近20 年新疆荒漠草地動態(tài)變化及其對氣候變化的響應(yīng)

陳宸 ，井長青 *，邢文淵 ，鄧小進(jìn) ，付皓宇 ，郭文章

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830052；2. 烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊830011）

荒漠草地是草地向荒漠過渡的一種地表類型，是草地分類中最干旱的一類，主要由灌木、多年生草本植物和一年生草本植物組成［1］，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［2］，其面積變化是草地荒漠化和生態(tài)環(huán)境變化的重要標(biāo)志。新疆荒漠草地主要分布在干旱-半干旱的綠洲與荒漠過渡地帶、山前平原、準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部等地區(qū)，是新疆草地面積分布最廣的草地類型和關(guān)鍵類型，對新疆生態(tài)具有重要作用。新疆荒漠草地對人類活動和氣候變化反應(yīng)敏感，由于生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)酷性和氣候的波動性，有發(fā)生荒漠化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，一旦破壞就很難再恢復(fù)［3］。

隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，對荒漠草地空間變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、定量化描述與分析，揭示其變化規(guī)律及驅(qū)動因子至關(guān)重要［4］。植被凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時間內(nèi)由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分［5］，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，也是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，在全球變化以及碳循環(huán)中扮演著重要的角色［6］。其還是估算地球支持能力和評價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的一個重要生態(tài)指標(biāo)［7］。遙感數(shù)據(jù)具有監(jiān)測范圍大、時間連續(xù)性好、光譜波段豐富等優(yōu)勢，其中歸一化植被指數(shù)（nor?malized difference vegetation index，NDVI）與葉面積指數(shù)、植物光合能力、年凈初級生產(chǎn)力等均有很好的相關(guān)性，可直觀反映植被質(zhì)量的狀況，被廣泛用于監(jiān)測和評估大尺度上的植被時空變化［8-11］，為草地植被的研究提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐［12-13］。遙感數(shù)據(jù)NDVI、NPP 數(shù)據(jù)等已成為研究草地資源分布、動態(tài)變化的依據(jù)，也是荒漠化監(jiān)測的重要內(nèi)容［4］。結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析，是研究荒漠草地的時空變化的一種行之有效的方法［14］。

目前，基于NDVI 研究新疆植被變化及其對全球氣候變化和人類活動的響應(yīng)已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。許玉鳳等［15-16］利用生長季NDVI 研究了1982-2013 年新疆植被覆蓋的時空變化，研究發(fā)現(xiàn)綠洲農(nóng)田植被覆蓋明顯改善，草原區(qū)退化嚴(yán)重。Xu 等［17］基于 GIMMS（global inventory modelling and mapping studies）和 MODIS（mod?erate-resolution imaging spectroradiometer）的融合數(shù)據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)1982-2013 年間氣候變化對新疆草地植被ND?VI 變化影響顯著，且存在滯后現(xiàn)象。張仁平等［13］利用2000-2012 年MODIS NDVI 數(shù)據(jù)結(jié)合溫度和降水資料，發(fā)現(xiàn)中國北方草地?zé)o明顯變化區(qū)域中以荒漠草地為主，草地退化區(qū)域面積大于改善面積，荒漠草地植被空間變異性較小，灌叢草地和典型草地的變異系數(shù)較大。綜上來看，目前基于NDVI 開展的相關(guān)研究主要側(cè)重于新疆整體或某一具體區(qū)域的植被覆蓋變化及其對氣候變化和人類活動的響應(yīng)，而針對綠洲-荒漠交錯帶，進(jìn)行長時間尺度、單一類型植被變化情況的監(jiān)測及其對氣象因子的響應(yīng)等相關(guān)關(guān)系的研究較少［18］，特別是針對新疆生態(tài)脆弱區(qū)和自然地理過渡地帶［19］，利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測和評估荒漠草地植被動態(tài)變化并揭示其驅(qū)動機(jī)制的研究尤為亟須。

本研究以遙感（remote sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）為技術(shù)支撐，研究全球變暖和新疆氣候變化背景下新疆荒漠草地的時空變化，動態(tài)監(jiān)測1999-2018 年新疆荒漠草地面積動態(tài)變化，并分析其對氣候變化和人類活動的響應(yīng)過程，旨在為新疆荒漠植被保護(hù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)服務(wù)，為合理利用草地資源尤其是為保護(hù)新疆荒漠草地資源提供一定的參考，為進(jìn)一步深入研究打下良好的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆深居內(nèi)陸，降水稀少，水資源短缺，多風(fēng)，植被稀疏，鹽堿化和沙漠化嚴(yán)重是主要的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)［20］。綠洲主要分布于山前沖積、洪積平原以及河流流域和盆地邊緣，占全區(qū)面積的5%，其生態(tài)環(huán)境體現(xiàn)出山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)的基本景觀格局。在新疆低山帶和平原區(qū)分布著大面積的稀疏植被，尤其是灌溉綠洲與沙漠之間的荒漠過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱［21］；加之人為活動的破壞與干擾加劇，會促使其形成難以逆轉(zhuǎn)的沙漠化土地［17］（圖 1）。

圖1 新疆土地利用類型分布Fig.1 The distribution of land use type in Xinjiang

新疆荒漠草地對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有重要的生態(tài)作用。根據(jù)許鵬［22］的草地分類系統(tǒng)，新疆荒漠草地主要分布于北疆山前平原到中低山帶，南疆中山和亞高山帶，準(zhǔn)噶爾盆地沙漠邊緣至阿爾泰山前傾斜平原，準(zhǔn)噶爾盆地中部及山前洪積-沖積平原，博樂、塔城和伊犁河谷地及上升至低山帶，天山南坡海拔2000～2600 m 區(qū)域，塔里木盆地邊緣及山前傾斜平原上部，昆侖山海拔2800～3000 m 區(qū)域，帕米爾高原、昆侖山內(nèi)部山原，庫木庫里盆地西部山原，阿爾金山西部高山區(qū)及除阿爾泰山外的各大山體基帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

空間氣象數(shù)據(jù)、NDVI 數(shù)據(jù)、NPP 數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn），其中，空間氣象數(shù)據(jù)是空間分辨率為1 km 的空間插值數(shù)據(jù)，包括氣溫和降水。NDVI 數(shù)據(jù)為空間分辨率為1 km的SPOT（systeme probatoire d’observation de la terre）數(shù)據(jù)。站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn），根據(jù)研究需要選取全疆記錄較為完整的52 個站點(diǎn)的逐日氣溫、降水、氣壓、風(fēng)速、蒸發(fā)量、日照時數(shù)等氣象因子。

氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)是基于全國2400 多個氣象站點(diǎn)日觀測數(shù)據(jù)，通過整理、計(jì)算，并使用Anusplin 插值方法進(jìn)行空間插值處理生成，該插值方法將海拔等協(xié)變量引入模型，精度更高。凈初級生產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)集是基于光能利用率模型GLM-PEM 計(jì)算獲取的。植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的SPOT/vegetation NDVI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成。

首先對研究區(qū)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、圖像裁剪，得到研究所需的相關(guān)空間圖像數(shù)據(jù)。在ArcGIS 平臺利用柵格計(jì)算、重分類、Con 語句分析等對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

1.3 研究方法

1.3.1 荒漠草地閾值選取 閾值范圍的合理與否是影響科學(xué)研究準(zhǔn)確程度的前提和基礎(chǔ)。我國著名草原生態(tài)學(xué)家劉鐘齡［23］在其主編的《中國草地資源現(xiàn)狀與區(qū)域分析》中，借助NDVI 值確定荒漠草地閾值的下限范圍，根據(jù)國際地圈生物圈計(jì)劃（international geosphere-biosphere program，IGBP）的全球植被分類方案的“‘Barren or Sparsely Vegetated’類型（16）”進(jìn)行重新分類，并將每年8 月小于0.1 的區(qū)域定義為“難利用地（17）（戈壁、沙漠、灘涂等）”，其余部分劃分為荒漠草地。方精云等［24］利用已知草原地區(qū)的降水與NDVI 的關(guān)系反演草地的分布和面積，認(rèn)為北方草地和荒漠之間的閾值為0.1151。

由于植被覆蓋度與歸一化植被指數(shù)（NDVI）之間存在著極顯著的線性相關(guān)關(guān)系［25］，二者通過像元二分模型有機(jī)聯(lián)系在一起［26］。研究表明，荒漠和裸地植被覆蓋度較低，NDVImax僅達(dá)到0.22［27］。借鑒前人研究成果，并結(jié)合新疆荒漠草地平均覆蓋度的實(shí)地測量數(shù)據(jù)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助像元二分模型，反演出荒漠草地平均NDVI值，確定新疆荒漠草地NDVI 閾值上限為0.2，取值范圍為0.1～0.2。

通過以上閾值范圍反演新疆荒漠草地覆蓋分布狀況進(jìn)行校驗(yàn)，將其與《中國草地資源現(xiàn)狀與區(qū)域分析》［23］中荒漠草地分布圖相比較，分布范圍基本一致。將使用閾值提取的荒漠草地范圍與1∶100 萬中國植被類型圖進(jìn)行對照，其中荒漠草地所占比例為78.3%，其他草地、草甸占17.6%，樹木、高山植被、灌叢等其他植被類型占4.1%。有研究表明，土地利用類型和土地覆被類型會因人類活動和氣候變化的影響而發(fā)生變化，表現(xiàn)為草地內(nèi)部發(fā)生改變或草地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型，荒漠草地會與其他土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)化［18，28-30］。說明閾值選取合理。

由于新疆大多數(shù)年份的8 月為NDVI 最大值時期，因此，利用每年8 月在0.1～0.2 的NDVI 值提取研究信息。

1.3.2 相關(guān)分析 相關(guān)分析是研究兩個變量之間是否存在某種依賴關(guān)系，并探討具有依存關(guān)系的要素之間的相關(guān)方向及相關(guān)程度。常通過計(jì)算Pearson 相關(guān)系數(shù)等來反映兩個隨機(jī)變量之間的相關(guān)程度及相關(guān)方向。地理要素之間的相互關(guān)系的密切程度亦可通過相關(guān)系數(shù)來反映［31］。假設(shè)有地理要素x、y，樣本觀測值分別為x1，x2，…，xn及y1，y2，…，yn，則兩個要素之間的相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式如下：

式中：rxy為要素x與y之間的相關(guān)系數(shù)分別表示兩個要素樣本值的平均值。相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為-1≤r≤1；r＞0 時為正相關(guān)，r＜0 時為負(fù)相關(guān)；∣r∣＝0 表示不存在線性關(guān)系；∣r∣=1 表示完全線性相關(guān)。

1.3.3 一元線性回歸模型 一元線性回歸模型是以單個像元的時間變化規(guī)律反映整體的空間變化規(guī)律。本研究運(yùn)用最小二乘法計(jì)算回歸系數(shù)，即年際變化率。

以NDVI 為例計(jì)算公式如下：

式中：i為年序號，NDVIi為第i年的 NDVI 值，n為樣本量。θslope是 NDVI 在研究時間內(nèi)的變化率（即表示年際變化的最小二乘的線性回歸方程的斜率），如果其為正值，說明此像元的植被狀況趨好，其值為負(fù)則說明該像元的植被狀況趨于退化。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用SPSS 20.0 對荒漠草地NDVI 平均值與各氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠草地NDVI 空間分布及其年際變化

利用1999-2018 年長時間序列NDVI 數(shù)據(jù)集，根據(jù)確定的閾值來確定荒漠草地范圍，并計(jì)算近20 年來新疆荒漠草地NDVI 的平均值，得到新疆荒漠草地植被NDVI 的空間分布圖（圖2）。可以看出，新疆荒漠草地在空間分布上表現(xiàn)為北疆分布集中，但面積較小；南疆分布較為分散，但面積大。

對研究區(qū)荒漠草地植被覆蓋的像元數(shù)值逐年取平均值，得到研究期間的荒漠草地面積及NDVI 平均值年際變化趨勢圖（圖3）。1999-2018 年間NDVI 平均值基本保持穩(wěn)定，在0.1392 附近輕微波動，呈微弱下降趨勢。其中，2010 年出現(xiàn)最大值（0.1441），2014年出現(xiàn)研究期內(nèi)的最小值（0.1359）。1999-2018 年間荒漠草地面積波動較大，總體呈減少趨勢。其中2012 年出現(xiàn)最大值，為 402574 km2，2014 年出現(xiàn)最小值，為 215323 km2。

圖2 1999-2018 年新疆荒漠草地NDVI 平均值空間分布Fig.2 The spatial distribution of mean NDVI in desert grass?land of Xinjiang from 1999 to 2018

2.2 荒漠草地NPP 空間分布及其變化

本研究進(jìn)一步對2000-2010 年間新疆荒漠草地NPP 空間分布及其動態(tài)變化進(jìn)行了分析。從時間上來看，荒漠草地平均NPP 在2000-2010 年間總體呈上升趨勢（圖4），但波動較大，于2002 年出現(xiàn)最大值，為 41.4501 g C·m-2，于 2000 年 出 現(xiàn) 最 小 值 ，為1.7956 g C·m-2。從空間上來看（圖 5），荒漠草地NPP 較大的區(qū)域主要分布在天山北坡、準(zhǔn)噶爾盆地的中部和邊緣區(qū)域、伊犁河谷局部區(qū)域、帕米爾高原、昆侖山山麓、阿爾金山等荒漠草地植被長勢較好的區(qū)域。

圖3 1999-2018 年新疆荒漠草地平均NDVI 及面積變化Fig. 3 The change of mean NDVI and area in desert grass?land of Xinjiang from 1999 to 2018

2.3 氣象因子變化分析

本研究進(jìn)一步分析了研究區(qū)內(nèi)的平均氣壓（hpa）、平均相對濕度（%）、平均氣溫（℃）、日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、平均風(fēng)速（m·s-1）、大型蒸發(fā)量（mm）、20：00-8：00 降水量（mm）、8：00-20：00 降水量（mm）、全天累計(jì)降水量（mm）、日照時數(shù)（h）等 11個氣象因子在6-8 月生長季的變化趨勢，并對其與荒漠草地變化的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

對新疆1999-2017 年全年氣象因子變化趨勢進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫呈上升趨勢，尤其是年均氣溫和日最低氣溫呈顯著上升趨勢；降水量、白天降水量和夜間降水量都呈上升趨勢；日照時數(shù)總體變化趨勢不明顯，但是波動較大；蒸發(fā)量和平均相對濕度呈顯著下降趨勢；氣壓呈微弱下降趨勢，平均風(fēng)速呈顯著上升趨勢（圖6）。

圖4 2000-2010 年新疆荒漠草地NPP 平均值變化Fig. 4 Changes of average NPP in desert grassland in Xinji?ang from 2000 to 2010

對新疆1999-2017 年7 月的氣象因子變化趨勢進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫呈上升趨勢，尤其是平均氣溫和日最低氣溫呈顯著上升趨勢；平均降水量、白天降水量和夜間降水量都呈下降趨勢，尤其是平均降水量、夜間降水量下降趨勢明顯；日照時數(shù)呈顯著上升趨勢；大型蒸發(fā)量呈上升趨勢；平均相對濕度呈顯著下降趨勢；氣壓呈微弱上升趨勢，平均風(fēng)速呈下降趨勢（圖6）。

對新疆1999-2017 年8 月的氣象因子變化趨勢進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：平均氣溫、日最高氣溫呈下降趨勢，日最低氣溫呈上升趨勢；平均降水量、白天降水量和夜間降水量都呈上升趨勢，尤其是平均降水量、夜間降水量上升趨勢明顯；日照時數(shù)呈下降趨勢；大型蒸發(fā)量呈下降趨勢，2006 年達(dá)到研究期間的最大值，之后開始波動下降；平均相對濕度呈顯著下降趨勢，2006年達(dá)到研究期間的最低值；氣壓呈微弱上升趨勢，2015 年達(dá)到研究期間的最大值；平均風(fēng)速呈顯著上升趨勢（圖6）。

圖5 2000-2010 年新疆荒漠草地NPP 平均值分布Fig. 5 Average NPP in desert grassland in Xinjiang from 2000 to 2010

圖6 1999-2017 年新疆全年及7、8 月氣象因子變化趨勢Fig.6 The change trend of meteorological factors in July，August and annual of Xinjiang from 1999 to 2017

綜上來看，全年氣溫、降水均呈上升趨勢，但有月份差異。其中，7 月呈現(xiàn)出溫度增高，降水下降趨勢，8 月呈現(xiàn)出氣溫降低，降水升高趨勢。全年最高氣溫上升較為明顯，日間降水較夜間降水增加更為明顯。日照時數(shù)基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出7 月日照時數(shù)增多，8 月日照時數(shù)減少的趨勢。蒸發(fā)量總體呈下降趨勢，但是7 月呈上升趨勢，8月呈下降趨勢。平均相對濕度呈現(xiàn)逐年下降趨勢。平均氣壓總體呈輕微下降趨勢，但研究后期波動劇烈。平均風(fēng)速呈總體上升趨勢，并于2010 年后出現(xiàn)較大波動。

從空間上來看，總體呈現(xiàn)南疆氣溫高于北疆，北疆降水多于南疆的分布狀況，其中山地氣溫低、降水多，沙漠、戈壁分布區(qū)氣溫高、降水少，地形對新疆氣溫、降水分布格局的影響較為明顯（圖7）。

對研究期間的氣溫、降水等氣象因子變化率進(jìn)行分析的結(jié)果表明：78.8%的區(qū)域氣溫呈上升趨勢，21.0%呈下降趨勢，0.2%的區(qū)域保持不變（圖8a）。研究期間新疆降水變化率顯示，占全疆面積86.8%的區(qū)域呈增加趨勢，占全疆面積11.5%的區(qū)域呈減少趨勢，占全疆面積1.7%的區(qū)域保持不變（圖8b）。

圖7 研究期間新疆平均氣溫（a）、降水（b）空間分布Fig.7 Distribution of temperature（a）and precipitation（b）in Xinjiang during study period

圖8 研究期間新疆氣溫（a）、降水（b）變化率Fig.8 The change rate of temperature（a）and precipitation（b）in Xinjiang during study period

2.4 荒漠草地與氣象因子的相關(guān)分析

2.4.1 荒漠草地NDVI 與氣象因子的相關(guān)分析 從年尺度上來看（表1），荒漠草地年NDVI 平均值與全年氣象因子中的 20：00-8：00 降水量（r=0.690，P=0.001）、8：00-20：00 降水量（r=0.615，P=0.005）、全天累積降水量（r=0.708，P=0.001）、平均相對濕度（r=0.464，P=0.045）存在顯著正相關(guān)關(guān)系。與其他氣象因子相關(guān)性不大。說明荒漠草地NDVI 受水分的影響較大。

從月尺度上對氣象因子與植被NDVI 的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，6 月氣象因子對NDVI 的影響不大，從7 月來看（表1），NDVI 值與大型蒸發(fā)量（r=-0.526，P=0.021）存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與全天累計(jì)降水量（r=0.486，P=0.035）存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與其他氣象因子相關(guān)性并不顯著。說明7 月荒漠草地的NDVI 變化受水分條件的影響較大。從8 月來看（表1），荒漠草地NDVI 值與日照時數(shù)（r=-0.497，P=0.030）顯著負(fù)相關(guān)。與其他氣象因子的相關(guān)性并不顯著。總體來看日照時數(shù)、日最高氣溫、大型蒸發(fā)量對荒漠草地生長有抑制作用，而平均相對濕度、年降水量、白天降水量、夜間降水量等水分條件對荒漠植被生長有促進(jìn)作用。

表1 荒漠草地NDVI 與氣象因子的相關(guān)系數(shù)及顯著性Table 1 Correlation coefficient and significance between NDVI and meteorological factors in desert grassland

從空間上來看，研究期間荒漠草地NDVI 與氣溫、降水等氣象因子的相關(guān)性存在顯著的區(qū)域差異（圖9）。荒漠草地NDVI 與氣溫的相關(guān)系數(shù)在-0.944～0.885，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)上分析，荒漠草地NDVI 與氣溫呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的65.5%，呈負(fù)相關(guān)的面積占32.2%，相關(guān)關(guān)系不明顯的面積占2.3%（圖9a）。荒漠草地NDVI 與降水的相關(guān)系數(shù)在-0.887～0.943，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)上分析，呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的88.8%，呈負(fù)相關(guān)的面積占10.9%，相關(guān)性不明確的面積占0.3%（圖9b）。說明荒漠草地植被生長受氣溫、降水影響都較大，占據(jù)了研究區(qū)的一半以上，且受降水的影響更大。

2.4.2 荒漠草地面積變化與氣象因子的相關(guān)分析 從全年來看（表2），荒漠草地面積與平均氣壓（r=-0.509，P=0.026）、平均風(fēng)速（r=-0.686，P=0.001）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日照時數(shù)（r=0.463，P=0.046）呈顯著正相關(guān)關(guān)系。受平均氣溫（r=-0.369，P=0.120）、日最低氣溫（r=-0.377，P=0.112）、大型蒸發(fā)量（r=0.392，P=0.097）的影響較大。與其他氣象因子的相關(guān)性并不顯著。

從7 月來看（表2），荒漠草地面積與各個氣象因子均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。平均氣壓（r=-0.427，P=0.068）、平均氣溫（r=-0.383，P=0.106）、日最高氣溫（r=-0.413，P=0.079）、日最低氣溫（r=-0.354，P=0.136）的影響相對較大。從8 月來看（表2），荒漠草地面積與平均氣壓（r=-0.517，P=0.023）存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日照時數(shù)（r=0.340，P=0.155）的相關(guān)關(guān)系較為明顯，與其他氣象因子相關(guān)關(guān)系并不顯著。總體來看荒漠草地面積變化受平均氣壓、日照時數(shù)影響顯著，受大型蒸發(fā)量、平均風(fēng)速影響較大。

圖9 1999-2015 年新疆荒漠草地NDVI 與氣溫（a）、降水（b）的相關(guān)性空間分布Fig. 9 Correlation coefficient between NDVI with temperature（a），precipitation（b）in desert grassland of Xinjiang from 1999 to 2015

表2 荒漠草地面積變化與氣象因子的相關(guān)系數(shù)及顯著性Table 2 Correlation coefficient and significance between the change of desert grassland area and meteorological factors

2.4.3 荒漠草地NPP 與氣象因子的相關(guān)分析 從時間上來看（表3），荒漠草地NPP與全年蒸發(fā)量（r=-0.667，P=0.025）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速（r=-0.366，P=0.269）、全天累計(jì)降水量（r=0.549，P=0.080）的相關(guān)系數(shù)較大。與其他氣象因子不存在顯著相關(guān)關(guān)系。與7、8 月各氣象因子也不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

從空間上看，荒漠草地NPP 與氣溫的相關(guān)系數(shù)在-0.875～0.906，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)分析，荒漠草地NPP 與氣溫呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的58.3%，呈負(fù)相關(guān)的面積占41.5%，相關(guān)關(guān)系不明確的面積占0.2%（圖10a）。荒漠草地NPP 與降水的相關(guān)系數(shù)在-0.839～0.975，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)分析看，荒漠草地NPP 與降水呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的80.0%，呈負(fù)相關(guān)的面積占18.6%，相關(guān)關(guān)系不明確的面積占1.4%（圖10b）。

表3 荒漠草地NPP 總量變化與氣象因子的相關(guān)系數(shù)及顯著性Table 3 Correlation coefficients and significance between changes of total desert grassland NPP and meteorological factors

圖 10 2000-2010 年新疆荒漠草地NPP 與氣溫（a）、降水（b）的相關(guān)性空間分布Fig.10 Correlation coefficient between NPP and temperature（a），precipitation（b）in desert grassland of Xinjiang from 2000 to 2010

3 討論

近年來，新疆氣溫和降水總體呈現(xiàn)增加趨勢。這一研究結(jié)果與慈暉等［32］和位宏等［33］的研究結(jié)論一致。年蒸發(fā)量呈逐年波動下降趨勢，符合前人研究提出的“蒸發(fā)悖論”［34］：氣溫升高、降水增多，更有利于植被生長，使得植被向著更好的方向發(fā)展。蒸發(fā)量減少使得空氣中的水汽減少，濕度下降，會對植被生長和氣候變化造成一定影響。年平均氣壓呈波動下降趨勢，平均風(fēng)速呈波動上升趨勢，應(yīng)與氣溫上升有一定關(guān)系。氣壓和風(fēng)速在2002 和2015 年出現(xiàn)較為明顯的波動，是因?yàn)樾陆畬θ驓夂蜃兓憫?yīng)極為敏感［35］，而2002 年全球出現(xiàn)中等強(qiáng)度厄爾尼諾現(xiàn)象，2005 年全球出現(xiàn)超強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象，新疆不同區(qū)域?qū)ζ漤憫?yīng)不同［36］，平均氣壓發(fā)生變化，各地氣壓差發(fā)生增大，風(fēng)速出現(xiàn)變化。

總體來看，荒漠草地NDVI 與氣溫、降水等氣象因子存在顯著相關(guān)關(guān)系。與已有研究結(jié)果植被變化與氣象因子有一定的相關(guān)性，且存在滯后效應(yīng)［37-38］相符。從時間上來看，年尺度上，荒漠草地NDVI 與降水量、平均相對濕度等氣象因子關(guān)系密切，說明水分條件是影響荒漠草地植被NDVI 變化的重要因素，水分的增多促使NDVI 值增加。這一研究結(jié)果與周丹等［26］對西北干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量估算中，關(guān)于低覆蓋度荒漠植被與年降水量變化顯著相關(guān)的結(jié)論基本一致，表明降水量的變化對低覆蓋度荒漠植被有一定的影響。

從7、8 月來看，荒漠草地NDVI 值與降水量、蒸發(fā)量、日照時數(shù)等因素存在著顯著的相關(guān)性，NDVI 值與7 月降水量、蒸發(fā)量相關(guān)性最為顯著，說明水分是荒漠草地NDVI 值的重要影響因子，降水量的增多、蒸發(fā)量的減少都使得植被有更多的水分可以利用，與李紅梅［39］關(guān)于柴達(dá)木盆地植被指數(shù)變化與氣象因子的關(guān)系研究中的相關(guān)結(jié)論一致。同時，研究表明荒漠草地NDVI 對水分的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，其滯后時長約為1 個月，這一研究結(jié)果與龐靜等［40］提出的新疆荒漠草地對氣溫的響應(yīng)滯后1 個月的研究結(jié)論相符。8 月日照時數(shù)越長，NDVI 值越小。其他氣象因子通過影響植被可以利用水分的多少和分布，間接對植被生長狀況造成影響，進(jìn)而對NDVI 值產(chǎn)生影響。在一定情況下7、8 月日照時數(shù)的增長，氣溫升高、蒸發(fā)量增加會使得植被NDVI 值降低。荒漠草地NDVI 與氣溫、降水的空間相關(guān)性較大，與氣溫、降水呈正相關(guān)關(guān)系的范圍較大，尤其是與降水正相關(guān)關(guān)系更為顯著。有研究表明，荒漠草地生長受水熱條件等綜合因素影響，當(dāng)氣溫升高時，少量降水的增加無法抵消氣溫升高對植被造成的影響［28，30］；其次，NDVI 是由近紅外波段和紅色可見光波段的反射值運(yùn)算獲得，而近紅外波段同時又是水體的強(qiáng)吸收區(qū)，當(dāng)降水導(dǎo)致土壤濕度發(fā)生明顯變化時，會使得NDVI 值變小［41］，因此部分NDVI 值與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。有研究表明，風(fēng)是影響植物生長的一個重要環(huán)境因子［42］，本研究發(fā)現(xiàn)荒漠草地面積與平均風(fēng)速存在顯著的相關(guān)關(guān)系，與這一研究結(jié)論相符。

荒漠草地面積變化與日照時數(shù)、平均氣壓、平均風(fēng)速等氣象因子相關(guān)性較大。隨著日照時數(shù)的增多，植被生長狀況變好，荒漠草地面積增大，平均氣壓與平均風(fēng)速通過影響植被生長狀況，進(jìn)而影響荒漠草地面積。平均氣壓對荒漠草地面積影響較大，隨著氣壓升高荒漠草地面積減少。其他氣象因子通過對氣壓造成影響，間接影響荒漠草地面積變化。

荒漠草地NPP 與蒸發(fā)量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著蒸發(fā)量的增多，植物得到的水分減少，荒漠草地NPP 降低。當(dāng)部分區(qū)域降水量的增加幅度較小，不足以抵消因氣溫升高造成的植被水分損耗時［43］，該區(qū)域荒漠草地NPP 表現(xiàn)為與降水呈負(fù)相關(guān)。從空間來看，荒漠草地NPP 與降水的相關(guān)性更加密切，說明水分是荒漠草地NPP的決定性因素。

荒漠草地是介于荒漠和其他草地類型之間的過渡類型，所以荒漠草地的面積變化有兩種可能情況，一種是荒漠草地退化為荒漠，一種是荒漠草地植被狀況發(fā)育良好，轉(zhuǎn)化為較好的草地類型。研究荒漠草地的動態(tài)變化及其與氣象因子的相關(guān)性，可以為脆弱環(huán)境下的生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)參考。

4 結(jié)論

本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、地面實(shí)測數(shù)據(jù)，參考相關(guān)研究成果，確定了新疆荒漠草地的閾值范圍，研究了新疆荒漠草地NDVI、NPP 和面積的動態(tài)變化及其與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)論如下：

1）新疆荒漠草地的空間分布表現(xiàn)為：北疆分布較為集中，但面積較小；南疆分布較為分散，但面積大。研究期間，新疆荒漠草地年NDVI 均值呈微弱下降趨勢，荒漠草地面積顯著減少，NPP 呈顯著上升趨勢。

2）研究區(qū)年均氣溫和年降水量的分布具有顯著的空間差異，總體呈現(xiàn)南疆氣溫高于北疆，北疆降水多于南疆，地形對新疆氣溫、降水分布格局的影響較為明顯。

3）從長期變化趨勢看，降水量、大型蒸發(fā)量和平均風(fēng)速是新疆荒漠草地年際NDVI 變化的關(guān)鍵影響因子，水分條件對生長季NDVI 影響更為明顯。從空間相關(guān)性看，荒漠草地NDVI 與氣溫、降水呈正相關(guān)的面積大于負(fù)相關(guān)面積，且與降水呈正相關(guān)的面積更大。

4）從長期變化趨勢看，荒漠草地NPP 與年蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速、降水量的相關(guān)系數(shù)較大。從空間相關(guān)性看，荒漠草地NPP 與氣溫、降水呈正相關(guān)的面積大于負(fù)相關(guān)的面積，且與降水呈正相關(guān)的面積更大。

總體來看，從長期變化趨勢看，新疆荒漠草地植被生長與氣象因子關(guān)系密切，尤其受氣溫、降水影響較大；從空間分布相關(guān)性看，降水的影響較氣溫更為顯著，表明水分條件是荒漠草地植被質(zhì)量變化的決定因素。因此，荒漠草地植被變化是多種氣象因子綜合作用的結(jié)果，其中氣溫、降水與其變化關(guān)系最為明確，降水是關(guān)鍵因子。