全 文 ：书黑河中上游草地犖犇犞犐时空变化规律及其
对气候因子的响应分析
周伟１，王倩２，章超斌１，李建龙１
（１．南京大学生命科学学院，江苏 南京２１００９３；２．甘肃民族师范学院历史文化系，甘肃 合作７４７０００）
摘要：植被动态监测以及与气候变化的耦合关系是陆地生态系统研究的热点，而草地 ＮＤＶＩ时空动态以及影响其
变化的关键气候因子分析，对于草地覆盖变化的动态机理研究具有重要意义。基于遥感和ＧＩＳ技术，利用黑河流
域１９９９－２００７年ＳＰＯＴ－ＮＤＶＩ数据和气象站点数据，分析了黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ的时空变化特征以及与
气候因子的相关性。结果表明，黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ在１９９９－２００７年间呈明显增加趋势；草地植被 ＮＤＶＩ
增加和减少的面积分别占草地总面积的７１．５３％和１９．４３％；增加的区域主要分布在托来山、走廊南山、冷龙岭和
河西走廊中段的典型草原和高寒草甸草地，减少的区域主要分布在托勒南山、走廊南山和冷龙岭的荒漠草地向非
草地过渡区域；黑河中上游不同草地植被ＮＤＶＩ的年内变化均呈单峰型，７月份达最大值；草地ＮＤＶＩ与气温呈极
显著正相关（狉＝０．９４２，犘＜０．０１），与降水量呈显著正相关（狉＝０．９２２，犘＜０．０５），ＮＤＶＩ与相对湿度呈不显著正相
关，与日照时数呈负相关性，并且不同草地类型牧草生长的限制因子不同。近年来伴随西北地区气候向暖湿转型，
黑河中上游草地植被覆盖明显增加，气温是影响研究区牧草生长的关键气候因子。
关键词：天然草地；ＳＰＯＴ－ＮＤＶＩ；时空动态；气候因子；黑河中上游
中图分类号：Ｓ８１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２０１３）０１０１３８１０
全球气候变化与陆地生态系统是当前全球变化研究的重要内容，气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈
一直是其中的研究焦点之一［１］。植被是陆地生态系统的主体［２］，也是连接大气、土壤和水分等自然要素的“纽
带”［３］。植被作为环境变化重要的指示标志，植被指数的变化能够揭示环境的演化、变迁，植被指数遥感数据具有
覆盖范围大，周期短的优点，可为大面积植被动态监测提供技术支撑。归一化植被指数（ＮＤＶＩ，ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ）是表征地表植被覆盖和对光合有效辐射吸收能力的一个较好指标［４］，被广泛用于生
物量、叶面积指数和植被生产力格局的估算和草地动态监测［５］。草地作为我国生态系统最大的天然屏障［６，７］，具
有防风固沙、调节气候、保持水土和促进生态平衡的重要作用［８］。
ＮＤＶＩ在高植被覆盖地区存在过饱和现象，而对植被稀疏地区的植被变化尤其敏感。ＮＤＶＩ在草地植被研
究方面被广泛应用，Ｐｉａｏ等［９］分析了草地植被ＮＤＶＩ动态变化以及对气候变化响应。王新欣等［１０］利用 ＭＯＤＩＳ
ＮＤＶＩ对天山北坡中段草地进行生物量估测，建立了生物量动态估测模型。卫亚星等［１１］利用 ＭＯＤＩＳＮＤＶＩ数
据对青海省的草场进行分级，分析了其草地状况；毛飞等［１２］利用美国国家海洋和大气局的高级甚高分辨率辐射
仪获得的ＮＤＶＩ（ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲＮＤＶＩ，ｎａｔｉｏｎａｌｏｃｅａｎｉｃａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃａｄｍｉｎｉｓｔｅｒ／ａｄｖａｎｃｅｄｖｅｒｙｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕ
ｔｉｏｎｒａｄｉｏｍｅｔｅｒＮＤＶＩ）数据对藏北那曲地区草地植被进行了分类。戴声佩等［１３］利用ＳＰＯＴＮＤＶＩ分析了祁连
山地区草地植被的时空变化趋势。齐述华等［１４］利用 ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ数据分析了青藏高原中东部植被长势对
气候因子的响应，表明气候因子是影响植被覆盖的一个重要因子。辜智慧等［１５］利用ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ数据分析
了锡林郭勒草原植被覆盖变化以及对气候因子的响应。王军邦等［１６］利用 ＭＯＤＩＳＮＤＶＩ对内蒙古中部植被进行
动态监测，并且发现降水量引起的ＮＤＶＩ波动变化大于气温。
１３８－１４７
２０１３年２月
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
第２２卷 第１期
Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１
收稿日期：２０１２０１０９；改回日期：２０１２０３２９
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）项目（２０１０ＣＢ９５０７０２），国家自然科学基金项目（４１２７１３６１）和国家８６３计划专题项目
（２００７ＡＡ１０Ｚ２３１）资助。
作者简介：周伟（１９８５），女，山东泰安人，在读博士。Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｕｗ８６６＠１６３．ｃｏｍ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｊｌｉ２００８＠ｎｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
黑河中上游位于祁连山北坡和河西走廊中段，处于气候变化的敏感区和生态环境脆弱区［１７］，是研究陆地生
态系统对气候变化响应机制的理想场所。草地是该流域的重要植被类型，近年来随着气候变化以及人类活动的
影响，黑河流域草地覆盖发生明显变化，因此黑河流域草地植被变化与气候因子的关系研究，将有助于理解流域
植被变化对气候变化的响应特征，对分析草地生态系统在气候变暖背景下的变化趋势具有重要的理论意义。目
前关于黑河流域草地植被覆盖变化的研究较少；并且在分析植被ＮＤＶＩ与气候因子间的相关性时，多采用气象
站点上的植被ＮＤＶＩ和气象因子的点状数据进行分析，分析结果不能综合反映面状植被覆盖变化对气候变化的
响应特征。鉴于此，本研究利用由ＳＰＯＴ４搭载的Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ传感器获取的ＳＰＯＴＶｅｇｅｔａｔｉｏｎＮＤＶＩ数据分析
了黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ时空变化特征，并采用每种草地类型的ＮＤＶＩ和气候因子的平均值进行相关性分
析，进一步探讨影响牧草生长的关键气候因子，以期为该区域应对气候变化以及草地资源的保护和管理提供理论
依据。
１ 材料与方法
１．１ 研究区概况
黑河流域是我国西北干旱区第二大内陆河流域（３８°～４２°Ｎ，９８°～１０１°Ｅ），面积约１３×１０４ｋｍ２。研究区域
位于黑河上中游的祁连山地和河西走廊中段（图１）。黑河上中游地区自然条件复杂，水热条件差异大，具有典型
大陆性气候特征，由于受东南季风影响的强弱、水热条件的再分配以及复杂多样的地形变化等多因素的综合作
用，发育了多种多样的地貌、土壤类型和植被类型，草地类型呈现明显的垂直地带性分异［１８，１９］。黑河中上游的天
然草地分布于海拔１３００～４１００ｍ的祁连山区和祁连山与龙首山、合黎山之间的山前倾斜平原，草地占研究区
总面积的７３％，从低海拔到高海拔依次分布着沼泽草地、低湿地草甸、干荒漠草地、山地荒漠草地，草原化荒漠草
地、荒漠化草原、山地草原、山地草甸草原、山地草甸、高寒草原、高寒草甸［２０］。
图１ 研究区位置图
犉犻犵．１ 犔狅犮犪狋犻狅狀狅犳狊狋狌犱狔犪狉犲犪
１．２ 数据来源与处理
本研究所采用的数据为１９９９－２００７年的ＳＰＯＴＶＧＴＮＤＶＩ数据集，来源于国家自然科学基金委员会“中
国西部环境与生态科学数据中心”（ｈｔｔｐ：／／ｗｅｓｔｄｃ．ｗｅｓｔｇｉｓ．ａｃ．ｃｎ），该数据是通过对ＳＰＯＴ 源数据进行大气校
正、辐射校正、几何校正和拉伸后生成１０ｄ最大化合成 ＮＤＶＩ数据，其空间分辨率为１ｋｍ。土地覆盖数据来源
于 ＧＬＣ２０００项目开发的基于ＳＰＯＴ４遥感数据的全球土地覆盖数据中国子集，在 ＡｒｃＧＩＳ９．３软件中利用公
９３１第２２卷第１期 草业学报２０１３年
式：ＮＤＶＩ＝ＤＮ×０．００４－０．１将ＤＮ值转换为标准 ＮＤＶＩ值，然后利用黑河中上游矢量边界进行剪裁，得到黑河
中上游ＮＤＶＩ数据。
气象数据由国家气象信息中心资料室提供，包括７个气象站点１９９９－２００７年逐月平均气温、降水量、相对湿
度和日照时数。在ＡｒｃＧＩＳ９．３中使用反距离权重（ｉｎｖｅｒｓｅｄｉｓｔａｎｃｅｗｅｉｇｈｔｅｄ，ＩＤＷ）方法进行插值，得到研究区
气象栅格数据。ＮＤＶＩ和气象数据均投影为 Ａｌｂｅｒｓ投影。
１．３ 研究方法
１．３．１ ＮＤＶＩ数据处理 采用 ＡｒｃＧＩＳ空间分析技术和数理统计方法，对研究区草地植被ＮＤＶＩ数据进行统计
和分析。采用国际上惯用的最大值合成 ＭＶＣ（ｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）法对每月１０ｄ合成 ＮＤＶＩ进行处
理，即图像中每一个像元值用该月最大 ＮＤＶＩ值代替，该处理可以减少大气的云、颗粒、阴影、视角以及太阳高度
角的影响［２１］。使用常用的累积平均法和均值法合成草地年累积 ＮＤＶＩ值，ＮＤＶＩ年均值，生长期的ＮＤＶＩ年均
值和月均值。
１．３．２ ＮＤＶＩ变化趋势线分析 趋势线分析法能模拟每个栅格的变化趋势［２２］，反映不同时期植被覆盖变化趋
势的空间特征，本研究采用趋势线分析模拟１９９９－２００７年黑河中上游草地ＮＤＶＩ变化趋势，计算公式如下：
θｓｌｏｐｅ＝
狀×∑
狀
犼＝１
犼×犖犇犞犐犼－∑
狀
犼＝１
犼∑
狀
犼＝１
犖犇犞犐犼
狀×∑
狀
犼＝１
犼２－ ∑
狀
犼＝１
（ ）犼 ２
式中，狀为监测年数；犖犇犞犐犼为第犼年犖犇犞犐平均值；θｓｌｏｐｅ为趋势线的斜率，其中θｓｌｏｐｅ＞０，说明犖犇犞犐在狀年间
的变化趋势是增加的，反之则是减少。根据θｓｌｏｐｅ的变化范围［１３，２３］，定义显著减少（θｓｌｏｐｅ＜－０．００６），轻度减少
（－０．００６＜θｓｌｏｐｅ＜－０．００１），基本不变（－０．００１＜θｓｌｏｐｅ＜０．００１），轻度增加（０．００１＜θｓｌｏｐｅ＜０．００６）和显著增加
（θｓｌｏｐｅ＞０．００６）５个变化区间，并统计每个变化区间的面积及其面积百分比。
１．３．３ 草地ＮＤＶＩ的空间变化量分析 本研究使用影像差异法分析草地植被ＮＤＶＩ空间变化量［２４］。影像差异
是将２个不同时相的影像在完全配准情况下，从一个影像中将另一个影像的信息提取出来。它通常用于提取多
时相图像中随时间而变化的信息，常用于动态监测。研究中将２００７年与１９９９年的２期ＮＤＶＩ影像相减，将结果
像元值大于０的记作增加，表示１９９９－２００７年黑河流域草地植被ＮＤＶＩ增加，反之为减少。
１．３．４ 草地ＮＤＶＩ与气候因子的相关性分析 根据ＧＬＣ２０００全球土地覆盖数据中的中国子集，并结合甘肃省
草地资源［１８，２５］调查资料，将研究区草地分为４类，荒漠草地（ＧＬＣ２０００中的类型１１－荒漠草地）、平原草地
（ＧＬＣ２０００中的类型１０－平原草地）、高寒草甸草地（ＧＬＣ２０００中的类型８－高山亚高山草甸和类型２２－高山亚
高山草地）、典型草原（ＧＬＣ２０００中的类型１２－草甸）。研究区气象站点分布不均匀并且每个站点附近的草地类
型不唯一，为了避免以气象站点的气候因子和ＮＤＶＩ的相关性系数代替面状草地类型的ＮＤＶＩ与气候因子相关
性，本研究根据研究区气象因子的插值数据和ＮＤＶＩ数据，提取不同草地类型多年月平均气温、降水量、相对湿
度、日照时数和月平均ＮＤＶＩ数据，分别计算ＮＤＶＩ与各气候因子间的相关性。５－９月黑河流域气候雨热同期，
处于植被生长季，因此本研究选择了草地生长期５－９月的ＮＤＶＩ数据分析植被ＮＤＶＩ与各气候因子间的相关
性。相关性系数公式如下：
狉＝
∑
狀
犻＝１
（狓犻－珚狓）（狔犻－珔狔）
∑
狀
犻＝１
（狓犻－珚狓）２（狔犻－珔狔）槡 ２
式中，狓犻是５－９月第犻月的植被ＮＤＶＩ，珚狓是５－９月ＮＤＶＩ的平均值；狔犻 是５－９月第犻月的气候因子值，珔狔是
５－９月气候因子的平均值。并对相关系数进行显著性检验。
１．３．５ 数据统计分析 草地ＮＤＶＩ的时间变化特征、空间分布格局、草地ＮＤＶＩ变化趋势系数等数据统计分析
均在ＡｒｃＧＩＳ９．３中完成，通过ＳＰＳＳ１６．０进行草地ＮＤＶＩ与气候因子的相关性分析和显著性检验，数据分析和
图表制作在Ｅｘｃｅｌ中完成。
０４１ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１
２ 结果与分析
２．１ 黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ空间分布特征分析
黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ空间分布具有明显的地区差异性（图２和３），整体呈现东南部多，西北部少的格
局。位于黑河上游及其支流的托来山、走廊南山、冷龙岭和张掖市是典型草原覆盖区域，草地覆盖高，其中祁连
县、肃南县东南部和张掖市南部地区植被的年累计ＮＤＶＩ值较高，介于４～５。位于托勒南山北坡和走廊南山两
侧的高寒草甸草原覆盖区域以及酒泉和张掖市南部的典型草原覆盖区，ＮＤＶＩ值次之，介于３～４。从高寒草甸
草原向荒漠草原过渡的区域草地植被 ＮＤＶＩ介于２～３。祁连县和肃南县西北部以及张掖市北部的荒漠草地
ＮＤＶＩ较低，为１～２。位于高台县南部荒漠的草地ＮＤＶＩ值最低，小于１。
图２ 黑河中上游草地类型分布
犉犻犵．２ 犌狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳犎犲犻犚犻狏犲狉
图３ １９９９－２００７年黑河中上游草地植被年累计犖犇犞犐空间分布
犉犻犵．３ 犜犺犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犮狌犿狌犾犪狋犻狏犲犖犇犞犐犳狉狅犿１９９９狋狅２００７犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳犎犲犻犚犻狏犲狉
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２．２ 黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ变化时间特征分析
２．２．１ ＮＤＶＩ年际变化特征 通过计算得到１９９９－２００７年４种不同草地类型和全部草地植被年均ＮＤＶＩ和生
长季（５－９月）年均ＮＤＶＩ值（图４）。年均值ＮＤＶＩ和生长季的平均ＮＤＶＩ变化趋势基本一致，都呈现波动上升
趋势，这与程瑛等［２６］的研究结论一致，由于祁连山中西段和黑河流域处于气候从暖干向暖湿转型的显著转型
区［２７］，降水量和融雪量增加，草地覆盖度增加。典型草原植被ＮＤＶＩ最高，平原草地次之，高寒草甸草地的ＮＤ
ＶＩ较低，荒漠草地最低，全部草地植被ＮＤＶＩ值介于平原草地和高寒草甸草地之间。年均ＮＤＶＩ最高值出现在
２００７年，达到０．２４１，最低值出现在２００１年，为０．２０２，生长季 ＮＤＶＩ最高值在２００７年，达到０．３８１，最低值在
２００１年，为０．３０１。
图４ 黑河中上游不同草地植被犖犇犞犐年际变化
犉犻犵．４ 犐狀狋犲狉犪狀狀狌犪犾犮犺犪狀犵犲狊狅犳犖犇犞犐犳狅狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳犎犲犻犚犻狏犲狉
ａ：年均变化 Ｔｈｅａｎｎｕａｌｃｈａｎｇｅｉｎｃｌｕｄｉｎｇ１２ｍｏｎｔｈｓ；ｂ：生长季变化（５－９月份）Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅａｎｎｕａｌｃｈａｎｇｅｆｒｏｍ ＭａｙｔｏＳｅｐｔｅｍｂｅｒ．
２．２．２ ＮＤＶＩ年内变化特征 黑河中上游全部草地、
图５ 黑河中上游不同草地植被犖犇犞犐年内变化特征
犉犻犵．５ 犜犺犲犿狅狀狋犺犾狔犮犺犪狀犵犲狊狅犳犖犇犞犐犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊
典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地的
ＮＤＶＩ年内月均变化曲线均呈单峰型（图５），年最大
ＮＤＶＩ值均出现在７月份，分别为０．４３０，０．５６９，
０．５０３，０．３５２，０．１８２。５－９月是牧草生长季，ＮＤＶＩ
变化明显，草地ＮＤＶＩ从５月份开始增加，６月份增加
迅速，７月份达到最大值，８月份 ＮＤＶＩ开始下降，１０
月份牧草基本停止生长，每年的１－４月和１１－１２月
份草地ＮＤＶＩ变化不大。这主要受气候特征的影响，
黑河中上游地区５－９月雨热同期，并且在７－８月份
达到最佳，牧草生长茂盛，从１１月到翌年２月牧草处
于枯黄期，植被覆盖较低，３－４月草地处于返青期，植
被生长缓慢，ＮＤＶＩ值也较低。其中荒漠草地 ＮＤＶＩ
的变化幅度明显低于其他草地类型。
２．３ 黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ变化的空间特征分析
２．３．１ 黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ变化空间分布特征 利用趋势分析方法模拟了研究区草地植被ＮＤＶＩ随时
间的变化趋势，并且趋势系数大于０．００１时，植被 ＮＤＶＩ在１９９９－２００７间处于增加趋势，当趋势系数小于
－０．００１时植被覆盖度降低（表１，图６）。黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ总体呈增加趋势，草地覆盖趋于改善，并且
２４１ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１
存在明显的地区差异性。７１．５３％的天然草地植被ＮＤＶＩ增加，ＮＤＶＩ增加的面积为２８４１８ｋｍ２，ＮＤＶＩ增加的
区域主要分布在托来山、走廊南山、冷龙岭和张掖市、山丹县南部海拔在１８００～４１００ｍ的山前倾斜平原和河西
走廊中段的天然草地地区。这些地区处于高山亚高山地区，受人类活动影响较小，且随着全球气候变暖，降水量
和冰雪融水增多［２８，２９］，使得黑河流域草地植被覆盖度增大。草地 ＮＤＶＩ减少的区域主要分布在研究区托勒南
山、走廊南山和冷龙岭的荒漠草地向非草地过度区域，ＮＤＶＩ减少的面积为７７１７ｋｍ２，占黑河中上游草地总面积
的１９．４３％。由于该地区受人类活动影响较大，过渡放牧等导致天然草地退化明显［３０］，草地覆盖降低。１９９９－
２００７年只有９．０４％的草地ＮＤＶＩ基本不变。
黑河中上游不同草地类型的ＮＤＶＩ变化存在明显差异，典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地植被
ＮＤＶＩ增加的面积分别为１４７７８，５１５，８０９５和５３００ｋｍ２，分别占黑河中上游总草地面积的３６．５２％，１．３０％，
２０．３７％，１３．３４％。典型草原、平原草地、高寒草甸草地和荒漠草地植被 ＮＤＶＩ分别减少３１４３，２２，３６６４，８８７
ｋｍ２，分别占研究区总草地面积的７．９２％，０．０６％，９．２２％，２．２３％。其中典型草原植被ＮＤＶＩ增加最明显，高寒
草甸草地增加面积次之，平原草地最低。
表１ １９９９－２００７年黑河中上游草地植被犖犇犞犐变化统计
犜犪犫犾犲１ 犜犺犲狊狋犪狋犻狊狋犻犮狊狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱犖犇犞犐犮犺犪狀犵犲犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳犎犲犻犚犻狏犲狉
趋势系数
Ｔｒｅｎｄ
ｉｎｄｅｘ
变化等级
Ｃｈａｎｇｅ
ｌｅｖｅｌ
全部草地
Ｔｏｔａｌｇｒａｓｓｌａｎｄ
面积
Ａｒｅａ
（ｋｍ２）
比例
Ｒａｔｉｏ
（％）
典型草原
Ｔｙｐｉｃａｌｇｒａｓｓｌａｎｄ
面积
Ａｒｅａ
（ｋｍ２）
比例
Ｒａｔｉｏ
（％）
平原草地
Ｐｌａｉｎｇｒａｓｓｌａｎｄ
面积
Ａｒｅａ
（ｋｍ２）
比例
Ｒａｔｉｏ
（％）
高寒草甸草地
Ａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗｓｔｅｐｐｅ
面积
Ａｒｅａ
（ｋｍ２）
比例
Ｒａｔｉｏ
（％）
荒漠草地
Ｄｅｓｅｒｔｇｒａｓｓｌａｎｄ
面积
Ａｒｅａ
（ｋｍ２）
比例
Ｒａｔｉｏ
（％）
＜－０．００６ ＥＤ ２０８５ ５．２５ ６４３ １．６２ ３ ０．００８ １３３９ ３．３７ ９９ ０．２４９
－０．００６～－０．００１ＭＤ ５６３２ １４．１８ ２５００ ６．３０ １９ ０．０４８ ２３２５ ５．８５ ７８８ １．９８４
－０．００１～０．００１ ＢＩ ３５９２ ９．０４ １６３１ ４．１８ ２７ ０．０６８ １２２０ ３．０７ ６８６ １．７２７
０．００１～０．００６ ＭＩ １６８９９ ４２．５４ ７９２７ １９．９５ １６７ ０．４２０ ４９２０ １２．３８ ３８８５ ９．７７９
＞０．００６ ＥＩ １１５１９ ２８．９９ ６８５１ １６．５７ ３４８ ０．８７６ ３１７５ ７．９９ １４１５ ３．５６２
注：ＥＤ表示显著减少，ＭＤ轻度减少，ＢＩ基本不变，ＭＩ轻度增加，ＥＩ显著增加。
Ｎｏｔｅ：ＥＤｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｘｔｒｅｍｅｌｙｄｅｃｒｅａｓｅ，ＭＤｒｅｐｒｅｓｅｎｔｍｉｌｄｄｅｃｒｅａｓｅ，ＢＩｒｅｐｒｅｓｅｎｔｂａｓｉｃａｌｙｉｎｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ，ＭＩｒｅｐｒｅｓｅｎｔｍｉｌｄｉｎｃｒｅａｓｅ，ＥＩｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｘ
ｔｒｅｍｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅ．
２．３．２ 黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ空间变化量 通过２００７年和１９９９年２期年均ＮＤＶＩ值进行影像差异分析，
从中提取得到１９９９－２００７年研究区域草地ＮＤＶＩ变化量分布（图７）。ＮＤＶＩ变化的分布特征与ＮＤＶＩ多年变
化趋势分布格局基本相同。ＮＤＶＩ增加量最大的区域分布于河西走廊的山丹军马场、张掖市东部和高台县西南
部的典型草原；典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的最大增加量分别为０．１８７，０．２７３，０．１８６，０．２１１。
ＮＤＶＩ减少量最多的地区分布在托勒南山、走廊南山和托莱山和冷龙岭的高寒草甸草地和荒漠草原向非草地过
度区域，典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒漠草地的最大减少量分别为０．１０５，０．１２７，０．０９４，０．０６７。
２．４ 黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ与气候因子关系分析
影响牧草生长的气候因子很多，本研究选择了月平均气温、月平均降水量、相对湿度和日照时数。分析４种
草地类型１９９９－２００７年牧草主要生长期（５－９月）月平均ＮＤＶＩ与上述４个气候因子的相关性（表２）。研究区
草地植被ＮＤＶＩ与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为０．９４２（犘＜０．０１），０．９２２（犘＜
０．０５），０．７６２，其中与平均气温呈极显著正相关关系，并且ＮＤＶＩ与气温的相关系数大于降水量，这与郭铌等［３１］
研究结论一致。由于黑河流域处于西北内陆干旱区，降水量较少，对海拔较高的区域气温较低将不利于植被的生
长；而近年来随着西北地区气候向暖湿转型［２９］，气温升高、降水量增加使植被生长加速，ＮＤＶＩ增大。草地ＮＤＶＩ
与日照时数呈负相关关系（狉＝－０．２９１），因为研究区日照充足，当日照条件得到基本满足情况下，多余的日照反
而对牧草生长不利，这是由于日照越多，蒸散越大，最终导致ＮＤＶＩ下降［３２］。
３４１第２２卷第１期 草业学报２０１３年
图６ １９９９－２００７年黑河中上游草地犖犇犞犐变化趋势空间分布
犉犻犵．６ 犛狆犪狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犖犇犞犐犮犺犪狀犵犲狊狋狉犲狀犱犳狉狅犿１９９９狋狅２００７
图７ １９９９－２００７年黑河中上游草地植被犖犇犞犐变化量
犉犻犵．７ 犛狆犪狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犖犇犞犐狏犪狉犻犪狋犻狅狀犳狉狅犿１９９９狋狅２００７犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳犎犲犻犚犻狏犲狉
典型草原ＮＤＶＩ与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为０．９０７（犘＜０．０５），０．９３６（犘＜
０．０５），０．７６１；与日照时数相关系数为－０．３０８；牧草生长受降水量和气温的影响较大。
平原草地ＮＤＶＩ与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为０．９８０，０．９０２，０．７６４，与平均
气温的相关性最高，通过０．０１显著性水平检验；与日照时数相关性为－０．２５６。
高寒草甸草地ＮＤＶＩ与月平均气温呈显著性正相关关系（狉＝０．９３４，犘＜０．０５），与降水量和相对湿度相关系
数分别为０．８３３，０．５０４，与日照时数相关性为－０．０６２。说明在海拔高降水较丰富的高寒草甸草地，气温升高有
利于植被生长，草地ＮＤＶＩ增大。相对湿度对草地ＮＤＶＩ影响不大。
荒漠草地ＮＤＶＩ与月平均气温、月平均降水量、相对湿度的相关性系数分别为０．８６２，０．９３１（犘＜０．０５），
４４１ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１
０．８２，与日照时数为－０．３８９。由于荒漠草地降水量较低，牧草生长容易受到干旱胁迫，因此水分是限制荒漠草地
植被生长的主要因子。
表２ 黑河中上游草地植被犖犇犞犐与气候因子的相关性
犜犪犫犾犲２ 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀犵狉犪狊狊犾犪狀犱狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犪狀犱犮犾犻犿犪狋犲犳犪犮狋狅狉狊犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳犎犲犻犚犻狏犲狉
ＮＤＶＩ平均值
ＡｖｅｒａｇｅＮＤＶＩ
平均气温
Ａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
平均降水量
Ａｖｅｒａｇｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
相对湿度
Ｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙ
日照时数
Ｓｕｎｓｈｉｎｅｄｕｒａｔｉｏｎ
全部草地Ｔｏｔａｌｇｒａｓｓｌａｎｄ ０．９４２ ０．９２２ ０．７６２ －０．２９１
典型草原Ｔｙｐｉｃａｌｇｒａｓｓｌａｎｄ ０．９０７ ０．９３６ ０．７６１ －０．３０８
平原草地Ｐｌａｉｎｇｒａｓｓｌａｎｄ ０．９８０ ０．９０２ ０．７６４ －０．２５６
高寒草甸草地Ａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗ ０．９３４ ０．８３３ ０．５０４ －０．０６２
荒漠草地Ｄｅｓｅｒｔｇｒａｓｓｌａｎｄ ０．８６２ ０．９３１ ０．８２０ －０．３８９
注：表示极显著相关（犘＜０．０１）；表示显著相关（犘＜０．０５）。
Ｎｏｔｅ：ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｔ犘＜０．０１；ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｔ犘＜０．０５．
３ 讨论与结论
植被被认为是综合反映生态环境变化的敏感指示器。有研究表明近２０年来中国植被活动在增强［３３］。黑河
流域处于生态环境脆弱区和气候变化的敏感区，是研究植被响应气候变化的理想区域。草地作为黑河中上游的
主要植被类型，在１９９９－２００７近１０年间，其草地植被覆盖变化显著，不同草地植被的年均ＮＤＶＩ和生长期ＮＤ
ＶＩ均呈增加趋势，２００７年ＮＤＶＩ值最高，２００１年最低。分析其动态变化的原因，可能存在两方面因素：一是近年
来随着祁连山自然保护区的成立，一系列生态保护政策的实施，如封山育林、退耕还林还草工程等，促使了该区域
植被覆盖的增加；另一方面，受西风环流的影响，该研究区降水量呈现出明显增加趋势［３４］。本研究表明，不同草
地类型的ＮＤＶＩ年内变化呈单峰曲线型，５月份开始增大，７月份达到最高值，１０月份牧草开始枯黄，从１１月到
翌年４月份草地ＮＤＶＩ值较低且基本不变，ＮＤＶＩ年内变化特征与马明国等［２３］和程瑛等［２６］结论一致，这种变化
特征主要受该地区气候条件以及牧草自身生长特性等因素的影响。
黑河中上游草地植被ＮＤＶＩ空间分布呈现明显的地区差异性，整体呈现东南部的典型草原和高寒草甸草地
较高，西北部荒漠草地较低的格局。１９９９－２００７年草地植被ＮＤＶＩ整体呈增加趋势，７１．５３％的天然草地植被覆
盖在增加，增加的区域主要分布在托来山、走廊南山、冷龙岭和张掖市、山丹县南部海拔１８００～４１００ｍ的山前
倾斜平原和河西走廊中段的典型草原和高寒草甸草地；这些地区处于高山亚高山地区，受人类活动影响较小，且
随着全球气候变化，该区域气候由暖干向暖湿转型［２７］，降水量和冰雪融水增多［１３，２６］。典型草原、平原草地、高寒
草甸草地、荒漠草地的ＮＤＶＩ最大增加量分别为０．１８７，０．２７３，０．１８６，０．２１１。减少的区域主要分布在研究区托
勒南山、走廊南山和冷龙岭的荒漠草地向非草地过渡区域，由于该地区受人类活动影响较大，天然草地退化明显，
草地覆盖降低［３０］。减少面积占黑河中上游草地总面积的１９．４３％；该区域典型草原、平原草地、高寒草甸草地、荒
漠草地的ＮＤＶＩ最大减少量分别为０．１０５，０．１２７，０．０９４，０．０６７。
气温、降水、日照和空气湿度与植物的生长密切相关。本研究中，黑河中上游牧草生长受气温和降水量的影
响较为明显，并且表现为ＮＤＶＩ与气温的相关系数大于降水，该结论与郭铌等［３１］和毛飞［３２］的研究一致，说明热
量充足，水资源充沛的条件有利于牧草生长；相对湿度对草地覆盖度的影响较小，日照时数与 ＮＤＶＩ呈负相关
性，说明日照时数越长，光照越多，植被蒸腾和土壤水分蒸发量就越大，从而导致空气相对湿度下降，结果不利于
土壤保墒和牧草生长［３２］。对于不同草地类型，其牧草生长的限制因子不同。其中高寒草甸草地ＮＤＶＩ与气温的
相关系数大于降水，由于高寒草甸地区降水量相对丰富，对植被生长而言，热量条件较降水更为重要［３１］。而对于
荒漠草地，由于其热量相对充足，水分则成为牧草生长的最主要限制因子。
５４１第２２卷第１期 草业学报２０１３年
致谢：感谢国家自然科学基金委员会中国西部环境与生态科学数据中心提供ＳＰＯＴＶＧＴ－ＮＤＶＩ数据集；同时
感谢中国气象局气象信息中心资料室提供的气象数据。
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犛狆犪狋犻狅狋犲犿狆狅狉犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犖犇犞犐犻狀狋犺犲犿犻犱犱犾犲犪狀犱狌狆狆犲狉狉犲犪犮犺犲狊狅犳
狋犺犲犎犲犻犚犻狏犲狉犪狀犱犻狋狊狉犲狊狆狅狀狊犲狋狅犮犾犻犿犪狋犻犮犳犪犮狋狅狉狊
ＺＨＯＵ Ｗｅｉ１，ＷＡＮＧＱｉａｎ２，ＺＨＡＮＧＣｈａｏｂｉｎ１，ＬＩＪｉａｎｌｏｎｇ１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９３，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｉｓｔｏｒｙ
ａｎｄＣｕｌｔｕｒｅ，ＧａｎｓｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｈｅｚｕｏ７４７０００，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｉｔｓｃｏｕｐｌｅｄｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｌｉｍａｔｅｉｓａｈｏｔｓｐｏｔｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｈｏｗｔｅｒｒｅｓ
ｔｒｉａｌｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｒｅｓｐｏｎｄｔｏｃｌｉｍａｔｅｓｙｓｔｅｍｓ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒａｓｓｌａｎｄＮＤＶＩ（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎ
ｄｅｘ）ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｋｅｙｃｌｉｍａｔｅｆａｃｔｏｒｓｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｆ
ｇｒａｓｓｌａｎｄｃｏｖｅｒｃｈａｎｇｅ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＲＳ，ＧＩＳａｎｄＳＰＯＴＮＤＶＩｄａｔａａｎｄｍｏｎｔｈｌｙｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｄａｔａｆｒｏｍ
１９９９ｔｏ２００７，ｔｈｅｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｒａｓｓｌａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎＮＤＶＩｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒ
ｒｅａｃｈｅｓｏｆｔｈｅＨｅｉＲｉｖｅｒａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＮＤＶＩａｎｄｆｏｕｒｃｌｉｍａｔｅｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．１）Ｔｈｅａｎ
ｎｕａｌａｖｅｒａｇｅＮＤＶＩａｎｄｇｒｏｗｉｎｇｓｅａｓｏｎＮＤＶＩｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒｒｅａｃｈｅｓｏｆｔｈｅＨｅｉＲｉｖｅｒ．Ｔｈｅ
ａｒｅａｏｆｇｒａｓｓｌａｎｄＮＤＶＩｔｈａｔｉｎｃｒｅａｓｅｄａｃｃｏｕｎｔｅｄｆｏｒ７１．５３％ｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｇｒａｓｓｌａｎｄａｒｅａ，ｗｈｉｌｅｔｈａｔｗｈｉｃｈｄｅ
ｃｒｅａｓｅｄａｃｃｏｕｎｔｅｄｆｏｒ１９．４３％．ＴｈｅｇｒａｓｓｌａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎＮＤＶＩｉｎｔｙｐｉｃａｌｓｔｅｐｐｅ，ａｌｐｉｎｅｓｔｅｐｐｅａｎｄｍｅａｄｏｗｏｆ
ｔｈｅＴｕｏｌａｉＭｏｕｎｔａｉｎ，ＳｏｕｔｈｅｒｎＭｏｕｎｔａｉｎｏｆＨｅｘｉｃｏｒｒｉｄｏｒ，ＬｅｎｇｌｏｎｇＲｉｄｇｅａｎｄｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅＨｅｘｉｃｏｒｒｉｄｏｒ
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｒｅｇｉｏｎｓｗｅｒｅｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｚｏｎｅｂｅｔｗｅｅｎｄｅｓｅｒｔｇｒａｓｓｌａｎｄａｎｄｎｏｎｇｒａｓｓｌａｎｄｏｆ
ｔｈｅＴｕｏｌａｉＭｏｕｎｔａｉｎ，ＳｏｕｔｈｅｒｎＭｏｕｎｔａｉｎｏｆｔｈｅＨｅｘｉｃｏｒｒｉｄｏｒａｎｄＬｅｎｇｌｏｎｇＲｉｄｇｅ．２）Ｔｈｅｇｒａｓｓｌａｎｄｖｅｇｅｔａ
ｔｉｏｎＮＤＶＩｏｆｔｈｅＨｅｉＲｉｖｅｒｓｈｏｗｓａｓｉｎｇｌｅｐｅａｋｃｕｒｖｅｗｉｔｈｉｎｔｈｅｙｅａｒｌｙｃｈａｎｇｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒａｓｓｌａｎｄｔｙｐｅｓ，
ａｎｄｔｈｅｖａｌｕｅｏｆＮＤＶＩｒｅａｃｈｅｄａｐｅａｋｉｎＪｕｌｙ．３）Ｔｈｅｒｅｗａｓａｎｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅ
ｔｗｅｅｎｇｒａｓｓｌａｎｄＮＤＶＩａｎｄａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（犚＝０．９４２，犘＜０．０１），ａｎｄａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈａｖｅｒ
ａｇｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ（犚＝０．９２２，犘＜０．０５）．ＴｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｇｒａｓｓｌａｎｄＮＤＶＩａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｈｕ
ｍｉｄｉｔｙｗａｓｐｏｓｉｔｉｖｅｂｕｔｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｕｎｓｈｉｎｅｈｏｕｒｓｗａｓｎｅｇａｔｉｖｅ．Ｔｈｅｌｉｍｉｔｉｎｇ
ｆａｃｔｏｒｗａｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｈｅｆｏｕｒｇｒａｓｓｌａｎｄｔｙｐｅｓ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｓｈｉｆｔｆｒｏｍｗａｒｍｄｒｙｔｏｗａｒｍｈｕｍｉｄ
ｃｌｉｍａｔｅｉｎＮｏｒｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ，ｇｒａｓｓｌａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｃｏｖｅｒａｇｅｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒｒｅａｃｈｅｓｏｆｔｈｅＨｅｉＲｉｖｅｒ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｆｏｒｇｒａｓｓｇｒｏｗｔｈ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｎａｔｕｒａｌｇｒａｓｓｌａｎｄ；ＳＰＯＴ－ＮＤＶＩ；ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｄｙｎａｍｉｃｓ；ｃｌｉｍａｔｅｆａｃｔｏｒｓ；ｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒ
ｒｅａｃｈｅｓｏｆＨｅｉＲｉｖｅｒ
７４１第２２卷第１期 草业学报２０１３年