新疆地區(qū)植被對多時間尺度干旱的響應研究

袁先雷，彭志潮，劉雪寧

（1.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒841000；2.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊830002）

干旱是因水分虧缺造成的一種氣象災害，具有持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點，易引起嚴重的社會經(jīng)濟問題，影響人們的生產(chǎn)與生活[1-3]。隨著氣候變化和人類活動的加劇，干旱發(fā)生的強度和頻次均有增加趨勢，對陸地生態(tài)系統(tǒng)帶來更加嚴峻的影響[4-5]。陸地植被對干旱的響應是目前干旱生態(tài)研究中的重要科學問題，對于提高生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應關系預測具有重要意義[6]。

目前，植被對干旱的響應研究已在不同區(qū)域相繼展開。王兆禮等[7]基于標準化降水蒸散指數(shù)（Standard Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）和歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），以中國209個流域為研究對象，探討了流域尺度干旱對植被生長的影響。盧洪健等[8]基于NDVI及氣候干旱指數(shù)標準化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）分析了東北地區(qū)植被綠度變化與干旱時間尺度之間的關聯(lián)性。于泉洲等[9]基于NDVI和MNDWI（Modified Normalized Difference Water Index，歸一化差異水體指數(shù)）遙感數(shù)據(jù)對南四湖濕地的干旱響應特征進行了研究。牟成香等[10]重點研究了青藏高原高寒草甸植物開花物候?qū)O端干旱的響應。由于植被對干旱的抵抗力和恢復力會因植被類型或所處生態(tài)系統(tǒng)的不同而存在差異[10-11]，同時，植被從干旱事件起始到出現(xiàn)可識別后果（如作物減產(chǎn)）之間往往存在一定的時間滯后[8]，因此基于分區(qū)、分植被類型以及考慮時滯效應的植被—干旱響應關系研究應運而生?？锥萚13]系統(tǒng)研究了中國不同區(qū)域、不同土地利用類型的植被對不同時間尺度干旱事件的響應特征。楊思遙等[14]基于多種植被指數(shù)與多時間尺度SPEI干旱指數(shù)，對2001—2014年華北地區(qū)植被對干旱的響應進行了評價，并分析了不同植被類型對不同時間尺度干旱事件的響應和時滯效應。楊舒暢等[15]探討了內(nèi)蒙古地區(qū)植被對干旱狀況的響應，并分析了不同地區(qū)、不同時段植被與干旱之間的相關性。

研究表明，干旱區(qū)植被對干旱的響應更加敏感[17]。新疆深居歐亞大陸中心，遠離大洋，是中國干旱區(qū)的主體、歐亞大陸干旱區(qū)的典型代表。因地處中溫帶極端干旱的荒漠地帶，新疆自然環(huán)境與氣候類型各異，地表植被稀疏且承載能力較低，植物生長對氣候因子具有較強的依賴性[18]。然而，目前關于新疆地區(qū)植被對氣象干旱狀況響應程度的研究甚少。因此，本文選取新疆地區(qū)作為研究區(qū)，基于NDVI表征的植被綠度以及多時間尺度的氣候干旱指數(shù)SPEI，探討新疆地區(qū)植被與干旱事件的響應關系，并分析其與干旱時間尺度之間的關聯(lián)性，以期揭示地區(qū)自然植被生態(tài)系統(tǒng)在干旱條件下的適應能力，為氣候變化下區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理與功能保育提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆地處中國西北邊陲，73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N，總面積166萬km2，因深居內(nèi)陸，遠離海洋，形成了典型的大陸性干旱氣候。受“三山夾兩盆”的地形影響，北疆為溫帶大陸性干旱氣候，南疆為暖溫帶大陸性干旱氣候，南、北疆均具有降水稀少且時空分配不均、日照充足、蒸發(fā)強烈、氣候干燥等氣候特征。區(qū)域內(nèi)植被總體覆蓋率低、森林面積稀少、植被類型簡單，主要植被類型為草地、農(nóng)田和林地（圖1a）。新疆是典型的干旱區(qū)，極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)分別占全區(qū)總面積的28.8%、36.7%、23.2%（圖1b）。氣候條件、地貌特征及土壤狀況等使得新疆地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境脆弱度明顯。

圖1 研究區(qū)土地利用類型（a）及氣候類型分布（b）

2 資料與研究方法

2.1 資料獲取及處理

歸一化植被指數(shù)NDVI是目前應用最廣泛的植被指數(shù)，能夠反映植被覆蓋度、植被基本生長狀態(tài)等。本文NDVI數(shù)據(jù)取自美國國家航天航空局（NASA）提供的GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)集（https：//ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms），空間分辨率為1/12°，時間范圍為1982—2015年，時間分辨率為15 d。GIMMS NDVI是目前時間序列最長的NDVI數(shù)據(jù)，與其他數(shù)據(jù)相比，其誤差小、精度較高，已廣泛應用于全球及區(qū)域植被變化的研究中[19]。本文采用最大值合成技術[20]將其合成月度NDVI序列用以后續(xù)分析。

標準化降水蒸散指數(shù)SPEI由Vicente-Serrano等[21]在標準化降水指數(shù)（SPI）的基礎上引入潛在蒸散量構建產(chǎn)生，具有多時間尺度特征。與標準化降水指標相比，該指數(shù)同時考慮了降水統(tǒng)計分布規(guī)律及同期地表潛在蒸散發(fā)，能夠更準確地刻畫干旱[13]。SPEI數(shù)值的大小表示干濕程度，其值越高表示水分狀況越好，反之表示越干旱，指數(shù)具體計算方法參見文獻[14]。本文所用SPEI數(shù)據(jù)取自全球0.5°的SPEI網(wǎng)格數(shù)據(jù)集（SPEI base v.2.6，http：//hdl.handle.net/10261/202305），其時間分辨率為月，提供了1～48個月的SPEI時間尺度，能夠表征全球范圍內(nèi)長期、穩(wěn)健的旱情信息[21，22]，已獲得廣泛使用。本文選擇新疆地區(qū)1～24個月的SPEI進行干旱響應時滯效應的分析。

土地利用類型數(shù)據(jù)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/），空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成，分為6個一級類型和25個二級類型。本文根據(jù)研究需要，以一級類型為基礎，將植被重分類為：林地、灌木、草地、農(nóng)田四類開展分析。

為匹配NDVI數(shù)據(jù)，本文借助ArcGIS 10.2軟件投影轉換及重采樣等技術，以確保研究區(qū)SPEI數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)的空間分辨率、空間參考坐標系等與NDVI數(shù)據(jù)相一致。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析

采用一元線性回歸分析方法對新疆地區(qū)植被NDVI時空演變規(guī)律及變化強度進行分析。該方法利用所有年份的數(shù)據(jù)進行擬合，避免了研究期間偶發(fā)性異常因素對植被長勢的影響，能夠更加準確地反映長時間序列下植被覆蓋狀況的演變趨勢[16]。計算公式如下：

式中，β為趨勢斜率，n為研究期總年數(shù)，Ni為第i年的NDVI均值。當β＞0，表示NDVI變化趨勢增加；當β=0，表示NDVI變化不明顯；當β＜0，表示NDVI變化呈下降趨勢。β值越大，表示NDVI變化趨勢越明顯。

2.2.2 相關性分析

Vicente-Serrano等[17]表明，SPEI和NDVI之間的最大相關系數(shù)與植被對干旱的敏感性有關，是描述干旱對植被影響的重要指標。皮爾遜（Pearson）相關系數(shù)是最常用的相關性度量，被廣泛應用來度量兩個變量間的相關程度。本文采用Pearson相關系數(shù)研究1982—2015年新疆地區(qū)NDVI與SPEI的相關性，探討氣象干旱對植被生長的影響，其計算公式如下：

式中，n為研究時段年數(shù)，X、Y分別對應相關分析的兩個變量。相關系數(shù)R取值范圍為[-1，1]，相關系數(shù)的絕對值越大，說明植被變化與干旱狀況的相關性越高；反之，絕對值越小，表明二者相關性越小。

為了確定受干旱影響最大的植被區(qū)域，并探析干旱對植被影響的滯后性及其空間差異，本文逐年計算一年中各月NDVI與不同時間尺度SPEI的相關系數(shù)，統(tǒng)計不同月份不同時間尺度上最大的相關系數(shù)及相應的時間尺度（月），并以各像素點上NDVI—SPEI間最強的響應關系表征植被的干旱脆弱性，以此實現(xiàn)新疆地區(qū)植被對干旱的多尺度響應分析[17]。

3 結果與討論

3.1 新疆NDVI分布及時空變化特征

3.1.1 NDVI空間分布特征

1982—2015年，新疆NDVI總體分布特征為北疆大于南疆，山區(qū)大于平原（圖3）。已有研究表明，降水量不同是導致南、北疆植被蓋度差異的主要原因[23]。受西風環(huán)流影響，來自大西洋和北冰洋的充沛水汽為北疆帶來較多降水；而南疆地處沙漠邊緣，蒸發(fā)量大，降水量小[24]。NDVI較高的地區(qū)主要分布在天山南北坡、阿爾泰山山脈，NDVI值普遍＞0.30，高值區(qū)以山地森林、草地分布區(qū)及天山北坡的農(nóng)作物等為主。結合圖1b可見，上述區(qū)域受海拔高度及地形影響，水汽較為充沛，為新疆濕潤、亞濕潤區(qū)主要分布地，植被生長水熱條件較優(yōu)，NDVI值偏高。南疆植被主要分布于塔里木盆地邊緣及昆侖山脈北緣，常年氣候干燥，降水稀少，屬于干旱或極端干旱區(qū)，以耐旱植被為主[24]，且分布稀疏，以致NDVI值普遍偏低，僅沙漠邊緣散布的部分綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)NDVI值較高。

圖3 1982—2015年新疆NDVI空間分布特征

3.1.2 NDVI變化趨勢

對1982—2015年新疆地區(qū)植被NDVI的趨勢分析表明（圖4），研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢具有明顯的空間異質(zhì)性，且呈波動增加趨勢。全區(qū)68.1%的植被NDVI變化斜率＞0，其中顯著變化區(qū)域達40.1%（β>0且p<0.05），表明植被長勢有持續(xù)向好趨勢。植被覆蓋情況得到明顯改善的區(qū)域主要分布在天山北坡、準噶爾盆地南緣以及南疆塔里木盆地西北緣部分綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。新疆近年“暖濕化”的氣候轉型導致地表徑流及山區(qū)冰雪消融量增加可能是促使南、北疆盆地邊緣植被覆蓋度顯著增加的主要原因之一。植被覆蓋減少情況主要分布在天山山區(qū)西段，并零星出現(xiàn)在北疆山區(qū)局部區(qū)域。天山山區(qū)西段伊犁河谷地區(qū)屬濕潤、半濕潤氣候區(qū)，又是新疆增濕強盛區(qū)[24]，高強度的降水及其伴隨的陰云天氣直接影響植被光合與呼吸作用，會在一定程度上抑制植被生長。

圖4 1982—2015年新疆NDVI時空變化特征

統(tǒng)計分析不同土地類型下植被NDVI變化趨勢可知（圖5a），1982—2015年新疆地區(qū)農(nóng)作物NDVI增加趨勢最為突出（中位數(shù)最大）；林地及灌木的NDVI變化趨勢及強度較為一致，均以輕微改善為主，但灌木NDVI變化的異質(zhì)性更大（四分位范圍更大）；草地NDVI變化強度及異質(zhì)性均最小。分析認為水熱氣候條件的改變及人為活動對農(nóng)作物生存環(huán)境的調(diào)整共同引起了農(nóng)作物NDVI增勢。灌木較林地而言具有更低矮的植株和更淺的根系，使其更易受到氣候和人為活動變化的影響，故表現(xiàn)出更大的NDVI變化趨勢差異。不同氣候區(qū)植被NDVI變化趨勢亦有所不同（圖5b）?？傮w上，NDVI變化強度表現(xiàn)為干旱區(qū)＞半干旱區(qū)＞半濕潤區(qū)＞濕潤區(qū)＞極端干旱區(qū)。

圖5 不同植被類型、不同氣候區(qū)下新疆NDVI變化特征

3.2 新疆地區(qū)植被對干旱的多尺度響應

3.2.1 NDVI與SPEI響應關系的空間分布

NDVI與SPEI的最大相關系數(shù)用以表示干旱對植被的影響程度，而最大相關系數(shù)對應的SPEI時間尺度則能夠表現(xiàn)干旱對植被生長活動產(chǎn)生具體影響的時滯性。相關分析結果（圖6a）表明，新疆植被對干旱的響應具有顯著空間異質(zhì)性，高敏感區(qū)主要集中在北疆西部、西北部山區(qū)，并零星出現(xiàn)在天山山脈中東部，NDVI與SPEI最大相關系數(shù)普遍＞0.6，這也表明上述區(qū)域植被生長狀態(tài)對水分條件依賴性較高，干旱程度的降低（SPEI值增大）有助于促進NDVI的增長，反之，干旱程度加?。⊿PEI值減小）會導致NDVI明顯降低。南疆植被區(qū)NDVI與SPEI相關性普遍低于北疆大部，尤以塔里木盆地邊緣相關系數(shù)最低。塔里木盆地邊緣作物區(qū)主要依靠人工灌溉補給生長所需水分，長期的人為活動影響使植被對由氣候條件衍生的干旱依賴性較小。

干旱響應時滯性統(tǒng)計顯示（圖6b），新疆地區(qū)植被NDVI對較短時間尺度（＜9個月）干旱事件的響應最敏感，且滯后時間尺度自北向南表現(xiàn)出減小趨勢。北疆天山山區(qū)及阿爾泰山局部林地對干旱的響應出現(xiàn)在＞12個月的較長時期干旱事件上，部分地區(qū)該滯后時期甚至達18個月以上，表明山區(qū)降水充沛地帶植被生長在遭受長期干旱時才會受到制約。南疆植被NDVI對1～3個月的干旱反應最強烈。南疆多沙化土壤，土壤儲水性較差，長期高溫少雨的氣候環(huán)境又加劇了表層土壤水分的蒸散流失，使得植被對短期季節(jié)性水熱條件的敏感性較強。總體而言，復雜各異的地形條件及其對水氣傳輸、水熱條件、輻射量和風力活動等氣候變量的再分配[25]，促成了新疆地區(qū)植被對干旱條件時滯響應存在南北疆之間、山區(qū)與平原之間顯著的空間差異。

圖6 1982—2015年新疆NDVI與SPEI相關系數(shù)空間分布

3.2.2 不同類型植被NDVI對SPEI的響應

植被的生長需水量、對干旱的抵抗力及恢復力因植被類型的不同而存在差異，故各類型植被對干旱的敏感性不盡相同。由表1及圖7a可見，新疆各類型植被NDVI與SPEI均呈正相關關系，其中顯著正相關性占比達89.17%。林地、草地對干旱的敏感性較灌木、農(nóng)作物更高，顯著正相關占比分別為91.71%、89.20%，NDVI與SPEI最大相關系數(shù)的中位數(shù)分別為0.49和0.47。灌木、農(nóng)作物對干旱的響應程度較低，同時農(nóng)作物對應更小的相關系數(shù)均值和離散程度。栽培作物多集中在綠洲或適宜發(fā)展水利條件的平原地區(qū)，灌溉技術等人為干預降低了干旱對作物生長的制約性，使其對干旱不甚敏感[25]。

表1 不同類型植被的NDVI與SPEI關系的空間比例 %

各植被類型對干旱響應的時滯效應差異明顯（圖7b）。統(tǒng)計表明，植被對干旱響應的時間滯后性在林地中反應最突出，時滯尺度中位數(shù)為11個月；草地的滯后性次之，時滯尺度中位數(shù)為8個月；農(nóng)作物具有最短的干旱響應滯后性（中位數(shù)為6個月），但其離散程度大于灌木。不同類型植被對土壤養(yǎng)分及水分的吸收能力不同，成為導致不同類型植被對干旱事件的記憶效應存在時間差異的可能原因。而栽培作物以淺根系低矮植被為主，其生長直接受土壤淺層水分條件制約，故對干旱響應的時滯性較短；但區(qū)域化的人工灌溉降低了作物區(qū)土壤水分條件與干旱間的關聯(lián)性，引起作物對干旱的響應及滯后效應表現(xiàn)出較大的類內(nèi)差異。

圖7 不同類型植被NDVI與SPEI的響應關系

3.2.3 不同氣候區(qū)植被NDVI對SPEI的響應

新疆地域遼闊，氣候差異顯著，分析不同氣候區(qū)NDVI與干旱的響應關系極有必要。統(tǒng)計（圖8a）表明，區(qū)域內(nèi)植被對干旱響應的高敏感氣候區(qū)為半干旱區(qū)，NDVI與SPEI最大相關系數(shù)中位數(shù)為0.54，表明區(qū)內(nèi)植被生長在較大程度上依賴于水分條件；其次為干旱區(qū)，中位數(shù)為0.46；極端干旱區(qū)及濕潤區(qū)二者相關性最小，且相關系數(shù)離散程度較低，表明氣候區(qū)內(nèi)植被對干旱的響應程度一致性較高。分析認為，極端干旱區(qū)因長期受干旱少雨天氣控制，區(qū)內(nèi)以耐旱性荒漠為主，生長所需水分較少，對干旱有較強的抵抗能力[24]。濕潤區(qū)主要集中在較高海拔山區(qū)，長期具有充沛降水，植被生長區(qū)域低溫多雨，水分蒸散發(fā)程度較低，土壤含水量充足[24]，一般的階段性干旱不會造成植被生境發(fā)生大幅改變從而影響植被生長。

圖8 不同氣候區(qū)植被NDVI與SPEI的響應關系

時滯性方面，極端干旱區(qū)干旱對植被影響的滯后性最短，植被生長通常僅對5個月內(nèi)出現(xiàn)的干旱有所響應。干旱區(qū)為新疆植被主要生長區(qū)域，干旱響應的時滯尺度較極端干旱區(qū)有所增加（中位數(shù)為8個月），區(qū)內(nèi)大量植被對較短尺度（＜6個月）的干旱更敏感，其次在10個月的干旱尺度上出現(xiàn)次峰。半干旱區(qū)表現(xiàn)出與干旱區(qū)相似的雙峰型SPEI時間尺度聚集特征，植被對干旱的高敏感性同時出現(xiàn)在5個月的短時滯尺度及13個月的長時滯尺度上。分析認為人為活動干擾造成植被對干旱條件的依賴性改變，是引起干旱、半干旱區(qū)植被對干旱響應的滯后性發(fā)生明顯差異的主要原因。濕潤區(qū)植被分布較少，且對水分條件的需求不再緊迫，時滯性較長。

4 結論

利用NDVI與多尺度SPEI指標，對1982—2015年新疆地區(qū)植被對干旱的響應關系及其滯后性的空間差異展開了研究，并揭示了其在不同植被類型、不同氣候區(qū)層面的異同，主要結論如下：

（1）新疆地區(qū)植被NDVI具有北疆大于南疆、山區(qū)大于平原的分布特點。北疆天山北坡、阿爾泰山山脈等地水熱條件優(yōu)良，植被長勢最好；南疆以沙漠、盆地為主，植被生境惡劣、植被覆蓋程度低。新疆地區(qū)NDVI呈波動增加趨勢，植被長勢顯著向好區(qū)域達40.1%。

（2）不同區(qū)域、不同植被類型下，植被對干旱的響應程度有所不同。大體上，NDVI與SPEI的相關性“北高南低”，并由山區(qū)向平原遞減。相關系數(shù)的高值區(qū)集中在北疆西部、西北部山區(qū)的林、草地帶，低值區(qū)主要集中在塔里木盆地邊緣作物區(qū)。半干旱氣候區(qū)內(nèi)植被對干旱條件具有最高的敏感性，極端干旱及濕潤氣候區(qū)二者相關性最小。

（3）植被對干旱響應的時滯效應存在差異。地區(qū)植被對較短時間尺度（＜9個月）的干旱響應最敏感，且時滯效應自北向南遞減。林地對干旱響應的時間滯后性最突出，其次為草地，農(nóng)作物最弱。對于不同氣候區(qū)，極端干旱區(qū)植被主要受制于短期干旱事件；干旱區(qū)、半干旱區(qū)SPEI時間尺度均表現(xiàn)出雙峰型特征。

地形及氣候條件差異是引起新疆植被NDVI與SPEI多尺度響應關系及其時滯效應存在顯著空間差異的直接原因，但人為活動干擾也在一定程度上影響了植被對水分條件的依賴程度。同時，不同季節(jié)、植被生長的不同階段內(nèi)，植被對干旱的響應程度也不盡相同。因此，后續(xù)有待開展不同時間尺度下（季節(jié)、月份）地區(qū)植被與干旱的響應關系研究。