1982-2015年中國北方草地NDVI時空動態及其對氣候變化的響應

秦格霞, 蘆 倩, 孟治元, 李 政, 陳泓羽, 孔 婕, 吉珍霞, 秦安寧

(1.甘肅農業大學 資源與環境學院, 蘭州 730070; 2.西安東方宏業科技有限公司，西安 710000; 3.蘇州科技大學 機械工程學院, 江蘇 蘇州 215009)

草地生態系統作為陸地生態系統中的敏感成員[1]，在發展畜牧業[1-2]、維持生物多樣性[2]、維持生態系統平衡等[2-3]方面發揮著重要作用，但其發育與演替受氣候、人類活動等影響較為嚴重[3-9]。據氣象報告顯示過去幾十年間氣候經歷了明顯變化[10]，這勢必會對我國(尤其在干旱半干旱地區)草地生長產生顯著影響[4-9]，進而影響全球的物質循環和能量流動，對生態系統的穩定性產生重要影響。歸一化植被指數(NDVI)作為植物生長狀況及地表覆蓋變化的最佳指示因子[8,11]，已被廣泛用于研究陸地生態系統植被長勢[8]、季相[8]、物候等[12]變化趨勢中，是研究植被變化和植被—氣候關系的首選指標[4-12]。

近年來，國內外諸多學者基于NDVI指數研究了植被隨氣候波動的變化情況，取得了卓越成果[13-21]。如:梁爽等[21]利用AVHRR NDVI數據研究我國草地生長時空變化發現，在1982—2010年草地NDVI呈增加趨勢，但1999年以后大范圍出現逆轉，尤以干旱、半干旱地區最為顯著;而尼加提·伊米爾等[20]基于MODIS NDVI數據研究發現因全球氣候變暖，2000—2015年天山山區降水量增加，導致天山北坡NDVI呈增加趨勢;但戴聲配等[22]基于SPOT-NDVI對祁連山植被時空動態研究發現，自1999年以來，祁連山植被NDVI呈減少趨勢的多集中在河流等較為濕潤的區域;趙鴻雁等[13]研究2008—2016年甘肅中東部的NDVI變化發現，低山丘陵區與沖積平原區生長季NDVI明顯增加，部分中起伏山地出現減少的現象，但以2012年為一個突顯的轉折點;阿榮等[11]研究了2000—2015年錫林郭勒草地生長季NDVI變化得出每年以0.002 1的速率緩慢增長，但其變化存在明顯地域差異，降水是影響錫林郭勒地區NDVI動態變化的主要因素。正如上述綜述所示，雖有很多學者對植被覆蓋動態及其對氣候變化的響應做了大量工作，但因研究數據、研究區、植被類型和起始年份不同而存在差異。草地植被覆蓋研究作為草地生態系統動態監測的一項長期性、經常性的工作，被列為生態保護與修復工程的重要任務之一。因此，引入NDVI探究在生態保護與修復工程措施下草地覆蓋動態及其對氣候變化的響應情況，從而掌握和評價生態保護與修復等工程的所取得的效果有重大意義[14,16,23]。

基于此，本文利用長時間序列(1982—2015年)的GIMMS NDVI數據，輔以Sen+Mann-Kendall (M-K)、變異系數Cv，Hurst指數等方法對1982—2015年我國北方天然草地NDVI時空變化、變化的穩定性和未來變化趨勢進行分析。并結合草地類型分類數據分析不同草地覆蓋下NDVI變化特征，以掌握退耕還林還草等生態工程措施下草地NDVI的時空變化特征，以期為我國生態環境改善、畜牧業管理措施及未來生態環境建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為我國北方草地覆蓋區域(32°—53°N,77°—135°E)，總面積為1.559×106km2(圖1)[1,24]。區域所處緯度較高，草地面積較大，距海較遠，西、北邊沿有山脈阻隔，大部分區域屬溫帶大陸性干旱氣候，是非季風氣候影響的主要地區，少部分屬寒溫帶季風氣候和高原高山氣候。光熱資源充足，年日照時數達2 200 h以上，降水量少而不勻，一般多在400～800 mm，主要集中在7月、8月，春冬季節旱情嚴重，夏秋多暴雨，多大風天氣[24]。因其特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響，區域內生態環境極為脆弱，草地類型主要以溫性草原、荒漠草原、高寒草甸、高寒草原、鹽生草甸為主，溫性草原面積最大，是我國天然草地的主體，是歐亞草原的重要組成部分[24]。

圖1 研究區草地類型、氣象站點空間分布(A)及DEM(B)

1.2 數據來源與預處理

氣象(氣溫、降水)數據由中國氣象數據網站(http:∥data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode)提供，選用剔除有數據缺失的站點后，選取了324個氣象站點的1982—2015年氣溫、降水的月數據(圖2)。數字高程模型(DEM)來源于地理空間數據云的SRTM產品數據，分辨率為30 m。并采用基于樣條函數插值理論的專業氣象插值軟件ANUSPLINE[25]，以DEM數據為協變量，對氣溫和降水數據進行空間插值獲得8 km的柵格數據。最后選用計算中未使用的氣象站點，隨機選取417個數據對插值結果進行精度驗證，結果表明氣溫插值數據與實測值的相關系數基本在在0.975以上(占97.5%)，均方根誤差(RMSE)=0.000 08。而降水與插值結果的相關系數基本在0.918以上，均方根誤差(RMSE)=0.000 11，插值精度在整體上可以滿足研究的需求。

NDVI數據來自西部環境與生態科學數據下載中心(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/)提供的1982—2015年15 d最大值合成的8 km的GIMMS NDVI3g數據集(版本3) 。該數據是由NOAA衛星搭載的AVHRR傳感器獲取，經過校正，最大程度減少火山氣溶膠、太陽高度角、傳感器誤差和偏移影響的全球植被數據[12,21]，但仍存在假高值、低值。為減少云、大氣等造成的假高值、低值影響，將多時相NDVI組合為時間序列，提取每個像素時序值，基于Savitzky-Golay(S-G)濾波法擬合[26]，擬合前后數據的平均絕對誤差(MAE)=0.000 5，均方根誤差(RMSE)=0.001 9，相關系數在0.90以上的像元占總像元的96.3%，僅在祁連山脈、甘肅隴南有較少像元相關系數在0.70～0.80[12]，整體保真性較好。并采用國際上常用的NDVI(年均值)=0.05排除非植被因素影響[12]，為了與氣象數據保持一致，采用最大值合成法獲得月NDVI數據。

草地類型數據由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)提供的空間分辨率為l km的GLC 2000數據集，采用FAO的土地覆蓋分類標準(LCCS)，通過非監督分類方法制作的全球土地覆蓋圖[27]。高艷妮等[28]對我國北方地區的土地分類數據(30 m地表覆蓋數據、1∶10萬中國草地資源圖、中國土地利用現狀遙感監測數據、中國土地覆蓋數據、全球陸地覆蓋數據、全球土地覆蓋數據和MODIS土地覆蓋數據)進行精度評價發現GLC 2000的其采樣點驗證精度為83.45%，精度排在第三，與1∶10萬中國草地資源圖在面積上一致性最高。在該分類系統中，草地類型包括草甸、平原草地、荒漠草原、坡地草地、高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原(圖1)[27]。

1.3 研究方法

(1) 空間趨勢分析采用非參數趨勢度Sen[28]分析法分析1982—2015年我國北方草地NDVI變化趨勢，并基于Mann-Kendall(M-K)[29]統計檢驗法對趨勢的顯著性進行檢驗。Sen趨勢分析法和M-K檢驗法相結合，可減少數據異常值的影響，幾乎不受測量誤差和離群數據的干擾[29]。計算公式為:

式中:SNDVI為NDVI變化趨勢;i,j(1982≤i0時,說明NDVI呈增長趨勢;SNDVI<0,NDVI呈下降趨勢。

M-K檢驗公式[30]為:

其中:

工作步驟：首先將上部裝置本體上的標記處與無磁懸掛刻線對齊，然后通過固定裝置將其與無磁懸掛固定連接，再打開激光發射器放入發射器安裝孔并通過發射器護蓋固定好，然后提升鉆具使動力鉆具刻線處位于井口合適位置，再轉動下部裝置本體，使紅色激光光點與角度刻度盤的0度刻線在同一半徑方向，然后固定下部裝置本體，將另一半刻度盤插入卡槽并用限位螺栓固定，最后讀取動力鉆具刻線所對應的角度，該角度即是MWD的工具面角差。

其中:

式中:S為檢驗統計量;Zs為標準化后的檢驗統計量;n為NDVI的總序列數;var(S)為方差。給定的顯著性水平α下,當|Zs|>Z(1-?)/2時,表示變化趨勢顯著。結合SNDVI值和|Zs|值,將草地趨勢變化的顯著性分為6個等級,即在大于等于1.615,1.943,2.518時,分別表示通過了置信度90%,95%,99%的顯著性檢驗(不顯著增加/減少、顯著增加/減少、極顯著增加/減少)[29]。

(2) 穩定性分析利用變異系數Cv來表示草地NDVI相對波動程度，數值越大表明草地受干擾強度越大，越不穩定;數值越小說明植被狀態相對穩定[28]。計算公式如下:

式中:Cv為NDVI變異系數;NDVIi表示第i年對應的NDVI值;NDVImean為基于1982—2015年的NDVI數據獲得的多年NDVI均值。

(3) 未來趨勢分析Hurst指數是根據NDVI時間序列數據預測未來NDVI的變化趨勢，是一種定量表述時間序列信息長期依賴性的有效方法[31]。本文用來研究草地NDVI未來的趨勢，其計算原理可參考相關研究[31],Hurst指數分為3種情況:若0≤Hurst<0.5，說明NDVI時序數據具有長期的相關性，將來的總體趨勢和過去的趨勢相反，時間序列表現出反持續性;所Hurst=0.5，表明NDVI時序數據互相獨立且沒有依賴性，現在不會影響未來;0.5

(4) 月均NDVI與月均氣溫、降水的偏相關性分析地理系統是由多因素組成的復雜系統，采用偏相關分析法逐像元分析北方草地月均NDVI和月均氣溫、月均降水因果關系，公式如下[28]:

式中:x表示NDVI；y代表月均降水；z為月均氣溫;rxy表示月均NDVI與月均降水的相關系數;rxz表示月均NDVI與月均氣溫的相關系數;ryz表示月均降水與月均氣溫的相關系數。rxy·(z)為變量降水固定后月均NDVI與月均氣溫的偏相關系數,以此類推。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋的空間分布特征

注:Ⅰ表示草甸;Ⅱ表示平原草地;Ⅲ表示荒漠草原;Ⅳ表示坡地草地;Ⅴ表示高山亞高山草甸;Ⅵ表示高山亞高山平原草原。下圖同。圖2 1982-2015年中國北方草地植被NDVI的年際變化及趨勢

基于均值法計算得到34 a間中國北方草地NDVI的空間分布情況(圖3)，發現NDVI<0.1的地區集中在地處西北的昆龍山脈和阿爾金山脈周圍，NDVI>0.5主要分布在祁連山脈北坡，天山山脈(主要集中在南坡)和小興安嶺地區。NDVI值的分布整體呈現出從東南向西北逐漸降低。

圖3 1982-2015年中國北方草地NDVI空間變化

結合草地類型圖(圖1A)可知:草甸、平原草地類型的NDVI基本在0.3以上，南北分布差異較小;荒漠草地的NDVI值基本在0.3以下，但存在明顯區域差異，如在新疆、青海的荒漠草地比在內蒙古地區的NDVI低;坡地草地、高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原的NDVI基本在0.3以上，但高山亞高山草甸的NDVI存在明顯的南高北低的特征。

2.2 植被覆蓋的空間變化趨勢

基于Sen和M-K檢驗方法得到34 a間NDVI變化趨勢的空間分、全部草地和每種草地在不同變化等級中所占面積(圖4)，發現我國北方地區NDVI以增加趨勢為主，占研究區總面積的76%。其中，極顯著增加所占比例最大(占43%)，集中分布在黃土高原、青海高原、祁連山脈地區。NDVI呈減少趨勢集中分布在大興安嶺、小興安嶺和天山山脈地區，以不顯著減少為主(占18%)。增加趨勢的面積比例遠高于減少趨勢，表明研究區草地覆蓋狀態整體上為不斷改善趨勢。

注:1表示極顯著減少;2表示顯著減少;3表示不顯著減少;4表示不顯著增加;5表示顯著增加;6表示極顯著增加。圖4 1982-2015年中國北方草地NDVI變化趨勢及不同草地類型顯著性統計

就每種草地類型而言，6種草地類型的NDVI值呈增加趨勢的面積均高于呈減少趨勢面積，坡地草地類型表現為增加趨勢的比例最大(占98%)，其次為荒漠草原(占76%)，再次為平原草地(占74%)，草甸呈增加趨勢的比例最小(占59%)，高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原增加趨勢所占比例分別為72%和68%。

2.3 植被穩定性的空間格局

基于中國北方草地34 a間各像元的NDVI變異性計算結果和實際情況，將變異劃分為8個等級(圖5)。中國北方草地34 a間NDVI變異系數的平均值為0.078，變化相對穩定(<0.15)，但這種穩定性存在顯著的空間差異。低波動(0～0.1)約占31.4%，其中，較低波動變化(0.1～0.15)占53.6%，主要分布在除祁連山脈、青海高原和大、小興安嶺區域、昆侖山脈外的其他區域。區域內較高波動變化(0.15～0.2)和高波動變化(>0.2)僅占整個研究區的15.0%，集中新疆的爾齊斯河、伊犁河、塔里木河、塔里木盆地和甘肅境內的黃河流域以及內蒙古的呼倫貝爾高原呼倫湖周圍，這些區域大部分為河流和沙漠地區。

圖5 1982-2015年中國北方草地NDVI變異系數及不同草地類型變異系數統計

草地類型除高山亞高山草甸和荒漠草原呈高波動的面積達到8%，其他4種草地類型呈高波動所占面積不足5%。其中，穩定性最好的草地類型為草甸，其次為高山亞高山平原草原;穩定性最差的為荒漠草原，其次為高山亞高山草甸。

2.4 植被覆蓋變化可持續分析

基于1982—2015年中國北方草地NDVI的Hurst指數(H)分布圖(圖6)，發現中國北方草地未來變化趨勢具有Hurst現象，Hurst指數均值為0.42，即未來一段時期內草地NDVI的變化趨勢與1982—2015年的變化趨勢整體表現為相反趨勢。H介于0～0.5的面積占79.8%。結合前面的NDVI變化趨勢發現我國北方地區草地NDVI在未來一段時間內會出現大面積的減少趨勢。其中，反持續性極顯著減少(0≤H<0.2)占0.6%，零星的分布在青海高原區域;反持續性顯著減少(0.2≤H<0.4)占35.1%，主要集中在內蒙古高原、青海高原、阿爾卑斯山脈和天山山脈;44.0%的區域為反持續性減少不顯著(0.4≤H<0.5)，零散分布在整個研究區。未來草地NDVI的變化趨勢與1982—2015年的變化趨勢相同的面積(0.5

從草地類型的統計數據(圖6)發現:每種草地均以反持續性變化為主，除坡地草原外，其他幾種草地類型基本占到每種草地類型總面積的80%左右;持隨機變化趨勢區域約占每種草地類型總面積的2%;與現在變化趨勢一致的僅占不到18%(除坡地草原)。

圖6 1982-2015年中國北方NDVI的Hurst指數分布不同草地類型Hurst統計

2.5 植被NDVI動態對氣候變化的響應格局

中國北方草地NDVI與氣溫和降水的關系圖(圖7A,7B)中顯示，1985—1987年、1989—1991年、1993—1995年、1997—1999年、2001年、2003年、2005—2006年、2012年中國北方草地NDVI與氣溫的年際變化趨勢上表現出一致性，其余大部分時段與NDVI的變化趨勢相反。草地NDVI與降水的年際變化趨勢總體上具有同步性，但1982—1984年、1989—1992年、2003年、2005年表現出相反的變化趨勢。

從北方草地NDVI與氣溫和降水的偏相關關系圖中(圖7C，7D)，發現在控制降水的條件下NDVI和氣溫之間的關系為正負相關并存，但只有0.7%的區域達到p<0.05的顯著性檢驗;其中，37.3%的區域呈正相關關系(即氣溫升高對草地生長是有利的)，主要集中在內蒙古高原、青海高原及甘肅境內黃河流域等海拔較高、較低周圍及冰雪覆蓋區域。相關系數集中在0～-0.3之間所占面積最大，大部分區域氣溫升高對草地的生長是有利的;NDVI與氣溫之間呈負相關的區域主要分布于內蒙古高原、黃土高原西南部、準噶爾盆地和塔里木盆地等較為干旱地區，年均氣溫升高對草地的生長是不利的。NDVI與降水之間也呈現正負相關并存的特征，但正相關(92.4%)約是呈負相關(7.6%)的9倍，只有3.5%的區域達到p<0.05的顯著性檢驗;年降水量的增多對草地植被的生長不利的區域多集中在昆侖山脈、青海高原東坡坡底和小興安嶺零散分布。

3 討 論

草地對地形地貌、氣候變化和人類活動的響應過程是一個復雜的動態過程。不同地貌條件會導致熱量和水分的空間差異，進而使得不同地區、不同草地類型NDVI存在明顯空間差異，尤其在對氣溫和降水敏感的干旱、半干旱地區尤為顯著[13-22]。我國西北地區大面積處于干旱、半干旱地區，降水量的多少直接影響草地的生長狀況。本文通過研究1982—2015年我國草地時空特征變化及其對氣候變化的響應，發現除昆侖山脈、青海高原東坡坡底和小興安嶺等海拔較高的區域外(圖7B),NDVI隨降水量的增加而增加。而溫度對海拔較高地區的草地生長是有利的，但在較為干旱的地區(如黃土高原西南部、準噶爾盆地和塔里木盆地)，溫度升高對草地的生長是不利的。這主要是因為溫度過高會導致植被葉片蒸騰作用加快，導致蒸散發增加，使得土壤水分減少，反過來抑制植被生長和光合作用;而降雨量會直接影響土壤含水量，同樣會加速植物內部化學反應速度。太陽輻射較好的陽坡由于降雨量較少會容易導致更多的蒸散發，使植被覆蓋度降低，陰坡主要由于光照和太陽輻射較差，容易形成干冷的天氣，不利于植被生長[32-36]。

圖7 1982-2015年中國北方NDVI與氣溫、降水的關系圖和偏相關關系

除氣候因素等自然因素外，人類行為也是影響草地NDVI動態的一個重要原因。已有學者研究表明大型的生態工程會對植被等的生長產生正面的影響[13,16,23,34]，如1999年、2003年開始實施的退耕還林還草、退牧還草以及2008年土地整治相關措施的實施，對我過草地植被產生了較為顯著的影響。如梁爽等[21]研究發現在1982—1999年全國草地生長季NDVI的變化較為顯著，但是從1999年之后，因實施的一些生態工程項目的原因，草地NDVI的變化趨勢和方向與研究時段有關。修麗娜等[16]人對1990—2015年黃土高原土地利用類型轉移數據進行統計發現，1990—2000年，草地大量轉為耕地和人工表面(轉化面積分別為4 104.05 km2，270.87 km2)，其原因主要是因為這一時期我國人口大量增加，黃土高原的開荒力度加大，很多天然草地覆蓋區被人類所占用;而2000—2015年，草地面積約增加了14 278.59 km2，這主要是因為退耕還林(草)生態工程的實施，坡度較大的耕地轉換為草地。以上這些都為本文的研究結果的正確性提供了支持(2007—2009年的NDVI呈現出顯著的相反變化趨勢，其中坡地草地和草地變化最為顯著)。但也有研究[37]表明因退耕還林還草政策實施后，沒有考慮到地區的氣候、水文等自然因素，林地面積的大幅度增加會使土壤蒸發量加大，從而造成土地的干旱程度增加，對草地生造成了影響，草地NDVI降低。因此，進行大規模的植樹造林還草等工程可能存在風險。因此，大型生態工程實施的后期是否會有片面(或負反饋作用)影響還需進一步研究。再者，在未來的生態環境保護上是否應該考慮將將改變現有的土地覆蓋類型轉移為重點的工程，轉為禁止放牧、過度開墾等以制約人類活動方面，值得研究人員和相關工作人員關注。

雖目前對植被NDVI的變化趨勢、影響因子的研究較多，且大多數結果都表明在近30 a的我國很多地區NDVI都表現出增加趨勢[13,15,20-21,32]，本文研究結果與已有的結果空間和時間變化趨勢具有一致性。但是，目前對未來植被NDVI的變化趨勢的研究較少，且研究結果上存在差異性。如:李雙雙等[33]對陜甘寧地區的植被未來趨勢研究發現研究區大部分植被薄覆蓋變化將持續改善;但趙安周[34]、孫銳[35]、劉憲鋒[36]等分別對黃土高原和秦巴山區的植被未來變化趨勢研究發現，大部分區域植被未來的變化趨勢與現在的變化趨勢相反，可能在將來植被會呈現退化的趨勢，這與本文的研究結果較為一致。但未來NDVI的趨勢研究因為受到很多自然和認為的因素，因此，研究人員應持續關注退化地區的植被狀態。

4 結 論

(1) 北方草地NDVI以增加趨勢為主(占76%)，其增速為0.002/10 a，但存在西北低、東南部高的分布特征，其中1999年和2008年為突變點。

(2) 山地草原類型表現為增加趨勢的比例最大(98%)，其次為荒漠草原(76%)，再次為坡地草地(74%)，草甸呈增加趨勢的比例最小(59%)，高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原增加趨勢所占比例分別為72%和68%。

(3) 34 a間NDVI變異系數的平均值為0.078，變化相對穩定(<0.15)，但這種穩定性存在顯著的空間差異性。

(4) Hurst指數均值為0.42，未來草地NDVI變化趨勢與現在變化趨勢呈反持續性變化的面積(0

(5) 降水是西北草地生長的主要因素，除緯度較高的冰雪覆蓋區，92.4%地區的降水對NDVI生長是有利的;除較干旱地區外，氣溫升對NDVI生長呈不顯著的正相關(37.3%)。