徐麗萍，郭 鵬，王 玲，劉 琳

（石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆 石河子832003）

在全球變暖的大趨勢下，不同地區(qū)對其的響應(yīng)不同。植被是土壤類型、地貌特征、氣候變化和人類活動長期相互作用的產(chǎn)物，其分布、組成、發(fā)生和發(fā)展與環(huán)境條件密切相關(guān)［1－3］。在干旱與半干旱地區(qū)，稀疏植被覆蓋是其主要的環(huán)境特征，對于環(huán)境的變化尤其是氣候的變化異常敏感，因此，長期定量的植被分布和變化分析能夠反映環(huán)境演變的過程及其與氣候變化的關(guān)系。

NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）與植被覆蓋度、植被綠度、植被生產(chǎn)力等性狀具有很好的線性關(guān)系［4－5］，是反映植被輻射吸收特性、氣候脅迫作用等的重要指標(biāo)［6］。目前關(guān)于植被指數(shù)與氣象因子響應(yīng)關(guān)系的研究表明，氣溫、降水與植被NDVI關(guān)系密切［7－12］，并表現(xiàn)出滯后效應(yīng)［8］和顯著的空間差異性［13］。關(guān)于新疆地區(qū)的研究成果中張生軍等［14］對不同植被類型生長季NDVI與氣候因子進行了相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)有的植被類型對降水較為敏感，有的植被類型對溫度較為敏感；王桂鋼等［15］對天山山區(qū)草地變化與氣候要素的時滯效應(yīng)分析表明，草地NDVI與氣溫、降水和光照存在不等的滯后效應(yīng)。天山北麓綠洲是新疆重要的經(jīng)濟發(fā)展帶，近年來植被覆蓋發(fā)生了明顯的變化，但相關(guān)研究只是從宏觀角度對覆被狀況與氣候的關(guān)系進行分析［16－17］，沒有針對具體的植被類型。本文利用1982—2005年這24a來NDVI的時間序列，采用線性趨勢法分析天山北麓中段不同區(qū)域各類型植被的變化情況，并將其與氣溫和降水的響應(yīng)情況進行相關(guān)分析，以利于把握天山北麓中段生態(tài)環(huán)境變化狀況及其對氣候變化的響應(yīng)程度，更好地為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和建設(shè)提供支持。

1 研究區(qū)概況

天山北麓中段位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東起烏魯木齊市，西至烏蘇市，南起前山帶，北至沙漠邊緣，呈不規(guī)則多邊形。東西長約406km，南北最寬約210 km，面積約8．5萬km2。地形總體由南東向北西傾斜，西北部最低為280m。天山北麓中段是北坡經(jīng)濟帶的中心，按生態(tài)區(qū)劃為山前平原東段、山前平原西段、山區(qū)東段和山區(qū)西段。該地區(qū)屬內(nèi)陸干旱區(qū)，夏季炎熱干旱，冬季寒冷多風(fēng)，多年平均降水量220 mm，呈由南向北遞減趨勢，多年平均氣溫6．9℃，多年平均蒸發(fā)潛力1 817mm，而蒸發(fā)量則由南向北遞增。天山積雪孕育了眾多河流水系，從東向西主要有烏魯木齊河、頭屯河、呼圖壁河、瑪納斯河和奎屯河等徑流量大于108m3／a的內(nèi)陸河流，另有若干條年徑流量較小的河流。這些河流發(fā)源于山區(qū)，在平原區(qū)徑流和耗散，最終消失于古爾班通古特沙漠。植被以耕地農(nóng)作物為主，冬季積雪覆蓋和春季積雪融水對植被覆蓋影響較大。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來源

2．1．1 遙感數(shù)據(jù)來源 本文所使用的數(shù)據(jù)是利用先進的高分辨率輻射計（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR）反射的全球月平均歸一化差分植被指數(shù)，該資料是由美國NOAA／NASA探險 者 AVHRR 中 心 （Pathfinder AVHRR Land，PLA）免費提供，其空間分辨率為8km×8km，時間跨度為1982—2005年。

2．1．2 氣象數(shù)據(jù)來源 氣象數(shù)據(jù)為新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心提供的北疆35個基本氣象臺站的月均溫和月降水?dāng)?shù)據(jù)，選取天山北麓中段7個站點數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到1982—2005年每年的年均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。

2．2 研究方法

2．2．1 斜率法 利用變化斜率的方法來研究NDVI時空演變趨勢，計算公式如下：

式中：i——年序號；n——時間長度；NDVI——基于像元的24a時間序列；采用生長季（4—10月）平均值。b＞0表示植被覆蓋呈增加趨勢，b＜0表示植被覆蓋呈減少趨勢，b＝0表示植被覆蓋無變化趨勢。

NDVI變化百分率可表示24aNDVI的變化程度，計算方法如下：

采用t檢驗法對斜率的顯著性進行檢驗。通過studentt－test顯著性檢驗（P＜0．05）作為 NDVI顯著性增加或顯著性減少的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2．2．2 歸一化植被指數(shù)提取過程 為了更加有效地消除云遮蓋、大氣影響、觀測中的幾何畸變、非衛(wèi)星天底角觀測等不利因素，本研究采取了最大值合成法，將每個月兩個15d全國NDVI數(shù)據(jù)采用最大值合成法做成月數(shù)據(jù)，對月NDVI資料求平均值，得到春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）四季和年平均NDVI資料。用矢量化的天山北麓中段4個生態(tài)區(qū)邊界提取NDVI值，并將GIMMS NDVI柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，參考新疆植被圖集，將研究區(qū)所有像元柵格（8km×8km）分為7種植被類型，若某像元i（i分別為農(nóng)田、荒漠、牧場、森林、高山植被）植被類型面積大于等于該像元面積50%時，定義該像元的植被類型為i；若在該像元中同時存在兩種以上的自然植被類型，并且各植被類型的面積都小于該像元面積的50%，該柵格被定義為混合植被類型；若該像元中存在兩種以上植被類型（且含有農(nóng)田植被），各植被類型的面積都小于該像元面積的50%，則將該像元定義為混合農(nóng)田植被類型。

2．2．3 NDVI與氣溫和降水的相關(guān)性分析 選取天山北麓7個典型站點氣象數(shù)據(jù)，先將不同生態(tài)區(qū)域所對應(yīng)站點的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進行平均，得到每個區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，然后用SPSS軟件進行相關(guān)性分析，得出每個生態(tài)區(qū)不同植被類型的NDVI值與同期氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3．1 天山北麓中段NDVI變化特征

用斜率法進行天山北麓近24a生長季累積NDVI變化趨勢分析（圖1），可知近年來該區(qū)NDVI顯著增加的面積為32 320km2，其中顯著增加區(qū)域面積占該區(qū)的10．55%；生長季NDVI顯著減少的面積為1 088km2，其中顯著減少的區(qū)域面積僅占0．35%。由此可見，近年來，該區(qū)生長季NDVI在空間分布上總體呈增長趨勢。中段地區(qū)NDVI顯著增加的面積占總面積的11．56%，而顯著減少的面積僅占0．15%，表明24a來天山北麓中段地區(qū)植被總體呈上升趨勢，植被生長狀況向好的方向發(fā)展。

3．2 天山北麓中段各生態(tài)區(qū)不同植被類型NDVI變化趨勢

天山北麓各生態(tài)區(qū)24a來不同植被類型的NDVI值均在波動中有所增長（圖2）。天山北麓山前平原東段各植被類型的NDVI值與山前平原西段相比，增長率有所降低且波動較小。山前平原西段混合植被指數(shù)每10a增長率大約為2．8%，比山前平原東段高0．9%；農(nóng)田植被指數(shù)每10a增長率大約為3．8%，比山前平原東段高0．8%；混合農(nóng)田植被指數(shù)和荒漠植被指數(shù)最低，與山前平原東段相差不大，但多了牧場植被類型。天山北麓山區(qū)西段混合植被指數(shù)年平均增長率為0．22%，比山區(qū)東段高0．01%；農(nóng)田植被指數(shù)增長率最大，每10a增長率大約為4．6%，比山區(qū)東段高1．5%。與山區(qū)西段不同，山區(qū)東段牧場植被指數(shù)明顯高于農(nóng)田和混合農(nóng)田，荒漠植被指數(shù)最低。與山前平原相比，山區(qū)植被類型增加了森林植被和高山植被。

圖1 研究區(qū)地理位置

圖2 天山北麓不同植被類型NDVI變化趨勢

總而言之，山前平原區(qū)植被指數(shù)增長幅度高于山區(qū)，主要是在國家政策扶持下，平原區(qū)耕地面積迅速擴大，經(jīng)濟作物種類增多，從而使農(nóng)田植被指數(shù)迅速增加。這也表明植被指數(shù)的變化，不僅受自然因素影響，同時也受到人為因素的影響。此外，平原區(qū)植被類型較少，以農(nóng)田植被為主，而山區(qū)則以森林植被為主?；哪脖恢笖?shù)與其他植被指數(shù)相比一直較低。

3．3 天山北麓各生態(tài)區(qū)不同植被類型NDVI與氣溫和降水的關(guān)系

從相關(guān)系數(shù)來看，除個別類型外，多數(shù)植被類型與降水及氣溫的相關(guān)性普遍較低。這可能與遙感數(shù)據(jù)分辨率過低和氣象數(shù)據(jù)山區(qū)站點不豐富有關(guān)，但天山北麓不同生態(tài)區(qū)不同類型植被指數(shù)都與氣溫和降水存在正相關(guān)關(guān)系（表1），表明氣溫和降水是影響該區(qū)域植被生長的重要自然因素。對于不同生態(tài)區(qū)的混合植被指數(shù)來說，山前平原區(qū)的混合植被指數(shù)與降水的相關(guān)性較大，與氣溫的相關(guān)性較小。而山區(qū)的混合植被指數(shù)與氣溫的相關(guān)性較大，與降水的相關(guān)性較小。其中荒漠植被一直與降水有較好的相關(guān)性，尤其山區(qū)西段的荒漠植被，其NDVI值與降水的相關(guān)系數(shù)超過了0．7，說明干旱區(qū)植被對氣候變化的響應(yīng)非常敏感。農(nóng)田植被與氣溫和降水的相關(guān)性都不是很大，尤其在山區(qū)，與氣溫的相關(guān)性很弱，但其植被增長率在各區(qū)域均為最高，表明人為因素對其變化造成了很大影響。森林植被指數(shù)在山區(qū)西段與降水的相關(guān)性較高，而在山區(qū)東段卻與其呈弱相關(guān)關(guān)系。這可能與天山北麓山區(qū)東段與西段的氣候背景不同有關(guān)，山區(qū)東段氣溫普遍高于西段，降水也多于西段。

由以上分析可知，除了山區(qū)西段的高山植被指數(shù)和山區(qū)東段的牧場植被指數(shù)與氣溫的相關(guān)性大于其與降水的相關(guān)性外，其他植被指數(shù)均與降水有更好的相關(guān)性。

表1 天山北麓各生態(tài)區(qū)不同植被類型NDVI與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

4．1 結(jié) 論

在1982—2005年的24a間，天山北麓中段不同生態(tài)區(qū)不同植被類型的NDVI均在波動中有所增長，但不同生態(tài)區(qū)的主要植被類型不同，山前平原區(qū)主要以荒漠植被和農(nóng)田植被為主，山區(qū)西段主要以高山植被為主，山區(qū)東段主要以牧場植被為主。平原區(qū)植被指數(shù)的增長率大于山區(qū)，波動性也較大。不同植被類型NDVI與氣候因子相關(guān)性分析表明，高山植被受年均氣溫影響較大，荒漠植被、農(nóng)田植被及混合農(nóng)田植被和降水相關(guān)性較大，牧場植被與氣溫和降水均存在相關(guān)性?？偟膩碚f，各植被類型NDVI都與氣溫和降水存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系，表明氣溫和降水是影響天山北麓植被變化的兩個主要自然因素。

4．2 討 論

植被的生長受多種因子的影響，包括自然因子（氣溫、降水、土壤、太陽輻射等）和非自然因子（人類活動等），而且這些因子對植被生長的影響可能存在一定的滯后性。本文只對自然因子中的氣溫、降水進行了相關(guān)性分析，并沒有進行氣候因子對植被生長影響的滯后性分析，而且由于資料缺乏等的限制，也未區(qū)分自然因素和人為因素貢獻率的大小，這些還有待進一步深入研究。

［1］ 孫紅雨，王常耀，牛錚，等．中國植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系：基于NOAA時間序列數(shù)據(jù)［J］．遙感學(xué)報，1998，2（3）：204－210．

［2］ 王晶晶，白雪，鄧曉曲，等．基于NDVI的三峽大壩岸邊植被時空特征分析［J］．地球信息科學(xué)，2008，10（6）：808－815．

［3］ 信忠保，許炯心，鄭偉．氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響［J］．中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2007，37（11）：1504－1514．

［4］ Carlson T N，Ripley D A．On the relation between NDVI，fractional vegetation cover，and leaf area index［J］．Remote Sensing of Environment，1997，62（3）：241－252．

［5］ 鄧飛，全占軍，于云江．20年來烏蘭木倫河流域植被蓋度變化及影響因素［J］．水土保持研究，2011，18（3）：137－140．

［6］ Boegh E，Soegaard H，Hanan N，et al．A remote sensing study of the NDVI－Ts relationship and the transpiration from sparse vegetation in the Sahel based on high resolution satellite data［J］．Remote Sensing of Environment，1999，69（3）：224－240．

［7］ 龔道溢，史培軍，何學(xué)兆．北半球春季植被NDVI對溫度變化響應(yīng)的區(qū)域差異［J］．地理學(xué)報，2002，57（5）：505－514．

［8］ 李曉兵，史培軍．中國典型植被類型NDVI動態(tài)變化與氣溫、降水敏感性分析［J］．植物生態(tài)學(xué)報，2000，24（3）：379－382．

［9］ 王兮之，梁釗雄，周顯輝，等．黃河源區(qū)瑪曲縣植被覆蓋度及其氣候變化研究［J］．水土保持研究，2012，19（2）：57－65．

［10］ 付新峰，楊勝天，劉昌明．雅魯藏布江流域NDVI時空分布及與站點氣候因子的關(guān)系［J］．水土保持研究，2006，13（3）：229－232．

［11］ 姚雪茹，劉華民，裴浩，等．鄂爾多斯高原1982—2006年植被變化及其驅(qū)動因子［J］．水土保持通報，2012，32（3）：225－230．

［12］ 杜加強，舒儉民，張林波．1982—2006年黃南州 NDVI年際變化及其與氣候的關(guān)系［J］．水土保持通報，2010，30（4）：229－234．

［13］ 陳云浩，李曉兵，史培軍．1983—1992年中國陸地ND－VI變化的氣候因子驅(qū)動分析［J］．植物生態(tài)學(xué)報，2001，25（6）：716－720．

［14］ 張生軍，王濤，王天明，等．新疆不同植被NDVI的變化及其與氣候因子的關(guān)系［J］．草業(yè)科學(xué)，2010，26（5）：26－31．

［15］ 王桂鋼，周可法，孫莉，等．天山山區(qū)草地變化與氣候要素的時滯效應(yīng)分析［J］．干旱區(qū)地理，2011，34（2）：317－324．

［16］ 李楊，劉艷，馬麗云，等．天山北坡氣候因子對植被影響的空間分異性研究［J］．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25（7）：91－95．

［17］ 謝國輝，李曉東，周立平，等．氣候因子影響天山北坡植被指數(shù)時空分布研究［J］．地球科學(xué)進展，2007，22（6）：618－624．