劉 超,閆小月,姜逢清

1 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011

降水是影響干旱區(qū)植被分布的主要氣候因子[1]。荒漠植被作為干旱區(qū)最具代表性的植被類型,生長所需用水主要來源之一是天然降水。因此,荒漠植被的生長狀況在一定程度上能夠很好地反映當?shù)亟邓闆r,可以作為干旱區(qū)干濕現(xiàn)狀的“晴雨表”。干旱區(qū)荒漠植被對降水變化的響應過程研究是理解全球降水格局變化下干旱區(qū)地表植被覆蓋變化的必要基礎性工作,在區(qū)域應對降水變化導致的旱澇災害、牧草與農(nóng)作物減產(chǎn)等危害上具有重要意義。

天山是貫穿新疆東西的宏偉山系,為新疆南北疆兩個自然區(qū)的天然分界線。高聳的山體阻擋西來氣流,使北坡的降水明顯多于南坡。在山脈和盆地的交界處,尤其是天山北坡前山帶發(fā)育有狹長的荒漠植被帶。這一植被帶由于單純依靠天然降水而生存,因而對降水的變化極為敏感。有關天山區(qū)域植被對降水的響應問題,國內(nèi)學者已做過一些研究,如Chen等[2]研究發(fā)現(xiàn)天山北坡山區(qū)和平原的降水量普遍呈現(xiàn)上升趨勢,因而該地區(qū)總體植被指數(shù)在增長；高軍等[3]指出天山北坡不同區(qū)域的植被凈初級生產(chǎn)能力與溫度和降水都相關,但不同區(qū)域的相關性不同；尼加提·伊米爾等[4]對天山北坡地區(qū)2000—2015年間的植被覆蓋變化趨勢進行分析,指出天山北坡生長季的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)與降水量和氣溫的年際變化規(guī)律；Sun等[5]研究了1981—2009年新疆天山北部地區(qū)氣候—植被的相互作用關系,指出研究區(qū)內(nèi)降水是植被變化的重要驅(qū)動力,除天山北坡外植被和降水變化趨勢基本一致,植被對降水的反饋效應在不同的地區(qū)存在差異；Liu等[6]分析了天山山脈2001—2013年NDVI的空間格局,發(fā)現(xiàn)在此期間天山山脈NDVI空間分布特征存在顯著差異,NDVI在春季呈下降趨勢,夏季呈上升趨勢,氣溫、降水、土壤水分等主要因子都對植被變化產(chǎn)生了顯著影響；王桂鋼等[7]通過分析天山地區(qū)氣候參數(shù)對草地季節(jié)變化影響的滯后性特征,指出當旬降水和之前一個月(0—3旬)降水累積量對于草地長勢的影響最大；李楊等[8]分析了2002—2007年天山北坡生長季逐月NDVI變化的區(qū)域分異規(guī)律,得出綠洲與荒漠過渡帶降水偏相關性強,主要以降水影響為主；徐麗萍等[9]通過對天山北坡NDVI動態(tài)變化與氣溫、降水變化的響應特征及敏感性進行分析,發(fā)現(xiàn)當月NDVI與前月氣溫呈負相關,與前月降水存在極顯著正相關,NDVI對降水的敏感性較高；劉艷等[10]對天山地區(qū)影響NDVI變化的主要水熱因子進行了量化分析,指出該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)受氣候環(huán)境因子的影響程度很大；趙玲[11]通過研究天山山區(qū)MODIS植被指數(shù)與氣候因子的關系,指出氣候因子對不同草地類型影響的差異。對以上少量研究的梳理可見,以往研究中在考慮影響因子時均未排除人為影響因素(如灌溉等),并且集中于探究區(qū)域植被覆蓋年際、月際時空變化格局及與氣候因子之間的關系,而對區(qū)域植被與其主導降水因子關系的研究尚不深入。此外,比較特定時期(如年、生長季、月等)的降水觀測值可知,天山北坡前山帶降水不僅具有數(shù)量上的時空異質(zhì)性,而且在降水分布(型)上也存在差異,表現(xiàn)出很強的隨機性。不同量級降水和不同的降水分布型顯然都會對依賴天然降水為生的荒漠植被產(chǎn)生影響,而以往對此的研究還明顯缺乏。為彌補以上研究不足,本文采用1999—2014年生長季(4—10月)的逐日NDVI數(shù)據(jù)和降水數(shù)據(jù),分析新疆天山北坡前山帶生長季荒漠植被NDVI對降水的時滯響應特征,探討不同量級降水和降水分布型對NDVI的影響。重點研究該類植被對不同量級降水和降水型的響應不僅有助于理解全球氣候變化對干旱區(qū)植被的影響過程,研究結果也可為干旱區(qū)植被覆蓋變化趨勢的預測提供新思路,為全球氣候變化大背景下干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)灌溉、生態(tài)恢復與重建、荒漠化治理提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

天山北坡前山帶位于天山山脈與準噶爾盆地的過渡地帶(圖1),海拔較低(約500—1500 m)、地域狹長,與天山山脈之間或直接接觸或有洼地阻隔[12]。行政區(qū)劃上包括科克達拉、博爾塔拉蒙古自治州、克拉瑪依、石河子、昌吉、烏魯木齊、奇臺及巴里坤等地區(qū)。受天山山脈的阻擋作用,該地帶降水較多,發(fā)育有典型的荒漠草原植被,為傳統(tǒng)的春秋牧草地。該地帶依靠天然降水維系的牧業(yè)發(fā)展基礎薄弱,并且還不時受到干旱、風沙、蟲鼠害等的威脅,對氣候變化十分敏感。因此該地區(qū)是研究荒漠植被對氣候變化響應的理想之地。

圖1 研究區(qū)地理位置、植被類型及氣象站點Fig.1 The location of study area and its vegetation types, meteorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感衛(wèi)星影像能夠有效反映出整個區(qū)域空間和時間尺度上的連續(xù)變化信息,采用遙感衛(wèi)星不同波段反射值計算的NDVI已被廣泛用于直觀表現(xiàn)植被覆蓋變化[13-14]。故本文也采用此指數(shù)分析天山北坡前山帶荒漠植被覆蓋的變化。文中利用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)為1999—2014年新疆區(qū)域MODIS 1B反射率原始數(shù)據(jù)(MOD02QKM),數(shù)據(jù)來源于NASA網(wǎng)站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/),時間范圍為每年4月1日至10月31日,共214×16景影像,空間分辨率為250 m×250 m。前期主要工作是利用每日的反射率數(shù)據(jù)提取NDVI指數(shù),為此先進行了幾何校正、格式和投影轉(zhuǎn)換、大氣校正以及圖像拼接等一系列預處理,預處理后進行波段計算得到了每日NDVI初步數(shù)據(jù)。由于厚云遮蔽、地物復雜等原因,需要對NDVI進行屬性裁剪,去除非NDVI數(shù)據(jù)。降水數(shù)據(jù)源于國家氣象中心提供的新疆地區(qū)氣象測站1999—2014年逐日降水數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)采用來自于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品SRTMDEMUTM,分辨率為90 m。

為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性,在所有位于天山北坡的12個國家基本站中剔除了位于天山北坡的部分數(shù)據(jù)不完整的氣象站,只保留日氣象數(shù)據(jù)連續(xù)的氣象站,因此,本研究只針對溫泉、阿拉山口、烏蘇、石河子、烏魯木齊、奇臺、巴里坤七個氣象站點開展研究。為達到數(shù)據(jù)的有效使用,本文根據(jù)前人的相關研究經(jīng)驗[15-18],在時空尺度分析上分別以站點為中心,在NDVI遙感圖上取站點周圍24 km×24 km范圍中的格點且植被類型為荒漠草地的NDVI平均值作為與該氣象站點對應的NDVI值,其中將該區(qū)域歷年的土地利用遙感監(jiān)測圖(來自中國科學院環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn/)與氣象站點圖進行疊加, 確定出各氣象站點及周圍對應的荒漠植被范圍,并且為避免其他因素的干擾,通過谷歌衛(wèi)星地圖的幫助和現(xiàn)場考察,在NDVI影像圖上有效去除林地、人工植被、湖泊河流等常年水分有保障的區(qū)域,最大程度體現(xiàn)降水這一單一變量對NDVI變化產(chǎn)生的影響。通過比較生長季時期(4—10月)降水與NDVI的日變化,將所研究站點的降水數(shù)據(jù)做成逐年日降水數(shù)據(jù)圖,并根據(jù)NDVI平均值的差異,將生長季劃分成三個階段：早期(91—120)、中期(121—280)、晚期(281—304),括號中的數(shù)字為距12月31日的天數(shù)。

2 研究方法

2.1 相關分析

采用相關系數(shù)來表征兩個因子之間的相關程度。為分析降水與NDVI的關系及其影響的滯后性,運用SPSS軟件計算降水與及時、滯后1天和滯后2天NDVI的相關系數(shù),并且進行顯著性檢驗,比較相關性[19-22]。

2.2 決策樹判識分析法

決策樹算法是數(shù)據(jù)挖掘中重要的分類方法,根節(jié)點、分支以及葉節(jié)點是決策樹的必要組成部分,每個內(nèi)部節(jié)點表示在一個屬性上的檢測,每個分支代表一個檢測的輸出,每個樹的葉節(jié)點代表一個類或者類分布[23]。其中,C4.5算法是大數(shù)據(jù)決策樹算法中廣泛使用的一種分類模型方法,是根據(jù)信息熵的理論基礎方法遞歸構建決策樹的,其計算簡易、數(shù)據(jù)處理效率高且生成的決策樹易于被理解,在大數(shù)據(jù)條件判別中被廣泛使用[24]。正因為決策樹判識分析法的上述特性,因此本文采用該方法在明確判識因子后建立判識分析模型,對降水導致出現(xiàn)的NDVI變化進行判識分析并且通過概率統(tǒng)計最終得到不同降水型對應的NDVI變化型。

C4.5算法的原理基礎：設S為包含s個數(shù)據(jù)樣本的數(shù)據(jù)集,Ci(i=1,2,3...m)為樣本的m個分類,si是屬于類ci的樣本數(shù)量。樣本的信息量計算如下:

(1)

利用屬性A將數(shù)據(jù)集S進行劃分{S1,S2,…,Sω}(設屬性A有ω個不同的值),信息熵計算公式為：

(2)

從而得到屬性A的信息增益為：

G(A,S)=I(s1,s2,…,sm)-E(A,S)

(3)

然后算出信息增益率,再根據(jù)信息增益率的大小遞歸選擇每個節(jié)點的影響因子。本文無需取舍影響因子,因此不計算信息增益率。

2.3 趨勢分析法

對NDVI在16年間時空尺度上的變化趨勢及變化幅度的研究,本文采用較為成熟的一元線性趨勢分析法,基于像元尺度對NDVI變化趨勢進行擬合,綜合每個像元時間變化特征及區(qū)域空間變化,以反映出該區(qū)域在全球氣候變化背景下NDVI的長期時空格局演變[25]。與差分法、極差法等相比,一元線性趨勢分析法不僅考慮端點值,能夠結合每日NDVI的影響,并且可以消除研究時段內(nèi)偶發(fā)性異常因素對植被長勢的影響,更真實地反映長時間序列植被覆蓋的演化趨勢[25-29]。一元線性趨勢線斜率的計算公式如下。

(4)

式中,n為研究數(shù)據(jù)的時間長度；NDVIj為第j天的NDVI均值；θslope為像元回歸方程趨勢線斜率,若θslope>0,研究時段內(nèi)NDVI變化趨勢增加,反之,則呈減少趨勢[30]。為了更好地從整體上判斷研究區(qū)荒漠植被覆蓋的動態(tài)變化趨勢,根據(jù)θslope值的大小,可定義7個NDVI趨勢變化等級[31- 32]：嚴重退化(θslope<-0.009)、中度退化(-0.009≤θslope<-0.0045)、輕微退化(-0.0045≤θslope<-0.001)、基本不變(-0.001≤θslope<0.001)、輕微改善(0.001≤θslope<0.0045)、中度改善(0.0045≤θslope<0.009)以及明顯改善(θslope≥0.009)。

3 研究結果與分析

3.1 NDVI對降水滯后響應特征

3.1.1時間尺度上的特征

天山北坡前山帶主要分布無葉或短葉假木賊、角果藜、伊犁絹蒿、鱗莖早熟禾等草本植物,根系相對較淺,對水分反應敏感。由于不同的植物及其不同生長階段對降水量存在明顯地時間響應差異,這在NDVI指數(shù)上會表現(xiàn)出及時、滯后增大或減小的現(xiàn)象。為探究荒漠植被整體上對降水時間響應的時滯特征,并出于簡明性考慮,本文將NDVI對降水的時間響應界定為三種,即及時、滯后1天和滯后2天。為了分析不同量級降水對天山北坡前山帶荒漠植被NDVI的影響,需要對日降水量的量級進行劃分。實際發(fā)現(xiàn)中國降雨量級劃分標準定得偏高,在研究區(qū)不適用。由此本文沿用肖開提·多萊特在2004年提出來的新疆降水量級新標準[33],這一標準結合了中國降水量級標準,又根據(jù)新疆的實際情況,增加了劃分等級。按此標準,24小時內(nèi)降水量在0.0—0.2 mm、0.3—6.0 mm、4.5—9.0 mm、6.1—12.0 mm、9.1—18.0 mm的分別是微雨、小雨、小到中雨、中雨、中到大雨。表1統(tǒng)計了由不同單日降水量引起的NDVI變化及時、滯后1天或2天各自出現(xiàn)的頻數(shù)(研究區(qū)域降水主要集中在生長季早中期,生長季晚期降水稀少)；表2示出了生長季早期、中期、晚期降水與及時、滯后1天或2天NDVI的相關系數(shù)。

由表1和表2可知：在生長季早期,NDVI對降水的響應時間滯后一天的頻率最高,為64.82%,與降水的相關系數(shù)為0.670；其次是及時響應的頻率為31.15%,與降水的相關系數(shù)為0.760；滯后2天的頻率最低為4.03%,與降水的相關系數(shù)為0.690,這說明在生長季早期荒漠植被對降水的響應大概率上會延遲1天,并且表現(xiàn)為降水量級越大,這種規(guī)律越明顯。在生長季中期,NDVI及時響應的頻率總體上略大于增長滯后一天的頻率,它們分別是51.29%和43.11%,與降水的相關系數(shù)分別是0.778和0.783,滯后2天的頻率最低為5.60%,相關系數(shù)為0.783,說明在生長季中期,即植被生長最旺盛時期,荒漠植被對降水響應以及時性為主,植被生長對降水比較敏感。但當降水量超過12.0 mm時,NDVI滯后一天響應的概率增大,這很大程度上可能是由于降水量超過一定量時,過量的降水會通過影響土壤通氣性而在某種程度上抑制荒漠草類的生長。由表2還可知,生長季早期的荒漠植被NDVI與降水的相關系數(shù)在0.7左右,相對于生長季中期整體較小。在生長季晚期,降水稀少,但存在很明顯的規(guī)律性,即NDVI及時響應的頻率最大,為86.61%,與降水的相關系數(shù)是0.637,響應滯后現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率很小,與降水的相關性為0.511,這表明在生長季晚期荒漠植被對降水極度敏感,這一時期的降水對植被的影響最直接。

表1 不同單日降水量引起的NDVI變化及時、滯后1天或2天各自出現(xiàn)的頻數(shù)

(1)共統(tǒng)計了4787個降水日,其中屬于早期的有1265個,屬于中期的有3410個,屬于晚期的有112個；(2)對表1的分析出現(xiàn)的頻率是由表中列出的對應的頻數(shù)(或頻數(shù)和)除以對應生長季時期的統(tǒng)計總數(shù)得到的：64.82%由(36+373+224+187)/1265×100%計算得到,31.15%由(113+187+75+19)/1265×100%計算得到,4.03%由(0+51+0+0)/1265×100%計算得到,51.29%由(198+1381+131+39)/3410×100%計算得到,43.11%由(201+1120+56+93)/3410×100%計算得到,5.60%是由(0+191+0+0)/3410×100%計算得到,86.61%是由(38+18+41)/112×100%計算得到

表2 荒漠植被16年生長季日平均NDVI變化與降水的相關系數(shù)

以上結果和分析表明,在整個生長季(4—10月),雖然荒漠植被生長的主要影響因素是降水,但不同時期植被對降水的響應程度存在較大差異。在早期(4月),荒漠植被對降水的敏感度(植被對降水響應的時滯)最小,表現(xiàn)為NDVI對降水的反應延遲性最大,相關性較弱。從數(shù)據(jù)分析結果來看,日降水在6.0 mm以內(nèi),植被對降水的反應快。在中期(5—10月初),植被對降水的敏感度大幅提高,這一時期植被對降水的延遲性明顯下降,兩者的相關性也最強,因此在這段時間水分對荒漠植被的生長起到了顯著的促進作用。從降水量來看,日降水在6.1—12.0 mm時,對植被生長的促進作用最為明顯,降水量小于6.0 mm表現(xiàn)為降水不足,植被生長遲緩,降水量大于12.0 mm時植被生長對降水的響應也表現(xiàn)為遲緩。在生長季晚期(10月),雖然植被對降水的敏感度達到最大,延遲性最差,但與降水的相關性卻下降到最低,這與荒漠植被處于生長末期、生長力不足有關,因此在這一時期NDVI與降水量大小無明顯關系。

3.1.2空間尺度上的特征

在空間尺度上本文主要分析16年間年均降水量不同的區(qū)域,荒漠植被生長對降水響應的差異。利用研究區(qū)內(nèi)的12個國家氣象站的逐日降水數(shù)據(jù)得到各測站的年平均降水量值,然后利用ArcGIS工具對站點年平均降水量進行Kriging空間插值,通過數(shù)據(jù)掩膜,獲取研究區(qū)年降水量的柵格圖像[34](圖2)。

從圖2中可以看出各個站點的年均降水量存在明顯差異,年降水量最大出現(xiàn)在天山北坡前山帶中段(烏魯木齊、石河子地區(qū)),年降水量在300 mm左右,天山北坡前山帶西段(溫泉)、中段東部(奇臺)和天山北坡前山帶東段(巴里坤地區(qū))年降水量較少,在200 mm左右,天山北坡前山帶中段中北部(烏蘇、阿拉山口地區(qū))年降水量最少,在150 mm左右。年降水量的多少反映了該地區(qū)的干濕程度,其對荒漠植被的生長必然產(chǎn)生影響。

圖2 研究區(qū)域年均降水量的分布圖Fig.2 The average annual precipitation distribution map of the study area

本研究通過比較分析總結出不同地區(qū)在各自降水情況下NDVI變化的差異(表3),反映出降水對NDVI影響的空間差異。如表3所示,研究發(fā)現(xiàn)烏魯木齊、石河子地區(qū)的荒漠植被對降水的響應是基本一致的,在生長季早期主要表現(xiàn)為滯后1天,兩地出現(xiàn)這一滯后特征的頻率分別為84.96%和81.65%,而及時響應小概率出現(xiàn)(15.04%和18.35%)；在生長季中期,兩地出現(xiàn)滯后1天的頻率還是最大,但分別減小為53.23%和56.44%,及時響應的頻率分別增大到37.38%和40.08%；在晚期兩地出現(xiàn)滯后1天與及時響應的頻率大致相等,無滯后2天的現(xiàn)象。對于年降水量在200 mm左右的地區(qū),地處前山帶西段的溫泉區(qū)域和地處前山帶東段的巴里坤地區(qū)年均降水量都為240 mm,在生長季早期和中期,兩地區(qū)荒漠植被對降水的及時響應和滯后1天響應出現(xiàn)的頻率都基本相等,溫泉地區(qū)早期兩者的頻率分別是48.41%和50.00%,中期兩者為44.48%和42.91%,巴里坤地區(qū)早期(52.53%和47.47%),中期(44.38%和47.19%)；在生長季晚期兩地以及時響應為主。而地處前山帶中段東部的奇臺地區(qū)年均降水量在180 mm左右,在生長季早期荒漠植被對降水的響應大概率表現(xiàn)為滯后1天,頻率在95%以上,在中期及時響應的頻率增大為59.26%,滯后1天的頻率相應減小為40.74%,在晚期滯后1天的頻率又占主導作用。對年均降水量在150 mm左右的地區(qū),如烏蘇(年降水量160 mm),這一區(qū)域在生長季早期出現(xiàn)及時響應的頻率(40.40%)略大于滯后1天的頻率(32.32%),并存在較大頻率的滯后2天的現(xiàn)象(27.27%),在中期滯后1天的頻率最大為49.67%,其次是及時響應為48.16%,在晚期還是以及時響應為主；阿拉山口地區(qū)降水較少(120 mm),在生長季早期和晚期荒漠植被對降水的響應與烏蘇地區(qū)表現(xiàn)一致,但在中期以及時響應為主,頻率增大到73.16%。

表3 不同地區(qū)降水引起的NDVI變化及時、滯后1天或2天各自出現(xiàn)的頻數(shù)

從上述分析來看,天山北坡前山帶中段降水充沛,雖然在生長季降水對植被起到主導作用,但滯后現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率較大,說明這一地區(qū)的逐日降水量一定程度上超過了荒漠植被的水分需求量,導致植被生長受一次或兩次降水的影響不明顯。前山帶西段和東段降水較為充沛,荒漠植被的及時響應與滯后響應基本持平,說明該區(qū)域的逐日降水量可能恰好使荒漠植被的水分需求量達到飽和。天山北坡前山帶中段東部和中部降水適中,且在生長季早期降水較為集中,故在早期滯后響應明顯,但在生長季中期荒漠植被的及時響應完全超過滯后響應,這說明這一區(qū)域中期的降水量比較有利于植被的生長。對于前山帶中段北部的阿拉山口,植被對降水的及時響應最為顯著,說明該區(qū)域的降水量對植被的生長起到了明顯主導作用。

3.2 干期長度與NDVI長期動態(tài)變化趨勢

3.2.1NDVI動態(tài)變化趨勢

為了對NDVI在長時間尺度上的趨勢有明確的認識,本文采用一元線性趨勢分析法對NDVI長期變化趨勢進行分析,首先分析16年間每年生長季早中晚期植被覆蓋的變化趨勢,比較每年不同時期植被覆蓋的改善退化程度,從而得出某一地區(qū)每年降水時間分布和降水量差異的影響,反之它也可以反映出歷年大氣的干旱程度。結果發(fā)現(xiàn)θslope位于-0.0026和0.0063之間,天山北坡前山帶各區(qū)域的荒漠植被覆蓋情況的變化趨勢并不一致(圖3)。從圖3中可以得出,在每年的生長季早期,阿拉山口、溫泉、巴里坤地區(qū)2005年之前出現(xiàn)植被輕微退化的頻率較大,在2005年之后植被覆蓋基本是保持不變或輕微改善；烏蘇、烏魯木齊、石河子(烏蘭烏蘇)地區(qū)在2010年之前植被覆蓋基本是保持不變或輕微改善,在2010年之后植被覆蓋出現(xiàn)輕微退化的現(xiàn)象；而對于奇臺地區(qū),除2004年、2011年出現(xiàn)輕微退化現(xiàn)象外,在其他年份的生長季早期植被覆蓋表現(xiàn)為保持不變或輕微改善。

在每年的生長季中期,所有地區(qū)的植被覆蓋都表現(xiàn)為基本不變,但在變化趨勢上也存在差異,最為明顯的是在2009年溫泉、烏蘇、烏魯木齊、奇臺地區(qū)的θslope都是比較大的負值,而其他年份所有地區(qū)以正值為主。在每年的生長季晚期,最為明顯的特征是在2000—2002年間所有地區(qū)的植被覆蓋趨于改善,在2003—2010年間阿拉山口、溫泉、烏蘇地區(qū)植被覆蓋以輕微退化為主,其他地區(qū)為基本不變,而在2011—2012年所有地區(qū)的植被覆蓋以基本不變?yōu)橹?2013—2014年所有地區(qū)的植被覆蓋又以輕微退化為主。

圖3 16年生長季各時期日均NDVI變化趨勢的θslope值Fig.3 θslopevalue of daily NDVI variation trend in each period of 16 years′ growing season

從上述結果分析來看,雖然不同地區(qū)每年的NDVI變化趨勢都存在較大差異,但通過結合各地區(qū)每年降水數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),對整個研究區(qū)域來說,無論其中任一地區(qū)年均降水量是多是少,都表現(xiàn)出在生長季期間降水較多的時期,植被覆蓋普遍出現(xiàn)為基本不變或輕微改善的趨勢,相反在降水較少的時期,植被覆蓋普遍出現(xiàn)輕微退化或基本不變的趨勢。如烏魯木齊地區(qū)年均降水量在300 mm以上,屬于降水較充沛區(qū)域,在2002年年降水量達到340 mm,但由于降水分布嚴重不平衡,生長季早期降水集中,植被覆蓋變化趨勢為輕微改善,在生長季中期降水較少,并且連續(xù)無雨日較多,植被覆蓋變化趨勢是基本不變但θslope為負的極小值,在晚期降水很少,植被覆蓋變化趨勢為輕微退化；阿拉山口地區(qū)年均降水量在120 mm以下,屬于降水較稀少地區(qū),在2000年年降水量為75 mm,降水分布同樣不平衡,在生長季早期降水幾乎為0,其植被覆蓋變化趨勢表現(xiàn)為輕微退化,在生長季中期降水增加但降水量較少,植被覆蓋變化趨勢同樣表現(xiàn)為基本不變且θslope為負的極小值,在晚期降水集中且充沛,植被覆蓋變化趨勢為輕微改善。因此,我們可以反過來通過計算體現(xiàn)某地區(qū)植被覆蓋變化趨勢的θslope值,來判斷這一時期該地區(qū)大氣的干濕程度。

3.2.2干期與干期結束后的第一次降水對NDVI的影響

干期是指一年內(nèi)連續(xù)多日無降水的時段。對每年內(nèi)不同長度的干期進行提取分析,計算從干期內(nèi)及干期結束第一次降水后NDVI的變化趨勢,分析干期長度及第一次降水量對NDVI變化有無顯著影響。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)研究區(qū)干期長度從2天到20天以上都有出現(xiàn),并且時間長度相近的干期對NDVI的變化趨勢的影響程度趨于一致。結合逐日降水數(shù)據(jù)和NDVI值,進一步研究發(fā)現(xiàn)對整個生長季而言,大于等于18天的干期使植被出現(xiàn)退化的頻率(85.00%)明顯大于其他干期長度,13—17天的干期使植被出現(xiàn)退化的頻率明顯減小(58.33%),8—12天及以上干期大概率使植被生長趨于穩(wěn)定,小概率會出現(xiàn)改善或退化(不超過10.00%),7天及以內(nèi)的干期使植被出現(xiàn)改善的頻率最大(66.67%) 因此本文將干期長度劃分為2—7、8—12、13—17、18天及以上4個區(qū)間(表4)。

從表4中可以看出,在生長季早期,干期結束后第一次降水量在6.0 mm以下時,無論干期長短,植被覆蓋趨勢都是輕微退化甚至中度退化；第一次降水量在6.1—12.0 mm之間,干期長度在18天以內(nèi)時,植被覆蓋趨勢基本表現(xiàn)為明顯改善或輕微改善；當干期長度在18天以上時表現(xiàn)為基本不變；當?shù)谝淮谓邓砍^12.0 mm后,無論干期長短,植被覆蓋趨勢以中度或輕微退化為主。在生長季中期,第一次降水量小于0.2 mm時,植被覆蓋趨勢全部表現(xiàn)為輕微退化甚至中度退化,當?shù)谝淮谓邓吭?.3—6.0 mm之間,干期長度小于18天時,植被覆蓋趨勢基本表現(xiàn)為明顯改善或輕微改善,干期長度超過18天后,植被覆蓋趨勢表現(xiàn)為輕度退化,當?shù)谝淮谓邓砍^6.0 mm時全部表現(xiàn)為輕微退化甚至嚴重退化。在生長季晚期,第一次降水量在6.0 mm以下時,無論干期長短,植被覆蓋趨勢以輕微退化甚至中度退化為主,當?shù)谝淮谓邓吭?.1—12.0 mm之間,干期長度在18天以內(nèi)時,植被覆蓋趨勢表現(xiàn)為輕微改善或基本不變,當干期長度在18天以上時表現(xiàn)為中度退化,第一次降水量超過12.0 mm后全部表現(xiàn)為退化?？傊?生長季干期長度在18天以內(nèi),對植被覆蓋影響不明顯,干期長度超過18天,會影響植被覆蓋的變化趨勢。

表4 不同長度干期期間的NDVI變化趨勢

為研究干期長度能否對NDVI對降水的滯后響應產(chǎn)生影響,結合逐日NDVI值和3.1.1的研究結果,統(tǒng)計干期結束后的第一次降水屬于同一降水量級的各個干期的NDVI對第一次降水的滯后響應特征,發(fā)現(xiàn)在生長季早、中期干期長度在8天及其以內(nèi)時,NDVI及時響應降水的頻率都略大于滯后1天的頻率,當干期長度大于8天時,NDVI響應降水滯后1天的頻率超過及時響應,且滯后1天的頻率隨干期長度的增加而逐漸增大,干期長度超過13天后,NDVI滯后1天的頻率能夠達到67.00%左右。在生長季晚期,干期長度對NDVI對降水的滯后現(xiàn)象無明顯規(guī)律。

3.3 連日降水分布型的影響

對于每年生長季中的降水分布,單日降水較多,連日降水較少且全部集中在生長季的早中期,統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)連日降水對NDVI的影響更復雜,因此值得分析研究。首先,依據(jù)五個站點的日降水量數(shù)據(jù),總結出三種連日降水型(圖4),分別是圖4所示的A型(2天)、B型(2天)、C型(多天),三種連日降水型在所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的頻率分別為26.9%、51.5%、21.6%。

圖4 三種連日降水型Fig.4 Three types of continuous precipitation

由上面三種降水分布引起的NDVI變化可歸納為下面所示的4種類型(圖5)。

圖5 NDVI變化型Fig.5 NDVI change type圖中橫軸第0天表示降水前一天,第1天表示降水第一天,第2天表示降水末一天,第3天表示降水后一天

NDVI除了由不同降水型引起的上面這四種變化類型外,還會出現(xiàn)幾種頻率極小的變化,初步認定為是偶然性因素干擾造成的,為保證研究的嚴謹性,本文將其全部歸類為“θ型”,最后根據(jù)是否落入置信區(qū)間判定取舍。

為找到不同降水型和NDVI變化型的最佳對應關系,構建基于C4.5決策樹算法的判識分析模型[24],這一部分是在SPSS軟件中完成的。模型構建過程如下：

根據(jù)前期對樣本的歸納首先選取了NDVI0、NDVI1、NDVI2、NDVI3這四個特征要素,它們分別表示第0、1、2、3天的NDVI值,然后根據(jù)下列公式計算得到三個判別因子：f1、f2、f3：

(5)

從而建立判別分析模型(圖6)。

圖6 基于C4.5決策樹算法的判識分析模型Fig.6 Discriminant analysis model based on C4.5 algorithm

將三種降水型對應的NDVI變化分別帶入模型中,輸出結果并計算每一個結果的置信度,最終確定每種降水型導致的NDVI變化型。通過確定以P=0.05為置信度的置信區(qū)間,觀察每一個結果是否在置信區(qū)間內(nèi),結果發(fā)現(xiàn)所有θ型全都落在置信區(qū)間外,即降水型導致它們出現(xiàn)的頻率低于5%,在這一研究中認為不可信,故不加考慮。圖7顯示了三種降水型引起的NDVI四種變化類型α、β、γ、δ出現(xiàn)的頻率。

在上述研究中,生長季早期A型、B型、C型降水分別出現(xiàn)了112次、176次和56次,生長季中期A型、B型、C型降水分別出現(xiàn)了185次、376次和178次,這三種降水型導致的NDVI變化在不同時期顯然不同,下面依然按照5%的置信度進行分析。

從圖7中可以看出,在生長季早期,A型降水主要導致NDVI出現(xiàn)γ變化型(P=0.140),其次是α變化型(P=0.093)；B型降水在早期導致的NDVI變化較為復雜,α變化型(P=0.186)、γ變化型(P=0.186)、δ變化型(P=0.093)都有可能出現(xiàn)；C型降水在早期主要使NDVI的變化表現(xiàn)為γ變化型(P=0.093)。在生長季中期,A型降水除了和在早期一樣導致NDVI出現(xiàn)γ變化型(P=0.089)外,所導致的NDVI變化型發(fā)生了變化,由α變化型換成了β變化型(P=0.089)；B型降水導致的NDVI變化和A型一樣,與早期相比α變化型換成了β變化型(P=0.198),主要變化型還是γ變化型(P=0.286),但δ變化型不再出現(xiàn)；C型降水在中期和早期一樣主要使NDVI的變化表現(xiàn)為γ變化型(P=0.110),但在中期也會出現(xiàn)β變化型(P=0.089)。

圖7 不同降水型引起的NDVI的變化類型出現(xiàn)頻率Fig.7 The frequency of NDVI variation types caused by different precipitation patterns圖中橫軸A表示A型降水,B表示B型降水,C表示C型降水

分析結果表明,B型降水出現(xiàn)的頻率最大,在生長季早中期一共出現(xiàn)了552次,占比達到一半以上,A型、C型降水出現(xiàn)的頻率大致相同,并且發(fā)現(xiàn)無論哪種降水型都有可能引起γ變化型,但為增大植被及時連續(xù)生長的概率,有效利用降水,通過觀察這四種NDVI變化型,發(fā)現(xiàn)應該盡可能增大α、β、δ變化型出現(xiàn)的概率,因為這三種變化型以增長為主,其中以β變化型最佳。首先針對B型降水導致的NDVI變化,在P=0.05的置信度條件下,研究得出當出現(xiàn)B型降水時,NDVI有50%的概率會發(fā)生γ變化型的變化,而對于其他三種NDVI變化型而言,在生長季早期,B型降水除不會使NDVI出現(xiàn)β變化型外,其他兩種變化都存在較大的可能。在中期,NDVI變化出現(xiàn)明顯變化趨勢,β變化型出現(xiàn)而其他兩種變化型消失。究其原因可能是由于在這一時期荒漠植被生長旺盛,對水分需求量大,因此出現(xiàn)降水后NDVI連續(xù)增長的概率增大。A型、C型降水兩者出現(xiàn)的頻率較小,在早期,A型降水除導致γ變化型變化外,出現(xiàn)α變化型的頻率也很大,C型降水只能使NDVI出現(xiàn)γ變化型變化,在中期,A型和C型降水都使得NDVI出現(xiàn)γ變化型變化和β變化型變化,但A型降水導致β變化型的概率較大。

綜上所述,在生長季早期,降水應該以B型降水為主的情況下,植被趨于生長茂盛；在生長季中期,降水以A型降水為主的情況下,能夠大概率有效維持植被繁茂的趨勢。

3.4 降水量與NDVI值增幅的關系

為分析日降水量級對NDVI的影響,統(tǒng)計了降水后的NDVI的增幅情況(表5)。從表5可以看出,在生長季早期降水量小于0.2 mm時,NDVI增幅集中在0.1以內(nèi),頻率達92.25%,出現(xiàn)NDVI增幅大于0.15的情況的頻率很??；當降水量在0.3—6.0 mm之間時,NDVI增幅值在0.15及以上的頻率增大到22.59%,當降水量在6.1—12.0 mm之間時,NDVI增幅越來越向0.15及以上集中,頻率達到了41.53%,而當降水量超過12.0 mm時,NDVI增幅值在0.15及以上的頻率下降到24.68%；在生長季中期,降水量小于0.2 mm和在0.3—6.0 mm之間時,NDVI增幅值的隨機性較大,在0.15及以上的頻率分別為30.80%、30.96%；當降水量在6.1—12.0 mm之間時,NDVI增幅在0.15及以上的頻率達到最大,為64.96%,而當降水量超過12.0 mm時,NDVI增幅值在0.15及以上的頻率又下降到49.51%；在生長季晚期,降水量在6.0 mm以下時,NDVI增幅在0.15及以上的頻率為51.69%,當降水量在6.0 mm以上時,NDVI增幅有表現(xiàn)為較強的隨機性。

表5 降水量導致的不同NDVI增幅出現(xiàn)的頻數(shù)

從上述結果可以發(fā)現(xiàn)這一部分的研究與前面NDVI響應降水延遲部分的研究結果相對應,即在生長季早、中期,降水量在6.1—12.0 mm時對荒漠植被的生長最有利,降水量在0.2 mm以下時,NDVI增長幅度較小,植被生長速度較慢,在0.3—6.0 mm時,NDVI增幅在0.1左右,長勢較強,但當降水量達到12.0 mm后,降水對荒漠植被生長的促進作用出現(xiàn)明顯下降；而在生長季晚期,降水量對植被的影響不顯著,NDVI增幅值的隨機性較大。

4 結論

整體上,天山北坡前山帶荒漠植被生長的主要影響因素是降水,在生長季NDVI對降水的響應在時間、空間尺度以及直觀表現(xiàn)上均存在較大差異。通過分析獲得以下幾點結論：

(1)在生長季早期,NDVI對降水的反應延遲性最強,相關性較弱,在中期NDVI對降水的敏感度大幅提高,相關性最強,且在這一時期日降水在6.1—12.0 mm時,對植被生長促進效果最明顯,在晚期雖然植被對降水的敏感度達到最大,但和降水的相關性卻下降到最低。從空間上看,天山北坡前山帶中段南部降水充沛,滯后現(xiàn)象明顯,前山帶西段和東段降水較為充沛,及時響應與滯后響應基本持平,天山北坡前山帶中段東部和中部降水適中,生長季早期滯后明顯,中期滯后不明顯,前山帶中段北部及時響應最為顯著。

(2)雖然不同地區(qū)每年的NDVI變化趨勢都存在較大差異,但無論研究區(qū)域中任一地區(qū)年均降水量是多是少,都表現(xiàn)出在生長季期間降水較多的時期,植被覆蓋普遍出現(xiàn)為基本不變或輕微改善的趨勢,相反在降水較少的時期,植被覆蓋普遍出現(xiàn)輕微退化或基本不變(θslope為負的極小值)的趨勢,未來可以通過計算體現(xiàn)某地區(qū)植被覆蓋變化趨勢的θslope值,來判斷這一時期該地區(qū)大氣的干濕程度。

(3)干期長度在18天以內(nèi)時對植被覆蓋變化趨勢影響不明顯,干期長度超過18天會影響植被覆蓋的變化趨勢,而且在早、中期干期越長(>8)NDVI對降水響應的滯后性越強。

(4)連日降水型對NDVI的影響明顯,在生長季早期,B型降水最有利于荒漠植被生長,在中期,A型降水最有利于荒漠植被生長。在生長季早、中期,降水量在6.1—12.0 mm時對荒漠植被的生長最有利,NDVI增長幅度在0.15以上,植被生長速度迅速,而在生長季晚期,降水量對植被的影響不顯著,NDVI增幅的隨機性較大。

NDVI對降水的響應規(guī)律可以在一定程度上指導草場灌溉、農(nóng)業(yè)種植活動。人們可以通過掌握上述規(guī)律實現(xiàn)更加合理的生產(chǎn)灌溉,節(jié)約用水,科學規(guī)劃。大致上,在生長季早期(4月),按B型降水的灌溉方式,灌溉量在6 mm以內(nèi),灌溉間隔在7天以內(nèi)最佳；在生長季中期(5—9月),按A型降水的灌溉方式,灌溉量6—12 mm,灌溉間隔在13天以內(nèi)最佳等。這樣既有利于作物生長,又能夠節(jié)約用水,可有效彌補自然力的不足。此外還可以通過NDVI的變化預測區(qū)域降水的變化趨勢,為氣候變化預報提供了一種新方式。然而,為全面理解荒漠植被對氣候變化的響應,還需要在今后的研究中,盡可能對降水、溫度、土壤濕度以及植物生理等因素進行定量化協(xié)同分析,為干旱區(qū)荒漠植被帶植被保護和恢復提供全面的科學依據(jù)。