1982-2013年新疆不同植被生長時空變化

許玉鳳，楊井,李衛紅，方功煥，張淑花，鄧海軍，董杰

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011;

2.中國科學院大學，北京 100049;3.聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252000)

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1982-2013年新疆不同植被生長時空變化

許玉鳳1,2，楊井1*,李衛紅1，方功煥1,2，張淑花1,2，鄧海軍1,2，董杰3

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011;

2.中國科學院大學，北京 100049;3.聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252000)

摘要：基于逐像元一元線性回歸模型，應用MODIS NDVI數據對AVHRR-GIMMS NDVI 數據進行時間序列拓展，建立了1982-2013年間長時間序列生長季最大NDVI數據集，分析了新疆不同分區的生長季植被NDVI變化及其對氣候變化的響應。結果表明，1)北疆平原地區、南疆平原地區和南疆山地地區的植被NDVI變化呈顯著增長趨勢，北疆山地地區的植被呈下降趨勢。2)水分條件和最低氣溫是影響新疆植被生長的重要因素，但不同分區的影響程度不同。北疆平原地區植被受水分條件影響較大，其中最低氣溫對農田植被影響較大；南疆平原地區植被受氣溫和降水的雙重作用；山地地區植被受水分條件影響較大。3)從不同植被類型來看，水分條件對草地的影響最大，其次是林地，農田植被受水分條件的限制較小，與灌溉有著直接關系。4)增溫增濕的氣候條件有利于植被生長；北疆山地地區植被退化趨勢受氣候變化、火災、平原草地圍欄保護后放牧壓力向山地轉移等綜合因素的影響。

關鍵詞：歸一化植被指數；遙感數據融合；相關分析；南疆；北疆

全球變化對生態環境產生的重大影響已毋庸置疑。而植被是生態系統存在的基礎，是生態環境的重要組成部分，其分布、組成、發生、發展與全球變化密切相關[1-3]。研究植被-氣候之間的關系已成為全球變化的主要研究焦點[4-8]。歸一化植被指數(normal difference vegetation index, NDVI) 能在大、中時空尺度上客觀反映植被覆蓋信息，是目前最為廣泛應用的表征植被狀況的指數[3,7,9-11]，是植被生長狀態的良好指示因子[7]。利用NDVI對植被變化進行長期定量分析能夠反映環境演變的過程及其與氣候變化的關系[12]。

中國西北干旱區沙漠化和荒漠化較嚴重，生態環境脆弱，植被對氣候變化反應敏感[13-14]。而新疆植被作為西北干旱區生態系統的重要組成部分，是西北生態的重要屏障。在全球氣候變暖和人類活動綜合影響下，新疆生態環境發生了重大變化。已有研究表明，新疆植被生長總體狀況在增強[15-16]、局部區域有退化趨勢[17-18]，該區域植被變化對氣候變化反應敏感[15,19-21]。

對于新疆植被變化的研究，主要包括：利用GIMMS NDVI數據側重于從宏觀上研究1982-2006年間的植被變化[15-16]；利用MODIS 數據側重于在縣域范圍上研究2000年以來的植被變化[17-18]。

目前對新疆植被變化的研究仍有以下不足：1)已有研究基于一種數據源，有時間的局限性，不利于探討長時間序列植被變化及其與氣候因子間的關系[22]。國外學者通過融合不同數據源的遙感數據，研究長時間序列植被變化[23-24]，但目前國內在融合數據方面的研究較少，針對干旱區的就更少；2)已有研究大多從整個研究區或者從行政區域的角度進行研究，基于不同自然地理特征進行的研究較少；3)已有研究主要側重于年均氣溫和年降水量，結合其他氣象因子如潛在蒸散發的研究較少。

本文的研究目的在于：1)通過融合兩種遙感數據源，獲得1982-2013年長時間序列NDVI數據集，結合DEM圖和土地覆蓋類型圖，分別獲取北疆和南疆平原地區和山地地區的不同植被類型的NDVI數據集；2)對30多年來新疆不同自然環境條件下的植被時空變化對氣象因子(即年降水量、年均氣溫、最低氣溫、最高氣溫和潛在蒸散發等)的響應機制進行研究。通過對具體區域的研究，為新疆因地制宜進行生態安全建設提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

新疆維吾爾自治區地處亞歐大陸腹地，位于我國西北邊陲(73°32′-96°21′ E， 34°22′-49°33′ N)。山脈較多，北有阿爾泰山、南有昆侖山系、中有橫亙全境的天山。在阿爾泰山和天山之間為準噶爾盆地，在昆侖山與天山之間為塔里木盆地，構成了典型的“三山夾兩盆”的獨特地理環境。

新疆屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，光熱資源充足，日照時數較長。橫亙在新疆中部的天山山脈，是新疆重要的地理分界線，其南北自然地理特點有明顯差異，在氣溫、降水及潛在蒸散發等氣候因子方面的變化明顯不同。北疆降水150~200 mm，南疆大部分地區在100 mm以下。北疆年均溫為-4~9℃，南疆平原年均溫為10~13℃。北疆潛在蒸散發為1100~1200 mm，南疆為1200~1300 mm。

由于特殊的地理位置、地形和氣候等條件的影響，新疆生態環境極為脆弱，植物種類稀少，覆蓋度低，類型結構簡單[25]。新疆植被主要分布在天山、阿爾泰山、昆侖山、阿爾金山等山地和準噶爾盆地、塔里木盆地周邊的綠洲，其中河流沿岸是重要的植被分布區，形成典型的山地-綠洲-荒漠生態系統。主要植被類型為農田、林地和草地(圖1)，其中草地面積最大，是耕地面積的15倍，是森林面積的22倍，占全區植被面積的86%[25]。

新疆植被的空間分布規律為：北疆西部區域植被覆蓋高于其東部區域，山地植被覆蓋高于平原；南疆西部植被覆蓋高于其東部區域，平原植被覆蓋高于山地。

圖1　研究區土地類型Fig.1　The land cover types of the study area

不同地理環境條件下的植被類型對氣候變化的響應程度不同[26]。借鑒師慶東等[27]分區分海拔的研究方法，將北疆和南疆兩個地域單元的地形分別進行平原和山地的劃分。本文將傳統意義上的東疆和南疆合稱為南疆。

1.2數據來源及預處理

1.2.1遙感數據AVHRR GIMMS數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，時間跨度為1982-2006年，時間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km×8 km。該數據已經過校正等處理，數據質量較好。利用最大值合成法(maximum value composite, MVC)將每月的上、下半月數據合成整月數據。

MODIS數據來源于美國國家航空航天局NASA/EOS LPDAAC數據分發中心，為2001-2013年逐月的MODIS產品MOD13A3數據集(http://edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome)，時間分辨率為月數據，空間分辨率為1 km×1 km。利用MODIS網站提供的專業處理軟件MRT Tools對該數據進行投影轉換、拼接處理。

利用新疆行政區劃圖裁剪出新疆地區1982-2006年和2001-2013年逐月NDVI的柵格數據。然后對MODIS數據進行重采樣，得到與GIMMS數據相同分辨率的研究數據。由于NDVI<0.1的部分容易受到裸地條件的影響，因此只對NDVI>0.1的植被變化進行研究。

1.2.2氣象數據由中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)提供，包括新疆53個氣象站點1982-2013年的逐月氣溫、降水、相對濕度、風速等氣象數據。利用Penman-Monteith公式[28]計算獲得各站點的潛在蒸散發數據。

根據各氣象站點的經緯度信息，在ArcGIS軟件平臺上，對氣象數據(降水、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫和潛在蒸散發)進行Kriging空間插值，得到與NDVI數據像元大小一致、投影相同的多年逐月氣象因子柵格數據集。通過數據掩膜、裁剪等獲取新疆地區氣象因子的柵格數據集。

1.2.3土地覆蓋類型數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，2000年的中國WESRDC土地覆蓋數據產品，分為6個大類：農田、林地、草地、水體、建設用地和未利用地。

1.3研究方法

1.3.12007-2013年拓展數據的獲取本文利用AVHRR-GIMMS和MODIS兩種數據源重合階段(2001-2006年)的月數據，建立基于兩種數據源間的逐像元一元線性回歸模型，應用MODIS數據對GIMMS數據進行拓展。逐像元一元線性回歸模型可以在每個像元上獲得最適合的回歸方程[22]。一元線性回歸模型的基本結構形式為：

Gi=a+bVi+εi

(1)

式中，Gi為GIMMS數據，Vi為MODIS數據；參數a、b的估計使用最小二乘法；εi為隨機誤差；i為研究數據對應的年份。參數a、b的擬合值表達式為：

(2)

1.3.2估算潛在蒸散發

(3)

式中，Rn為地表面凈輻射(MJ/m2·d)，G為土壤熱通量(MJ/m2·d)，Tmean為2 m高平均溫度(℃)，U2為2 m高風速(m/s)，vps為飽和水汽壓(kPa)，vp為實際水汽壓(kPa)，γ為干濕球常數(kPa/℃)，Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)。

(4)

式中，T為月平均溫度(K)。

對于凈輻射Rn的計算，采用：

(5)

(6)

1.3.3綠度變化率利用綠度變化率可以在每個像元的基礎上，利用一元線性回歸模型模擬研究期間的植被覆蓋隨時間的變化趨勢，計算公式如下：

(7)

式中，k為綠度變化率，n為研究時間段內的年數，xi為第i年的NDVI數值。k>0表示植被覆蓋呈增加趨勢，k<0表示植被覆蓋呈減小趨勢，k=0表示植被覆蓋沒有明顯變化。

1.4數據相關分析

生長季NDVI是計算5-10月份NDVI平均值，利用土地覆蓋類型圖得到農田、林地和草地的NDVI數據集。利用SPSS軟件，對1982-2013年新疆植被NDVI與對應區域的氣候數據(氣溫、降水、潛在蒸散發)進行線性動態擬合和相關性分析。

2結果與分析

2.1拓展數據的一致性檢驗

為檢驗基于逐像元一元線性回歸模型獲取的2001-2013年NDVI拓展數據的精度，本文基于新疆氣象站點提取2001-2006年GIMMS NDVI、MODIS NDVI和兩種數據源融合后的NDVI數據，進行一致性檢驗(圖2)。

GIMMS NDVI和融合后的NDVI數據的R2為0.9591(P<0.001)，GIMMS NDVI 與MODIS NDVI數據的R2為0.7769(P<0.001)。一致性檢驗結果顯示，基于逐像元一元線性回歸模型，應用MODIS NDVI數據對GIMMS NDVI數據進行時間序列拓展，通過驗證，延展數據與基礎數據具有較好的一致性，拓展數據可以用于NDVI時間序列分析。

2.2新疆植被時空變化分析

2.2.1新疆植被年際變化在過去的32 a里，新疆植被NDVI總體上呈顯著增加趨勢(R2=0.5742,P<0.001)，平均增加速度為0.17%/a，總體狀況呈現良好的發展態勢[29-30](圖3a)。

圖2　2001-2006年間融合數據NDVI、MODIS NDVI與GIMMS NDVI數據的一致性檢驗Fig.2　Consistency check for time-series NDVI of fusion, MODIS NDVI and GIMMS NDVI from 2001 to 2006

圖3　1982-2013年(a)、1982-1999年(b)和2000-2013年(c)新疆植被NDVI的年際變化趨勢Fig.3　The vegetation change trend in Xinjiang from 1982 to 2013 (a), from 1982 to 1999 (b) and, from 2000 to 2013(c)

圖4　1982-2013年新疆植被空間變化趨勢Fig.4　The spatial trend of vegetation changein Xinjiang from 1982 to 2013

新疆植被增長趨勢表現出明顯的階段性。植被生長季NDVI的增加主要發生在1982-1999年(R2=0.6427,P<0.001)[15]，平均每年增加速度為0.35%，約是1982-2013年間增加速度的2倍多(圖3a,b)[31-32]。1999年以來，新疆植被生長季NDVI的增長速度開始減緩，只有0.13%/a，整體的增速顯著性降低(R2=0.5242,P=0.003)，但是仍保持增長趨勢(圖3c)。

2.2.2新疆植被空間變化利用綠度變化率計算每個像元位置上的植被變化趨勢。研究表明植被變化增加趨勢和減小趨勢并存(圖4)。北疆天山北麓山前沖積平原、伊犁河谷、博州和哈密等區域的綠洲農業區，以及南疆塔里木盆地外緣水資源豐富的綠洲農業區，植被變化增加趨勢最顯著[15,33-35]；伊犁河谷周圍山地、塔城地區、阿爾泰山地南坡等區域[17,36-37]、和田地區東部等地區植被變化減小趨勢明顯[38]。

對新疆植被的空間變化狀況進行統計，研究期間植被活動沒有明顯變化的面積占研究區總面積的64.30%，主要分布在沙漠戈壁等無植被區或低植被覆蓋區；有增加趨勢的區域面積略小于有減小趨勢的區域，但是有顯著增加趨勢和極顯著增加趨勢的面積大于有顯著減小和極顯著減小趨勢的面積。新疆植被變化總體呈良好發展趨勢(表1)。

表1　不同綠度變化率的像元所占面積及百分比

。表2 北疆和南疆平原地區和山地地區的植被綠度變化率比較Table2 ThecomparisonofgreenrateofchangebetweenplainandmountainousinnorthernXinjiangandsouthernXinjiang植被類型Vegetationform北疆NorthernXinjiang平原地區Plainregion山地地區Mountainousarea南疆SouthernXinjiang平原地區Plainregion山地地區Mountainousarea農田植被Cropland0.00936-0.001330.004820.00166林地Forestland0.00203-0.001390.001650.00014草地Grassland0.00109-0.001360.001130.00046

從總體上分析新疆植被變化可能會忽略不同地區不同植被類型的變化特征及其成因機理。因此本文從新疆的特殊地形地貌出發,對不同地理分區的植被變化進行具體分析。

對北疆和南疆不同分布區的植被空間變化趨勢進行統計,結果如表2。研究期間,北疆平原地區、南疆平原地區和南疆山地地區的綠度變化率都是正值,表示植被變化呈增加趨勢,尤其是平原地區的農田植被增加趨勢顯著。北疆的山地地區植被綠度變化率呈現負值,說明在研究期間其植被呈減小趨勢,尤其是山地森林減小趨勢明顯。

2.3北疆和南疆平原地區和山地地區植被變化研究

2.3.1北疆平原地區植被變化研究期間，北疆平原地區NDVI總體上呈現顯著增長趨勢，其中農田植被平均增長速度為0.45%/a(R2=0.7623,P<0.001)；林地和草地平均增長速度為0.12%/a(R2=0.2730,P=0.002;R2=0.2239,P=0.006)(圖5)。植被總體狀況良好，其中農田植被增長趨勢最大，林地和草地增長趨勢基本相同。植被增長最快的階段是在1982-1999年，之后農田植被繼續顯著上升，林地和草地波動性上升，上升幅度小于農田植被。最近十幾年林地和草地沒有維持顯著增長的趨勢。

表3　北疆平原地區植被NDVI與對應的氣象因子的相關系數

注：“*”表示在0.05水平上顯著；“**”表示在0.01水平上顯著，均為雙側檢驗。括號內的數字表示顯著性程度。下同。

Note: “*” and “**” indicate significant correlation at the level of 0.05 and 0.01 respectively, under bilateral inspection. The digital in the blanket indicates the significant degree. The same below.

圖5　北疆平原地區植被NDVI及其對應的氣象因子的變化趨勢Fig.5　The trends of vegetation NDVI and the corresponding meteorological factors in plain of northern Xinjiang　a、b、c分別表示農田、林地和草地；1~6分別表示NDVI、年降水量、年均氣溫、最低氣溫、最高氣溫及潛在蒸散發。下同。a, b, c indicate cropland, forestland and grassland respectively; 1-6 indicate NDVI, annual precipitation, mean temperature, minimum temperature, maximum temperature and potential evaporation. The same below.

農田植被NDVI與對應區域的降水(r=0.489,P=0.005)、平均氣溫(r=0.405,P=0.022)、最低氣溫(r=0.575,P=0.001)和潛在蒸散發(r=-0.363,P=0.041)之間有顯著相關關系，與最高氣溫(r=0.293,P=0.104)之間相關不顯著(表3)。研究期間，農田植被降水年際變化波動較大，上升趨勢不顯著(R2=0.0839,P=0.108)，年均增加1.1024 mm；1999年前后相比，降水量稍有增加，2010年較大。平均氣溫和最低氣溫增長趨勢明顯(R2=0.2491,P=0.004;R2=0.4244,P<0.001)，年均增加0.0395和0.0536℃；最高氣溫呈不顯著上升趨勢(R2=0.1696,P=0.019)，年均增加0.0345℃。除了1984年氣溫降低較大外，1984年之后氣溫上升趨勢顯著。潛在蒸散發呈不顯著的下降趨勢(R2=0.0258,P=0.380)，年均減少0.8570 mm(圖5)。1990年之前潛在蒸散發在下降，1990-2000年之間波動變化，2000年之后顯著上升。

林地生長季NDVI與對應區域的降水(r=0.571,P=0.001)、潛在蒸散發(r=-0.525,P=0.002)之間有顯著相關關系，和平均氣溫(r=0.031,P=0.867)、最低氣溫(r=0.182,P=0.320)、最高氣溫(r=-0.038,P=0.837)呈不顯著相關關系(表3)。 研究期間，降水存在不顯著上升趨勢(R2=0.0852,P=0.105)，年均增加1.1137 mm；1999年之前波動較大，1999-2009年之間波動較小，2009年之后波動性較大。最低氣溫增長趨勢顯著(R2=0.3128,P=0.001)，年均增加0.0497℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(R2=0.1735,P=0.018;R2=0.1236,P=0.048)，年均增加0.0370和0.0337℃。1984年氣溫最低，之后氣溫上升趨勢顯著。林地氣溫較農田植被區稍低。潛在蒸散發呈不顯著下降趨勢(R2=0.0268,P=0.370)，年均減少0.9386 mm(圖5)；1982-1992年之間下降，1993-2001年波動較大，2002-2013年波動上升。

草地生長季NDVI與對應區域的降水(r=0.635,P<0.001)、潛在蒸散發(r=-0.534,P=0.002)顯著相關，與平均氣溫(r=0.192,P=0.292)、最低氣溫(r=0.340,P=0.057)和最高氣溫(r=0.085,P=0.643)之間相關性不顯著，但與最低氣溫的相關系數較大(表3)。研究期間，降水存在不顯著上升趨勢(R2=0.0830,P=0.110)，年均增加1.0525 mm；同期降水量低于農田植被和林地。最低氣溫增長趨勢顯著(R2=0.3787,P<0.001)，年均增加0.0527℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(R2=0.2144,P=0.008;R2=0.1466,P=0.031)，年均增加0.0386和0.0338℃；同期氣溫稍高于林地，稍低于農田。潛在蒸散發呈不顯著下降趨勢(R2=0.0139,P=0.520)，年均減少0.6285 mm(圖5)；1982-1990年之間呈下降趨勢，1990-2000年之間波動較大，2000之后波動上升。

水分條件轉好(降水的增多或人為灌溉)、溫度持續升高，北疆平原地區植被變化顯著上升。

2.3.2北疆山地地區植被變化研究北疆山地地區植被呈下降趨勢，其中農田植被平均下降速度為0.10%/a(R2=0.0992,P=0.079)；林地平均下降速度為0.13%/a(R2=0.3629,P<0.001)；草地平均下降速度為0.13%/a(R2=0.3355,P=0.001)(圖6)。林地和草地下降趨勢基本相同，農田植被下降趨勢稍低，北疆山地地區植被生長狀況存在惡化趨勢。

研究期間北疆山地植被NDVI與對應區域的氣溫和潛在蒸散發存在不顯著負相關，與降水呈不顯著正相關(表4)。北疆地區降水的補給量隨海拔的降低而減少，因此同期降水對低海拔地區的影響較大[39]。山地植被NDVI對降水量的敏感性小于平原植被。

表4　北疆山地地區植被NDVI與對應的氣象因子的相關系數

圖6　北疆山地地區植被NDVI及其對應的氣象因子的變化趨勢Fig.6　The trends of vegetation NDVI and the corresponding meteorological factors in mountainous of northern Xinjiang

農田植被NDVI與對應區域的降水(r=0.141,P=0.443)、平均氣溫(r=-0.229,P=0.207)、最低氣溫(r=-0.227,P=0.212)、最高氣溫(r=-0.253,P=0.163)和潛在蒸散發(r=-0.022,P=0.904)之間都存在不顯著相關關系(表4)。研究期間，降水變化上升趨勢不顯著(R2=0.0395,P=0.276)，年均增加1.0420 mm，年際變化波動較大；平均氣溫和最低氣溫增長趨勢比較顯著(R2=0.2845,P=0.002;R2=0.4595,P<0.001)，年均增加0.0370和0.0500℃；最高氣溫上升趨勢不顯著(R2=0.2083,P=0.009)，年均增加0.0352℃；潛在蒸散發呈不顯著下降趨勢(R2=0.0942,P=0.088)，年均減少2.4423 mm(圖6)。

林地NDVI與對應區域的降水(r=0.161,P=0.378)、潛在蒸散發(r=-0.085,P=0.644)之間存在不顯著相關；與平均氣溫(r=-0.488,P=0.005)、最低氣溫(r=-0.540,P=0.001)和最高氣溫(r=-0.521,P=0.002)都存在顯著負相關關系(表4)。研究期間，降水上升趨勢不顯著(R2=0.0975,P=0.082)，年均增加1.2700 mm；最低氣溫增長趨勢比較顯著(R2=0.3597,P<0.001)，年均增加0.0486℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(R2=0.1849,P=0.014;R2=0.1553,P=0.026)，年平均增加0.0349和0.0342℃；與潛在蒸散發呈不顯著下降趨勢(R2=0.0628,P=0.166)，年均減少1.5251 mm(圖6)。

草地NDVI與對應區域的降水(r=0.277,P=0.124)、潛在蒸散發(r=-0.312,P=0.083)之間存在不顯著相關；與平均氣溫(r=-0.411,P=0.019)、最低氣溫(r=-0.423,P=0.016)和最高氣溫(r=-0.422,P=0.016)存在顯著的負相關關系(表4)。研究期間，降水存在不顯著上升趨勢(R2=0.1006,P=0.077)，年均增加1.1639 mm；最低氣溫增長趨勢比較顯著(R2=0.3891,P<0.001)，年均增加0.0511℃；平均氣溫和最高氣溫呈不顯著上升趨勢(R2=0.2225,P=0.006;R2=0.1616,P=0.023)，年均增加0.0379和0.0350℃；潛在蒸散發呈不顯著下降趨勢(R2=0.0124,P=0.543)，年均減少0.5997 mm(圖6)。

綜合來看，北疆平原地區植被指數增幅大于山區植被指數增幅[1,40]。北疆山地植被降水條件較其他區域豐富，但是1999年之后，降水量除了在2010年較大之外，其他年份有下降的趨勢，而氣溫在升高；潛在蒸散發先減后增。氣候條件不利于植被生長。

2.3.3南疆平原地區植被變化研究南疆平原地區植被總體呈顯著增長趨勢，其中農田植被平均增長速度為0.49%/a(R2=0.8740,P<0.001)；林地平均增長速度為0.26%/a(R2=0.7896,P<0.001)；草地平均增長速度為0.26%/a(R2=0.8926,P<0.001)(圖7)。植被總體狀況發展良好，其中農田植被的增長趨勢最大，林地次之，草地增長趨勢最小。

農田植被NDVI與對應區域的降水(r=0.437,P=0.012)、平均氣溫(r=0.520,P=0.002)、最低氣溫(r=0.699,P<0.001)和最高氣溫(r=0.457,P=0.009)存在顯著相關；和潛在蒸散發(r=-0.035,P=0.849)存在不顯著負相關(表5)。研究期間，降水年際變化波動較大，上升趨勢不顯著(R2=0.0986,P=0.080)，年均增加0.9367 mm；潛在蒸散發上升趨勢不顯著(R2=0.0427,P=0.256)，年均增加1.0596 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢較顯著(R2=0.6457,P<0.001;R2=0.4241,P<0.001;R2=0.3199, P =0.001)，年均增加0.0550,0.0384和0.0375℃(圖7)。

林地NDVI與對應區域的降水(r=0.305,P=0.089)、潛在蒸散發(r=0.023,P=0.901)存在不顯著相關關系；平均氣溫(r=0.499,P=0.004)、最低氣溫(r=0.583,P<0.001)和最高氣溫(r=0.483,P=0.005)存在顯著相關關系(表5)。降水年際變化波動較大，上升趨勢不顯著(R2=0.0646,P=0.160)，年均增加0.6136 mm；潛在蒸散發上升趨勢不顯著(R2=0.0303,P=0.390)，年均增加0.9494 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢比較顯著(R2=0.5027,P<0.001;R2=0.4042,P<0.001;R2=0.3303,P=0.001)，年均增加0.0562,0.0365和0.0379℃(圖7)。

草地NDVI與對應區域的降水(r=0.411,P=0.020)、平均氣溫(r=0.586,P<0.001)、最低氣溫(r=0.722,P<0.001)和最高氣溫(r=0.520,P=0.002)之間存在顯著相關關系；和潛在蒸散發(r=0.147,P=0.421)存在不顯著相關關系(表5)。降水年際變化波動較大，上升趨勢不顯著(R2=0.0776,P=0.123)，年均增加0.6221 mm；潛在蒸散發增長趨勢不顯著(R2=0.0972,P=0.183)，年均增加1.8818 mm；最低溫度、平均溫度和最高氣溫增長趨勢較顯著(R2=0.5965,P<0.001;R2=0.4692,P<0.001;R2=0.3671,P<0.001)，年均增加0.0537，0.0409和0.0400℃(圖7)。

圖7　南疆平原地區植被NDVI及其對應的氣象因子的變化趨勢Fig.7　The trends of vegetation NDVI and the meteorological factors in plain of southern Xinjiang

植被類型Vegetationform降水量Precipitation平均氣溫Meantemperature最低氣溫Minimumtemperature最高氣溫Maximumtemperature潛在蒸散發Potentialevaporation農作物NDVICroplandNDVI0.437*(0.012)0.520**(0.002)0.699**(0.000)0.457**(0.009)-0.035(0.849)林地NDVIForestlandNDVI0.305(0.089)0.499**(0.004)0.583**(0.000)0.483**(0.005)0.023(0.901)草地NDVIGrasslandNDVI0.411*(0.020)0.586**(0.000)0.722**(0.000)0.520**(0.002)0.147(0.421)

氣溫升高、降水稍有增加，一定程度上有利于植被生長。農田植被的顯著增長還與灌溉、管理關系密切。

2.3.4南疆山地地區植被變化研究南疆山地地區植被總體呈不顯著增長趨勢，農田植被平均增長速度為0.11%/a (R2=0.1242,P=0.048)；林地增長速度為0.05%/a(R2=0.1031,P=0.073)；草地增長速度為0.03%/a(R2=0.0695,P=0.145)(圖8)。植被變化總體在增長，其中農田植被增長趨勢較大，林地次之，草地增長趨勢稍低。

農田植被NDVI與對應區域的降水(r=0.344,P=0.054)、潛在蒸散發(r=0.073,P=0.693)、平均氣溫(r=0.136,P=0.459)、最低氣溫(r=0.212,P=0.245)和最高氣溫(r=0.136,P=0.458)存在不顯著相關關系，但與降水的相關系數最大(表6)。降水年際變化上升趨勢不顯著(R2=0.1095,P=0.064)，年均增加1.0755 mm；潛在蒸散發上升趨勢不顯著(R2=0.0336,P=0.367)，年均增加1.1072 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢較顯著(R2=0.6844,P<0.001;R2=0.4710,P<0.001;R2=0.3246,P=0.001)，年均增加0.0600，0.0430和0.0392℃(圖8)。氣溫高于其他植被類型分布區。

表6　南疆山地地區植被NDVI與對應的氣象因子的相關系數

林地植被NDVI與對應區域的降水(r=0.578,P=0.001)存在顯著相關關系；與潛在蒸散發(r=-0.222,P=0.222)、平均氣溫(r=0.138,P=0.451)、最低氣溫(r=0.274,P=0.129)和最高氣溫(r=0.077,P=0.674)存在不顯著相關關系(表6)。降水年際變化波動較大，上升趨勢不顯著(R2=0.1727,P=0.018)，年均增加1.0919 mm；降水量稍大于農田植被區和草地植被覆蓋區。潛在蒸散發下降趨勢不顯著(R2=0.0010,P=0.863)，年均減少0.1686 mm；稍低于同期的農田植被區和草地植被覆蓋區。最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢較顯著(R2=0.6161，P<0.001;R2=0.3966,P<0.001;R2=0.2888,P=0.002)，年均分別增加0.0539，0.0377和0.0352℃(圖8)；低于農田植被覆蓋區，稍低于草地植被覆蓋區。

草地NDVI與對應區域的降水(r=0.569,P=0.001)、潛在蒸散發(r=-0.461,P=0.008)存在顯著相關關系；與平均氣溫(r=0.146,P=0.426)、最低氣溫(r=0.274,P=0.130)和最高氣溫(r=0.080,P=0.661)都存在不顯著相關關系(表6)。降水上升趨勢不顯著(R2=0.1435,P=0.033)，年均增加0.8790 mm；潛在蒸散發上升趨勢不顯著(R2=0.0220,P=0.500)，年均增加0.8070 mm；最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫上升趨勢較顯著(R2=0.6639,P<0.001;R2=0.4562,P<0.001;R2=0.3456,P<0.001)，年均增加0.0555，0.0397和0.0380℃(圖8)。降水較少、氣溫稍高、潛在蒸散發較大，不利于草地植被的增長。

圖8　南疆山地地區植被NDVI及其對應的氣象因子的變化趨勢Fig.8　The trends of vegetation NDVI and the meteorological factors in mountainous of southern Xinjiang

3結論與討論

本文基于逐像元一元線性回歸模型，利用MODIS數據對AVHRR GIMMS NDVI數據進行時間序列拓展，獲得長時間序列NDVI數據集。其中拓展數據和原始數據通過了一致性檢驗，可以進行長時間序列植被變化的研究。應用拓展時間序列的NDVI數據進行分析研究，解決了單一遙感數據源時間序列局限性的問題，豐富了當前植被NDVI及植被-氣候關系的研究。

研究表明，過去32年間，新疆植被變化呈顯著上升趨勢，其中1982-1999年間增長最快，1999年之后上升趨勢開始減緩。新疆不同分區的植被生長季NDVI變化空間差異顯著；植被增加趨勢明顯的區域是在綠洲農田區，農業技術水平的提高和人類引水灌溉彌補降水不足是促進新疆綠洲植被呈顯著上升趨勢的主要原因[34]。氣溫升高、降水減少是導致1999年以來植被變化增速減緩的主要原因[33]。植被減小趨勢明顯的區域在新疆西北地區山地和東南地區的山麓地帶。其中西北地區山地的減少與過度放牧等有著直接的關系[41]，東南地區的植被減少與過渡帶植被受損嚴重有著直接的關系[37]。

不同自然地理環境條件下的植被變化與氣候因子的相關程度不同。NDVI變化與氣候變化關系密切[33,42-44]。

北疆平原地區植被變化呈顯著上升趨勢。其中農田植被上升趨勢較大，林地和草地上升趨勢相似。降水和潛在蒸散發即水分條件對草地的影響程度大，氣溫對農田植被的影響較大。

北疆山地地區植被變化呈顯著下降趨勢，主要是由于：氣候暖干化導致草地荒漠化的易發和其進程的加速[43]；用圍欄保護平原地區草地，導致放牧活動向山地轉移，把牲畜壓力轉移到山區草地，導致山區草地嚴重退化[44]；火災、鼠災、病蟲害等自然災害和人類只采不育、礦產開發等導致森林破壞與墾殖、過度放牧等帶來的荒漠化并存[45-46]。北疆山地地區植被變化呈減少趨勢是受氣候因素和人類活動的雙重影響。

南疆平原地區植被變化呈顯著增長趨勢。其中農田植被上升趨勢最大，林地次之，草地最低。降水量、氣溫和潛在蒸散發對草地影響程度較大，對農田植被影響最小。南疆平原綠洲農業區的改善與農業生產水平的提高有關[34]。氣溫升高、降水增多，有利于森林生長。但由于降水總量較少，南疆林地主要分布在大河沿岸，或者是農田防護林的周邊等水分條件相對較好的區域。降水量、潛在蒸散發呈不顯著增多趨勢，氣溫顯著升高，在水分條件較好的區域草地生長較好。南疆平原地區植被的生長變化受氣溫和降水的雙重驅動作用[47]。

南疆山地地區植被變化呈不顯著上升趨勢。其中農田植被變化的上升趨勢最大，林地次之，草地稍低。農田植被與氣象因子呈不顯著相關，但與降水的相關系數最大，說明水分條件是影響農田植被生長的重要條件。降水增多，氣溫升高，潛在蒸散發下降，氣候條件有利于林地生長。草地和林地受水分條件影響較大[48-49]。降水、最低氣溫對植被生長影響較大。植被尤其是草地，與降水、潛在蒸散發呈顯著相關，與氣溫呈不顯著正相關，水分條件是南疆山地地區植被生長的重要條件。

南疆地區的氣候條件雖然惡劣，但近年來多少有所緩解，氣溫略有上升的同時，降水量稍有增加，風沙天氣減少[50]。

綜合來看，草地受氣候變化的影響最大，其中水分條件是草地生長年際變化的主要驅動因素[51]。農田植被受氣候變化的影響最小。但是不同分區的植被，受氣候因子的影響程度有明顯的區別。因此，應本著因地制宜的原則制定相應的生態環境保護政策。

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*Spatial-temporal change in different vegetation growth of Xinjiang from 1982 to 2013

XU Yu-Feng1,2, YANG Jing1*, LI Wei-Hong1, FANG Gong-Huan1,2, ZHANG Shu-Hua1,2, DENG Hai-Jun1,2, DONG Jie3

1.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.SchoolofEnvironmentandPlanning,LiaochengUniversity,Liaocheng252000,China

Abstract:Based on a pixel scale linear regression model, we extended Advanced Very High Resolution Radiometer Global Inventory Modeling and Mapping Studies (AVHRR GIMMS) using MODIS normalized difference vegetation index (NDVI) data and constructed a time series of NDVI covering Xinjiang province from 1982 to 2013. We also analyzed the spatial-temporal changes in vegetation growth in different districts and correlated these changes with climate factors. NDVI increased significantly in the plain regions of northern and southern Xinjiang and in the mountainous region of southern Xinjiang, but decreased in the mountainous region of northern Xinjiang. Rainfall and minimum temperature were important factors in vegetation growth in Xinjiang. Vegetation was influenced by rainfall on the northern Xinjiang plain; crop growth was influenced by temperature, especially minimum temperature. On the southern plain vegetation growth was influenced by both rainfall and temperature and in the mountain regions by rainfall. Rainfall played a more important role in grassland compared to forest and cropland areas; rainfall has little influence on cropland because of the use of irrigation. Increasing rainfall and temperature promoted an increase in the NDVI while the degradation of vegetation in mountainous region of northern Xinjiang is influenced by a range of factors including climate change, fire, and the control of grazing pressure by fencing.

Key words:NDVI; remote data fusion; correlation analysis; southern Xinjiang; northern Xinjiang

*通信作者Corresponding author. E-mail: yangjing@ms.xjb.ac.cn

作者簡介：許玉鳳(1969-)，女，山東冠縣人，在讀博士。E-mail: xuyufeng_159@163.com

基金項目：新疆青年千人計劃項目(Y371051001)資助。

*收稿日期：2015-02-05；改回日期：2015-04-09

DOI：10.11686/cyxb2015073

http://cyxb.lzu.edu.cn

許玉鳳，楊井,李衛紅，方功煥，張淑花，鄧海軍，董杰. 1982-2013年新疆不同植被生長時空變化. 草業學報, 2016, 25(1): 47-63.

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