基于日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的新疆植被生產(chǎn)力時(shí)空變化特征及其氣候驅(qū)動(dòng)因素分析

中圖分類號(hào)：Q948.112 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.07.027

文章編號(hào)：1674-7909（2025）7-132-6

0 引言

在全球氣候變化背景下，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和碳循環(huán)功能受到嚴(yán)重影響。作為評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)健康和全球碳匯的關(guān)鍵指標(biāo)，植被生產(chǎn)力的研究?jī)r(jià)值日益凸顯。植被生產(chǎn)力可分為總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）和凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP），前者指植物通過(guò)光合作用吸收 制造的有機(jī)物，后者則是扣除植物自養(yǎng)呼吸消耗后的剩余部分[1-2]。新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱新疆）位于中國(guó)西北干旱半干旱區(qū)，具有獨(dú)特的生態(tài)與植被風(fēng)貌，對(duì)全球氣候變化研究具有重要意義。然而，由于該區(qū)域NPP估算精度不足和氣候要素復(fù)雜多變，新疆植被生產(chǎn)力的現(xiàn)狀及演變規(guī)律尚不清晰，NPP與氣候因子的關(guān)系也錯(cuò)綜復(fù)雜。

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）遙感技術(shù)為植被生產(chǎn)力研究提供了新途徑。SIF與光合作用緊密相關(guān)，能夠靈敏反映植物光合動(dòng)態(tài)和生產(chǎn)力變化，尤其在常綠植被和季節(jié)性雪蓋區(qū)等特殊環(huán)境中具有顯著優(yōu)勢(shì)。研究表明，SIF數(shù)據(jù)與GPP在不同植被類型中均表現(xiàn)出高度相關(guān)性，為植被生產(chǎn)力的精準(zhǔn)評(píng)估提供了可靠依據(jù)[3-6]

目前，關(guān)于新疆植被年際變化與氣候關(guān)系的研究多集中于整體或單一植被類型，缺乏對(duì)不同植被類型與氣候響應(yīng)滯后效應(yīng)的深入探討。姜萍等研究表明，傳統(tǒng)植被指數(shù)（NDVI）雖能反映潛在光合作用能力，但對(duì)實(shí)際光合效率的變化捕捉不夠及時(shí)。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)和SIF提取算法的發(fā)展，全球SIF產(chǎn)品的獲取為監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)和估算GPP提供了新途徑[8]。然而，冠層尺度上SIF數(shù)據(jù)與GPP的關(guān)系受多種因素影響，其時(shí)間尺度上的變化機(jī)制仍不明確。

該研究基于SIF數(shù)據(jù)重構(gòu)了新疆植被生產(chǎn)力的評(píng)估體系，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，分析了2001一2020年新疆SIF數(shù)據(jù)的時(shí)空變化特征，量化了降水、溫度及凈輻射對(duì)SIF數(shù)據(jù)波動(dòng)的貢獻(xiàn)度，揭示了新疆植被生產(chǎn)力對(duì)氣候因子的響應(yīng)機(jī)制[]。該研究不僅深化了對(duì)新疆植被動(dòng)態(tài)格局的認(rèn)識(shí)，還為生態(tài)保護(hù)策略的制定提供了科學(xué)依據(jù)，并為類似環(huán)境條件下的植被生產(chǎn)力研究提供了方法學(xué)參考。SIF數(shù)據(jù)能夠直觀地反映植物光合作用的變化，為全球碳匯功能評(píng)估和生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)提供了重要支持，助力應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)植被的潛在威脅。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于歐亞大陸腹地，是中國(guó)西北邊疆面積最大的省級(jí)行政區(qū)，總面積約166萬(wàn) 。新疆地貌呈現(xiàn)“三山夾兩盆”的獨(dú)特格局：北部為阿爾泰山，中部是天山山脈，南部為昆侖山，三大山系將新疆分割為準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地兩大干旱區(qū)域[0]新疆地勢(shì)北高南低，復(fù)雜的地形與氣候條件共同塑造了其生態(tài)特征。新疆屬溫帶大陸性干旱氣候，年均降水量約 1 5 0 m m ，集中于山區(qū)和綠洲，盆地內(nèi)部降水極少，呈極端干旱沙漠氣候特征。新疆冬季寒冷，夏季干熱，晝夜溫差大，日照充足，年均日照時(shí)數(shù)超 2 5 0 0 h ，部分地區(qū)年均日照時(shí)數(shù)在 以上，為全國(guó)日照資源最豐富的地區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 植被生產(chǎn)力數(shù)據(jù)

該研究采用日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）遙感數(shù)據(jù)表征植被生產(chǎn)力，數(shù)據(jù)來(lái)源于CHEN等[開(kāi)發(fā)的重建TROPOMISIF（RTSIF）數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)2001—2020年的RTSIF數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度時(shí)空重建，空間分辨率為 ，時(shí)間分辨率為 。RTSIF在模型訓(xùn)練和測(cè)試中表現(xiàn)出較高準(zhǔn)確性，決定系數(shù) 為0.907，回歸斜率為1.001。通過(guò)與地面觀測(cè)塔SIF數(shù)據(jù)及GOME-2、OCO-2等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證，RTSIF數(shù)據(jù)與GPP顯著相關(guān)，為植被生產(chǎn)力的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和碳通量評(píng)估提供了可靠支持。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

為探究氣候?qū)χ脖簧a(chǎn)力的影響，該研究選取氣溫、降水和太陽(yáng)輻射為主要研究因子。氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于青藏高原數(shù)據(jù)中心，基于CRU發(fā)布的全球 分辨率氣候數(shù)據(jù)集，并通過(guò)與全國(guó)496個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，確保了高精度和可靠性。降水?dāng)?shù)據(jù)3基于CMIP6全球氣候模式數(shù)據(jù)集，結(jié)合WorldClim高分辨率數(shù)據(jù)，采用Delta空間降尺度方案生成，提升了空間分辨率和區(qū)域適用性。太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)來(lái)源于地球資源數(shù)據(jù)云平臺(tái)，基于氣象站日均值，制作生成了2000—2022年全國(guó) 1 k m 分辨率地表太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)集，為研究太陽(yáng)輻射對(duì)植被生產(chǎn)力的影響提供了重要支持。

1.3 研究方法

該研究聚焦于2001—2020年新疆植被生產(chǎn)力（以SIF數(shù)據(jù)表征）及其關(guān)鍵氣候驅(qū)動(dòng)因子（溫度、降水及太陽(yáng)輻射）的時(shí)空演變特征。通過(guò)整合Sen斜率估計(jì)與Mann-Kendall檢驗(yàn)方法[14]，系統(tǒng)解析了研究區(qū)SIF數(shù)據(jù)及氣候要素的變化趨勢(shì)、顯著性水平及其空間分異規(guī)律。通過(guò)Pearson相關(guān)系數(shù)法[15]計(jì)算SIF數(shù)據(jù)與各個(gè)氣候因子的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果越接近 ± 1 則表示相關(guān)性越強(qiáng)。鑒于氣候因子間存在復(fù)雜的相互作用，研究采用偏相關(guān)分析法，通過(guò)控制其他2個(gè)氣候變量的影響，分別探討了溫度、降水及太陽(yáng)輻射與SIF的獨(dú)立相關(guān)性[16]。計(jì)算方法見(jiàn)式（1）。

式（1）中， 是變量 x 和 y 在控制變量 z 后的偏相關(guān)系數(shù)， 分別是變量 x 和 和 z ， y 和 z 之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。

為了進(jìn)一步量化評(píng)估各個(gè)氣候因子對(duì)SIF變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率，該研究進(jìn)一步分析了溫度、降水和太陽(yáng)輻射對(duì)SIF變化的影響，并量化了其各自的貢獻(xiàn)。計(jì)算方法見(jiàn)式（2）至式（4）。

式（2）至式（4）中， T ， P 和 R 分別代表溫度、降水和太陽(yáng)輻射對(duì)SIF變化的貢獻(xiàn)程度， 是溫度與SIF的偏相關(guān)系數(shù)， 是降水與SIF的偏相關(guān)系數(shù)， 是太陽(yáng)輻射與SIF的偏相關(guān)系數(shù)。

2分析結(jié)果

2.1 SIF植被時(shí)空變化特征

新疆區(qū)域遼闊，地形復(fù)雜、氣候條件嚴(yán)苛，SIF多年平均變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)不顯著 （ Plt;0 . 1 ） 但波動(dòng)上升的趨勢(shì)，如圖1所示。具體而言，從2001一2020年，SIF從 上升至 n m ? s r. ，這一時(shí)期的多年平均值為 n m ? s r 。SIF在2012年達(dá)到了一個(gè)峰值，當(dāng)年的平均值為 。SIF年均增加的速度相對(duì)緩慢，為每年

新疆SIF空間分布不均勻，整體表現(xiàn)為中西部和西南部較高、東部較低，如圖2所示。低 S I F（ - 0 . 0 1 6 - 0.042）區(qū)域集中于哈密盆地北側(cè)，占比 6 8 . 1 % ，可能受干旱氣候和稀疏植被影響；中高SIF（0.086—0.144）區(qū)域分布在塔里木盆地外側(cè)、天山南支脈南側(cè)、昆侖山脈北側(cè)及部分盆地內(nèi)部，占比 2 4 . 8 5 % ，水熱條件適宜，植被生長(zhǎng)旺盛；高 區(qū)域主要位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣和塔里木盆地西北部，占比 5 . 3 1 % ，與灌溉農(nóng)業(yè)和天然綠洲相關(guān)；較高SIF（0.220—0.433）區(qū)域集中于伊犁河谷，得益于優(yōu)越的水熱條件和肥沃土壤，植被生產(chǎn)力顯著高于其他地區(qū)。這種分布格局受地理環(huán)境、氣候、土壤類型及人類活動(dòng)等多重因素影響，反映了新疆不同區(qū)域植被類型和生態(tài)系統(tǒng)的顯著差異。

新疆SIF變化呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異特征，植被生產(chǎn)力整體呈“北高南低”格局，如圖3所示。天山以北山區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)生產(chǎn)力較高，天山以南地區(qū)較低。西部地區(qū)SIF變化率較高，東部變化率較低且無(wú)明顯上升趨勢(shì)。伊犁河谷地區(qū)SIF下降率較高 ，呈不顯著減少趨勢(shì) （ P lt;0 . 1 ） ·東部地區(qū)SIF以下降為主，主要分布在塔里木盆地外緣、天山南支脈南側(cè)、昆侖山脈北側(cè)及部分盆地內(nèi)部。部分區(qū)域SIF變化率顯著增加 （ 0 . 0 0 3 5 2 ± 0.00006），其他區(qū)域總體穩(wěn)定。SIF增加區(qū)域占1 7 . 3 9 7 % ，高于減少區(qū)域的 4 1 . 7 % ，表明新疆植被生產(chǎn)力整體呈上升趨勢(shì)，與馬楠等基于NDVI研究的“變綠趨勢(shì)”一致，印證了區(qū)域內(nèi)植被生產(chǎn)力得到改善的結(jié)論。

2.2新疆植被生產(chǎn)力對(duì)于氣候變化的響應(yīng)

SIF是植被光合作用的關(guān)鍵指標(biāo)，與植被生產(chǎn)力密切相關(guān)，其強(qiáng)度受光合作用效率和葉綠素含量影響，可作為植被生產(chǎn)力的間接指標(biāo)。氣候因子（如溫度、降水和太陽(yáng)輻射）對(duì)SIF有顯著影響：光照強(qiáng)度直接影響葉綠素?zé)晒?，而溫度和降水通過(guò)植被生理過(guò)程間接影響SIF。

該研究定量分析了新疆SIF對(duì)氣候因子的響應(yīng)機(jī)制。降水對(duì)SIF的影響表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：伊犁河谷及準(zhǔn)噶爾盆地西北部外延呈負(fù)相關(guān)（占比28 % ）；吐魯番盆地、哈密盆地及天山以南大部分地區(qū)呈不顯著相關(guān)（占比 43 % ）；準(zhǔn)噶爾盆地兩側(cè)呈顯著正相關(guān)（占比 6 % ）。溫度對(duì)SIF的影響表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：伊犁河谷及昆侖山脈北側(cè)呈負(fù)相關(guān)（占比 31 % ）；吐魯番盆地、哈密盆地及天山以南大部分地區(qū)呈不顯著相關(guān)（占比 3 3 % ）；阿爾金山脈地區(qū)呈顯著正相關(guān)（占比 3 % ）。太陽(yáng)輻射對(duì)SIF的影響表現(xiàn)為以下方面：伊犁河谷及準(zhǔn)噶爾盆地帶、塔里木盆地內(nèi)部和昆侖山脈大部分呈負(fù)相關(guān)（占比48 % ；新疆東北部和天山以南部分地區(qū)呈顯著正相關(guān)（占比 28 % ）。

在新疆，降水是植被生產(chǎn)力的主要驅(qū)動(dòng)因子，植被對(duì)降水的響應(yīng)比對(duì)溫度的響應(yīng)更為敏感，且響應(yīng)速度更快。溫度對(duì)植被生產(chǎn)力的影響則因植被類型而異，溫度升高在一定程度上促進(jìn)了植被生產(chǎn)力的提升，但其影響通常滯后于降水。

為了進(jìn)一步量化氣候因子對(duì)于SIF變化的貢獻(xiàn)率，該研究基于偏相關(guān)相關(guān)系數(shù)分析的方法，分析新疆SIF對(duì)溫度、降水、太陽(yáng)輻射變化的響應(yīng)，并量化了3個(gè)氣候因子對(duì)SIF變化的貢獻(xiàn)度，結(jié)果如圖4所示。降水對(duì)于SIF變化的貢獻(xiàn)率在伊犁河谷及準(zhǔn)噶爾盆地帶貢獻(xiàn)率為 9 9 . 8 % （占比 6 % ）；溫度對(duì)于SIF變化在昆侖山脈的貢獻(xiàn)率為 9 7 . 8 % （占比 4 % ）；而太陽(yáng)輻射對(duì)SIF變化貢獻(xiàn)率為 8 7 . 5 % （占比 8 6 % ）。

該研究進(jìn)一步計(jì)算了主導(dǎo)SIF變化的因子，結(jié)果表現(xiàn)為溫度主導(dǎo)SIF區(qū)域占比 1 3 . 2 % 、降水主導(dǎo)SIF區(qū)域占比 1 0 . 1 % 、太陽(yáng)輻射主導(dǎo)SIF變化區(qū)域占比 7 6 . 5 % 。2001一2020年，新疆植被生產(chǎn)力變化主要由太陽(yáng)輻射引起，在南疆邊緣地區(qū)由溫度主導(dǎo)SIF變化，在研究區(qū)西北部由降水主導(dǎo)SIF變化。該研究采用定量分析方法[18]，系統(tǒng)解析了新疆植被生產(chǎn)力對(duì)氣候因子的響應(yīng)機(jī)制。氣候變暖通過(guò)不同途徑對(duì)生態(tài)系統(tǒng)植被生產(chǎn)力產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響：太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)顯著提升了植物的光合作用效率，從而增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力；降水和溫度的變化也在調(diào)控植被生產(chǎn)力的空間分布和動(dòng)態(tài)演變中扮演了關(guān)鍵角色。

3結(jié)論

2001—2020年，新疆地區(qū)SIF多年平均值為 ，在時(shí)空上都存在不顯著提高，進(jìn)一步驗(yàn)證了新疆生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)的結(jié)論。

2001—2020年，新疆地區(qū)SIF總體呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)，間接證明新疆地區(qū)變綠情況。環(huán)塔里木盆地和天山北支山脈地區(qū)SIF顯著增加，而伊犁河谷地區(qū)SIF不顯著降低，反映環(huán)塔里木盆地帶、天山北支山脈地區(qū)植被生長(zhǎng)情況好轉(zhuǎn)，而伊犁河谷地區(qū)則出現(xiàn)了植被退化情況。

新疆SIF變化與氣候因子有密切關(guān)系，其中太陽(yáng)輻射對(duì)SIF變化的影響最大。對(duì)于主導(dǎo)SIF變化，三者表現(xiàn)為溫度主導(dǎo)SIF區(qū)域占比 1 3 . 2 % 、降水主導(dǎo)SIF區(qū)域占比 10 . 1 % 、太陽(yáng)輻射主導(dǎo)SIF區(qū)域占比7 6 . 5 % ，太陽(yáng)輻射對(duì)新疆植被生產(chǎn)力變化起主導(dǎo)作用。

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Characterization of Spatial and Temporal Changes in Vegetation Productivity and its Climatic Drivers in Xinjiang Based on DaylightInduced Chlorophyll Fluorescence Technology

CHENQiZHUJie WANG Yiting FENG Qinghua

College of Resources and Environment，Yili Normal University，Yining 835ooo，China

Abstract：As an important ecological barrer and agricultural base，the vegetation productivity of Xinjiang is crucial to ecological balance and agricultural production.However，due to the insuficient accuracy of vegetation productivity estimationand the complexity and variability of climatic factors， the current status and evolution paterns of vegetation productivity in Xinjiang are still subject to large uncertainties.This study systematically reveals the spatial and temporal evolution characteristics of vegetation productivity in Xinjiang based on daylight-induced chlorophyllfluorescence （SIF） remote sensing data and climate data.The results showed that： ① the multi-year average value of SIF in Xinjiang was from 2001 to 2020，with a non-significant fluctuating upward trend; ② SIF increased significantly in the areas of the Circum-Tarim Basin and the northern branch of the Tianshan Mountains，with an improvement in the growth of vegetation，whereas SIF decreased slightly in the lli Valley area，indicating local vegetation degradation; ③ SIF changes were closely related to climate factors，with solar radiation contributing 7 6 . 5 % ，and temperature and precipitation accounting for 1 3 . 2 % and 1 0 . 1 % ，respectively. The study reveals the differentiated response of vegetation to climate change in Xinjiang，and provides a scientific basis for ecological protection and sustainable development.

Keywords：Xinjiang;vegetation productivity;SIF