李春娥,馬 靜,何 芷

（1.新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于遙感光譜信息反演地表覆蓋度產(chǎn)品的技術(shù)已日趨成熟，為植被覆蓋度信息大尺度的研究提供了可能[1-4]。利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）定量反演植被覆蓋度，可從時(shí)空角度反映植物生長(zhǎng)狀況和驅(qū)動(dòng)成因，且中分辨率成像光譜儀（MODIS）具有光譜分辨率、地面分辨率較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者利用MODIS/NDVI產(chǎn)品進(jìn)行了植被長(zhǎng)勢(shì)、覆蓋度、土壤荒漠化等方面的研究[5-10]。

本研究以新疆伊犁河谷天然植被覆蓋的范圍作為研究區(qū)域（具體范圍見圖1），利用多年逐月的MODIS/NDVI產(chǎn)品反演植被覆蓋度，在分析不同類型天然植被覆蓋度時(shí)空變化特征與趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合同時(shí)期的氣候要素（主要為降水量和平均氣溫）進(jìn)行不同時(shí)間尺度上、不同類型天然植被覆蓋度對(duì)氣溫和降水量的響應(yīng)特征和差異性研究，揭示研究區(qū)天然植被的長(zhǎng)勢(shì)特征及內(nèi)在成因，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)提供可靠的理論依據(jù)。

圖1 研究區(qū)植被類型分布圖

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（80°09′E～84°56′E，42°14′N～45°50′N）位于新疆天山北坡西部山區(qū)的河谷地帶，河谷北、東、南三面環(huán)山，南北多中低山丘陵，中部多沖積和沖洪積平原。屬濕潤(rùn)大陸性溫帶氣候，晝夜溫差大，年平均氣溫10.4℃，日照時(shí)數(shù)2 870 h，年平均降雨量為417 mm，多雨期集中在春夏季，是新疆最濕潤(rùn)的地區(qū)。區(qū)內(nèi)天然植被總面積約4.66萬km2，主要有針葉林、灌叢、荒漠、草原、草甸等植被類型，其中草原、草甸為主要類型，面積約占70%，自然條件好，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)顯著。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究所需數(shù)據(jù)主要包括中國(guó)植被類型數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中植被類型數(shù)據(jù)主要來源于1:400萬中國(guó)植被圖（國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心），該圖將植被分為天然植被和農(nóng)業(yè)植被，天然植被是根據(jù)植物群落的外貌和生態(tài)特征劃分而成。本研究選取其中的天然植被覆蓋區(qū)域作為研究范圍，含針葉林、灌叢、荒漠、草原和草甸5個(gè)二級(jí)類；氣候數(shù)據(jù)主要來源于伊犁河谷及其周邊氣象站的的逐月降水量和平均氣溫要素（http://www.escience.gov.cn/metdata/page/index.html），ArcGIS中采用克里金差值工具生成氣象要素的柵格數(shù)據(jù)；歸一化植被指數(shù)主要來源于Terra星陸地標(biāo)準(zhǔn)月植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD13A3）（地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/）。NDVI、降水量和平均氣溫柵格數(shù)據(jù)的時(shí)相統(tǒng)一為2000－2015年4～10月，空間分辨率為1 000 m。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度的反演

基于NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行像元二分模型近似估算植被覆蓋度是一種簡(jiǎn)單成熟的方法，該算法假設(shè)每個(gè)像元由有植被覆蓋與無植被覆蓋區(qū)域組成，傳感器獲取的光譜值是有植被覆蓋和無植被覆蓋區(qū)域的線性加權(quán)之和[11-13]。具體見公式（1）：

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度；I為像元的NDVI值；Isoi為全裸土覆蓋像元的NDVI值；Iveg為全植被覆蓋像元的NDVI值?？紤]到在不同天然植被類型區(qū)域分別獲取地面實(shí)測(cè)植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的難度，本研究運(yùn)用該方法將NDVI反演成同時(shí)相的FVC時(shí)，其中Isoi是選取每景NDVI影像的頻率累計(jì)表上取頻率為5%的NDVI值，頻率為95%的NDVI值為Iveg。

2.2.2 趨勢(shì)性分析方法

趨勢(shì)性分析是對(duì)一組隨時(shí)間連續(xù)變化的變量分析的方法。本研究采用最小二乘法計(jì)算一元線性回歸直線斜率的方法，將2000－2015年每個(gè)像元的值作為變量進(jìn)行計(jì)算，模擬變量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)[14]，即變化率Slope，具體見公式（2）：

式中，Slope為變化率；i為2000-2015年的年份序號(hào)；Slope＞0表示變量FVC在16 a間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；反之Slope＜0呈遞減趨勢(shì)?？紤]到與其他方法求得的任何線性無偏估計(jì)量相比，最小二乘法求得的估計(jì)量方差最小，本研究運(yùn)用該方法計(jì)算16 a期間不同類型植被的FVC變化趨勢(shì)。

2.2.3 皮爾遜相關(guān)性系數(shù)法

皮爾遜相關(guān)系數(shù)(pearson correlation coefficient）用于度量2個(gè)變量X和Y之間的相關(guān)程度，其值介于-1與1之間。

式中，r表示皮爾遜相關(guān)系數(shù)；X和Y分別表示相關(guān)性分析的2個(gè)變量，如FVC和降水量。考慮到FVC分別和氣溫、降水量要素在空間尺度（以像元為單位）相互獨(dú)立成對(duì)、時(shí)間上具有連續(xù)性的特點(diǎn)，本研究通過ArcGIS中柵格計(jì)算器工具生成不同時(shí)間尺度FVC和氣溫、降水量間的相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果

3.1 植被覆蓋度的空間分布狀況

16 a間，伊犁河谷天然植被覆蓋度整體較好，覆蓋度最大值為0.9（全覆蓋按照1計(jì)算）如圖2所示。從植被覆蓋度分布情況看，高植被覆蓋度（覆蓋度大于0.5）約占70%，主要分布在南天山北麓和北天山南麓；中植被覆蓋度（覆蓋度在0.2～0.5）約占24%，分布在伊犁河谷鞏乃斯河流域；低植被覆蓋度（覆蓋度小于0.2）約占6%，分布在南天山南麓和北天山北麓。從植被類型看，針葉林的植被覆蓋度平均值最高，為0.65，依次是草甸、草原、荒漠和灌叢。從歷史同期不同類型植被覆蓋度平均值看，針葉林在不同時(shí)期的植被覆蓋度均高于其他植被類型，這與伊犁河谷的針葉林主要為常綠針葉林有較大關(guān)系。其中，草原在4～7月間植被覆蓋度略高于草甸，7月后二者基本保持一致，4、5月間荒漠植被覆蓋度最低（特別是灌叢），6月后二者植被覆蓋度持續(xù)升高，逐漸與草原、草甸植被的覆蓋度接近。整體來看，不同植被類型在4、5月植被覆蓋度最低、6～8月達(dá)到峰值、8月后逐步下降（如圖3、4所示）。

圖2 FVC的多年平均值

圖3 FVC的年、月平均值統(tǒng)計(jì)情況

圖4 FVC的多年變化率

3.2 植被覆蓋度的變化趨勢(shì)

伊犁河谷天然植被覆蓋度遞增、遞減區(qū)域比較集中，其中北天山南麓、特克斯河流域植被覆蓋度呈不同程度的遞減趨勢(shì)，南天山南麓、北天山北麓、伊犁河流域植被覆蓋度呈不同程度的遞增趨勢(shì)。從植被類型看，荒漠和灌叢類的植被覆蓋度總體呈遞增趨勢(shì)，針葉林、草原的植被覆蓋度總體呈遞減趨勢(shì)，草甸變化趨勢(shì)不明顯，相對(duì)比較穩(wěn)定。

4 討論

4.1 降水量對(duì)植被覆蓋度的影響分析

通過16 a降水量和FVC不同時(shí)間尺度的相關(guān)性分析可知：

1）從降水量和植被覆蓋度的年際相關(guān)性看，草原植被覆蓋度和降水量的正相關(guān)性較大，說明草原植被長(zhǎng)勢(shì)更易受降水量的影響，針葉林、荒漠和草甸植被覆蓋度和降水量的正相關(guān)性相對(duì)較弱，特別是草甸植被，說明草甸植被長(zhǎng)勢(shì)受降水量影響不明顯，灌叢植被覆蓋度反而與降水量呈較弱的負(fù)相關(guān)。

2）從降水量和植被覆蓋度的季節(jié)相關(guān)性看，不同類型植被覆蓋度和降水量的正相關(guān)性在季節(jié)尺度上明顯高于年際尺度，說明從植被物候期、生長(zhǎng)周期來看，降水量對(duì)植被的正面影響比較明顯，有較大的促進(jìn)作用，其中針葉林、灌叢、草原和草甸植被覆蓋度均與降水量呈明顯的正相關(guān)性，荒漠植被與降水量的正相關(guān)性相對(duì)較弱，說明相比荒漠植被，其他類型植被在生長(zhǎng)周期內(nèi)。其生長(zhǎng)受降水的影響更大。

3）從降水量和植被覆蓋的月相關(guān)性看，除灌叢外，其他類型植被覆蓋度與降水量的相關(guān)性在5、7月呈較高的正相關(guān)性，特別是7月最明顯，說明植被在5、7月的生長(zhǎng)關(guān)鍵期對(duì)水的需求較大，對(duì)降水的依賴性較大，在其他月份均呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān)性或正相關(guān)性。從植被類型來看，在植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵期，草原、荒漠植被長(zhǎng)勢(shì)受降水量的影響較大，波動(dòng)也較劇烈，如圖5、6所示。

圖5 降水量和FVC的不同時(shí)間尺度的相關(guān)性

圖6 氣溫和FVC的不同時(shí)間尺度的相關(guān)性

4.2 氣溫對(duì)植被覆蓋度的影響分析

通過16 a氣溫和FVC不同時(shí)間尺度的相關(guān)性分析可知：

1）從氣溫和植被覆蓋度的年際相關(guān)性看，除草原外，其他類型植被覆蓋度和氣溫均呈較弱的正相關(guān)性，說明草原植被長(zhǎng)勢(shì)受氣溫的影響很小，但其他類型植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)氣溫具有一定的依賴性。

2）從氣溫和植被覆蓋度的季節(jié)相關(guān)性看，不同類型植被覆蓋度和氣溫的正相關(guān)性在季節(jié)尺度上明顯高于年際尺度，說明不同類型植被生長(zhǎng)周期內(nèi)對(duì)氣溫具有較高的依賴性。較高的溫度意味著充足的光照條件，有利于植被光合作用、有機(jī)質(zhì)的合成。其中荒漠植被覆蓋度和氣溫的相關(guān)性相對(duì)較弱，說明在生長(zhǎng)關(guān)鍵期內(nèi)，荒漠植被受氣溫的影響相對(duì)較小。

3）從氣溫和植被覆蓋的月相關(guān)性看，不同類型植被覆蓋度和氣溫的正相關(guān)性在4、9月較明顯，特別是灌叢、草甸和針葉林較其他類型更明顯，其他月份與氣溫的相關(guān)性較弱，說明在4月植被返青期、9月成熟期，植被特別是灌叢、草甸和針葉林由于其生理需求對(duì)氣溫的依賴性更大。從植被類型來看，不同植被類型受氣溫的影響較明顯，特別是灌叢、針葉林和草甸類植被受氣溫的波動(dòng)影響更劇烈。

整體來看，在年際尺度上，氣溫和降水量對(duì)不同類型植被影響的差異較大，甚至相反，如灌叢類植被覆蓋度和降水量呈較弱的負(fù)相關(guān)，和氣溫呈較弱的正相關(guān)；草原類植被覆蓋度和降水量呈較弱的正相關(guān)，和氣溫呈較弱的負(fù)相關(guān)，說明不同類型植被由于其生理特征的差異性導(dǎo)致其對(duì)降水、氣溫的依賴程度不一致，甚至相反，這一特征在月尺度的相關(guān)性也可看出。在季節(jié)尺度上，不同類型植被覆蓋度均和降水量、氣溫呈較高的正相關(guān)性，說明充足的光照、降水對(duì)處于不同生長(zhǎng)關(guān)鍵期的植被具有重要的促進(jìn)作用。

5 結(jié)語

本研究通過伊犁河谷天然類型植被覆蓋度的多年時(shí)空變化分析，結(jié)合降水量和氣溫分析不同植被對(duì)氣候因子的響應(yīng)特征，得出以下結(jié)論：

1）不同類型植被中，針葉林的植被覆蓋度最高，灌叢的最低，均在6～8月期間達(dá)到峰值；16 a間，北天山南麓、南天山北麓、特克斯河流域植被長(zhǎng)勢(shì)向好的趨勢(shì)較明顯，其中荒漠和灌叢類植被長(zhǎng)勢(shì)好于其他植被類型。

2）從年際尺度分析，不同植被類型對(duì)氣溫和降水量響應(yīng)特征具有較大的差異性[15-17]，甚至相反。從植被生長(zhǎng)周期分析，氣溫和降水量在植被生長(zhǎng)初期、末期的響應(yīng)較明顯，或促進(jìn)或抑制，如灌叢、草甸和針葉林植被覆蓋度在4月與降水量呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)，這與新疆氣溫的升高促進(jìn)冰川積雪消融帶來充沛的灌溉水源有一定關(guān)系。

3）本研究基于降水量和氣溫對(duì)不同時(shí)間尺度植被的影響進(jìn)行分析研究，后續(xù)將結(jié)合土壤因素、水文循環(huán)過程等進(jìn)行深入的分析研究。