劉艷，聶磊，楊耘

1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2. 中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆烏 魯木齊 830002；3.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；4. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054

草地是新疆畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，新疆現(xiàn)有草地面積5.12×107hm2，占全國(guó)草地面積的19.52%（劉新平等，2009）。新疆天山南北坡地理地貌、氣候、生態(tài)差異巨大，牧草品種較多，作為新疆畜牧業(yè)的重要基地，承擔(dān)著畜牧生產(chǎn)、生態(tài)平衡可持續(xù)發(fā)展的重任（許鵬，1993）。因此，定量評(píng)估天山南北坡草地覆蓋變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和牧業(yè)生產(chǎn)管理具有重要意義。隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，遙感監(jiān)測(cè)可以提供植被生長(zhǎng)相對(duì)即時(shí)連續(xù)的信息。其中，植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可反映植被生長(zhǎng)季和年際動(dòng)態(tài)及氣候條件變動(dòng)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)影響評(píng)價(jià)信息（Muukkonen et al.，2007；Piao et al.，2007；嚴(yán)建武等，2008；王新欣等，2008；Jin et al.，2011；Leisher et al.，2012；Ouyang et al.，2012）。NOAA/NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品在空間和光譜分辨率上劣于MODIS/NDVI，相對(duì)獲取不便，特別是近年來(lái)的植被指數(shù)產(chǎn)品（嚴(yán)建武等，2008）。MODIS/NDVI空間分辨率有250 m、500 m和1 km 3種，有單日、16日和月合成三類(lèi)數(shù)據(jù)，產(chǎn)品時(shí)空分辨率能很好地反映草地植被時(shí)空變化和估算草地生物量 ，在森林及草地資源監(jiān)測(cè)中有一定的有效性（Piao et al.，2007；王新欣等，2008；Jin et al.，2011；Ouyang et al.，2012；Leisher et al.，2012）。

目前，新疆大部分天然草地出現(xiàn)了不同程度的退化，草地生態(tài)環(huán)境破壞、畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展受到影響。草地生態(tài)變化研究重點(diǎn)應(yīng)集中在山區(qū)等生態(tài)脆弱區(qū)和自然地理過(guò)渡地帶（夏浩銘等，2015）。但是，現(xiàn)有研究主要集中在天山北麓和伊犁河谷，主要針對(duì)植被時(shí)空格局及變化顯著性水平開(kāi)展（謝國(guó)輝等，2007；閆俊杰等，2013；劉芳等，2014；曹孟磊等，2016），很難了解整個(gè)天山地區(qū)及其典型草地空間分布特征和長(zhǎng)時(shí)間序列變化規(guī)律及草地水熱影響強(qiáng)弱的空間分布特征。因此，本文利用天山地區(qū)2001—2015年MODIS MOD13Q1數(shù)據(jù)集中的NDVI數(shù)據(jù)，定量分析天山地區(qū)不同草地類(lèi)型 NDVI時(shí)空演變特征及其氣候驅(qū)動(dòng)時(shí)空特征，探討不同類(lèi)型草地水熱影響強(qiáng)弱的空間特征，為天山地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)1∶400萬(wàn)《中華人民共和國(guó)植被圖》（中國(guó)科學(xué)院植物研究所，1979），將天山地區(qū)分為無(wú)植被、栽培植被和自然植被地段。其中，自然植被包含草叢、草原、草甸、荒漠、沼澤、高山稀疏植被、高山植被、灌從、闊葉林、針葉林和針葉闊葉混交林。研究區(qū)覆蓋天山北坡西段伊犁河谷草原畜牧業(yè)區(qū)、天山南坡中段高山盆地草地限牧恢復(fù)區(qū)、天山北坡中段山地草原限牧恢復(fù)區(qū)、天山北坡東段山間盆地草原限牧恢復(fù)區(qū)和天山南坡東段-吐哈盆地草地禁牧保護(hù)區(qū)，涵蓋高寒草原、草甸、溫性草原化荒漠、沼澤等12種典型草地類(lèi)型（圖1）。研究區(qū)草地類(lèi)型具有一定的典型性和完整性，空間分布上具有一定的連續(xù)性，是開(kāi)展天山地區(qū)草地資源時(shí)空變化及水熱影響研究的典型區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 植被指數(shù)數(shù)據(jù)

植被指數(shù)數(shù)據(jù)為 MOD13Q1 NDVI（空間分辨率250 m，時(shí)間分辨率16 d），數(shù)據(jù)格式EOS-HDF，在全球正弦曲線投影SIN（Sinusoidal Projection）中編號(hào)h23v04、h23v05、h24v04和h24v05，時(shí)間為2000年6月—2015年12月，共1430景。利用MRT（MODIS Reprojection Tools）批量完成HDF-TIF格式轉(zhuǎn)換、定義投影（WGS84）和影像拼接、最大值合成（Maximum Value Composition，MVC）2000—2015年NDVI年最大值以表征天山地區(qū)當(dāng)年植被最好長(zhǎng)勢(shì)和生成7月NDVI均值。轉(zhuǎn)換投影過(guò)程中，將原數(shù)據(jù) ISIN（Integerized Sinusoidal）投影轉(zhuǎn)換為 Albers，坐標(biāo)系選取WGS84，像素大小250 m，校正類(lèi)型采用最鄰近像元法，輸出類(lèi)型為T(mén)IFF格式。

2.1.2 草地產(chǎn)草量數(shù)據(jù)

草地產(chǎn)草量地面調(diào)查集中在 2009—2015年 7—8月進(jìn)行。在草地類(lèi)型均一的典型區(qū)域設(shè)計(jì)了235塊調(diào)查樣地，樣地基本特征調(diào)查中主要記錄樣地所隸屬行政區(qū)、草地類(lèi)型、地形、季節(jié)利用方式和利用狀況等。一個(gè)樣地內(nèi)布設(shè)3個(gè)樣方：草本及矮小灌木草原布設(shè)樣方為1 m×1 m正方形，當(dāng)樣地草地分布呈斑塊狀或者較為稀疏時(shí)將樣方擴(kuò)大到 2～4 m2；具有灌木及高大草本植物且數(shù)量較多或分布較為均勻的樣地，則布設(shè)1個(gè)10 m×10 m的正方形樣方，也可為20 m×5 m的長(zhǎng)方形樣方，不做重復(fù)；齊地割取地上全部植株測(cè)量地上生物量，即為草地產(chǎn)草量。最終獲取草地產(chǎn)草量采樣點(diǎn)793個(gè)（圖2）。利用GPS測(cè)定樣方經(jīng)緯度和海拔，同時(shí)在樣方內(nèi)采用常規(guī)植被調(diào)查法測(cè)定植物種數(shù)、植被蓋度、群落平均高度等指標(biāo)，獲取植被蓋度數(shù)據(jù)294個(gè)（圖2）。

圖1 研究區(qū)草地利用類(lèi)型分區(qū)、典型草地類(lèi)型及其位置示意圖Fig. 1 Partitioning of the grassland use types, typical grassland types and their locations in the study area

圖2 2009—2015年7月底—8月初草地總產(chǎn)量實(shí)測(cè)位置分布圖Fig. 2 Spatial distribution of the in-situlocations of total herbage yield from the end of July to the beginning of August during the years 2009—2015

2.1.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)為研究區(qū)內(nèi)51個(gè)地面氣象站2000—2015年日平均氣溫（℃）和降水量（mm）數(shù)據(jù)。已有研究指出植被生長(zhǎng)和溫度及降水量響應(yīng)通常具有1～3個(gè)月的時(shí)間延滯（Piao et al.，2003；Chen et al.，2005）。因此，以生長(zhǎng)季7月NDVI均值與前1個(gè)月、2個(gè)月及3個(gè)月≥10 ℃積溫和累積降水量做空間相關(guān)分析，了解其是否具有時(shí)間延滯效應(yīng)并以決定系數(shù)（r）來(lái)評(píng)估回歸效果。利用ARCGIS-IDW（Inverse Distance Weighted）法將上述氣象要素插值為分辨率、投影與NDVI一致的柵格數(shù)據(jù)，通過(guò)天山地區(qū)邊界數(shù)據(jù)掩膜獲得水熱因子序列柵格數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 植被指數(shù)處理

選取一年中草地最茂盛時(shí)期的NDVI值定量分析不同牧草類(lèi)型變化趨勢(shì)。由于氣候影響，不同年份草地長(zhǎng)勢(shì)最茂盛的時(shí)間是不確定的。因此，對(duì)一年23景NDVI影像進(jìn)行逐像元最大值提取，計(jì)算公式如下：

式中，MAX(NDVI,i)為第i年該像元最大NDVI，即是一年內(nèi)該像元上草地植被最茂盛時(shí)期的NDVI；NDVI(i,j)為第i年第j景的NDVI值。

2.2.2 Sen and Mann-Kendall趨勢(shì)分析

運(yùn)用Sen and Man-Kendall趨勢(shì)分析法模擬每個(gè)柵格單元的變化趨勢(shì)，來(lái)綜合反映不同草地類(lèi)型時(shí)空格局演變（王佃來(lái)等，2013）。Sen趨勢(shì)度β的計(jì)算方法為：

式中，n為時(shí)間序列長(zhǎng)度（通常大于 10）；Qi為時(shí)間序列中i時(shí)刻值。此處 n=15，Qi為對(duì)應(yīng)年最大NDVI。。當(dāng)β>0時(shí)，時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì)。使用Man_Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法中的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 ZS對(duì)β趨勢(shì)度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算方法為：

式中，S是Man_Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；m是序列中重復(fù)出現(xiàn)數(shù)據(jù)組的個(gè)數(shù)；ti是第i組重復(fù)數(shù)據(jù)組中重復(fù)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。當(dāng)β>0且|Z|>1.96，序列呈顯著上升趨勢(shì)；當(dāng)β>0且|Z|≤1.96，序列呈上升但不顯著趨勢(shì)；同理當(dāng)β<0且|Z|>1.96時(shí)，序列呈顯著下降趨勢(shì)；當(dāng)β<0且|Z|≤1.96序列呈下降但不顯著趨勢(shì)。

2.2.3 相關(guān)及顯著性分析

對(duì)NDVI與氣象柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和F顯著性檢驗(yàn)，顯著性?xún)H代表趨勢(shì)性變化可置信程度的高低，與因變量變化快慢無(wú)關(guān)。計(jì)算公式為：

式中，Rxy分別為 x、y兩變量的相關(guān)系數(shù)；xi為第i年（月）的x要素值；yi為第i年（月）的y要素值；n為樣本數(shù)。為要素x的平均值，為要素y的平均值。

式中，U為誤差平方和；Q為回歸平方和；yi為第i年（月）的實(shí)際要素值；Yi為其擬合回歸值；為多年（月）平均值；n為樣本數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD13Q1的NDVI數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用與準(zhǔn)同期草地總產(chǎn)量及蓋度估算數(shù)據(jù)擬合的方法對(duì) MOD13Q1的 NDVI數(shù)據(jù)精度進(jìn)行驗(yàn)證，以相關(guān)系數(shù)（r）來(lái)評(píng)估將其應(yīng)用到天山地區(qū)草地資源時(shí)空演變的有效性。按照冷季放牧和暖季放牧，294個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)比對(duì)結(jié)果顯示（圖3），冷季放牧形式下草地蓋度和NDVI的相關(guān)系數(shù)r達(dá)0.897，暖季放牧形式下草地蓋度和 NDVI相關(guān)系數(shù) r達(dá)0.882，草地總產(chǎn)量與 NDVI的擬合決定系數(shù)R2分別為0.54和0.63，說(shuō)明將NDVI數(shù)據(jù)應(yīng)用到天山地區(qū)草地資源時(shí)空演變研究中是有效的。

3.2 天山地區(qū)NDVI年均狀況特征

為了消除季節(jié)變化帶來(lái)的不確定性，對(duì)每年23景 NDVI逐像元最大值合成數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均，生成2000—2015年NDVI年均值代表研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年內(nèi)草地平均覆蓋狀況?？傮w而言，NDVI≤0.2的地區(qū)占47.9%，0.7≤NDVI<1的地區(qū)占13%左右，0.4≤NDVI<0.7的地區(qū)占18%左右（圖4）。天山南北坡東西跨度大，山體特征和在大氣環(huán)流中所處的位置不同，承受西來(lái)水汽程度差別較大，草地植被的垂直帶結(jié)構(gòu)在西、中、東三段存在著明顯的差異。整體而言，天山地區(qū) NDVI表現(xiàn)為南部高于北部，西部高于東部，呈現(xiàn)由西南—中部—東北部逐漸降低的特征。按照天山南北坡看，天山北坡東段山間盆地草原限牧恢復(fù)區(qū)和天山南坡東段—吐哈盆地草地禁牧保護(hù)區(qū)整體NDVI偏低，NDVI集中在（0, 0.2]，天山北坡中段山地草原限牧恢復(fù)區(qū)整體NDVI偏高，NDVI集中在（0.2, 0.7]，天山北坡西段伊犁河谷草原畜牧業(yè)區(qū)NDVI偏高，集中在（0.7, 1]，草地覆蓋程度較高。天山南坡中段高山盆地草地限牧恢復(fù)區(qū) NDVI偏高，集中在（0.2, 1]（圖 5）。

圖3 實(shí)測(cè)草地蓋度、總產(chǎn)草量和NDVI相關(guān)性分析Fig. 3 Actual measured grassland coverage, total herbage yield and NDVI correlation analyze

圖4 天山地區(qū)2000—2015年年均NDVI等級(jí)圖及統(tǒng)計(jì)面積（單位：km2）Fig. 4 Spatial distribution map and area statistics of annual averaged NDVI in Tianshan Mountain Area

圖5 草地利用類(lèi)型分區(qū)2000—2015年年均NDVI分類(lèi)面積統(tǒng)計(jì)信息Fig. 5 Area statistics of the annual averaged NDVI of different grassland use types in 2000—2015 years

3.3 天山地區(qū)NDVI年際變化特征

統(tǒng)計(jì)天山地區(qū)2001—2015年年最大NDVI多年均值和標(biāo)準(zhǔn)差，前者反映當(dāng)年NDVI平均覆蓋情況，后者反映相應(yīng)的空間變異程度。由圖6可知，NDVI均值維持在 0.32～0.35，表明天山地區(qū)草地覆蓋多年來(lái)較穩(wěn)定，NDVI均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間序列具有較大的波動(dòng)，直觀上無(wú)法進(jìn)行趨勢(shì)判斷。NDVI均值序列曼-肯德?tīng)枺∕ann-Kendal1）非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（曹孟磊等，2016）結(jié)果也表明，統(tǒng)計(jì)年內(nèi)區(qū)域NDVI增減趨勢(shì)不顯著，NDVI均值趨勢(shì)斜率為正，呈現(xiàn)波浪式緩慢發(fā)展趨勢(shì)，說(shuō)明總體略呈增加態(tài)勢(shì)。

3.4 典型草地類(lèi)型NDVI年均值特征

圖6 NDVI年均值和標(biāo)準(zhǔn)差趨勢(shì)及NDVI年均值MK檢驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 The trend of annual mean of NDVI and standard deviation, and MK test results of averaged NDVI annually

結(jié)合研究區(qū)草地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)（引自新疆維吾爾自治區(qū)草原研究所）統(tǒng)計(jì)天山地區(qū) 12種典型草地面積和不同NDVI等級(jí)的面積比。結(jié)果表明，天山地區(qū)12種典型草地NDVI值域分布差異顯著。溫性草原化荒漠類(lèi)、溫性荒漠類(lèi)NDVI均值較低，集中在[0.2, 0.4]，屬于較低覆蓋度；低地草甸、高寒草甸類(lèi)、高寒草原、溫性草原類(lèi)和沼澤NDVI均值較大，集中在[0.4, 0.7]，屬于中覆蓋度；山地草甸、改良草地和熱性灌草叢類(lèi)NDVI均值較大，集中在[0.7, 1.0]，屬于高覆蓋度；溫性荒漠草原類(lèi)和溫性草甸草原類(lèi)[0.4, 0.7]，[0.7, 1.0]區(qū)間內(nèi)像元基本均等，屬于較高覆蓋度（圖7）。

3.5 天山地區(qū)及典型草地NDVI時(shí)空演變特征

從空間分布上看，43.82%的區(qū)域NDVI呈增加趨勢(shì)，其中8.3%的區(qū)域顯著增加，集中分布在天山北坡中段山地草原限牧恢復(fù)區(qū)；10.6%的區(qū)域NDVI呈顯著下降趨勢(shì)，主要分布在天山北坡西段—伊犁河谷草原畜牧業(yè)區(qū)。借用ARCGIS對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步量化分析以探究增長(zhǎng)和退化具體出現(xiàn)在哪一種草地類(lèi)型中。結(jié)果表明，山地草甸、溫性草甸草原類(lèi)和改良草地及熱性灌草叢類(lèi)下降趨勢(shì)顯著，溫性草原化荒漠類(lèi)、溫性荒漠類(lèi)、低地草甸和沼澤增加趨勢(shì)顯著，其他類(lèi)型變化趨勢(shì)不顯著（圖8）。

3.6 天山地區(qū)及典型草地類(lèi)型 NDVI與氣象要素相關(guān)性分析

圖7 基于NDVI年均狀況分類(lèi)圖的不同草地NDVI分類(lèi)面積比例統(tǒng)計(jì)圖Fig. 7 A statistical chart of NDVI of area proportion of different herbage types based on category map of annually averaged NDVI

圖8 NDVI年均狀況發(fā)展趨勢(shì)空間分布及統(tǒng)計(jì)面積和典型草地類(lèi)型增減趨勢(shì)面積統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Spatial distribution map and area statistics of annual averaged NDVI and area statistics of development trend of typical grassland types

以7月NDVI均值為例，將5月、6月、7月及5—7月累積降水量與NDVI進(jìn)行空間相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，NDVI與三者均具有一定的相關(guān)性，隨著累積時(shí)段的增加，相關(guān)面積趨于增加，表明降水對(duì)植被生長(zhǎng)的影響具有一定的滯后性，研究時(shí)段越長(zhǎng)，越有利于準(zhǔn)確辨識(shí)降水變化對(duì)植被生長(zhǎng)的作用（圖9）。以5—7月累積降水量為例，45.94%的區(qū)域NDVI與降水呈不顯著相關(guān)，其中 26.8%的呈不顯著正相關(guān)，46.65%的區(qū)域NDVI與累積降水呈顯著正相關(guān)，其中只有3.2%的區(qū)域呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖 9）。從草地類(lèi)型看，溫性荒漠類(lèi)、溫性草原化荒漠類(lèi)、溫性草原類(lèi)和溫性荒漠草原類(lèi)與降水呈正相關(guān)，山地草甸類(lèi)、改良草地與降水呈負(fù)相關(guān)，其他類(lèi)型草地與降水相關(guān)性不顯著（圖10）。

以 3—8月≥10 ℃積溫表征整個(gè)植被生長(zhǎng)季節(jié)的熱量狀況，逐像元計(jì)算 2001—2015年 7月NDVI值與3—8月≥10 ℃積溫線性相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，約61.41%區(qū)域NDVI與 3—8月≥10 ℃積溫呈不顯著相關(guān)，其中24.42%的區(qū)域呈不顯著正相關(guān)，30.84%的區(qū)域呈顯著負(fù)相關(guān)，7.75%的區(qū)域呈顯著正相關(guān)（圖 11）。從草地類(lèi)型看，溫性荒漠類(lèi)、溫性草原化荒漠類(lèi)、高寒草原和溫性荒漠草原類(lèi)與生長(zhǎng)季熱量狀況呈正相關(guān)，山地草甸類(lèi)、低地草甸、改良草地與生長(zhǎng)季熱量狀況呈負(fù)相關(guān)，其他類(lèi)型草地與生長(zhǎng)季熱量狀況相關(guān)性不顯著（圖11）。

圖9 不同累積時(shí)段降水量與NDVI空間相關(guān)分類(lèi)面積比信息Fig. 9 Categorized area statistics of spatial correlation between NDVI and precipitation in different accumulated periods

圖10 2001—2015年7月NDVI均值與不同時(shí)段累積降水相關(guān)性分布圖Fig. 10 Correlation map between accumulated precipitation and NDVI mean of July in different periods during 2001—2015 years

圖11 2001—2015年7月NDVI均值與同期3—8月≥10 ℃積溫相關(guān)性分布圖及典型草地相關(guān)性等級(jí)統(tǒng)計(jì)面積Fig. 11 Correlation distribution between the mean of NDVI in July and accumulated temperature more than 10 degree from March to August and area statistics of correlation level of typical herbage

以上研究結(jié)果與Heumann et al.（2005）、Seaquist et al.（2009）、杜加強(qiáng)等（2016）的研究結(jié)論一致，干旱和半干旱地區(qū)的植被物候因降水量的變動(dòng)而發(fā)生改變，植被生長(zhǎng)旺盛時(shí)期主要受到水分限制，區(qū)域尺度NDVI與降水量顯著正相關(guān)。

4 結(jié)論

本文利用MOD13Q1NDVI數(shù)據(jù)定量分析了天山地區(qū)典型草地2001—2015年時(shí)空特征和演變規(guī)律，對(duì)影響NDVI變化的主要水熱因子進(jìn)行量化分析。結(jié)果表明，天山地區(qū)不同草地年均 NDVI維持在0.32～0.35，呈波浪式緩慢發(fā)展趨勢(shì)，天山地區(qū)草地狀況總體發(fā)展穩(wěn)定略呈增加趨勢(shì)，南部高于北部，西部高于東部，呈現(xiàn)由西南—中部—東北部逐漸降低的特征，天山南北坡存在顯著差異。影響NDVI變化主要水熱因子量化分析顯示，約 40.77%的區(qū)域與降水量呈顯著正相關(guān)，30.84%的區(qū)域與3—8月≥10 ℃積溫呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明草地生態(tài)系統(tǒng)受氣候環(huán)境因子的影響程度很大。

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