全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015073 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
许玉凤,杨井,李卫红,方功焕,张淑花,邓海军,董杰.1982-2013年新疆不同植被生长时空变化.草业学报,2016,25(1):4763.
XUYuFeng,YANGJing,LIWeiHong,FANGGongHuan,ZHANGShuHua,DENGHaiJun,DONGJie.Spatialtemporalchangeindifferent
vegetationgrowthofXinjiangfrom1982to2013.ActaPrataculturaeSinica,2016,25(1):4763.
1982-2013年新疆不同植被生长时空变化
许玉凤1,2,杨井1,李卫红1,方功焕1,2,张淑花1,2,邓海军1,2,董杰3
(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室,新疆 乌鲁木齐830011;
2.中国科学院大学,北京100049;3.聊城大学环境与规划学院,山东 聊城252000)
摘要:基于逐像元一元线性回归模型,应用 MODISNDVI数据对AVHRRGIMMSNDVI数据进行时间序列拓展,
建立了1982-2013年间长时间序列生长季最大 NDVI数据集,分析了新疆不同分区的生长季植被 NDVI变化及
其对气候变化的响应。结果表明,1)北疆平原地区、南疆平原地区和南疆山地地区的植被 NDVI变化呈显著增长
趋势,北疆山地地区的植被呈下降趋势。2)水分条件和最低气温是影响新疆植被生长的重要因素,但不同分区的
影响程度不同。北疆平原地区植被受水分条件影响较大,其中最低气温对农田植被影响较大;南疆平原地区植被
受气温和降水的双重作用;山地地区植被受水分条件影响较大。3)从不同植被类型来看,水分条件对草地的影响
最大,其次是林地,农田植被受水分条件的限制较小,与灌溉有着直接关系。4)增温增湿的气候条件有利于植被生
长;北疆山地地区植被退化趋势受气候变化、火灾、平原草地围栏保护后放牧压力向山地转移等综合因素的影响。
关键词:归一化植被指数;遥感数据融合;相关分析;南疆;北疆
犛狆犪狋犻犪犾狋犲犿狆狅狉犪犾犮犺犪狀犵犲犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犵狉狅狑狋犺狅犳犡犻狀犼犻犪狀犵犳狉狅犿1982狋狅2013
XUYuFeng1,2,YANGJing1,LIWeiHong1,FANG GongHuan1,2,ZHANGShuHua1,2,DENG Hai
Jun1,2,DONGJie3
1.犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犇犲狊犲狉狋犪狀犱犗犪狊犻狊犈犮狅犾狅犵狔,犡犻狀犼犻犪狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犈犮狅犾狅犵狔犪狀犱犌犲狅犵狉犪狆犺狔,犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻
犲狀犮犲狊,犝狉狌犿狇犻830011,犆犺犻狀犪;2.犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊,犅犲犻犼犻狀犵100049,犆犺犻狀犪;3.犛犮犺狅狅犾狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋
犪狀犱犘犾犪狀狀犻狀犵,犔犻犪狅犮犺犲狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犻犪狅犮犺犲狀犵252000,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Basedonapixelscalelinearregressionmodel,weextendedAdvancedVeryHighResolutionRadiom
eterGlobalInventoryModelingandMappingStudies(AVHRRGIMMS)usingMODISnormalizeddifference
vegetationindex(NDVI)dataandconstructedatimeseriesofNDVIcoveringXinjiangprovincefrom1982to
2013.Wealsoanalyzedthespatialtemporalchangesinvegetationgrowthindifferentdistrictsandcorrelated
thesechangeswithclimatefactors.NDVIincreasedsignificantlyintheplainregionsofnorthernandsouthern
XinjiangandinthemountainousregionofsouthernXinjiang,butdecreasedinthemountainousregionofnorth
ernXinjiang.RainfalandminimumtemperaturewereimportantfactorsinvegetationgrowthinXinjiang.Veg
etationwasinfluencedbyrainfalonthenorthernXinjiangplain;cropgrowthwasinfluencedbytemperature,
especialyminimumtemperature.Onthesouthernplainvegetationgrowthwasinfluencedbybothrainfaland
temperatureandinthemountainregionsbyrainfal.Rainfalplayedamoreimportantroleingrasslandcom
第25卷 第1期
Vol.25,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
47-63
2016年1月
收稿日期:20150205;改回日期:20150409
基金项目:新疆青年千人计划项目(Y371051001)资助。
作者简介:许玉凤(1969),女,山东冠县人,在读博士。Email:xuyufeng_159@163.com
通信作者Correspondingauthor.Email:yangjing@ms.xjb.ac.cn
paredtoforestandcroplandareas;rainfalhaslittleinfluenceoncroplandbecauseoftheuseofirrigation.In
creasingrainfalandtemperaturepromotedanincreaseintheNDVIwhilethedegradationofvegetationin
mountainousregionofnorthernXinjiangisinfluencedbyarangeoffactorsincludingclimatechange,fire,and
thecontrolofgrazingpressurebyfencing.
犓犲狔狑狅狉犱狊:NDVI;remotedatafusion;correlationanalysis;southernXinjiang;northernXinjiang
全球变化对生态环境产生的重大影响已毋庸置疑。而植被是生态系统存在的基础,是生态环境的重要组成
部分,其分布、组成、发生、发展与全球变化密切相关[13]。研究植被-气候之间的关系已成为全球变化的主要研
究焦点[48]。归一化植被指数(normaldifferencevegetationindex,NDVI)能在大、中时空尺度上客观反映植被
覆盖信息,是目前最为广泛应用的表征植被状况的指数[3,7,911],是植被生长状态的良好指示因子[7]。利用NDVI
对植被变化进行长期定量分析能够反映环境演变的过程及其与气候变化的关系[12]。
中国西北干旱区沙漠化和荒漠化较严重,生态环境脆弱,植被对气候变化反应敏感[1314]。而新疆植被作为西
北干旱区生态系统的重要组成部分,是西北生态的重要屏障。在全球气候变暖和人类活动综合影响下,新疆生态
环境发生了重大变化。已有研究表明,新疆植被生长总体状况在增强[1516]、局部区域有退化趋势[1718],该区域植
被变化对气候变化反应敏感[15,1921]。
对于新疆植被变化的研究,主要包括:利用GIMMSNDVI数据侧重于从宏观上研究1982-2006年间的植
被变化[1516];利用 MODIS数据侧重于在县域范围上研究2000年以来的植被变化[1718]。
目前对新疆植被变化的研究仍有以下不足:1)已有研究基于一种数据源,有时间的局限性,不利于探讨长时
间序列植被变化及其与气候因子间的关系[22]。国外学者通过融合不同数据源的遥感数据,研究长时间序列植被
变化[2324],但目前国内在融合数据方面的研究较少,针对干旱区的就更少;2)已有研究大多从整个研究区或者从
行政区域的角度进行研究,基于不同自然地理特征进行的研究较少;3)已有研究主要侧重于年均气温和年降水
量,结合其他气象因子如潜在蒸散发的研究较少。
本文的研究目的在于:1)通过融合两种遥感数据源,获得1982-2013年长时间序列 NDVI数据集,结合
DEM图和土地覆盖类型图,分别获取北疆和南疆平原地区和山地地区的不同植被类型的NDVI数据集;2)对30
多年来新疆不同自然环境条件下的植被时空变化对气象因子(即年降水量、年均气温、最低气温、最高气温和潜在
蒸散发等)的响应机制进行研究。通过对具体区域的研究,为新疆因地制宜进行生态安全建设提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
新疆维吾尔自治区地处亚欧大陆腹地,位于我国西北边陲(73°32′-96°21′E,34°22′-49°33′N)。山脉较
多,北有阿尔泰山、南有昆仑山系、中有横亘全境的天山。在阿尔泰山和天山之间为准噶尔盆地,在昆仑山与天山
之间为塔里木盆地,构成了典型的“三山夹两盆”的独特地理环境。
新疆属于典型的温带大陆性干旱气候,光热资源充足,日照时数较长。横亘在新疆中部的天山山脉,是新疆
重要的地理分界线,其南北自然地理特点有明显差异,在气温、降水及潜在蒸散发等气候因子方面的变化明显不
同。北疆降水150~200mm,南疆大部分地区在100mm 以下。北疆年均温为-4~9℃,南疆平原年均温为
10~13℃。北疆潜在蒸散发为1100~1200mm,南疆为1200~1300mm。
由于特殊的地理位置、地形和气候等条件的影响,新疆生态环境极为脆弱,植物种类稀少,覆盖度低,类型结
构简单[25]。新疆植被主要分布在天山、阿尔泰山、昆仑山、阿尔金山等山地和准噶尔盆地、塔里木盆地周边的绿
洲,其中河流沿岸是重要的植被分布区,形成典型的山地-绿洲-荒漠生态系统。主要植被类型为农田、林地和
草地(图1),其中草地面积最大,是耕地面积的15倍,是森林面积的22倍,占全区植被面积的86%[25]。
新疆植被的空间分布规律为:北疆西部区域植被覆盖高于其东部区域,山地植被覆盖高于平原;南疆西部植
84 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
被覆盖高于其东部区域,平原植被覆盖高于山地。
图1 研究区土地类型
犉犻犵.1 犜犺犲犾犪狀犱犮狅狏犲狉狋狔狆犲狊狅犳狋犺犲狊狋狌犱狔犪狉犲犪
不同地理环境条件下的植被类型对气候变化的响
应程度不同[26]。借鉴师庆东等[27]分区分海拔的研究
方法,将北疆和南疆两个地域单元的地形分别进行平
原和山地的划分。本文将传统意义上的东疆和南疆合
称为南疆。
1.2 数据来源及预处理
1.2.1 遥感数据 AVHRRGIMMS数据来源于
中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.
westgis.ac.cn),时间跨度为1982-2006年,时间分辨
率为15d,空间分辨率为8km×8km。该数据已经过
校正等处理,数据质量较好。利用最大值合成法
(maximumvaluecomposite,MVC)将每月的上、下半
月数据合成整月数据。
MODIS数据来源于美国国家航空航天局NASA/EOSLPDAAC数据分发中心,为2001-2013年逐月的
MODIS产品 MOD13A3数据集(http://edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome),时间分辨率为月数据,空
间分辨率为1km×1km。利用 MODIS网站提供的专业处理软件 MRTTools对该数据进行投影转换、拼接处
理。
利用新疆行政区划图裁剪出新疆地区1982-2006年和2001-2013年逐月 NDVI的栅格数据。然后对
MODIS数据进行重采样,得到与GIMMS数据相同分辨率的研究数据。由于NDVI<0.1的部分容易受到裸地
条件的影响,因此只对NDVI>0.1的植被变化进行研究。
1.2.2 气象数据 由中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)提供,包括新疆53
个气象站点1982-2013年的逐月气温、降水、相对湿度、风速等气象数据。利用PenmanMonteith公式[28]计算
获得各站点的潜在蒸散发数据。
根据各气象站点的经纬度信息,在ArcGIS软件平台上,对气象数据(降水、平均气温、最低气温、最高气温和
潜在蒸散发)进行Kriging空间插值,得到与NDVI数据像元大小一致、投影相同的多年逐月气象因子栅格数据
集。通过数据掩膜、裁剪等获取新疆地区气象因子的栅格数据集。
1.2.3 土地覆盖类型数据 来源于中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn),2000
年的中国 WESRDC土地覆盖数据产品,分为6个大类:农田、林地、草地、水体、建设用地和未利用地。
1.3 研究方法
1.3.1 2007-2013年拓展数据的获取 本文利用AVHRRGIMMS和 MODIS两种数据源重合阶段(2001
-2006年)的月数据,建立基于两种数据源间的逐像元一元线性回归模型,应用 MODIS数据对GIMMS数据进
行拓展。逐像元一元线性回归模型可以在每个像元上获得最适合的回归方程[22]。一元线性回归模型的基本结
构形式为:
犌犻=犪+犫犞犻+ε犻 (1)
式中,犌犻为GIMMS数据,犞犻为 MODIS数据;参数犪、犫的估计使用最小二乘法;ε犻为随机误差;犻为研究数据对
应的年份。参数犪、犫的拟合值表达式为:
犫^=
∑
狀
犻=1
(犞犻-珚犞)(犌犻-珚犌)
∑
狀
犻=1
(犞犻-珚犞)2
,^犪=珚犌-^犫珚犞 (2)
式中,犌犻为GIMMS数据,珚犌为GIMMS数据的多年平均值;犞犻 为 MODIS数据,珚犞 为 MODIS数据的多年平均
值;^犪为犪的估计值;^犫为犫的估计值;犻为研究数据对应的年份。
94第25卷第1期 草业学报2016年
1.3.2 估算潜在蒸散发
犈犜0=
0.408Δ(犚狀-犌)+γ 900犜mean+273犝2
(狏狆狊-狏狆)
Δ+γ(1+0.34犝2)
(3)
式中,犚狀 为地表面净辐射(MJ/m2·d),犌为土壤热通量(MJ/m2·d),犜mean为2m高平均温度(℃),犝2 为2m
高风速(m/s),狏狆狊为饱和水汽压(kPa),狏狆为实际水汽压(kPa),γ为干湿球常数(kPa/℃),Δ为饱和水汽压曲线
斜率(kPa/℃)。
Δ=
4098× 0.6108exp 17.27犜犜+237.( )[ ]3
(犜+237.3)2
(4)
式中,犜为月平均温度(K)。
对于净辐射犚狀 的计算,采用:
犚狀=(1-犪′)犪+犫( )狀犖 犚犪-犙 犜
4
max,犽-犜4min,犽( )2 0.56-0.08 犲槡( )犪 0.1+0.9狀( )犖 (5)
式中,犪′=0.23,为地表反射率;犪和犫采用FAO推荐的犪=0.25,犫=0.50;犙为波尔兹曼常数,其值为4.903×
10-9 MJ/(K4·m2·d);狀犖
为实际日照时数/最大日照时数,犖=24π×ω狊
;犲犪为实际水汽压;犜max和犜min分别为月平
均最高和最低气温(K);犚犪 为实际地表辐射(MJ/m2·d)。
犚犪=24
(60)
π 犌犛犆犱γ
[ω犛sin(φ)sin(δ)+cos(φ)cos(δ)sin(ω犛)] (6)
式中,犌犛犆为0.082MJ/m2,犱γ=1+0.033cos
2π犑( )365 ;ω犛=arccos[-tan(φ)tan(δ)];δ=0.409sin(0.0172犑-
1.39);φ为站点纬度;犑为每月天数。
1.3.3 绿度变化率 利用绿度变化率可以在每个像元的基础上,利用一元线性回归模型模拟研究期间的植被
覆盖随时间的变化趋势,计算公式如下:
犽=
狀×∑
狀
犻=1
犻×狓犻-(∑
狀
犻=1
犻)(∑
狀
犻=1
狓犻)
狀×∑
狀
犻=1
犻2-(∑
狀
犻=1
犻)2
(7)
式中,犽为绿度变化率,狀为研究时间段内的年数,狓犻 为第犻年的 NDVI数值。犽>0表示植被覆盖呈增加趋势,
犽<0表示植被覆盖呈减小趋势,犽=0表示植被覆盖没有明显变化。
1.4 数据相关分析
生长季NDVI是计算5-10月份NDVI平均值,利用土地覆盖类型图得到农田、林地和草地的NDVI数据
集。利用SPSS软件,对1982-2013年新疆植被NDVI与对应区域的气候数据(气温、降水、潜在蒸散发)进行线
性动态拟合和相关性分析。
2 结果与分析
2.1 拓展数据的一致性检验
为检验基于逐像元一元线性回归模型获取的2001-2013年NDVI拓展数据的精度,本文基于新疆气象站点
提取2001-2006年GIMMSNDVI、MODISNDVI和两种数据源融合后的NDVI数据,进行一致性检验(图2)。
GIMMSNDVI和融合后的NDVI数据的犚2 为0.9591(犘<0.001),GIMMSNDVI与 MODISNDVI数据
的犚2 为0.7769(犘<0.001)。一致性检验结果显示,基于逐像元一元线性回归模型,应用 MODISNDVI数据对
GIMMSNDVI数据进行时间序列拓展,通过验证,延展数据与基础数据具有较好的一致性,拓展数据可以用于
NDVI时间序列分析。
2.2 新疆植被时空变化分析
2.2.1 新疆植被年际变化 在过去的32a里,新疆植被 NDVI总体上呈显著增加趋势(犚2=0.5742,犘<
0.001),平均增加速度为0.17%/a,总体状况呈现良好的发展态势[2930](图3a)。
05 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
图2 2001-2006年间融合数据犖犇犞犐、犕犗犇犐犛犖犇犞犐与犌犐犕犕犛犖犇犞犐数据的一致性检验
犉犻犵.2 犆狅狀狊犻狊狋犲狀犮狔犮犺犲犮犽犳狅狉狋犻犿犲狊犲狉犻犲狊犖犇犞犐狅犳犳狌狊犻狅狀,犕犗犇犐犛犖犇犞犐犪狀犱犌犐犕犕犛犖犇犞犐犳狉狅犿2001狋狅2006
图3 1982-2013年(犪)、1982-1999年(犫)和2000-2013年(犮)新疆植被犖犇犞犐的年际变化趋势
犉犻犵.3 犜犺犲狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮犺犪狀犵犲狋狉犲狀犱犻狀犡犻狀犼犻犪狀犵犳狉狅犿1982狋狅2013(犪),犳狉狅犿1982狋狅1999(犫)犪狀犱,犳狉狅犿2000狋狅2013(犮)
新疆植被增长趋势表现出明显的阶段性。植被生
图4 1982-2013年新疆植被空间变化趋势
犉犻犵.4 犜犺犲狊狆犪狋犻犪犾狋狉犲狀犱狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮犺犪狀犵犲
犻狀犡犻狀犼犻犪狀犵犳狉狅犿1982狋狅2013
长季 NDVI的增加主要发生在1982-1999年(犚2=
0.6427,犘<0.001)[15],平均每年增加速度为0.35%,约
是1982-2013年间增加速度的2倍多(图3a,b)[3132]。
1999年以来,新疆植被生长季NDVI的增长速度开始
减缓,只有0.13%/a,整体的增速显著性降低(犚2=
0.5242,犘=0.003),但是仍保持增长趋势(图3c)。
2.2.2 新疆植被空间变化 利用绿度变化率计算
每个像元位置上的植被变化趋势。研究表明植被变化
增加趋势和减小趋势并存(图4)。北疆天山北麓山前
冲积平原、伊犁河谷、博州和哈密等区域的绿洲农业
区,以及南疆塔里木盆地外缘水资源丰富的绿洲农业
区,植被变化增加趋势最显著[15,3335];伊犁河谷周围山
地、塔城地区、阿尔泰山地南坡等区域[17,3637]、和田地
区东部等地区植被变化减小趋势明显[38]。
对新疆植被的空间变化状况进行统计,研究期间植被活动没有明显变化的面积占研究区总面积的64.30%,
主要分布在沙漠戈壁等无植被区或低植被覆盖区;有增加趋势的区域面积略小于有减小趋势的区域,但是有显著
增加趋势和极显著增加趋势的面积大于有显著减小和极显著减小趋势的面积。新疆植被变化总体呈良好发展趋
势(表1)。
15第25卷第1期 草业学报2016年
表1 不同绿度变化率的像元所占面积及百分比
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犪狉犲犪犪狀犱狆犲狉犮犲狀狋犪犵犲狅犳狆犻狓犲犾狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犲犲狀狉犪狋犲狅犳犮犺犪狀犵犲
编号
No.
等级
Grade
绿度变化率范围
Rangeofgreenrateofchange
像元个数
Pixelnumber
面积
Area(km2)
百分比
Percentage(%)
1 显著减少Significantdecrease -0.010<犽<-0.005 142 9088 0.55
2 中度减少 Moderatedecrease -0.005<犽<-0.003 823 52672 3.21
3 轻微减少Slightdecrease -0.003<犽<-0.001 3047 195008 11.88
4 基本不变Almostunchanged -0.001<犽<0 3916 250624 15.26
5 基本不变Almostunchanged 犽=0 9918 634752 38.66
6 基本不变Almostunchanged 0<犽<0.001 2714 173696 10.58
7 轻微改善Slightincrease 0.001<犽<0.003 2792 178688 10.88
8 中度改善 Moderateincrease 0.003<犽<0.005 1033 66112 4.03
9 显著改善Significantincrease 0.005<犽<0.030 1271 81344 4.95
从总体上分析新疆植被变化可能会忽略不同地区
不同植被类型的变化特征及其成因机理。因此本文从
新疆的特殊地形地貌出发,对不同地理分区的植被变
化进行具体分析。
对北疆和南疆不同分布区的植被空间变化趋势进
行统计,结果如表2。研究期间,北疆平原地区、南疆
平原地区和南疆山地地区的绿度变化率都是正值,表
示植被变化呈增加趋势,尤其是平原地区的农田植被
增加趋势显著。北疆的山地地区植被绿度变化率呈现
负值,说明在研究期间其植被呈减小趋势,尤其是山地
森林减小趋势明显。
表2 北疆和南疆平原地区和山地地区的植被绿度变化率比较
犜犪犫犾犲2 犜犺犲犮狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犵狉犲犲狀狉犪狋犲狅犳犮犺犪狀犵犲
犫犲狋狑犲犲狀狆犾犪犻狀犪狀犱犿狅狌狀狋犪犻狀狅狌狊犻狀狀狅狉狋犺犲狉狀
犡犻狀犼犻犪狀犵犪狀犱狊狅狌狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
植被类型
Vegetation
form
北疆 NorthernXinjiang
平原地区
Plain
region
山地地区
Mountainous
area
南疆SouthernXinjiang
平原地区
Plain
region
山地地区
Mountainous
area
农田植被Cropland 0.00936 -0.00133 0.00482 0.00166
林地Forestland 0.00203 -0.00139 0.00165 0.00014
草地 Grassland 0.00109 -0.00136 0.00113 0.00046
2.3 北疆和南疆平原地区和山地地区植被变化研究
2.3.1 北疆平原地区植被变化 研究期间,北疆平原地区NDVI总体上呈现显著增长趋势,其中农田植被平
均增长速度为0.45%/a(犚2=0.7623,犘<0.001);林地和草地平均增长速度为0.12%/a(犚2=0.2730,犘=
0.002;犚2=0.2239,犘=0.006)(图5)。植被总体状况良好,其中农田植被增长趋势最大,林地和草地增长趋势
基本相同。植被增长最快的阶段是在1982-1999年,之后农田植被继续显著上升,林地和草地波动性上升,上升
幅度小于农田植被。最近十几年林地和草地没有维持显著增长的趋势。
表3 北疆平原地区植被犖犇犞犐与对应的气象因子的相关系数
犜犪犫犾犲3 犜犺犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀狆犾犪犻狀狅犳狀狅狉狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
植被类型
Vegetationform
降水量
Precipitation
平均气温
Meantemperature
最低气温
Minimumtemperature
最高气温
Maximumtemperature
潜在蒸散发
Potentialevaporation
农作物NDVICroplandNDVI 0.489(0.005)0.405(0.022) 0.575(0.001) 0.293(0.104) -0.363(0.041)
林地NDVIForestlandNDVI 0.571(0.001)0.031(0.867) 0.182(0.320) -0.038(0.837) -0.525(0.002)
草地NDVIGrasslandNDVI 0.635(0.000)0.192(0.292) 0.340(0.057) 0.085(0.643) -0.534(0.002)
注:“”表示在0.05水平上显著;“”表示在0.01水平上显著,均为双侧检验。括号内的数字表示显著性程度。下同。
Note:“”and“”indicatesignificantcorrelationatthelevelof0.05and0.01respectively,underbilateralinspection.Thedigitalintheblan
ketindicatesthesignificantdegree.Thesamebelow.
25 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
图5 北疆平原地区植被犖犇犞犐及其对应的气象因子的变化趋势
犉犻犵.5 犜犺犲狋狉犲狀犱狊狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀狆犾犪犻狀狅犳狀狅狉狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
a、b、c分别表示农田、林地和草地;1~6分别表示 NDVI、年降水量、年均气温、最低气温、最高气温及潜在蒸散发。下同。a,b,cindicatecrop
land,forestlandandgrasslandrespectively;1-6indicateNDVI,annualprecipitation,meantemperature,minimumtemperature,maximumtemper
atureandpotentialevaporation.Thesamebelow.
35第25卷第1期 草业学报2016年
农田植被NDVI与对应区域的降水(狉=0.489,犘=0.005)、平均气温(狉=0.405,犘=0.022)、最低气温(狉=
0.575,犘=0.001)和潜在蒸散发(狉=-0.363,犘=0.041)之间有显著相关关系,与最高气温(狉=0.293,犘=
0.104)之间相关不显著(表3)。研究期间,农田植被降水年际变化波动较大,上升趋势不显著(犚2=0.0839,犘=
0.108),年均增加1.1024mm;1999年前后相比,降水量稍有增加,2010年较大。平均气温和最低气温增长趋势
明显(犚2=0.2491,犘=0.004;犚2=0.4244,犘<0.001),年均增加0.0395和0.0536℃;最高气温呈不显著上升
趋势(犚2=0.1696,犘=0.019),年均增加0.0345℃。除了1984年气温降低较大外,1984年之后气温上升趋势显
著。潜在蒸散发呈不显著的下降趋势(犚2=0.0258,犘=0.380),年均减少0.8570mm(图5)。1990年之前潜在
蒸散发在下降,1990-2000年之间波动变化,2000年之后显著上升。
林地生长季NDVI与对应区域的降水(狉=0.571,犘=0.001)、潜在蒸散发(狉=-0.525,犘=0.002)之间有
显著相关关系,和平均气温(狉=0.031,犘=0.867)、最低气温(狉=0.182,犘=0.320)、最高气温(狉=-0.038,
犘=0.837)呈不显著相关关系(表3)。研究期间,降水存在不显著上升趋势(犚2=0.0852,犘=0.105),年均增加
1.1137mm;1999年之前波动较大,1999-2009年之间波动较小,2009年之后波动性较大。最低气温增长趋势
显著(犚2=0.3128,犘=0.001),年均增加0.0497℃;平均气温和最高气温呈不显著上升趋势(犚2=0.1735,犘=
0.018;犚2=0.1236,犘=0.048),年均增加0.0370和0.0337℃。1984年气温最低,之后气温上升趋势显著。林
地气温较农田植被区稍低。潜在蒸散发呈不显著下降趋势(犚2=0.0268,犘=0.370),年均减少0.9386mm(图
5);1982-1992年之间下降,1993-2001年波动较大,2002-2013年波动上升。
草地生长季NDVI与对应区域的降水(狉=0.635,犘<0.001)、潜在蒸散发(狉=-0.534,犘=0.002)显著相
关,与平均气温(狉=0.192,犘=0.292)、最低气温(狉=0.340,犘=0.057)和最高气温(狉=0.085,犘=0.643)之间
相关性不显著,但与最低气温的相关系数较大(表3)。研究期间,降水存在不显著上升趋势(犚2=0.0830,犘=
0.110),年均增加1.0525mm;同期降水量低于农田植被和林地。最低气温增长趋势显著(犚2=0.3787,犘<
0.001),年均增加0.0527℃;平均气温和最高气温呈不显著上升趋势(犚2=0.2144,犘=0.008;犚2=0.1466,
犘=0.031),年均增加0.0386和0.0338℃;同期气温稍高于林地,稍低于农田。潜在蒸散发呈不显著下降趋势
(犚2=0.0139,犘=0.520),年均减少0.6285mm(图5);1982-1990年之间呈下降趋势,1990-2000年之间波动
较大,2000之后波动上升。
水分条件转好(降水的增多或人为灌溉)、温度持续升高,北疆平原地区植被变化显著上升。
2.3.2 北疆山地地区植被变化研究 北疆山地地区植被呈下降趋势,其中农田植被平均下降速度为0.10%/
a(犚2=0.0992,犘=0.079);林地平均下降速度为0.13%/a(犚2=0.3629,犘<0.001);草地平均下降速度为
0.13%/a(犚2=0.3355,犘=0.001)(图6)。林地和草地下降趋势基本相同,农田植被下降趋势稍低,北疆山地地
区植被生长状况存在恶化趋势。
研究期间北疆山地植被NDVI与对应区域的气温和潜在蒸散发存在不显著负相关,与降水呈不显著正相关
(表4)。北疆地区降水的补给量随海拔的降低而减少,因此同期降水对低海拔地区的影响较大[39]。山地植被
NDVI对降水量的敏感性小于平原植被。
表4 北疆山地地区植被犖犇犞犐与对应的气象因子的相关系数
犜犪犫犾犲4 犜犺犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀犿狅狌狀狋犪犻狀狅狌狊狅犳狀狅狉狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
植被类型
Vegetationform
降水量
Precipitation
平均气温
Meantemperature
最低气温
Minimumtemperature
最高气温
Maximumtemperature
潜在蒸散发
Potentialevaporation
农作物NDVICroplandNDVI 0.141(0.443) -0.229(0.207) -0.227(0.212) -0.253(0.163) -0.022(0.904)
林地NDVIForestlandNDVI 0.161(0.378) -0.488(0.005) -0.540(0.001) -0.521(0.002) -0.085(0.644)
草地NDVIGrasslandNDVI 0.277(0.124) -0.411(0.019) -0.423(0.016) -0.422(0.016) -0.312(0.083)
45 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
图6 北疆山地地区植被犖犇犞犐及其对应的气象因子的变化趋势
犉犻犵.6 犜犺犲狋狉犲狀犱狊狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀犿狅狌狀狋犪犻狀狅狌狊狅犳狀狅狉狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
55第25卷第1期 草业学报2016年
农田植被NDVI与对应区域的降水(狉=0.141,犘=0.443)、平均气温(狉=-0.229,犘=0.207)、最低气温
(狉=-0.227,犘=0.212)、最高气温(狉=-0.253,犘=0.163)和潜在蒸散发(狉=-0.022,犘=0.904)之间都存
在不显著相关关系(表4)。研究期间,降水变化上升趋势不显著(犚2=0.0395,犘=0.276),年均增加1.0420
mm,年际变化波动较大;平均气温和最低气温增长趋势比较显著(犚2=0.2845,犘=0.002;犚2=0.4595,犘<
0.001),年均增加0.0370和0.0500℃;最高气温上升趋势不显著(犚2=0.2083,犘=0.009),年均增加0.0352℃;
潜在蒸散发呈不显著下降趋势(犚2=0.0942,犘=0.088),年均减少2.4423mm(图6)。
林地NDVI与对应区域的降水(狉=0.161,犘=0.378)、潜在蒸散发(狉=-0.085,犘=0.644)之间存在不显
著相关;与平均气温(狉=-0.488,犘=0.005)、最低气温(狉=-0.540,犘=0.001)和最高气温(狉=-0.521,犘=
0.002)都存在显著负相关关系(表4)。研究期间,降水上升趋势不显著(犚2=0.0975,犘=0.082),年均增加
1.2700mm;最低气温增长趋势比较显著(犚2=0.3597,犘<0.001),年均增加0.0486℃;平均气温和最高气温呈
不显著上升趋势(犚2=0.1849,犘=0.014;犚2=0.1553,犘=0.026),年平均增加0.0349和0.0342℃;与潜在蒸
散发呈不显著下降趋势(犚2=0.0628,犘=0.166),年均减少1.5251mm(图6)。
草地NDVI与对应区域的降水(狉=0.277,犘=0.124)、潜在蒸散发(狉=-0.312,犘=0.083)之间存在不显
著相关;与平均气温(狉=-0.411,犘=0.019)、最低气温(狉=-0.423,犘=0.016)和最高气温(狉=-0.422,犘=
0.016)存在显著的负相关关系(表4)。研究期间,降水存在不显著上升趋势(犚2=0.1006,犘=0.077),年均增加
1.1639mm;最低气温增长趋势比较显著(犚2=0.3891,犘<0.001),年均增加0.0511℃;平均气温和最高气温呈
不显著上升趋势(犚2=0.2225,犘=0.006;犚2=0.1616,犘=0.023),年均增加0.0379和0.0350℃;潜在蒸散发
呈不显著下降趋势(犚2=0.0124,犘=0.543),年均减少0.5997mm(图6)。
综合来看,北疆平原地区植被指数增幅大于山区植被指数增幅[1,40]。北疆山地植被降水条件较其他区域丰
富,但是1999年之后,降水量除了在2010年较大之外,其他年份有下降的趋势,而气温在升高;潜在蒸散发先减
后增。气候条件不利于植被生长。
2.3.3 南疆平原地区植被变化研究 南疆平原地区植被总体呈显著增长趋势,其中农田植被平均增长速度为
0.49%/a(犚2=0.8740,犘<0.001);林地平均增长速度为0.26%/a(犚2=0.7896,犘<0.001);草地平均增长速
度为0.26%/a(犚2=0.8926,犘<0.001)(图7)。植被总体状况发展良好,其中农田植被的增长趋势最大,林地次
之,草地增长趋势最小。
农田植被NDVI与对应区域的降水(狉=0.437,犘=0.012)、平均气温(狉=0.520,犘=0.002)、最低气温(狉=
0.699,犘<0.001)和最高气温(狉=0.457,犘=0.009)存在显著相关;和潜在蒸散发(狉=-0.035,犘=0.849)存
在不显著负相关(表5)。研究期间,降水年际变化波动较大,上升趋势不显著(犚2=0.0986,犘=0.080),年均增
加0.9367mm;潜在蒸散发上升趋势不显著(犚2=0.0427,犘=0.256),年均增加1.0596mm;最低气温、平均气
温和最高气温上升趋势较显著(犚2=0.6457,犘<0.001;犚2=0.4241,犘<0.001;犚2=0.3199,P=0.001),年
均增加0.0550,0.0384和0.0375℃(图7)。
林地NDVI与对应区域的降水(狉=0.305,犘=0.089)、潜在蒸散发(狉=0.023,犘=0.901)存在不显著相关
关系;平均气温(狉=0.499,犘=0.004)、最低气温(狉=0.583,犘<0.001)和最高气温(狉=0.483,犘=0.005)存在
显著相关关系(表5)。降水年际变化波动较大,上升趋势不显著(犚2=0.0646,犘=0.160),年均增加0.6136
mm;潜在蒸散发上升趋势不显著(犚2=0.0303,犘=0.390),年均增加0.9494mm;最低气温、平均气温和最高气
温上升趋势比较显著(犚2=0.5027,犘<0.001;犚2=0.4042,犘<0.001;犚2=0.3303,犘=0.001),年均增加
0.0562,0.0365和0.0379℃(图7)。
草地NDVI与对应区域的降水(狉=0.411,犘=0.020)、平均气温(狉=0.586,犘<0.001)、最低气温(狉=
0.722,犘<0.001)和最高气温(狉=0.520,犘=0.002)之间存在显著相关关系;和潜在蒸散发(狉=0.147,犘=
0.421)存在不显著相关关系(表5)。降水年际变化波动较大,上升趋势不显著(犚2=0.0776,犘=0.123),年均增
加0.6221mm;潜在蒸散发增长趋势不显著(犚2=0.0972,犘=0.183),年均增加1.8818mm;最低温度、平均温
度和最高气温增长趋势较显著(犚2=0.5965,犘<0.001;犚2=0.4692,犘<0.001;犚2=0.3671,犘<0.001),年
均增加0.0537,0.0409和0.0400℃(图7)。
65 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
图7 南疆平原地区植被犖犇犞犐及其对应的气象因子的变化趋势
犉犻犵.7 犜犺犲狋狉犲狀犱狊狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犪狀犱狋犺犲犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀狆犾犪犻狀狅犳狊狅狌狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
75第25卷第1期 草业学报2016年
表5 南疆平原地区植被犖犇犞犐与对应的气象因子的相关系数
犜犪犫犾犲5 犜犺犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀狆犾犪犻狀狅犳狊狅狌狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
植被类型
Vegetationform
降水量
Precipitation
平均气温
Meantemperature
最低气温
Minimumtemperature
最高气温
Maximumtemperature
潜在蒸散发
Potentialevaporation
农作物NDVICroplandNDVI 0.437(0.012)0.520(0.002) 0.699(0.000) 0.457(0.009) -0.035(0.849)
林地NDVIForestlandNDVI 0.305(0.089) 0.499(0.004) 0.583(0.000) 0.483(0.005) 0.023(0.901)
草地NDVIGrasslandNDVI 0.411(0.020)0.586(0.000) 0.722(0.000) 0.520(0.002) 0.147(0.421)
气温升高、降水稍有增加,一定程度上有利于植被生长。农田植被的显著增长还与灌溉、管理关系密切。
2.3.4 南疆山地地区植被变化研究 南疆山地地区植被总体呈不显著增长趋势,农田植被平均增长速度为
0.11%/a(犚2=0.1242,犘=0.048);林地增长速度为0.05%/a(犚2=0.1031,犘=0.073);草地增长速度为
0.03%/a(犚2=0.0695,犘=0.145)(图8)。植被变化总体在增长,其中农田植被增长趋势较大,林地次之,草地
增长趋势稍低。
农田植被NDVI与对应区域的降水(狉=0.344,犘=0.054)、潜在蒸散发(狉=0.073,犘=0.693)、平均气温
(狉=0.136,犘=0.459)、最低气温(狉=0.212,犘=0.245)和最高气温(狉=0.136,犘=0.458)存在不显著相关关
系,但与降水的相关系数最大(表6)。降水年际变化上升趋势不显著(犚2=0.1095,犘=0.064),年均增加1.0755
mm;潜在蒸散发上升趋势不显著(犚2=0.0336,犘=0.367),年均增加1.1072mm;最低气温、平均气温和最高气
温上升趋势较显著(犚2=0.6844,犘<0.001;犚2=0.4710,犘<0.001;犚2=0.3246,犘=0.001),年均增加
0.0600,0.0430和0.0392℃(图8)。气温高于其他植被类型分布区。
表6 南疆山地地区植被犖犇犞犐与对应的气象因子的相关系数
犜犪犫犾犲6 犜犺犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀犿狅狌狀狋犪犻狀狅狌狊狅犳狊狅狌狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
植被类型
Vegetationform
降水量
Precipitation
平均气温
Meantemperature
最低气温
Minimumtemperature
最高气温
Maximumtemperature
潜在蒸散发
Potentialevaporation
农作物NDVICroplandNDVI 0.344(0.054) 0.136(0.459) 0.212(0.245) 0.136(0.458) 0.073(0.693)
林地NDVIForestlandNDVI 0.578(0.001)0.138(0.451) 0.274(0.129) 0.077(0.674) -0.222(0.222)
草地NDVIGrasslandNDVI 0.569(0.001)0.146(0.426) 0.274(0.130) 0.080(0.661) -0.461(0.008)
林地植被NDVI与对应区域的降水(狉=0.578,犘=0.001)存在显著相关关系;与潜在蒸散发(狉=-0.222,
犘=0.222)、平均气温(狉=0.138,犘=0.451)、最低气温(狉=0.274,犘=0.129)和最高气温(狉=0.077,犘=
0.674)存在不显著相关关系(表6)。降水年际变化波动较大,上升趋势不显著(犚2=0.1727,犘=0.018),年均增
加1.0919mm;降水量稍大于农田植被区和草地植被覆盖区。潜在蒸散发下降趋势不显著(犚2=0.0010,犘=
0.863),年均减少0.1686mm;稍低于同期的农田植被区和草地植被覆盖区。最低气温、平均气温和最高气温上
升趋势较显著(犚2=0.6161,犘<0.001;犚2=0.3966,犘<0.001;犚2=0.2888,犘=0.002),年均分别增加
0.0539,0.0377和0.0352℃(图8);低于农田植被覆盖区,稍低于草地植被覆盖区。
草地NDVI与对应区域的降水(狉=0.569,犘=0.001)、潜在蒸散发(狉=-0.461,犘=0.008)存在显著相关
关系;与平均气温(狉=0.146,犘=0.426)、最低气温(狉=0.274,犘=0.130)和最高气温(狉=0.080,犘=0.661)都
存在不显著相关关系(表6)。降水上升趋势不显著(犚2=0.1435,犘=0.033),年均增加0.8790mm;潜在蒸散发
上升趋势不显著(犚2=0.0220,犘=0.500),年均增加0.8070mm;最低气温、平均气温和最高气温上升趋势较显
著(犚2=0.6639,犘<0.001;犚2=0.4562,犘<0.001;犚2=0.3456,犘<0.001),年均增加0.0555,0.0397和
0.0380℃(图8)。降水较少、气温稍高、潜在蒸散发较大,不利于草地植被的增长。
85 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
图8 南疆山地地区植被犖犇犞犐及其对应的气象因子的变化趋势
犉犻犵.8 犜犺犲狋狉犲狀犱狊狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犪狀犱狋犺犲犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀犿狅狌狀狋犪犻狀狅狌狊狅犳狊狅狌狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵
95第25卷第1期 草业学报2016年
3 结论与讨论
本文基于逐像元一元线性回归模型,利用 MODIS数据对AVHRRGIMMSNDVI数据进行时间序列拓展,
获得长时间序列NDVI数据集。其中拓展数据和原始数据通过了一致性检验,可以进行长时间序列植被变化的
研究。应用拓展时间序列的NDVI数据进行分析研究,解决了单一遥感数据源时间序列局限性的问题,丰富了
当前植被NDVI及植被-气候关系的研究。
研究表明,过去32年间,新疆植被变化呈显著上升趋势,其中1982-1999年间增长最快,1999年之后上升
趋势开始减缓。新疆不同分区的植被生长季NDVI变化空间差异显著;植被增加趋势明显的区域是在绿洲农田
区,农业技术水平的提高和人类引水灌溉弥补降水不足是促进新疆绿洲植被呈显著上升趋势的主要原因[34]。气
温升高、降水减少是导致1999年以来植被变化增速减缓的主要原因[33]。植被减小趋势明显的区域在新疆西北
地区山地和东南地区的山麓地带。其中西北地区山地的减少与过度放牧等有着直接的关系[41],东南地区的植被
减少与过渡带植被受损严重有着直接的关系[37]。
不同自然地理环境条件下的植被变化与气候因子的相关程度不同。NDVI变化与气候变化关系密
切[33,4244]。
北疆平原地区植被变化呈显著上升趋势。其中农田植被上升趋势较大,林地和草地上升趋势相似。降水和
潜在蒸散发即水分条件对草地的影响程度大,气温对农田植被的影响较大。
北疆山地地区植被变化呈显著下降趋势,主要是由于:气候暖干化导致草地荒漠化的易发和其进程的加
速[43];用围栏保护平原地区草地,导致放牧活动向山地转移,把牲畜压力转移到山区草地,导致山区草地严重退
化[44];火灾、鼠灾、病虫害等自然灾害和人类只采不育、矿产开发等导致森林破坏与垦殖、过度放牧等带来的荒漠
化并存[4546]。北疆山地地区植被变化呈减少趋势是受气候因素和人类活动的双重影响。
南疆平原地区植被变化呈显著增长趋势。其中农田植被上升趋势最大,林地次之,草地最低。降水量、气温
和潜在蒸散发对草地影响程度较大,对农田植被影响最小。南疆平原绿洲农业区的改善与农业生产水平的提高
有关[34]。气温升高、降水增多,有利于森林生长。但由于降水总量较少,南疆林地主要分布在大河沿岸,或者是
农田防护林的周边等水分条件相对较好的区域。降水量、潜在蒸散发呈不显著增多趋势,气温显著升高,在水分
条件较好的区域草地生长较好。南疆平原地区植被的生长变化受气温和降水的双重驱动作用[47]。
南疆山地地区植被变化呈不显著上升趋势。其中农田植被变化的上升趋势最大,林地次之,草地稍低。农田
植被与气象因子呈不显著相关,但与降水的相关系数最大,说明水分条件是影响农田植被生长的重要条件。降水
增多,气温升高,潜在蒸散发下降,气候条件有利于林地生长。草地和林地受水分条件影响较大[4849]。降水、最低
气温对植被生长影响较大。植被尤其是草地,与降水、潜在蒸散发呈显著相关,与气温呈不显著正相关,水分条件
是南疆山地地区植被生长的重要条件。
南疆地区的气候条件虽然恶劣,但近年来多少有所缓解,气温略有上升的同时,降水量稍有增加,风沙天气减
少[50]。
综合来看,草地受气候变化的影响最大,其中水分条件是草地生长年际变化的主要驱动因素[51]。农田植被
受气候变化的影响最小。但是不同分区的植被,受气候因子的影响程度有明显的区别。因此,应本着因地制宜的
原则制定相应的生态环境保护政策。
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36第25卷第1期 草业学报2016年