新疆典型沙漠和綠洲植被-水汽-地表溫度相關(guān)性分析

程丹妮， 王穎琪， 程勇翔， 黃敬峰

（1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310058）

地區(qū)植被的變化能夠直接反映出該地環(huán)境變化［1］。植被在調(diào)節(jié)氣候［2］，維持地球表面環(huán)境穩(wěn)定［3］中起著重要作用。歸一化植被指數(shù)（NDVI）能很好的反映地區(qū)植被的變化和覆蓋程度［3］，已被廣泛用于研究植物時空變化和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測［4-5］。NDVI與地表溫度［6］和大氣水汽含量［7］關(guān)系密切，植被覆蓋度越高對于地表溫度的調(diào)控作用就會越強(qiáng)，對大氣水汽的調(diào)控效果越好［8］。

蔡朝朝等［2］利用2000—2018 年NDVI 月值合成數(shù)據(jù)集，通過趨勢分析，得出新疆沿天山綠洲帶植被有明顯增加趨勢。王麗平等［6］基于2003—2018年MODIS 地表溫度產(chǎn)品，使用地表溫度最大值，采用長時間序列趨勢分析得出新疆塔里木盆地以及新疆北部地表溫度呈現(xiàn)明顯上升趨勢。雷磊等［8］利用Landsat TM影像以及于田地區(qū)氣象站的日地表溫度數(shù)據(jù)，得出植被覆蓋度的增加，對于地表溫度上升變緩起著重要作用。楊青等［9］對伊犁河流水汽含量做了相關(guān)研究，得出了在研究區(qū)水汽含量集中在夏季；姚俊強(qiáng)等［10］利用氣象站觀測數(shù)據(jù)結(jié)合探空站觀測資料對天山山區(qū)及周邊地區(qū)的水汽含量進(jìn)行了特征分析，得出水汽含量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，夏季最高、冬季最小。此外，還有不少學(xué)者，分別對于新疆石河子地表溫度［11］、天山植被［12］、和田地區(qū)植被變化［13］等局部地區(qū)做過研究，得出具有參考價值的研究結(jié)果，結(jié)果顯示上述地區(qū)植被呈現(xiàn)增加趨勢，夏季地表溫度下降明顯。

經(jīng)文獻(xiàn)查詢，目前對新疆沙漠、綠洲各系統(tǒng)間的比較研究較少，對南北疆各系統(tǒng)植被-水汽-地表溫度相關(guān)性分析更鮮有報道。因此，本文通過對新疆沙漠、綠洲典型生境的選取，對比南北疆沙漠、綠洲植被指數(shù)、大氣水汽含量、地表溫度變化特征，揭示在當(dāng)前環(huán)境變化背景下三者間的內(nèi)在聯(lián)系，為更好地認(rèn)識新疆生態(tài)環(huán)境變化提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型溫帶大陸性氣候［14］。天山山脈將新疆分為北疆和南疆，在北疆有固定、半固定古爾班通古特沙漠，植被覆蓋度在30%左右。南疆有流動性塔克拉瑪干沙漠，植被覆蓋度幾乎為零（圖1）。海拔高度是北疆低于南疆［15］，降水是北疆多于南疆［16］，植被是北疆整體好于南疆［17］。由于南北疆顯著的氣候差異，造就了彼此生態(tài)環(huán)境的巨大差異，因此具有較高的探索、比較和研究價值。

圖1 新疆典型生境選取示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical habitat selection in Xinjiang

1.2 數(shù)據(jù)與處理

2001—2019年MOD13C3植被指數(shù)及MOD11C3地表溫度數(shù)據(jù)空間分辨率均為5.5 km，時間分辨率為月。2013—2017 年Suomi NPP VIIRS 水汽數(shù)據(jù)空間分辨率為0.5°，時間分辨率為月。研究從NASA官網(wǎng)（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）下載獲取了上述數(shù)據(jù)。利用MOD13C3、MOD11C3 各自數(shù)據(jù)質(zhì)量信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了去云處理，并結(jié)合質(zhì)量信息，對于有氣溶膠影響的像元也進(jìn)行處理，確保后續(xù)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。研究利用交互式數(shù)據(jù)語言（Interactive data language，IDL）編程讀取NC格式的水汽產(chǎn)品，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遙感圖像處理軟件ENVI 支持的TIF 格式。選取以VIIRS 為基礎(chǔ)，并加入NUCAPS（美國國家海洋和大氣管理局CrIS/ATMS處理系統(tǒng)）水汽積來補(bǔ)償VIIRS水汽通道缺失的水汽總量（TPW）產(chǎn)品，獲取白天、夜晚全球月平均值用于研究。利用圖1各典型生境矢量圖獲取研究所需數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

研究采用Slope 斜率公式對2001—2019 年NDVI、地表溫度年平均值序列變化進(jìn)行趨勢分析，斜率計算公式為：

式中：j為年份；xj為第j年NDVI或地表溫度的年平均值；n為總年數(shù)。當(dāng)Slope>0 時，表示研究因子在n年中變化為上升趨勢；當(dāng)Slope<0 時，表示研究因子在n年中變化為下降趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆NDVI變化趨勢

從NDVI趨勢變化分析結(jié)果（圖2）可知，新疆綠洲植被增加顯著。研究分析，綠洲植被的增加與鹽堿地的改良和農(nóng)田開發(fā)密切相關(guān)。一方面，受新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變的影響，特別是滴灌影響，使得灌頭下土壤水分接近飽和，水分?jǐn)U散后形成一個半圓錐形的土壤浸潤體，土壤鹽分隨水移動后，鹽被淋洗到浸潤體的外圍，結(jié)果導(dǎo)致土壤耕作層鹽分下降［18-19］，促進(jìn)了農(nóng)作物生長，大面積鹽漬化土地被充分利用。另一方面，滴灌提高了水分利用效率，耕地面積明顯增加。受近年來區(qū)域降水增加的影響，新疆自然植被整體呈增加趨勢，但在伊犁、塔城和阿勒泰部分地區(qū)植被卻有所減少，特別是伊犁地區(qū)的植被下降明顯。學(xué)者研究表明，伊犁地區(qū)植被的下降與該區(qū)人口的增加、人類對自然環(huán)境的干擾［20］、夏季超載過牧［21］、降水減少［22］以及外來植物入侵等關(guān)系密切［23］。

2.2 新疆地表溫度變化趨勢

從地表溫度趨勢分析（圖3）可見，在植被明顯增加的綠洲，白天地表溫度明顯下降，夜晚地表溫度明顯上升，晝夜地表溫差降低。這表明植被增加對地表溫度具有調(diào)控作用，可使地表溫度變幅減小。受全球氣候變暖的影響，在古爾班通古特沙漠、塔克拉瑪干沙漠等低植被覆蓋的區(qū)域，白天和夜晚地表溫度均升高，晝夜地表溫差增加。雖然兩大沙漠近年植被略有增加，但稀疏的植被對溫度調(diào)控作用弱，沙漠地表溫度變化更多受下墊面狀況和氣溫變化所控制。上述分析表明，高植被覆蓋區(qū)比低植被覆蓋區(qū)對地表溫度變化的調(diào)控作用強(qiáng)。

圖3 地表溫度斜率趨勢分析Fig.3 Slope trends of land surface temperature

2.3 新疆整體植被-水汽-地表溫度相關(guān)性

NDVI、地表溫度與大氣水汽含量兩兩相互關(guān)系表現(xiàn)為：植被增加，白天、夜晚大氣水汽含量都增加，水汽差值增加（圖4a）。伴隨著植被指數(shù)增加，白天、夜晚地表溫度增加，當(dāng)植被指數(shù)最大時，即夏季晝夜地表溫差逐漸減?。▓D4b）。比較植被增加對地表溫差和水汽差變化的影響可得出，地表溫度對植被變化的敏感度高，而大氣水汽含量對植被變化的敏感度低，即在全疆水平上，平均較低的植被覆蓋不能有效降低水汽差。另外，地表溫度增加，白天、夜晚大氣水汽含量都增加，且晝夜地表溫差越大，水汽含量差值也越大（圖4c）。

圖4 NDVI、地表溫度與大氣水汽含量相關(guān)性Fig.4 Correlations between NDVI,land surface temperature and atmospheric water vapor content

2.4 北疆沙漠和綠洲植被-水汽-地表溫度相關(guān)性

在北疆古爾班通古特沙漠，植被、大氣水汽含量和地表溫度均有明顯的季節(jié)變化。大氣水汽含量和地表溫度及各差值每年夏季均達(dá)到一年中的最大值，冬季為最低值（圖5a～c）。白天大氣水汽含量和地表溫度均高于夜晚（圖5a～b、表1）。NDVI峰值出現(xiàn)在每年的春季（圖5d）。由于古爾班通古特沙漠植被覆蓋度低，調(diào)控作用弱，每年隨沙漠植被增加地表溫度差和水汽差未減?。▓D6a～b）。地表溫度對大氣水汽含量影響明顯（圖6c）。

圖5 2013—2017年北疆古爾班通古特沙漠生態(tài)指標(biāo)變化Fig.5 Changes of ecological indicators of Gurbantunggut Desert in northern Xinjiang from 2013 to 2017

圖6 北疆古爾班通古特沙漠植被-水汽-地表溫度相關(guān)性Fig.6 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in Gurbantunggut Desert of northern Xinjiang

表1 2013—2017年北疆生態(tài)指標(biāo)情況Tab.1 Ecological indicators situation of northern Xinjiang from 2013 to 2017

在北疆綠洲受高植被覆蓋的影響，地表溫度差和水汽差，均較相鄰古爾班通古特沙漠?。▓D7a～c），且每年隨植被增加水汽含量差和地表溫度差均減少（圖8a～b），這充分體現(xiàn)出植被對環(huán)境的調(diào)控作用及綠洲效應(yīng)。綠洲由于大部分為農(nóng)作物，NDVI峰值出現(xiàn)在夏季（圖7d）。大氣水汽含量受地表溫度的影響明顯（圖8c）。

圖7 2013—2017年北疆綠洲生態(tài)指標(biāo)變化Fig.7 Changes of ecological indicators of oasis in northern Xinjiang from 2013 to 2017

圖8 北疆綠洲植被-水汽-地表溫度相關(guān)性Fig.8 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in oasis of northern Xinjiang

2.5 南疆沙漠和綠洲植被-水汽-地表溫度相關(guān)性

在南疆塔克拉瑪干沙漠，白天地表溫度明顯高于夜晚（表2），晝夜地表溫差巨大（圖9b），大氣水汽含量在每年3—10月會出現(xiàn)夜晚水汽含量超過白天水汽含量的現(xiàn)象（圖9a、c），分析原因與春、夏、秋季沙漠夜晚逆溫、逆濕現(xiàn)象關(guān)系密切。塔克拉瑪干沙漠由于缺少植被調(diào)控，升溫快，降溫也快。夜晚地表因輻射冷卻造成最接近地面的下層空氣迅速降溫，而上層的空氣冷卻降溫較慢，因而使下層大氣的氣溫低于上層大氣的氣溫，出現(xiàn)逆溫狀態(tài)。在逆溫層底部有大量的水汽堆積，在空中形成明顯的逆濕層，因湍流交換弱，整個大氣基本為穩(wěn)定層結(jié)，而在白天，地表溫度升高，整個大氣變?yōu)椴环€(wěn)定層結(jié)，逆濕就會減弱，所以塔克拉瑪干沙漠在氣溫較高的月份會出現(xiàn)反常的夜晚水汽含量高于白天水汽含量的情況。此外，極低覆蓋度下的植被變化（圖9d）對地表溫度變化幾乎無調(diào)控。地表溫度對大氣水汽含量的增加影響顯著，夜晚相較于白天水汽含量受溫度調(diào)控更明顯（圖10c）。

表2 2013—2017年南疆生態(tài)指標(biāo)情況Tab.2 Ecological indicators situation of southern Xinjiang from 2013 to 2017

圖9 2013—2017年南疆塔克拉瑪干沙漠生態(tài)指標(biāo)變化Fig.9 Changes of ecological indicators in Taklimakan Desert of southern Xinjiang from 2013 to 2017

圖10 南疆塔克拉瑪干沙漠植被-水汽-地表溫度相關(guān)性Fig.10 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in Taklimakan Desert of southern Xinjiang

在南疆綠洲，受高植被覆蓋影響，晝夜地表溫差明顯降低（圖11b～c），表現(xiàn)為與北疆綠洲相同的特性，即每年隨植被增加地表溫度差減少（圖12b）。但大氣水汽含量變化與北疆綠洲不同，南疆綠洲受外圍沙漠環(huán)境影響巨大，也會出現(xiàn)夜晚大氣水汽含量超過白天大氣水汽含量的現(xiàn)象，但月份卻主要集中在夏季（圖11a、圖12a）。以上分析再次表明植被變化對地表溫度的影響強(qiáng)于對水汽的影響。地表溫度對大氣水汽含量的控制明顯（圖12c）。

圖11 2013—2017年南疆綠洲生態(tài)指標(biāo)變化Fig.11 Changes of ecological indicators of oasis in southern Xinjiang from 2013 to 2017

圖12 南疆綠洲植被-水汽-地表溫度相關(guān)性Fig.12 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in oasis of southern Xinjiang

3 討論

研究所得新疆NDVI呈明顯增加趨勢與周紫燕等［24］研究結(jié)果基本一致。新疆綠洲NDVI增加顯著與Yuan 等［25］利用MOD13Q1 數(shù)據(jù)對2000—2018 年中國西部植被生長季新疆綠洲呈現(xiàn)明顯增加趨勢的研究結(jié)果一致，與Dong等［26］所得近年來南北疆綠洲面積快速增加相吻合。新疆地表溫度的趨勢變化研究結(jié)果與韓春光等［11,27］的研究結(jié)果相似。新疆荒漠地表溫度呈上升趨勢，綠洲呈下降趨勢，與胡云鋒等［28］的研究結(jié)果一致。從劃分的不同下墊面來看，耕地NDVI上升明顯，其地表溫度會因植被覆蓋度增加呈明顯下降趨勢，而沙漠因植被稀疏，地表溫度變化受植被影響較小，NDVI 與地表溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，與熱伊萊·卡得爾等［29］的研究結(jié)果一致。經(jīng)計算塔克拉瑪干沙漠2013—2017 年的平均地表溫度高于古爾班通古特沙漠，這與趙強(qiáng)等［30］研究結(jié)果近似。研究得出塔克拉瑪干沙漠的白天、夜晚的地表溫度均高于古爾班通古特沙漠（表1、表2），其白天、夜晚的平均地表溫度分別為31.32 ℃、4.91 ℃，而古爾班通古特沙漠的白天、夜晚平均地表溫度分別20.87 ℃、1.37 ℃。

Wang 等［7］研究得出隨著NDVI 的增加，大氣水汽含量與NDVI 的相關(guān)性也越來越強(qiáng)，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果與研究所得植被覆蓋增加對水汽含量的影響程度增加相一致。2013—2017 年北疆白天、夜晚平均水汽含量分別為10.22 mm 和8.40 mm，均大于南疆白天、夜晚8.12 mm和7.62 mm的平均水汽含量（表1、表2），且有明顯的年變化，夏季水汽含量最大，與張揚(yáng)等［31］的研究結(jié)果一致。水汽含量會明顯受到下墊面的影響，因綠洲農(nóng)田灌溉和作物生長蒸發(fā)、蒸騰作用大，導(dǎo)致大氣水汽含量高，而在沙漠因降水少、植被覆蓋度低，大氣水汽含量相對于綠洲低［32］。南疆耕地因作物生長導(dǎo)致植被覆蓋相對于沙漠高，保證了水汽含量，所以南疆耕地的水汽含量總體大于塔克拉瑪干沙漠［33］。研究所得NDVI呈現(xiàn)明顯增加趨勢的地區(qū)大部分是新疆早熟棉種植區(qū)，植被覆蓋度高于沙漠，呈下降趨勢的晝夜地表溫差明顯不同于沙漠［34-35］。魏浩林等［36-38］所得地表溫度增加，大氣水汽含量升高，且兩者呈正相關(guān)的結(jié)論與研究結(jié)果一致。

北疆白天水汽含量高于夜晚水汽含量，符合水汽變化的一般規(guī)律，即溫度越高水汽含量越高。南疆沙漠在3—10 月表現(xiàn)為夜晚高于白天，不符合水汽變化的一般規(guī)律，分析出現(xiàn)這種異常的原因與塔克拉瑪干沙漠植被覆蓋度低［39］、降水少［40］密切相關(guān)。沙漠白天經(jīng)過太陽照射，地表溫度高，到了夜晚地表會通過長波形式向空氣中散熱［41］。南北疆沙漠相比較，北疆沙漠因有植被覆蓋，植被會對地表溫度變化起一定調(diào)控作用，導(dǎo)致地表溫度不會迅速下降，逆溫、逆濕現(xiàn)象不明顯。南疆沙漠由于基本無植被覆蓋，夜晚地表會迅速冷卻降溫，逆溫、逆濕現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致夜晚逆溫層底部有大量的水汽堆積，水汽含量高于白天［42-44］。崔麗娜等［45］基于塔中站地基全球定位系統(tǒng)（GPS）觀測的大氣水汽含量數(shù)據(jù)，對塔克拉瑪干沙漠腹地的水汽含量日變化特征進(jìn)行了研究，得出沙漠腹地全年夜晚水汽含量均高于白天水汽含量，該結(jié)論與研究結(jié)果在時間上略有不同。分析差異原因主要與所采用的數(shù)據(jù)和研究手段不同有關(guān)，具體問題還有待深入研究。

4 結(jié)論

2001—2019 年新疆植被整體增加，局部減少，綠洲植被增加最為明顯。新疆植被明顯增加，白天地表溫度降低，夜晚地表溫度升高，地表溫差減少，環(huán)境變得更加穩(wěn)定。植被增加大氣水汽含量也增加，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。植被對水汽含量的調(diào)控作用在高植被覆蓋的綠洲才體現(xiàn)較為明顯。植被對地表溫度的影響強(qiáng)于對大氣水汽含量的影響。植被增加有助于降低地表溫差和水汽含量差。塔克拉瑪干沙漠3—10月夜晚水汽含量高于白天水汽含量。南疆綠洲受近年植被增加和塔克拉瑪干沙漠的雙重影響，綠洲主要在夏季出現(xiàn)夜晚水汽含量高于白天水汽含量的現(xiàn)象。提高新疆植被覆蓋度將有利于應(yīng)對全球氣候變化。