岳勝如 周紀(jì)云 胡雪菲 孟福軍
(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆阿拉爾843300)
植被是地表環(huán)境的重要構(gòu)成部分,在地表的氧、碳、氮、水等能量交換和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著不可代替的作用。植被覆蓋隨空間和時(shí)間的變化在很大程度上反映地球表面生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律[1]。氣候和人類活動(dòng)是植被覆蓋變化的兩個(gè)最主要的影響因素。而植被變化與氣候演變的關(guān)系在氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制研究中發(fā)揮重要作用,可用來(lái)分析和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化條件下植被的響應(yīng)機(jī)制,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[2]。已有研究成果表明,全球氣溫在過(guò)去的幾十年中顯著上升,受氣溫影響北半球中高緯度地區(qū)植被生長(zhǎng)季已經(jīng)延長(zhǎng)[3],國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)這些變化做了大量的研究。干旱半干旱地區(qū)受到水資源短缺的限制,植被生長(zhǎng)對(duì)氣候的變化十分敏感[4],這成為植被變化研究和氣候響應(yīng)的熱點(diǎn)區(qū)域。新疆位于中亞干旱區(qū)腹地,極端干旱的氣候使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感[5]。
隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,基于遙感技術(shù)的植被覆蓋監(jiān)測(cè)在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和保護(hù)方面發(fā)揮著不可替代的作用。歸一化植被指數(shù)(NDVI,Normalized Vegetation Index)數(shù)據(jù)具有長(zhǎng)時(shí)間序列和較高空間覆蓋等優(yōu)點(diǎn),包含植被覆蓋信息,是植物生長(zhǎng)狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子,是指示表征植被變化的有效參數(shù),在大尺度植被變化和空間密度分布的研究中已成為監(jiān)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)、分析植被生長(zhǎng)歷史和進(jìn)行變化趨勢(shì)分析的重要工具[6-7]。目前我國(guó)很多地區(qū)基于NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行了植被覆蓋變化及其影響因素分析。研究表明,中國(guó)北方地區(qū)NDVI呈現(xiàn)輕微上升態(tài)勢(shì)[8]。凌威等[9]利用多時(shí)相 Landsat數(shù)據(jù)研究表明卡山保護(hù)區(qū)1990—2014年植被覆蓋度下降明顯,人文因素對(duì)植被覆蓋度變化影響顯著。丁玥等[10]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)集結(jié)合氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),2000—2016年和田地區(qū)植被覆蓋顯著增加,植被覆蓋與溫度為正相關(guān),與降雨以負(fù)相關(guān)為主。段崢嶸等[11]利用像元二分模型對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行估算,發(fā)現(xiàn)1991—2016年阿克蘇地區(qū)植被覆蓋總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),且認(rèn)為植被覆蓋變化與氣候變化存在一定程度的相關(guān)性,但短期內(nèi)植被覆蓋變化主導(dǎo)因素應(yīng)考慮人類活動(dòng)影響。毛志春等[12]利用MODIS數(shù)據(jù)反演葉面積指數(shù)、土地覆蓋類型、增強(qiáng)植被指數(shù)和歸一化植被指數(shù),分析研究了河套地區(qū)的荒漠化特征及其季節(jié)變化特點(diǎn)。以上研究表明MODIS數(shù)據(jù)可以用于荒漠化監(jiān)測(cè),且精度和結(jié)果都較好。
本文以MODIS NDVI數(shù)據(jù)集和新疆范圍各氣象站點(diǎn)月降雨量、氣溫?cái)?shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,定量分析2000—2018年新疆植被覆蓋時(shí)空變化特征。建立基于像元的植被指數(shù)和氣候因子的響應(yīng)關(guān)系,分析植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子,以期在全球氣候變化的大背景下為干旱的新疆地區(qū)的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。
新疆維吾爾自治區(qū)地處 73°40′~96°18′E,34°25′~48°10′N之間(如圖1),是我國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū)。地形特點(diǎn)突出,山脈與盆地相間排列,稱為“三山夾兩盆”,北部阿爾泰山,南部是昆侖山,中部天山把新疆分為北疆和南疆,哈密和吐魯番盆地為東疆。深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋且四周有高山阻隔,海洋氣流到達(dá)不易,從而形成明顯的溫帶大陸性氣候。日照時(shí)間充足(約3 000 h),蒸騰蒸發(fā)量高,年均降雨量為150 mm,但各地相差很大。新疆土地資源豐富,其中可利用農(nóng)林牧土地及后備耕地面積全國(guó)第一,但是由于植被破壞、大風(fēng)吹蝕、土壤鹽漬化等因素使土壤荒漠化問(wèn)題依然突出。
圖1 新疆地理位置
遙感數(shù)據(jù)采用 2000—2018年 6、7、8月 Terra-MODIS13A2月合成3級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù),行列號(hào)為h23-h25、v04-v05,空間分辨率為1 000 m,來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。使用Modis tool和ENVI軟件將下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換、拼接裁剪等處理。
氣象數(shù)據(jù)為2000—2018年新疆阿勒泰等12個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨和氣溫?cái)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/user/toLogin.html)。利用SPSS和Origin軟件分析研究區(qū)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與NDVI的響應(yīng)關(guān)系。
對(duì)NDVI的年際變化的研究,采用常用的最大值合成方法(MVC),第i年NDVI最高值的計(jì)算方法見(jiàn)公式(1):
式中:NDVIi是第i年NDVI最大合成值;NDVIt為各像元植被6、7、8月份月NDVI值;d為第i年月合成NDVI影像總數(shù)。
為對(duì)研究區(qū)歸一化植被指數(shù)時(shí)序變化進(jìn)一步研究分析,對(duì)2000—2018年的植被覆蓋情況進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析,基于彭飛等[13]對(duì)呼倫貝爾草原植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析的結(jié)果和閆蕭蕭等[14]對(duì)陳巴爾虎旗植被覆蓋度時(shí)空變化遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果以及結(jié)合新疆植被覆蓋實(shí)際情況,在等差分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整,以此進(jìn)行歸一化植被指數(shù)分級(jí)。即:NDVI<0 的區(qū)域?yàn)樗颉?<NDVI<0.1(極低)、NDVI<0.2(低)、0.2<NDVI<0.4(中低)、0.4<NDVI<0.6(中)、0.6<NDVI<0.8(中高)、0.8<NDVI<1.0(高)。基于時(shí)序的近19年研究區(qū)歸一化植被指數(shù)時(shí)間變化分析,采用最小二乘原理進(jìn)行擬合,分別分析各植被分級(jí)面積、水域面積、生長(zhǎng)季年平均植被覆蓋度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。
對(duì)近19年研究區(qū)歸一化植被指數(shù)空間變化規(guī)律基于像元進(jìn)行模擬,使用的方法是一元線性回歸趨勢(shì)分析,即利用最小二乘原理逐像元擬合每個(gè)像元的斜率,從而得到變化率,進(jìn)而達(dá)到對(duì)研究區(qū)歸一化植被指數(shù)變化的空間特征分析的目的,其計(jì)算公式(2):
式中:θslope為變化斜率;n=19為監(jiān)測(cè)年數(shù);i=1,2…,19為年序號(hào);fci為第i年歸一化植被指數(shù)值。顯然,植被指數(shù)減少斜率為負(fù),植被指數(shù)上升則斜率為正。
氣候變化趨勢(shì)可以用來(lái)表示氣象要素變化的定量程度,它定義為n年的要素序列與自然數(shù)列1,2,…,19的相關(guān)系數(shù):
式中n為年數(shù),xi是第i年要素值,為多年均值,rxt正(負(fù))值的大小表示該要素在n年內(nèi)線性變化趨勢(shì)。遵從自由度為n-2的t分布,可以用來(lái)進(jìn)行變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)。
為保證研究尺度的一致性,取2000-2018年氣象站點(diǎn)處6、7、8月像元NDVI值分別與氣象站點(diǎn)6、7、8月月均氣溫、月降雨量計(jì)算相關(guān)系數(shù),計(jì)算公式為:
式中y表示氣候因子第i年的數(shù)值,代表氣候因子多年平均值,xi表示在第i年NDVI的某個(gè)柵格數(shù)值,表示NDVI多年平均值。本研究中的相關(guān)性分析與線性擬合分析分別借助SPSS軟件和Origin軟件進(jìn)行。
由圖2所示,新疆維吾爾自治區(qū)NDVI(6、7、8月最大值合成)空間特征差異顯著,整體呈現(xiàn)北高南低、西高東低的總體特征。中高、高植被覆蓋區(qū)域由北往南依次分布在哈巴河縣、阿勒泰市、富蘊(yùn)縣、清河縣以北的阿爾泰山,塔城市、額敏縣北部的塔爾巴哈臺(tái)山,霍城縣、新源縣和昭蘇縣三角區(qū),烏魯木齊到石河子市一線,博格達(dá)山、巴里坤部分地區(qū),溫宿、阿克蘇、阿瓦提、阿拉爾一線的阿克蘇河流域,以及葉城縣、莎車縣和麥蓋提縣一線葉爾羌河流域。以萬(wàn)km2為單位統(tǒng)計(jì)2000—2018年新疆NDVI各分級(jí)面積其結(jié)果如表1所示。
圖2 2000—2018年新疆NDVI時(shí)空分布特征
表1 2000—2018年新疆NDVI分級(jí)統(tǒng)計(jì)
(續(xù)表)
由表1,分析多年平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),研究區(qū)水域面積約占總面積的1.82%,極低植被覆蓋區(qū)域約占總面積的54.59%,低植被覆蓋區(qū)域約占總面積的19.77%,中低植被覆蓋度區(qū)域約占總面積的10.39%,中等植被覆蓋度區(qū)域約占總面積的7.00%,中高植被覆蓋度區(qū)域約占總面積的5.40%,高植被覆蓋度區(qū)域約占總面積的1.03%。可知研究區(qū)植被覆蓋整體水平較低。建立NDVI與時(shí)間序列的擬合方程(綜合分析采用線性擬合),進(jìn)行變化趨勢(shì)分析,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果如表2所示。
表2 2000—2018年新疆NDVI與時(shí)間序列擬合結(jié)果
由表2可知,水域和極低植被覆蓋面積與時(shí)間序列呈負(fù)相關(guān),其他植被覆蓋級(jí)別呈正相關(guān)。水域、低、中低級(jí)別植被覆蓋面積隨時(shí)間變化趨勢(shì)通過(guò)置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn);極低、中、中高級(jí)別植被覆蓋面積隨時(shí)間變化趨勢(shì)通過(guò)置信水平為0.01的顯著性檢驗(yàn);高植被覆蓋級(jí)別呈現(xiàn)不顯著正相關(guān),即極低植被覆蓋面積顯著減少,中、中高植被覆蓋面積顯著增加。為進(jìn)一步分析研究區(qū)植被覆蓋變化情況,現(xiàn)分析研究區(qū)平均NDVI和基于像元的NDVI標(biāo)準(zhǔn)差平均值隨時(shí)間序列的變化趨勢(shì),其結(jié)果如下:
圖3 平均NDVI變化趨勢(shì)
由圖3可知,研究區(qū)平均NDVI值與時(shí)間序列呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(通過(guò)置信水平0.01的顯著性檢驗(yàn)),結(jié)合表1、表2分析結(jié)果可知,新疆維吾爾自治區(qū)2000—2018年植被覆蓋整體呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。在概率統(tǒng)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)差常用作統(tǒng)計(jì)分布程度,定義為總體各單位標(biāo)準(zhǔn)值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根。由圖4可知研究區(qū)基于像元的平均NDVI標(biāo)準(zhǔn)差與時(shí)間序列呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(通過(guò)置信水平0.01的顯著性檢驗(yàn)),說(shuō)明研究區(qū)植被覆蓋程度變化顯著,可認(rèn)為局部區(qū)域植被覆蓋增加明顯。
圖4 基于像元的平均NDVI標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(shì)
利用公式(2)基于像元進(jìn)行NDVI變化趨勢(shì)分析,結(jié)果如圖5(a)所示??芍陆貐^(qū)NDVI從2000-2018年的變化斜率主要在0附近,占研究區(qū)總面積的73.01%;呈顯著減少趨勢(shì)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的16.48%,主要分布在塔克拉瑪干沙漠及哈密、鄯善南部區(qū)域;呈增加趨勢(shì)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的10.51%,主要分布在阿爾泰山、塔城、伊寧三角形區(qū)域、烏魯木齊及庫(kù)爾勒、輪臺(tái)、庫(kù)車一線等區(qū)域。以塔城裕民縣為例,2000—2018年裕民縣整體NDVI值隨時(shí)間變化有所波動(dòng),但整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)(通過(guò)置信水平0.05的顯著性檢驗(yàn),如圖5(b)所示)。可以將19 a植被NDVI變化劃分為上升—波動(dòng)上升2個(gè)階段,其中2000—2011年呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),2012—2018年呈波動(dòng)上升趨勢(shì),且2012、2014年出現(xiàn)兩次谷值,之后又逐漸回升。
圖5 基于像元的NDVI變化斜率空間分布及明顯區(qū)域趨勢(shì)分析
降雨量和氣溫是影響植被生長(zhǎng)狀況最重要的水熱因子[15]。由公式(3)從年尺度和月尺度基礎(chǔ)上,分別分析各氣象站點(diǎn)降雨量和氣溫隨時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。12個(gè)氣象站點(diǎn)降雨量和氣溫隨時(shí)間序列變化趨勢(shì)性分析結(jié)果均未通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn),表明獲取的新疆12個(gè)站點(diǎn)的降雨量、氣溫水平在2000—2018年之間未有顯著變化。
為保持研究數(shù)據(jù)空間尺度的一致性,分析各站點(diǎn)2000—2018年6、7、8月NDVI值與同期降雨量和氣溫的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果如表3所示。
表3 站點(diǎn)NDVI與同期降雨量、溫度的相關(guān)系數(shù)
分析12個(gè)站點(diǎn)處NDVI值與同期降雨量、氣溫響應(yīng)關(guān)系如表3所示,NDVI與同月降雨量普遍存在正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)8月>7月>6月,個(gè)別站點(diǎn)呈顯著相關(guān)(精河7-7、和布克塞爾8-8),相關(guān)系數(shù)分別為-0.424 1、0.424 0。NDVI與同月氣溫普遍存在負(fù)相關(guān),且相關(guān)系數(shù)7月>8月>6月,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)8月>7月>6月。6、7、8月降雨量與氣溫的相關(guān)系數(shù)大小沒(méi)有顯著區(qū)別;6月NDVI值與同期降雨量、氣溫相關(guān)系數(shù)整體最小,7月、8月基本相當(dāng)。說(shuō)明研究區(qū)植被受降雨量、氣溫共同影響,從顯著性檢驗(yàn)角度分析,氣溫在一部分站點(diǎn)對(duì)植被的影響大于降雨量。
從氣象站點(diǎn)的地理分布發(fā)現(xiàn),南疆南部氣象站點(diǎn)(喀什、莎車、和田)NDVI與對(duì)降雨量、氣溫變化的響應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng),塔克拉瑪干沙漠東部邊緣氣象站點(diǎn)(塔中、鐵干里克)NDVI與對(duì)降雨量、氣溫變化的響應(yīng)強(qiáng)度最弱。北疆氣象站點(diǎn)(阿勒泰、富蘊(yùn)、和布克塞爾、克拉瑪依、精河)NDVI與對(duì)降雨量、氣溫變化的響應(yīng)強(qiáng)度略大于東疆站點(diǎn)(吐魯番、哈密)的響應(yīng)強(qiáng)度。由此結(jié)果可知,NDVI與對(duì)降雨量、氣溫變化的響應(yīng)強(qiáng)度可能受到地理位置和地形、地貌等影響。
氣象因子對(duì)植被的影響并不一定是瞬時(shí)完成的,例如要考慮水的滲透、植物根系的吸收等過(guò)程,氣溫的影響也是如此,植被指數(shù)對(duì)降雨、氣溫的響應(yīng)在時(shí)間上可能存在一定的滯后性[16]。利用氣象資料月數(shù)據(jù)分析12個(gè)站點(diǎn)降雨、氣溫對(duì)NDVI影響的滯后性,即6月降雨、氣溫對(duì)7月NDVI的影響(用6-7表示),7月降雨、氣溫對(duì)8月NDVI的影響(用7-8表示)。分析結(jié)果如表4所示。12個(gè)站點(diǎn)中部分站點(diǎn)降雨與NDVI的相關(guān)性通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn),但存在部分負(fù)相關(guān)情況??紤]從三個(gè)方面解釋:①12站點(diǎn)中降雨對(duì)NDVI影響的滯后性不顯著;②站點(diǎn)樣本數(shù)小,代表性不足;③人類活動(dòng)等其他因素影響,有待進(jìn)一步研究。12個(gè)站點(diǎn)中近半數(shù)站點(diǎn)氣溫與NDVI的相關(guān)性通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn),且大部分為負(fù)相關(guān),部分為正相關(guān),說(shuō)明大部分站點(diǎn)生長(zhǎng)季氣溫升高對(duì)植被生長(zhǎng)存在一定的抑制作用??偟膩?lái)說(shuō),12個(gè)站點(diǎn)中降雨、氣溫對(duì)NDVI的影響存在一定的滯后性規(guī)律,且NDVI對(duì)氣溫的滯后性響應(yīng)強(qiáng)度大于降雨。
表4 降雨和氣溫對(duì)NDVI影響的滯后性分析
基于中分辨率MOD13A2遙感影像和新疆12個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的降雨量和氣溫月數(shù)據(jù),分析研究區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征及對(duì)降雨量、氣溫的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果如下:
(1)研究區(qū)植被覆蓋空間上呈現(xiàn)北高南低、西高東低的總體特征。極低、低植被覆蓋區(qū)域約占研究區(qū)面積的74.36%,即研究區(qū)植被覆蓋整體水平較低。2000—2018年期間,NDVI整體呈波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì),植被生態(tài)得到顯著改變。
(2)研究區(qū)水域、極低植被覆蓋面積顯著減少,低、中低、中、中高植被覆蓋面積顯著增加,高植被覆蓋級(jí)別呈現(xiàn)不顯著增加。
(3)2000—2018年6、7、8月各氣象站點(diǎn)NDVI與同期降雨量、氣溫相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),12個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)NDVI對(duì)降雨量、氣溫響應(yīng)強(qiáng)度不同,存在月際、地理位置的區(qū)別,且NDVI對(duì)同期降雨量、氣溫響應(yīng)強(qiáng)度沒(méi)有明顯區(qū)別。
(4)從月尺度研究發(fā)現(xiàn)降雨量、氣溫對(duì)NDVI影響存在一定的滯后性(NDVI與前一月降雨量、氣溫),且NDVI對(duì)氣溫的響應(yīng)強(qiáng)度大于降雨。
在全球氣候變化的背景下,近19年新疆地區(qū)植被覆蓋呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。植被覆蓋變化是氣候、人類活動(dòng)等多種因素共同影響的結(jié)果,12個(gè)站點(diǎn)NDVI變化,與降雨量主要呈正相關(guān),與氣溫主要為負(fù)相關(guān),降雨量、氣溫對(duì)NDVI影響在月尺度上存在一定的滯后性,且氣溫的響應(yīng)強(qiáng)度大于降雨。此外,人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使耕地面積增加和城市的快速擴(kuò)張,對(duì)植被覆蓋變化的影響相對(duì)于氣候變化較為顯著[11,17]。政策措施對(duì)植被覆蓋變化也起到很大的調(diào)控作用。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,新疆加快了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,鼓勵(lì)個(gè)人和集體開(kāi)墾土地,減免農(nóng)業(yè)稅,促使第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在西部大開(kāi)發(fā)進(jìn)程中,政府大力推行天然林保護(hù)、大規(guī)模植樹(shù)造林和退耕還林、塔里木河生態(tài)治理等生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程。這些均對(duì)研究區(qū)植被覆蓋變化產(chǎn)生了重要影響,其生態(tài)效應(yīng)已經(jīng)呈現(xiàn)。
因此,在今后對(duì)新疆地區(qū)植被覆蓋變化的研究中,在考慮氣候因子的同時(shí),還應(yīng)充分考慮人為因素,揭示研究區(qū)植被覆蓋對(duì)氣候因素與人為活動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而更有效地保護(hù)新疆的生態(tài)環(huán)境。