新疆荒漠草地生物量估算及影響因素研究

王公鑫， 井長(zhǎng)青， 董 萍， 侯志雄， 郭文章， 趙葦康

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052；3. 新疆草地修復(fù)與環(huán)境信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830052)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，也是發(fā)展畜牧業(yè)、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。同時(shí)，氣溫、降水、干濕度和地表反照率等氣候要素對(duì)草地生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響草地生產(chǎn)力和空間分布格局[4-6]。近年來(lái)，遙感技術(shù)在大尺度草地監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)方面發(fā)揮出巨大優(yōu)勢(shì)，結(jié)合遙感技術(shù)研究草地生物量的時(shí)空分布特征，對(duì)草地結(jié)構(gòu)和功能以及生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量能力等方面有重大意義[7]。因此，在全球氣候變暖和環(huán)境日益惡化的背景下[8]，開(kāi)展新疆草地變化格局及其影響因素分析是全球變化研究熱點(diǎn)，對(duì)保護(hù)和改善新疆天然草地具有重要意義。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，可用遙感數(shù)據(jù)源明顯增多，MODIS、Landsat系列、SPOT等遙感數(shù)據(jù)由于其高空間、高時(shí)間分辨率而被廣泛應(yīng)用；許多學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立反演模型[9],對(duì)植被進(jìn)行監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)；趙慧芳等[10]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)建立青海省草地地上生物量指數(shù)反演模型，結(jié)果表明：草地生物量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)且降水是影響生物量的主要因素；韓波等[11]利用2006—2014年三江源生物量數(shù)據(jù)與同期遙感數(shù)據(jù)建立的多種反演模型中發(fā)現(xiàn)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和EVI建立的乘冪反演模型擬合效果最好；董建軍等[12]利用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立估算模型，與低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)源相比，中分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的估產(chǎn)模型精度相對(duì)要高；劉雨晴等[13]采用Landsat8 OLI數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)地面生物量數(shù)據(jù)構(gòu)建植被指數(shù)估算模型，對(duì)砒砂巖區(qū)生物量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。大量研究表明，植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)對(duì)氣象因子的響應(yīng)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，隨著氣候變化呈現(xiàn)暖濕化的趨勢(shì)，草地生長(zhǎng)環(huán)境水熱條件適宜，局部草地生物量會(huì)表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)[14-15]。氣溫和降水是影響草地生物量的重要因素，氣溫會(huì)造成草地生長(zhǎng)季提前、延長(zhǎng)等方面的影響，草地生物量呈現(xiàn)不同的生長(zhǎng)變化[16]；降水變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響更為復(fù)雜，降水量的增加會(huì)很好的被植被利用增加植被生長(zhǎng)力[17-18]。在生物量遙感估算研究中，大多數(shù)研究側(cè)重于森林、農(nóng)田、草原等生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)及影響因素的研究相對(duì)較少[19]，加強(qiáng)荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的研究對(duì)新疆天然草地的恢復(fù)和改善意義重大。

新疆地處我國(guó)西北邊陲，屬于典型的大陸性干旱氣候，獨(dú)特的自然環(huán)境和地貌條件，造就了新疆生態(tài)環(huán)境的多元性和復(fù)雜性，為多樣的草地類型形成奠定了基礎(chǔ)[20]。草地植被系統(tǒng)的變化決定著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和畜牧業(yè)生產(chǎn)，研究新疆荒漠草地生物量變化對(duì)新疆草地的合理利用、草地產(chǎn)量和草地生態(tài)環(huán)境的改善與保護(hù)有積極意義。因此，本研究擬采用長(zhǎng)時(shí)間序列2000—2019年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，輔以趨勢(shì)分析、相關(guān)性分析、精度評(píng)價(jià)等方法對(duì)2000—2019年新疆荒漠草地NDVI和地上生物量的時(shí)空分布和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。并結(jié)合氣候因素?cái)?shù)據(jù)分析荒漠草地生物量變化特征及其空間差異，為科學(xué)了解新疆荒漠草地碳匯實(shí)況和完善荒漠生態(tài)系統(tǒng)生物量遙感監(jiān)測(cè)提供技術(shù)手段和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于我國(guó)西北地區(qū)，與西藏、甘肅、青海相連，位于34°22′～49°33′N，73°22′～96°21′E之間(圖1)。新疆屬于大陸性干旱氣候，雨水稀少，天氣干旱，年降雨量約為150 mm，大多集中于6—8月，各地區(qū)降雨量差異較大，北疆的降雨量遠(yuǎn)大于南疆，新疆年平均氣溫約在6.2～9.0℃。新疆地形地貌復(fù)雜，主要地勢(shì)特征是“三山夾兩盆”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，新疆既有平均海拔超過(guò)6000 m的昆侖山、也有低至-154 m的吐魯番盆地，特定的地貌條件，造就了新疆復(fù)雜多樣的草地類型，其中溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、高寒荒漠類四種荒漠草地類占全疆草地總面積的50%左右。新疆荒漠草地植被有分布稀疏、適應(yīng)干旱能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)等特征，荒漠草地土壤類型主要包括栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土和灰漠土、棕漠土、灰棕漠土。北疆荒漠草地植被主要以小半灌木、半灌木荒漠植被為主，有鹽生假木賊(Anabasissalsa)、鹽蒿(ArtemisiahalodendronTurcz)、琵琶柴(Reaumuriasoongonica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariasibirica)、紅柳(Tamarixramosissima)等，南疆荒漠草地植被主要有麻黃(EphedrasinicaStapf)、泡泡刺(NitrariasphaerocarpaMaxim.)、紅柳(Ammaniagracilis)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、無(wú)葉假木賊(Anabasisaphylla)、胖姑娘(Kareliniacaspia)等。針對(duì)新疆廣泛分布的荒漠草地(圖2)，合理利用和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植被變化是保護(hù)荒漠草地系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

1.2 野外調(diào)查與采樣

本研究草地地上生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于2019年的荒漠草地野外觀測(cè)數(shù)據(jù)。該野外采樣點(diǎn)布設(shè)依據(jù)典型性原則，選擇能夠代表整個(gè)樣地特征的地段，根據(jù)不同草地類型和草地類型垂直分布設(shè)置采樣點(diǎn)，在樣地內(nèi)，選擇典型區(qū)域和未被家畜采食地區(qū)布置測(cè)定樣方，按對(duì)角線、十字交叉布設(shè)。利用已獲取的荒漠草地類120個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)(圖3)，所用數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為長(zhǎng)勢(shì)較好的2019年6—10月的數(shù)據(jù)。草本、半灌木及矮小灌木為主的樣地，設(shè)置3個(gè)樣方，樣方面積為1 m2；小半灌木，荒漠、半荒漠植被稀疏的樣地，設(shè)置3個(gè)樣方，樣方面積為4 m2；灌木及高大草本植物為主的樣地，樣方面積為100 m2，其中設(shè)置1個(gè)灌木及高大草本植物樣方和3個(gè)草本、半灌木及矮小灌木樣方，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔、蓋度、物種數(shù)、群落組成等相關(guān)信息。草本和灌木樣方地面以上用剪刀將生物量齊地面刈割，除去土壤和礫石等雜物，樣方內(nèi)分物種記錄信息，一般樣方內(nèi)物種數(shù)在2～8種不等，按樣方分別裝進(jìn)信封袋，在 65℃條件下烘干后稱重，獲取地上生物量干重?cái)?shù)據(jù)。將樣方內(nèi)生物量按照樣方面積進(jìn)行換算，即得到單位面積內(nèi)所對(duì)應(yīng)的生物量數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括90 m數(shù)字高程模型，2019年250 m空間分辨率MODIS數(shù)據(jù)，300 m空間分辨率的SPOT數(shù)據(jù)，5 km空間分辨率的NOAA AVHRR CDR數(shù)據(jù)，2000—2019年1 km空間分辨率的氣候柵格數(shù)據(jù)，以及新疆120個(gè)樣地調(diào)查數(shù)據(jù)。

MODIS-NDVI，MODIS-EVI數(shù)據(jù)是最大合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，MODIS數(shù)據(jù)云檢測(cè)能力更為敏感，更適合植被變化監(jiān)測(cè)研究，該數(shù)據(jù)在國(guó)家青藏高原科學(xué)技術(shù)中心網(wǎng)站下載獲取(http://westdc.westgis.ac.cn/zh-hans/)。

SPOT VEGETATION NDVI月300 m空間分布數(shù)據(jù)集是在下載整理的SPOT/VEGETATION PROBA-V 300 M PRODUCTS旬300 m植被指數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算每月上、中、下旬的最大值而生成的。月300 m NDVI數(shù)據(jù)為每年1—12個(gè)月每個(gè)月的NDVI最大值，數(shù)據(jù)空間覆蓋范圍為全國(guó)。該數(shù)據(jù)在資源科學(xué)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站下載獲取(https://www.resdc.cn/Datalist1.aspx?FieldTyepID=28,15)。

NOAA CDR NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)集基于NOAA CDR AVHRR NDVI V5數(shù)據(jù)，使用R語(yǔ)言rgee包調(diào)用Google Earth Engine進(jìn)行月最大值合成、鑲嵌和裁剪等過(guò)程加工生成，空間分辨率為5 km，該數(shù)據(jù)在國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載獲取(http://www.geodata.cn/)。

新疆維吾爾自治區(qū)90 m數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)以及行政邊界矢量數(shù)據(jù)、氣溫和降水1 km空間插值數(shù)據(jù)集可在中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心下載獲取(http://www.resdc.cn)。

1.4 模型的建立與精度驗(yàn)證

本文研究對(duì)象為新疆荒漠草地類，選取70%樣方數(shù)據(jù)建立模型和30%的樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用SPSS回歸分析植被指數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，結(jié)合2019年實(shí)測(cè)草地生物量數(shù)據(jù)分別構(gòu)建與植被指數(shù)之間的線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)和乘冪函數(shù)4種模型。通過(guò)估算模型精度、決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)等指標(biāo)分析模型的精度，并選取適應(yīng)于新疆荒漠草地生物量最優(yōu)反演模型[21-22]。

1.5 研究方法

1.5.1精度評(píng)價(jià) 通過(guò)均方根誤差(RMSE)、估算模型精度(Accuracy)、平均相對(duì)誤差(RE)、平均絕對(duì)誤差(AEE)、納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證模型精度。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.5.2趨勢(shì)分析 利用一元線性回歸趨勢(shì)分析法，通過(guò)計(jì)算NDVI的年際變化率，分析2000—2019年新疆荒漠草地地上生物量變化，研究草地生長(zhǎng)狀況。計(jì)算公式如下：

(6)

式中，xi為第i年的對(duì)應(yīng)時(shí)間段NDVI的平均值，i為研究區(qū)時(shí)段第i年，n為研究時(shí)間長(zhǎng)度，n取值20，i取值為1～20。Slope為方程的斜率，當(dāng)Slope>0時(shí)，表示NDVI為上升趨勢(shì)，即草地生物量增加趨勢(shì)；當(dāng)Slope<0時(shí)，表示NDVI為下降趨勢(shì)，即草地生物量減少趨勢(shì)。為了更好的分析草地生長(zhǎng)狀況，參考楊淑霞等[23]已有研究及本研究區(qū)草地覆蓋特征，根據(jù)Slope的大小劃分為：(<-0.01)退化、(-0.01～0)輕度退化、(0～0.01)穩(wěn)定、(0.01～0.1)輕度改善、(>0.1)改善五個(gè)等級(jí)。其中氣溫、降水、生物量的變化率同樣采用NDVI年際變化率(Slope)進(jìn)行分析。

1.5.3相關(guān)性分析 為研究草地生物量與氣溫、降水因子之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算公式如下：

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的建立與精度評(píng)價(jià)

本研究選取線性、對(duì)數(shù)、乘冪和指數(shù)函數(shù)構(gòu)建植被指數(shù)和草地生物量的反演模型，并對(duì)模型的估算精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出最優(yōu)的反演模型，詳見(jiàn)表1。

表1 不同植被指數(shù)的荒漠草地生物量反演模型Table1 Biomass inversion model of desert grassland with different vegetation indexes

圖4 實(shí)測(cè)草地地上生物量與遙感反演地上生物量關(guān)系Fig.4 Relationship between measured biomass and model simulated biomass

從回歸建模的結(jié)果來(lái)看，所有模型均通過(guò)了P<0.01的顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)較大的原則，在MODIS-NDVI，SPOT-NDVI，NOAA CDR NDVI遙感數(shù)據(jù)源中指數(shù)函數(shù)生物量模型反演最好，決定系數(shù)最高，MODIS-EVI線性函數(shù)生物量反演最好。MODIS-EVI，MODIS-NDVI，SPOT-NDVI，NOAA CDR NDVI回歸模型的決定系數(shù)分別為0.58，0.66，0.46，0.42(表1)。從表1可以看出MODIS-NDVI指數(shù)函數(shù)模型估算效果最好，RMSE(均方根誤差)最小為15.33 g·m-2，決定系數(shù)最大為0.66，估算精度最高為70.93%，平均絕對(duì)誤差為9.50 g·m-2，納什效率系數(shù)為0.65，模型可信度高最大，可見(jiàn)，構(gòu)建的MODIS-NDVI指數(shù)函數(shù)反演模型最優(yōu)。

為檢驗(yàn)草地地上生物量遙感估算模型的精度，采用30%的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明，2019年實(shí)測(cè)草地地上生物量和遙感反演地上生物量相關(guān)系數(shù)達(dá)0.76(圖4)，均方根誤差和平均相對(duì)誤差分別為15.27 g·m-2和8.36%，模型的估算精度達(dá)到了67.65%，說(shuō)明構(gòu)建NDVI與地上生物量的指數(shù)函數(shù)模型估算地上生物量與實(shí)地最為接近，能夠真實(shí)準(zhǔn)確地估測(cè)新疆地區(qū)荒漠草地地上生物量。

2.2 草地NDVI和地上生物量空間變化

2.2.1草地NDVI空間分布 利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取的新疆2000—2019年長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集，計(jì)算近20年新疆荒漠草地NDVI的平均值。由圖5所示，新疆地區(qū)草地NDVI總體上表現(xiàn)為由南向北逐漸增加的趨勢(shì)，北疆分布集中，南疆分布較分散；其中，新疆北部的阿勒泰地區(qū)、昌吉回族自治州、塔城地區(qū)，以及新疆東部的哈密地區(qū)荒漠草地NDVI均值相對(duì)較高；而新疆南部的巴音郭楞蒙古自治州、和田以及阿克蘇等地區(qū)荒漠草地NDVI相對(duì)較小，說(shuō)明新疆荒漠草地NDVI變化具有明顯的空間分布特征。

2000—2019年間NDVI平均值基本保持穩(wěn)定，荒漠草地NDVI均值在0～0.2之間，2019年出現(xiàn)最大值(0. 1452)，2000年出現(xiàn)最小值(0. 121)。其中NDVI在0～0.1占比為38.77%，NDVI在0.1～0.2占比最大為46.66%，NDVI在0.2～0.3和大于0.3分別占比為9.08%和4.05%。

圖5 研究區(qū)2000—2019年NDVI空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI in the study area from 2000 to 2019

2.2.2新疆NDVI年際變化率 新疆NDVI值年際變化趨勢(shì)存在明顯差異(圖6)。從各個(gè)地區(qū)上的草地NDVI年際變化趨勢(shì)看，總體上新疆荒漠草地NDVI整體處于穩(wěn)定和改善。新疆荒漠草地NDVI呈現(xiàn)趨好的變化，增加幅度最高為0.055 a-1，減少的幅度最高為0.040·a-1。

2000—2019年新疆荒漠草地的變化趨勢(shì)以穩(wěn)定和改善為主。退化面積所占比重最小，約為0.12%，面積為2.97萬(wàn)hm2；輕度退化所占比重約為2.66%，面積為65.90萬(wàn)hm2；新疆荒漠草地穩(wěn)定所占比重最大，約為61.59%，面積為1525.91萬(wàn)hm2；輕微改善所占比重較大，約為35.03%，面積為867.88萬(wàn)hm2；改善面積所占比重約為0.60%，面積為14.87萬(wàn)hm2，說(shuō)明近20年來(lái)，新疆的荒漠草地植被狀況呈轉(zhuǎn)好趨勢(shì)。

圖6 2000-2019年新疆荒漠草地NDVI年際變化趨勢(shì)Fig.6 Interannual variation trend of NDVI of desert grassland from 2000 to 2019 in Xinjiang

2.2.3草地地上生物量 利用指數(shù)模型估算新疆荒漠草地地上生物量，反演得到20年(2000—2019年)草地地上生物量密度均值(圖7a)。2000—2019年新疆荒漠草地地上生物量具有明顯的空間差異。由圖7a所示，新疆荒漠草地地上生物量呈西北高東南低的分布特征，荒漠類地上生物量其值介于12.27～180.26 g·m-2之間，生物量高值地區(qū)主要集中于新疆西北部的伊犁哈薩克自治州、塔城地區(qū)，西部的阿克蘇地區(qū)以及巴音郭楞蒙古自治州的北部。從新疆荒漠草地地上生物量變化率可以看出，荒漠草地生物量變化率大于零占比為88.47%，小于零占比為11.53%，新疆荒漠草地地上生物量有穩(wěn)定和趨好的變化。

圖7 研究區(qū)2000—2019年荒漠草地地上生物量(a)和變化趨勢(shì)(b)Fig.7 Variation of grassland biomass and tendency from 2000 to 2019 in study area

2.3 草地地上生物量和NDVI時(shí)間變化特征

2000—2019年新疆荒漠草地地上生物量和NDVI均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，新疆荒漠草地地上生物量總體上隨著NDVI增加而增加，2010—2019年NDVI和荒漠草地地上生物量增加明顯。2000—2019年新疆荒漠草地NDVI在2000年最低，僅為0.121，2019年最大達(dá)到0.152；2000—2019年新疆荒漠草地生物量2010年最低，僅為36.67 g·m-2，2019年最大達(dá)到39.93 g·m-2。近20年新疆荒漠草地地上生物量呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)。

圖8 研究區(qū)2000—2019年荒漠草地地上生物量和NDVI變化特征Fig.8 Variation characteristics of aboveground biomass and NDVI of desert grassland from 2000 to 2019 in the study area

2.4 草地地上生物量變化的影響因素

為了進(jìn)一步探究新疆荒漠草地生長(zhǎng)狀況和氣候因素的關(guān)系，利用新疆1960—2019年105個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)荒漠草地地上生物量數(shù)據(jù)，分析新疆荒漠草地地上生物量和氣溫、降水之間的關(guān)系。

2.4.1氣溫與降水的年際變化 本研究中，1960—2019年新疆氣溫變化整體上呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，其中1960—1996年氣溫距平多為負(fù)值，氣溫呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；1997—2019年氣溫距平多為正值，氣溫呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，近60年氣溫增加的幅度為0.32℃·(10 a)-1(圖9)。其中，2000—2019年均氣溫在-21.40℃～15.92℃，20年平均氣溫為8.89℃，空間上自南向北氣溫遞減，各地區(qū)差異顯著(圖10)。平均氣溫最高值出現(xiàn)在2015年為9.46℃，平均氣溫最低值出現(xiàn)在2012年為8.07℃。20年間大多地區(qū)年均溫呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)(圖9)，新疆的東部和南疆大部分呈不顯著增溫，其他地區(qū)均呈顯著增溫，新疆最南端和最西部的伊犁哈薩克和博爾塔拉蒙古自治州增溫幅度最大，年均溫減少最大值為-0.03℃·a-1，年均溫增溫最大值為0.04℃·a-1(圖11)。

1960—2019年新疆降水整體上呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，其中1960—1999年降水距平百分比多為負(fù)值，降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；2000—2019年降水距平百分比多為正值，降水量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，近20年降水量增加的幅度為2.18 mm·(10 a)-1(圖9)。其中，2000—2019年均降水量在0～1028.36 mm，20年平均降水量為216.40 mm，空間上自南向北降水呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，各地區(qū)差異顯著(圖10)。平均降水量最高值出現(xiàn)在2016年為236.84 mm，平均降水量最低值出現(xiàn)在2006年為147.88 mm。新疆東部、東南部降水呈不顯著下降趨勢(shì)，最大降幅達(dá)-0.3 mm·a-1，西南部和西北部降水均呈上升趨勢(shì)，最大增幅達(dá) 0.6 mm·a-1。2000—2019年新疆絕大多數(shù)地區(qū)氣溫和降水量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)(圖9)，氣候呈現(xiàn)暖濕化特征，暖濕化趨勢(shì)對(duì)新疆荒漠草地生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。

圖9 1960—2019年氣溫和降水量變化特征Fig.9 Characteristics of temperature and precipitation from 1960 to 2019

圖10 2000—2019年氣溫和降水分布Fig.10 Temperature and precipitation distribution from 2000 to 2019

圖11 2000—2019年氣溫和降水量變化率Fig.11 Change rate of temperature and precipitation from 2000 to 2019

2.4.2生物量與氣候因子的相關(guān)關(guān)系 新疆荒漠草地地上生物量與年降水量存在顯著的相關(guān)性(圖12)，新疆荒漠草地與年降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.79～0.91，正相關(guān)區(qū)域占荒漠草地總面積的84.73%，負(fù)相關(guān)的區(qū)域僅占荒漠總面積的15.27%，局部區(qū)域相關(guān)性較高；新疆荒漠草地與氣溫的相關(guān)性具有明顯的區(qū)域差異(圖12)，相關(guān)系數(shù)范圍為-0.81～0.80，氣溫與荒漠草地呈正相關(guān)的面積僅占55.67%，氣溫與荒漠草地面積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的面積達(dá)到44.33%，說(shuō)明氣溫與荒漠草地地上生物量存在一定影響，但表現(xiàn)不明顯。可以說(shuō)明降水量的變化是影響新疆荒漠草地地上生物量較大的氣候因素，降水量與荒漠草地地上生物量存在顯著的相關(guān)性，相關(guān)性優(yōu)于氣溫與生物量的相關(guān)性，新疆荒漠草地的生長(zhǎng)與氣溫和降水有著密切的關(guān)系。

圖12 研究區(qū)荒漠草地地上生物量與氣溫、降水的關(guān)系Fig.12 Relationship between aboveground biomass,temperature and precipitation of desert grassland in the study area

3 討論

本文基于多源遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建適應(yīng)于新疆荒漠草地地上生物量的最優(yōu)指數(shù)模型，能夠真實(shí)準(zhǔn)確地估測(cè)新疆地區(qū)荒漠草地地上生物量，荀其蕾等[24]研究新疆草地和植被指數(shù)之間的關(guān)系，建立多元回歸估產(chǎn)模型。很多研究指出由于研究區(qū)位置、自然狀況和遙感數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，構(gòu)建的生物量模型差異較大[25]。新疆荒漠草地地區(qū)2000—2019年NDVI變化總體上表現(xiàn)為由南向北逐漸增加的趨勢(shì)，北疆分布集中，南疆分布較分散，具有明顯的空間分布差異。其中，新疆北部的阿勒泰市、昌吉市、塔城市，新疆西部的阿圖什市等地區(qū)荒漠草地NDVI均值相對(duì)較高，NDVI多年變化趨勢(shì)指出新疆荒漠草地NDVI均呈現(xiàn)趨好的變化，增加幅度最高為0.055·a-1，這一結(jié)論與荀其蕾等[26]研究結(jié)果較為一致。

2000—2019年新疆降水量和氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，荒漠草地生物量與氣溫之間的相關(guān)性較弱，即氣溫對(duì)荒漠草地的影響不明顯，表明在氣溫升高熱量充足的地區(qū)，氣溫波動(dòng)并不是植被生長(zhǎng)的主要限制因素[27-28]；荒漠草地生物量與降水量存在顯著的正相關(guān)性，一般而言，水熱條件較好的情況有利于植被生長(zhǎng)，在干旱缺水的地區(qū)，降水量的增加可以被植被更高效的利用，從而促進(jìn)植被生長(zhǎng)[29]，這一結(jié)論與趙慧芳等[10]的研究結(jié)果較為一致。

就新疆地區(qū)而言，2000—2019年降水量空間上自南向北降水呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，水資源較為匱乏，水分條件不足是限制植被生長(zhǎng)的主要因素[30]。此外，為緩解決草地退化問(wèn)題，國(guó)家自2000年實(shí)施了退牧還草工程和補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。郭彥瑋[31]指出新疆草原的補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策使得草原退化趨勢(shì)得到緩解。草原補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策是提高草地質(zhì)量、保護(hù)草生態(tài)系統(tǒng)的重要手段，使得新疆草地生態(tài)環(huán)境顯著改善。

基于長(zhǎng)時(shí)間序列MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，本文探討了氣溫、降水和荒漠草地生物量的關(guān)系，但有研究表明其他氣候因素也會(huì)對(duì)草地生長(zhǎng)有一定的影響，因此在以后的研究中還需要綜合考慮相對(duì)濕度、地表反照率、蒸發(fā)量、土壤溫度等多種因素的影響[32-35]。利用MODIS-NDVI建立的指數(shù)估算模型適應(yīng)于新疆荒漠草地，由于使用的植被指數(shù)和遙感數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣，估算出來(lái)的模型類型和精度不一[36-37]，要提高估算模型的精度，未來(lái)需要綜合考慮高分辨率影像數(shù)據(jù)和影響植被生物量變化的地形地貌、土地利用、土壤養(yǎng)分等因素。此外，本文存在一些不確定性，如研究采用的NDVI是反映區(qū)域植被生長(zhǎng)狀態(tài)的最佳指示因子，因此NDVI被廣泛應(yīng)用于植被的監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)，但數(shù)據(jù)精度較低[38-39]。草地生物量變化不但會(huì)受到氣候因素和地形地貌等因素的影響，而且人類活動(dòng)對(duì)草地生物量的影響也不可忽視，一方面生態(tài)工程對(duì)生物量的促進(jìn)作用，另一方面開(kāi)采和擴(kuò)張對(duì)生物量的破壞，這些因素一定程度上會(huì)影響數(shù)據(jù)分析結(jié)果。因此，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)的融合和綜合因素的影響，探究新疆荒漠草地的變化趨勢(shì)和空間分布特征。

4 結(jié)論

本研究基于遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的最優(yōu)指數(shù)反演模型，適宜于新疆荒漠草地地上生物量變化監(jiān)測(cè)研究。2000—2019年間新疆荒漠草地NDVI總體上表現(xiàn)為由南向北逐漸增加的趨勢(shì)，北疆分布集中，南疆分布較分散。荒漠草地整體上以穩(wěn)定和改善為主，大面積荒漠草地地上生物量呈西北高東南低的分布特征。新疆氣候呈現(xiàn)暖濕化特征，降水的增加對(duì)生物量的生長(zhǎng)具有積極作用，總體上，降水量與荒漠草地地上生物量相關(guān)性優(yōu)于氣溫與地上生物量的相關(guān)性。