開都-孔雀河流域NDVI動(dòng)態(tài)變化及其與氣溫和降水的聯(lián)系

何金蘋, 徐長(zhǎng)春, 李曉菲, 楊童童, 何旦旦, 魯斯達(dá)姆

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046)

植被是連接土壤、大氣和水分的中樞系統(tǒng)，是組成整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的自然紐帶，在全球變化研究中往往扮演著“指示器”的作用[1-4]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、生物量和生產(chǎn)力等地表參數(shù)聯(lián)系較為緊密[5-6]，并且被廣泛應(yīng)用于大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的植被趨勢(shì)變化研究中[7]。植被的生長(zhǎng)受溫度、降水等氣候因子制約并對(duì)其變化表現(xiàn)出顯著的響應(yīng)特征[7-8]。研究NDVI與氣候因子的關(guān)系在全球變化研究中具有重要意義。

基于當(dāng)前先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)，NDVI作為一種描述植被覆蓋的地表參量，可以獲取豐富的植被指數(shù)信息，揭示區(qū)域乃至全球的植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化，為植被覆蓋的區(qū)域性和空間異質(zhì)性研究提供可能[9-11]。已有研究表明，NDVI與氣候因子(如降水、氣溫等)之間關(guān)系的響應(yīng)特征有利于探尋陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)變化的關(guān)鍵因素，并且有利于了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制[12-15]。NDVI的趨勢(shì)變化特征及與氣候因子的響應(yīng)特征隨著氣候區(qū)、植被類型和研究時(shí)期的不同等而有所差異[16-18]。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[19]、南非與澳大利亞地區(qū)[20]。NDVI對(duì)降水量的響應(yīng)存在一定的時(shí)間延遲[21-23]。NDVI的垂直變化特征能夠揭示植被長(zhǎng)勢(shì)的垂直梯度變化及分水嶺所在[24]；降水因素對(duì)NDVI變化的影響在年際變化上高于溫度，在月際變化上低于溫度[25]。

鑒于以上研究，本文針對(duì)地處中國(guó)西部干旱與半干旱區(qū)的開都—孔雀河流域，分析近年來(lái)NDVI的趨勢(shì)變化及其對(duì)降水和溫度的響應(yīng)特征。根據(jù)MODIS—NDVI數(shù)據(jù)大尺度和高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，選用2000—2014年NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合同期降水與溫度數(shù)據(jù)，分析NDVI的時(shí)空變化及其對(duì)降水和溫度的響應(yīng)，揭示不同環(huán)境、不同時(shí)間和空間尺度下自然驅(qū)動(dòng)因素對(duì)植被的影響效果，以期對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與改善起到一定的指示作用。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

開都—孔雀河(以下簡(jiǎn)稱開孔河)流域位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州(簡(jiǎn)稱巴州)境內(nèi)，地處天山南麓，塔里木盆地東北部(82°56′—88°12′E，40°48′—43°20′N)。開孔河流域由開都河流域、孔雀河流域和博斯騰湖共同組成。其中，開都河全長(zhǎng)560 km，孔雀河全長(zhǎng)420 km，博斯騰湖湖水面積在平水期約為980 km2。

開孔河流域地處中國(guó)西北干旱區(qū)腹地，遠(yuǎn)離海洋，降水較少，高溫少雨，蒸發(fā)量大，光熱資源豐富；流域內(nèi)植被物種豐富，地面高程差較大，自然帶變化多樣，有沙漠、荒漠、荒漠戈壁、草原、灌木、濕地、林地、高山林地、高山草甸等[26]。

1.2 研究資料與數(shù)據(jù)處理

本文所用數(shù)據(jù)主要為：2000—2014年每年4—10月的MOD11A2—NDVI數(shù)據(jù)，軌道號(hào)為H24V04，空間分辨率為1 km×1 km，共計(jì)405期；氣象數(shù)據(jù)為2000—2014年開孔河流域及其周邊的15個(gè)氣象站點(diǎn)的月降水量及月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。

利用MRT軟件將MODIS數(shù)據(jù)的正弦曲線投影(SIN)轉(zhuǎn)換為通用橫軸墨卡托投影(UTM)，并進(jìn)行圖像鑲嵌和格式轉(zhuǎn)換等處理[27]，運(yùn)用ENVI軟件批量裁剪出流域的MODIS—NDVI數(shù)據(jù)。將NDVI數(shù)據(jù)利用國(guó)際通用MVC(Maximum Value Composites)法進(jìn)行年最大值合成[28-29]，以消除大氣和云層的部分信號(hào)干擾，減少噪聲，提高數(shù)據(jù)的可信度。

YNDVIi=max(NDVIij)

(1)

式中：YNDVIi表示i年份的年NDVI最大合成值(i為2000年、2001年、…、2014年)；NDVIij表示i年份j月的NDVI(j為4月、5月、…、10月)。在計(jì)算過(guò)程中，水體及NDVI值小于0.1的網(wǎng)格單元一般認(rèn)為沒有NDVI[29]，賦值為0。計(jì)算流域4—10月的月平均NDVI值，及近15年流域各年的NDVI平均值。

降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的2000—2014年全國(guó)722個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的月平均溫度和月降水量資料，其中研究區(qū)域共覆蓋15個(gè)站點(diǎn)。利用ArcGIS Spatial Analyst Tools模塊對(duì)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行IDW空間插值，采樣成1 km×1 km空間分辨率，并采用Albert投影，以獲取與NDVI數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的氣象柵格數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)裁切獲取開孔河流域的月平均溫度和月降水量的柵格圖像[30]。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI變化趨勢(shì) 基于像元的一元線性回歸方程，模擬2000—2014年的各年最大合成NDVI的變化趨勢(shì)，公式為：

(2)

1.3.2 偏相關(guān)分析 地理要素之間相關(guān)關(guān)系密切程度的測(cè)定，主要是通過(guò)對(duì)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)來(lái)完成的。在多要素所構(gòu)成的地理系統(tǒng)中，不考慮其他要素的影響，而單獨(dú)研究?jī)蓚€(gè)要素之間的相互關(guān)系的密切程度，稱為偏相關(guān)。用以度量偏相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量，稱為偏相關(guān)系數(shù)[31]。首先計(jì)算相關(guān)系數(shù)，其次固定變量由相關(guān)系數(shù)得到偏相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

基于降水量的NDVI與溫度的偏相關(guān)系數(shù)及基于溫度的NDVI與降水量的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

(4)

式中：rxy,z為變量z固定后變量x和y的偏相關(guān)系數(shù)；rxy，rxz，ryz分別為變量x和y、變量x與z、變量y與z的相關(guān)系數(shù)。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，一般采用t檢驗(yàn)法，其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為：

(5)

式中：tp為偏相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)所構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)量；rxy,z為偏相關(guān)系數(shù)；rxy為變量x和y的偏相關(guān)系數(shù)；n為樣本數(shù)目；m為自變量數(shù)目。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時(shí)間變化特征

2000—2014年開孔河流域NDVI呈波動(dòng)變化，但總體趨勢(shì)并不明顯(圖1)。其主要原因可能一方面波動(dòng)是由研究區(qū)降水和溫度本身的波動(dòng)變化所導(dǎo)致，當(dāng)然也可能存在人為的干擾；另一方面，研究區(qū)地形較為復(fù)雜，不同地形下的植被長(zhǎng)勢(shì)空間差異極為顯著。研究區(qū)北部的和靜縣主要以山區(qū)為主，植被長(zhǎng)勢(shì)較好，NDVI較大；研究區(qū)南部的尉犁縣主要以沙漠和荒漠為主，植被覆蓋稀疏，NDVI值較小。北部NDVI的較大變化可能會(huì)被南部較小的變化拉平，從而在長(zhǎng)時(shí)間上看并不顯現(xiàn)十分明顯的趨勢(shì)。由NDVI最大合成年均值可以看出，研究區(qū)NDVI較大年均值出現(xiàn)在2000年、2002年、2003年、2010年和2014年，較小年均值出現(xiàn)在2001年、2004年、2009年。

圖1 開孔河流域2000-2014年NDVI動(dòng)態(tài)變化

2.2 NDVI空間變化特征

2.2.1 NDVI年際變化 開孔河流域NDVI整體上呈西北高東南低的空間分布特征，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋呈現(xiàn)極為嚴(yán)重的兩極分化現(xiàn)象，其中植被覆蓋度較高的區(qū)域位于和靜縣大部、博湖流域綠洲、庫(kù)爾勒市東部等，其他區(qū)域則為荒漠戈壁和沙漠等土地類型，NDVI極低。由于氣候與地形的影響，地處山區(qū)的和靜縣NDVI最高，較為豐沛的降水和高海拔處的空氣濕度，以及光熱條件充足，為植被生長(zhǎng)提供了良好的條件；博湖流域綠洲充分借助博湖濕地的優(yōu)勢(shì)，植被易于生長(zhǎng)；在孔雀河流域內(nèi)，NDVI高值區(qū)域主要集中在庫(kù)爾勒市及周邊區(qū)域，流域下游也存在較為豐富的植被覆蓋。

為了進(jìn)一步分析開孔河流域NDVI年際變化程度在空間上的分布狀況，本文根據(jù)公式(2)對(duì)研究區(qū)內(nèi)每個(gè)像元的NDVI變化趨勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算和分析，可更加細(xì)致地展示研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域NDVI在15年內(nèi)發(fā)生退化、增長(zhǎng)或者保持不變的態(tài)勢(shì)。首先，利用ArcGIS軟件下標(biāo)準(zhǔn)差重分類的功能，將研究區(qū)自動(dòng)劃分為7個(gè)等級(jí)[31]，然后依次計(jì)算出不同NDVI變化下的面積(表1)。

由表1可以看出，在近15年間開孔河流域內(nèi)NDVI退化面積大于改善面積，可見生態(tài)環(huán)境不容樂(lè)觀。流域NDVI變化程度中，有84.57%為基本不變；退化總面積占到研究區(qū)的9.1%，其中輕微退化為6.8%，中度退化面積為1.81%，嚴(yán)重退化面積較少，僅占到研究區(qū)總面積的0.49%；改善總面積為6.33%，其中輕微改善、中度改善和明顯改善的面積分別占到研究區(qū)總面積的3.72%，1.11%和1.50%。

開孔河流域NDVI變化程度呈現(xiàn)較為明顯的空間差異性，由研究區(qū)西北向中部再向東南方向延伸，NDVI變化程度依次為退化區(qū)域、改善區(qū)域、基本不變區(qū)域。造成這種現(xiàn)象的原因可能有氣候、人為和地理環(huán)境多方面的因素。退化區(qū)域中，由于近年來(lái)人口增加，當(dāng)?shù)鼐用竦纳鷳B(tài)環(huán)保意識(shí)不足，對(duì)和靜縣山區(qū)林草地破壞嚴(yán)重，資源利用不夠合理導(dǎo)致NDVI出現(xiàn)了大面積的退化現(xiàn)象；博湖綠洲和庫(kù)爾勒市及周邊的NDVI改善較好，可以認(rèn)為在原有的博湖濕地利于植被生長(zhǎng)的地理環(huán)境的影響下，區(qū)域植被長(zhǎng)勢(shì)較好，另外，由于庫(kù)爾勒市為巴州重點(diǎn)城市，政府對(duì)基礎(chǔ)生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)改善建設(shè)較多，在15年間，整體上呈現(xiàn)植被改善較好的趨勢(shì)。研究區(qū)NDVI基本不變區(qū)域主要集中在尉犁縣，由于該區(qū)域土地類型大部分為荒漠和沙漠地帶，僅有少量的綠洲分布于孔雀河流域下游，所以在NDVI趨勢(shì)變化中基本不變的面積占比較多。

表1 開孔河流域NDVI趨勢(shì)變化等級(jí)劃分及統(tǒng)計(jì)特征

2.2.2 NDVI年內(nèi)變化 對(duì)年內(nèi)的月NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由附圖3可以看出，研究區(qū)各年內(nèi)NDVI變化差異較大，NDVI改善區(qū)域、退化區(qū)域以及基本不變區(qū)域的空間分布差異性顯著且分布特征較為明顯。NDVI改善較為明顯的年份為2002年與2010年，主要分布于和靜縣。2000—2001年、2003—2004年以及2010—2011年的NDVI退化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，退化區(qū)域由和靜縣大部擴(kuò)展到和碩縣北部；由于地理環(huán)境和土地利用類型的影響，尉犁縣大部分區(qū)域在15年間一直以NDVI基本不變占主導(dǎo)。

通過(guò)分析各年內(nèi)NDVI的變化及空間分布可知，整體上NDVI變化程度的空間分布特征與年際變化的空間分布特征相似，都表現(xiàn)為研究區(qū)北部為退化區(qū)域，中部為改善區(qū)域，南部為基本不變區(qū)域。

3 降水、氣溫的時(shí)空分布及其與NDVI的相關(guān)性

3.1 降水、氣溫的時(shí)空分布特征

選用開孔河流域及周邊氣象站點(diǎn)15 a的月降水量與月均溫?cái)?shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件下反距離加權(quán)插值(Inverse Distance Weighted，IDW)模塊對(duì)月降水量與月均溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行年際空間插值。最后利用研究區(qū)邊界裁剪得到本文開孔河流域各縣市的月降水量與月均溫的年際空間差值(附圖4)。由附圖4可以看出，月均降水量和月均氣溫呈現(xiàn)相反的空間分布特征，降水量較高的區(qū)域主要集中在研究區(qū)北部，氣溫較高的區(qū)域主要集中在研究區(qū)南部；由于研究區(qū)地勢(shì)高程落差較大，北部的和靜縣主要為山區(qū)區(qū)域，海拔較高，植被覆蓋度大，而研究區(qū)南部主要以干旱沙漠和荒漠為主，降水稀少，導(dǎo)致北部的降水量大于南部的降水量，其中月均降水量最大值達(dá)到19.9 mm(附圖4A)；同時(shí)由于研究區(qū)主要以干旱與半干旱的荒漠和沙漠地帶為主，下墊面吸收地表太陽(yáng)輻射較多，其次由于植被稀疏，降水量較少，導(dǎo)致研究區(qū)南部的氣溫較高于北部區(qū)域，月均溫最高達(dá)到13.3℃(附圖4B)；另外，在研究區(qū)中部的庫(kù)爾勒市和博斯騰湖綠洲形成典型的熱島和冷島效應(yīng)，使得研究區(qū)中部的降水和氣溫相對(duì)性較高，差異性較大。

3.2 NDVI與氣象因子的相關(guān)性

3.2.1 偏相關(guān)分析 計(jì)算開孔河流域15年間NDVI與月平均氣溫和月降水偏相關(guān)系數(shù)，得出該區(qū)域溫度和NDVI偏相關(guān)系數(shù)r1及降水和NDVI偏相關(guān)系數(shù)r2的空間分布圖(附圖5)。其中，NDVI與月降水和月均溫的最大偏相關(guān)系數(shù)分別為0.81，0.88，與月降水和月均溫的最小偏相關(guān)系數(shù)分別為-0.76和-0.91。NDVI與降水和氣溫均存在不同程度的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，但其分布空間有所差異。

由附圖5A可以看出，在研究區(qū)北部和中部區(qū)域的偏相關(guān)系數(shù)主要為正，表明降水對(duì)植被起到促進(jìn)作用，且正相關(guān)系數(shù)大于負(fù)相關(guān)系數(shù)；北部和中部的溫度對(duì)NDVI表現(xiàn)出極高的負(fù)相關(guān)性，其作用面積可占到和靜縣的大部分區(qū)域(附圖5B)。在研究區(qū)南部，降水的偏相關(guān)系數(shù)主要為負(fù)，而氣溫的偏相關(guān)系數(shù)主要為正。北、中部與南部呈現(xiàn)出了相反的態(tài)勢(shì)。表2為通過(guò)t檢驗(yàn)的r1和r2的空間分布狀況以及不同檢驗(yàn)程度的面積百分比。對(duì)研究區(qū)中NDVI對(duì)降水量和氣溫的偏相關(guān)關(guān)系分布圖進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)NDVI與氣溫負(fù)相關(guān)關(guān)系的面積為77.64%，并有1.02%和4.15%的面積分別通過(guò)p<0.01和p<0.05的顯著性檢驗(yàn)；NDVI與降水的正相關(guān)關(guān)系的面積為72.79%，并有0.89%和5.15%的面積分別通過(guò)p<0.01和p<0.05的顯著性檢驗(yàn)；另外，NDVI與氣溫正相關(guān)關(guān)系的面積和NDVI與降水的負(fù)相關(guān)關(guān)系的面積分別為22.36%與27.21%。對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，同一像元符合r1>r2的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)域的66.24%，表明植被變化對(duì)溫度的響應(yīng)程度高于對(duì)降水的響應(yīng)程度。綜上，整個(gè)研究區(qū)NDVI對(duì)氣溫要素主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，對(duì)降水要素主要表現(xiàn)為正相關(guān)，且溫度影響大于降水影響。

表2 不同類別面積百分比

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

陳歡等[32]對(duì)中國(guó)大陸植被對(duì)降水和溫度的變化響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，NDVI與降水和溫度之間有較顯著的相關(guān)性，中國(guó)大陸植被NDVI對(duì)氣溫和降水有滯后效應(yīng)，并且滯后水平存在著明顯的空間差異，植被對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感性和依賴性，同時(shí)溫度的季節(jié)性變動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)有重要性的影響；另外，由于植被在生長(zhǎng)過(guò)程中需要經(jīng)歷從土壤中吸收水分，而土壤獲得水分的主要途徑是通過(guò)大氣降水，所以導(dǎo)致降水對(duì)植被有較為明顯的滯后性。在中國(guó)干旱與半干旱地區(qū)，降水量的多少是限制植被長(zhǎng)勢(shì)的重要因子，新疆雖然降水稀少，但是天山融水豐沛，所以表現(xiàn)出NDVI對(duì)溫度的響應(yīng)特征較為敏感[33-34]。

2000—2014年新疆開孔河流域NDVI有所波動(dòng)但變化趨勢(shì)較小，氣候因子(降水量、溫度)對(duì)研究區(qū)NDVI變化的驅(qū)動(dòng)力不同，其中溫度對(duì)NDVI的主導(dǎo)促進(jìn)因素較大于降水；由于流域NDVI的退化和改善是由多方面驅(qū)動(dòng)力共同決定的，非氣候驅(qū)動(dòng)力因素也會(huì)對(duì)研究區(qū)NDVI變化起到不同程度的影響，例如，植樹造林、耕地改良、退耕還林、人口增加、過(guò)度放牧等人為因素都會(huì)影響流域NDVI的改善與退化；另外本研究在分析NDVI與氣候因子的響應(yīng)特征時(shí)僅選用了月降水量與月均溫氣象數(shù)據(jù)，雖然在消減氣候因子對(duì)NDVI的滯后性時(shí)有一定的促進(jìn)作用，但為了將影響因素考量地更加全面，后期研究應(yīng)擴(kuò)展為年降水量和年氣溫?cái)?shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)更大空間尺度的研究。鑒于以上討論，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析，以期更科學(xué)地評(píng)定人類活動(dòng)和氣象因子對(duì)NDVI時(shí)空格局變化的影響及各自貢獻(xiàn)值的大小。

4.2 結(jié) 論

(1) 從空間分布上看，新疆開孔河流域NDVI從2000—2014年有波動(dòng)但無(wú)明顯趨勢(shì)，植被覆蓋呈現(xiàn)西北高東南低的空間分布特征。

(2) 從變化趨勢(shì)的空間分布看研究區(qū)NDVI退化面積區(qū)域大于改善面積區(qū)域，退化面積為9.1%，主要集中在研究區(qū)北部，而改善面積為6.33%，主要集中在研究區(qū)中部；在年內(nèi)變化中，NDVI在2002年和2010年有較為明顯的改善外，其他年份均出現(xiàn)不同程度的退化現(xiàn)象。

(3) 從對(duì)氣象因子的響應(yīng)特征上看，Pearson相關(guān)分析和偏相關(guān)分析結(jié)果相同，同一像元符合r1>r2的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)域的66.24%；NDVI對(duì)溫度的負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積要大于NDVI對(duì)降水負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積，且溫度通過(guò)p<0.01的像元面積大于降水通過(guò)p<0.01的像元面積，NDVI變化對(duì)溫度的響應(yīng)特征高于對(duì)降水的響應(yīng)特征。