2001—2015年天山北坡植被覆蓋對干旱的響應
——基于土地利用/土地覆蓋分析

李艷菊,丁建麗,*,張鈞泳,武鵬飛

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 新疆大學資源與環(huán)境科學學院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 新疆烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站, 烏魯木齊 830011

植被是連接土壤、大氣和水分的“自然紐帶”。植被覆蓋度在一定程度上量化了地表植被狀況。在研究氣候變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響時,常將植被覆蓋度作為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要指標[1]。

干旱是水分持續(xù)虧缺的一種異常氣象現(xiàn)象,是所有氣候因子作用于生態(tài)環(huán)境中的綜合反映[2]。干旱指數(shù)被用來綜合表征氣候的干旱程度。干旱是一種多尺度現(xiàn)象,所以,用干旱指數(shù)評估干旱必須與多時間尺度相關聯(lián)[3]。

植被對氣候變化的響應一直是全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關系的研究的熱點。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實施,作為“絲綢之路經(jīng)濟帶”的重要組成部分,天山北坡干旱化問題開始被人們關注。天山北坡生態(tài)系統(tǒng)脆弱,水資源有限,適應能力低,易受干旱影響,全球變暖和不合理的人類活動加劇了干旱的影響[4]。植被對氣象參數(shù)敏感,降水缺乏會導致水分脅迫,而高溫會給植被健康帶來熱應力[5],因此,植被可能受到干旱的高度影響。植被活動對干旱的響應及其機制尚不清楚[6],在這種背景下,評估干旱對植被的潛在影響的需求越來越迫切。了解不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度對干旱的響應時間尺度以及抗旱性差異,加深我們對干旱目前和未來對天山北坡植被影響的理解,為改善生態(tài)環(huán)境和減輕干旱影響提供科學參考。許多關于植被覆蓋度對氣候變化的響應的研究中,多數(shù)學者分析了單獨的氣候因子與植被覆蓋度的相關關系[2,7- 10],其氣候因子主要為溫度和降水量,研究尺度單一且不全面,并不能綜合反映氣候變化。不同土地利用/土地覆蓋的地表生態(tài)環(huán)境存在差異[1],從而對干旱的響應程度不同。因此,需要從更細致的角度分析植被覆蓋度對氣候變化的響應。

本文基于土地利用/土地覆蓋(land-use and land-cover change, LUCC),使用2001—2015年MODIS的NDVI產(chǎn)品獲取天山北坡的植被覆蓋情況,并結(jié)合由2001—2015年天山北坡16個氣象站點的氣象數(shù)據(jù)得到的干旱指數(shù),從時空上分析不同LUCC植被覆蓋度變化對多尺度干旱的響應,探討氣象干旱對天山北坡陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文所取的天山北坡研究區(qū)以行政區(qū)劃為界,包括克拉瑪依市市轄區(qū)、克拉瑪依市、昌吉市、阜康市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、奎屯市、烏蘇市、沙灣縣、石河子市、烏魯木齊市11個市(縣)(圖1)。

天山北坡地處天山山麓中段、準噶爾盆地南部。地勢南高北低,南部為天山山區(qū),中部為沖積平原,北部為古爾班通古特沙漠,屬于大陸性氣候,年均氣溫7.4 ℃,年均降水量181.99 mm,年均蒸發(fā)量1948 mm。主要農(nóng)作物有棉花、小麥、玉米。作為“絲綢之路經(jīng)濟帶”的重要組成部分,天山北坡具有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢和能源優(yōu)勢,發(fā)展?jié)摿薮?但作為典型的干旱綠洲經(jīng)濟區(qū),面臨水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱、資源環(huán)境承載力較低等挑戰(zhàn)[11]。

圖1 天山北坡位置及氣象站點分布Fig.1 The location of Northern Tianshan area and the distribution of meteorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

圖2 研究區(qū)土地利用/土地覆蓋類型圖Fig.2 Land use or land cover (LUCC) types map of the study area

本文選取2001—2015年空間分辨率為250 m的MODIS NDVI 16日數(shù)據(jù)產(chǎn)品,在ENVI中使用國際通用的最大值合成法(MVC),排除云、大氣和太陽高度角的干擾,得到月NDVI柵格數(shù)據(jù),利用研究區(qū)范圍矢量圖裁剪得到天山北坡2001—2015年180個月NDVI數(shù)據(jù)。

氣象基礎數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[12],共選用2001—2015年天山北坡區(qū)域16個氣象站點的平均氣溫、日照時數(shù)、降水量的日數(shù)據(jù)。

天山北坡土地利用/土地覆蓋(LUCC)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http: / /www． resdc． cn),本研究選用2001年,30 m分辨率的土地利用/土地覆蓋(LUCC)數(shù)據(jù),經(jīng)重分類生成耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)用地、未利用地6類研究區(qū)土地利用/土地覆蓋類型圖(圖2)。

1.3 標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)SPEI的計算

標準化降水指數(shù)(SPI)[13]、Palmer干旱指數(shù)(PDSI)[14]、標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[15]被廣泛用于監(jiān)測和評估干旱程度[16- 20],SPEI基于每月水平衡(P-ET),結(jié)合了SPI的多尺度效用與Palmer干旱嚴重指數(shù)(PDSI)對溫度和降水的敏感性[15,20- 21],是研究氣候變暖條件下干旱的有效工具[22]。因此,本文中使用SPEI來評估研究區(qū)氣候的干旱程度。其計算步驟為[23]：

(1)計算潛在蒸散量

(1)

式中,T為月平均溫度(℃),N為最大日照時數(shù),NDM為當月天數(shù),I為熱指數(shù)。熱指數(shù)計算為12個月指數(shù)i(公式2)的和,m由公式(3)得到：

(2)

m=6.75×10-7I3-7.71×10-5I2+1.79×10-2I+0.492

(3)

(2)確定不同時間尺度下降水量(P)與蒸散量(PET)的差值累積；

(3)對(2)得到的結(jié)果使用log-logistic概率分布,得到了SPEI系列。

根據(jù)計算得到的SPEI數(shù)據(jù)使用ArcGIS地統(tǒng)計分析工具中的IDW 空間插值方法得到歷年的SPEI柵格數(shù)據(jù)。基于SPEI根據(jù)表1劃分不同干旱等級,SPEI越小,干旱程度越強。

表1 基于SPEI的干旱等級劃分[24]

1.4 植被覆蓋度的計算

利用像元二分模型基于像元線性分解計算植被覆蓋度,遙感傳感器獲取的地表光譜信息分解成兩部分,純植被像元的信息NDVIv和純土壤像元的信息NDVIs。植被覆蓋度(fv)計算公式如下：

fv=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(4)

在實際計算過程中,不同影像的NDVIs和NDVIv會有一定程度的差異,所以采用0.5%置信度截取NDVI的上下閾值。將NDVI數(shù)值最大的0.5% 區(qū)域求平均值作為NDVIv,將NDVI數(shù)值最小的0.5%區(qū)域求平均值作為NDVIs。

1.5 SPEI與植被覆蓋度的趨勢分析及相關性計算

Theil-Sen斜率估計是一種非參數(shù)估計方法,常用于長時間序列趨勢變化分析。本文采用Theil-Sen斜率估計的方法分析研究區(qū)2001—2015年SPEI和植被覆蓋度的變化趨勢,計算公式如下：

(5)

式中, median 表示中位數(shù)函數(shù)；xi、xj為序列數(shù)據(jù),表示不同年份的植被覆蓋度或SPEI；ti、tj為與序列數(shù)據(jù)對應的時間序列數(shù)據(jù)；序列長度為n,有i

本文基于像元尺度進行SPEI與植被覆蓋度的相關分析,運用SPEI與植被覆蓋度的柵格數(shù)據(jù),有效分析天山北坡多尺度SPEI與植被覆蓋度的相關關系。SPEI與植被覆蓋度相關系數(shù)計算公式如下：

(6)

式中,R為x、y兩變量的相關系數(shù)；xi為第i年的植被覆蓋度；yi為第i年的年平均SPEI。

2 結(jié)果與分析

2.1 天山北坡干旱時空動態(tài)分析

2.1.1基于不同時間尺度SPEI的氣候年際變化分析

2001—2015年天山北坡不同尺度SPEI的變化趨勢如圖3所示。1個月尺度的SPEI(SPEI 1)變化趨勢不明顯,3個月(SPEI 3)、6個月(SPEI 6)、12個月尺度(SPEI 12)的SPEI均呈現(xiàn)下降的線性趨勢,即干旱化趨勢加強。不同時間尺度SPEI年際變化的顯著性明顯不同,時間尺度越大,干濕交替變化周期變長,SPEI年際變化趨勢越顯著,SPEI 6、SPEI 12變化趨勢分別通過了0.05、0.01的顯著性檢驗。1961—2015年新疆氣溫呈變暖趨勢,降水量減少,1997年以后保持穩(wěn)定。氣候變暖,降水減少加劇了新疆干旱的嚴重程度[3]。

圖3 天山北坡多時間尺度SPEI 長期動態(tài)特征Fig.3 Long-term dynamic characteristics of multi-time scale SPEI

從圖3可以看出,SPEI 3對短期降水和溫度變化較敏感,其數(shù)值波動較大；SPEI 6受多雨期和少雨期的影響,數(shù)值波動也比較大。2001—2015年天山北坡干旱持續(xù)時間達半年及以上的發(fā)生頻率較高,1個月尺度上,2001—2002年,2005—2008年,2012—2015年的干旱頻率較高,且干旱持續(xù)時間較長,2008年出現(xiàn)全年干旱,干旱程度多達到中度干旱；3個月尺度上,2001—2002年,2005—2006年,2013—2015年的干旱頻率較高,且干旱持續(xù)時間較長,2008年、2012年出現(xiàn)全年干旱,干旱程度多達到輕度干旱；6個月尺度上,2001年,2005—2006年,2014—2015年的干旱頻率較高,且干旱持續(xù)時間較長,2008年、2012年出現(xiàn)全年干旱,干旱程度多為輕度干旱；12個月尺度上2001年,2007—2009年,2012—2015年干旱頻率較高,且干旱持續(xù)時間較長,2001年,2012年出現(xiàn)全年干旱,干旱程度多為輕度干旱。綜上所述,多時間尺度的SPEI可以有效地反映天山北坡干旱程度及其持續(xù)時間,并且不同時間尺度的SPEI表現(xiàn)出了不同程度的年際震蕩和年際變化特征,1個月尺度上無明顯震蕩周期,3個月尺度上震蕩周期為8年,6個月和12個月尺度上震蕩周期表現(xiàn)為9年,更長的時間步長可以消弱單月水平衡差異,從而更突出干旱的季節(jié)、年變化特征,但總體上其變化的方向是一致的。

2.1.2月、季節(jié)、年尺度SPEI年際變化分析

從圖3可以看出,年內(nèi)各月SPEI的變化情況存在年際差異,谷值所在月份也不盡相同。取16個氣象站點的SPEI 1的平均值,如圖4,可以看到SPEI月變化趨勢為先減小后增大,谷值在5、7月份,表現(xiàn)為輕度干旱,5月份降水量少,7月份降水有所增加,但氣溫較高,蒸散量高于降水量。

SPEI 3可以反映干旱的季節(jié)變化特征,分別選取2月、5月、8月、11月的16個站點的SPEI 3平均值來反映冬、春、夏、秋季的干旱狀況(圖5)。可以發(fā)現(xiàn),2001—2015年15年間春、夏、秋、冬四季均接近半數(shù)的年份表現(xiàn)為干旱。春秋季干旱表現(xiàn)為輕度干旱,少數(shù)年份為中度干旱；夏冬季均為輕度干旱；秋季在2005—2008年出現(xiàn)連年干旱；2008年四季均表現(xiàn)為輕度干旱。春季和秋季SPEI年際變化無明顯趨勢,夏季和冬季SPEI年際變化呈下降趨勢,干旱程度加強。2001—2015年季節(jié)水平的干旱強度為冬季 > 夏季 > 春季 > 秋季。

從年尺度SPEI年際變化趨勢(圖6)可以看出,2001—2015年15年來天山北坡SPEI以0.025/年的速率下降,干旱趨勢增強,最干旱年份為2008年。

圖4 2001—2015年天山北坡月均SPEI變化Fig.4 Variations of monthly average SPEI during 2001 to 2015

圖5 天山北坡季節(jié)尺度SPEI長期動態(tài)特征Fig.5 Long-term seasonal dynamic characteristics of SPEI

圖6 天山北坡2001—2015年尺度SPEI年際變化Fig.6 Inter-annual variation of SPEI during 2001 to 2015

2.1.3SPEI的空間動態(tài)變化分析

根據(jù)2001—2015年的SPEI 12數(shù)據(jù),得到天山北坡不同土地利用/土地覆蓋的SPEI空間動態(tài)變化(圖7)。由圖7得到,15年間天山北坡絕大部分區(qū)域呈濕潤狀態(tài),中部(石河子、呼圖壁)、西北部(克拉瑪依市)呈輕度干旱。不同土地利用/土地覆蓋SPEI大小依次為：水域 > 林地 > 草地 > 耕地 > 未利用地 > 城鄉(xiāng)用地。根據(jù)SPEI的變化情況(圖7),西南部(克拉瑪依市市轄區(qū)、烏蘇市)SPEI 呈增加趨勢,最大達到0.047/年,說明氣象干旱條件呈減弱趨勢,濕潤化增強,其他區(qū)域SPEI呈下降趨勢,最大達到-0.075/年,說明區(qū)域干旱程度呈增加趨勢,2001—2015年15年間天山北坡整體上呈干旱化增強趨勢。不同土地利用/土地覆蓋的SPEI均呈下降趨勢,即干旱化趨勢增加,大小依次為：耕地 > 城鄉(xiāng)用地 > 水域 > 林地 > 未利用地 > 草地,表明不同土地利用/土地覆蓋對氣候的調(diào)節(jié)作用程度不同。地表植被的變化影響地表的水蒸發(fā)量和熱輻射強度,天然森林、草地對促進蒸發(fā)和減少熱輻射的作用要遠高于耕地或城市地區(qū),對減輕旱災、遏制全球變暖重要意義[25]。

圖7 2001—2015年天山北坡不同土地利用/土地覆蓋SPEI空間動態(tài)變化Fig.7 Spatial distribution and variation of SPEI during 2001 to 2015

2.2 2001—2015年植被覆蓋度時空動態(tài)分析

2.2.12001—2015年植被覆蓋度年際變化分析

分析2001—2015年天山北坡植被覆蓋度年際變化趨勢(圖8),天山北坡植被覆蓋度2001—2015年整體呈下降趨勢,下降速率為0.04/10年,2001、2006、2009和2014年出現(xiàn)植被覆蓋度低值,最低出現(xiàn)在2001年(40%),最高出現(xiàn)在2002年(50%)。15年間,植被覆蓋度動態(tài)變化波動明顯,2001年至2009年過程波動較大,2009年至2015年波動較平穩(wěn)。

圖8 2001—2015年天山北坡植被覆蓋度年際變化趨勢Fig.8 The inter-annual change of vegetation coverage during 2001 to 2015

2.2.22001—2015年植被覆蓋度季節(jié)變化

分析基于不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度的季節(jié)變化(圖9),植被覆蓋度季節(jié)變化明顯,2001—2015年天山北坡夏季植被覆蓋度最高,春季和秋季次之。耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)用地植被覆蓋度季節(jié)變化明顯,夏季其植被覆蓋度遠高于春秋季,春秋季其植被覆蓋度相當。同季節(jié)不同土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度差異顯著,春季林地等天然植被植被覆蓋度高于耕地；夏季耕地植被覆蓋度遠高于其他土地利用/土地覆蓋類型,秋季植被覆蓋度林地 > 耕地 > 草地,這與春季林地、草地等天然植被開始生長,夏季是農(nóng)作物的主要生長時期有關。

圖9 2001—2015年天山北坡不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度季節(jié)變化Fig.9 The seasonal change of vegetation coverage during 2001 to 2015

2.2.32001—2015年植被覆蓋度空間變化分析

根據(jù)2001—2015年植被覆蓋度數(shù)據(jù),得到天山北坡不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度空間分布情況(圖10),2001—2015年天山北坡平均植被覆蓋度區(qū)域差異性顯著,準噶爾盆地、古爾班通古特沙漠南部地區(qū)植被覆蓋度較小,天山北部山區(qū)植被覆蓋較高,其余城市綠洲內(nèi)部及安集海河、瑪納斯河、呼圖壁河和頭屯河流域植被覆蓋度較高,15年整個研究區(qū)的平均植被覆蓋度為43%,屬中低覆蓋,高覆蓋區(qū)域植被覆蓋類型主要為耕地和林地,中覆蓋區(qū)域植被覆蓋類型主要為草地。15年不同土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度(圖10)大小依次為耕地 > 林地 > 城鄉(xiāng)用地 > 草地> 未利用地 > 水域,耕地、林地平均植被覆蓋度分別為70%和65%,屬于高度覆蓋,草地和城鄉(xiāng)用地平均植被覆蓋度分別為45%和48%,屬于中度覆蓋,耕地農(nóng)作物密度高,植被覆蓋度最高。

分析2001—2015年植被覆蓋度的變化趨勢(圖10),研究區(qū)中變化趨勢為正和為負的區(qū)域分別占33%和67%,研究區(qū)絕大部分區(qū)域植被覆蓋度呈下降趨勢,下降率最高達-0.09/年。城市綠洲內(nèi)部植被覆蓋度有明顯的升高趨勢,天山北坡山區(qū)及北部荒漠草原植被覆蓋度也有升高趨勢,而克拉瑪依東北部、烏蘇西部、烏魯木齊中部以及零星分布在各大城區(qū)周邊植被退化,表明天山北坡城市化進程對植被覆蓋度有影響。

圖10 2001—2015年天山北坡不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度空間動態(tài)變化空間分布Fig.10 Spatial distribution and variation of vegetation coverage during 2001 to 2015

2.3 植被覆蓋對干旱指數(shù)的響應

2.3.1年尺度SPEI與植被覆蓋度的相關性分析

使用公式(6)對2001—2015年植被覆蓋度數(shù)據(jù)以及年均SPEI數(shù)據(jù)進行基于像元的相關分析,如圖11所示,正相關區(qū)域占79%,主要集中在草地區(qū)域(40%),負相關區(qū)域占21%；9%的區(qū)域通過了0.05顯著性水平檢驗,表明氣象干旱與植被覆蓋度之間有相關關系；整個研究區(qū)的平均相關系數(shù)為0.28,即整體上植被覆蓋度與SPEI呈正相關關系,SPEI越大,干旱趨勢越弱,植被覆蓋度越高。對于不同土地利用/土地覆蓋類型,植被覆蓋度和SPEI相關性存在顯著差異(圖11)。不同土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度與SPEI的相關性均呈正相關,大小依次為：草地 > 未利用地 > 城鄉(xiāng)用地 > 林地> 水域 > 耕地。土地利用/土地覆蓋是自然與人文共同作用的結(jié)果,氣候變化影響植被的生長狀況,發(fā)生未利用地、草地、林地相互轉(zhuǎn)換,又因為經(jīng)濟發(fā)展,人為作用下土地利用類型由耕地向建設用地轉(zhuǎn)型[26],所以草地、未利用地、林地等受人為干擾少的土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度對氣候條件變化敏感,相關關系非常顯著,耕地、城鄉(xiāng)用地受人類活動影響較大的土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度對氣候條件變化的響應不明顯。

圖11 2001—2015年天山北坡不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度與SPEI的相關關系Fig.11 Correlation between vegetation coverage and SPEI during 2001—2015

2.3.2季尺度SPEI與植被覆蓋度的相關性分析

從季節(jié)尺度分析各季SPEI變化對植被覆蓋度的影響(圖12),春季SPEI與植被覆蓋度正相關區(qū)域占53%,其中12%通過0.05的顯著性水平檢驗；夏季SPEI與植被覆蓋度正相關區(qū)域占66%,其中8%通過0.05的顯著性水平檢驗,6%過0.01的顯著性水平檢驗；秋季SPEI與植被覆蓋度正相關區(qū)域占32%,其中6%通過0.05的顯著性水平檢驗,2%過0.01的顯著性水平檢驗；季節(jié)尺度氣象干旱程度對植被覆蓋度的影響依次為夏季 > 春季 > 秋季,植被覆蓋度越高,通過顯著性檢驗的區(qū)域越大,SPEI與植被覆蓋度的相關關系越顯著,干旱程度對植被覆蓋度的影響最明顯。

圖12 不同土地利用/土地覆蓋類型不同季節(jié)植被覆蓋度與SPEI的平均相關系數(shù)Fig.12 Average correlation between vegetation coverage and SPEI in different seasons

季節(jié)尺度分析不同土地利用/土地覆蓋SPEI對植被覆蓋度的影響,春季不同土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度對干旱程度的響應相當,夏季草地、林地植被覆蓋度對干旱程度的響應最明顯,耕地較弱,可能原因是夏季耕作區(qū)除自然氣候條件作用外,還受灌溉、人為引水的影響,所以SPEI不能完全反映地表干旱程度[2],其相關性也相對減弱。秋季城鄉(xiāng)用地植被覆蓋度對干旱程度的響應最明顯?？傮w上草地、林地、耕地、未利用地植被覆蓋度對夏季的干旱指數(shù)響應最明顯,水域、城鄉(xiāng)用地的植被覆蓋度對各季節(jié)的干旱指數(shù)響應相當。其中,正相關區(qū)域中50%為草地,說明草地植被覆蓋度與各季節(jié)干旱程度的相關性最明顯,天然植被區(qū)植被覆蓋度對氣候條件變化響應敏感,城鄉(xiāng)用地區(qū)域僅占1%,其植被覆蓋度與SPEI相關性不大,可能原因是這類區(qū)域人類活動影響過大,與自然環(huán)境干旱條件的相關性并不明顯。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

SPEI具有多尺度特征,不同時間尺度反映的干旱趨勢基本一致,但1個月尺度對干旱趨勢的反映并不明顯,尺度越大,受短期降水和溫度的影響越小,干旱趨勢越明顯,這與之前的研究結(jié)果一致[7]。

在干旱、半干旱氣候中,用植被覆蓋度和SPEI之間的相關系數(shù)評估植被覆蓋度對氣象干旱的響應是最為有效的[6],植被覆蓋度對氣象干旱的敏感性與之前的研究結(jié)果一致[27- 28]。不同土地利用/土地覆蓋類型的地表生態(tài)環(huán)境存在差異,對氣候干旱條件的響應程度不同。本研究從不同土地利用/土地覆蓋角度出發(fā)分析干旱易發(fā)生態(tài)系統(tǒng)類型及干旱對植被影響的主導時間尺度,草地對干旱條件的反應最為明顯,干旱易發(fā)生,淺根草通常從上層和中層吸收土壤水分,對降雨量的變化有快速的反應[29],而且,草本植物的木質(zhì)部系統(tǒng)對水和碳的儲存能力較低,因而對干旱的耐受性較差[30]；其次為林地,與草地相比,林地物種根系較深,在嚴重干旱條件下,可以利用儲存在深層土壤中的水[31],而深層土壤水分隨降水變化的時間滯后效應可能導致干旱期延長,從而延緩樹木的生長響應[32]。耕地、城鄉(xiāng)用地等由于有人類活動的干擾,對干旱條件的反應較弱,例如,作物改良和節(jié)水灌溉技術(shù)可以提高用水效率和抗旱能力[33]。干旱對天山北坡不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度影響的主導時間尺度為3個月(季尺度)左右,即天山北坡植被活動主要受短時干旱時間尺度的影響。

人類活動影響植被覆蓋度從而干擾植被覆蓋度與SPEI的相關性,從2.2.2可以看到,15年內(nèi)由于城市擴張,城市周邊植被退化,而城市綠洲內(nèi)部因為城市綠化建設植被改善[34]。所以,在進行植被覆蓋度及變化分析時要考慮人類活動的影響。

3.2 結(jié)論

(1)天山北坡絕大部分區(qū)域呈濕潤狀態(tài),中部(石河子、呼圖壁)、西北部(克拉瑪依市)呈輕度干旱。3個月、6個月、12個月時間尺度SPEI均表現(xiàn)出干旱化增強的年際變化趨勢,時間尺度越大,變化趨勢越大。

(2)天山北坡植被覆蓋度整體上屬中低覆蓋,總體呈南高北低、天山山區(qū)、城市綠洲內(nèi)部高的分布特點。2001—2015年天山北坡植被覆蓋度變化總體呈下降趨勢。植被覆蓋季節(jié)變化明顯,夏季植被覆蓋度最高。同一季節(jié)不同土地利用/土地覆蓋類型植被覆蓋度差異顯著。

(3)年尺度天山北坡植被覆蓋度與氣候干旱整體呈正相關關系。不同土地利用/土地覆蓋的植被覆蓋度與SPEI12的相關性不同,大小依次為：草地 > 未利用地 > 城鄉(xiāng)用地 > 林地 > 水域 > 耕地,草地、林地等天然植被對氣候條件變化較敏感,相關關系顯著。

(4)季節(jié)尺度夏季和春季干旱程度對植被覆蓋度的影響最明顯,不同季節(jié)氣候干旱對不同土地利用/土地覆蓋植被覆蓋度影響程度不同,草地、林地、未利用地植被覆蓋度對夏季的干旱指數(shù)響應最明顯,耕地植被覆蓋度對春季和夏季干旱指數(shù)響應最明顯,水域、城鄉(xiāng)用地的植被覆蓋度對各季節(jié)的干旱指數(shù)響應相當。