2000—2015 年新疆植被指數的時空動態分析

蘇紅軍，許仲林

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

在全球的氣候變化中，植被起著至關重要的作用，它不僅參與全球物質與能量循環，同時也是生態環境變化的“指示器”［1］，因此，在生態保護［2］、環境調節［3］、生物多樣性保護［4］、災害防治［5］等方面發揮了重要作用。植被的生長對自然條件，特別是氣候條件變化的響應較為敏感，因此對植被生長動態的監測能夠從一定程度上反映氣候條件變化對植被的影響，以利于對陸地植被生長的將來趨勢作出準確評估［6］。

植被指數是對地表植被狀況簡單有效的度量，該指數依據植被的光譜特性，將可見光與近紅外波段進行組合以實現對植被生長狀況的評估。目前，生態學家已定義了40 余種植被指數［7］。其中，比較常見的植被指數包括比值植被指數［8］、環境植被指數［9］以及歸一化植被指數［10］等。比值植被指數（Ratio vegetation index，RVI）與葉面積指數和葉綠素含量有較高的相關性，環境植被指數（Environment vegetation index，EVI）對土壤背景的變化較為敏感，歸一化植被指數（Normalized difference vegetation index，NDVI）是監測植被和生態環境變化的最常用指標之一，是植被生長及覆蓋變化的最佳指示因子［11］。

近年來，遙感技術被廣泛應用于眾多領域，逐漸成為環境學家進行數據收集和知識挖掘的有效工具［12］。遙感數據具有空間覆蓋范圍廣、時效性強等優點，被生態學家用以研究植被覆蓋變化的時空特征。王思琪［13］通過分析黃河源Landsat 和MODISNDVI數據，發現溫度和降水量是植被覆蓋變化的主要因子；劉亞龍等［14］利用Mann-Kendall 非參數檢驗方法對膠東半島海岸線的植被進行分析；丁超［15］對MODIS 時間序列重建和應用時發現隨著降水量的增多和人類活動減弱，松嫩平原約56%的草地EVI顯著增加；Park 等［16］通過對比1982—2006 年東亞地區生長季平均NDVI，發現20 世紀90 年代植被覆蓋度由增加變為下降；Salim 等［17］利用NOAA-AVHRR數據研究1982—1993 年蘇丹植被變化，發現降水量與NDVI具有較強相關關系；蒙吉軍等［18］通過分析AVHHR 數據發現中國20 世紀80 年代以來西南喀斯特地區植被變化的主要控制因素是溫度。

干旱半干旱區植被對氣候變化較為敏感，意味著在極端環境條件下，氣候條件的波動可能導致植被生長的顯著變化。新疆位于中國西北干旱區，過去幾十年來，生態學家利用遙感技術對新疆的植被變化進行了重點探討。劉斌等［19］利用遙感技術對塔里木河流域2000—2014 年植被變化進行了分析，發現除水域、荒漠與裸露地表面積減少外，其余地表類型呈增加趨勢；黃靜等［20］利用MODIS 遙感影像數據分析了新疆2000—2015 年不同類型植被的分布以及對干旱脅迫的響應。張遠東等［21］認為荒漠綠洲NDVI與地下水、氣溫、降水量相關性不顯著且缺乏實際意義，應當在研究時將其分開討論。然而，目前對新疆植被NDVI時空動態及其對氣候因子的響應研究，仍然相對缺乏，因此，有必要通過收集高分辨率的遙感數據，分析新疆植被NDVI的變化趨勢以及氣候因子對其影響的具體機制。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆地理位置介于73°20′—96°25′E，34°15′—49°10′N［6］，面積為166 萬km2［中華人民共和國民政部2018 年發布，審圖號為GS（2018）2512］，地處亞歐大陸中心地帶，屬于典型的干旱區。新疆具有“三山夾兩盆”的地形特點，由北至南依次為阿爾泰山、準噶爾盆地、天山、塔里木盆地、昆侖山。新疆以天山為界劃分為南疆和北疆，由于受遠離海洋和特殊的地形影響，南北疆分別為暖溫帶大陸性干旱氣候與溫帶大陸性干旱半干旱氣候，冬季漫長寒冷，夏季炎熱干燥，晝夜溫差較大［22］。新疆光熱資源豐富、日照時間長、降水量較少、蒸發量高、相對濕度較低，境內河流大多為內陸河，主要分布于天山北麓和塔里木河流域［23］。新疆植被覆蓋度較低，植被主要分布在天山、阿爾泰山脈以及準噶爾盆地和塔里木盆地的周邊（圖1）。

圖1 研究區及氣象站點分布

1.2 數據來源及預處理

1.2.1 植被遙感數據 植被遙感數據來自美國國家航空航天局（National aeronautics and space administration，NASA）發 布 的MODIS 植 被 指 數 產 品MYD13A1，該數據產品空間分辨率為500 m，時間分辨率為16 d，該產品主要用于記錄全球植被指數變化。本研究應用NASA 提供的數據預處理工具MRT（MODIS Reprojection tools）軟件對MODISNDVI數據進行投影變換、鑲嵌、裁剪與數據拼接等預處理。

對NDVI時間序列進行Savtzky-Golay（S-G）平滑濾波處理［24］，消除傳感器與大氣等其他因素對NDVI的影響，S-G 濾波的表達式如下。

利用最大值合成法（Most value composite，MVC）對2000—2015 年的MODISNDVI進行處理［25］，該方法消除了云、大氣、太陽高度角等干擾，可以更好地反映植被的長勢，計算方法如下。

式中，MNDVI,i為第i年的年最大NDVI，INDVI,ij為第i年j月的NDVI。

本研究借助地理信息系統平臺將NDVI的年平均值、年內最大值、生長季均值、春季均值、夏季均值以及秋季均值進行重分類，定義年均NDVI＜0.1 的區域為無植被覆蓋區［26］，［0.1，0.28）、［0.28，0.48）、［0.48，0.68］、＞0.68 分別為低、中、中高、高植被覆蓋區。

1.2.2 氣象數據 利用的氣象因子包括溫度和降水量，原始數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//data.cma.cn/），數據的時限為2000—2015 年。在進行統計時，計算了溫度和降水量的年平均值、逐月平均值以及季節（春、夏、秋、冬）平均值。為了獲取氣象因子的空間分布，借助地理信息技術平臺，采用自然鄰近法、克里金插值法、反距離插值法等對66 個氣象站的數據進行了插值，最終選取誤差較小的克里金插值法獲得的數據用以表征氣象因子的空間分布［27］。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析法 本研究中Slope 趨勢分析一方面利用2000—2015 年年最大NDVI進行線性擬合，計算變化斜率；另一方面對柵格影像逐像元不同時期進行分析，計算公式如下。

式中，n為監測時間段的累計年數（16 年）；i表示2000—2015 年的年序號；MNDVIi為第i年的最大NDVI；θSlope是趨勢線的斜率，若θSlope＞0，說明NDVI在16 年間呈增長趨勢，反之則降低。

對研究區每個柵格單元進行趨勢分析，依據斜率變化趨勢，將新疆NDVI的變化斜率≤-0.20、（-0.20，-0.04］、（-0.04，0.06］、（0.06，0.27）、≥0.27 分別定義顯著減少、輕微減少、基本不變、輕微增加、顯著增加。

1.3.2 Mann-Kendall 檢 驗 Mann-Kendall 屬 于 非參數檢驗方法，用于判斷時間序列是否具有上升或下降的趨勢，它無需樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾［28］，公式如下。

其中，

式中，本研究在置信水平α=0.05 上判斷NDVI變化趨勢的顯著性，將檢驗結果Z劃分為顯著變化（|Z|＞1.96）和不顯著變化（|Z|＜1.96）［29］。

對2000—2015 年新疆不同季節NDVI、年平均NDVI與溫度和降水量進行相關性分析，并對相關系數進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 植被NDVI的時空動態變化

參考方精云等［26］的研究，依據NDVI的值將研究區分為不同的區域，分別為無植被覆蓋區（NDVI≤0.1）、低植被覆蓋區（0.1＜NDVI≤0.28）、中植被覆蓋區（0.28＜NDVI≤0.48）、中高植被覆蓋區（0.48＜NDVI≤0.68）以及高植被覆蓋區（NDVI＞0.68）。依據上述劃分標準，統計了研究區2000 年和2015 年2個時間點上各類區域的轉移矩陣。結果（表1）表明，無植被覆蓋區域在2010—2015 年未發生變化的區域占全疆總面積的50.80%，主要分布于古爾班通古特沙漠、吐魯番和哈密南部、塔克拉瑪干沙漠等地；低植被覆蓋區域與中度植被覆蓋區域NDVI等級未變化的區域分別占全疆總面積的21.25% 和7.39%，主要分布于天山北坡、塔城、阿勒泰地區、哈密中部、塔里木盆地周邊綠洲等地；中高以及高植被覆蓋區NDVI等級未發生變化的區域分別占全疆總面積的2.57%和0.06%，主要分布于伊犁河谷、塔城北部、阿勒泰北部山區以及阿克蘇地區、喀什地區、和田地區等綠洲。

表1 2010—2015 年新疆NDVI的轉移矩陣（單位：km2）

就各類植被覆蓋區的相互轉化而言，2000—2015 年低植被覆蓋區轉變為其他植被覆蓋區的面積為8.96 萬km2；低、中、中高植被覆蓋區域新增面積分別為7.12 萬、4.18 萬、1.09 萬km2。此外，各類植被覆蓋區的相互轉化以NDVI臨近區域之間的轉化為主，例如，無植被覆蓋區中有8.65 萬km2轉為低植被覆蓋區，低植被覆蓋區中有1.08 萬km2轉為無植被覆蓋區，而無植被覆蓋區轉為中高植被覆蓋區和高植被覆蓋區的面積僅分別為504、0 km2。

研究區NDVI的年均值、最大值、生長季值以及春、夏、秋季值也呈現出區域差異性（圖2）。研究發現，NDVI較高的區域由北至南分布于阿爾泰山、天山、塔里木盆地北緣、西緣以及南緣地帶，最高值出現在伊犁盆地。年平均NDVI與生長季NDIV相比相對較低，對比春、夏、秋季NDVI可以發現，夏季＞秋季＞春季。

圖2 2000—2015 年新疆NDVI空間分布特征

年最大NDVI能夠反映植被在年內的最佳生長狀況。如圖3 所示，2000—2015 年新疆NDVI基本不變的區域面積為1 168 351 km2，占全疆面積的70.38%，主要位于準噶爾盆地、哈密東部、南疆塔里木盆地及巴州東南部，該區域分布大面積沙漠、戈壁，區域內的植被狀況在2000—2015 年未發生明顯變化；NDVI顯著減少的區域面積為3 134 km2，占全疆面積的0.19%，主要位于博州、天山南坡、巴州南部部分區域；NDVI顯著增加的區域面積為37 069 km2，占全疆面積的2.23%，主要位于伊犁河谷、塔城北部、天山北坡中部、塔里木盆地北部綠洲、喀什、和田等區域；輕微減少的區域主要位于天山中部；輕微增加的區域分布于全疆各地綠洲。

圖3 NDVI空間變化趨勢

研究區年均NDVI以及春、夏、秋季NDVI均值在2000—2015 年均呈上升趨勢（圖4）。2000—2015 年平均NDVI整體呈明顯上升趨勢，變化率為0.00 162/年，其變化過程可以分為3 個階段：2000—2009 年波動上升，2009—2013 年快速上升，2014 年降至0.14 之后又開始上升；春季NDVI呈顯著上升趨勢，2009—2010 年呈顯著下降趨勢，其他年份圍繞回歸直線波動上升；夏季NDVI整體較高，2000—2003 年NDVI波動上升，2003—2009 年NDVI下降至0.19 之后快速上升，2013—2015 年NDVI波動下降，呈顯著上升趨勢，年變化率為0.00 186/年；秋季NDVI呈顯著上升趨勢，2000—2011 年NDVI從0.13 上升至0.19，2011—2015 年整體呈下降趨勢，直至0.14，年變化率為0.00 228/年（圖4）。

圖4 2000—2015 年不同季節及年平均NDVI變化趨勢

2.2 氣候因子時空變化分析

2.2.1 溫度的時空變化 2000—2015 年研究區的年平均溫度變化存在空間異質性（圖5a、圖5b）。總體而言，在該時間段內，年平均溫度由北向南逐漸降低，低溫區域主要集中于阿勒泰地區北部、天山山脈中部等地，高溫區域主要集中于塔克拉瑪干沙漠腹地、哈密西南部區域。對比2000 年與2015 年年平均溫度的變化可知，巴音郭楞蒙古自治州東部、哈密東南部年平均溫度降低了1～2 ℃；伊犁地區、巴音郭楞蒙古自治州西南和阿克蘇東南等區域年平均溫度上升了0～1 ℃；阿勒泰北部、塔城地區、和田地區溫度基本不變。

由圖6a、圖6b 可以看出，新疆年平均溫度介于7.55～9.07 ℃，2000—2015 年年平均溫度整體呈不顯著增加趨勢，2000—2007 年溫度呈波動上升趨勢、2007—2012 年溫度逐年下降，2012 年年平均溫度為7.55 ℃、2012—2015 年平均溫度逐漸上升至9.07 ℃，年變化率為0.066 ℃/10 年。春季、秋季平均溫度呈上升趨勢，年變化率分別為0.300 ℃/10 年和0.028 ℃/10 年；夏季平均溫度呈不顯著下降趨勢，年變化率為-0.085 ℃/10 年；冬季溫度呈不顯著上升趨勢，年增長率為0.004 ℃/10 年。除夏季溫度有輕微降低趨勢外，其他三季溫度均為上升趨勢。總體而言，2000—2015 年新疆的溫度呈不顯著上升趨勢。

2.2.2 降水量的時空變化 2000—2015 年新疆年平均降水量介于147.90～211.92 mm，呈北多南少、西多東少的分布格局，伊犁河谷為高降水量的核心地區，年均降水量可達270 mm 以上；塔克拉瑪干沙漠腹地為低降水量核心，年均降水量不超過50 mm。2000—2015 年新疆高降水量核心區與低降水量核心區的平均降水量均基本不變；阿勒泰地區東北部、天山中部、哈密地區東部少量區域年均降水量減少60～90 mm；喀什地區、克州、和田地區、塔城中部區域年均降水量增加50～110 mm（圖5c、圖5d）。

圖5 2000、2015 年新疆年平均溫度、年降水量插值結果

新疆不同季節降水量有較大差異，夏季降水量占年均降水量的44.74%，春季和秋季降水量分別占平均降水量的24.72%和19.73%，冬季降水量占平均降水量的11.45%，夏季降水量對全年降水量的影響最大。夏季降水量介于51.51～86.24 mm，春季和秋季降水量分別介于27.74～52.72 mm 和24.20～48.48 mm，冬季降水量介于12.39～36.34 mm。2000—2015 年新疆四季降水量的變化趨勢在0.05 的置信水平上均不顯著（圖6c、圖6d）。

圖6 2000—2015 年各季節溫度（a）、年平均溫度（b）、各季降水量（c）、年降水量（d）的變化趨勢

2.3 NDVI與氣候因子的響應關系

2000—2015 年新疆年平均NDVI與年平均溫度、降水量曲線趨勢變化基本相同，年平均NDVI與年平均溫度之間的相關性不顯著（R=0.074，P＞0.05）；年平均NDVI與年平均降水量之間呈較弱的正相關（R=0.320，P＜0.05）。

由表2 可以看出，7、8、9 月是研究區一年內植被生長最旺盛的時期，7 月NDVI與溫度呈不顯著負相關關系，7 月NDVI與降水量呈不顯著正相關關系，7月降水量與溫度呈顯著相關關系，相關系數為0.503；8 月NDVI與溫度呈不顯著正相關關系、8 月NDVI與降水量呈不顯著正相關關系、8 月降水量與溫度呈極顯著正相關關系，相關系數為0.897；9 月NDVI與溫度和降水量都呈不顯著相關關系、9 月溫度與降水量呈不顯著正相關關系。7 月溫度對NDVI的變化具有輕微抑制作用；8、9 月具有輕微促進作用，降水量在7、8、9 月均對NDVI具有促進作用，8 月最為明顯；降水量和溫度在7、8 月相關性極高，9 月降水量與溫度的相關性較之減弱。

表2 7、8、9 月NDVI與溫度和降水量間自相關分析

由于溫度和降水量對植被的生長具有一定的滯后性，因此對于不同季節NDVI的影響要綜合考慮季前溫度、同季溫度、后季溫度和季前降水量、同季降水量、后季降水量等因素。春季NDVI與春季平均溫度呈顯著正相關性，相關系數為0.509，與冬季平均溫度呈不顯著正相關、與夏季平均溫度呈不顯著負相關、與春季平均降水量呈不顯著正相關，與冬季降水量呈顯著正相關，相關系數為0.500，與夏季降水量呈不顯著正相關；夏季NDVI與夏季平均溫度呈不顯著負相關、與春季平均溫度呈不顯著負相關、與秋季平均溫度呈不顯著正相關，與夏季降水量呈顯著正相關，相關系數為0.400，與春季降水量呈不顯著正相關，相關系數為0.395，與秋季降水量呈不顯著正相關；秋季NDVI與秋季平均溫度呈不顯著正相關、與夏季和冬季平均溫度都呈不顯著負相關，與秋季降水量呈不顯著正相關，相關系數為0.420，與夏季降水量呈顯著正相關，相關系數為0.517，與冬季降水量呈不顯著正相關，相關系數為0.419。春季NDVI隨著溫度的升高而升高，較為適宜的溫度能夠快速促進植被生長，夏季高溫對植被的生長具有明顯的抑制作用，秋季溫度對植被覆蓋度沒有明顯影響。前季降水量對春季NDVI的影響高于同季降水量，對夏季NDVI的影響略低于同季降水量，對秋季NDVI的影響高于同季降水量。整體來看，同季均溫對生長季植被NDVI的影響高于前季均溫，前季降水量對生長季植被NDVI的影響高于同季降水量。

表3 NDVI與溫度、降水量的相關性分析

3 討論與小結

3.1 討論

植被變化對生態系統的功能、能量平衡、物種豐富度等具有重要影響，一般依據植被NDVI來反映植被生物量，高NDVI反映植被具有良好的生產力和充足的生物量，NDVI的正增長趨勢代表著生態環境逐漸變好，植被種群逐漸擴大。新疆地處亞歐大陸中心區域，在植被的生長季期間伴隨著干旱少雨、高溫炎熱等氣候限制，因此，新疆的植被覆蓋度整體較低。低植被覆蓋區轉變為其他植被覆蓋區的面積為8.96 萬km2；高植被覆蓋區轉變為中高植被覆蓋區的面積僅為786 km2。NDVI上升的區域主要集中于天山北坡、塔里木盆地周邊綠洲等，降低的主要區域位于伊犁北部、塔城、阿勒泰北部、巴音郭楞蒙古自治州南部等地。2000—2015 年新疆整體NDVI呈上升趨勢，年NDVI增加速率為0.00 162。春季與夏季NDVI增長較為穩定，秋季NDVI自2011 年達到最高值后有所下降，這一結果與此前多位學者的成果保持一致［29，30］。

降水量和溫度是影響植被生長的主要自然因子，從溫度和降水量的變化趨勢來看，研究區2000—2015 年以來，溫度升高的區域主要位于伊犁地區、阿克蘇地區、巴音郭楞蒙古自治州南部等地，降低的區域主要位于天山中部、哈密東部、昌吉、喀什、巴音郭楞蒙古自治州東部等地；降水量增加的區域主要位于塔城地區、阿克蘇地區、克州等地，減少的區域主要位于克拉瑪依、阿克蘇南部等地。溫度和降水量的變化趨勢表明，整體上新疆近年來的氣候與中國西北地區氣候變暖的趨勢一致，但局部仍存在分異特征，這可能導致NDVI呈現不同的響應［29-31］。就NDVI對年內氣象條件的響應而言，本研究發現，研究區7 月和9 月的降水量和溫度與NDVI的相關性不顯著，而8 月降水量和溫度與NDVI顯著相關。此外，本研究發現，溫度和NDVI變異性較高的區域在空間上不一致，表明溫度變化與NDVI沒有直接的相關性。相對而言，春季NDVI的變化主要受前一年冬季降水量的影響，夏季和秋季NDVI的變化主要受夏季降水量的影響，因此，春季植被的生長主要依賴前季降水量，夏季和秋季植被生長主要依賴于夏季降水量。總體而言，NDVI與降水量的變化較為一致，表明NDVI與降水量的相關性強于溫度。

3.2 小結

利用2000—2015 年新疆MODISNDVI數據集及同期氣象數據，研究干旱區植被指數變化特征，探究NDVI與溫度、降水量之間的相關關系，得出結論如下。

1）2000—2015 年新疆NDVI總體呈顯著上升趨勢，NDVI基本不變的區域面積為1 168 351 km2，占全疆總面積的70.38%；顯著減少的區域面積為3 134 km2，占全疆總面積的0.19%，主要位于博州、天山南坡、巴州南部部分區域；顯著增加的區域面積為37 069 km2，占全疆總面積的2.23%。

2）新疆溫度空間分布特點是南高北低，從南向西北依次遞減。溫度季節分配不平均，溫差較大。2000—2015 年新疆年平均溫度呈不顯著增加趨勢。降水量空間分布呈西多東少、北多南少的格局，年平均降水量介于23.0～287.2 mm。2000—2015 年新疆降水量呈不顯著增加趨勢。

3）年平均NDVI與年平均溫度、年平均降水量呈不顯著正相關。由于植被NDVI對降水量具有滯后響應，因此，春季NDVI與冬季降水量之間以及秋季NDVI與夏季降水量之間均呈顯著正相關；相對而言，同季均溫對NDVI的影響高于前季均溫，表明NDVI對溫度的響應不存在滯后性。