近20 a新疆北疆天然草地植被覆蓋度時(shí)空變化及其與氣象因子的關(guān)系

侯志雄,井長(zhǎng)青,陳 宸,王公鑫,郭文章,趙葦康

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是植被在地面的垂直投影面積占總面積的百分比[1]。植被覆蓋度的變化不僅與生物量、凈初級(jí)生產(chǎn)力等地表生態(tài)學(xué)指標(biāo)有關(guān),還可以通過(guò)地表參數(shù)對(duì)氣候變化有一定的影響。植被是極其重要的自然資源,在全球氣候變化和動(dòng)植物生存演變中扮演著非常重要的角色。草地植被屬于陸地上存在面積最大的可再生資源,也是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)循環(huán)的主要部分[2]。新疆北疆草地近2 333.33×104hm2(3.5億畝),但由于一些原因[3],加之干旱、風(fēng)沙以及生態(tài)環(huán)境脆弱[4],草地有所退化。研究北疆天然草地退化現(xiàn)狀、草地退化分布格局等,對(duì)修復(fù)退化草地有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】把利用遙感技術(shù)進(jìn)行草地植被覆蓋度反演總體分為植被指數(shù)法和像元分解模型法兩種方法[5]。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)對(duì)植被的響應(yīng)能力較強(qiáng),是被定義的多種植被指數(shù)中使用較為廣泛的一種[6]。李苗苗、楊瑞瑞等[7-8]通過(guò)對(duì)多年植被覆蓋度進(jìn)行估算,分析了植被覆蓋度時(shí)空分布與氣候變化的相關(guān)關(guān)系;陳昀琳等[9]基于Landsat和MODIS NDVI時(shí)序數(shù)據(jù),通過(guò)像元二分模型對(duì)青海湖流域植被覆蓋度提取,并分析其變化;苗正紅等[10]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù),對(duì)吉林省植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè);劉超等[11]充分利用3S技術(shù)RS、GPS和GIS技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙古阿拉善東南部地區(qū)1991～2006年的植被覆蓋度估算及其變化提取分析,并在此基礎(chǔ)上對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行研究。像元二分法是植被覆蓋度反演的常用方法之一[12],朱林富等[13]以2000～2015年的MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運(yùn)用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度,研究了重慶地區(qū)的植被覆蓋度時(shí)間和空間分布以及石漠化演變的特征;劉家琰等[14]、?；鄣萚15]基于高分辨率的Landsat 8數(shù)據(jù),利用像元二分法提取NDVIsoil和NDVIveg參數(shù),反演了青海湖流域植被覆蓋度;楊凱軍等[16]基于像元二分模型對(duì)石羊河流域植被覆蓋度反演,并從時(shí)間和空間角度對(duì)其分異特征進(jìn)行研究。研究利用植被指數(shù),通過(guò)像元二分模型,反演天然草地植被覆蓋度,在干旱區(qū)有較高精度,歸一化植被指數(shù)(NDVI)與草地植被覆蓋度之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系[17,18]。【本研究切入點(diǎn)】利用植被指數(shù)法和像元二分模型對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行反演是相對(duì)適用的植被覆蓋度反演模型。需研究近20 a新疆北疆天然草地植被覆蓋度時(shí)空變化及其與氣象因子的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于多年連續(xù)的MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),運(yùn)用像元二分模型對(duì)近20 a新疆北疆天然草地覆蓋度進(jìn)行反演,分析該區(qū)域天然草地植被覆蓋度的時(shí)空分布規(guī)律及其與氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 研究區(qū)概況

新疆北疆是我國(guó)重要的草地牧場(chǎng)(43°23′～49°10′ N,79°57′～91°32′ E),北疆地形復(fù)雜,以準(zhǔn)噶爾盆地為中心,三面環(huán)山,形成明顯的地形單元,地勢(shì)西高東低。中部準(zhǔn)噶爾盆地,南部廣闊,北部窄小,海拔500 m以上[19];北部的阿爾泰山,平均海拔在3 000m以上,植被垂直分異比較顯著;南部的天山山脈,西起烏恰,東至伊吾,山體平均寬厚約250 km,平均海拔4 000 m,有多條河流和深谷;西部山地由一系列低山丘陵組成,并有幾處地勢(shì)較低的缺口,使得盛行的濕潤(rùn)西風(fēng)能進(jìn)入盆地[20]。北疆行政區(qū)劃上包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、北屯市、昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州等地區(qū)[21]。北疆位于中緯西風(fēng)帶,屬典型的大陸性干旱氣候區(qū),全年降水量200 mm以上[22,23]。

1.1.2NDVI數(shù)據(jù)

從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)下載的NDVI數(shù)據(jù)為年度1 km植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集[24],時(shí)間為1998～2018年,空間分辨率為1 km,基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/VEGETATIONNDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),采用最大值合成法生成。

1.1.3 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集基于Landsat TM/ETM、Landsat 8遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,人工目視解譯生成,每5 a為一個(gè)監(jiān)測(cè)期。選取年份為1995、2000、2005、2010、2015、2020年,空間分辨率為1 km。

1.1.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)的中國(guó)逐年降水量、平均氣溫空間插值數(shù)據(jù)集。其應(yīng)用的是澳大利亞的ANUSPLIN插值軟件,ANUSPLIN是使用函數(shù)逼近曲面的一種方法,能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)診斷,可以對(duì)數(shù)據(jù)的空間分布進(jìn)行分析進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間插值的功能[25]。

1.2 方 法

1.2.1 像元二分模型

像元二分模型法是間接計(jì)算草地植被覆蓋度最常見(jiàn)方法,通常使用NDVI直接提取植被覆蓋信息。假設(shè)影像中的像元只由草地植被和非草地植被兩個(gè)部分組成。研究選擇NDVI作為參數(shù),在ENVI中分別將置信區(qū)間95%和5%的NDVI值作為NDVIveg和NDVIsoil。

(1)

式中:FVCi為第i年的草地植被覆蓋度;i為年份;NDVIsoil為裸地土壤或非草地植被區(qū)域的NDVI值;NDVIveg為有草地植被完全覆蓋區(qū)域的NDVI值,NDVI為像元草地植被覆蓋部分和非草地植被覆蓋部分的加權(quán)平均。

1.2.2 變化率

常使用變化率對(duì)影像進(jìn)行逐像元變化率分析。

(2)

式中:i為年序號(hào),NDVIi為第i年的NDVI值,n為樣本量。θslope是NDVI在研究時(shí)間內(nèi)的變化率,其為正值草地狀況,其為負(fù)值則草地狀況趨于退化。

1.2.3 相關(guān)性

運(yùn)用相關(guān)分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及相關(guān)系數(shù)R描述。

(3)

1.2.4 草地范圍

研究使用土地利用數(shù)據(jù)對(duì)草地范圍進(jìn)行確定,選取包含研究時(shí)間段的1995、2000、2005、2010、2015、2020年的土地利用數(shù)據(jù),使用ArcGIS軟件進(jìn)行重分類(lèi),篩選出每年度草地范圍,之后對(duì)各年度草地范圍進(jìn)行疊加,在研究期間,某處有草地出現(xiàn),即作為草地范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆多年平均天然草地植被覆蓋度時(shí)空變化

2.1.1 北疆天然草地NDVI及植被覆蓋度的空間分布

研究表明,新疆北疆多年平均天然草地植被覆蓋度和草地NDVI空間分布特征差異較大,總體上呈現(xiàn)為中部和東部較低,北部、西部和南部較高的空間分布趨勢(shì)。尤其是北部的阿爾泰山、南部的天山和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山天然草地植被覆蓋度大部分都在40%以上,而中部和東部的準(zhǔn)噶爾盆地除局部地區(qū)外,天然草地植被覆蓋度大部分都在20%以下。北部、西部和南部山區(qū)地帶山頂常年積雪覆蓋,積雪融化水文條件較好,利于天然草地植被生長(zhǎng);中部干旱地帶降水少且蒸發(fā)強(qiáng)烈,存在大范圍的沙漠、戈壁、鹽堿地,天然草地植被覆蓋度低。北疆天然草地植被覆蓋度分布呈現(xiàn)較大的空間差異性,表現(xiàn)為西部高于東部,南北部高于中部,山地高于荒漠的特點(diǎn)。圖1

注:該圖基于中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)3333號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無(wú)修改,下同

2.1.2 北疆天然草地植被覆蓋度的時(shí)間變化

研究表明,1998～2018年北疆天然草地植被覆蓋度呈現(xiàn)基本保持穩(wěn)定的生長(zhǎng)趨勢(shì),2010年天然草地年均植被覆蓋度最高,達(dá)到58.23%;其次為2016年,達(dá)到57.11%;2008年和2014年較低,其天然草地年均植被覆蓋度分別為46.81%和45.41%。圖2

2.2 北疆天然草地變化率

研究表明,1998～2018年研究區(qū)總面積的57.51%天然草地植被覆蓋度呈上升趨勢(shì),天然草地植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)的為研究區(qū)總面積的42.49%。其中草地變化率小于-0.01的比例有0.97%,處在-0.01～0的比例有41.52%,處在0～0.01的比例有50.58%,處在0.01～0.03的比例有6.20%,大于0.03的比例有0.71%。增加區(qū)域主要分布在北部的阿爾泰山、天山和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山。北疆天然草地植被增加趨勢(shì)的區(qū)域大于減少趨勢(shì)的區(qū)域,且呈顯著增加的區(qū)域多于減少區(qū)域。圖3

圖2 1998～2018年北疆天然草地植被覆蓋度的時(shí)間變化

圖3 北疆1998～2018年草地變化率

2.3 北疆氣象因子的空間變化特征

研究表明,北疆年均降水有明顯的空間分異特征,區(qū)域內(nèi)降水空間差異較大。北疆近20 a年均降水呈現(xiàn)南北高中間低,西部邊緣高、中部和東部低,自北西南三面向中部遞減趨勢(shì),年均降水量112～894 mm。北部因受大西洋和北冰洋的水汽影響,降水量達(dá)到200 mm以上;南部的天山山脈和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山整體海拔高受垂直地帶性分異的影響,加之山頂多年冰雪覆蓋,年均降水量最高達(dá)到894 mm;中部和東部以古爾班通古特沙漠為中心,三面環(huán)山且遠(yuǎn)離海洋,水汽難以到達(dá),年均降水量最低。近20 a北疆年均氣溫-15～12℃,平均氣溫4.49℃,總體溫度偏低。受海拔影響明顯,準(zhǔn)噶爾盆地北部的阿爾泰山區(qū)和天山山脈、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山年均氣溫低于0℃,而盆地西南部為年均氣溫高值中心,最高值出現(xiàn)在博樂(lè)市周邊區(qū)域。圖4

圖4 北疆氣象因子空間分布

2.4 北疆天然草地植被覆蓋度與氣象因子關(guān)系

研究表明,天然草地植被覆蓋度與年降水量的相關(guān)性呈正相關(guān)的關(guān)系分布范圍較廣,所占比例達(dá)到研究區(qū)總面積的81.27%,主要分布在北部的阿爾泰山南坡、南部的天山山脈和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山;天然草地植被覆蓋度與年降水量呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域相對(duì)較少,所占比例僅為研究區(qū)面積的18.73%,主要分布在阿爾泰山北坡、天山山脈的局部區(qū)域。其中,天然草地植被覆蓋度與年降水量的相關(guān)性系數(shù)小于-0.4的所占比例僅為2.34%,處于-0.4～0的所占比例為16.36%,處于0～0.2的所占比例為14.90%,處于0.2～0.5的所占比例為36.05%,大于0.5的所占比例為30.32%。北疆天然草地植被覆蓋度與年降水量呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域,降水是北疆天然草地覆蓋度的重要影響因子,且降水對(duì)北疆天然草地植被覆蓋度的表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的區(qū)域比較明顯,分布范圍較廣,所占比例分別60.52%和39.40%。天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在南部的天山山脈東部區(qū)域、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山;天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在天山山脈北坡、阿爾泰山和博羅科努山。其中,天然草地植被覆蓋度與年平均溫度的相關(guān)性系數(shù)小于-0.4的所占比例為3.81%,處于-0.4～0的所占比例為35.65%,處于0～0.2的所占比例為30.02%,處于0.2～0.5的所占比例為26.92%,大于0.5的所占比例為3.58%。

氣溫和降水均為北疆天然草地植被覆蓋度的重要影響因子,且均多表現(xiàn)為促進(jìn)作用,降水對(duì)北疆天然草地植被覆蓋度的促進(jìn)作用更加明確,氣溫在一定條件下會(huì)對(duì)天然草地植被覆蓋度產(chǎn)生抑制。圖5

(a)年均氣溫 (b)相關(guān)分析結(jié)果

3 討 論

北疆1998～2018年平均天然草地植被覆蓋總體上呈現(xiàn)為中部和東部較低,北部、西部和南部較高的空間分布趨勢(shì)。分析北疆1998～2018年長(zhǎng)時(shí)間序列天然草地植被覆蓋度,發(fā)現(xiàn)2010年天然草地年均植被覆蓋度最高,2008年和2014年較低。由于2010年北疆大部分地區(qū)平均氣溫有所升高,降水量為1961年以來(lái)歷史最多,氣候條件適合草地植被生長(zhǎng),而2008年北疆罕見(jiàn)大旱,空氣含水量不及往年,導(dǎo)致植被覆蓋度急劇降低[26]。水分對(duì)北疆天然草地植被長(zhǎng)勢(shì)具有十分重要的影響[27-30],研究區(qū)北部、西部和南部山區(qū)地帶山頂常年積雪覆蓋,加之每年草地生長(zhǎng)季總體氣溫較高,積雪融化水文條件較好,有利于植被生長(zhǎng)。

研究在北疆天然草地植被覆蓋度時(shí)空變化分析中,尚欠缺從多角度分析影響天然草地植被覆蓋的因子,對(duì)于利用多種植被指數(shù)相結(jié)合進(jìn)行反演天然草地植被覆蓋度和從多種方面分析不同氣象因子、地形因子等對(duì)天然草地植被覆蓋度的影響有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

4.1近20 a北疆天然草地植被覆蓋度空間分布差異較大,總體上呈現(xiàn)為中部和東部較低,北部、西部和南部較高的空間分布趨勢(shì)。尤其是北部的阿爾泰山、南部的天山和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺(tái)山和阿拉套山草地植被覆蓋度大部分都在40%以上,而中部和東部的準(zhǔn)噶爾盆地除局部地區(qū)外,天然草地植被覆蓋度大部分都在20%以下。

4.2近20 a研究區(qū)天然草地狀況為增加趨勢(shì)的有57.51%,天然草地狀況為降低趨勢(shì)的有42.49%。北疆天然草地植被增加趨勢(shì)的區(qū)域大于降低趨勢(shì)。

4.3近20 a北疆天然草地植被覆蓋度與年降水量呈負(fù)相關(guān)的比例為18.73%,呈正相關(guān)的比例為81.27%;北疆天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈負(fù)相關(guān)性所占比例為39.48%,呈正相關(guān)的比例為60.52%,北疆天然草地植被覆蓋度與年均降水量的相關(guān)性高于年均氣溫。