塔克拉瑪干西部別里庫姆沙漠NDVI時空變化特征

來風兵, 張展赫, 陳蜀江, 陳孟禹

(1.陜西師范大學 旅游與環境學院, 西安 710119; 2.新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 3.蘇州科技學院, 江蘇省 蘇州 215009)

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塔克拉瑪干西部別里庫姆沙漠NDVI時空變化特征

來風兵1,2, 張展赫1, 陳蜀江1, 陳孟禹3

(1.陜西師范大學 旅游與環境學院, 西安 710119; 2.新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 3.蘇州科技學院, 江蘇省 蘇州 215009)

基于GIS技術和統計手段，利用GIMMS NDVI和MODIS NDVI數據集，并結合氣溫和降水0.5°×0.5°格網數據集，分析1981—2014年塔塔克拉瑪干西部別里庫姆沙漠NDVI時空變化特征。結果表明：(1) 研究區NDVI半月值呈下降趨勢，NDVI春冬季值整體為上升趨勢，NDVI夏秋季值整體為下降趨勢，NDVI年均值呈上升趨勢；(2) 1982—2014年NDVI值增加區域大于減少區域，整體上空間分布向南部移動，NDVI較大值主要在南坡和西坡；(3) 植被覆蓋度分布在0～0.004 3。

塔克拉瑪干; 別里庫姆;NDVI; 時空變化; 氣溫; 降水

塔克拉瑪干沙漠面積33.76萬km2，是世界上面積第二大的流動性沙漠。由于降水極少，沙漠中植被只能沿河生長，或呈斑塊狀零星發育于高水位的丘間低地[1]。沙漠腹地植被以胡楊、沙拐棗、檉柳、羅布麻等為主[2]。沙漠植被對穩定沙漠生態環境有重要意義。由于沙漠缺水干旱，流動性強，交通極為不便，植被調查研究存在諸多困難。

有關塔克拉瑪干沙漠植被的研究多集中在塔里木河流域，其次為沙漠腹地與和田河流域，包括沙漠腹地植物根系分形特征[3]及構型[2]、生態學性質[4]，塔里木河流域胡楊的光合作用[5]及其對高溫和CO2的反應[6]、地下水埋深對胡楊氣體交換和葉綠素熒光的影響[7-8]、胡楊的種群結構[9]及空間格局[10]，和田河流域胡楊林的生態服務價值[11]等。截止目前，尚未有學者對塔克拉瑪干西部別里庫姆沙漠植被整體覆蓋的時空變化特征進行研究。

對于植被覆蓋度較低的地區，歸一化植被指數NDVI是植物生長狀態和空間分布的客觀表達[12]。文章擬使用長序列遙感數據，結合3S技術和統計手段，初探塔克拉瑪干西部別里庫姆沙漠NDVI的時空變化特征，為塔克拉瑪干沙漠腹地植被的研究增添資料。

1　研究區概況

別里庫姆沙漠位于塔克拉瑪干西部，西昆侖山麓平原和麻扎塔格山之間，地理坐標37°22′23″—39°17′5″N，77°32′33″—80°50′42″E，屬暖溫帶極端干旱荒漠氣候，降水稀少，蒸發強烈，西北風為主，土壤為流動性風沙土，除其邊緣出現一些鯨魚脊狀的沙壟外，大片地區分布新月形沙鏈，沙丘高度在西北部達50 m，密度小，其余均在20 m以下。植被覆蓋度極低，小于5%，以斑塊狀零星發育。2013年10月沿和田河西側南北向、東西向兩條沙漠石油公路進行植被調查，沙漠植被主要為胡楊和紅柳，密集紅柳間隔為50～150 m，稀疏紅柳間隔為400～1 000 m，密集胡楊間隔為15～40 m，稀疏胡楊間隔為80～300 m，植被水分來源于地下水。沙漠東部分布喀拉喀什河與玉龍喀什河(依托和田河)，南部分布杜瓦河、桑株河、科什塔格河、康阿孜河、阿克硝河、提孜那甫河，西部分布葉爾羌河。稀樹沙堆主要為胡楊沙堆[13]，其次為灌叢沙堆，密集分布在丘間洼地和故河床兩側。

2　數據來源及處理

2.1數據來源

本研究所用影像數據包括1981年7月—2006年2月15 d GIMMS NDVI數據集，分辨率為8 km，共590期(http:∥westdc.westgis.ac.cn)；2000年2月—2014年12月16 d MODIS NDVI數據集，分辨率為250 m，共343期(http:∥www.nasa.gov)。氣象數據為1981年1月—2014年12月的中國地面氣溫和降水日值0.5°×0.5°格點數據集，共12 418期(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。其他數據包括1980年塔克拉瑪干沙漠1∶150萬風沙地貌圖、水庫分布、湖泊分布、河流分布等。和田縣志。

2015年4月，赴別里庫姆沙漠進行野外調研，沿沙漠石油公路，選取植被覆蓋較好區域，利用RTK測量空間坐標數據。

2.2數據處理

利用ARCGIS，ERDAS IMAGINE和ENVI等GIS和RS軟件對兩類數據源的NDVI數據集進行處理和制圖。通過SPSS軟件對溫度、降水進行統計，Origin軟件對氣溫和降水制圖。

2.2.1GIMMS NDVI及SPOT NDVI數據空間分辨率校正目前，應用長時間序列高分辨率NDVI數據集對低分辨率數據集進行分辨率校正，是較好的方法。將GIMMS NDVI數據集重采樣為250 m×250 m，對重采樣的GIMMS NDVI數據集和未進行時間分辨率校正的MODIS13Q1產品里的NDVI數據集，選擇2000—2006年較高重合時間段的NDVI數據集進行裁剪和像元匹配，以單個像元為單位對整個研究區建立歸一化模型。GIMMS NDVI與MODIS NDVI歸一化模型決定系數R2均在0.862 606以上(表1)，擬合程度高，其中2000年2月下半月歸一化模型擬合程度最好，R2達0.961 274。以2000年2月下半月歸一化模型作為方程式，以1981年7月—1999年12月GIMMS NDVI數據集作為自變量，代入方程式得1981年7月—1999年12月分辨率為250 m×250 m 的NDVI數據集，以此實現對GIMMS NDVI的空間分辨率校正。

表1　兩類數據源NDVI值歸一化模型

2.2.2MODIS13Q1產品時間分辨率校正將MODIS13Q1產品的16 d NDVI數據集當作該16 d內每天的NDVI日數據集，進而統計半月NDVI數據集，如MOD13Q1.A2014001.250 m_16_days_NDVI數據代表2014年1月1號至1月16號的NDVI值，MOD13Q1.A2014017.250 m_16_days_NDVI數據代表2014年1月17號至2月2號的NDVI值，現以前者表示2014年1月17號2月2號的NDVI日值數據，則2014年1月下半月，后者表示2014年1月17號2月2號的NDVI日值數據，則2014年1月下半月NDVI值由1月16號NDVI值與1月17號1月31號等15 d 的NDVI值之和，進而求平均值獲得。

2.2.3NDVI、氣溫、降水序列生成NDVI半月值獲取自1981年7月—1999年12月空間分辨率校正后的GIMMS NDVI數據、2000年1月—2014年12月的時間分辨率校正后的MODIS13Q1產品。NDVI半月值數據集有1981年7月—2014年12月等共804期數據；NDVI年均值、季節均值均采用求平均值法獲得，季節以春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—翌年2月)劃分，NDVI年均值數據集共有1982—2014年等共33期，NDVI春、夏、秋季節均值數據集各有1982—2014年等33期，NDVI冬季均值數據集有1981—2014年等34期。

在ArcGIS中編寫PYTHON腳本語言將氣溫(或降水)ASCⅡ數據集轉為柵格數據，疊加平均(半月值數據為15 d的日值氣溫(或降水)數據相加平均所得)獲得1981年7月—2014年12月半月氣溫(或降水)時間序列數據，共804期數據，采用克里格(Kriging)空間插值方法獲得氣溫和降水250 m×250 m格網數據集；氣溫(或降水)季節值和年值時間序列獲取方法同NDVI。

對所有NDVI、氣溫、降水的250 m×250 m的半月值格網數據進行像元匹配。

2.2.4NDVI空間分布描述(1) 水平空間分布：在ArcGIS里對不同時段的NDVI值空間分布制圖，采用直方圖均衡化法將其NDVI值顯示為不同深淺顏色，對比不同時期的NDVI圖發現水平空間分布變化。(2) 坡向分布：采用空間分辨率為90 m的STRM數字高程數據(來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，在ArcGIS中生成研究區坡向圖，同時將NDVI年均值數據重采樣為空間分辨率90 m×90 m，進而統計不同坡向上NDVI年平均值。坡向劃分為北(0°—22.5°)、東北(22.5°—67.5°)、東(67.5°—112.5°)、東南(112.5°—157.5°)、南(157.5°—202.5°)、西南(202.5°—247.5°)、西(247.5°—292.5°)、西北(292.5°—337.5°)、北(337.5°—360°)。(3) 變化率：NDVI變化率表示兩個不同時期的變化情況，以柵格為單元，計算公式見公式(1)：

(1)

式中：NDVIr——NDVI值變化率；NDVIi.h——i時期研究區柵格h的NDVI值；NDVIk,h——表示k時期研究區柵格h的NDVI值。

3　結果與分析

3.1NDVI時序變化

研究區1981—2014年NDVI半月值變化曲線為峰谷交替型，1—12月為下降趨勢，全年NDVI值變化范圍為0.021 5～0.025 5，沙漠腹地植被覆蓋度極低導致NDVI整體變化差異小。1月至4月NDVI值變化穩定，至5月略有下降，從6月下半月至11月上半月，NDVI值直線下降，下降速率基本不變，11月上半月出現全年最低值0.021 5，由11月下半月至12月NDVI值又直線上升，上升速率保持穩定(圖1A)。

NDVI春季值整體為上升趨勢，但2014年NDVI春季值相對1982年NDVI春季值有所減小，減小值為0.000 29，占1981年NDVI春季值的1.12%，除1985年、1995年和2005年以外，NDVI春季值整體變化幅度小，變化范圍為0.025 13～0.026 18，1985年、1995年和2005年出現明顯極低值，極低值逐漸升高，時間間隔為10 a，2007年之后NDVI春季值變化較之前穩定變化(圖1B)。NDVI夏季值整體為下降趨勢，2014年與1982年相比較NDVI夏季值減小0.001 59，占1982年NDVI夏季值的6.34%，NDVI值整體變化幅度較大，變化范圍在0.021 68～0.025 90，最低值和最高值分別對應1995年和1994年，整體來看谷值分別為1985年、1987年、1989年、1992年、1995年、1999年、2002年、2005年、2009年和2012年，基本表現為3 a周期，峰值分別為1982年、1986年、1988年、1991年、1994年、1998年、2001年、2004年、2008年和2011年，基本表現為3或4 a周期，且出峰值當年的下一年出現谷值(圖1C)。1982—2014年NDVI秋季值整體有微弱的下降，但下降趨勢不明顯，2014年秋季相對1981年秋季下降值為下降幅度為4.4%，NDVI值曲線波動變化明顯，1989年以前基本表現為峰谷值交替出現，間隔時間為1 a，1990—1994年依然表現為峰谷值交替變化，時間間隔為2 a，1995年以后時間間隔為4 a(圖1D)。1982—2014年NDVI冬季值整體呈現上升趨勢，但上升趨勢不明顯，2014年相對1982年上升值為0.001 3，上升幅度為5.56%，1984—1987年、1996—1999年、2008—2011年時間段為明顯直線上升，而在其余時間段NDVI值波動變化且變化無規律(圖1E)。1982—1984年，NDVI值表現為春季>夏季>冬季>秋季，1985年NDVI值表現為冬季>夏季>秋季>春季，1986年表現為春季>夏季>冬季>秋季，1987年表現為冬季>春季>夏季>秋季，1988—1994年NDVI值在不同季節之間無規律變化，1995—1998年NDVI值以春季最高，秋季最低，夏季和冬季基本保持一致，1999年NDVI值春冬兩季相同，其次為夏季，最小為秋季，整體來看NDVI季節值以秋季最低，春季最高，夏季和冬季保持一致，2000年NDVI值以春夏兩季最高，其次為冬季，2001—2014年NDVI值基本以春季最高，秋季最低，夏冬兩季交替變換。

NDVI值年際變化曲線波動上升，1995年最低，2012年最高，2013年相對1982年NDVI值上升0.006 8，上升幅度為28.28%，平均年變化為0.000 2。整體來看，32 a來NDVI年均值極小值出現在1985年、1995年、2006年、2008年和2014年，基本表現為10 a周期，1982—1999年NDVI值基本保持平穩變化，由2000—2005年，NDVI值陡然上升且年平均上升速率為34.05%，2005—2013年NDVI值基本保持平穩變化(圖1F)。

隨著氣候變暖，塔克拉瑪干沙漠和田河中游西側沙漠植被生長也隨之好轉，這是全球變暖正面影響。從年際尺度看，氣溫和降水均波動上升，加上沙漠內部交通極為不便[14]，人為因素對植被影響甚小，因此NDVI值主要受氣候影響。研究區沙漠植被的水分主要靠大氣降水和冰雪融水補給[1]。而天然降水僅對沙漠邊緣一年生草本植物有用，沙漠內部植被主要采用淺層地下水或濕沙層水分。因春旱現象嚴重，沙漠降水來臨之前處于完全裸露的狀態，研究區植被的萌發始于4月中旬[1]，NDVI由4月開始上升。4—5月為綠洲耕種期，水分主要供給農業用水，并產生農業回歸水，這部分回歸水由地表水轉為地下水，浸入沙漠，2～3個月后到達沙漠腹地，但干旱引起鹽分增大，加之6—8月為氣溫高峰期，蒸發強烈，植被得不到有效水分補給，但由于沙漠植被長時間在沙漠適應的耐旱性，NDVI值平穩變化。6月中旬，氣溫升高，加速積雪融化，洪水期到來，綠洲農業用水比重大幅減小，多余的水分直接浸入沙漠，9月到達沙漠腹地，而此時氣溫得到回降，蒸發減少，秋季大多數植物生長發育進入旺盛時期，枝繁葉茂[1]，NDVI從9月開始上升。8月洪水期結束，沙漠植被水分供給持續到10月中旬左右，因此11月份生長期結束，NDVI達到峰值，說明沙漠植被較綠洲有延后性。

圖1　NDVI值半月、季節、年際變化曲線

3.2NDVI空間變化

依據NDVI值年際變化特征，將1982—2014年等33 a分為1982—1987年(1985年除外)、1988—1992年、1993—1999年(1995年、1996年除外)、2003—2010年(2006年、2008年和2009年除外)等4個5 a時間段，研究NDVI年均值空間分布和變化。

3.2.1水平空間分布NDVI年均值空間分布無顯著變化，1982—1987年NDVI年均值較大值區域集中研究區中部、中南部和東北部，在西南部邊緣也有零星分布。1988—1992年，NDVI年均值集較大值集中分布研究區下半部和東北部。1993—1999年NDVI年均值較大值分布在研究區東部邊緣，少量分布于東北部。2003—2010年之間NDVI年均值較大值分布在研究區中南部邊緣，少量分布在東北部。除研究區東北部靠中一小塊區域穩定外，NDVI值較大值由北向南、自兩邊向中間移動。研究區中部和南部殘留和田河故河道，故河道兩側因地下水位較淺，水分較充足，植被也較密集。

和田河下游在歷史上左右擺動，在喀拉喀什河以西60～80 km處留下老河道，地下水位較沙漠腹地淺，植被水分補給足，兩側生長胡楊，NDVI值較其他區域大。

3.2.2坡向分布統計結果表明(表2)，不同坡向分布的NDVI值變化差異性小，時期2(1988—1992年)相對時期1(1982—1987年)大部分坡向的NDVI值為上升趨勢，僅有北坡為下降趨勢，變化差異較大的坡向為北(0°—22.5°)、東、西南、西，變化率較大的坡向為東和西。時期3(1993—1999年)相對時期2(1988—1992年)的NDVI值增加坡向與減小坡向各占一半，NDVI變化值較大的坡向為北(0°—22.5°)和東，西向NDVI值變化最大，為-0.006，變化率較大的為北、東和西。時期4(2003—2010年)相對時期3(1993—1999年)的NDVI值僅在南向為下降，其他所有坡向均為上升趨勢，NDVI變化值較大的坡向為東南、西、西北和北(337.5°—360°)，NDVI值變化率較大的坡向為東南、西、西北和北(337.5°—360°)。時期4(2003—2010年)相對時期1(1982—1987年)的NDVI值僅在南向為下降，其余坡向均為上升趨勢，NDVI變化值較大的坡向為東南、西、西北和北(337.5°—360°)，NDVI值變化率較大的坡向為東南、西、西北和北(337.5°—360°)。

圖2表明，時期1(1982—1987年)的NDVI多年均值在坡向分布上表現為M型，整體由北(0°—22.5°)—北(337.5°—360°)為上升趨勢，僅在南坡出現低谷值。時期2(1988—1992年)和時期4(2003—2010年)的NDVI多年均值在不同坡向的分布特征相似，均表現為穩定變化，在北(0°—22.5°)—東南向上兩段時期的NDVI值變化趨勢相反，而在南—北(337.5°—360°)向上兩段時期的NDVI多年均值變化趨勢相同。時期3(1993—1999年)和時期2(1988—1992年)的NDVI多年均值在不同坡向上變化趨勢一致，在西向上的NDVI值極低。北向(0°—22.5°)上，NDVI多年均值為時期4>1=3>2，東北—東向上NDVI多年均值為時期4>2>1=3>，東南向NDVI多年均值表現為時期4>3>2>1，南向NDVI多年均值則為時期3>2>1>4>，西南向NDVI多年均值為時期4>2=3>1，西向NDVI多年均值表現為時期4>2>1>3，西北和北(337.5°—360°)向NDVI多年均值為時期4>3>2>1。

表2　不同坡向的NDVI值統計

3.2.3變化率統計結果表(表3)，以時期2(1988—1992年)、時期3(1993—1999年)、時期4(2003—2010年)的NDVI多年均值柵格數據分別與時期1(1982—1987年)、時期2(1988—1992年)、時期3(1993—1999年)的NDVI年均值柵格數據先做差，后除以后者對應柵格數據，得三組NDVI值變化率。統計結果表明(表3)，時期1相對時期2的NDVI多年均值減少區域比重大，時期3相對時期2的NDVI多年均值基本全為增加，時期4相對時期3的NDVI多年均值增加區域比重大。總體來看，時期4相對時期1的NDVI多年均值增加的區域面積占研究區的59.59%，減少區域為40.41%。

3.3植被覆蓋度反演

結合野外調研數據,選取2014年4月上半月MODIS NDVI數據對研究區植被覆蓋進行遙感反演。結果表明,研究區整個區域植被覆蓋度分布不均勻，分布范圍在0～0.004 3之間，植被極度稀疏。植被覆蓋度較高區域集中在研究區中部、中下部及中部偏東部分，此區域處于舊河道邊緣，地下水位較淺，植被密集。覆蓋度由中部向兩邊逐漸遞減。

圖2　不同時期、不同坡向的NDVI多年均值

年份變化率/%>2010～200～10增加合計變化率/%-10～0-20～-10<-20減少合計時期1—時期20.172.5716.4719.2166.5514.070.1780.79時期3—時期210.8546.9538.3196.103.730.000.173.90時期4—時期30.000.345.756.0988.165.750.0093.91時期4—時期14.257.5547.8059.5939.151.260.0040.41

4　結 論

(1) 研究區NDVI半月值呈下降趨勢，NDVI春季值整體為上升趨勢，NDVI夏季值整體為下降趨勢，NDVI秋季值整體有微弱的下降，NDVI冬季值整體呈現上升趨勢，NDVI年均值呈上升趨勢。

(2) 1982—2014年NDVI年均值空間分布整體上向南部移動，NDVI較大值主要在南坡和西坡。33 a來，研究區NDVI值增加區域大于減少區域。

(3) 研究區植被覆蓋度主要分布范圍在0～0.004 3，植被極度稀疏。

綜上所述，塔里木盆地西部沙漠內部植被十分稀少，但卻是阻擋風沙侵蝕、保護綠洲經濟社會發展的生態屏障，可以防止綠洲過渡帶縮減、河流退化，對維護綠洲生態安全意義重大。文章通過分析塔克拉瑪干沙漠和田河中游西側的NDVI時空變化及其對氣候因子的響應特征，建議減少上游綠洲的地表水截留，控制和田河地下水過度開采，以保持沙漠地下水生態水位的高度，保證塔里木盆地西部沙漠植被的生態用水需求。

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Research on the Spatiotemporal Change in NDVI of Birkum Desert in the West of the Taklimakan Desert

LAI Fengbing1,2, ZHANG Zhanhe1, CHEN Shujiang1, CHEN Mengyu3

(1.College of Tourism and Environment Science, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, China;2.CollegeofGeographyandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China;3.CollegeofScienceandTechnology,SuzhouUniversity,Suzhou,Jiangsu215009,China)

The spatiotemporal change of NDVI and its response to the variations of temperature and precipitation in the west of midstream of Hotan River in the Taklimakan Desert during the period from 1981 to 2014 were analyzed using the GIMMS NDVI and MODIS13Q1 time series data. The results reveal that: (1) half month′s NDVI decreased from 1 to 12, NDVI in spring and winter rose overall, but it presented the downward trend overall in summer and autumn, annual NDVI rose during the past 32 years; (2) from 1982 to 2014, the spatial distribution of annual NDVI moved to the south. greater NDVI mainly distributed in the southern slope and the western slope, for recent 33 years, increase regional area of NDVI was greater than the decrease in the study area; (3) vegetation coverage ranged from 0 to 0.004 3.

Taklimakan; Birkum Desert; NDVI; spatio-temporal response; temperature; precipitation

2015-04-21

2015-05-28

國家自然科學基金“基于NDVI時間效應的塔里木河流域胡楊林春尺蠖災害遙感動態監測研究”(31460167)

來風兵(1977—),男(回族),新疆烏魯木齊人,講師,博士,主要從事主要從事干旱區資源與環境演變研究。E-mail:laifengbing@163.com

張展赫(1989—),男,河北承德人,碩士研究生,主要從事干旱區資源與環境演變研究。E-mail:zhanhe_zhang928@163.com

Q948

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1005-3409(2016)02-0243-06