秦格霞, 蘆 倩, 孟治元, 李 政, 陳泓羽, 孔 婕, 吉珍霞, 秦安寧

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070; 2.西安東方宏業(yè)科技有限公司，西安 710000; 3.蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215009)

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的敏感成員[1]，在發(fā)展畜牧業(yè)[1-2]、維持生物多樣性[2]、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等[2-3]方面發(fā)揮著重要作用，但其發(fā)育與演替受氣候、人類活動(dòng)等影響較為嚴(yán)重[3-9]。據(jù)氣象報(bào)告顯示過(guò)去幾十年間氣候經(jīng)歷了明顯變化[10]，這勢(shì)必會(huì)對(duì)我國(guó)(尤其在干旱半干旱地區(qū))草地生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響[4-9]，進(jìn)而影響全球的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為植物生長(zhǎng)狀況及地表覆蓋變化的最佳指示因子[8,11]，已被廣泛用于研究陸地生態(tài)系統(tǒng)植被長(zhǎng)勢(shì)[8]、季相[8]、物候等[12]變化趨勢(shì)中，是研究植被變化和植被—?dú)夂蜿P(guān)系的首選指標(biāo)[4-12]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者基于NDVI指數(shù)研究了植被隨氣候波動(dòng)的變化情況，取得了卓越成果[13-21]。如:梁爽等[21]利用AVHRR NDVI數(shù)據(jù)研究我國(guó)草地生長(zhǎng)時(shí)空變化發(fā)現(xiàn)，在1982—2010年草地NDVI呈增加趨勢(shì)，但1999年以后大范圍出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，尤以干旱、半干旱地區(qū)最為顯著;而尼加提·伊米爾等[20]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)因全球氣候變暖，2000—2015年天山山區(qū)降水量增加，導(dǎo)致天山北坡NDVI呈增加趨勢(shì);但戴聲配等[22]基于SPOT-NDVI對(duì)祁連山植被時(shí)空動(dòng)態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，自1999年以來(lái)，祁連山植被NDVI呈減少趨勢(shì)的多集中在河流等較為濕潤(rùn)的區(qū)域;趙鴻雁等[13]研究2008—2016年甘肅中東部的NDVI變化發(fā)現(xiàn)，低山丘陵區(qū)與沖積平原區(qū)生長(zhǎng)季NDVI明顯增加，部分中起伏山地出現(xiàn)減少的現(xiàn)象，但以2012年為一個(gè)突顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);阿榮等[11]研究了2000—2015年錫林郭勒草地生長(zhǎng)季NDVI變化得出每年以0.002 1的速率緩慢增長(zhǎng)，但其變化存在明顯地域差異，降水是影響錫林郭勒地區(qū)NDVI動(dòng)態(tài)變化的主要因素。正如上述綜述所示，雖有很多學(xué)者對(duì)植被覆蓋動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)做了大量工作，但因研究數(shù)據(jù)、研究區(qū)、植被類型和起始年份不同而存在差異。草地植被覆蓋研究作為草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)長(zhǎng)期性、經(jīng)常性的工作，被列為生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的重要任務(wù)之一。因此，引入NDVI探究在生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程措施下草地覆蓋動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)情況，從而掌握和評(píng)價(jià)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等工程的所取得的效果有重大意義[14,16,23]。

基于此，本文利用長(zhǎng)時(shí)間序列(1982—2015年)的GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，輔以Sen+Mann-Kendall (M-K)、變異系數(shù)Cv，Hurst指數(shù)等方法對(duì)1982—2015年我國(guó)北方天然草地NDVI時(shí)空變化、變化的穩(wěn)定性和未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。并結(jié)合草地類型分類數(shù)據(jù)分析不同草地覆蓋下NDVI變化特征，以掌握退耕還林還草等生態(tài)工程措施下草地NDVI的時(shí)空變化特征，以期為我國(guó)生態(tài)環(huán)境改善、畜牧業(yè)管理措施及未來(lái)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為我國(guó)北方草地覆蓋區(qū)域(32°—53°N,77°—135°E)，總面積為1.559×106km2(圖1)[1,24]。區(qū)域所處緯度較高，草地面積較大，距海較遠(yuǎn)，西、北邊沿有山脈阻隔，大部分區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?，是非季風(fēng)氣候影響的主要地區(qū)，少部分屬寒溫帶季風(fēng)氣候和高原高山氣候。光熱資源充足，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 200 h以上，降水量少而不勻，一般多在400～800 mm，主要集中在7月、8月，春冬季節(jié)旱情嚴(yán)重，夏秋多暴雨，多大風(fēng)天氣[24]。因其特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，草地類型主要以溫性草原、荒漠草原、高寒草甸、高寒草原、鹽生草甸為主，溫性草原面積最大，是我國(guó)天然草地的主體，是歐亞草原的重要組成部分[24]。

圖1 研究區(qū)草地類型、氣象站點(diǎn)空間分布(A)及DEM(B)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

氣象(氣溫、降水)數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http:∥data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode)提供，選用剔除有數(shù)據(jù)缺失的站點(diǎn)后，選取了324個(gè)氣象站點(diǎn)的1982—2015年氣溫、降水的月數(shù)據(jù)(圖2)。數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云的SRTM產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。并采用基于樣條函數(shù)插值理論的專業(yè)氣象插值軟件ANUSPLINE[25]，以DEM數(shù)據(jù)為協(xié)變量，對(duì)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值獲得8 km的柵格數(shù)據(jù)。最后選用計(jì)算中未使用的氣象站點(diǎn)，隨機(jī)選取417個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明氣溫插值數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)基本在在0.975以上(占97.5%)，均方根誤差(RMSE)=0.000 08。而降水與插值結(jié)果的相關(guān)系數(shù)基本在0.918以上，均方根誤差(RMSE)=0.000 11，插值精度在整體上可以滿足研究的需求。

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)下載中心(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/)提供的1982—2015年15 d最大值合成的8 km的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集(版本3) 。該數(shù)據(jù)是由NOAA衛(wèi)星搭載的AVHRR傳感器獲取，經(jīng)過(guò)校正，最大程度減少火山氣溶膠、太陽(yáng)高度角、傳感器誤差和偏移影響的全球植被數(shù)據(jù)[12,21]，但仍存在假高值、低值。為減少云、大氣等造成的假高值、低值影響，將多時(shí)相NDVI組合為時(shí)間序列，提取每個(gè)像素時(shí)序值，基于Savitzky-Golay(S-G)濾波法擬合[26]，擬合前后數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差(MAE)=0.000 5，均方根誤差(RMSE)=0.001 9，相關(guān)系數(shù)在0.90以上的像元占總像元的96.3%，僅在祁連山脈、甘肅隴南有較少像元相關(guān)系數(shù)在0.70～0.80[12]，整體保真性較好。并采用國(guó)際上常用的NDVI(年均值)=0.05排除非植被因素影響[12]，為了與氣象數(shù)據(jù)保持一致，采用最大值合成法獲得月NDVI數(shù)據(jù)。

草地類型數(shù)據(jù)由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)"中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心"(http:∥westdc.westgis.ac.cn)提供的空間分辨率為l km的GLC 2000數(shù)據(jù)集，采用FAO的土地覆蓋分類標(biāo)準(zhǔn)(LCCS)，通過(guò)非監(jiān)督分類方法制作的全球土地覆蓋圖[27]。高艷妮等[28]對(duì)我國(guó)北方地區(qū)的土地分類數(shù)據(jù)(30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)、1∶10萬(wàn)中國(guó)草地資源圖、中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)、全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)、全球土地覆蓋數(shù)據(jù)和MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù))進(jìn)行精度評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)GLC 2000的其采樣點(diǎn)驗(yàn)證精度為83.45%，精度排在第三，與1∶10萬(wàn)中國(guó)草地資源圖在面積上一致性最高。在該分類系統(tǒng)中，草地類型包括草甸、平原草地、荒漠草原、坡地草地、高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原(圖1)[27]。

1.3 研究方法

(1) 空間趨勢(shì)分析采用非參數(shù)趨勢(shì)度Sen[28]分析法分析1982—2015年我國(guó)北方草地NDVI變化趨勢(shì)，并基于Mann-Kendall(M-K)[29]統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對(duì)趨勢(shì)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。Sen趨勢(shì)分析法和M-K檢驗(yàn)法相結(jié)合，可減少數(shù)據(jù)異常值的影響，幾乎不受測(cè)量誤差和離群數(shù)據(jù)的干擾[29]。計(jì)算公式為:

式中:SNDVI為NDVI變化趨勢(shì);i,j(1982≤i0時(shí),說(shuō)明NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì);SNDVI<0,NDVI呈下降趨勢(shì)。

M-K檢驗(yàn)公式[30]為:

其中:

工作步驟：首先將上部裝置本體上的標(biāo)記處與無(wú)磁懸掛刻線對(duì)齊，然后通過(guò)固定裝置將其與無(wú)磁懸掛固定連接，再打開激光發(fā)射器放入發(fā)射器安裝孔并通過(guò)發(fā)射器護(hù)蓋固定好，然后提升鉆具使動(dòng)力鉆具刻線處位于井口合適位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)下部裝置本體，使紅色激光光點(diǎn)與角度刻度盤的0度刻線在同一半徑方向，然后固定下部裝置本體，將另一半刻度盤插入卡槽并用限位螺栓固定，最后讀取動(dòng)力鉆具刻線所對(duì)應(yīng)的角度，該角度即是MWD的工具面角差。

其中:

式中:S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;Zs為標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;n為NDVI的總序列數(shù);var(S)為方差。給定的顯著性水平α下,當(dāng)|Zs|>Z(1-?)/2時(shí),表示變化趨勢(shì)顯著。結(jié)合SNDVI值和|Zs|值,將草地趨勢(shì)變化的顯著性分為6個(gè)等級(jí),即在大于等于1.615,1.943,2.518時(shí),分別表示通過(guò)了置信度90%,95%,99%的顯著性檢驗(yàn)(不顯著增加/減少、顯著增加/減少、極顯著增加/減少)[29]。

(2) 穩(wěn)定性分析利用變異系數(shù)Cv來(lái)表示草地NDVI相對(duì)波動(dòng)程度，數(shù)值越大表明草地受干擾強(qiáng)度越大，越不穩(wěn)定;數(shù)值越小說(shuō)明植被狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定[28]。計(jì)算公式如下:

式中:Cv為NDVI變異系數(shù);NDVIi表示第i年對(duì)應(yīng)的NDVI值;NDVImean為基于1982—2015年的NDVI數(shù)據(jù)獲得的多年NDVI均值。

(3) 未來(lái)趨勢(shì)分析Hurst指數(shù)是根據(jù)NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)NDVI的變化趨勢(shì)，是一種定量表述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法[31]。本文用來(lái)研究草地NDVI未來(lái)的趨勢(shì)，其計(jì)算原理可參考相關(guān)研究[31],Hurst指數(shù)分為3種情況:若0≤Hurst<0.5，說(shuō)明NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)具有長(zhǎng)期的相關(guān)性，將來(lái)的總體趨勢(shì)和過(guò)去的趨勢(shì)相反，時(shí)間序列表現(xiàn)出反持續(xù)性;所Hurst=0.5，表明NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)互相獨(dú)立且沒有依賴性，現(xiàn)在不會(huì)影響未來(lái);0.5

(4) 月均NDVI與月均氣溫、降水的偏相關(guān)性分析地理系統(tǒng)是由多因素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，采用偏相關(guān)分析法逐像元分析北方草地月均NDVI和月均氣溫、月均降水因果關(guān)系，公式如下[28]:

式中:x表示NDVI；y代表月均降水；z為月均氣溫;rxy表示月均NDVI與月均降水的相關(guān)系數(shù);rxz表示月均NDVI與月均氣溫的相關(guān)系數(shù);ryz表示月均降水與月均氣溫的相關(guān)系數(shù)。rxy·(z)為變量降水固定后月均NDVI與月均氣溫的偏相關(guān)系數(shù),以此類推。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋的空間分布特征

注:Ⅰ表示草甸;Ⅱ表示平原草地;Ⅲ表示荒漠草原;Ⅳ表示坡地草地;Ⅴ表示高山亞高山草甸;Ⅵ表示高山亞高山平原草原。下圖同。圖2 1982-2015年中國(guó)北方草地植被NDVI的年際變化及趨勢(shì)

基于均值法計(jì)算得到34 a間中國(guó)北方草地NDVI的空間分布情況(圖3)，發(fā)現(xiàn)NDVI<0.1的地區(qū)集中在地處西北的昆龍山脈和阿爾金山脈周圍，NDVI>0.5主要分布在祁連山脈北坡，天山山脈(主要集中在南坡)和小興安嶺地區(qū)。NDVI值的分布整體呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸降低。

圖3 1982-2015年中國(guó)北方草地NDVI空間變化

結(jié)合草地類型圖(圖1A)可知:草甸、平原草地類型的NDVI基本在0.3以上，南北分布差異較小;荒漠草地的NDVI值基本在0.3以下，但存在明顯區(qū)域差異，如在新疆、青海的荒漠草地比在內(nèi)蒙古地區(qū)的NDVI低;坡地草地、高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原的NDVI基本在0.3以上，但高山亞高山草甸的NDVI存在明顯的南高北低的特征。

2.2 植被覆蓋的空間變化趨勢(shì)

基于Sen和M-K檢驗(yàn)方法得到34 a間NDVI變化趨勢(shì)的空間分、全部草地和每種草地在不同變化等級(jí)中所占面積(圖4)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方地區(qū)NDVI以增加趨勢(shì)為主，占研究區(qū)總面積的76%。其中，極顯著增加所占比例最大(占43%)，集中分布在黃土高原、青海高原、祁連山脈地區(qū)。NDVI呈減少趨勢(shì)集中分布在大興安嶺、小興安嶺和天山山脈地區(qū)，以不顯著減少為主(占18%)。增加趨勢(shì)的面積比例遠(yuǎn)高于減少趨勢(shì)，表明研究區(qū)草地覆蓋狀態(tài)整體上為不斷改善趨勢(shì)。

注:1表示極顯著減少;2表示顯著減少;3表示不顯著減少;4表示不顯著增加;5表示顯著增加;6表示極顯著增加。圖4 1982-2015年中國(guó)北方草地NDVI變化趨勢(shì)及不同草地類型顯著性統(tǒng)計(jì)

就每種草地類型而言，6種草地類型的NDVI值呈增加趨勢(shì)的面積均高于呈減少趨勢(shì)面積，坡地草地類型表現(xiàn)為增加趨勢(shì)的比例最大(占98%)，其次為荒漠草原(占76%)，再次為平原草地(占74%)，草甸呈增加趨勢(shì)的比例最小(占59%)，高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原增加趨勢(shì)所占比例分別為72%和68%。

2.3 植被穩(wěn)定性的空間格局

基于中國(guó)北方草地34 a間各像元的NDVI變異性計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況，將變異劃分為8個(gè)等級(jí)(圖5)。中國(guó)北方草地34 a間NDVI變異系數(shù)的平均值為0.078，變化相對(duì)穩(wěn)定(<0.15)，但這種穩(wěn)定性存在顯著的空間差異。低波動(dòng)(0～0.1)約占31.4%，其中，較低波動(dòng)變化(0.1～0.15)占53.6%，主要分布在除祁連山脈、青海高原和大、小興安嶺區(qū)域、昆侖山脈外的其他區(qū)域。區(qū)域內(nèi)較高波動(dòng)變化(0.15～0.2)和高波動(dòng)變化(>0.2)僅占整個(gè)研究區(qū)的15.0%，集中新疆的爾齊斯河、伊犁河、塔里木河、塔里木盆地和甘肅境內(nèi)的黃河流域以及內(nèi)蒙古的呼倫貝爾高原呼倫湖周圍，這些區(qū)域大部分為河流和沙漠地區(qū)。

圖5 1982-2015年中國(guó)北方草地NDVI變異系數(shù)及不同草地類型變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)

草地類型除高山亞高山草甸和荒漠草原呈高波動(dòng)的面積達(dá)到8%，其他4種草地類型呈高波動(dòng)所占面積不足5%。其中，穩(wěn)定性最好的草地類型為草甸，其次為高山亞高山平原草原;穩(wěn)定性最差的為荒漠草原，其次為高山亞高山草甸。

2.4 植被覆蓋變化可持續(xù)分析

基于1982—2015年中國(guó)北方草地NDVI的Hurst指數(shù)(H)分布圖(圖6)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方草地未來(lái)變化趨勢(shì)具有Hurst現(xiàn)象，Hurst指數(shù)均值為0.42，即未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)草地NDVI的變化趨勢(shì)與1982—2015年的變化趨勢(shì)整體表現(xiàn)為相反趨勢(shì)。H介于0～0.5的面積占79.8%。結(jié)合前面的NDVI變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方地區(qū)草地NDVI在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大面積的減少趨勢(shì)。其中，反持續(xù)性極顯著減少(0≤H<0.2)占0.6%，零星的分布在青海高原區(qū)域;反持續(xù)性顯著減少(0.2≤H<0.4)占35.1%，主要集中在內(nèi)蒙古高原、青海高原、阿爾卑斯山脈和天山山脈;44.0%的區(qū)域?yàn)榉闯掷m(xù)性減少不顯著(0.4≤H<0.5)，零散分布在整個(gè)研究區(qū)。未來(lái)草地NDVI的變化趨勢(shì)與1982—2015年的變化趨勢(shì)相同的面積(0.5

從草地類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(圖6)發(fā)現(xiàn):每種草地均以反持續(xù)性變化為主，除坡地草原外，其他幾種草地類型基本占到每種草地類型總面積的80%左右;持隨機(jī)變化趨勢(shì)區(qū)域約占每種草地類型總面積的2%;與現(xiàn)在變化趨勢(shì)一致的僅占不到18%(除坡地草原)。

圖6 1982-2015年中國(guó)北方NDVI的Hurst指數(shù)分布不同草地類型Hurst統(tǒng)計(jì)

2.5 植被NDVI動(dòng)態(tài)對(duì)氣候變化的響應(yīng)格局

中國(guó)北方草地NDVI與氣溫和降水的關(guān)系圖(圖7A,7B)中顯示，1985—1987年、1989—1991年、1993—1995年、1997—1999年、2001年、2003年、2005—2006年、2012年中國(guó)北方草地NDVI與氣溫的年際變化趨勢(shì)上表現(xiàn)出一致性，其余大部分時(shí)段與NDVI的變化趨勢(shì)相反。草地NDVI與降水的年際變化趨勢(shì)總體上具有同步性，但1982—1984年、1989—1992年、2003年、2005年表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。

從北方草地NDVI與氣溫和降水的偏相關(guān)關(guān)系圖中(圖7C，7D)，發(fā)現(xiàn)在控制降水的條件下NDVI和氣溫之間的關(guān)系為正負(fù)相關(guān)并存，但只有0.7%的區(qū)域達(dá)到p<0.05的顯著性檢驗(yàn);其中，37.3%的區(qū)域呈正相關(guān)關(guān)系(即氣溫升高對(duì)草地生長(zhǎng)是有利的)，主要集中在內(nèi)蒙古高原、青海高原及甘肅境內(nèi)黃河流域等海拔較高、較低周圍及冰雪覆蓋區(qū)域。相關(guān)系數(shù)集中在0～-0.3之間所占面積最大，大部分區(qū)域氣溫升高對(duì)草地的生長(zhǎng)是有利的;NDVI與氣溫之間呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布于內(nèi)蒙古高原、黃土高原西南部、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地等較為干旱地區(qū)，年均氣溫升高對(duì)草地的生長(zhǎng)是不利的。NDVI與降水之間也呈現(xiàn)正負(fù)相關(guān)并存的特征，但正相關(guān)(92.4%)約是呈負(fù)相關(guān)(7.6%)的9倍，只有3.5%的區(qū)域達(dá)到p<0.05的顯著性檢驗(yàn);年降水量的增多對(duì)草地植被的生長(zhǎng)不利的區(qū)域多集中在昆侖山脈、青海高原東坡坡底和小興安嶺零散分布。

3 討 論

草地對(duì)地形地貌、氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。不同地貌條件會(huì)導(dǎo)致熱量和水分的空間差異，進(jìn)而使得不同地區(qū)、不同草地類型NDVI存在明顯空間差異，尤其在對(duì)氣溫和降水敏感的干旱、半干旱地區(qū)尤為顯著[13-22]。我國(guó)西北地區(qū)大面積處于干旱、半干旱地區(qū)，降水量的多少直接影響草地的生長(zhǎng)狀況。本文通過(guò)研究1982—2015年我國(guó)草地時(shí)空特征變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)除昆侖山脈、青海高原東坡坡底和小興安嶺等海拔較高的區(qū)域外(圖7B),NDVI隨降水量的增加而增加。而溫度對(duì)海拔較高地區(qū)的草地生長(zhǎng)是有利的，但在較為干旱的地區(qū)(如黃土高原西南部、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地)，溫度升高對(duì)草地的生長(zhǎng)是不利的。這主要是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)導(dǎo)致植被葉片蒸騰作用加快，導(dǎo)致蒸散發(fā)增加，使得土壤水分減少，反過(guò)來(lái)抑制植被生長(zhǎng)和光合作用;而降雨量會(huì)直接影響土壤含水量，同樣會(huì)加速植物內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度。太陽(yáng)輻射較好的陽(yáng)坡由于降雨量較少會(huì)容易導(dǎo)致更多的蒸散發(fā)，使植被覆蓋度降低，陰坡主要由于光照和太陽(yáng)輻射較差，容易形成干冷的天氣，不利于植被生長(zhǎng)[32-36]。

圖7 1982-2015年中國(guó)北方NDVI與氣溫、降水的關(guān)系圖和偏相關(guān)關(guān)系

除氣候因素等自然因素外，人類行為也是影響草地NDVI動(dòng)態(tài)的一個(gè)重要原因。已有學(xué)者研究表明大型的生態(tài)工程會(huì)對(duì)植被等的生長(zhǎng)產(chǎn)生正面的影響[13,16,23,34]，如1999年、2003年開始實(shí)施的退耕還林還草、退牧還草以及2008年土地整治相關(guān)措施的實(shí)施，對(duì)我過(guò)草地植被產(chǎn)生了較為顯著的影響。如梁爽等[21]研究發(fā)現(xiàn)在1982—1999年全國(guó)草地生長(zhǎng)季NDVI的變化較為顯著，但是從1999年之后，因?qū)嵤┑囊恍┥鷳B(tài)工程項(xiàng)目的原因，草地NDVI的變化趨勢(shì)和方向與研究時(shí)段有關(guān)。修麗娜等[16]人對(duì)1990—2015年黃土高原土地利用類型轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1990—2000年，草地大量轉(zhuǎn)為耕地和人工表面(轉(zhuǎn)化面積分別為4 104.05 km2，270.87 km2)，其原因主要是因?yàn)檫@一時(shí)期我國(guó)人口大量增加，黃土高原的開荒力度加大，很多天然草地覆蓋區(qū)被人類所占用;而2000—2015年，草地面積約增加了14 278.59 km2，這主要是因?yàn)橥烁€林(草)生態(tài)工程的實(shí)施，坡度較大的耕地轉(zhuǎn)換為草地。以上這些都為本文的研究結(jié)果的正確性提供了支持(2007—2009年的NDVI呈現(xiàn)出顯著的相反變化趨勢(shì)，其中坡地草地和草地變化最為顯著)。但也有研究[37]表明因退耕還林還草政策實(shí)施后，沒有考慮到地區(qū)的氣候、水文等自然因素，林地面積的大幅度增加會(huì)使土壤蒸發(fā)量加大，從而造成土地的干旱程度增加，對(duì)草地生造成了影響，草地NDVI降低。因此，進(jìn)行大規(guī)模的植樹造林還草等工程可能存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，大型生態(tài)工程實(shí)施的后期是否會(huì)有片面(或負(fù)反饋?zhàn)饔?影響還需進(jìn)一步研究。再者，在未來(lái)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)上是否應(yīng)該考慮將將改變現(xiàn)有的土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移為重點(diǎn)的工程，轉(zhuǎn)為禁止放牧、過(guò)度開墾等以制約人類活動(dòng)方面，值得研究人員和相關(guān)工作人員關(guān)注。

雖目前對(duì)植被NDVI的變化趨勢(shì)、影響因子的研究較多，且大多數(shù)結(jié)果都表明在近30 a的我國(guó)很多地區(qū)NDVI都表現(xiàn)出增加趨勢(shì)[13,15,20-21,32]，本文研究結(jié)果與已有的結(jié)果空間和時(shí)間變化趨勢(shì)具有一致性。但是，目前對(duì)未來(lái)植被NDVI的變化趨勢(shì)的研究較少，且研究結(jié)果上存在差異性。如:李雙雙等[33]對(duì)陜甘寧地區(qū)的植被未來(lái)趨勢(shì)研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)大部分植被薄覆蓋變化將持續(xù)改善;但趙安周[34]、孫銳[35]、劉憲鋒[36]等分別對(duì)黃土高原和秦巴山區(qū)的植被未來(lái)變化趨勢(shì)研究發(fā)現(xiàn)，大部分區(qū)域植被未來(lái)的變化趨勢(shì)與現(xiàn)在的變化趨勢(shì)相反，可能在將來(lái)植被會(huì)呈現(xiàn)退化的趨勢(shì)，這與本文的研究結(jié)果較為一致。但未來(lái)NDVI的趨勢(shì)研究因?yàn)槭艿胶芏嘧匀缓驼J(rèn)為的因素，因此，研究人員應(yīng)持續(xù)關(guān)注退化地區(qū)的植被狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1) 北方草地NDVI以增加趨勢(shì)為主(占76%)，其增速為0.002/10 a，但存在西北低、東南部高的分布特征，其中1999年和2008年為突變點(diǎn)。

(2) 山地草原類型表現(xiàn)為增加趨勢(shì)的比例最大(98%)，其次為荒漠草原(76%)，再次為坡地草地(74%)，草甸呈增加趨勢(shì)的比例最小(59%)，高山亞高山草甸、高山亞高山平原草原增加趨勢(shì)所占比例分別為72%和68%。

(3) 34 a間NDVI變異系數(shù)的平均值為0.078，變化相對(duì)穩(wěn)定(<0.15)，但這種穩(wěn)定性存在顯著的空間差異性。

(4) Hurst指數(shù)均值為0.42，未來(lái)草地NDVI變化趨勢(shì)與現(xiàn)在變化趨勢(shì)呈反持續(xù)性變化的面積(0

(5) 降水是西北草地生長(zhǎng)的主要因素，除緯度較高的冰雪覆蓋區(qū)，92.4%地區(qū)的降水對(duì)NDVI生長(zhǎng)是有利的;除較干旱地區(qū)外，氣溫升對(duì)NDVI生長(zhǎng)呈不顯著的正相關(guān)(37.3%)。