低山丘陵帶NDVI變化趨勢的23.8倍。考慮整個研究區(qū)降水量最大的區(qū)域是中山帶,因而,在降水增加的情況下,NDVI呈現(xiàn)增長趨勢,降水減少情況下NDVI減少(即NDVI與降水顯著正相關(guān),), NDVI對氣象要素中的降水變化響應(yīng)最敏感。

表4 中亞高山帶、中山帶和低山丘陵帶1982—2012年的年、四季和生長季NDVI變化線性趨勢/(10-4/a)

Table 4 Linear trends of annual and seasonal NDVI over alpine belt, middle mountains belt, low mountains and plain belt during 1982—2012

區(qū)域Mountainbelt高程Elevation/m%全年Annual春季Spring夏季Summer秋季Autumn冬季W(wǎng)inter生長季Growingseason高山帶Alpinebelt2650—7169100．822．033．102．10-4．502．81中山帶Middlemountainbelt1700—265055．0112．0211．006．40-9．7013．03低山丘陵帶Lowmountainbelt<1700850．217．602．00-1．40-7．634．20

從生態(tài)體系角度看,中亞地區(qū)最大的生態(tài)體系為溫帶草原、稀樹草原和疏灌叢,其它生態(tài)體系還包括山地草原和稀疏灌木、沙漠和耐旱灌木和溫帶針葉林[33]。其中,哈薩克斯坦北部草原面積幾乎占中亞面積的四分之一(圖1)。為此,本文重點研究了哈薩克斯坦北部草原地區(qū)年、四季和生長季NDVI、降水和氣溫的線性趨勢和均值。研究結(jié)果表明：哈薩克斯坦北部草原1982—2012年間NDVI呈現(xiàn)減少趨勢(-0.13×10-3/a),年降水明顯減少(k=-1.94mm/a,P<0.05),年平均氣溫增加(k=0.05℃/a,P<0.05),年NDVI與年降水正相關(guān)(表5),說明降水減少是哈薩克斯坦北部草原NDVI減少的主要原因。

此外,本研究還采用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)研究了中亞NDVI的時空變化特征。研究表明：中亞的NDVI 在不同的區(qū)域、不同的季節(jié)和不同的時間序列范圍變化特征不同(圖7)。春季中亞NDVI 變化與其他季節(jié)有明顯差異,根據(jù)EOF和時間系數(shù)(PC- 1)圖,春季中亞NDVI從1982—1999年間變化呈現(xiàn)增加和減少交替出現(xiàn)的波動狀態(tài),1999年后保持增長趨勢,夏季、秋季和冬季的NDVI變化處于波動狀態(tài)。EOF結(jié)果表明,年和春季的NDVI的EOF第一模態(tài)在空間上具有一致的變化特征,其對應(yīng)的時間系數(shù)與NDVI的變化規(guī)律一致。其他季節(jié)和生長季表現(xiàn)出NDVI緯帶分布特征以及山區(qū)對NDVI分布的影響。

表5 哈薩克斯坦北部草原地區(qū)年、四季和生長季NDVI、降水和氣溫的線性趨勢和均值

Table 5 Linear trends of annual and seasonal NDVI, precipitation and temperature over grasslands of northern Kazakhstan during 1982—2012

區(qū)域Region時間范圍NDVI降水氣溫k/(10-3)MeanRMSE/(10-2)k/(10-3)MeanRMSE/(10-2)k/(10-3)MeanRMSE/(10-2)哈薩克斯坦北部全年 -0．130．291．39-1．94?323．2541．060．05?4．880．90草原地區(qū)春 1．05?0．302．350．0877．4713．900．11??5．641．75Grasslandsofnorthern夏 0．600．502．68-0．01103．5721．730．05??22．341．00Kazakhstan秋 -0．390．281．76-1．10?73．6318．880．08??5．091．55冬 -0．16?0．102．96-0．82?68．5814．78-0．06-13．522．03生長季0．76?0．451．96-0．70177．9829．930．07??17．320．99

本研究最終得到以下結(jié)論：

(1)1982—2012年期間,中亞地區(qū)年NDVI呈現(xiàn)出微弱增長趨勢。與平原區(qū)比較,山區(qū)既是NDVI的高值中心,亦是NDVI顯著增長中心,NDVI變化增長速率為0.0025/10a。

(2)就季節(jié)變化而言,整個研究區(qū)的春季NDVI在四季中增長最大并且變化顯著(k=0.007/10a,P<0.01)。而秋季和冬季則出現(xiàn)下降趨勢。平原區(qū)的NDVI變化與整個研究區(qū)保持一致；而山區(qū)不僅是NDVI高值中心。同時在1982—2012年間,山區(qū)NDVI在年和四季尺度上均具有顯著增加趨勢(P<0.05)。

(3)M-K檢驗表明：中亞地區(qū)年和四季NDVI在1982—2012年期間發(fā)生突變,突變時段主要發(fā)生在20世紀90年代前期。突變后NDVI出現(xiàn)下降趨勢。這與90年代后期中亞降水的劇烈減少和增溫速率的降低有關(guān)。

(4)NDVI的多年平均的空間分布表明：年、四季和生長季的NDVI在整體上的高值中心均出現(xiàn)在哈薩克斯坦北部草原地區(qū)和中亞山區(qū)。其中年NDVI和秋季NDVI的空間分布一致,春季、夏季和生長季的具有類似的空間分布特征。

(5)年NDVI和年氣溫變化具有弱的負相關(guān)性,與年降水存在正相關(guān)關(guān)系。在四季和生長季變化中,春季氣溫 和NDVI存在顯著的正相關(guān)性,表明春季的增溫有利于植被的生長。年降水和年NDVI的存在正的相關(guān)性,夏季和生長季的降水促進植被生長,其與NDVI表現(xiàn)出正相關(guān)性,這表明整體上中亞植被主要受降水影響。

(6)NDVI、氣溫及降水相關(guān)性的空間分布表明：年NDVI和氣溫的正相關(guān)中心在中亞南部地區(qū),負相關(guān)中心則出現(xiàn)在哈薩克斯坦的西部和北部地區(qū)及哈薩克斯坦、土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦西部的交界地區(qū)。降水和NDVI的年相關(guān)性空間分布表明正值中心與氣溫和NDVI的負值中心大部分區(qū)域一致,這表明在哈薩克斯坦的西部和北部地區(qū)年降水促進植被生長,而較低的氣溫抑制植被生長。

(8)中亞地區(qū)NDVI對氣候變化的響應(yīng)延時現(xiàn)象主要發(fā)生在年內(nèi)6—9月,NDVI對氣溫變化的響應(yīng)存在一個月的延遲。

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Spatial-temporal variation of vegetation and its correlation with climate change in Central Asia during the period of 1982—2012

YIN Gang1, 2, MENG Xianyong3,*, WANG Hao3, HU Zengyun2, SUN Zhiqun1

1SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China3ChinaInstituteofWaterResources&HydropowerResearch,Beijing100038,China

Dry-land plant ecosystems are particularly sensitive to climate change. Despite their importance in the global carbon cycle, the responses of vegetation dynamics to climate change in recent decades in Central Asian dry-lands remain unclear. In this study, we used normalized difference vegetation index (NDVI) data to analyze spatial-temporal changes in vegetation and to determine the correlation between vegetation and climatic variables over the period of 1982—2012 in Central Asia using the empirical orthogonal function (EOF) and least square methods. The results showed that the annual NDVI in Central Asia experienced an overall weak increasing trend during the study period, and a sharp decrease since 1994, especially in the grasslands of northern Kazakhstan, which might have been caused by decreased precipitation during the last three decades. In terms of seasonal variation, the NDVI in spring had a greater increasing trend than did the other three seasons. A significantly declining trend (P< 0.05) was found in winter. Compared to a weak increase in the NDVI in the plains areas, the mountainous areas experienced the greater increasing trend and the trend was significant at the annual and seasonal scales (P< 0.05). The EOF results illustrated that the annual NDVI showed a uniform spatial pattern during 1982—2012. Further, the NDVI showed long-range dependence characteristics, which indicated the increasing trend may be continuous in the future. In terms of the relationships between the NDVI and climate variables over Central Asia, the annual NDVI was positively correlated with annual precipitation, and a weak negative correlation between annual NDVI and temperature was detected. The positive correlation coefficient center appeared between the annual NDVI and annual temperature over the southern Central Asia, and the negative center appeared over the areas between Kazakhstan, Turkmenistan, and Uzbekistan. However, the opposite correlation coefficients were found over these areas between the annual NDVI and annual precipitation. In addition, one-month time lags were found between NDVI and temperature from June to September in Central Asia during 1982—2012. Our study provides important information on vegetation variation and would facilitate better understanding of the natural ecosystem changes over Central Asia for the past three decades.

NDVI; climate change; precipitation; temperature; vegetation dynamic changes； Central Asia

新疆大學(xué)博士畢業(yè)生科研啟動基金資助項目(BS150247); 國家十二五科技支撐計劃資助項目(2015BAB07BO3); 國家自然科學(xué)基金項目(41461023, 41561100)

2016- 01- 24; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601240164

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mxy@iwhr.com

殷剛,孟現(xiàn)勇,王浩,胡增運,孫志群.1982—2012年中亞地區(qū)植被時空變化特征及其與氣候變化的相關(guān)分析.生態(tài)學(xué)報,2017,37(9):3149- 3163.

Yin G, Meng X Y, Wang H, Hu Z Y, Sun Z Q.Spatial-temporal variation of vegetation and its correlation with climate change in Central Asia during the period of 1982—2012.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3149- 3163.