伊犁地區不同草地類型植被指數與氣候因子的關系

曹孟磊，肖繼東*，陳愛京，石玉，劉紀疆

（1.新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆烏魯木齊 830002；2.新疆生態環境遙感中心，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆興農網信息中心，新疆烏魯木齊 830002）

伊犁地區不同草地類型植被指數與氣候因子的關系

曹孟磊1，2，肖繼東1，2*，陳愛京1，2，石玉1，2，劉紀疆3

（1.新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆烏魯木齊 830002；2.新疆生態環境遙感中心，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆興農網信息中心，新疆烏魯木齊 830002）

基于2006—2012年主要生長季（5—9月）MODIS旬最大值合成NDVI數據，結合同期氣溫、降水插值柵格資料，采用均值法、線性回歸法、相關系數法分析了伊犁河谷地區七大不同草地類型NDVI的時空變化規律及其對氣象因子響應的敏感性及滯后性。結果表明：（1）伊犁河谷草地植被NDVI整體呈微弱增加趨勢，其中，溫性荒漠類草地的增加趨勢略高于其他幾種類型。（2）溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI主要受降水影響，即NDVI與生長季平均降水量呈極顯著正相關，且平均降水量每增加1 mm，其NDVI分別增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。（3）不同草地類型與氣溫、降水存在不同的滯后響應，多數草地類型5月氣溫、降水與7月NDVI表現出顯著相關性。其中，溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原NDVI受氣溫和降水共同影響，氣溫每升高1℃，NDVI分別減少0.020、0.028、0.027，降水每增加1 mm，NDVI分別增加0.002、0.003、0.003；高寒草原主要受降水影響，降水每增加1 mm，NDVI增加0.003；低平地草甸主要受氣溫影響，氣溫每升高1℃，NDVI減少0.016；溫性荒漠、沼澤與氣溫、降水沒有明顯相關性。不同草地類型對水熱因子的需求不同，是產生這種結果的主要原因。

草地植被變化；生長季NDVI；氣候因子；相關性；伊犁地區

植被是陸地生態系統的主體，受氣候變化影響明顯，其生長與變化也影響著我們的生存環境[1]。植被通過光合作用與大氣、土壤、水圈相互影響，是陸地生態系統中反映氣候變化的一個重要指標[2]。歸一化植被指數（NDVI）與植被覆蓋度、葉面積指數、生物量和生產力等性狀之間有著很好的關系，是植被和生態環境的有效指標，也被認為是植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子，且NDVI的變化也與氣候條件密切相關[3]。

草地作為我國陸地生態系統最大的天然屏障，近年來隨著全球氣候變化和人類活動干擾的增加，草地生態系統發生了明顯變化[4]。在我國，天然草地是最重要的可更新資源之一，不僅是畜牧業經濟發展的物質基礎，而且在區域生態平衡，孕育少數民族文化等方面起著重大的作用[5]。隨著科技的發展，遙感技術提供了大量連續的、多波段、多時相的地球表層信息，己成為獲取地表植被覆蓋變化信息最為經濟有效的手段。通過遙感手段獲取的歸一化植被指數（NDVI），其時間序列的變化反映著植被的生長和變化，因而被廣泛應用于大尺度植被活動狀況的研究[6]。除此之外，通過遙感數據與氣象數據的結合分析，能夠更好地研究植被變化對氣候因子的響應[7]。

近年來，國內外眾多學者對于植被覆蓋變化與氣候的反饋作用進行了深入研究，如Nezlin N等應用NDVI和降水資料分析了咸海地區近20年季時間尺度上的相應特征[8]，Bajgiran P等應用NOAAAVHRR數據的NDVI和降水資料的相關分析來評估伊朗西北地區干旱狀況[9]。徐浩杰研究了黃河源區2000—2011年植被生長季NDVI時空特征及其對氣候變化的響應[10]。對伊犁地區的研究主要集中在伊犁河流域氣候資源特點及其時空分布規律[11]，伊犁河流域草地類型特征及其生態服務價值[12]等，但對其不同草地類型與氣候因子相關性的研究相對較少。

本文以伊犁河谷地區不同草地類型為研究重點，利用2006—2012年主要生長季（5—9月）MODIS衛星資料，采用最大值合成法（Maximum Value Composites）計算出旬、月、年NDVI產品，結合同期氣溫、降水數據，分析了伊犁河谷地區七大不同草地類型NDVI的時空變化規律及其對氣象因子響應的敏感性及滯后性，找出氣候變化對草地生長的影響機制和關鍵影響因子，以期為未來氣候變化下的草地生態系統動態變化研究及草地資源保護提供重要理論依據。

1 研究區概況

伊犁河谷地處歐亞大陸中心（80°09′～84°56′E，42°14′～44°53′N），位于新疆天山西部[13]，整個區域地形復雜，地勢東高西低、東窄西寬，東、南、北三面高山環繞，由于其“山谷—盆地—河谷平原”的獨特地形地貌，可以大量接受陸地西風帶來的濕潤水汽[14]。全區主要為溫帶大陸性氣候和高山氣候，年降水量為200～800 mm，年均氣溫為2.9～9.1℃[15]。草地是伊犁河谷的主導生態系統，本文主要研究的草地類型有七大類，其中，溫性草甸草原占伊犁地區總面積的4.48%，溫性草原占10.83%，溫性荒漠草原占4.07%，高寒草原占10.11%，溫性荒漠占7.84%，低平地草甸4.43%，沼澤占0.33%。

圖1 伊犁地區草地類型分布圖

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

NDVI數據主要來自新疆生態環境遙感中心提供的MODIS影像計算合成的NDVI旬產品，空間分辨率為1 km。為了盡可能地消除云、霧、水汽等對NDVI數值的影響，選用最大值合成法。先以每10 d為一旬進行最大值合成，再以每三旬的NDVI影像，做每月的最大值合成，以此為對應月份的NDVI數據[16]。由于草地生長季多集中于5—9月，因此遙感數據的時間跨度為2006—2012年5—9月。氣象資料主要來自于國家氣象中心和新疆氣象信息中心。此外，還包括伊犁地區草地類型分布圖、行政區劃圖、數字高程圖。

通過氣象站點獲取的數據是有限、局部、離散的空間點數據，為了獲取區域尺度上的數據，需利用空間內插和外推的方法獲取氣象要素的空間分布。

本研究先將伊犁地區氣象站點地理信息導入Arcgis軟件中，根據各個站點提供的氣溫和降水數據，利用克里格法對伊犁地區進行氣象要素插值化。利用經過矢量化的伊犁地區草地類型分布圖，根據草地屬性分別提取7大類草地類型。結合Arcgis軟件的空間分析，獲取各草地類型與NDVI影像分辨率一致的氣溫及降水柵格影像。最終，運用Arcgis軟件的柵格計算器，分別統計出各草地類型NDVI以及其對應的氣象要素數據[17]。

2.2研究方法

本文主要采用均值法、線性回歸法[18]、相關系數法[19]分析各草地類型NDVI變化特征，不同草地類型NDVI與各氣象因子之間的敏感性及滯后性。

在相關系數法中P值檢驗是用來評估所述變量相關系數計算結果的“顯著程度”。當P≤0.01時，表示兩者極顯著相關；當P≤0.05時，表示兩者顯著相關；當P>0.05時，則認為兩者相關性不顯著[20]。回歸方法中F檢驗是通過方差分析表輸出的，通過顯著性水平檢驗回歸方程的線性關系是否顯著。一般來說，顯著性水平在0.05以上，均有意義。T檢驗是針對回歸方程中單個變量的系數進行顯著性檢驗，當顯著性水平在0.05以上時，自變量應保留在回歸方程中，否則應排除。

3 結果與分析

3.1 不同草地類型NDVI年際變化特征

表1為伊犁地區不同草地類型NDVI年際變化表，可以看出，2006—2012年伊犁河谷地區草地生長季NDVI呈現出上升趨勢，但各草地類型NDVI的線性回歸方程均未通過顯著性檢驗，表明其增加趨勢并不顯著。

表1 伊犁地區不同草地類型NDVI年際變化

圖2為2006—2012年不同草地類型NDVI年際變化圖。可以看出，溫性草甸草原NDVI最大，其次為低平地草甸、溫性草原、沼澤，溫性荒漠草原與高寒草原比較接近，溫性荒漠最小。其中，溫性草甸草原、溫性草原、低平地草甸、沼澤的NDVI多年平均值大于各草地類型的多年均值，溫性草原、高寒草原的NDVI多年平均值接近于各草地類型的多年均值，溫性荒漠草原、溫性荒漠的NDVI多年均值小于各草地類型的多年均值。各草地類型的NDVI多年均值，最高值出現在2011年，達到了0.526，最低值出現在2008年，為0.424。

圖2 2006—2012年不同草地類型NDVI年際變化

3.2 不同草地類型的NDVI季節變化特征

圖3是不同草地類型2006—2012年5—9月的NDVI月變化曲線圖。可以看出，5—9月是草地生長季，各類草地類型NDVI變化明顯，均呈現出“倒U”型，但不同草地類型有不同的變化規律，溫性草甸草原、高寒草原、溫性荒漠、低平地草甸、沼澤的NDVI值均在7月達到最大，分別為0.645，0.564，0.344，0.609，0.604，溫性草原、溫性荒漠草原的NDVI值在6月就達到了最大值，分別為0.567，0.490，且溫性荒漠類草地NDVI的變化幅度明顯低于其他草地類型。

圖3 不同草地類型5—9月的NDVI

3.3 不同草地類型生長季平均氣溫、降水量年際變化特征

圖4、圖5分別為2006—2012年不同草地類型生長季平均氣溫、平均降水量的年際變化圖，可以看出，不同草地類型的平均氣溫、降水量年際變化趨勢基本一致。就平均氣溫而言，2008年各草地類型的平均氣溫均達到了最高，2009年最低，其余年份波動不大，總體排序為沼澤>溫性荒漠>低平地草甸>溫性荒漠草原>溫性草原>溫性草甸草原>高寒草原。就降水量而言，2007年各草地類型的降水量均達到了最多，2008年最少，其余年份波動不大，總體排序為高寒草原>溫性草甸草原>溫性草原>溫性荒漠草原>低平地草甸>溫性荒漠>沼澤。由此也可看出，2008年氣溫偏高，降水偏少，對各草地類型NDVI產生了明顯的影響，草地生長受到氣溫、降水共同作用，出現了歷史最低值。

圖4 2006—2012年不同草地類型生長季平均氣溫年際變化

圖5 2006—2012年不同草地類型生長季降水量年際變化

3.4 不同草地類型NDVI與氣溫、降水的相關系數

由表2、表3可知，除溫性荒漠草原外，其余草地類型的月平均NDVI與氣溫呈顯著正相關（P< 0.05）。月均氣溫每升高1℃，溫性草甸草原、溫性草原、高寒草原、溫性荒漠、低平地草甸、沼澤的NDVI分別增加0.015、0.010、0.041、0.006、0.022、0.020。月平均NDVI與降水量的相關系數，除了沼澤為負相關，其余草地類型均為正相關，月降水量每增加1 mm，溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性荒漠的NDVI分別增加0.003、0.004、0.004、0.001。低平地草甸、沼澤月均NDVI與降水量沒有明顯的相關性。

由表2、表4可知，溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、高寒草原年均NDVI與年降水量（5—9月）的相關系數均超過0.9（P<0.01）。年降水量每增加1 mm，溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI分別增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。各草地類型與氣溫呈負相關，且均未通過顯著性檢驗，表明各草地類型年均NDVI與年均氣溫有一定相關性，但氣溫不是主要影響因子。

由此可見，在月尺度上，溫性草甸草原、溫性草原在氣溫達到生長要求后，隨著降水的增加，加快了草場的生長發育速度；溫性荒漠草原分布在降水量較少的區域，因此降水成為限制其生長的主要氣象因素；高寒草原較其它草地類型海拔高，降水多，因此其生長對氣溫的依懶性較高；沼澤本身含水量豐富，因此其生長對氣溫的敏感性更強；溫性荒漠的植被覆蓋度較低，植被長勢始終維持在較低水平，因此對氣溫、降水均不敏感。而在年際尺度上，各草地類型NDVI主要受降水影響，與氣溫呈負相關，說明了在生長季時期，積溫達到其生長需求時，氣溫再升高，會抑制草地的生長，雨量增加，會促進草地的生長。

表2 不同草地類型NDVI與氣溫、降水的相關系數

表3 不同草地類型月平均NDVI與氣溫、降水的回歸方程

表4 不同草地類型年平均NDVI與降水的回歸方程

3.5 不同草地類型NDVI與氣溫、降水的滯后性分析

從表5可以看出，溫性草甸草原5月NDVI與當月降水，6月NDVI與5—6月平均降水量均顯著相關，當降水每增加1 mm時，各月NDVI都增加0.005。7月NDVI與5月氣溫、降水有顯著相關性，氣溫每升高1℃，NDVI減少0.020，降水每增加1 mm，NDVI增加0.002。7月NDVI雖然與5、6、7月氣溫、降水均值的相關性顯著，但其回歸方程中只有降水通過顯著性檢驗，3個月的平均降水量每增加1 mm，NDVI增加0.004。8月NDVI與5月的氣溫呈顯著負相關，相關系數為-0.734（P<0.05），9月NDVI與氣溫、降水均未通過顯著性檢驗。由此可見，溫性草甸草原7月草地長勢受5月氣溫、降水的共同影響。

表5 溫性草甸草原各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

從表6可以看出，溫性草原5月NDVI與當月溫度降水未表現出顯著相關性，6月的NDVI與5月、5—6月平均降水的相關系數分別為0.783（P< 0.05）、0.861（P<0.05）。5月降水與5、6月平均降水量每增加1 mm，NDVI分別增加0.004、0.006。7月NDVI表現出與溫性草甸草原相同的相關性，主要受5月平均氣溫、降水的影響，氣溫每升高1℃，NDVI減少0.028，降水量每增加1mm，NDVI增加0.003。此外，6月氣溫每升高1℃，7月NDVI則減少0.053。8月、9月的NDVI只與降水相關，5—8月平均降水量每增加1 mm，8月NDVI增加0.004；8月降水與5—9月平均降水量每增加1 mm，9月NDVI分別增加0.003、0.007。

表6 溫性草原各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

從表7可以看出，溫性荒漠草原5月NDVI與當月氣溫顯著相關，氣溫每升高1℃，NDVI減少0.040。7、9月NDVI與5月降水顯著相關，降水量每增加1 mm，NDVI都增加0.003。7月NDVI與5月氣溫的相關系數為-0.809（P<0.05），氣溫每升高1℃，NDVI減少0.027。在7、8、9月3個月中前1月降水量與后1月NDVI之間均表現出顯著相關性，上月的降水量每增加1 mm，下月的NDVI都增加0.003。這表明，溫性荒漠草原生長前期，受氣溫降水共同影響，且作用一直持續到鼎盛期，而當草地進入衰退期時，降水成為其主要影響因子。

表7 溫性荒漠草原各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

從表8可以看出，高寒草原7月NDVI與5月降水、5—7月平均氣溫顯著相關，其相關系數分別為0.923（P<0.01），-0.787（P<0.05）。5月降水每增加1 mm，7月NDVI增加0.003；5—7月平均氣溫每升高1℃，7月NDVI則減少0.018。8月NDVI與6月降水相關系數為0.849（P<0.05）；降水每增加1 mm，NDVI增加0.002。當5—9月平均降水量每增加1 mm時，9月NDVI增加0.006。

表8 高寒草原各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

從表9可以看出，溫性荒漠6月NDVI與5月氣溫顯著負相關，相關系數為-0.780（P<0.05），氣溫每升高1℃，NDVI減少0.035。9月NDVI與8月降水顯著相關，相關系數為0.842（P<0.05），當降水每增加1 mm，其NDVI增加0.003。其余各月同氣溫降水無顯著相關性。

表9 溫性荒漠各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

從表10可以看出，低平地草甸7月NDVI與5月氣溫相關系數為-0.784（P<0.05），氣溫每升高1℃，NDVI減少0.016。7月NDVI與當月、5—7月平均降水呈顯著正相關，降水量每增加1 mm，NDVI均增加0.002。同溫性荒漠一樣，其9月NDVI與8月降水的相關系數是0.892，降水量每增加1 mm，NDVI增加0.003。其余各月未表現出明顯相關性。

表10 低平地草甸各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

從表11可以看出，沼澤只有8月NDVI與6月降水表現出了相關，降水量每增加1 mm，NDVI減少0.002。其余各月未表現出明顯相關性。

表11 沼澤各月NDVI與不同氣溫、降水條件的回歸方程

以上分析表明，不同草地類型對氣溫和降水的響應存在不同的時滯性。主要是因為氣溫和降水對草地的控制，是通過提高土壤養分和水分的有效性，加速草地的生長[21]。溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、高寒草原在5月能夠達到其生長積溫要求，而氣溫越高反而增加土壤蒸發量，因此在7月對氣溫均表現出顯著負相關。5月降水量的多少，決定了草地根部吸水保有量的多少，進而影響到7月草地的長勢，所以7月對降水表現出顯著正相關。溫性荒漠本身植被稀疏，長勢較差，所以對氣溫降水均不敏感。而低平地與沼澤均未表現出明顯規律性。總之，多數草地類型7月NDVI受到5月的氣象因子影響大，8、9月草地逐步進入枯萎期，受氣象因子的影響不大。

4 結論

（1）2006—2012年間伊犁河谷草地植被整體呈微弱的增加趨勢，其中溫性荒漠類草地增加趨勢略高于其他幾種草地類型。本文研究的結論與相關文獻中的結論略有不同，分析其原因是本文研究時間跨度不同，在其他時間跨度上分析出結果多數是NDVI呈下降趨勢，而在本文的研究時間范圍內，可能由于只考慮草地植被生長期的情況，因此NDVI略有回升。

（2）近7 a來，各草地類型生長季的平均氣溫有升高趨勢，降水有微弱增加趨勢[22]。2008年，氣溫達到了最高，但降水量最少，這對草地植被的NDVI產生重要影響，不利于草地的生長，因此2008年的NDVI是最低值。

（3）溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI在年際尺度上與生長季降水顯著相關，降水量每增加1 mm，其NDVI分別增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。在月尺度上，溫性荒漠草原主要受降水影響，降水量每增加1 mm，其NDVI增加0.004；高寒草原、低平地草甸、沼澤主要受氣溫影響，氣溫每上升1℃，其NDVI分別增加0.041、0.022、0.020；溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠受氣溫和降水共同影響，氣溫每上升1℃，其NDVI分別增加0.015、0.010、0.006，降水量每增加1 mm，其NDVI分別增加0.003、0.004、0.001。

（4）不同草地類型與氣溫和降水存在不同的滯后反應，主要是各草地類型7月的NDVI與氣溫降水表現出較好相關性。溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原7月的NDVI主要受5月氣溫和降水共同的影響，當氣溫每升高1℃，其NDVI分別減少0.020、0.028、0.027，降水每增加1 mm，其NDVI分別增加0.002、0.003、0.003。高寒草原7月的NDVI主要受5月降水影響，降水每增加1 mm，NDVI增加0.003。低平地草甸7月的NDVI主要受5月氣溫影響，氣溫每升高1℃，NDVI減少0.016。而溫性荒漠、沼澤的7月NDVI與5月的氣溫和降水無明顯相關性。不同草地類型對水熱因子的需求不同，是產生這種結果的主要原因。

本文只分析了氣溫、降水2個氣候因子與草地植被變化的相關性，而未將其他氣候因子及人為因素納入研究內容，因此在以后的研究中還需對引起草地植被變化的影響因素進行更深層次的研究。

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Relationships Between Different Types of Grasslands Vegetation Index and Climatic Factors in the Yili Region

CAO Menglei1，2，XIAO Jidong1，2，CHEN Aijing1，2，SHI Yu1，2，LIU Jijiang3
（1.Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Ecological Environment Remote Sensing Center，Urumqi 830002，China；3.Information Centre of Xinjiang Xingnong Net，Urumqi 830002，China）

Based on averaging method and linear regression method,MODIS growing season maximum NDVI datasets from 2006 to 2012 were used to analyze vegetation dynamics of Yili area different grasslands.Integrated with the same period of temperature and precipitation raster datasets, correlation coefficients were computed to characterize different grasslands in meteorological factors sensitivity and hysteresis.The results showed that：（1）A slight addition occurred in Yili area grasslands from 2006 to 2012.The temperate deserts increased slightly higher than other types.（2）The NDVI of temperate meadow grasslands,temperate grasslands,temperate desert grasslands, alpine meadow,lowland meadow showed a significant correlation with precipitation in growing season,when the average precipitation increased 1 mm,each type NDVI increased repectively by 0.005,0.006,0.007，0.004，0.003.（3）The NDVI of temperate meadow grasslands,temperate grasslands,temperate desert grasslands in July showed greater sensitivity to the interaction of temperature and precipitation in May.Temperature rose 1 degrees，each type NDVI decreased repectively by 0.020，0.028，0.027；precipitation increased 1 mm，NDVI increased repectively by 0.002，0.003，0.003.The precipitation in May affected alpine meadow NDVI in July.Precipitation increased 1 mm,NDVI increased 0.003.The temperature in May affected lowland meadow NDVI in July.Temperature rose 1 degrees,NDVI decreased 0.003.Other grassland types showed no significant correlation with temperature and precipitation.The main reasons for the results were that different grasslands had different requirements for hydrothermal factors.

grasslands vegetation changes；growth season NDVI；climatic factors；correlation；Yili area

S812

：B

1002-0799（2016）06-0073-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.011

2016-05-05；

2016-05-23

2015年氣候變化專項“伊犁河谷地區草地植被變化對氣候變化的響應”（CCSF201534）。

曹孟磊（1988-），男，助理工程師，主要從事遙感、氣象災害以及GIS在氣象中的應用研究。E-mail：295610391@qq.com

肖繼東（1961-），男，正研級高級工程師，主要從事生態安全、環境災害、農情信息等領域的遙感動態監測與評價研究工作。E-mail：xjd_xj@126.com

曹孟磊，肖繼東，陳愛京，等.伊犁地區不同草地類型植被指數與氣候因子的關系[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（6）：73-80.