雅魯藏布江流域植被NDVI時(shí)空變化特征及氣象因子影響分析*

頓玉多吉 白瑪央宗** 拉巴 平措旺旦

（1.西藏自治區(qū)氣候中心；2.西藏自治區(qū)遙感應(yīng)用研究中心，西藏 拉薩 850000）

0 引言

植被歸一化指數(shù)是公認(rèn)的、能夠有效地表征植被特征的參數(shù)[1-2]，是目前最為常用的植被覆蓋狀況監(jiān)測(cè)手段[3]。前有許多研究學(xué)者對(duì)NDVI 變化特征，以及NDVI 變化與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了很多研究，指出草地生態(tài)系統(tǒng)是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型之一，在全球碳循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要的作用[4-6]。草地資源是發(fā)展畜牧業(yè)的重要物質(zhì)資源[7]，草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展和氣候調(diào)節(jié)以及保持生態(tài)環(huán)境平衡方面有著非常重要的作用[8]。Nicholson[9]等分析了植被NDVI與降雨量關(guān)系，指出年均降雨量在200mm～1200mm 的地區(qū)，與NDVI 之間存在較好的相關(guān)性。有關(guān)高原上的植被研究也有很多，如李亞楠[10]等利用Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)草地退化面積在1990—2000 年呈增加趨勢(shì)，在2000—2010年呈減少，2000年之后研究區(qū)草地退化狀況趨于緩和。高寒草甸草地主要受平均相對(duì)濕度及降水量的影響，高寒荒漠草地與平均最高氣溫、日照時(shí)數(shù)和蒸發(fā)量的關(guān)系最為密切。拉巴[11]等利用GIMMSMO‐DIS-NDVI 等資料分析表明，那曲地區(qū)植被整體趨于穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，局部有減少和改善趨勢(shì)。楊志剛[12]等利用2000—2016 年的MODIS 標(biāo)準(zhǔn)植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI 及氣象數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域植被變化特征及其主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因素。

雅魯藏布江流域內(nèi)分布著大量的積雪和海洋型冰川，雪冰融水占流域總徑流量的比例超過(guò)30%[13]。雅魯藏布江流域在我國(guó)西南地區(qū)，是我國(guó)重要的水源區(qū)，但雅江源頭區(qū)域的生態(tài)環(huán)境非常脆弱[14-16]。綜上所述，針對(duì)雅魯藏布江流域內(nèi)植被變化（NDVI）的研究頗多，但目前仍缺乏近幾年對(duì)雅江流域植被變化和植被變化與氣象因子之間響應(yīng)的研究進(jìn)展?；谏鲜鲆延醒芯砍晒?，借鑒最新的適用方法，補(bǔ)充數(shù)資料等。本文利用2000—2017 年的MODIS 植被NDVI 產(chǎn)品，結(jié)合雅魯藏布江流域內(nèi)涉及的18個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，分析流域內(nèi)植被NDVI 時(shí)空變化特征、變化趨勢(shì)、持續(xù)性特征和氣象因子與NDVI 間的相關(guān)性，以及不同植被類(lèi)型與氣象因子關(guān)系等方面展開(kāi)較為詳細(xì)的研究。以此來(lái)揭示在國(guó)家一系列生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)政策（草原生態(tài)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制和生態(tài)保護(hù)紅線制定等）的驅(qū)動(dòng)和氣候變化的協(xié)同作用下，雅魯藏布江流域植被產(chǎn)生的變化，為政府及決策部門(mén)下一步科學(xué)合理地安排中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃提供更科學(xué)、更準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西藏境內(nèi)的雅魯藏布江流域從里孜到派鄉(xiāng)為中游段，河長(zhǎng)1293km，經(jīng)緯度范圍在28O00′～31O16′N(xiāo)、82O00′～97O07′E。涉及分布在西藏自治區(qū)七個(gè)地市的41個(gè)縣。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本文選擇的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為MODIS 植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)（2000—2017 年）MOD13Q1 V005 L3，該數(shù)據(jù)集由Land Processes DAAC 數(shù)據(jù)中心下載，格式為HDFEOS，空間分辨率是250×250m，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大氣輻射糾正、幾何糾正處理。氣象數(shù)據(jù)選用雅魯藏布江流域涉及的18個(gè)氣象站點(diǎn)（當(dāng)雄、拉薩、墨竹工卡、尼木、日喀則、拉孜、江孜、南木林、貢嘎、加查、澤當(dāng)、米林、林芝、波密、聶拉木、定日、普蘭和嘉黎）的年平均氣溫與年總降水量。

2.2 研究方法

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理使用MODIS reprojection tool軟件，主要完成NDVI數(shù)據(jù)的提取、重采樣、投影、拼接等工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為GEOTIFF，重采樣方法選擇Nearest Neighbor，輸出投影類(lèi)型為Geographic，輸出像元大小為0.0025O×0.0025O。

2.2.1 歸一化植被指數(shù)。歸一化植被指數(shù)NDVI計(jì)算公式：

式中，IR表示近紅外波段，R表示紅外波段。

歸一化植被指數(shù)NDVI 數(shù)據(jù)采用最大合成法，提取每個(gè)像素點(diǎn)的年最大NDVI值。

式 中，MMNDVIi為 第 i 月 的 NDVI 值，MAX(NDVIij)為第i 月對(duì)應(yīng)第j 旬的NDVI 值，反映每個(gè)像元位置上植被在該月內(nèi)最好的天氣狀況下的狀態(tài)。AMNDVIi為第i 年的NDVI 值；MAX（MMNDVIi）為第i月對(duì)應(yīng)的年最大NDVI值，代表的是該年內(nèi)每個(gè)像元上最旺盛時(shí)期的NDVI值。

2.2.2 植被趨勢(shì)斜率。植被NDVI 趨勢(shì)斜率：年最大植被NDVI變化采用年際線性變化趨勢(shì)判斷年最大植被NDVI 變化強(qiáng)度和性質(zhì)，采用鄭杰等的方法[17]，對(duì)于每個(gè)像元上，計(jì)算18 年的年最大植被NDVI 線性擬合，趨勢(shì)斜率用最小二乘法計(jì)算，公式如下：

式中，slope為趨勢(shì)斜率；x、y分別為年份以及該年年最大植被NDVI；分別為年份平均值以及2000—2017 年的年最大植被NDVI 均值。斜率為正值，表示植被NDVI 有變大趨勢(shì)，即植被長(zhǎng)勢(shì)變好，斜率為值，表示植被NDVI有變小趨勢(shì)，說(shuō)明植被退化。

2.2.3 植被變異系數(shù)。植被變異系數(shù)是反映觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。公式如下：

式中，S DNDVI為年最大植被NDVI 逐年平均值的標(biāo)準(zhǔn)差；NDVI為逐年年最大植被NDVI平均值。

變異系數(shù)可以消除單位和平均值不同對(duì)兩個(gè)或多個(gè)變異程度比較的影響。本文采用奚硯濤[18]等給出的方法求出西藏自治區(qū)18 年逐像元的CV 值。并將其分為4個(gè)等級(jí)：非常穩(wěn)定（CV 0.14）、穩(wěn)定（0.14＜CV 0.29）、變異較?。?.29＜CV 0.59）、變異劇烈（CV＞0.59）。

2.2.4 Hurst 指數(shù)。Hurst 指數(shù)[19-20]是定量描述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法，在水文、氣象等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其值介于0～1（0＜H＜1）。其中，當(dāng)0＜H＜0.5 時(shí)，表明該序列未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，過(guò)去增加的趨勢(shì)預(yù)示未來(lái)將減少，反之則增加，并且H 越接近0，這種反持續(xù)越強(qiáng)；當(dāng)H=0.5 時(shí)，時(shí)間序列信息為相互獨(dú)立的隨機(jī)序列；當(dāng)0.5＜H＜1時(shí)，該序列表現(xiàn)出長(zhǎng)期依賴性，即未來(lái)的變化趨勢(shì)與過(guò)去一致，并且H越接近1，這種持續(xù)性越顯著。

2.2.5 相關(guān)性分析。根據(jù)張仁平等的方法[21]，相關(guān)分析法即利用最小二乘方法計(jì)算一組自變量和因變量之間的決定系數(shù)以探討兩者之間的相關(guān)性強(qiáng)弱，決定系數(shù)越大相關(guān)性越強(qiáng)。對(duì)于一組長(zhǎng)度為n的自變量x和因變量y，其決定系數(shù)的計(jì)算方法為：

3 結(jié)果分析

3.1 植被NDVI變化特征

雅魯藏布江流域范圍較廣，從西藏西北部的阿里地區(qū)到藏南的林芝市均有分布，由近18年雅魯藏布江流域平均年最大植被NDVI 分布可知（圖2a），流域內(nèi)植被分布具有如下特點(diǎn)，由西向東植被NDVI 逐步增大，流域內(nèi)植被NDVI隨海拔高度減小而增大，其中東部主要以林區(qū)為主，因此NDVI 值最大。

圖2b 是雅魯藏布江流域植被在近18 年的變化趨勢(shì)，由表1可以看出流域內(nèi)植被總體上呈穩(wěn)定狀態(tài)，面積為10.29 萬(wàn)km2，占流域總面積的42.29%，主要位于流域中部和西部區(qū)域；其次是輕微退化區(qū)域，面積為4.88萬(wàn)km2，占流域總面積的20.08%，分布區(qū)域主要位于干流諸河和拉薩河附近，而顯著退化區(qū)的面積不大。就改善區(qū)域而言，輕微改善區(qū)域比重較大，面積為3.18 萬(wàn)km2，占流域總面積的13.07%，主要出現(xiàn)在里孜以上區(qū)域、里孜至拉孜以及尼洋河區(qū)域，顯著改善區(qū)域面積不大。總體來(lái)看，雅江流域的植被退化面積略大于改善區(qū)。由趨勢(shì)顯著性分析（圖2d），變化顯著區(qū)域位于流域的中部，主要包含拉薩河和干流諸河和年楚河流域。

表1 2000—2017年雅魯藏布江流域植被變化趨勢(shì)面積

圖2 雅魯藏布江流域植被NDVI變化趨勢(shì)空間分布

3.2 NDVI變異系數(shù)

由圖2c 和表2 可以看出，雅魯藏布江流域年最大植被NDVI 呈非常穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)的面積最大，分別占流域總面積的37.51%和34.02%，其中非常穩(wěn)定的部分集中于中部區(qū)域，在拉薩河及其南部區(qū)域；變異較小的區(qū)域占流域總面積的9.03%，主要分布于拉薩市和南部邊緣的部分縣；變異劇烈的面積只有0.94%.因此，總體上雅魯藏布江流域的植被呈穩(wěn)定狀態(tài)，變化較小。

表2 2000—2017年雅魯藏布江流域植被波動(dòng)變化面積

3.3 NDVI趨勢(shì)持續(xù)性分析

參考前人研究的結(jié)論和方法，結(jié)合研究區(qū)Hurst指數(shù)值的分布情況將Hurst指數(shù)分為三類(lèi)：即H＜0.35的強(qiáng)反持續(xù)性，0.35＜H＜0.5 的弱反持續(xù)性，H＞0.5的持續(xù)性。利用雅魯藏布江流域2000—2017年ND‐VI Hurst指數(shù)可知（圖3a），流域Hurst指數(shù)空間差異明顯，Hurst 指數(shù)介于0.08～0.93，平均值為0.46，總體呈現(xiàn)弱反持續(xù)性，所占面積為11.52 萬(wàn)km2，占流域總面積58.02%，表明2017 年后一定時(shí)期內(nèi)雅江流域植被將有所好轉(zhuǎn)。其次是強(qiáng)反持續(xù)性，面積為6.65萬(wàn)km2，占流域面積33.49%.（表3）。以上三種類(lèi)型在空間分布上呈交錯(cuò)性分布，其中強(qiáng)反持續(xù)性在上游的里孜以上、里孜至拉孜、中游的干流諸河、拉薩河和年楚河均有較集中的分布。

圖3 雅魯藏布江流域植被NDVI趨勢(shì)可持續(xù)性分布

表3 2000—2017年雅魯藏布江流域NDVI變化可持續(xù)性統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步研究雅魯藏布江流域年最大植被NDVI變化趨勢(shì)和可持續(xù)性，將NDVI 變化趨勢(shì)與可持續(xù)性結(jié)果進(jìn)行疊加分析，得到耦合分析結(jié)果9 種類(lèi)型（表4），可以看出NDVI 處于不變持續(xù)、不變?nèi)醭掷m(xù)、退化弱反持續(xù)3 種類(lèi)型所占的面積最大，分別占全流域的16.38%，29.35%、16.59%。退化持續(xù)和改善弱反持續(xù)分別占流域面積的10.27%和11.04%，其他4種類(lèi)型占總面積的16.36%.空間分布上，退化區(qū)域仍集中于干流諸河、拉薩河和年楚河區(qū)域，而且與由退化轉(zhuǎn)為改善的區(qū)域呈交錯(cuò)分布，里孜以上部分區(qū)域有少量持續(xù)改善狀態(tài)的植被分布，而退化區(qū)主要在拉薩河流域。

表4 2000—2017年雅魯藏布江流域NDVI變化綜合特征統(tǒng)計(jì)

3.4 不同類(lèi)型植被NDVI變化趨勢(shì)分析

研究區(qū)不同植被類(lèi)型的年最大NDVI值從大到小依次為闊葉林（0.79）＞針葉林（0.78）＞栽培植被（0.55）＞灌叢（0.54）＞草原（0.44）＞草甸（0.38）＞高山植被（0.34）＞其他（0.24）。近18年來(lái)雅魯藏布江不同植被類(lèi)型年最大NDVI均值變化趨勢(shì)存在一定差異性。草原、闊葉林、灌叢和栽培類(lèi)植被四種類(lèi)型植被NDVI 值呈減少趨勢(shì)，而草甸、高山植被、針葉林和其他類(lèi)植被NDVI值呈不同程度的增加趨勢(shì)。其中減少幅度最大的是草原類(lèi)植被（-0.01/10a），其他類(lèi)植被增加的幅度最大（0.011/10a），另外高山植被增加幅度次之（0.009/10a）（圖4）。

圖4 不同植被類(lèi)型的NDVI變化趨勢(shì)

4 植被NDVI與氣象因子相關(guān)性分析

4.1 氣溫、降水量變化分析

根據(jù)雅魯藏布江流域內(nèi)的18 個(gè)氣象站（2000—2017 年）年平均氣溫與年降水量變化分析，18 年內(nèi)氣溫呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2000 年平均氣溫達(dá)到最低值7.1℃，2009 年達(dá)到最高值8.6℃，年增溫率為0.05℃；降水量呈減少態(tài)勢(shì)，2000 年達(dá)到最大值603.0mm，2009 年達(dá)到最低值313.3mm，年減少率為5.5mm。因此，近18年雅魯藏布江流域氣候呈暖干化趨勢(shì)（圖5）。

圖5 雅魯藏布江流域氣象站點(diǎn)氣溫與降水量年變化圖

4.2 植被NDVI與氣象要素的關(guān)系

結(jié)合前人[17-18]的研究結(jié)論，本文就氣溫和降水量與植被的關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致的相關(guān)分析，考慮了降水的滯后效應(yīng)，累積降水量的影響，另外還考慮到降水量和氣溫的協(xié)同作用，采用不同的分析方法進(jìn)行了探討，以期對(duì)植被生長(zhǎng)與氣候因子之間的關(guān)系有更深一步的了解。

本文在年尺度上分析了年最大NDVI與年平均氣溫和年總降水量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)（圖6），年平均氣溫與植被年最大NDVI 相關(guān)性較弱，二者呈負(fù)相關(guān)（R2=0.2079，P＜0.5）。兩年累計(jì)降水量與年最大NDVI 具有較好的正相關(guān)性（R2=0.3283，P＜0.05）。表明該流域內(nèi)植被生長(zhǎng)可能對(duì)降水量的依賴程度略大于溫度。

圖6 降水量、氣溫與18個(gè)站點(diǎn)植被平均NDVI的關(guān)系

4.3 不同類(lèi)型植被NDVI與氣象要素的關(guān)系

利用由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載的1：100 萬(wàn)西藏植被類(lèi)型數(shù)據(jù)，提取本文研究區(qū)域雅魯藏布江流域的8 種植被類(lèi)型包括：草甸、草原、高山植被、灌叢、闊葉林、栽培植被、針葉林和其他植被，提取和統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型NDVI 值，將不同類(lèi)型的年最大植被NDVI 與年平均氣溫和年降水量進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，不同植被類(lèi)型與氣象因子的關(guān)系具有一定差異，總體來(lái)看，降水量與植被具有較好的相關(guān)性，其中與栽培類(lèi)植被的相關(guān)性最大，與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.66(P＜0.005)，與年降水量和累計(jì)兩年降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.74 和0.79（P＜0.001），研究區(qū)栽培類(lèi)植被主要以青稞、小麥、油菜和馬鈴薯為主，說(shuō)明這些農(nóng)作物對(duì)氣象條件具有較強(qiáng)的依賴性。其次，灌叢類(lèi)植被與氣象因子也有較好的相關(guān)性，其中與降水量的相關(guān)性更強(qiáng)，年降水量和兩年累計(jì)降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.59（P＜0.01）和0.73（P＜0.001）。草原類(lèi)植被與兩個(gè)氣象因素也具有顯著的相關(guān)性，其中與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.51（P＜0.05），與年降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.59（P＜0.01），與兩年累計(jì)降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.61（P＜0.01）。草甸類(lèi)植被與氣溫和降水量也具有較好的相關(guān)性，與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.49（P＜0.05），與年降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.46（P＜0.05）,與兩年累計(jì)降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.49（P＜0.05）。闊葉林類(lèi)植被與降水量相關(guān)性較好，呈正相關(guān)，與年降水量和兩年累計(jì)降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.6（P＜0.01）和0.47（P＜0.05）。高山植被、針葉林和其他兩個(gè)類(lèi)型與氣溫和降水量的關(guān)系較弱，基本上都為弱相關(guān)。

表5 不同類(lèi)型植被與氣溫和降水量的相關(guān)性

5 結(jié)語(yǔ)

近18 年雅魯藏布江流域年最大植被NDVI 隨海拔高度的降低，空間上由西向東逐步增大。近18年變化趨勢(shì)顯示流域植被總體上呈穩(wěn)定狀態(tài)，占流域面積的42.29%，主要分布于流域中部和西部區(qū)域，植被退化區(qū)面積占24.48%，主要位于流域中部，改善區(qū)面積占16.13%，分布于西北和南部部分區(qū)域。結(jié)合Hurst指數(shù)分析表明，近18 年雅魯藏布江流域NDVI 變化類(lèi)型多樣，NDVI 處于不變持續(xù)、不變?nèi)醭掷m(xù)、退化弱反持續(xù)3 種類(lèi)型所占比重最大，分別占流域16.38%，29.35%、16.59%.近18 年來(lái)雅魯藏布江不同植被類(lèi)型年最大NDVI 均值變化趨勢(shì)存在一定差異性。草原、闊葉林、灌叢和栽培類(lèi)植被四種類(lèi)型植被NDVI 值呈減少趨勢(shì)，而草甸、高山植被、針葉林和其他類(lèi)植被NDVI值呈不同程度的增加趨勢(shì)。

分析2000—2017 年流域內(nèi)18 個(gè)氣象站氣溫和降水變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)：近18 年年平均氣溫呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，年增溫率為0.05℃；降水量呈減少態(tài)勢(shì)，年減少率為5.5mm。分析氣象要素與植被NDVI的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，總體上年平均氣溫與植被年最大NDVI相關(guān)性較弱（R2=0.2073，P＜0.05），兩年累計(jì)降水量與年最大NDVI 具有較好的正相關(guān)性（R2=0.5273，P＜0.05）。