新疆天然草地時空變化及其對氣候因子的響應

趙葦康， 井長青*， 陳宸

（1.新疆農業(yè)大學草業(yè)學院，新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830052； 2.黔南民族師范學院旅游與資源環(huán)境學院，貴州 都勻 558000）

近年來，在全球氣候變暖及人類活動加劇的背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化的關系是全球氣候變化研究的重要內容，草地是地球上面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，約占陸地總面積的25%，同時也是中國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，約占中國土地面積的40%[1]。草地在全球碳循環(huán)和氣候變化方面扮演著重要的角色，而草地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應十分敏感，因此，草地生態(tài)系統(tǒng)成為全球氣候變化的主要研究對象。新疆草地面積占全國草地總面積的14.6%，占新疆土地面積的34.4%，位居我國第3位[2]。

植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）是草地生態(tài)系統(tǒng)的核心要素之一[3?4]，由于NPP 與全球氣候變化關系密切[5?6]，因此在研究全球氣候變化方面具有重要意義[7]。NPP 是指在單位時間和單位空間綠色植被通過光合作用吸收的CO2凈量[8?9]，即綠色植被光合作用吸收的CO2量減去呼吸作用釋放CO2量的差值[10?11]。目前，采用遙感技術監(jiān)測植被動態(tài)被廣泛應用。遙感數(shù)據(jù)中歸一化植被指數(shù)（normal difference vegetation index，NDVI）包含了植被覆蓋、生物量信息等，是研究植被變化的有效指標[12]。分析植被覆蓋變化常采用長時間序列的NDVI數(shù)據(jù)[13]。

近年來，許多學者在植被NPP、NDVI 對氣候變化的響應方面開展了大量研究。朱瑩瑩等[14]研究發(fā)現(xiàn)，植被NPP 對氣溫和降水量的響應具有空間差異；楊紅飛等[2]認為，新疆草地NPP 受氣候因素的影響，草地植被總體呈北高南低的趨勢；隨著氣溫和降水量的增加，草地NPP 呈現(xiàn)增加趨勢[15?16]；有些區(qū)域隨著氣溫的增加，草地NPP 呈現(xiàn)下降趨勢[17?18]。Li等[19]發(fā)現(xiàn)，1982—2013年中亞地區(qū)天然植被NDVI 呈上升趨勢；王桂鋼等[20]指出，新疆植被NDVI 具有明顯的空間差異，總體呈增加趨勢；李秀花等[21]研究表明，新疆植被NDVI 主要受降水量的影響；在全球干旱區(qū)，降水量是影響植被變化的主要氣候因子，與植被變化呈正相關；氣溫與植被變化呈負相關，且隨干旱程度的增加，氣溫對植被變化的促進作用逐漸減弱[22?23]。

在全球氣候變暖背景下，研究新疆草地NPP、NDVI 對主要氣候因子的響應以及未來新疆草地NPP、NDVI 的時空變化趨勢具有重要意義。本研究采用1985—2015 年逐年NPP 數(shù)據(jù)和1998—2015年逐年NDVI數(shù)據(jù)，分析新疆草地NPP、NDVI時空變化特征，進一步研究新疆草地NPP、NDVI與氣溫、降水之間的相關性，揭示影響新疆草地的主要氣候限制因子，為將來研究氣候變化對新疆草地的利用及管理提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處新疆維吾爾自治區(qū)（34°22′—49°33′N，73°32′—96°21′E）（圖1），總面積為166萬 hm2。新疆獨特的地理環(huán)境特征為“三山夾兩盆”，其中三山包括北部的阿爾泰山脈、南部的昆侖山脈和中部的天山山脈；兩盆包括準噶爾盆地和塔里木盆地。由于地貌復雜多樣，新疆草地主要包括草原、草甸和荒漠草地3種類型[24]。新疆屬于典型的溫帶大陸干旱性氣候，年均溫北疆為4～8 ℃，南疆為10～13 ℃；年日照時數(shù)2 550～3 500 h；年降水量北疆為100～200 mm，南疆為20～100 mm；無霜期180～220 d；年蒸發(fā)量北疆為1 500～2 300 mm，南疆為2 100～3 400 mm。新疆草地面積5 700萬 hm2，主要分布在山區(qū)和盆地邊緣及各河沿岸，可利用面積4 800萬 hm2，占我國草地面積的14.5%，位居我國第三位。新疆草地受氣候和地形的影響，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[2,25]。新疆最基本的天然草地利用方式是四季轉場放牧，北疆為夏牧場、春秋牧場和冬牧場；南疆為夏秋牧場和冬春牧場[26]。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源及處理 數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）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90 m，DEM 數(shù)據(jù)集是基于最新的SRTM（shuttle radar topography mission）數(shù)據(jù)經(jīng)整理拼接生成，利用新疆行政區(qū)劃圖掩膜提取出新疆地區(qū)DEM 的柵格圖像。研究區(qū)基于審圖號GS（2019）3333號地圖制作（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn）。

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km，2015 年土地利用數(shù)據(jù)是基于Landsat 8 遙感影像，通過人工目視解譯生成。在ArcGIS的Spatial Analyst模塊下，對2015 年土地利用數(shù)據(jù)進行條件函數(shù)，選取高、中、低覆蓋度草地，最終得到新疆草地范圍。

NPP 產品數(shù)據(jù)來源于全球陸表特征參量（global land surface satellite，GLASS）產品（http://www.glass.umd.edu/Download.html），空間分辨率為0.05°（約5 km），將柵格數(shù)據(jù)重采樣至1 km，利用新疆草地范圍逐年掩膜提取出新疆地區(qū)1985—2015年NPP的柵格圖像。

NDVI 產品數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km。NDVI 數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的SPOT/vegetation NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，在月數(shù)據(jù)基礎上采用最大值合成法生成。利用新疆草地范圍逐年掩膜提取出新疆地區(qū)1998—2015年NDVI的柵格圖像。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km，氣溫和降水量數(shù)據(jù)是基于全國2 400多個氣象站點日觀測數(shù)據(jù)，通過整理、計算，并使用Anusplin插值方法進行空間插值處理生成，該插值方法將海拔等協(xié)變量引入模型，精度更高。利用新疆行政區(qū)劃圖逐年掩膜提取出新疆地區(qū)1985—2015 年逐年年均溫度和降水量的柵格圖像。

1.2.2趨勢分析 以NDVI 為例，進行一元線性回歸分析，即年際變化率，計算公式如下。

式中，n為18（1998—2015年共18年），i為第i年，NDVIi為第i年的NDVI 均值。θslope為變化趨勢率，當θslope>0 時，說明變化趨勢為增加趨勢；當θslope<0時，說明變化趨勢為下降趨勢[27]。

1.2.3相關性分析 通常采用Pearson 相關分析法來測定2個要素之間相關程度，2個要素之間的相關系數(shù)r的計算公式如下。

式中，rxy為x與y變量之間的相關系數(shù)，xi和yi分別為第i年的NPP 或NDVI、氣象要素（年均溫、年降水量）值，xˉ和yˉ分別為2個變量的平均值。rxy的取值范圍為[-1，1]；rxy正（負）值的大小為該要素在n年內變化趨勢[28]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用ArcGIS 10.2軟件對新疆草地NPP、NDVI和氣象數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS 26.0軟件對新疆草地NPP、NDVI、氣溫及降水量的年際變化進行分析，并利用Origin 2018軟件繪制新疆草地NPP、NDVI、氣溫及降水量年際波動圖。

2 結果與分析

2.1 年均氣溫、年均降水量空間分布及時空變化

從空間分布來看，總體呈現(xiàn)盆地年均氣溫高于山區(qū)，而山區(qū)年均降水量多于盆地（圖2A 和B）。研究區(qū)1985—2015 年的年均氣溫總體呈波動上升趨勢（圖2C），31年間平均氣溫為5.9 ℃，其中年均氣溫最高值出現(xiàn)在2007 年，為6.9 ℃；最低值出現(xiàn)在2015 年，為4.2 ℃；極差2.7 ℃，波動幅度較大，從線性擬合結果來看年均氣溫上升率為0.021 ℃·a-1。

圖2 1985—2015年新疆年均氣溫、年均降水量空間分布及時空變化Fig. 2 Spatial distribution and spatial variation of mean annual temperature and annual precipitation in Xinjiang from 1985 to 2015

1985—2015年的年均降水量總體呈波動上升趨勢（圖2D）。31年間平均降水量為218.7 mm，其中年均降水量最高值出現(xiàn)在2007 年（311.7 mm）；最低值出現(xiàn)在2015年（133.1 mm）；極差178.6 mm，波動幅度較大，從線性擬合結果來看年均降水量上升率為0.592 mm·a-1。

對研究期間氣溫和降水量的變化率進行分析發(fā)現(xiàn)，81.3%的區(qū)域年均氣溫變化率呈上升趨勢，18.7%呈下降趨勢（圖2E）；年均降水量呈上升趨勢的區(qū)域占研究區(qū)的69.2%，呈下降趨勢的占30.8%（圖2F）。

2.2 新疆草地NPP、NDVI空間分布

由圖3 可知，新疆草地NPP 的空間分布呈北高南低的趨勢，全疆草地NPP 較高的區(qū)域主要分布在伊犁河谷、阿爾泰山山區(qū)等草地植被長勢較好的區(qū)域。NPP 均值普遍高于200 gC·m-2·a-1，甚至部分區(qū)域NPP 均值達500 gC·m-2·a-1。北疆自西向東NPP 均值逐漸降低；南疆除部分平原地帶外，大部分區(qū)域的NPP 均值低于100 gC·m-2·a-1。新疆伊犁河谷、阿爾泰山山區(qū)植被覆蓋最佳，NDVI 均值高達0.8 左右；全疆NDVI 均值呈西北向東南逐漸降低的趨勢，南疆塔里木盆地植被覆蓋極低，NDVI均值在0.2左右。

圖3 新疆草地NPP、NDVI均值空間分布Fig. 3 Spatial distribution of mean NPP and NDVI of Xinjiang grassland

2.3 新疆草地NPP、NDVI時空變化

從時間變化來看，新疆草地1985—2015 年間NPP 均值為80～140 gC·m-2·a-1，呈波動上升趨勢（圖4A）。31年間NPP均值為117.381 8 gC·m-2·a-1，極差為50.994 9 gC·m-2·a-1，波動較大，其中最大值為138.003 1 gC·m-2·a-1，出現(xiàn)在2013年；最小值為87.008 2 gC·m-2·a-1，出現(xiàn)在1989年。從空間變化來看（圖4B），新疆草地NPP 變化率在-7.039～19.435 gC·m-2·a-1，其中大于0 gC·m-2·a-1的區(qū)域占新疆草地面積的77.3%，小于0 gC·m-2·a-1的區(qū)域占22.7%。

圖4 新疆草地NPP、NDVI的時空變化Fig. 4 Temporal and spatial variation of NPP and NDVI of Xinjiang grassland

進一步分析了1998—2015 年間新疆草地NDVI時空變化，從時間變化來看（圖4C），新疆草地1998—2015 年NDVI 為0.27～0.34，呈波動上升趨勢，平均為0.296 4，極差為0.066 5，其中2010 年出現(xiàn)最大值（0.338 3），2001 年出現(xiàn)最小值（0.271 8）；從空間變化來看（圖4D），新疆草地NDVI 變化率為-0.032～0.054，其中NDVI 增加的區(qū)域占58.7%，NDVI減少的區(qū)域占41.3%。

2.4 草地與氣候因子的相關分析

2.4.1草地NPP 與氣候因子的相關分析 研究期間，草地NPP 與氣溫和降水量的相關性存在明顯的空間差異（圖5）。新疆草地NPP 與氣溫的相關系數(shù)為-0.83～0.82。草地NPP 與氣溫呈正相關的區(qū)域面積占新疆草地面積的70.7%；位于天山以南、準噶爾盆地邊緣地區(qū)及塔里木盆地邊緣地區(qū)的草地NPP 與氣溫呈負相關，面積占比為29.3%。新疆草地NPP 與降水量的相關系數(shù)在-0.64～0.83，其中草地NPP 與降水量呈正相關的草地面積占新疆草地面積的72.8%；草地NPP 與降水量呈負相關的草地面積占新疆草地面積的27.2%，主要分布在南疆地區(qū)。綜上所述，草地NPP與降水量呈正相關的草地面積大于與氣溫呈正相關的草地面積，且草地NPP 與降水量的相關系數(shù)高于與氣溫的相關系數(shù)。

圖5 1985—2015年新疆草地NPP與氣溫、降水量相關性的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of correlation between NPP and temperature and precipitation in Xinjiang grassland from 1985 to 2015

2.4.2草地NDVI 與氣候因子的相關分析 從空間上來看，研究期間草地NDVI 與氣溫和降水量的相關性存在明顯的空間差異（圖6）。新疆草地NDVI與氣溫的相關系數(shù)為-0.94～0.89，其中呈正相關的區(qū)域面積占新疆草地面積的54.6%；位于天山部分山區(qū)、阿爾泰山部分山區(qū)及昆侖山部分山區(qū)的草地NDVI 與氣溫呈負相關，面積占比為45.4%。新疆草地NDVI 與降水量的相關系數(shù)在-0.93～0.97（圖6），其中呈正相關的草地面積占新疆草地面積的79.2%；位于天山中部、阿爾泰山部分山區(qū)的草地NDVI 與降水量呈負相關，面積占20.8%。新疆草地NDVI 與降水量呈正相關的草地面積大于與氣溫呈正相關的草地面積，且與降水量的相關系數(shù)高于與氣溫的相關系數(shù)。

圖6 1998—2015年新疆草地NDVI與氣溫、降水量的相關性空間分布Fig. 6 Spatial distribution of correlation between NDVI and temperature and precipitation in Xinjiang grassland from 1998 to 2015

3 討論

本研究表明，1985—2015 年新疆草地NPP 均值總體呈上升趨勢，這與劉衛(wèi)國等[29]和姜萍等[30]的研究結果一致。地形地貌引起的水熱差異是影響新疆草地NPP、NDVI 的主要因素[31?32]。楊紅飛等[2]發(fā)現(xiàn)，新疆草地NPP 呈北高南低的趨勢，主要受區(qū)域水熱條件的影響。新疆北部伊犁河谷、阿爾泰山山區(qū)等區(qū)域由于特殊的地貌使得北大西洋和北冰洋的濕潤氣流進入，成為新疆草地NPP 的高值區(qū)；而天山山脈阻隔了濕潤氣流繼續(xù)南下，導致新疆南部氣溫高，降水量少，造成新疆草地NPP的低值區(qū)主要分布在準噶爾盆地和塔里木盆地附近草地等生態(tài)敏感脆弱區(qū)，進而形成新疆草地NPP呈北高南低的空間分布。氣溫和降水量是影響草地NPP 的2 個重要氣候因子[33]。研究表明，新疆的氣溫和降水量總體呈增加趨勢[34?35]，與本研究結果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆草地NPP 與氣溫和降水量呈極顯著正相關（P<0.01），草地NPP與降水量呈正相關的面積占新疆草地面積的72.8%，與氣溫呈正相關的面積占70.7%，且與降水量的相關性高于氣溫，與賈瓔等[36]和陳宸等[37]研究結果一致。干旱是草地NPP 的限制因子，降水量的增加能有效地減少水分喪失，降低蒸散量，進而提高植被有機物的積累[30]。但在海拔較高的山區(qū)，降水量較為充沛，限制因子轉換為氣溫，相同海拔但溫度較高的山區(qū)更有利于植被的生長[38]。

自1982 年起，新疆草地年均NDVI 呈增加趨勢[25,39]，草地植被覆蓋度呈顯著上升趨勢[40]。本研究也表明，1998—2015年新疆草地NDVI均值總體呈上升趨勢，這與Chen等[41]、何航等[42]、張晉霞等[43]的研究結果一致。鄧興耀等[44]認為，草地NDVI變化與氣溫和降水量關系密切，影響植被覆蓋的主要因子是降水量，氣溫也顯著影響草地植被生長。本研究發(fā)現(xiàn)，北疆NVDI 均值總體高于南疆，可能是由于北疆具有獨特的氣候條件和豐富的降雨量；新疆草地NDVI 與氣溫呈負相關，但未達到顯著水平，與降水量呈極顯著正相關（P<0.01），草地NDVI 與降水量呈正相關的面積占新疆草地面積的79.2%，與氣溫呈正相關的面積占54.6%，且與降水量的相關性高于氣溫，與李佳秀等[45]的研究結果一致。在準噶爾盆地和塔里木盆地邊緣區(qū)域，氣溫升高對植被表現(xiàn)出明顯的阻礙作用，與前人的研究結果一致[46]。氣溫升高，蒸散量增大，對本就缺乏水資源的新疆十分不利，氣溫超過植被生長的最適溫度會影響植被的正常生長。降水量對新疆山區(qū)的植被覆蓋具有十分明顯的促進作用，全疆降水量總體呈增加趨勢，豐富的水資源為植被的生長提供了有利條件，進而提高了這些區(qū)域的植被覆蓋度。