博斯騰湖流域歸一化植被指數(shù)變化及其對氣候變化的響應(yīng)

徐培軍， 徐麗萍， 位 宏， 李曉蕾

(1.新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000； 2.石河子大學(xué) 理學(xué)院， 新疆 石河子 832003)

1 研究背景

陸地生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存和發(fā)展的生命支持系統(tǒng)，作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，植被在調(diào)節(jié)陸地碳平衡和氣候方面有著舉足輕重的作用[1-2]。植被是全球變化的“指示器”，不僅具有分布廣、可再生的特點，同時也是生態(tài)安全的天然屏障[3-4]。因此，對植被的動態(tài)監(jiān)測一定程度上可以揭示氣候變化的趨勢。降水與溫度是氣候變化中最主要的兩個氣象因子，也是影響植被生長的主要驅(qū)動因子，二者的變化會直接影響植被的生長狀況，尤其在干旱半干旱地區(qū)，植被生長對氣候要素的年際變化極其敏感[5-6]。研究植被變化與氣候因子之間的關(guān)系可為應(yīng)對全球氣候變化提供重要的理論依據(jù)[7-10]。歸一化植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)是應(yīng)用最廣的表征植被覆蓋程度的參數(shù)，它可以較好地反映植被覆蓋、生長力以及生物量等情況[11-13]。

20世紀90年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)研究了區(qū)域植被覆蓋變化趨勢及其與氣候因子之間的關(guān)系。姜紅濤等[14]利用1km分辨率的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)研究了艾比湖流域NDVI變化及其與氣溫和降水的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)2000-2012年間艾比湖流域NDVI總體呈上升趨勢，降水對NDVI的影響高于溫度。王宇琛等[15]利用2001-2013年汾河流域MODIS-NDVI、地表溫度(LST)和降水等實測資料，分析了汾河流域NDVI的時空變化特征及其對氣候因子的響應(yīng)，結(jié)果表明近13年來汾河流域的植被覆蓋率有所提高；基于月尺度的NDVI與LST呈顯著正相關(guān)，降水量與NDVI的相關(guān)關(guān)系為拋物線型。HeYuhong等[16]通過分析加拿大生態(tài)區(qū)1985-2007年的AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加拿大生態(tài)區(qū)的NDVI指數(shù)呈上升趨勢，氣溫是NDVI變化的主要驅(qū)動因素。ChangChunte等[17]分析了臺灣地區(qū)植被與高程、降水和溫度的關(guān)系，結(jié)果表明在低海拔地區(qū)，植被覆蓋與降水呈正相關(guān)而與溫度呈負相關(guān)；在高海拔地區(qū)，植被覆蓋與降水和氣溫均呈正相關(guān)。

目前，關(guān)于植被NDVI對氣候變化響應(yīng)的研究較多，主要集中在全國和區(qū)域尺度上[18-19]，對中小流域的研究還比較少。為此，通過定量研究博斯騰湖流域NDVI變化趨勢及其與氣候因子的年際動態(tài)變化，在了解近10年博斯騰湖植被NDVI的變化趨勢和氣溫、降水的年際變化情況的基礎(chǔ)上對近10年博斯騰湖流域植被NDVI和氣溫、降水這2個氣候因子之間的關(guān)系進行分析。

2 研究區(qū)概況

博斯騰湖流域地處新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，地理位置位于41°25′～43°34′N，82°57′～88°18′E之間，流域面積約為4.33×104km2。該區(qū)域北側(cè)為天山中段，南側(cè)為霍拉山-庫魯克塔格低矮山地(圖1)。流域地處亞歐大陸中心，光照充足，空氣干燥，雨量稀少，蒸發(fā)量大。湖區(qū)多年平均降水量68.2mm，最大降水量105mm，年蒸發(fā)量為1 800～2 000mm，年平均氣溫 7.9℃，平均日照率達67%～68%，是典型的內(nèi)陸干旱氣候。

流域西北部為巴音布魯克草原，海拔在2 400～4 500m之間，氣候為高寒山區(qū)氣候，土地覆蓋以高寒草甸、高寒草原和高寒低地沼澤草甸為主。流域東南部為焉耆盆地，海拔在1 000～2 000m之間，氣候為溫帶大陸性干旱氣候，土地覆蓋以荒漠、農(nóng)田和水體為主。

3 研究數(shù)據(jù)與方法

3.1 研究數(shù)據(jù)

博斯騰湖流域的植被生長季始于4月下旬，結(jié)束于10月下旬[20]。基于此，本文采用的數(shù)據(jù)為2003-2012年每年4-10月的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250m，時間分辨率為16d；氣象數(shù)據(jù)為博斯騰湖流域及其周邊300km范圍內(nèi)的23個氣象站同期的月降水量和月平均溫度數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

利用MRT(MODISReprojectionTools)軟件對MODIS數(shù)據(jù)做投影轉(zhuǎn)換，然后進行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)值處理。運用ArcGIS軟件批量裁剪出博斯騰湖流域的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)。使用國際通用的最大值合成(MaximumValueComposites,MVC)法對NDVI數(shù)據(jù)進行合成，以消除一部分云、大氣以及太陽高度角的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性。并將16d的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進行月合成，公式為：

INDVIij=max(INDVIij1,INDVIij2)

(1)

式中： INDVIij表示第i (i=2003,2004,…,2012)年第j(j=4,5,…,10)月的月NDVI最大合成值； INDVIij1和INDVIij2表示第i年第j月上旬和下旬的NDVI值。

將月MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進行年合成，公式為：

YNDVIi=max(INDVIij)

(2)

式中： YNDVIi為第i(i=2003,2004,…，2012)年的NDVI最大合成值。一般認為，生長季節(jié)NDVI 小于0.1表示地表無植被覆蓋。本研究中，水體及NDVI值小于0.1的像元賦值為0。以此計算博斯騰湖流域4-10月的月平均NDVI值，以及2003-2012年流域各年的NDVI平均值。

根據(jù)流域內(nèi)的34個氣象站點數(shù)據(jù)，統(tǒng)計流域4-10月的月平均降水量及平均溫度。依據(jù)月平均氣象數(shù)據(jù)計算流域年平均溫度及年降水量，然后利用克里金法(Kriging)進行空間插值，最后裁剪出研究區(qū)平均溫度和年降水量空間分布圖，并重采樣為250m×250m,與NDVI數(shù)據(jù)分辨率保持一致。

3.3 研究方法

建立基于像元的一元線性回歸方程，模擬2004-2013年的各年最大合成NDVI值的變化趨勢，公式如下：

(3)

式中：S為趨勢斜率，S<0表示NDVI呈下降趨勢，S>0表示NDVI呈上升趨勢；i為2003-2012年序號(i=1,2,...,10)；NDVIi表示第i年的NDVI最大合成值。NDVI線性趨勢檢驗采用F檢驗，顯著性檢驗表示回歸方程置信程度的高低。F檢驗的公式為：

(4)

根據(jù)顯著性檢驗將NDVI變化趨勢分為5個等級：極顯著減少(S<0，P<0.01)；顯著減少(S<0，0.010.05)；顯著增加(S>0，0.010，P<0.01)。依據(jù)積差方法計算相關(guān)系數(shù)，以兩變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個離差相乘來反映兩變量之間的相關(guān)程度。本文采用基于像元的空間分析法分析植被NDVI與溫度和降水量的相關(guān)性，著重研究線性的單相關(guān)系數(shù)。計算公式如下：

(5)

相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為[-1,1]。|r|值越大，變量之間的線性相關(guān)程度越高； |r|值越接近于0，變量之間的線性相關(guān)程度越低。

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗，一般采用t檢驗法。其統(tǒng)計量計算公式為：

(6)

式中： r為相關(guān)系數(shù)； n為樣本數(shù)量。 t統(tǒng)計量服從自由度為(n-2)的t分布。為方便相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗，一般是在給定的置信水平下，通過查相關(guān)系數(shù)檢驗的臨界值表來完成的。本文中樣本個數(shù)為10，自變量個數(shù)為2，則自由度為8，查閱相關(guān)系數(shù)臨界值表，將相關(guān)系數(shù)分為5個等級：相關(guān)性不顯著(|r|<0.6319)；顯著正相關(guān)(0.6319<|r|<0.7646，r>0)；顯著負相關(guān)(0.6319<|r|<0.7646，r<0)；極顯著正相關(guān)(|r|>0.7646,r>0)；極顯著負相關(guān)(|r|>0.7646,r<0)。

根據(jù)NDVI、降水及溫度數(shù)據(jù)，在年際水平上，計算基于像元的NDVI與降水和溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)；在月際水平上，計算每年4-10月的NDVI與當(dāng)月序列及前12個月序列的降水及溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)，研究NDVI對降水、溫度的滯后性。

圖1 博斯騰湖流域概況圖

4 結(jié)果與分析

4.1 博斯騰湖流域NDVI時間變化

2003-2012年間博斯騰湖流域NDVI總體呈上升趨勢(圖2)。研究區(qū)近10年的NDVI值在0.34～0.39之間波動，總體呈緩慢上升的趨勢，NDVI線性傾向率為0.015/10a。表明該地區(qū)植被覆蓋整體上得到了一定程度的改善。年平均NDVI最大值出現(xiàn)在2010年，最大值為0.383；最小值出現(xiàn)在2004年，最小值為0.341。2004年的植被NDVI值明顯低于其他年份，主要是由于該年份的降水和溫度低于研究期內(nèi)其他年份，水熱的空間匹配度也低于其他年份。植物生長必須的熱量和降水不足影響了其正常生長，從而導(dǎo)致該年份植被覆被度較低。

圖2 2003-2012年博斯騰湖流域NDVI變化圖

4.2 博斯騰湖流域NDVI空間變化

2003-2012年博斯騰湖流域NDVI趨勢變化空間差異明顯(見圖3)。10年間NDVI變化不顯著的區(qū)域貫穿整個研究區(qū)，占據(jù)了去除核心綠洲部分的大部分區(qū)域。無值區(qū)為博斯騰湖區(qū)，由于該區(qū)域長期沒有植被覆蓋，本研究將該區(qū)域定義為無值區(qū)。NDVI顯著減少區(qū)和極顯著減少區(qū)主要分布在研究區(qū)的東北部和西南部。說明該區(qū)域植被退化比較嚴重，生態(tài)質(zhì)量較差，需要相關(guān)部門采取應(yīng)對措施加以改善，并注重保護該區(qū)域現(xiàn)存的植被。NDVI顯著增加區(qū)在整個研究區(qū)均有分布，但主要集中在研究區(qū)西北部的巴音布魯克草原和博斯騰湖周邊的核心綠洲區(qū)。NDVI極顯著增加區(qū)零散分布在博斯騰湖周邊的核心綠洲區(qū)，在西北部的巴音布魯克草原地區(qū)也有少量分布。這主要是由于人類活動對植被變化的影響遠大于自然環(huán)境因素。

圖3 2003-2012年NDVI趨勢變化空間分布圖

博斯騰湖流域的植被覆蓋呈現(xiàn)較好的增加趨勢(表1)。NDVI顯著增加區(qū)和極顯著增加區(qū)的面積分別占研究區(qū)總面積的5.34%和3.33%，二者之和為8.67%，大于NDVI顯著減少和極顯著減少區(qū)的比例之和(分別為2.50%和1.03%)，說明博斯騰湖流域的植被覆蓋呈現(xiàn)較好的增加趨勢。NDVI變化不顯著的區(qū)域占研究區(qū)總面積的比例為87.35%，說明研究區(qū)內(nèi)大部分地表植被的演變過程基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 博斯騰湖流域2003-2012年NDVI 不同變化趨勢面積比例 %

4.3 博斯騰湖流域氣溫和降水的時空變化特征

近10年博斯騰湖流域的氣溫和降水都呈現(xiàn)出下降趨勢(圖4)。其中，氣溫變化率為-0.584℃/10a，降水量的變化率為-3.805mm/10a。研究期內(nèi)年平均氣溫最大值為7.064℃(2007年)；年平均氣溫最小值為5.505℃(2011年)；10年間平均氣溫為6.150℃。2003-2012年間年降水量最大值為187.765mm(2010年)；年降水量最小值為140.424mm(2009年)；10年間平均降水量為154.628mm。總體來說，近10年博斯騰湖流域的氣溫和降水都呈下降趨勢，但下降趨勢并不明顯。

研究區(qū)氣溫增溫率自西北向東南遞增，隨海拔的升高而降低(圖5(a))。增溫率大于0的區(qū)域主要分布在庫爾勒和焉耆附近的核心綠洲區(qū)。其余地區(qū)的增溫率都小于0，說明10年來這些區(qū)域的年平均氣溫呈下降趨勢。其中，巴倫臺和巴音布魯克附近的區(qū)域氣溫下降最為明顯。

由2003-2012年的年降水量傾向率可以看出(圖5(b))，降水傾向率自西北向東南遞減，隨著海拔的升高而不斷增加。研究區(qū)中部是一個過渡帶，

圖4 2003-2012年間年平均氣溫和年降水量變化

圖5 博斯騰湖流域2003-2012年平均氣溫增溫率和降水傾向率空間分布圖

經(jīng)過過渡帶之后，降水傾向率有所回升。降水傾向率大于0的區(qū)域主要分布在巴音布魯克草原及其附近的高海拔地區(qū)。余下區(qū)域的降水傾向率都小于0，說明近10年這些區(qū)域的年降水量呈下降趨勢。其中，研究區(qū)中部的年降水量減少最為明顯，這與該區(qū)域的人類活動有一定的關(guān)系。

4.4 博斯騰湖流域NDVI與氣溫、降水的關(guān)系

在年際水平上，計算各像元2003-2012年間NDVI與年降雨量、年平均溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)，并查閱相關(guān)系數(shù)臨界值表對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗。對研究區(qū)每個像元NDVI與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)求平均值，發(fā)現(xiàn)NDVI與年平均氣溫的平均相關(guān)系數(shù)為-0.162。說明在年際變化水平上，研究區(qū)NDVI總體與平均溫度呈負相關(guān)。由NDVI與年平均氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果(圖6)可知，近10年NDVI與年平均氣溫的相關(guān)性總體不顯著的區(qū)域貫穿整個博斯騰湖流域，并且占了很大比例。相關(guān)性不顯著的區(qū)域占全區(qū)的面積比例達到了93.74%(表2)。顯著正相關(guān)、顯著負相關(guān)、極顯著正相關(guān)和極顯著負相關(guān)等區(qū)域在整個研究區(qū)零星分布。其中，顯著負相關(guān)和極顯著負相關(guān)區(qū)在博湖縣、和碩縣、尉犁縣這3個縣的邊界處有較為明顯的分布。顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)區(qū)域的面積比例之和為0.44%，顯著負相關(guān)和極顯著負相關(guān)區(qū)域的面積比例之和為5.36%。這也進一步說明了NDVI與年平均溫度呈負相關(guān)。

圖6 2003-2012年間NDVI與年平均氣溫、年平均降水的相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗圖

%

對研究區(qū)每個像元NDVI與年降水量的相關(guān)系數(shù)求平均值，發(fā)現(xiàn)NDVI與年降水量的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.148。說明在年際變化水平上，研究區(qū)NDVI總體與降水量呈正相關(guān)。NDVI與年降水量的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果(圖6)顯示，相關(guān)性不顯著的區(qū)域仍然占據(jù)了研究區(qū)的很大一部分。由表2可知，相關(guān)性不顯著的區(qū)域占全區(qū)面積的92%，小于NDVI與年平均氣溫相關(guān)性不顯著區(qū)域的面積比例。顯著正相關(guān)、顯著負相關(guān)、極顯著正相關(guān)、極顯著負相關(guān)等區(qū)域在整個研究區(qū)也呈零星分布，但可以明顯看出顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)區(qū)域的分布情況，其中極顯著正相關(guān)區(qū)主要分布在巴倫臺和巴音布魯克附近。顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)區(qū)域的面積比例之和為6.72%，顯著負相關(guān)和極顯著負相關(guān)區(qū)域的面積比例之和為0.83%。這也進一步說明了NDVI與年降水量呈正相關(guān)。

在月際水平上，分別計算4-10月NDVI序列與2-8月、3-9月、4-10月平均溫度及平均降水量的Pearson相關(guān)系數(shù)，并進行顯著性檢驗(見表3)。4-10月NDVI與平均溫度的相關(guān)系數(shù)多在0.8～1.0之間，最小值為0.88(2012年)；最大值為0.97(2010年)。4-10月NDVI序列與3-9月平均溫度序列的相關(guān)系數(shù)多在0.6～0.8之間，最小值為0.64(2006年)；最大值為0.76(2007年)。4-10月NDVI序列與2-8月平均溫度序列的相關(guān)系數(shù)多在0.3～0.5之間，最小值為0.35(2011年)，最大值為0.49(2005年)。綜合氣溫序列和NDVI序列發(fā)現(xiàn)，4-10月平均溫度序列與同時期NDVI序列的相關(guān)性明顯高于其他兩個時段平均溫度序列，說明總體上博斯騰湖流域植被的生長與平均溫度基本上沒有滯后效應(yīng)或者滯后時間較短。4-10月NDVI序列與平均降水序列的相關(guān)系數(shù)多在0.7～1.0之間，最小值為0.73(2010年)；最大值為0.99(2004年)。4-10月NDVI序列與3-9月平均降水序列的相關(guān)系數(shù)多在0.2～0.9之間，最小值為0.30(2003年)；最大值為0.82(2010年)。4-10月NDVI序列與2-8月平均降水序列的相關(guān)系數(shù)多在-0.2～0.4之間，最小值為-0.19(2007年)；最大值為0.39(2010年)。

綜合降水序列和NDVI序列發(fā)現(xiàn)，4-10月平均降水序列與NDVI序列的相關(guān)性明顯高于其他兩個時段序列，說明總體上博斯騰湖流域植被的生長與平均降水量基本上沒有滯后性或者滯后時間較短。總體說來，博斯騰湖流域植被的生長與降水和氣溫都沒有滯后性，這主要是由于本文選取數(shù)據(jù)的時間尺度過大造成的。

表3 博斯騰湖流域2003-2012年4-10月NDVI與不同時序氣溫降水的相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過了0.05水平下的顯著性檢驗，**表示通過了0.01水平下的顯著性檢驗

對比表3發(fā)現(xiàn)，月序列的平均溫度與NDVI的相關(guān)系數(shù)明顯高于月序列的平均降水與NDVI的相關(guān)系數(shù)，說明在月際水平上，溫度對植被生長發(fā)育的作用比降水大。主要是由于研究區(qū)春季較短，升溫迅速，冬天的冰雪消融，補充了大量地下水，地下水位抬升，土壤濕度相應(yīng)增加，植被生長所需的水分條件已經(jīng)具備，溫度成為影響植被生長的最大制約因素。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文利用2003-2012年4-10月MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合博斯騰湖流域同期降水和溫度數(shù)據(jù)，分析了博斯騰湖流域NDVI的變化趨勢、流域降水和氣溫在年際水平上的時空變化，以及NDVI與氣溫和降水的響應(yīng)關(guān)系。

(1)10年間，博斯騰湖流域NDVI呈波浪上升的趨勢，NDVI顯著增加區(qū)和極顯著增加區(qū)分布較為集中，主要分布在巴音布魯克草原及其附近區(qū)域和博斯騰湖附近的核心綠洲區(qū)；變化不顯著區(qū)面積最大，占全區(qū)總面積的87.35%。

(2)年際水平上，近10年博斯騰湖流域的降水和氣溫都呈下降趨勢；氣溫增溫率自流域西北部向東南部遞增，增溫中心位于庫爾勒和焉耆附近的核心綠洲區(qū)；降水傾向率自流域西北部向東南部遞減，降水減少最明顯的區(qū)域位于研究區(qū)中部，這與人類活動有一定關(guān)系。

(3)2003-2012年博斯騰湖流域NDVI變化與氣溫呈負相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。與降水量極顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在巴倫臺和巴音布魯克附近。月際水平上，4-10月博斯騰湖流域NDVI與降水、氣溫呈現(xiàn)很強的正相關(guān)，滯后現(xiàn)象不明顯。月序列的平均溫度與NDVI的相關(guān)系數(shù)明顯高于降水與NDVI的相關(guān)系數(shù)，說明在月際水平上，溫度對植被生長的影響比降水更大。

5.2 討論

本文通過分析NDVI與氣候要素間相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，二者之間存在相關(guān)性，但未發(fā)現(xiàn)博斯騰湖流域NDVI對氣溫、降水的滯后性，這主要是由于數(shù)據(jù)尺度過大造成的。博斯騰湖流域的植被NDVI變化不僅受到氣候因子的影響，還受到了人為因素的影響，但是在新疆地區(qū)氣候要素是影響NDVI變化的最主要因素，下一步可以進一步分析氣象要素與人為驅(qū)動因子對區(qū)域NDVI變化的驅(qū)動機制，定量分析植被NDVI變化和社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系。

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