2000-2015年阜康林區(qū)植被覆蓋變化及其對氣候因子的響應(yīng)

邢 菲, 李 虎, 李建貴, 張乃明, 陳冬花, 劉玉鋒, 葉 春, 栗旭升

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院, 安徽 滁州 239000;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林業(yè)研究所, 烏魯木齊 830052; 4.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054)

氣候因子是影響植被生長發(fā)育、地理分布、多樣性和豐富度等的關(guān)鍵因素，對陸地植被類型及其功能特性起著決定性作用，全球地帶性植被的分布都與氣候要素密切相關(guān)[1]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子，在植被遙感中得到了廣泛應(yīng)用，被認為是表征地區(qū)或全球植被狀況和生態(tài)環(huán)境變化的最有效指標(biāo)[2-3]。對此國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了一系列研究[4-11]。

天山是橫亙在新疆南北荒漠地面上的一座“濕島”。山區(qū)降水量豐富，成為準(zhǔn)噶爾盆地南緣與塔里木盆地北緣眾多河流、湖泊的發(fā)源地[12-13]。王新欣等[14]利用EOS/MODIS數(shù)據(jù)，對天山北坡中段草地生物量變化動態(tài)進行監(jiān)測，并分析了草地植被指數(shù)的時空變化特征以及植被指數(shù)與草地生物量之間的關(guān)系；馮志敏等[15]基于2000—2009年MODIS數(shù)據(jù)，分析了天山山區(qū)草地類型植被指數(shù)變化特征及其與氣候因子的關(guān)系。綜上所述，廣大學(xué)者關(guān)于天山的研究主要集中于草地植被類型上，且都是從大空間尺度來進行，無法準(zhǔn)確的反映某一特定小區(qū)域內(nèi)的植被變化狀況。因此本文從阜康林區(qū)入手，探究該區(qū)域近16 a來植被和氣候變化狀況。

阜康林區(qū)位于天山北麓中段，自2000年以來開始實施天然林資源保護工程等一系列重大生態(tài)工程，對區(qū)內(nèi)植被進行了一系列保護措施。在這一時期內(nèi)阜康林區(qū)植被覆蓋狀況和氣候發(fā)生了怎樣的變化？變化的具體特征及規(guī)律如何？近幾十年來遙感技術(shù)的成熟和相關(guān)數(shù)據(jù)的積累，為解決此問題提供了技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。本文擬利用MODIS NDVI時間序列數(shù)據(jù)，并結(jié)合研究區(qū)2000—2015年氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)，對阜康林區(qū)近16 a來植被覆蓋狀況和氣候變化規(guī)律及二者之間的內(nèi)在響應(yīng)關(guān)系進行了探究，進而為天保工程實施效益評價提供數(shù)據(jù)支撐，為林業(yè)部門制定植被恢復(fù)和保育措施提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)阜康林區(qū)位于天山北麓中段，范圍在88°00′—88°42′E，43°48′—44°05′N之間，阜康林區(qū)始建于1956年3月，海拔758～4 016 m，總面積92 750.86 hm2。研究區(qū)東與吉木薩爾林場相連，西與米泉林場相鄰，南為東天山主峰博格達峰，北接準(zhǔn)噶爾盆地。阜康林區(qū)是天池國家自然保護區(qū)重要水源地及三工河、四工河、五工河、白楊河及甘河子等河流的發(fā)源地。研究區(qū)屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，年平均溫度1.2 ℃，年降水量為400 mm，降水年內(nèi)分配不均，主要分布在夏季和冬季。研究區(qū)土壤分布呈明顯的垂直地帶性，由低到高依次為：山地栗鈣土、山地灰褐色森林土、高山草甸土和高山石質(zhì)帶。

本文所采用MODIS 16 d合成NDVI數(shù)據(jù)來源于NASA網(wǎng)站(https:∥modis.gsfc.nasa.gov/)，時間序列為2000—2015年6—8月植被生長旺盛期的數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m，時間分辨率16 d。數(shù)據(jù)處理使用MODIS批處理工具MRT對其進行拼接與重投影，再利用ENVI5.3軟件(美國ESRI公司2015年發(fā)布的5.3版本)根據(jù)研究區(qū)矢量范圍進行批量裁剪得到研究區(qū)NDVI時間序列數(shù)據(jù)。氣象資料為位于阜康林區(qū)內(nèi)的天池氣象站2000—2015年氣溫降水年值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣象局。氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)處理在Excel軟件下進行。

1.2 研究方法

(1) 均值法[16]。采用取平均值法計算研究區(qū)每年夏季[15]NDVI來反映研究區(qū)內(nèi)本年度的植被生長狀況，進而用于分析研究區(qū)內(nèi)NDVI年際變化特征，并根據(jù)阜康林區(qū)植被覆蓋實際狀況將NDVI分為“低”、“中等”、“較高”和“高”4個等級(見表1)。

表1 2000-2015年阜康林區(qū)不同等級NDVI變化

NDVI均值計算方法如下：

(2) 回歸分析法[17]。采用一元線性回歸分析研究區(qū)內(nèi)NDVI，氣溫及降水年際變化變化趨勢，從而掌握近16 a來研究區(qū)內(nèi)NDVI及氣溫和降水變化特征。計算方法為：

yj=kj+b

式中：yj——待分析的變量；j——年份；b——常數(shù)；k——斜率(回歸系數(shù))。其中k>0表示待分析變量在分析時間段內(nèi)呈上升趨勢，反之呈下降趨勢?；貧w分析和顯著性檢驗借助SPSS (美國IBM公司20.0版本)進行，并定義p<0.05為顯著變化。

(3) 距平波動法。采用距平波動法分析研究區(qū)內(nèi)NDVI，年均氣溫，年均降水的波動變化特征，具體為使用近16 a來研究區(qū)內(nèi)NDVI、年均氣溫和年均降水與各要素均值的差值來反映各要素波動情況，計算方法如下：

(4) 相關(guān)分析法[18]。采用相關(guān)分析法研究植被NDVI與氣候因子間的響應(yīng)關(guān)系，通過計算NDVI波動與氣溫、降水波動的相關(guān)系數(shù)，分析研究區(qū)內(nèi)植被NDVI波動對氣候因素波動的響應(yīng)。計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 近16 a植被覆蓋空間分布及變化特征

阜康林區(qū)2000—2015年來植被覆蓋以中等及以上為主，垂直分布特征明顯。其中低覆蓋區(qū)主要分布在海拔800～1 500 m海拔范圍內(nèi)，少量分布在海拔3 100 m以上區(qū)域。低海拔區(qū)的低植被覆蓋主要是處于溫帶荒漠帶，高海拔低植被覆蓋區(qū)則主要為高山草甸帶，在這兩個范圍內(nèi)環(huán)境相對惡劣，都不利于植被生長。中等植被覆蓋區(qū)主要分布于海拔1 000～1 900 m范圍內(nèi)，此海拔范圍處于山地草原及天山北坡獨特的低山草甸帶，隨著海拔的上升，水分條件逐漸趨好，植被生長旺盛。較高和高覆蓋區(qū)主要分布于海拔1 300～3 100 m范圍內(nèi)，此海拔范圍內(nèi)主要為天山云杉(Piceaschrenkianavar.tianschanica)林帶及與云杉交錯分布的亞高山草甸，同時也是地形降雨集中區(qū)，森林自身特性及其涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候的功能為自身及草地的生長提供了優(yōu)質(zhì)的水熱條件，植被生長旺盛，植被覆蓋高值區(qū)出現(xiàn)于此。

圖1為16 a來阜康林區(qū)NDVI年際變化特征，由圖1可以看出。阜康林區(qū)16 a來NDVI值在0.22～0.28間波動且呈下降趨勢?？傮w來看，16 aNDVI均值為0.25，極差為0.06，下降率為0.000 5/a，植被覆蓋總體水平偏低，但波動變化幅度不大，下降趨勢不明顯。NDVI變化總體可以分為兩個階段：第一階段為2000—2004年的5 a間，在此階段內(nèi)NDVI變化幅度較大，首先從2000年的0.26下降到最低值0.22，而后從2001年穩(wěn)步上升，在2003年出現(xiàn)的第一個峰值0.28，并在2004年回到0.25均值水平；第二階段為2004—2015年12 a間，在此階段內(nèi)NDVI值在0.24～0.26間變化，波動幅度較小，總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，只在2007年和2012年出現(xiàn)一個峰值和一個谷值。

圖1 2000-2015年NDVI年際變化特征

2.2 不同等級植被覆蓋變化

從表1可以看出，2000—2015年NDVI值各等級所占比例為：“較高”>“中等”>“低”>“高”，主要以“中等”和“較高”兩個等級為主，所占比例達80.49%；從各等級2000—2015年年變化率和變化趨勢來看，處于“低”、“中等”和“較高”3個等級NDVI總體呈波動上升趨勢，年變化率分別為0.019 6/a，0.107 5/a和0.073 4/a(p<0.05)，其中“低”等級NDVI年變化率最大且波動顯著(圖2a)，“中等”等級雖然年變化率最小但波動幅度卻較為明顯(圖2b)；“較高”等級NDVI變化率高于“中等”等級，但低于“低”等級，且近16 a來最為平穩(wěn)(圖2c)；近16 a來“高”等級NDVI從總體上看呈波動下降趨勢，年變化率在4個等級中最為顯著2.004/a(p<0.05)，且波動明顯(圖2d)。

圖2 2000-2015年阜康林區(qū)不同等級NDVI變化波動

2.3 年平均氣溫、年平均降水變化情況

研究區(qū)2000—2015年年平均氣溫總體呈波動下降趨勢，16 a間年平均氣溫為2.6 ℃，年平均氣溫最高值出現(xiàn)在2006年為3.3 ℃，最低值出現(xiàn)在2011年為1.9 ℃，極差為1.4 ℃，波動幅度較大，但從線性擬合結(jié)果來看年平均氣溫下降率為0.016 9 ℃/a(p>0.05)，天保工程實施以來林區(qū)內(nèi)氣溫下降幅度不顯著(圖3a)。近16 a間年平均氣溫變化可以分為3個階段：第一階段為2000—2003年的4 a間，年均氣溫從2000年的2.2 ℃上升到2002年的3 ℃后達到第一個峰值，并在2003年下降到2度；第二階段為2003—2011年的9 a間，年平均氣溫先從2003年的2 ℃上升到2006年的最大值3.3 ℃，達到第2個峰值，而后從2006年開始直線下降到2011年的最小值1.9 ℃，6 a間極差達到1.4 ℃；第三階段為2011—2015年5 a間，年平均氣溫從2011年的最低值1.9 ℃逐步回升到2015年的3 ℃，達到第3個峰值。

2000—2015年來年平降水量總體呈波動上升趨勢，16 a間年平均降水量為595.3 mm，年均降水量最大為874.7 mm，最小為352.9 mm，極差為521.8 mm，總體波動幅度較大；從線性擬合結(jié)果來看，年平均降水量增加率為6.754 1 mm/a(p<0.05)，說明天保工程實施以來林區(qū)內(nèi)年降水量增加趨勢顯著(圖3b)。從2000—2015年，年平均降水量變化可以分為兩個階段：第一階段為2000—2008年，在此9 a間年平均降水量波動幅度最大，從2000年開始下降到2001年的最小值，而后從2001—2003年呈直線上升趨勢達到第一個峰值；2003—2004年第二次下降并在2004—2006年保持穩(wěn)定后在2007年達到第2個峰值；第二階段為2008—2015年，在此階段內(nèi)年平均降水波動相對穩(wěn)定，變化幅度不大，只在2015年出現(xiàn)峰值并達到最大。

圖3 2000-2015年阜康林區(qū)年均氣溫、降水變化

2.4 植被覆蓋變化與氣候要素相關(guān)性分析

圖4為NDVI波動與氣溫、降水波動的關(guān)系。從圖4可以看出，2000—2015年NDVI的年際波動與年平均氣溫的年際波動在2007年以前表現(xiàn)為相反的趨勢，只在2002年表現(xiàn)出一致性；從2007年后至2015年，NDVI的年際波動與年平均氣溫的年際波動趨勢表現(xiàn)出一致性，但二者相關(guān)性不強，只在2007年、2009年、2010年和2012年和2013年表現(xiàn)出較強的相關(guān)性，其余年份相關(guān)性很弱。在95%置信度下，NDVI的年際波動與年均氣溫波動的相關(guān)系數(shù)為0.053 9，說明NDVI的波動變化對年均氣溫的波動變化響應(yīng)不明顯。2000—2015年NDVI的波動趨勢與年均降水的波動趨勢在總體上具有同步性，只在2011年表現(xiàn)出不一致性。NDVI波動與年均降水波動相關(guān)系數(shù)為0.693 35且在0.05水平下相關(guān)性顯著。表明NDVI的波動變化對年均降水的波動變化響應(yīng)強烈。綜合上述分析結(jié)果可知，在2000—2015年的NDVI年際變化中，2001年、2003年、2007年和2012年出現(xiàn)的“跳躍”現(xiàn)象主要是受到當(dāng)年降水的影響，而受氣溫影響不大。

圖4 2000-2015年阜康林區(qū)NDVI波動與年均氣溫、降水波動的關(guān)系

3 討 論

研究對近16 a來阜康林區(qū)內(nèi)年均氣溫和年均降水進行了一元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)：近16 a來林區(qū)內(nèi)氣候總體有從暖干向冷濕轉(zhuǎn)變的趨勢，這與施雅風(fēng)[19-20]等關(guān)于中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的研究結(jié)果有出入?？赡艿脑蚴歉房盗謪^(qū)整體處于海拔較高的山地地區(qū)，獨特的地形形成了局地的小氣候；同時，隨著天保工程等一系列重大生態(tài)工程的實施，植被的作用尤其是森林調(diào)節(jié)氣候的功能得到了發(fā)揮。近16 a來植被覆蓋總體呈不明顯的下降趨勢，可能的原因是生態(tài)工程在短時期內(nèi)對某一區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋影響無法顯現(xiàn)，說明以自然恢復(fù)為主的生態(tài)工程是一項長期工程，而生態(tài)工程本身沒有進行有效實施也是可能的原因之一。

研究利用MODIS NDVI時間序列數(shù)據(jù)和氣象資料進行均值法、回歸分析、距平波動分析及相關(guān)性分析，探究了植被覆蓋變化與氣溫、降水變化間的響應(yīng)關(guān)系，而植被生長過程中還受如光照、土壤、二氧化碳含量等多種因素的影響，這些因素并不被考慮在本研究范圍內(nèi)，本研究也沒有考慮不同植被類型自身生理特征對氣溫及降水的響應(yīng)關(guān)系，這些都是下一步的主要研究方向和內(nèi)容。

利用阜康林區(qū)MODIS NDVI時間序列數(shù)據(jù)和氣溫及降水資料分析了林區(qū)內(nèi)自天保工程實施以來植被覆蓋、氣候變化及植被覆蓋與氣候變化間的響應(yīng)特征，研究結(jié)果可以為研究植被與氣候變化響應(yīng)關(guān)系提供參考，同時可以為研究天保工程實施的生態(tài)效益評價提供支持，對其他重大生態(tài)工程的實施，調(diào)整生態(tài)工程實施的措施，進一步保護和改善生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實和理論指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

(1) 從2000—2015年阜康林區(qū)植被覆蓋整體處于較低水平且呈不明顯的波動下降趨勢。變化最為明顯的為NDVI>0.65部分，是阜康林區(qū)NDVI下降的主要部分，變化率為-2.004/a。

(2) 近16 a來，阜康林區(qū)年平均氣溫總體呈波動下降趨勢，下降率為0.016 9 ℃/a，整體下降幅度不明顯。年均降水量總體呈波動上升趨勢，年均增長6.754 1 mm，降水量表現(xiàn)為明顯上升的趨勢，氣候有從暖干向冷濕趨勢發(fā)展。

(3) 從NDVI波動與氣候因子波動的關(guān)系來看，植被覆蓋變化受氣溫變化影響強度小于受降水的影響，這與水是干旱區(qū)植被生長的主要限制因素這一結(jié)論相符。

(4) 在天保工程實施期間雖然NDVI呈下降趨勢，但植被生長受到多種因素影響，因此，阜康林區(qū)天保工程實施對周邊氣候改善具有一定作用，生態(tài)效益有所顯現(xiàn)，但仍需加強林區(qū)內(nèi)植被保護措施。