黑河中上游草地NDVI時空變化規律及其對氣候因子的響應分析

周偉，王倩，章超斌，李建龍＊

（1.南京大學生命科學學院，江蘇 南京210093；2.甘肅民族師范學院歷史文化系，甘肅 合作747000）

球氣候變化與陸地生態系統是當前全球變化研究的重要內容，氣候變化對陸地生態系統的影響及其反饋一直是其中的研究焦點之一［1］。植被是陸地生態系統的主體［2］，也是連接大氣、土壤和水分等自然要素的“紐帶”［3］。植被作為環境變化重要的指示標志，植被指數的變化能夠揭示環境的演化、變遷，植被指數遙感數據具有覆蓋范圍大，周期短的優點，可為大面積植被動態監測提供技術支撐。歸一化植被指數（NDVI，normalized difference vegetation index）是表征地表植被覆蓋和對光合有效輻射吸收能力的一個較好指標［4］，被廣泛用于生物量、葉面積指數和植被生產力格局的估算和草地動態監測［5］。草地作為我國生態系統最大的天然屏障［6，7］，具有防風固沙、調節氣候、保持水土和促進生態平衡的重要作用［8］。

NDVI在高植被覆蓋地區存在過飽和現象，而對植被稀疏地區的植被變化尤其敏感。NDVI在草地植被研究方面被廣泛應用，Piao等［9］分析了草地植被NDVI動態變化以及對氣候變化響應。王新欣等［10］利用MODIS NDVI對天山北坡中段草地進行生物量估測，建立了生物量動態估測模型。衛亞星等［11］利用 MODIS NDVI數據對青海省的草場進行分級，分析了其草地狀況；毛飛等［12］利用美國國家海洋和大氣局的高級甚高分辨率輻射儀獲得的 NDVI（NOAA／AVHRR NDVI，national oceanic atmospheric administer／advanced very high resolution radiometer NDVI）數據對藏北那曲地區草地植被進行了分類。戴聲佩等［13］利用SPOT NDVI分析了祁連山地區草地植被的時空變化趨勢。齊述華等［14］利用NOAA／AVHRR數據分析了青藏高原中東部植被長勢對氣候因子的響應，表明氣候因子是影響植被覆蓋的一個重要因子。辜智慧等［15］利用NOAA／AVHRR數據分析了錫林郭勒草原植被覆蓋變化以及對氣候因子的響應。王軍邦等［16］利用MODIS NDVI對內蒙古中部植被進行動態監測，并且發現降水量引起的NDVI波動變化大于氣溫。

黑河中上游位于祁連山北坡和河西走廊中段，處于氣候變化的敏感區和生態環境脆弱區［17］，是研究陸地生態系統對氣候變化響應機制的理想場所。草地是該流域的重要植被類型，近年來隨著氣候變化以及人類活動的影響，黑河流域草地覆蓋發生明顯變化，因此黑河流域草地植被變化與氣候因子的關系研究，將有助于理解流域植被變化對氣候變化的響應特征，對分析草地生態系統在氣候變暖背景下的變化趨勢具有重要的理論意義。目前關于黑河流域草地植被覆蓋變化的研究較少；并且在分析植被NDVI與氣候因子間的相關性時，多采用氣象站點上的植被NDVI和氣象因子的點狀數據進行分析，分析結果不能綜合反映面狀植被覆蓋變化對氣候變化的響應特征。鑒于此，本研究利用由SPOT－4搭載的Vegetation傳感器獲取的SPOT－Vegetation NDVI數據分析了黑河中上游草地植被NDVI時空變化特征，并采用每種草地類型的NDVI和氣候因子的平均值進行相關性分析，進一步探討影響牧草生長的關鍵氣候因子，以期為該區域應對氣候變化以及草地資源的保護和管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黑河流域是我國西北干旱區第二大內陸河流域（38°～42°N，98°～101°E），面積約13×104km2。研究區域位于黑河上中游的祁連山地和河西走廊中段（圖1）。黑河上中游地區自然條件復雜，水熱條件差異大，具有典型大陸性氣候特征，由于受東南季風影響的強弱、水熱條件的再分配以及復雜多樣的地形變化等多因素的綜合作用，發育了多種多樣的地貌、土壤類型和植被類型，草地類型呈現明顯的垂直地帶性分異［18，19］。黑河中上游的天然草地分布于海拔1 300～4 100m的祁連山區和祁連山與龍首山、合黎山之間的山前傾斜平原，草地占研究區總面積的73%，從低海拔到高海拔依次分布著沼澤草地、低濕地草甸、干荒漠草地、山地荒漠草地，草原化荒漠草地、荒漠化草原、山地草原、山地草甸草原、山地草甸、高寒草原、高寒草甸［20］。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源與處理

本研究所采用的數據為1999－2007年的SPOT VGT－NDVI數據集，來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環境與生態科學數據中心”（http：／／westdc.westgis.ac.cn），該數據是通過對SPOT源數據進行大氣校正、輻射校正、幾何校正和拉伸后生成10d最大化合成NDVI數據，其空間分辨率為1km。土地覆蓋數據來源于GLC2000項目開發的基于SPOT－4遙感數據的全球土地覆蓋數據中國子集，在ArcGIS 9.3軟件中利用公式：NDVI＝DN×0.004－0.1將DN值轉換為標準NDVI值，然后利用黑河中上游矢量邊界進行剪裁，得到黑河中上游NDVI數據。

氣象數據由國家氣象信息中心資料室提供，包括7個氣象站點1999－2007年逐月平均氣溫、降水量、相對濕度和日照時數。在ArcGIS 9.3中使用反距離權重（inverse distance weighted，IDW）方法進行插值，得到研究區氣象柵格數據。NDVI和氣象數據均投影為Albers投影。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI數據處理 采用ArcGIS空間分析技術和數理統計方法，對研究區草地植被NDVI數據進行統計和分析。采用國際上慣用的最大值合成MVC（maximum value composites）法對每月10d合成NDVI進行處理，即圖像中每一個像元值用該月最大NDVI值代替，該處理可以減少大氣的云、顆粒、陰影、視角以及太陽高度角的影響［21］。使用常用的累積平均法和均值法合成草地年累積NDVI值，NDVI年均值，生長期的NDVI年均值和月均值。

1.3.2 NDVI變化趨勢線分析 趨勢線分析法能模擬每個柵格的變化趨勢［22］，反映不同時期植被覆蓋變化趨勢的空間特征，本研究采用趨勢線分析模擬1999－2007年黑河中上游草地NDVI變化趨勢，計算公式如下：

式中，n為監測年數；NDVIj為第j年NDVI平均值；θslope為趨勢線的斜率，其中θslope＞0，說明NDVI在n年間的變化趨勢是增加的，反之則是減少。根據θslope的變化范圍［13，23］，定義顯著減少（θslope＜－0.006），輕度減少（－0.006＜θslope＜－0.001），基本不變（－0.001＜θslope＜0.001），輕度增加（0.001＜θslope＜0.006）和顯著增加（θslope＞0.006）5個變化區間，并統計每個變化區間的面積及其面積百分比。

1.3.3 草地NDVI的空間變化量分析 本研究使用影像差異法分析草地植被NDVI空間變化量［24］。影像差異是將2個不同時相的影像在完全配準情況下，從一個影像中將另一個影像的信息提取出來。它通常用于提取多時相圖像中隨時間而變化的信息，常用于動態監測。研究中將2007年與1999年的2期NDVI影像相減，將結果像元值大于0的記作增加，表示1999－2007年黑河流域草地植被NDVI增加，反之為減少。

1.3.4 草地NDVI與氣候因子的相關性分析 根據GLC2000全球土地覆蓋數據中的中國子集，并結合甘肅省草地資源［18，25］調查資料，將研究區草地分為4類，荒漠草地（GLC2000中的類型11－荒漠草地）、平原草地（GLC2000中的類型10－平原草地）、高寒草甸草地（GLC2000中的類型8－高山亞高山草甸和類型22－高山亞高山草地）、典型草原（GLC2000中的類型12－草甸）。研究區氣象站點分布不均勻并且每個站點附近的草地類型不唯一，為了避免以氣象站點的氣候因子和NDVI的相關性系數代替面狀草地類型的NDVI與氣候因子相關性，本研究根據研究區氣象因子的插值數據和NDVI數據，提取不同草地類型多年月平均氣溫、降水量、相對濕度、日照時數和月平均NDVI數據，分別計算NDVI與各氣候因子間的相關性。5－9月黑河流域氣候雨熱同期，處于植被生長季，因此本研究選擇了草地生長期5－9月的NDVI數據分析植被NDVI與各氣候因子間的相關性。相關性系數公式如下：

式中，xi是5－9月第i月的植被NDVI，－x是5－9月NDVI的平均值；yi是5－9月第i月的氣候因子值，－y是5－9月氣候因子的平均值。并對相關系數進行顯著性檢驗。

1.3.5 數據統計分析 草地NDVI的時間變化特征、空間分布格局、草地NDVI變化趨勢系數等數據統計分析均在ArcGIS 9.3中完成，通過SPSS 16.0進行草地NDVI與氣候因子的相關性分析和顯著性檢驗，數據分析和圖表制作在Excel中完成。

2 結果與分析

2.1 黑河中上游草地植被NDVI空間分布特征分析

黑河中上游草地植被NDVI空間分布具有明顯的地區差異性（圖2和3），整體呈現東南部多，西北部少的格局。位于黑河上游及其支流的托來山、走廊南山、冷龍嶺和張掖市是典型草原覆蓋區域，草地覆蓋高，其中祁連縣、肅南縣東南部和張掖市南部地區植被的年累計NDVI值較高，介于4～5。位于托勒南山北坡和走廊南山兩側的高寒草甸草原覆蓋區域以及酒泉和張掖市南部的典型草原覆蓋區，NDVI值次之，介于3～4。從高寒草甸草原向荒漠草原過渡的區域草地植被NDVI介于2～3。祁連縣和肅南縣西北部以及張掖市北部的荒漠草地NDVI較低，為1～2。位于高臺縣南部荒漠的草地NDVI值最低，小于1。

圖2 黑河中上游草地類型分布Fig.2 Grassland types distribution in the middle and upper reaches of Hei River

圖3 1999－2007年黑河中上游草地植被年累計NDVI空間分布The distribution of cumulative NDVI from 1999to 2007in the middle and upper reaches of Hei River

2.2 黑河中上游草地植被NDVI變化時間特征分析

2.2.1 NDVI年際變化特征 通過計算得到1999－2007年4種不同草地類型和全部草地植被年均NDVI和生長季（5－9月）年均NDVI值（圖4）。年均值NDVI和生長季的平均NDVI變化趨勢基本一致，都呈現波動上升趨勢，這與程瑛等［26］的研究結論一致，由于祁連山中西段和黑河流域處于氣候從暖干向暖濕轉型的顯著轉型區［27］，降水量和融雪量增加，草地覆蓋度增加。典型草原植被NDVI最高，平原草地次之，高寒草甸草地的NDVI較低，荒漠草地最低，全部草地植被NDVI值介于平原草地和高寒草甸草地之間。年均NDVI最高值出現在2007年，達到0.241，最低值出現在2001年，為0.202，生長季NDVI最高值在2007年，達到0.381，最低值在2001年，為0.301。

圖4 黑河中上游不同草地植被NDVI年際變化Fig.4 Interannual changes of NDVI for different grassland types in the middle and upper reaches of Hei River

2.2.2 NDVI年內變化特征 黑河中上游全部草地、典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地的NDVI年內月均變化曲線均呈單峰型（圖5），年最大NDVI值均出現在7月份，分別為0.430，0.569，0.503，0.352，0.182。5－9月是牧草生長季，NDVI變化明顯，草地NDVI從5月份開始增加，6月份增加迅速，7月份達到最大值，8月份NDVI開始下降，10月份牧草基本停止生長，每年的1－4月和11－12月份草地NDVI變化不大。這主要受氣候特征的影響，黑河中上游地區5－9月雨熱同期，并且在7－8月份達到最佳，牧草生長茂盛，從11月到翌年2月牧草處于枯黃期，植被覆蓋較低，3－4月草地處于返青期，植被生長緩慢，NDVI值也較低。其中荒漠草地NDVI的變化幅度明顯低于其他草地類型。

2.3 黑河中上游草地植被NDVI變化的空間特征分析

圖5 黑河中上游不同草地植被NDVI年內變化特征Fig.5 The monthly changes of NDVI in different grassland types

2.3.1 黑河中上游草地植被NDVI變化空間分布特征 利用趨勢分析方法模擬了研究區草地植被NDVI隨時間的變化趨勢，并且趨勢系數大于0.001時，植被NDVI在1999－2007間處于增加趨勢，當趨勢系數小于－0.001時植被覆蓋度降低（表1，圖6）。黑河中上游草地植被NDVI總體呈增加趨勢，草地覆蓋趨于改善，并且存在明顯的地區差異性。71.53%的天然草地植被NDVI增加，NDVI增加的面積為28 418km2，NDVI增加的區域主要分布在托來山、走廊南山、冷龍嶺和張掖市、山丹縣南部海拔在1 800～4 100m的山前傾斜平原和河西走廊中段的天然草地地區。這些地區處于高山亞高山地區，受人類活動影響較小，且隨著全球氣候變暖，降水量和冰雪融水增多［28，29］，使得黑河流域草地植被覆蓋度增大。草地NDVI減少的區域主要分布在研究區托勒南山、走廊南山和冷龍嶺的荒漠草地向非草地過度區域，NDVI減少的面積為7 717km2，占黑河中上游草地總面積的19.43%。由于該地區受人類活動影響較大，過渡放牧等導致天然草地退化明顯［30］，草地覆蓋降低。1999－2007年只有9.04%的草地NDVI基本不變。

黑河中上游不同草地類型的NDVI變化存在明顯差異，典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地植被NDVI增加的面積分別為14 778，515，8 095和5 300km2，分別占黑河中上游總草地面積的36.52%，1.30%，20.37%，13.34%。典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地植被 NDVI分別減少3 143，22，3 664，887 km2，分別占研究區總草地面積的7.92%，0.06%，9.22%，2.23%。其中典型草原植被NDVI增加最明顯，高寒草甸草地增加面積次之，平原草地最低。

表1 1999－2007年黑河中上游草地植被NDVI變化統計Table 1 The statistics of grassland NDVI change in the middle and upper reaches of Hei River

2.3.2 黑河中上游草地植被NDVI空間變化量 通過2007年和1999年2期年均NDVI值進行影像差異分析，從中提取得到1999－2007年研究區域草地NDVI變化量分布（圖7）。NDVI變化的分布特征與NDVI多年變化趨勢分布格局基本相同。NDVI增加量最大的區域分布于河西走廊的山丹軍馬場、張掖市東部和高臺縣西南部的典型草原；典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的最大增加量分別為0.187，0.273，0.186，0.211。NDVI減少量最多的地區分布在托勒南山、走廊南山和托萊山和冷龍嶺的高寒草甸草地和荒漠草原向非草地過度區域，典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的最大減少量分別為0.105，0.127，0.094，0.067。

2.4 黑河中上游草地植被NDVI與氣候因子關系分析

影響牧草生長的氣候因子很多，本研究選擇了月平均氣溫、月平均降水量、相對濕度和日照時數。分析4種草地類型1999－2007年牧草主要生長期（5－9月）月平均NDVI與上述4個氣候因子的相關性（表2）。研究區草地植被NDVI與月平均氣溫、月平均降水量、相對濕度的相關性系數分別為0.942（P＜0.01），0.922（P＜0.05），0.762，其中與平均氣溫呈極顯著正相關關系，并且NDVI與氣溫的相關系數大于降水量，這與郭鈮等［31］研究結論一致。由于黑河流域處于西北內陸干旱區，降水量較少，對海拔較高的區域氣溫較低將不利于植被的生長；而近年來隨著西北地區氣候向暖濕轉型［29］，氣溫升高、降水量增加使植被生長加速，NDVI增大。草地NDVI與日照時數呈負相關關系（r＝－0.291），因為研究區日照充足，當日照條件得到基本滿足情況下，多余的日照反而對牧草生長不利，這是由于日照越多，蒸散越大，最終導致NDVI下降［32］。

圖6 1999－2007年黑河中上游草地NDVI變化趨勢空間分布Fig.6 Spatial distribution of NDVI changes trend from 1999to 2007

圖7 1999－2007年黑河中上游草地植被NDVI變化量atial distribution of NDVI variation from 1999to 2007in the middle and upper reaches of Hei River

典型草原NDVI與月平均氣溫、月平均降水量、相對濕度的相關性系數分別為0.907（P＜0.05），0.936（P＜0.05），0.761；與日照時數相關系數為－0.308；牧草生長受降水量和氣溫的影響較大。

平原草地NDVI與月平均氣溫、月平均降水量、相對濕度的相關性系數分別為0.980，0.902，0.764，與平均氣溫的相關性最高，通過0.01顯著性水平檢驗；與日照時數相關性為－0.256。

高寒草甸草地NDVI與月平均氣溫呈顯著性正相關關系（r＝0.934，P＜0.05），與降水量和相對濕度相關系數分別為0.833，0.504，與日照時數相關性為－0.062。說明在海拔高降水較豐富的高寒草甸草地，氣溫升高有利于植被生長，草地NDVI增大。相對濕度對草地NDVI影響不大。

荒漠草地NDVI與月平均氣溫、月平均降水量、相對濕度的相關性系數分別為0.862，0.931（P＜0.05），0.82，與日照時數為－0.389。由于荒漠草地降水量較低，牧草生長容易受到干旱脅迫，因此水分是限制荒漠草地植被生長的主要因子。

表2 黑河中上游草地植被NDVI與氣候因子的相關性Table 2 Correlation between grassland vegetation NDVI and climate factors in the middle and upper reaches of Hei River

3 討論與結論

植被被認為是綜合反映生態環境變化的敏感指示器。有研究表明近20年來中國植被活動在增強［33］。黑河流域處于生態環境脆弱區和氣候變化的敏感區，是研究植被響應氣候變化的理想區域。草地作為黑河中上游的主要植被類型，在1999－2007近10年間，其草地植被覆蓋變化顯著，不同草地植被的年均NDVI和生長期NDVI均呈增加趨勢，2007年NDVI值最高，2001年最低。分析其動態變化的原因，可能存在兩方面因素：一是近年來隨著祁連山自然保護區的成立，一系列生態保護政策的實施，如封山育林、退耕還林還草工程等，促使了該區域植被覆蓋的增加；另一方面，受西風環流的影響，該研究區降水量呈現出明顯增加趨勢［34］。本研究表明，不同草地類型的NDVI年內變化呈單峰曲線型，5月份開始增大，7月份達到最高值，10月份牧草開始枯黃，從11月到翌年4月份草地NDVI值較低且基本不變，NDVI年內變化特征與馬明國等［23］和程瑛等［26］結論一致，這種變化特征主要受該地區氣候條件以及牧草自身生長特性等因素的影響。

黑河中上游草地植被NDVI空間分布呈現明顯的地區差異性，整體呈現東南部的典型草原和高寒草甸草地較高，西北部荒漠草地較低的格局。1999－2007年草地植被NDVI整體呈增加趨勢，71.53%的天然草地植被覆蓋在增加，增加的區域主要分布在托來山、走廊南山、冷龍嶺和張掖市、山丹縣南部海拔1 800～4 100m的山前傾斜平原和河西走廊中段的典型草原和高寒草甸草地；這些地區處于高山亞高山地區，受人類活動影響較小，且隨著全球氣候變化，該區域氣候由暖干向暖濕轉型［27］，降水量和冰雪融水增多［13，26］。典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的NDVI最大增加量分別為0.187，0.273，0.186，0.211。減少的區域主要分布在研究區托勒南山、走廊南山和冷龍嶺的荒漠草地向非草地過渡區域，由于該地區受人類活動影響較大，天然草地退化明顯，草地覆蓋降低［30］。減少面積占黑河中上游草地總面積的19.43%；該區域典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的 NDVI最大減少量分別為0.105，0.127，0.094，0.067。

氣溫、降水、日照和空氣濕度與植物的生長密切相關。本研究中，黑河中上游牧草生長受氣溫和降水量的影響較為明顯，并且表現為NDVI與氣溫的相關系數大于降水，該結論與郭鈮等［31］和毛飛［32］的研究一致，說明熱量充足，水資源充沛的條件有利于牧草生長；相對濕度對草地覆蓋度的影響較小，日照時數與NDVI呈負相關性，說明日照時數越長，光照越多，植被蒸騰和土壤水分蒸發量就越大，從而導致空氣相對濕度下降，結果不利于土壤保墑和牧草生長［32］。對于不同草地類型，其牧草生長的限制因子不同。其中高寒草甸草地NDVI與氣溫的相關系數大于降水，由于高寒草甸地區降水量相對豐富，對植被生長而言，熱量條件較降水更為重要［31］。而對于荒漠草地，由于其熱量相對充足，水分則成為牧草生長的最主要限制因子。致謝：感謝國家自然科學基金委員會中國西部環境與生態科學數據中心提供SPOT VGT－NDVI數據集；同時感謝中國氣象局氣象信息中心資料室提供的氣象數據。

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