2001-2017年新疆NDVI變化及其對極端氣候的響應

張晉霞, 徐長春, 楊秋萍

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046)

植被是連接土壤—植被—大氣連續體的重要樞紐[1]，是氣候變化的“指示器”[2]。氣候變化會影響植被群落的組成和結構，進而影響到植被的覆蓋狀況[3]。IPCC第五次報告中指出，氣候變化不僅包括平均態的氣候變化，還包括極端氣候變化[4]。與氣候平均態相比，極端氣候對植被在敏感度、地域差異性等方面影響更大[5-6]。新疆深居中國西北干旱區，自然條件復雜多變，水熱條件差異顯著，生態環境敏感脆弱，植被生長影響因素具有明顯的地帶性和區域性[7]。在新疆“暖濕化”和全球氣候變暖的背景下[8]，新疆地區的植被覆蓋發生了顯著的變化。因此開展新疆植被覆蓋變化及其對極端氣候的響應研究對該地區生態系統的保護以及生態環境的改善具有重要意義。

歸一化植被指數(normalized difference vegetation index， NDVI)是反應植被生長狀況、植被生產力和檢測區域生態環境變化的有效指標，被廣泛應用于地理學、生態學等領域[9-10]。自然因素和人類活動共同作用于植被覆蓋，其中，對植被生長發育影響最大的自然因素是氣溫和降水。近年來，通過植被與氣候的關系來揭示區域或全球植被的動態變化對氣溫和降水的響應已經成為一個熱點研究問題[11]。有學者研究表明，在全球范圍內植被活動表現出上升的趨勢[12]，其中僅中國就占到全球植被葉面積凈增加的25%[13]。干旱區植被變化一直得到廣泛的關注，許多學者就干旱區植被與氣候的關系進行了深入研究。侯小麗[14]研究表明，在全球尺度上，干旱區植被覆蓋變化對氣候響應呈現空間差異性，溫度與植被變化表現負相關，而降水為正相關；鄭藝等[15]發現，降水是影響干旱區植被生長發育的主要氣候因子，但溫度對干旱區植被的影響也不可忽略，隨著干旱程度的增加，溫度對植被生長的促進作用減弱，而抑制作用增強；Li等[16]探討了中亞地區植被覆蓋對氣候變化的響應，指出1982—2013年中亞地區天然植被NDVI呈上升趨勢。可見，前人的研究多側重于分析平均氣溫、平均降水與植被覆蓋變化之間的關系。迄今為止，新疆地區植被變化對極端氣候的響應尚不明確。因此，本文基于2001—2017年MOD13Q1數據，探討新疆地區NDVI時空變化及其對極端氣候的響應，以期為該地區植被保護和生態環境的改善提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

新疆地處中國西北干旱區西部，總面積1.66×106km2，是中國陸地面積最大的省級行政區。遠離海洋，降水稀少，氣候干燥，總體為溫帶大陸性干旱氣候。由于其特殊的水熱條件和地形地貌，植被類型結構單一，覆蓋度低，生態環境極為脆弱。全區被阿爾泰山、準噶爾盆地、天山、塔里木盆地、昆侖山分割并形成獨特的山盆地貌格局。據此，由北向南將全區依次劃分為Ⅰ區(阿爾泰山區)、Ⅱ區(準噶爾盆地區)、Ⅲ區(天山山區)、Ⅳ區(塔里木盆地區)、Ⅴ區(昆侖山區)。考慮到伊犁地區在新疆的特殊性，將其單獨劃分為第Ⅵ區(伊犁河谷區)(見封3，附圖11)，基于審圖號GS(2019)3333號底圖制作，底圖來自自然資源部標準地圖服務系統(http:∥bzdt.ch.mnr.gov.cn)。

1.2 數據來源與處理

NDVI數據：源自美國航空航天局NASA提供的MOD13Q1數據(http:∥reverb.echo.nasa.gov)，選用時段為2001年1月至2017年12月，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，共391景。原始數據已經過水、云、重氣溶膠等處理，消除了非植被因素，保證了數據質量。在處理數據時，首先基于MRT(MODIS reprojection tool)軟件對原始數據進行投影和格式轉換，并利用Savitzky-Golay(SG)濾波法[17]對數據進行平滑除噪，提高光譜的平滑性，并降低噪音干擾，進一步提升數據計算精度。然后通過最大合成法[18](MVC)得到新疆生長季內(4—10月)各月NDVI數據和整個生長季NDVI數據。

氣象數據：來自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn)，共選取2001—2017年新疆50個氣象站點的日降水量、日最高氣溫、日最低氣溫數據。利用RClimDex模型[19]計算獲得日最高氣溫的極高值、日最低氣溫的極低值、單日最大降水量、連續5 d最大降水量等10個極端氣候指數，并選取月平均氣溫、年平均氣溫、月降水量、年降水量4個平均態氣候指數(見表1)。通過ANUSPLIN插值[20]獲得14個指數的圖像，從而分析NDVI數據對極端態和平均態氣候指數的響應并分析其差異。極端氣候指數從ETCCDMI提供的極端氣候指標體系中選出，其中，日最高氣溫的極高值、日最低氣溫的極低值、日平均溫差、冷夜日數、暖夜日數、冷晝日數、暖晝日數可以反映氣溫溫差的邊緣態，選取單日最大降水量、連續5 d最大降水量、降水強度表征降水的極端態過程。

表1 氣候指數的定義與分類

1.3 研究方法

1.3.1 Hurst指數 本研究中使用R/S計算法計算Hurst指數，Hurst指數可以預測NDVI未來變化趨勢的持續性[21]。H為Hurst指數，其值介于[0，1]之間，當H=0.5，說明NDVI序列未來的變化趨勢與過去的趨勢不存在長期相關性；當0≤H<0.5，表示NDVI序列有反持續性，未來的變化趨勢與過去的相反；當0.5

1.3.2 ANUSPLIN插值法 ANUSPLIN是采用普通薄盤和局部薄盤樣條進行插值的一種方法，局部薄盤樣條是對薄盤光滑樣條方法的改進，它可以把參數線性亞模型添加到插值中，從而實現對多變量數據的插值。其計算公式為：

Zi=f(xi)+bTyi+ei(i=1，2，…，n)

(1)

式中：Zi表示i點的自變量;x為獨立變量;f(xi)是x需要進行估算的未知光滑函數;y是協變量;b是yi的p維系數;ei為自變量隨機誤差。

為檢驗ANUSPLIN插值在本研究區的插值精度，通過計算插值數據與實測值的均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)、平均相對誤差(MRE)作為檢驗插值精度的標準。選取插值計算中未使用的6個氣象站點，分別計算RMSE，MAE，MRE值。

結果顯示14個指數插值數據的RMSE，MAE，MRE均值分別為9.13，6.86，0.73。對比其他研究結果[22-23]，本文中的插值數據符合精度要求，ANUSPLIN插值方法適合新疆地區氣象數據插值，其插值結果在氣象站點稀少、分布不均勻的地區具有很好的適用性。

1.3.3 相關分析 相關分析[24]是研究隨機變量之間相關關系的統計方法。本研究使用基于像元的空間分析方法來分析新疆多年生長季NDVI與極端氣候指數之間的相關性，利用Pearson相關系數來表示NDVI與極端氣候指數之間的相關程度，以此來分析NDVI對不同極端氣候指數的響應程度。

2 結果與分析

2.1 NDVI時空變化特征

2.1.1 NDVI時間變化特征 由表2和圖1可知，2001—2017年新疆生長季NDVI表現出波動上升的趨勢，從2009年開始有一個逐步回升的過程，整體趨勢相對平穩，但增長幅度并不顯著，這與其他學者的研究結果是相匹配的[25]。17 a里，新疆地區生長季NDVI多年均值為0.14，2001年最低(0.132)，2016年最高(0.156)，各子區域生長季多年均值在0.09～0.46之間變動，整個研究區內部顯示出了明顯的差異。其中，伊犁地區由于受到北大西洋氣流影響，再加上其西南部特殊的敞開狀地形，形成亞干旱地區的降雨中心[26]，成為全疆NDVI多年均值最高的地區。塔里木盆地多年NDVI生長季均值僅為0.09，大面積的沙漠、戈壁極大程度限制了植物的生長，高溫不僅加劇了土壤蒸發，還很大程度上了抵消了降水增多給植被帶來的正向效應，惡劣的生存環境使得該區域植被覆蓋度極低。

圖1 2001-2017年新疆NDVI的年際變化規律

表2 2001-2017年新疆生長季NDVI的多年變化值

由表3可知，從整個研究區來看，未來一段時間段內，新疆生長季NDVI將繼續保持現在的趨勢，逐漸上升，但其區域內部NDVI的變化趨勢有一定的差異性。各子區域中，準噶爾盆地地區和塔里木地區生長季NDVI的H值分別為0.37，0.42，表現出反持續性，表明這兩個區域生長季NDVI變化趨勢將與過去相反，呈現下降趨勢；其他區域H值均大于0.5，預示這些區域生長季NDVI仍將繼續上升，植被變化整體將朝人類友好方向發展。

表3 2001-2017年新疆生長季NDVI變化趨勢的Hurst指數

2.1.2 NDVI空間變化趨勢 由附圖12(見封3)可知，新疆生長季NDVI大體上呈西北向東南降低的空間分布特征，全疆植被覆蓋度整體不高，大部分地區多年生長季NDVI均值在0.5以下。研究區內NDVI分布表現出極其嚴重的兩極分化現象，內部差異顯著。其中阿爾泰山、天山、塔里木盆地周邊綠洲、伊犁地區植被覆蓋情況相對較好，這些地區靠近山區，降水豐沛，植被生長條件優越，屬于NDVI高值區。而天山以北大部分地區以及塔里木盆地、昆侖山部分地區生長季NDVI多年均值介于0～0.3之間，這些地區通常是戈壁和荒漠，只有沙漠邊緣綠洲有植被分布，因而植被覆蓋度極低。從而全疆形成了植被沿山脈、綠洲、河流呈點狀、島狀、線狀分布的獨特格局。

2.2 NDVI對極端氣候指數的響應

2.2.1 NDVI對氣溫指數的響應 從圖2a—g可以看出，整體而言，NDVI與極端氣溫指數相關程度普遍不高，新疆84%的區域NDVI與極端氣溫指數的相關系數在-0.4～0.4之間；僅有約16%的區域相關系數的絕對值在0.4～0.6之間。除TNn，TX10p，TN90p以外，其他指數對生長季NDVI的影響均以負相關為主，可見，極端氣溫對植被產生抑制作用的可能性更大。NDVI與TNn，TX1p，TN90p之間呈正負相關的區域面積大致相等，顯示出微弱的負相關。其中，TNn和TN90p呈負相關的站點在天山周邊區域和新疆北部更為集中，TX10p呈負相關的站點主要分布在北疆中部地區。DTR，TN10p，TXx，TX90p對NDVI的影響以負相關為主，其面積分別占到64%，72%，62%，60%，呈負相關的站點主要分布在天山以北和塔里木盆地西南邊緣綠洲地區。從顯著性來看，NDVI與DTR，TN10p之間相關系數顯著的像元點較TXx，TNn，TN10p，TN90p，TX90p多，分別為15%和14%，以新疆北部最為明顯，表明在過去的17 a里，新疆更多的地區受DTR和TN10p影響更大。

從圖2h—i可以看出，NDVI與平均氣溫類指數相關系數的絕對值大多在0.4以下，普遍相關程度不高；僅20%的站點相關系數的絕對值在0.4～0.6之間，相關程度較強。Tm對NDVI的影響以負相關為主，該類站點主要分布在新疆北部和南部；NDVI與Ty之間以正相關為主，該類區域大約占到80%，主要分布在新疆北部、西部和東部。就顯著性而言，NDVI與Ty之間相關系數顯著的像元點明顯高于Tm，占比達到18%，主要集中分布在新疆西部、西北部和東部，表明Ty對NDVI的影響要大于Tm。

圖2 2001-2017年新疆生長季NDVI與氣溫類指數相關系數的空間分布

2.2.2 NDVI對降水指數的響應 由圖3a—c可知，NDVI與極端降水指數之間的相關系數大部分地區在-0.2～0.4之間，相關程度不高，僅少數地區相關系數在0.4～0.6之間。NDVI與RX1 d，RX5 d，SDII之間都表現出了明顯的正相關，其正相關分布面積分別為84.2%，84%，66%。SDII表現出正相關的站點在新疆北部分布比較明顯；RX1 d呈正相關的站點主要分布在新疆北部、西南部和東部地區；RX5 d呈正相關的站點分布與RX1 d相似，但其分布更加集中，分布范圍更廣。就顯著性來看，RX1 d和RX5 d通過檢驗的像元點明顯多于SDII，分別有19.8%和19.4%通過了顯著性檢驗，該類站點多分布在山區附近，以天山和昆侖山地區最為突出。由圖3d—e可知，NDVI與平均降水指數之間的相關系數在-0.2～0.6之間，相關程度較強。TPm和TPy對NDVI的影響都以正相關為主。其中，NDVI與TPm之間呈正相關的站點主要分布在新疆中部、西部和南部，正相關分布面積約占到總面積的65%；NDVI與Ty之間有78%的站點呈正相關，這類站點在新疆北部和西部分布明顯。在顯著性這方面，TPy通過顯著性檢驗的像元點明顯多于TPm，約20%的區域通過了檢驗，集中分布在新疆西部、西北部和東部。

圖3 2001-2017年新疆生長季NDVI與降水類指數相關系數的空間分布

3 討 論

3.1 NDVI動態變化

2001—2017年，新疆生長季NDVI總體呈不顯著上升趨勢，且未來一段時間內將繼續向友好方向發展，這與NDVI在全球[12]、全中國[13]、中國北方[27]的變化趨勢相一致。就空間分布特征而言，北疆生長季NDVI年均值總體高于南疆地區，這主要與北疆獨特的氣候條件和豐富的降水有著密切的關系。有學者研究發現，年降水量是影響新疆植被覆蓋變化的主要因素[28]。北疆全年水汽增加多于南疆，且新疆北部在水資源分布上有著明顯的優勢[29]。北疆特別是準噶爾盆地和天山地區，由于綠洲農業的發展，加之天然林保護區、生物多樣性保護區、禁牧輪牧等大規模生態保護措施的不斷推進[30]，使得近些年該地區植被有明顯改善。

3.2 對氣溫類指數的響應

新疆生長季NDVI與極端暖指數和極端冷指數之間都以負相關為主，在北疆中部和環塔里木盆地邊緣地區表現得尤為明顯，表明極端氣溫的升高或降低，對植物的生長有阻礙作用。這與前人[31]研究結果一致。這些地區戈壁灘、荒漠廣布，氣溫上升，使得土壤水分大量蒸發，植被蒸騰作用更加旺盛，從而使得地表中的水分過度消耗，這對于水資源原本缺乏的新疆地區的植被生長非常不利，尤其當氣溫超過植被生長的最適溫度時，植被的凈光合作用效率便會下降，最終影響植物的正常生長；氣溫下降，植物生長期縮短，當氣溫過低時，會導致植物生長所需的積溫不足，甚至會引起大范圍的低溫災害，從而對植物的生長發育產生影響。加之近十幾年來塔里木盆地南緣和準噶爾盆地西緣日最高氣溫的大幅上升，這也加強了對植被生長的限制作用[31]。

NDVI與平均氣溫指數呈正相關的區域主要分布在天山和伊犁地區，表明氣溫升高，有利于這些地區植被的生長。高山地區的冰川和積雪融水是新疆主要的水源來源，已有研究表明，在山區，氣溫升高會增加雨/雪比率，使春季融雪速率增加，從而形成更大、更早的河流徑流[32]。新疆季節性積雪資源豐富，冬季和春季的積雪主要分布在天山以北，其次是伊犁地區，加之氣溫上升帶來的冰川消融，自1980年以來，新疆多數河流的徑流量都有增加[29]。氣溫升高使得新疆地區水文過程發生了明顯的變化，天山和伊犁地區獲得了更加豐富的水資源，對植被生長具有明顯的促進作用。

3.3 對降水類指數的響應

新疆生長季NDVI對降水指數的響應以正向為主，降水對新疆多數地區的植被生長有積極作用，尤其在山地地區促進作用非常明顯。新疆降水稀少且時空分布不均，土壤含水量低，但自1987年以來，新疆降水趨勢突變，全疆降水呈增加趨勢，且增長趨勢非常顯著[33]。謝培等研究也表明，1961—2015年，新疆地區降水量以及雨日整體表現出上升趨勢，且降水的增加主要表現為雨日的增長[34]。豐富的水資源，保證了植物的代謝過程，為植物的生命活動提供了條件，有利于植被的生長發育，從而有效提高了這些地區的植被覆蓋度。

4 結 論

本文利用MOD13Q1NDVI數據和逐日氣象資料，分析了新疆2001—2017年NDVI的時空分布特征，并探討了NDVI對極端態氣候指數和平均態氣候指數的響應特征，主要得出以下結論：

(1) 新疆生長季NDVI呈緩慢上升趨勢，且該趨勢具有一定的持續性，但全疆植被覆蓋度總體上不高。NDVI多年空間分布特征呈西北向東南降低的趨勢，且北疆各子區域NDVI多年均值高于南疆各子區域。

(2) 新疆NDVI與氣溫類指數之間以負相關為主。極端氣溫指數在北疆中部和南疆西南部多呈負相關，DTR和TN10 p是主要的影響指數；平均氣溫指數在沙漠地區多呈負相關，少數山地地區呈正相關，與Tm相比，Ty對NDVI的影響更顯著。

(3) NDVI與降水指數之間以正相關為主，北疆是變化較為明顯的地區。其中，RX1 d，RX5 d和TPy對NDVI的影響都很顯著，降水對這一區域尤其是山區植被生長起到了很好的促進作用。

本研究分析了NDVI與極端氣候之間的相關性，但氣候和人類活動共同作用于植被覆蓋。城市綠化、退耕還林、農田開墾等人類活動對植被覆蓋的影響仍然存在。今后的研究中，應在辨析影響植被覆蓋的人為因素和自然因素及其各自權重方面作出突破，對影響植被覆蓋的歸因進行更加深入的研究與探討。