全 文 ：第 !" 卷第 # 期
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生 态 学 报
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基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向资助项目（56&789-:9!!#）；国家自然科学基金资助项目（8$;#$8<=，=$>$;$!;）
收稿日期：!$$>9$<9$#；修订日期：!$$"9$;9$!
作者简介：丹利（?#"8 @），男，贵州毕节人，博士，副研究员，主要从事陆气相互作用与气候模拟研究2 (9ABC1：DBE1CF G3B2 BH2 HE
致谢：感谢 IJ2 K2 -2 6LB0提供 K)I,- .MM 资料并与作者进行的有关 .MM资料的讨论
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新疆植被生产力与叶面积指数的变化
及其对气候的响应
丹Y 利，季劲钧，马柱国
（中国科学院东亚区域气候9环境重点实验室，中国科学院大气物理研究所，北京Y ?$$$!#）
摘要：利用美国探路者卫星遥感资料 %/Z[[ *%,和全球生态模式 &%-%给出的植被净初级生产力资料（.MM）对新疆地区 ?#@!$$$ 年的植被时空变化进行了定量分析，结果表明新疆地区的 *%,和 .MM的空间分布严格受水分的制约，与气温呈负相关，
表现出干旱内陆地区植被受降水控制的地带特征。相对于 !$ 世纪 <$ 年代，#$ 年代整个新疆出现了变暖的趋势，降水基本也呈
现增加的趋势，在 =!\.以北地区暖湿转型尤其明显，与这种气候型相对应，植被出现了明显的增加趋势，.MM 最大增幅可达
=;X&A ]! B ]?。但植被对气温和降水的年际变化响应不一样，降水主要是影响植被峰值的起落，而植被在总体演变趋势上却主
要受气温控制，8 个分区 ?#<= @ !$$$年的气温明显上升，而降水变化趋势不明显，植被受气温控制出现了显著的上升趋势（! ^
$2 $?）。
关键词：新疆地区；净初级生产力（.MM）；叶面积指数（*%,）；时空变化
文章编号：?$$$9$#88（!$$"）$#98;9!’ 4-7,-",). ): .’" #7,2-78 #7)10(",). -.1 *’-: -7’- ,.1’; )4’7 <,.=,-.+
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陆地生态系统和气候变化的关系是全球变化领域的一个热点［>］，其中植被净初级生产力（BCC）与气候变
化的关系是一个具有代表性的科学问题［G，H］，因为 BCC 是陆地生态系统碳循环的原动力［>］，人类所需的物质
和能量都来源于植被通过光合作用生产的有机干物质［G，H］，BCC反映了植被固定大气 IJG的能力
［H］。在全球
变暖的背景下，近 G=-来我国植被的形态和碳收支均出现了与气候较为一致的变化［K，L］，其中与降水的年际变
化一致性比较好，特别在东部季风区植被对气候变化有着强烈的响应［M，N］，但对西部干旱和半干旱区大尺度
的植被对气候的响应过程还研究得比较少。
我国的新疆地区地处内陆，属于干旱气候，有着独特的三山夹两盆的地貌特征，在全球变化和人类活动的
干扰下，新疆的气候和生态已经发生了显著的变化［O］，新疆的植被覆盖年变化是影响沙尘天气发生的最主要
的地表特征因素［P］，植被分布多的地区沙尘日数少［>=］，因而研究新疆植被的时空变化具有现实意义，特别是
干旱区不同时空尺度生态系统对气候变化的响应是一个值得探讨的重点［O］。新疆地区的气候在 G= 世纪 O=
年代以来出现了暖干向暖湿的转型变化［>>，>G］，特别是天山山区的气温升高和降水增加现象尤为显著［>H Q >L］。
与这种气候型相对应的植被变化研究得比较少，特别是区域尺度的植被净初级生产力和叶面积指数的变化。
以往的研究［O，P，>M］主要采用遥感资料植被归一化指数（BRSF）对新疆地区的植被进行分析，对新疆地区植被碳
通量即净初级生产力（BCC）的研究甚少涉及。
由于 BCC 是植被大气之间交换的碳通量扣除掉呼吸消耗后的光合产物，是陆地生态系统碳循环中与气
候变化直接联系在一起的变量［>N］，也是确定陆地生态系统源和汇的重要变量［>］，因此研究 BCC 对气候变化
的响应在全球变暖的背景下尤其具有重要意义。叶面积指数（E;F）是连接陆面物理过程和植被生理过程的
一个关键变量［>O］，陆地生态系统的碳循环直接影响到植被形态参数叶面积指数的变化，进而影响到地表反照
率、粗糙度、零平面位移和气孔阻抗等陆面过程变量，最后对地气水热交换过程和辐射传输产生影响［G］。本
文利用美国探路者 ;STAA的植被叶面积指数卫星遥感资料和 I;U; 生态模型计算的植被净初级生产力资
料对新疆地区 G= 世纪 O= 年代以来的植被形态指数和净初级生产力变化进行定量研究，并在区域尺度上探讨
了植被时空变化对气候的响应特征。
)* 资料和模式简介
文中所用气候资料为 IAV >POG Q G=== 年的观测气温和降水［>P］，由英国 W-6" ;.+*,- 大学的 I*,3-",(
A’6’-/(! V.," （IAV）提供，数据集名称为 IAV 5U G& >，是覆盖除南极大陆外的全球陆地 =& L 度经纬网格资
料，IAV气温和降水除青藏高原西部外与中国台站观测气温和降水具有很好的一致性［G=］。植被叶面积指数
资料（E;F）来源于美国卫星遥感资料 ;STAA #-"!9,.1’/的资料集［G>］，其时间长度为 >PO> 年 N 月 Q G==> 年 L
月，这套高分辨率资料已在全球得到广泛应用［GG］，文中采用 >POG Q G=== 年的年平均结果，简记为 ;STAA
E;F。>POG Q >PPO 的植被净初级生产力（BCC）资料由 I;U; 模式给出［GH］。多年平均态的 BCC 资料还包括
CFX模式比较计划 >N 个全球生物地球化学模式的集成结果和 YJRFU BCC G=== Q G==H 年的平均结果，全球
=Z L 度的 CFX BCC被认为是植被净初级生产力的典型代表［GK］，YJRFU BCC是在 >83空间分辨率和 O1的时间
间隔尺度上第 > 次连续监测全球植被生产力的卫星资料［>N］，本文中的 YJRFU BCC采用 =& L 度经纬度的格点
资料。
I-/.’+,’7;3’67U"-.9)/1 ;##/)-(! （I;U;）模式完全由卫星遥感资料和气象观测资料驱动来计算 BCC，计
算公式为：
HOLH[ P 期 [ [ [ 丹利[ 等：新疆植被生产力与叶面积指数的变化及其对气候的响应 [
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/00 1 !"#$%&’2-345
式中，!"为地表太阳短波辐射，#$%& 是植被对光合有效辐射的吸收系数，’2-3是最大光能利用效率常数
（67 89+:;< =>），"为温度对光能转化的影响因子，( 为湿度对光能转化的影响因子，详细的模式介绍可参阅
文献［?@］。:ABA模式计算的 /00在中国地区有很好的应用，朴世龙和方精云［>］曾利用该模式估算了青藏高
原的 /00。
!" 结果及分析
图 >C >9D? E ?666 年的气候态地面气温（F）和降水（22）分布
G,+& >C 4!’ >9D? ?666 (*,2-")*)+,( HIJK-(’ -,J "’2#’J-"IJ’ （F）-.L #J’(,#,"-",). （22）
（-）年平均地面气温 A..I-* 2’-. "’2#’J-"IJ’；（M）年平均地面气温标准差 A..I-* 2’-. H"-.L-JL L’N,-",). （B4O）)K "’2#’J-"IJ’；（(）年平均
降水 A..I-* 2’-. #J’(,#,"-",).；（L）年平均降水标准差 A..I-* 2’-. B4O )K #J’(,#,"-",).
!& #" 新疆地区气候和植被的空间分布
图 > 给出了新疆地区年平均气温和降水的气候态分布及其标准差，新疆的气温和降水分布呈现出明显的
地带性，从南至北在山区出现了较大的降水和较低的气温，P?Q/ 以南的塔里木盆地荒漠区年平均温度可达
>?F，年降水却在 @622以下；新疆中部的天山地区表现出温度低降水量大的特点［?R］。温度总体分布型是南
疆高于北疆，降水却是北疆高于南疆，北疆年降水介于 >66 E 866 22之间，这种分布型和中国 S66 余台站的观
测降水和气温非常吻合。温度的标准差在 P?Q/以北可达 6& SF以上；年降水最大的标准差出现在北疆西部
地区，其值可达 9622，在天山地区和塔里木盆地南缘也有较大的标准差，这反映了北疆的年平均气温和年降
水变化较大，塔里木盆地南部的年降水变化也较大。
新疆的植被分布依其三山夹两盆的地形具有明显的纬向水平地带规律［?S］，图 ? 是多年平均的植被叶面
积指数（TAU）和净初级生产力（/00）的分布，TAU 和 /00 均表现出对降水明显的空间依赖性，TAU 和 /00 主
PD@8 C 生C 态C 学C 报C C C ?S 卷C
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要分布在新疆西端和北疆的山区，其中 /01 和 233 的最大值分布在天山和北疆西部地区，数值分别为 4& 5
67 6 87和 755+96 87- 8 4以上，这与图 4(中的年降水强度的分布比较一致。
图 7: 多年平均的叶面积指数（/01）（67 6 87）与植被净初级生产力（233）（+96 87 - 8 4）
;,+& 7: <=*",>?’-@ 6’-. *’-A -@’- ,.B’C （/01）（67 6 87）-.B .’" #@,6-@? #@)B=(",). （233）（+96 87 - 8 4）
（-）0DEFF多年平均的年平均叶面积指数（/01）<=*",>?’-@ 6’-. 0DEFF /01；（G）90H0模式多年平均的年平均植被净初级生产力（233）
<=*",>?’-@ 6’-. 233 )A 90H0；（(）31I模式比较计划的年平均 233 31I 233；（B）7555 J 755K 年的年平均 )N’@ 7555 755K
为比较植被和气候在空间分布型上的关系，表 4 给出了 /01和 K 种 233资料与气候的空间相关系数，所
有相关系数均通过 OO& OP的信度检验。空间相关系数能比较两个变量场的空间分布的吻合程度［7Q］，这一方
法被气候学家用来验证两个空间场的相关程度［7O，K5］。表 4 中植被与降水的相关系数在 5& R 以上，而与气温
呈现出负相关，说明新疆地区的植被在空间分布上完全由降水控制，这反映了干旱内陆区植被空间分布型强
烈依赖于降水的一个特点。由于新疆的沙漠主要分布在 S7T2 以南的地区，植被在 S7T2 以北的地区与气候
的相关更具有生态学上的意义，表 7 给出的植被与降水的正相关以及与气温的负相关在新疆 S7T2以北的地
区更为明显（表 7），这反映在区域尺度上的新疆植被的空间分布严格受降水的制约。90H0模式输出的 233
（图 7G）与 31I模式比较计划 集成的 233（图 7(）和性。90H0模式的 233标准差 K5+96 87- 8以下，0DEFF /01的标准差在 5& 7S 67 6 87以下（图 K），在近 75-的
时间里相对多年平均结果变幅均在 45P左右。
UQUK: O 期 : : : 丹利: 等：新疆植被生产力与叶面积指数的变化及其对气候的响应 :
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表 !" 新疆地区气候（气温、降水）与植被（叶面积指数 /01、净初级生产力 233）的空间相关系数（通过 44& 45信度检验）
#$%&’ !" #(’ )*$+,$& *$++’-. /0--’&$+,0. /0’11,/,’.+) %’+2’’. /&,3$+’ $.4 5’6’+$+,0. ,. 7,.,8$.6 （#-66,.+ 44& 45 ().7,8’.(’ *’9’*）
植被
:’+’"-",).
叶面积指数
/01
;0<0生产力
;0<0 233
31=生产力
31= 233
>?@1< 生产力
>?@1< 233
气温 A’B#’C-"DC’ E F& GG E F& GH E F& IG E F& GH
降水 3C’(,#,"-",). F& JF F& JH F& HK F& JL
表 9" 新疆 :9;<以北地区气候（气温、降水）与植被（叶面积指数 /01、净初级生产力 233）的空间相关系数（通过 44& 45信度检验）
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植被
:’+’"-",).
叶面积指数
/01
;0<0生产力
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31=生产力
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>?@1< 233
气温 A’B#’C-"DC’ E F& MN E F& NL E F& MH E F& NH
降水 3C’(,#,"-",). F& JG F& HI F& JH F& HL
图 IO ;0<0模式年平均 233的标准差（-）（+;B EG - E K）与年平均 0:PQQ /01的标准差（R）（BG B EG）
S,+& IO A!’ 6"-.8-C8 8’9,-",). （9& 9" 新疆地区气候和植被的时间演变
干旱半干旱区植被的长期变化以及对气候在年际尺度上的响应是一个难点［IK］，研究植被对气候在时间
演变上的响应特征有助于促进对全球变化领域中植被大气相互作用的物理过程、生态过程及其特点的认识。
图 M 是新疆地区气候和植被 GF 世纪 LF 年代至 4F 年代的变化趋势，与 LF 年代相比，4F 年代整个新疆的气温
呈现出增加的趋势，其中增暖最明显的地方在天山地区，最大值可达 F& HT。降水在 MGU2以北的地区主要呈
现增加的趋势，增加的降水在 GFBB以上，塔里木盆地南缘出现了降水减少的趋势，但由于该地区植被稀疏，
因而减少的降水对植被基本没有影响。总体来说，LF V 4F 年代新疆的气候转为暖湿型［KG，IG］，有利于植被的
生长，这可以从 233和 /01的变化中看出来（图 M(，8），同时验证了马明国等［KJ］利用 2@:1 资料研究得出的
新疆西部和北部 GF 世纪后 GF-植被呈现增加趋势的结论。;0<0 233 和 0:PQQ /01 基本上都出现了增加
的趋势，增加最大的地区出现在新疆的西端，数值分别为 MF +;B EG- E K和 F& G BG B EG以上。
从气候和植被年际变化的时间W纬度图上（图 N）可以看出 KNFBB以上的降水主要成片分布在 MGU2以北
的地区，与降水相对应，植被也主要分布在 MGU2以北的地区。气温在 MGU2 以北的地区呈现出较为明显的年
际波动，而在 MGU2以南的地区则相对恒定，降水的年际变化也是在 MGU2 以北地区比较明显。植被对气候的
这种年际变化信号表现出了相应的响应特征，在 MG V MMU2 之间 233 和 /01 都出现了增加的趋势，这与气温
的上升趋势一致，/01的几个峰值主要是与降水相对应。在 MJU2 以北的区域出现了明显的增温和降水增多
的现象，233和 /01也出现了相应的增大趋势。
JLNI O 生O 态O 学O 报O O O GH 卷O
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图 /0 气候与植被的年代际变化趋势（12 世纪 32 年代均值减 42 年代均值）
5,+& / 0 6!’ 7’(-7-* 8-9,-",). ): (*,;-"’ -.7 8’+’"-",). （8-*<’= ): "!’ >332= ;,.<= "!)=’ ): "!’ >342=）
（-）地面气温差 "’;#’9-"<9’（?）；（@）降水差 #9’(,#,"-",). （;;）；（(）ABCB DEE 差 ABCB DEE（+A; F1 - F >）；（7）BGHII JBK 差 BGHII
JBK （;1 ; F1）
为进一步深入研究植被的年际变化及其对气温和降水的响应，图 L 根据植被的分布把全疆从南到北分为
M 个分区，依次为新疆西端的 > 区（NM& O P N4& OQR，MN P /1QD），天山地区的 1 区（42 P 3/& OQR，/1 P /LQD），新
疆北部的 M 区（41& O P 3>& OQR，/L P /3& OQD）。对每个分区的气候和植被分别进行面积平均并给出年际变化
曲线。植被从南到北量级依次增大，即 JBK 和 DEE 的数值为 > 区 S 1 区 S M 区，这主要是受气温和降水量级
变化的控制。
> 区的多年平均气温和降水为 M& N>?和 >N>& 14;;，1 区的平均气温和降水为 O& 2N?和 >N2& 44;;，1 区
的 JBK和 DEE高于 > 区的气候控制因子主要为气温。M 区的 JBK和 DEE大于 > 区和 1 区的原因则主要是降
水的贡献（图 L-和图 L@）。> 区的气温在近 12-里出现了明显的增暖趋势（!1 T 2" M1，# S 2& 2O），上升幅度为
2& OL?·（>2-）F >，降水出现了微弱的下降趋势，但下降趋势不明显（!1 T 2& 2/，# U 2& 2O）；DEE 出现了显著的
上升趋势（!1 T 2& N>，# S 2& 2>），上升幅度为 O& 11+A; F1（>2-）F >；JBK 上升趋势也很明显（!1 T 2& /M，# S
2V 2>）。
1 区近 12-的气温出现了增暖趋势（!1 T 2& >N，# U 2& 2O），但增暖显著的时段是 >34/ P 1222 年（!1 T
2V /M，# S 2& 2>），1 区的降水呈现微弱的上升趋势（!1 T 2& 2>，# U 2& 2O）；1 区的 DEE是明显的增加趋势（!1 T
N4OM0 3 期 0 0 0 丹利0 等：新疆植被生产力与叶面积指数的变化及其对气候的响应 0
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图 /0 气候与植被纬向平均值的年际变化
1,+& /0 2."’3-..4-* 5-3,-",). )6 7).-* 8’-. (*,8-"’ -.9 5’+’"-",).
（-）地面气温 :’8#’3-"43’（;）；（<）降水 =3’(,#,"-",). （88）；（(）>?@? A==（+>8 BC - B D）；（9）?EFGG H?2（8C·8 BC）
IJ KL，! M I& ID），增加幅度为 N& N/+>8 BC·（DI-）B D，H?2在 DO-里的增加趋势不明显（"C P I& QK，! R I& I/），但
在 DOSC T DOOS 年里增加趋势明显（"C P I& QC，! M I& ID）。K 区的气温呈现上升趋势（"C P I& D/，! R I& I/），但
显著增暖的年份是 DOSQ T CIII 年（"C P I& QK，! M I& ID），K 区降水出现了微弱的增加趋势（"C P I# IQ，! R
IJ I/）；K 区 A==出现了显著的增加趋势（"C P I# /O，! M I& ID），增加幅度为 DQ& NK+>8 BC（DI-）B D，H?2 在 DO-
里增加趋势不明显（"C P I# IL，! R I& I/），但在 DOSC T DOOS 年里增加趋势很明显（"C P I& QD，! M I& ID）。以上
分析说明了 DO -里 K 个分区的植被都出现了增加的趋势，尤其 DOSC T DOOS 年是一个显著的时段，这种增加的
趋势主要是由气温上升引起的，降水的贡献比较小，反映了 DOSC T CIII 年的时段里，新疆气候的变暖促进了
植被的生长，使得植被 H?2和 A==出现了增加的趋势。K 个分区的气温和降水在近 CI- 的变化与何清等［DI］
的研究结果类似。但新疆植被在年际尺度上对气候的响应特征与地处同纬度干旱半干旱区的东北样带（DIS
T DKCUV，QC T QNUA）不一样，东北样带的 A==和 H?2在年际变化上主要是受降水控制［KD］，这与东北样带从西
到东出现的显著的降水梯度有关（年降水从西到东为 CII T SII 88），而新疆地区的年降水没有这种明显的
梯度分布（图 D(）。
!" 结论和讨论
本文利用植被卫星遥感资料 ?EFGG H?2和生态模式 >?@?给出的 A==对 CI 世纪 SI T OI 年代新疆地区
的植被时空变化进行了定量分析，并利用 >GW观测资料和降水分析了植被对气候的时空响应。在近 CI- 的
时间里新疆气候出现了变暖变湿的现象，这已被以往的诸多研究所揭示［DD T DQ，CI，CN，CL，KC T K/］，其中北疆的降水
增多尤为明显［DD，KN］，但大尺度（区域尺度）的植被变化信号还很少进行研究，特别是对 A== 和 H?2 的研究更
少，而气候变化或自然因素对干旱区地表植被生态的影响是显著的［S］。从陆地生态系统对气候变化的响应
SS/K 0 生0 态0 学0 报0 0 0 CL 卷0
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图 /0 1234 5 4666 年 7 个分区气候与植被年际变化
8,+& /0 9."’:-..;-* <-:,-",). )= (*,>-"’ -.? <’+’"-",). ,. "!:’’ @;AB:’+,).@
角度来说，植被净初级生产力 CDD由于与气候变化紧密相连，直接反映气候变化对植被大气碳交换的影响，
所以对 CDD展开研究尤为必要。相对于 CEF9，GH9的生态学意义更明显，即单位面积土地上总叶片的投影面
积［4］，在含有生态过程的陆面模式里如 IHJK［7L］、K,I4［73］、HF9M［13，71］和 NGM7［72］使用的植被形态参数是 GH9，
而不是 CEF9，因此研究 GH9的意义在于为新疆更长时间尺度的植被大气相互作用模拟打下基础并提供对比
分析数据。
总之，地处西北西部的新疆，其植被对气候的响应在整个西北地区中具有独特的地方，马明国等［1/］研究
表明西北地区植被覆盖度在近 46-普遍呈下降趋势，出现相反变化的地区主要在新疆西部和北部，也就是说
新疆植被在近 46-表现出与西北其他地区植被不同的变化趋势。本文研究表明新疆降水在空间上对植被分
布起决定性作用，温度在时间演变趋势上起着主要的控制作用，后者与整个西北地区和全国平均的植被对气
候的年际变化响应特征不同，陶波等［O］在整个西北区域的研究表明近 46- 里 CDD时间演变主要受降水控制，
N-)等［O6］研究表明全国的 CDD近 46-的年际变化与降水具有明显的相关性，与气温相关不明显，造成这种差
异的原因和机制有待于今后在陆气耦合模式里进行深入的机理研究。CDD的资料比 GH9的资料短 4-，但植被
显著增加的时段为 1234 5 1223 年，所以对本文主要结论不会产生影响。限于植被卫星遥感资料时段的限制，
本文只研究了 46 世纪 36 年代和 26 年代的新疆植被变化及其对气候的响应特征，更长时段的植被对气候的
响应及反馈可以在植被大气双向耦合模式［4］中进行。
本文通过研究新疆地区植被和气候近 46-的时空变化特征后得出如下结论：
23P70 2 期 0 0 0 丹利0 等：新疆植被生产力与叶面积指数的变化及其对气候的响应 0
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（/）新疆的植被在空间上的分布强烈依赖于降水，与气温的分布呈负相关，在 0123以北地区这种空间型
匹配关系更为明显，这反映了降水在内陆干旱区对植被的空间分布起着决定性的控制作用。
（1）与新疆 14 世纪 54 年代至 64 年代的暖湿型气候变化相对应，整个新疆的植被生产力在 64 年代基本
出现了增加的趋势，377增加幅度在 0 8 09+:; <1- < /之间。
（=）在植被的年际变化上，>?@和 377与降水的峰值有较好的对应关系，但在整体的变化趋势上却是受
温度控制。新疆三个分区的植被在 /651 8 /665 年都出现了明显的增加趋势（通过 66& 6A信度检验），但降水
的增加趋势不明显，而温度的增加趋势明显，尤其在 /650 8 1444 年的时段里，变暖的信度通过 66& 9A的
检验。
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附表! 文中所用缩略语一览表
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缩略语
;<<=’>,-",).
英文全称
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中文全称
D!,.’@’ AB** .-C’
单位
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