渾善達克地區典型植被DNVI與溫度、降水的相關性分析

程高 張寶林 常成虎

摘要：渾善達克沙地處于中國陸地生態系統對全球變化響應的一級敏感區， 植被對氣候變化敏感。基于1998-2010年SPOT/VEGETATION VGT-S10逐旬NDVI數據，研究區域典型植被的旬歸一化植被指數（NDVI）動態變化及其與溫度、降水的相關性以及氣象因子影響的滯后效應。結果表明，長時間旬NDVI序列較好地反映了主要植被類型隨著季節變化的生長發育狀況；生長季節內植被旬NDVI和氣溫的相關性高于其與降水的相關性，氣溫、降水對不同植被的影響具有滯后效應，滯后期均在40 d以內，滯后期長短因植被而異；年際間旬NDVI與降雨量、溫度的相關分析表明在植被快速生長期降雨量對植被生長有重要促進作用，而溫度在植被生長初期和成熟期則是植被旬NDVI提高的重要原因；由于春、冬季旬NDVI與溫度、降水變化的高度一致性，全年旬NDVI與氣象因子相關分析的可靠性降低；而生長季節內植被旬NDVI與降水、溫度的相關性分析可以很好地揭示氣象因子與植被生長發育的關系。

關鍵詞：渾善達克沙地；歸一化植被指數（NDVI）；氣溫；降水；相關分析

中圖分類號：P461+.7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1298-06

在陸地生態系統中，植被是聯結土壤、大氣和水分的自然“紐帶”[1]，在陸地表面的能量交換、生物地球化學和水文循環過程中扮演著重要的角色，同時在全球變化中起著敏感“指示器”的作用[2]。

大范圍植被變化研究需要覆蓋范圍廣、時空連續性好的數據，而衛星遙感為獲得植被監測數據提供了先進的技術手段[3]。SPOT/VEGETATION具有紅光波段對葉綠素吸收敏感、近紅外波段剔除了強水汽吸收帶和空間分辨率高等優勢，更適于植被變化監測研究[4，5]。由于衛星遙感獲得的歸一化植被指數（Normalized difference vegetation index，NDVI）能夠在大尺度上反映植被的綠度和光合作用強度，較好地反映植被的代謝強度及季節性變化和年際間變化，被廣泛地運用于植被的第一性生產力估算[6，7]、物候分析[8，9]、農作物估產、葉面積指數估算等研究。然而，由于區域環境變化的不確定性[10，11]，植被對氣候變化的響應方式及程度仍然是全球變化研究的熱點[9]。

中國已在全國范圍[10]、東北地區[12]、西北地區[13]、東部地區[14]以及其他一些地區[15，16]進行了大量的植被對氣候因子響應的研究，但在干旱、半干旱地區的研究結論仍存在較大爭議。高志強等[17]認為西北干旱區植被指數與降水的關系不大，同溫度的相關性也不好，但李曉兵等[10]則認為西北內陸的溫帶荒漠植被NDVI的變化明顯受到溫度、降水變化的影響；陳云浩等[18]在中國陸地NDVI變化的氣候驅動分析中，把塔里木盆地、準格爾盆地、阿拉善高原定為氣溫和降水驅動區，把新疆西部山地定為弱降水驅動區；李霞等[19]從定性的角度分析了西北地區NDVI與氣候的關系，得出NDVI與降水存在明顯的正相關，與溫度變化關系不明顯的結論，但張遠東等[20]則認為荒漠綠洲NDVI與氣溫關系顯著。

渾善達克沙地處于中國陸地生態系統對全球變化響應的一級敏感區，又是農牧交錯帶，植被對氣候變化及人類土地利用方式的變更非常敏感。基于NOAA/AVHRR-NDVI的植被類型與氣候因子的關系研究表明，羊草對溫度較降水敏感，而克氏針茅降水較溫度敏感，大針茅草對溫度和降水敏感度相差不大；無論是哪種植被均對生長同期的降水最敏感，在荒漠草原和克氏針茅草原，溫度對NDVI變化的影響有滯后效應[21]。為了進一步探討渾善達克沙地NDVI對氣候因子敏感性中的不確定性問題，利用SPOT/VEGETAFION VGT-S10逐旬NDVI數據，研究了不同氣象站點植被旬NDVI與溫度、降水的相關關系，以期為區域環境變化研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

渾善達克沙地東西長約450 km，南北寬約300 km，總面積7 100 810 hm2[22]（圖1）。該區域屬于溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候區，大部分處于中國季風邊緣地區[23]。冬季漫長寒冷，夏季短促溫熱少雨；降水量季節分配不均，變化較大[24]，因受東南季風的影響，年平均降水量從東南部的400 mm左右向西北遞減至200 mm[25]。地帶性植被為典型干旱草原、荒漠草原，局部地區有草甸草原分布，年8級以上大風日50～80 d，風力剝蝕作用強烈，是中國北方沙塵暴多發區之一[26]。研究選擇了面積較大的5種典型草原，即大針茅和克氏針茅草原、克氏針茅和糙隱子草草原、戈壁針茅草原、羊草草原、沙地錦雞兒和柳蒿灌叢草原（圖1），對其13年旬NDVI時序數據進行了分析。

1.2 數據來源

所采用的數據為1998-2010年SPOT/VEGETATION的VGT-S10逐旬NDVI數據。數據預處理包括了大氣校正、輻射校正、幾何校正， SPOT/VEGETATION的VGT-S10采用最大值合成法（MVC）可以避免云和幾何變形的影響及去除圖像噪聲。考慮到數據的可獲得性和連續性，在研究區內選擇了5個氣象站（表1），即二連浩特、朱日和、阿巴嘎、錫林浩特和多倫，同期氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網中國地面國際交換站氣候資料旬值數據集的1998-2010年的逐旬平均氣溫和降水資料。

1.3 研究方法

研究認為氣象站點數據的有效范圍是10 km[27-29]，因此取每個氣象站點所在區域3 km×3 km像元的NDVI平均值作為該站點像元逐旬NDVI時間序列數據，以下載的同期溫度、降水數據作為溫度、降水時間序列。

1.3.1 全序列植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 對1998-2010年逐旬NDVI與氣象因子（溫度和降水量）進行相關分析，得到13年不同植被旬NDVI序列與氣象因子序列的相關系數，采用t檢驗進行相關系數顯著性檢驗。

相關系數的計算公式如下：

1.3.2 年內植物生長期間（5～9月）旬NDVI與氣溫、降水的時滯相關分析 氣候變化對植物具有累積效應，除了同期氣候狀況影響植被變化外，前期氣候狀況對植被生長有滯后效應[9]。通過計算氣象站點所在區域5種植被1998-2010年全生育期（5～9月）旬NDVI序列與同年同期及前期（前1～4旬）降水、溫度序列之間相關系數的平均值，得到時滯期為0～4旬的相關系數[14]，探討降水、溫度對植被NDVI的影響。

1.3.3 年際植物生長期間（5～9月）旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 為分析不同年份間生長季內（5～9月）植被NDVI與降水、溫度變化的相關關系，將不同年份間同一旬的NDVI 序列作為一變量，相應不同年份間同一旬的溫度、降水量序列分別作為另一變量，計算1998-2010年植被的旬NDVI 序列與同期降水量、溫度序列之間的相關系數。研究計算了氣象站點所在區域5種植被旬NDVI 序列與同期降水量、溫度序列之間的相關系數。

2 結果與分析

2.1 1998-2010年5種植被NDVI動態變化規律

區域NDVI隨時間周期性地升高和降低是植被生長周期的典型體現，夏、秋季植被覆蓋度較高，春、冬季植被覆蓋度較低。13年間研究區域旬NDVI呈現明顯的季節性變化，年最大值多出現在7～8月份，為0.3～0.5。2000和2001年旬NDVI較低，植被生長情況較差。13年間旬NDVI雖然呈現較為規律的周期性變化，但是整體趨勢并沒有明顯的變化。不同植被類型區旬NDVI總體表現為羊草（多倫）>大針茅、克氏針茅（錫林浩特）>克氏針茅、糙隱子草（阿巴嘎）>沙地錦雞兒、柳蒿灌叢（朱日和）>戈壁針茅（二連浩特）（圖2a、圖2b）。

戈壁針茅草原旬NDVI整體偏低，旬NDVI每年最大值為0.2～0.3。由于旬NDVI整體平均值低，變化幅度并不很大，季節性變化不明顯。克氏針茅、糙隱子草草原13年間植被覆蓋度年周期性變化明顯，夏、秋季植被覆蓋度較高，NDVI年的季節變化明顯；NDVI最大值多出現在8月中下旬到9月上旬，最大值為0.3～0.4。大針茅、克氏針茅草原NDVI年周期性變化明顯，年最大值多出現在7月下旬到8月，最大值為0.35～0.50。沙地錦雞兒、柳蒿灌叢13年間植被覆蓋度整體也偏低，NDVI年最大值多出現在7月下旬到8月，最大值為0.25～0.35，季節性變化不明顯，但略高于戈壁針茅草原。羊草草原13年間植被覆蓋度年周期性變化顯著，夏季植被覆蓋度較高；旬NDVI年最大值多出現在7月下旬到8月，最大值約為0.5。

2.2 全序列植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析

每一種植被旬NDVI與氣象數據的相關關系表明，氣溫與不同植被旬NDVI的相關程度依次為羊草，大針茅、克氏針茅，克氏針茅、糙隱子草，戈壁針茅，沙地錦雞兒、柳蒿灌叢，這與其旬NDVI大小順序一致；降水與旬NDVI的相關程度依次為羊草，克氏針茅、糙隱子草，沙地錦雞兒、柳蒿灌叢，大針茅、克氏針茅，戈壁針茅（表2）。植被旬NDVI與降水和溫度的相關系數均以戈壁針茅草原最低，以羊草草原最高。此外，在各個植被類型區，旬NDVI與溫度的相關系數均高于其與降水的相關系數。

2.3 生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析

為了進一步揭示旬尺度上各植被NDVI與氣象因子的相關關系，計算了年內植被5～9月旬NDVI序列與前1～4旬的氣溫和降水的相關系數，以及植被年間生長期旬NDVI與氣溫、降水的相關系數。

2.3.1 年內生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 1998-2010年生長期內不同植被旬NDVI 序列與同期及前期（前1～4 旬） 降水序列之間的相關系數表明，降水對植被旬NDVI的滯后效應與草原植被類型有關（圖3）。對于研究區域內的5種植被類型，旬NDVI與同期降水量的相關系數最低，隨時間向前推移，相關系數升高后又下降，說明降水對植被旬NDVI的影響存在滯后效應。不論滯后期長短，均以戈壁針茅草原和大針茅、克氏針茅草原旬NDVI與降水量的相關性較弱。從降水的滯后效應來看，降水對植被旬NDVI影響的滯后期為前2～3旬。

1998-2010年生長期內植被旬NDVI 序列與同期及前期（前1～4旬）氣溫序列之間的相關系數表明，5種植被類型旬NDVI變化對氣溫的響應也有滯后效應，氣溫對羊草草原、大針茅和克氏針茅草原、克氏針茅和糙隱子草草原影響的滯后期為2～3旬，對戈壁針茅草原和沙地錦雞兒、柳蒿灌叢草原影響的滯后期為4旬（圖4）。對于研究區域內的5種植被類型，旬NDVI與同期溫度的相關系數最低，隨時間的向前推移，相關系數升高后又下降。溫度變化與植被旬NDVI的關系密切程度表現為羊草>大針茅和克氏針茅>克氏針茅、糙隱子草>沙地錦雞兒、柳蒿灌叢>戈壁針茅，這一表現與全序列二者之間的關系一致，也與旬NDVI的高低順序一致。

此外，植被旬NDVI與同期降水和溫度的相關系數相比較可以發現，在年內生長期內5種植被類型旬NDVI與溫度的相關性均高于其與降水的相關性。

2.3.2 年際生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 不同年份不同植被生長期的大部分時間內，旬NDVI與同期降水量多呈正相關關系（圖5），尤其是植被快速生長的6～7月。從總體來看，1998-2010年旬NDVI與同期降水量的相關系數波動較大，變化趨勢不明顯。但是，生長期間旬NDVI最高值較大的植被類型，如羊草草原、克氏針茅和糙隱子草草原、沙地錦雞兒和柳蒿灌叢草原，其旬NDVI與降水量的相關系數波動較大；生長期間NDVI最高值較小的植被類型，如戈壁針茅草原和大針茅、克氏針茅草原，其旬NDVI與降水量的相關系數波動較小。

1998-2010年旬NDVI與同期溫度的相關系數波動較大，變化趨勢不明顯，但是不同年份不同植被生長期的大部分時間內，旬NDVI與同期溫度多呈負相關關系。然而，在溫度較低的時段內，即5月的返青期和9月的成熟期旬NDVI與同期溫度多呈正相關關系，而在生長中期多呈負相關關系（圖6）。

3 結論與討論

1）長時間序列旬NDVI數據的周期性變化較好地反映了研究區域各種植被類型隨著季節而變化的生長發育情況。從整體上來講，5種典型的草地類型旬NDVI表現為羊草草原旬NDVI>大針茅、克氏針茅草原旬NDVI>克氏針茅、糙隱子草草原旬NDVI>草原沙地錦雞兒、柳蒿灌叢旬NDVI>戈壁針茅草原旬NDVI。

2）1998-2010年研究區域5種植被類型全年旬NDVI序列與同期降水量和溫度的相關系數表明，5種植被全序列旬NDVI與降水量和溫度均呈正相關關系，且旬NDVI與溫度的相關系數高于其與降水量的相關系數，即同一植被類型受氣溫影響強于降水。這一結論與在我國西南喀斯特地區[30]、東北地區[28]、貴州省[15]、北方13省[31]、松花江流域[32]等地區開展的研究結論一致，但卻與中國北方溫帶草原的研究結果不同[17]。

3）年內生長期間植被旬NDVI和氣溫的相關性高于其與降水的相關性，氣溫、降水對不同植被的影響具有滯后效應，滯后期長短因植被而異，說明不同植被類型對氣候變化有不同的響應特征[15]；溫度影響較一致，但降水的影響差異較大。在此次研究中，5種植被類型旬NDVI和氣溫的相關性均高于其與降水的相關性，雖然與眾多研究結果相一致[15，28，30-32]，但辜智慧等[21]認為以羊草為主的典型草原，溫度比降水的影響大；在以克氏針茅為主的典型草原，降水的影響高于溫度；在大針茅為主的草原，兩者與旬NDVI變化量的相關性相差不大；在荒漠草原，降水是最主要的影響因子，同期的溫度作用并不大。此外，此次研究中，溫度和降水對5種植被類型旬NDVI影響的滯后期均在40 d以內，較相關研究的滯后期短[33]。

4）不同年份不同植被生長期的大部分時間內，旬NDVI與同期降水量多呈正相關關系，而與溫度多呈負相關關系（尤其是生長中期）。分析表明在植被快速生長期降水量對植被生長有重要的促進作用，而氣溫在植被生長初期和成熟期與植被旬NDVI呈現正相關性，這與在美國大平原的研究結論一致[34]，說明氣溫升高引起的生長期提前和生長季延長是植被覆蓋度增加的一個重要原因[32]，而植被生長中期氣溫升高會加速植物的蒸騰作用和地表的蒸散，進而抑制草原植被的生長[19，34]。

5）1998-2010年植被全序列旬NDVI與降水、溫度均呈正相關，而年際生長期內的相關系數變化較復雜，但所反映出的植被旬NDVI與溫度和降水等氣象因子的相互關系更符合植被生長發育規律。因為全年的數據序列分析中，春季和冬季的旬NDVI較低，與溫度和降水變化的一致性較高，故相關系數也較高，結論的可靠性降低；生長期內，年內和年際植被旬NDVI與降水和溫度的相關性分析可以很好地揭示氣象因子與植被生長發育的相關性。

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