長江上游安寧河流域植被生長變化對氣候條件的響應

仙 巍，邵懷勇

(1.成都信息工程學院資源環境學院，成都 610225;2.成都理工大學國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，成都 610059)

0 引言

植被變化在全球能量循環及物質的生物化學循環中具有重要影響［1］。研究表明，無論在全球尺度還是在區域尺度上，氣候變化通常是植被動態變化的關鍵驅動因子［2－3］，因此理解植被對氣候變化的響應機制是當今科學界面臨的重要任務之一［4］。當前，利用遙感圖像獲取大范圍植被指數已成為植被覆被變化研究的主要方法。由遙感圖像獲取歸一化差值植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)被廣泛應用于植被監測、農作物估產及干旱監測等方面［5－8］。國內外許多學者利用NDVI數據進行植被覆蓋狀況與氣候的關系研究，這類研究主要分為特定區域NDVI與氣候因子年際變化的時間序列相關性研究［9－10］和空間相關性研究［11］。國內學者對我國北方及青藏高原植被生長與氣候因子關系的研究較為多見［12－15］，而對南方地區尤其是西南農牧交錯帶的此類研究基本未涉及，而西南農牧交錯帶處在青藏高原、云貴高原到四川盆地的過渡區域，屬于氣候變化敏感帶和生態脆弱帶，在氣候及植被生長及結構類型等方面具有突出的過渡性，在我國生態安全建設中具有特殊的生態地位。因此，了解西南農牧交錯帶的植被生長狀況及其對氣候條件的響應，對指導該區域植被建設及生態恢復工作具有重要意義。

本研究以我國西南山地農牧交錯生態脆弱區安寧河流域為研究區［16－19］，利用 2001—2008 年 NDVI數據及氣象因子數據，探討植被變化趨勢及其對氣候變化的響應機制，以期為研究植被與氣候相互作用提供理論依據，掌握安寧河流域植被演變的趨勢，為制定環境政策提供科學依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

安寧河流域位于四川省南部，行政區劃包括冕寧縣、米易縣、德昌縣和西昌市(圖1)，是四川第二大平原。流域處我國云貴高原、青藏高原與四川盆地的過渡地帶，其氣候受亞熱帶季風氣候和高原氣候，水平地帶與垂直地帶交叉影響［20－21］，有明顯干濕季。特殊的地理位置和復雜的氣候條件使得該流域生態環境先天脆弱，屬于我國西南山地農牧交錯生態脆弱區。流域內植被類型豐富、珍稀樹種多，但流域生態地質環境條件總體較差，礦產資源開發規模較大。因此，研究該區植被演變及其對氣候的響應，可為流域生態環境保護政策的制定提供參考依據。

圖1 安寧河流域行政范圍Fig.1 Adm inistrative range of Anning River Basin

1.2 數據來源及處理

NDVI數據采用 NASA Goddard Space Flight Center提供的2001—2008年MOD13Q1數據集中的NDVI產品，正弦曲線投影，時間分辨率16 d，空間分辨率為250 m。由于該數據集產品已經過幾何精糾正，輻射校正，大氣精校正等預處理，本文僅應用MRT和ENVI軟件對NDVI數據進行格式與投影轉換、圖像拼接與裁剪，運用最大值合成法將16 d的NDVI數據合成為月均值，以消除云、霧及太陽高度角等因素對NDVI的影響。

氣象數據采用中國氣象科學數據共享服務網提供的2001—2008年中國農業基本氣象資料月數據集。該數據集包括研究區及周邊地區標準氣象站的月平均氣溫和月平均降水量，對其進行Kriging插值，空間分辨率設置為250 m。采用誤差平均值和誤差標準差作為指標，對插值前后2套數據進行T檢驗，以檢驗插值精度。結果顯示差值前后2套數據的差異滿足分析要求。

1.3 研究方法

1)利用NDVI柵格數據和插值后的氣象數據計算研究區NDVI和氣溫的年均值和季均值以及年降水量和季降水量，并進行一元線性回歸處理，分析其在時間尺度和空間尺度上的變化趨勢。

2)對降水量和氣溫分別與NDVI的相關性進行分析。Pearson相關系數R的計算公式見文獻［22］。如果相關系數R通過了0.05顯著性檢驗(P＜0.05)或0.01 顯著性檢驗(P＜0.01)，表明降水和氣溫與NDVI的相關性具有較好的統計學意義。

2 結果與討論

2.1 氣候因子的變化特征

安寧河流域的降水量變化存在較強的時空可變性(圖2)。2001—2008年的8 a間，2001年的年降水量最為充沛，其次是2007年，2 a的年降水量均在420 mm以上，而2003—2005年這3 a的年降水量均在400 mm以下。

圖2 安寧河流域2001—2008年各季度降水量(mm)Fig.2 Quarterly precipitation in Anning River Basin during 2001 to 2008(mm)

如圖2所示，每年第1季度降水量總體都較稀少，有從南往北逐漸遞減的趨勢，而流域南部降水量在近3 a來有逐年增加的趨勢;流域間隔2 a左右會出現1次降水量下降的趨勢;2007年第1季度降水量比往年同期減少。第2季度降水比第1季度有所增加，僅在2005年出現降水量比同期偏少的情況;總體遵循由南向北遞減的趨勢，但在2004年和2008年出現了南部降水比北部稀少的情況。第3季度為流域雨季，降水量增多，是全年降水量最多的季度;中部地區降水少于南部和北部地區，間隔2～3 a北部地區會出現一次降水比中部和南部地區降水多的情況，也說明了北部地區第3季度降水在全年中降水分布相對不均衡。第4季度降水量也較為稀少，但一般比第1季度的降水量稍多;有南多北少的趨勢，但2002—2004年間該趨勢不明顯;2006年和2008年降水量比同期偏高。

研究區2001—2008年間年均氣溫起伏變化較大，總體趨勢是每隔2～3 a年均氣溫會下降0.5～1℃，2001年和2004年氣溫均較低，而結合降水量的分析可以看出，2004年氣溫及降水量與其他年份相比均屬“異常”年份。2005和2006年的年均氣溫較高，均超過了18℃(圖3)。

圖3 安寧河流域2001—2008年各季度平均氣溫(℃)Fig.3 Quarterly mean tem perature in Anning River Basin during 2001 to 2008(℃)

由圖3可以看出，每年第1季度氣溫相對較低，溫度范圍在7～17℃之間，空間分布上氣溫從北到南逐漸升高，且在不同年份間南北溫差普遍較大，2008年第1季度氣溫在全流域內均比往年同期氣溫要低。第2季度氣溫上升幅度較大，最低溫均比上季度升高10℃左右，溫度范圍在16～26℃之間，空間分布仍然遵循南高北低的趨勢，8 a間南北溫差普遍比第1季度小，但2004年北部地區比其他年份同期溫度偏低，而2005年南部地區比其他年份同期溫度偏高。第3季度氣溫仍然較高，低溫比上一季度有所增加，而高溫增加不大，溫度范圍在19～25℃之間分布，說明該季度內溫度的空間分布差異較小，流域內的溫差減小;受緯度因素影響，氣溫空間南高北低趨勢明顯。第4季度溫度范圍在10～17℃之間，與第1季度的氣溫接近，但流域內部溫差相對第1季度稍小;8 a間，2004年第4季度流域北部地區比其他年份同期氣溫偏低，而2008年流域南部地區比其他年份同期氣溫偏高。

2.2 NDVI的變化特征

8 a間，安寧河流域NDVI的空間差異不大，但以增長為主(增長區面積占全區的 52.38%)。98.36%區域的變化幅度都集中在－0.05～0.05之間，NDVI≤－0.05 與NDVI＞0.05 的區域分布零星，僅占研究區面積的1.64%(表1)。

表1 各變化幅度所占面積百分比Tab.1 Percentage of the area occupied by each changemargin

從每年各季度NDVI來看(圖4)，第1季度NDVI在大多數區域的值偏低，區域整體植被覆蓋度相對其他季度差，其中2001年相對其他年份NDVI偏低，植被覆蓋狀況比其他年份稍差。第2季度全區NDVI比第1季度有所升高，隨著氣溫和降水量增加，植被覆蓋比第1季度增加，其中2005年NDVI比其他年份的低，特別是研究區南部NDVI生長狀況較差。2004年和2007年NDVI較高，除了中東部的安寧河平原外，其他地區植被覆蓋狀況均好于其他年份。第3季度NDVI在全年中最高，全區植被覆蓋狀況均較好，包括在其他季度覆蓋狀況較差的中東部安寧河平原在本季節內植被指數值也較高。第4季度植被指數值略有下降，但在4個季度中仍屬植被覆蓋狀況較好的季度。

圖4 安寧河流域2001—2008年各季度平均NDVIFig.4 Quarterly mean NDVI in Anning River Basin during 2001 to 2008

2.3 植被對氣候因子的響應

2001—2008年的8 a間，研究區 NDVI變化與降水量變化和氣溫變化的相關系數分別為0.497 8和0.302 4(圖5)，均通過了0.01顯著性檢驗，表明降水量和氣溫與NDVI的相關性具有較好的統計學意義，且降水量對植被生長的影響更大。

圖5 不同降水(左)和不同氣溫(右)條件下NDVI的分布情況Fig.5 Distribution of NDVI in different precipitation(left)and temperature(right)

通過對NDVI與氣候因子的季度統計可知:第1季度NDVI總體偏低，取值范圍在0.55～0.6之間，是4個季度中最低的。其中，2008年植被指數值最低，這與2008年第1季度氣溫偏低有關。各年間第1季度的氣溫變化不大，而降水量年際間存在波動，NDVI的波動與降水量的波動趨勢保持較高的一致性。第2季度各年份間NDVI差別較大，其中2005年降水量比其他年份偏少，氣溫比其他年份偏高，2005年NDVI顯著低于其他年份，NDVI不足0.6，說明降水量和氣溫等氣候因子的變動會直接反映在NDVI上，也就是說氣候因子對植被的生長有密切影響。第3季度各年份間NDVI相對第2季度差別減小，2005年該季度雖然降雨量有明顯回升，溫度與其他年份差異也不大，但NDVI的值仍然延續了上一季度的趨勢，比其他年份低，說明植被的生長變化與氣候變化相比具有一定的滯后性，這也與Wang等的研究結論相同［22－24］。同樣，2003 年第 2季度雖然降水量比往年明顯增加，氣溫也較高，水熱條件較好，但該時期NDVI仍比其他年份偏低，氣候因子影響的滯后性導致2003年第3季度NDVI明顯好于其他年份，而此時的氣溫和降水量并不占優勢，降水量比其他年份偏低。

第4季度各年份間NDVI總體差異不大，均在0.65上下浮動。其中2005年NDVI數值與其他年份相比差異不大。而2008年第4季度降雨量與其他年份相比屬降雨充沛的年份，溫度比其他年份略偏高，這與2008年較高的NDVI有密切聯系。而在2008年第1—3季度NDVI比往年大部分時期偏低，與同期氣候因子也表現出關系不密切的情況，即氣溫及降水量的增加對同時期NDVI影響不大，此現象主要由2007年第2—4季度氣溫偏低，第4季度降水量減少，導致第4季度NDVI降低，而2008年第1—3季度仍然延續了NDVI偏低的態勢，直到2008年第4季度隨著冬季氣溫升高和降水量充沛等氣候環境的進一步改善，NDVI才出現反彈。

3 結論

本文基于多年高精度MODIS數據和安寧河流域及周圍地區標準氣象站的氣象觀測數據，分別從全年和季節角度分析了2001—2008年間攀西安寧河流域地區氣溫、降水量及植被的變化情況，以及植被生長與氣溫、降水量變化的關系，較好地揭示了該區域植被變化對氣候變化的響應特點:

1)研究區降水量變化存在較強的時空可變性，8 a間呈現先下降后穩定的趨勢，空間上大體呈現由南向北遞減的趨勢;年平均氣溫起伏變化較大，總體趨勢是每隔2～3 a年均氣溫會下降0.5～1℃。

2)研究區植被變化的空間差異不大，但以增長為主。變化較小的區域面積占整個研究區面積的98.36%，NDVI值增長區域面積大于減小區域，占研究區面積的52.38%。季節尺度上，第3季度研究區植被長勢較好，NDVI值較高。研究區NDVI值總體變化和氣溫、降水量呈正相關，其中降水對安寧河流域植被生長的影響更為明顯。同時，植被的生長變化對氣候變化的響應在時間上具有一定的滯后性。

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