祖力克艷·麻那甫,努爾麥麥提·艾爾肯,衛(wèi)炎豪,塔巴娜·阿合買提,蘇比阿依·甫合提,王 孔,劉 善,買買提·阿布來提,巴特爾·巴克,

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052;3.景遙(上海)信息技術(shù)有限公司,上海 201109;4. 克州林業(yè)和草原局,新疆 阿圖什 845350;5烏魯木齊市氣象局,烏魯木齊 830002)

【研究意義】干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)易受到年際和年內(nèi)降水的影響[1];干旱和半干旱地區(qū)約占全球土地面積的40%,對氣候變化較敏感[1-2]。氣溫和降水不均勻分布與變化會導(dǎo)致植物覆蓋度減少與植被模式改變和系統(tǒng)生產(chǎn)力喪失[3-5]。草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,約占全球陸地地表植被的1/3[6]。草原具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,可為生物體提供重要的棲息地和調(diào)節(jié)氣候[7]。新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州(以下簡稱克州)地貌獨特,干旱少雨,受西風(fēng)和高原大地形的共同影響,在全球干旱區(qū)中具有代表性[8]?？酥莸貐^(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱草地具有重要的生態(tài)地位,克州地區(qū)草地是保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生產(chǎn)生活與傳承草原文化的基礎(chǔ)。在氣候變化背景下,準(zhǔn)確掌握草地植被生長的時空變化,及時采取趨利避害的草地生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施,對新疆社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】自1969年第一個植被指數(shù)(Vegetation Index,VI)提出以來,現(xiàn)在已發(fā)展100多個VI;在所有的VI中,歸一化植被指數(shù)(Difference Vegetation Index,NDVI)是監(jiān)測植被動態(tài)和環(huán)境變化應(yīng)用最廣泛的有效指標(biāo)[9]?；谛l(wèi)星遙感的NDVI已被證明是與植被覆蓋度最接近的監(jiān)測植被地表動態(tài)變化的可靠指標(biāo)[10],廣泛用于不同尺度下植被的動態(tài)評估[11]。蔡朝朝[12]、陳春波等[13]、趙葦康等[14]對新疆草地NDVI時空變化特征及氣候變化的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),1980—2010年新疆草地NDVI輕微增長;NDVI與降水的正相關(guān)相比氣溫的相關(guān)更顯著。1990—2018年青藏高原三江源區(qū)高寒草地NDVI時間序列呈上升趨勢,NDVI與氣溫的相關(guān)性高于其與降水的相關(guān)性[15]。美國大平原的草地NDVI年際變化與降水呈顯著正相關(guān)[16]。Hilker等[17]指出,自2000年以來,亞馬遜地區(qū)降水減少導(dǎo)致草地NDVI減小。2000—2016年伊犁河谷草地NDVI總體呈顯著下降趨勢,與氣溫相比,降水的年際變化與草地NDVI年變化的相關(guān)性更高[18]。近20年青海省草地植被NDVI逐日變化趨勢穩(wěn)定;多年平均NDVI從西北向東南逐漸升高;NDVI與降水的相關(guān)高于氣溫[19]?！颈狙芯壳腥朦c】關(guān)于整個新疆及部分地區(qū)草地時空特征對氣候變化響應(yīng)的研究已取得一定進(jìn)展,但關(guān)于克州地區(qū)草地植被的研究鮮有報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以MODIS系列影像(250 m-NDVI產(chǎn)品)為數(shù)據(jù)源,探索近2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI的時空動態(tài)變化規(guī)律及其與氣候(氣溫和降水)和地形(海拔、坡度和坡向)因子的關(guān)系,以期為氣候變化背景下克州地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

克孜勒蘇柯爾克孜自治州(以下簡稱克州)地處中國西部邊陲,北倚天山南脈,西南處帕米爾髙原的東北隅上,東南接塔里木平原。位于73°26′～78°59′ E,37°41′～41°49′ N?？俗卫仗K地區(qū)轄阿圖什、阿合奇、烏恰、阿克陶1市3縣(圖1),東西長約400 km,南北寬約300 km。土地總面積7.4067×106hm2,含草地毛面積3.3397×106hm2,其中草地凈面積3.057×106hm2。克洲地區(qū)氣候?qū)倥瘻貛Ц珊禋夂?大部分地區(qū)多年平均累計降水量少,年降水量60～120 mm,平原年平均氣溫13.2～12.9 ℃,氣溫日較差大。

圖1 研究區(qū)地理概況Fig.1 Geographical overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

氣象觀測數(shù)據(jù)由新疆維吾爾自治區(qū)氣象局和中國氣象局國家信息中心提供,包括研究區(qū)內(nèi)及附近地區(qū)15個氣象站2000—2021年1—12月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。

MODIS系列影像為研究區(qū)2000—2021年的MOD13Q(250 m-NDVI產(chǎn)品)數(shù)據(jù),用MRT(MODIS Projection Tools)將所下載的MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換;用克州行政區(qū)劃圖批量裁剪草地NDVI柵格圖像。通過最大合成法——MVC法獲取2000—2021年1—12月的草地NDVI柵格數(shù)據(jù)。為真實反應(yīng)研究區(qū)草地覆蓋在空間上的整體變化特征,在月合成最大值NDVI數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用平均值法計算年內(nèi)生長季(根據(jù)當(dāng)?shù)夭莸刂脖婚L勢情況,選取生長季,4—10月)的NDVI均值。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 利用最小二乘線性回歸方法考察氣候因子和NDVI的年際變化趨勢[12],結(jié)合F檢驗進(jìn)一步分析克州地區(qū)2000—2021年NDVI變化趨勢的顯著性。以NDVI變化趨勢為例,自變量為時間(年份)x,因變量為NDVI值y,從而得到一元線性回歸方程:

y=ax+b

(1)

式中,a、b為最小二乘法計算的經(jīng)驗常數(shù),a為回歸系數(shù),也叫做斜率,b為回歸常數(shù),即載距。

方程中的斜率a體現(xiàn)了克州草地NDVI變化趨勢,當(dāng)a>0時表示該時間序列呈上升趨勢,值越大,上升趨勢越明顯,反之則表示呈下降趨勢,接近0則表示無明顯變化,該方法綜合考慮了研究時段內(nèi)各年份草地NDVI,計算公式如下:

(2)

式中,n為研究時間長度(22年),NDVIi為第i年NDVI均值。根據(jù)F檢驗法確定顯著性水平,當(dāng)P>0.1 表明NDVI隨時間變化趨勢不顯著。可以將NDVI時間序列的動態(tài)變化分為 6 級:①極顯著增加(當(dāng)a>0,P<0.001),②顯著增加(a>0,0.0010,P>0.05),④極顯著減少(當(dāng)a<0,P<0.001),⑤顯著減少(a<0,0.0010,P>0.05)。氣溫和降水量數(shù)據(jù)變化趨勢也相同方法求算。

1.3.2 相關(guān)性分析 為了探索草地植被生長對氣候變化的響應(yīng),計算草地NDVI與氣溫和降水量之間的相關(guān)系數(shù)[20]。

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 克州地區(qū)氣候因子與草地NDVI的時間變化特征

2.1.1 年內(nèi)變化特征 從圖2-a可知,2000—2021年克州地區(qū)年內(nèi)溫差大,冬季寒冷(12月至翌年2月,平均氣溫-4.556 ℃,1月氣溫最低,為-6.9 ℃),夏季較熱(6—8月平均氣溫15.785 ℃,7月氣溫最高為22.745 ℃)。從圖2-b可知,2000—2021年克州地區(qū)降水主要集中在5—9月,占全年降水量的75%,生長季降水(4—10月)占全年降水量的85%以上;8月降水量最多,為33.143 mm,12月降水量最少,僅為3.19 mm。從圖2-c可知,2000—2021年克州地區(qū)草地月平均NDVI均值為 0.1104, 7 月NDVI值最大,為0.1924;2 月NDVI值最小,僅為0.0584。2000—2021年克州地區(qū)氣溫、降水和草地NDVI多年月平均值都呈單峰變化,最大值出現(xiàn)在7月和8月。說明,植被與氣候因子存在一定的響應(yīng)關(guān)系。

圖2 2000—2021年克州地區(qū)多年平均氣溫、降水和草地NDVI月際變化趨勢Fig.2 Intermonthly variation trends of annual mean temperature, precipitation and grassland NDVI in Kezhou from 2000 to 2021

2.1.2 年際變化特征 從圖3-a可知,2000—2021年,克州地區(qū)年平均及生長季平均氣溫均無顯著降低趨勢(P>0.05),降低速率分別為-0.0031、-0.0085 ℃/年,最高值出現(xiàn)在2007年(10.681℃)和2008年(18.411 ℃),最低值出現(xiàn)在2012年(8.817 ℃)和2010年(17.082 ℃);年平均氣溫為9.940 ℃,生長季平均氣溫為17.698 ℃。從圖3-b可知,2000—2021年克州地區(qū)年平均及生長季平均降水量均表現(xiàn)出無顯著升高趨勢(P>0.05),變化率分別為0.7476、0.9793 mm/年,最高值均出現(xiàn)在2010年,分別為1301.05和276.40 mm,最低值出現(xiàn)在2000年(115.225 mm)和2008年(95.25 mm);2000—2021年年平均降水量為182.115 mm,生長季平均氣溫為155.780 mm,生長季降水占年平均降水量的85.5%。從圖3-c可知,2000—2021年克州地區(qū)年平均及生長季平均草地NDVI均呈增加趨勢(P<0.001),增加速率為0.0012、0.0014/年,最高值出現(xiàn)在2019年(0.1282)和2017年(0.1642),最低值均出現(xiàn)在2009年,分別為0.0870和0.1182;草地NDVI 22年平均值為0.1102,生長季平均值為0.1432。說明,克州地區(qū)2000—2021年氣溫、降水和草地NDVI的年均值及生長季均值變化趨勢基本一致。

圖3 2000—2021年克州地區(qū)氣溫、降水量及草地NDVI年際變化趨勢Fig.3 Interannual variation trends of temperature, precipitation and grassland NDVI in Kezhou from 2000 to 2021

2.2 克州地區(qū)氣候因子與草地NDVI空間分布及其變化趨勢

2.2.1 氣候因子空間分布及其變化趨勢 從圖4-a可知,2000—2021年克州地區(qū)東北部和西南部氣溫偏低(最低值為5.591 ℃),中部及西北部(阿圖什市周圍,最高值為13.479 ℃)氣溫偏高。從圖4-b可知,2000—2021年克州地區(qū)74.3%區(qū)域氣溫呈下降趨勢(中部的阿圖什市周圍降溫較明顯,降幅為-0.028 ℃/年,);25.7%區(qū)域呈上升趨勢(東南部

的阿克陶縣中心升溫較強(qiáng),升幅為0.041 ℃/年)。從圖4-c可知,2000—2021年克州大部分地區(qū)多年平均累積降水量偏低,東北部的阿合奇縣和西部烏恰縣附近較高(最高值為276.641 mm),中部的阿圖什市和東南部的阿克陶縣周圍僅為91.220 mm。從圖4-d可知,2000—2021年克州地區(qū)95.96%區(qū)域的降水呈上升趨勢(東北部及西部升高幅度較強(qiáng),阿合奇縣周圍升幅為1.501 ℃/年);僅4.04%區(qū)域呈遞減趨勢(中部阿圖什市周圍升幅為-0.648 ℃/年)。說明克孜勒蘇地區(qū)氣候空間分布較明顯。

圖4 2000—2021年克州地區(qū)氣溫和降水量空間分布及變化趨勢Fig.4 Spatial distribution and variation trend of temperature and precipitation in Kezhou from 2000 to 2021

2.2.2 草地NDVI空間分布及其變化趨勢 從圖5-a可知,2000—2021年克州地區(qū)多年平均NDVI在-0.234～0.5105,整個研究區(qū)草地NDVI偏低,多年平均值為0.1096;南部和東部NDVI偏高,西部及東北部NDVI偏低。參考已有學(xué)者研究[21]并結(jié)合新疆草地特點劃分新疆草地的等級:-0.20.4時為高覆蓋草地。從圖5-b可知, 2000—2021年克州地區(qū)0.230%草地被冰雪覆蓋,低覆蓋草地為91.570%,高覆蓋草地為0.021%。

從圖5-c可知, 2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI的變化斜率介于-0.028～0.018。為了更清晰地研究草地植被生長的時空分布格局,參考楊淑霞等[22]的劃分標(biāo)準(zhǔn),將變化斜率(SLOPE)劃分為明顯退化(<-0.01)、輕度退化(-0.01～-0.001)、穩(wěn)定(-0.001～0.001)、輕度改善(0.001～0.01)和改善(>0.01)5種狀態(tài),并對克州草地植被生長狀況進(jìn)行分析。從圖5-d可知, 2000—2021年克州地區(qū)明顯退化、輕微退化、穩(wěn)定不變、輕微改善和明顯改善分別占比0.09%、0.29%、50.50%、49.00%和0.05%。明顯退化趨勢主要出現(xiàn)在阿克陶縣區(qū)和阿圖什市區(qū),分別為52.55%和44.75%;明顯改善趨勢主要出現(xiàn)在阿圖什市區(qū)和阿合奇縣區(qū),分別為60.36%和20.00%。說明克州地區(qū)草地NDVI整體向好發(fā)展。

圖5 2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI空間分布及變化趨勢Fig.5 Spatial distribution and variation trend of grassland NDVI in Kezhou from 2000 to 2021

2.3 草地NDVI對氣溫和降水量的響應(yīng)特征

從圖6可知, 2000—2021年克州地區(qū)年平均草地NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)均值為0.001,最高值為0.833,最低值為-0.722。正相關(guān)區(qū)域占48.11%,且占比最大的是阿克陶縣(43%),占比最小的是阿圖什市(5%);負(fù)相關(guān)區(qū)域占為51.886%,且占比最大的是阿合奇縣(31%),占比最小的是阿圖什市(20%)。生長季平均草地NDVI氣溫相關(guān)系數(shù)均值為 0.096,最高值為0.957,最低值為-0.696。正相關(guān)區(qū)域占73%,占比最大的是阿克陶縣(39%),占比最小的是阿合奇縣(13%);負(fù)相關(guān)區(qū)域占26.978%,占比最大的是阿合奇縣(49%),占比最小的是阿圖什市(8%)。

2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI對降水響應(yīng)主要表現(xiàn)為正相關(guān),年平均草地NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)均值為0.171,最高值為0.887,最低值為-0.822。正相關(guān)區(qū)域占69.628%,占比最大的是阿克陶縣(35%),占比最小的是阿圖什市(15%);負(fù)相關(guān)區(qū)域占30.372%,占比最大的是烏恰縣(47%),占比最小的是阿圖什市(7%)。生長季平均草地NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)均值為0.296,最高值為0.885,最低值為-0.80。正相關(guān)區(qū)域占83.4%,占比最大的是阿克陶縣(33%),占比最小的是阿圖什市(13%);負(fù)相關(guān)區(qū)域占16.6%,占比最大的是烏恰縣(33%),占比最小的是阿圖什市(9%)。

從圖7-a可知,2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI與氣溫顯著正相關(guān)面積占2.538%,各縣市顯著正相關(guān)面積占比為阿克陶(47.32%)>烏恰(34.18%)>阿合奇(11.15%)>阿圖什(7.35%);顯著負(fù)相關(guān)面積占0.516%,各縣市顯著負(fù)相關(guān)面積占比為阿合奇(96.99%)>阿克陶(1.51%)>烏恰(0.81%)>阿圖什(0.69%)。從圖7-b可知, 2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI與降水呈顯著正相關(guān)面積占41.826%,各縣市顯著正相關(guān)面積占比為烏恰(34.24%)>阿克陶(30.55%)>阿合奇(23.81%)>阿圖什(11.40%);顯著負(fù)相關(guān)面積占1.403%,各縣市顯著負(fù)相關(guān)面積占比為阿克陶(47.45%)>烏恰(35.69%)>阿合奇(14.78%)>阿圖什(2.09%)。草地NDVI與降水的正相關(guān)性高于草地NDVI與氣溫的正相關(guān)性,表明,在克孜勒蘇地區(qū),降水量對草地植被覆蓋度有重要影響。

2.4 克州地區(qū)草地NDVI對地形因子的響應(yīng)

將克州地區(qū)海拔分成6個梯度,分別為低海拔(1000～1500 m)、較低海拔(1500～2500 m)、中海拔(2500～3500 m)、高海拔(3500～4500 m)、較高海拔(4500～5500 m)和極高海拔(5500～6500 m)。從圖8-a可知,2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI值從低海拔-較低海拔-中海拔-極高海拔呈降低-增加-降低趨勢;草地NDVI面積比例從低海拔到-中海拔-極高海拔,呈先增高后降低趨勢。中海拔(2500～3500 m)范圍內(nèi)草地NDVI面積比例最大(49.17%),對應(yīng)的NDVI值也較高,為0.129;在極高海拔(5500～6500m)范圍內(nèi),草地NDVI面積比例僅為0.008%,對應(yīng)NDVI值為-0.032。說明,在一定海拔范圍內(nèi)草地NDVI所占面積會影響NDVI值。

將坡度分成6個梯度,分別為平坡(0°～5°)、緩坡(5°～8°)、斜坡(8°～15°)、陡坡(15°～25°)、急坡(25°～35°)和險坡(35°～45°)。從圖8-b可知,2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI面積比例及對應(yīng)的值從平坡-緩坡-陡坡-險坡均呈降低-增加-降低趨勢。坡度15°～25°的NDVI面積比列及對應(yīng)值均最大,分別為28.55%和0.114;坡度5°～8°的NDVI面積比例及對應(yīng)值均最小,分別為7.25%和0.10。坡度8°～35°的NDVI值較集中。

坡向為北坡(338°～22°)、東北破(23°～67°)、西北破(293°～337°)、東坡(68°～112°)、西坡(248°～292°)、東南坡(113°～158°)、西南破(203°～247°)和南破(158°～202°)。從圖8-c和8-d可知,2000—2021年克州地區(qū)NDVI在南坡向顯示出明顯的優(yōu)勢,占比最大(14.767%),北坡向占比最小(5.864%);NDVI最大值在東南坡向(0.1129),NDVI最小值在西坡方向(0.1059)。

圖8 2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI對地形因子的響應(yīng)Fig.8 Response of grassland NDVI to topographic factors in Kezhou region from 2000 to 2021

3 討 論

克州屬于典型的干旱半干旱地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱,研究該區(qū)域的草地NDVI變化趨勢,對深入認(rèn)識氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。本研究中,2000—2021年克州地區(qū)草地NDVI與氣候因子的年際變化趨勢表明,草地NDVI呈極顯著增長趨勢,降水呈無顯著升高趨勢,氣溫呈無顯著降低趨勢?？臻g分布及變化趨勢表明,克州地區(qū)東北部和西南部的平均氣溫偏低,中部及西北氣溫偏高;2000—2021年克州地區(qū)75%區(qū)域氣溫呈下降趨勢,25%區(qū)域呈上升趨勢。東北部的阿合奇縣和西部烏恰縣附近多年平均降水量偏高,中部的阿圖什市和南部的阿克陶縣周圍偏低;90.5%區(qū)域的多年平均降水量表現(xiàn)為上升趨勢,僅9.5%區(qū)域呈下降趨勢。南部和東部草地NDVI偏高,西部及西北部草地NDVI偏低;0.05%區(qū)域草地明顯改善,主要集中在東北部;0.09%區(qū)域草地明顯退化,主要集中在西南部。

氣溫和降水被認(rèn)為是影響植被生長發(fā)育及格局變化的主要因素[23]。本研究表明,氣溫和降水量與草地NDVI在生長季尺度上的相關(guān)性比年尺度上的相關(guān)性更具生態(tài)意義,草地NDVI與降水的顯著正相關(guān)面積大于與氣溫的顯著正相關(guān)面積,該結(jié)果與蔡朝朝[12]、陳春波等[13]、趙葦康等[14]和閆俊杰等[18]的新疆草地植被對氣候變化響應(yīng)的研究結(jié)果一致。但氣候因素驅(qū)動NDVI的方式,不同時空尺度仍存在爭論。在干旱和半干旱地區(qū),降水是植被的主要影響因素[24]。侯志雄等[25]研究表明,北疆天然草地植被覆蓋度的變化主要受降水和相對濕度變化的影響,這可能與新疆地處干旱、半干旱地區(qū)有關(guān)。地形控制著太陽輻射和降水的空間再分配,被認(rèn)為是影響山區(qū)植被穩(wěn)定性的重要因素[26-29]。本研究發(fā)現(xiàn),中海拔(2500～3500 m)范圍內(nèi)草地NDVI面積比例最大(49.17%),對應(yīng)的NDVI值也較高(0.129);說明在一定海拔范圍內(nèi)草地NDVI所占面積會影響NDVI值。NDVI與海拔的關(guān)系與研究區(qū)域的環(huán)境特征、區(qū)域范圍和數(shù)據(jù)源的空間分辨率密切相關(guān)[30-32]。草地NDVI面積比例及對應(yīng)的平均值從平坡-到緩坡-陡坡-險坡均呈降低-增加-降低趨勢;南坡向草地NDVI顯示出明顯的優(yōu)勢,從東南向西北呈下降趨勢,這與前人研究結(jié)果相似[33-34]。

本研究探討了克州地區(qū)草地NDVI對環(huán)境因子的響應(yīng),為克州草原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考價值,但也存在一定不足之處。環(huán)境因子和人類活動是草地植被變化的主要影響因素,但本研究側(cè)重討論環(huán)境因子對草地植被的影響。后期應(yīng)結(jié)合人類活動、地下水、土壤濕度、地表溫度、土壤養(yǎng)分特性等對草地植被變化的影響進(jìn)一步探討分析。

4 結(jié) 論

2000—2021年克州地區(qū)氣溫在年尺度和生長季尺度上均呈下降趨勢,降水量及草地NDVI在年尺度和生長季尺度上均呈增加趨勢。草地NDVI與氣溫和降水量在生長季尺度上的相關(guān)性比年尺度上的相關(guān)性更強(qiáng);草地NDVI與降水的顯著正相關(guān)高于其與氣溫的顯著正相關(guān)。中海拔(2500～3500 m)范圍內(nèi)草地NDVI面積占比及對應(yīng)NDVI值均較大,坡度8°～35°的NDVI值比較集中,南坡向NDVI值呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。綜上,克州地區(qū)草地植被生長向改善趨勢發(fā)展。