歸一化植被指數對陸地水儲量和降水變化的響應研究
——以塔里木河流域為例

孫 倩，阿麗亞·拜都熱拉，依力亞斯江·努爾麥麥提

(1. 新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

歸一化植被指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)能很好地反映植被的繁茂程度，并且能很好地表征植被活動和植被生產力，因此被廣泛的應用于植被活動的研究中[1,2]。荒漠天然植被的生存主要依賴于水資源，水資源的短缺導致流域生態環境質量趨于退化，社會經濟的發展也隨之受到影響[3]。水資源是干旱地區至關重要的生態環境因子之一，對干旱區綠洲化過程與荒漠化過程具有決定性作用[4]。多年來諸多學者利用NDVI作了許多深入的研究也獲得了相應的學術成果：在全球、區域等宏觀大尺度范圍內，對土地利用覆被、植被動態變化、植被的分類、作物的長勢、物候的監測等諸多方面的研究，NDVI都具有非常良好的適用性[5-7]；可以利用NOAA AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)、SPOT VEGETATION (VGT)、EOS MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)和LandsatTM等多種數據源來研究NDVI的變化[8-10]；同時也可以將NDVI與溫度、降水、地下水、地表徑流結合起來，分析2者之間的相互作用關系[11-14]。本研究利用美國國家航空航天局(NASA)提供MODIS影像的NDVI數據，輔以GRACE重力場恢復與氣候實驗重力衛星和TRMM熱帶降雨測量使命衛星數據，分別反演塔里木河流域陸地水儲量和降水量，分析了10 a間NDVI、陸地水儲量、降水量的時空分布情況，研究了植被覆蓋、陸地水儲量和降水量的動態變化趨勢，探討了導致植被NDVI時空變化的自然和人文驅動因素，剖析了陸地水儲量、降水量的變化對NDVI變化產生的驅動影響。塔里木河流域的生態環境非常脆弱，水資源的管理和完善迫在眉睫，該研究從流域尺度為研究區植被生態的保護和水資源的合理利用提出了可靠的理論依據。

1 研究區概況

塔里木河流域處于歐亞大陸腹地，屬于內陸水循環和水平衡相對獨立的一個封閉的水文區域，共包含了9大水系的144條河流，這9大水系分別是阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都河、孔雀河-迪那河、渭干河-庫車河、克里雅河以及車爾臣河。總覆蓋面積為102 萬km2，多年來，平均地表水的天然徑流量為398 億m3，天山、昆侖山等的冰川融水是水資源的主要來源，水資源總儲量為42 900 億m3。該流域是一個盆地，被天山、昆侖山、阿爾金山等高山環繞，形成了典型的干旱環境大陸性氣候，其主要特點體現在降水量少、蒸發量大，氣候差異顯著，且日夜溫差大，植被覆蓋稀疏，荒漠化進程明顯，生態環境極度脆弱，水資源極為匱乏。20世紀70年代，塔里木河干流下游曾長期斷流，導致流域內荒漠化進程加劇，流域生態環境遭到嚴重破壞且逐步退化[15]，并進而威脅綠洲安全，流域生態環境處于急劇惡化的惡性循環狀態[16]。

2 數據源及研究方法

2.1 數據源

(1)美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS影像NDVI數據，所獲取的數據包括 2003年1月至2013年1月共121個月(http:∥reverb.echo.nasa.gov)。

(2)選用由美國國家航空航天中心和德國航天中心聯合提供的同期121個月的GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) 重力場恢復與氣候實驗重力衛星Level 3的RL05數據，該數據的高斯平滑和水深當量的網格化(0.5°×0.5°)均已完成。

該衛星于2002年由美國和德國聯合開展的重力衛星計劃發射[17]，利用所觀測的重力場變化情況，可以反演陸地水儲量的變化，為全球范圍的大尺度，乃至于相對較小的區域尺度水儲量的監測開辟了嶄新的研究途徑和研究思路[18-21]。

(3)由日本國家發展署和美國國家航空航天中心地球科學辦公室發布的熱帶降雨測量使命衛星TRMM的3B43數據，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1個月(http:∥mirador.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/mirador)。

(4)由聯合國糧食及農業組織的 GeoNetWork所提供的全球水文地質流域分布圖(Hydrogeologic basins map)。

(5)氣象、水文、人口、土壤、社會經濟等統計資料，包括統計年鑒以及大量實驗實測數據。

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數的計算

歸一化植被指數NDVI的計算，是基于下墊面的植被和土壤等地物在紅外波長和近紅外電磁波段的吸收差異，利用電磁特性進行數字化所得的表征植被覆蓋情況的指數，如式(1)所示：

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

(1)

式中：NIR (Near Infrared Spectrum)為700～1 000 nm近紅外波段的波譜特征；Red為650 nm紅光波段的波譜特征。

NDVI的取值范圍在-1到1之間：當-1≤NDVI<0時，表示影像上地表被對可見光具有強反射能力的高反射的物體(如雪、云)覆蓋；當NDVI=0時，表示地表為巖石或裸土；當1≥NDVI>0時，表示地表有植被覆蓋，植被覆蓋情況越良好，該指數越接近于1[23]。

2.2.2 GRACE數據求算陸地水處理

首先，利用GRACE衛星數據求算出地球表面密度變化，再進而計算等效水高的變化，從而實現陸地水儲量分布的反演。選用高斯半徑為200 m進行高斯平滑，平均后的表面密度變化計算如下:

[ΔClmcos (mφ)+ΔSlmsin (mφ)]

(2)

式中：a為地球的平均半徑；ρave為地球的平均密度(5 517 kg/m3)；θ與φ分別是地心的余瑋和地心經度；Plm表示規格化諦合勒讓德函數；kl為勒夫數；ΔClm與ΔSlm表示地球重力場球諧系數相對其均值的變化量；Wl為權函數，其遞推公式為：

式中：r是高斯平均半徑[23,24]。

通過計算的表面密度變化，進而換算為等效水高的變化，實現陸地水儲量的信息提取，公式如下:

[ΔClmcos (mφ)+ΔSlmsin (mφ)]

(3)

式中:ρwater為水的密度[25]。

2.2.3 陸地水儲量標準差計算

通過計算陸地水儲量的標準差SD值，能夠衡量多年來121個月的陸地水變化的程度。由于研究區的自然環境不同，SD值的取值范圍略有差異：SD≥10 cm，表示研究區陸地水儲量的變化程度劇烈；10 cm>SD>6 cm，表示變化的程度略強烈；SD≤6 cm，表示變化程度較為微弱或者幾乎沒有變化[26]。

3 結果分析與討論

3.1 10 a間植被NDVI的季節性分布情況

利用反演的121個月的NDVI數據，將10 a間春夏秋冬4季的動態變化進行分析。根據研究區的氣候變化情況和融凍情況，界定2-4月為春季，5-7月為夏季，8-10月為秋季，11-1月為冬季。在這10 a間，塔里木河流域春、夏、秋、冬的NDVI平均值的空間分布情況如圖1所示。

由圖1可知，NDVI的大小在4個季節里有顯著的差異，植被覆蓋情況呈現出顯著的夏季>秋季>冬季>春季的自然規律，但是4季無一例外均體現出塔里木流域北部、西部以及東部植被NDVI較大，而中間區域NDVI很小，即離河道越近，植被種類越豐富，植被覆蓋度也就越高，越遠離河道，或者越靠近沙漠，植被生長態勢欠佳，植被的覆蓋度也隨之顯著降低。其中，NDVI值較大的區域中有一部分處于該流域的山區范圍，干旱地區的森林植被能夠涵養水源，植物的生長、蒸散需要消耗一部分水量，這直接影響徑流的總量，并且進而對地下水資源也有一定的負面影響[27]。同時，水資源也會反作用于植被，對植被影響很大，徑流越豐富的地區，其植被覆蓋度也會越高。

圖1 研究區春夏秋冬NDVI分布Fig.1 NDVI image in different seasons

春季NDVI最大值為0.033 67，最小值為-0.010 13，夏季NDVI值最大值為0.617 39，最小值為-0.111 72，秋季NDVI最大值為0.563 38，最小值為-0.047 11，冬季NDVI最大值為0.281 61，最小值為-0.078 64。

冬季11月、12月諸多耐寒耐旱植被依然處于生長狀態；土壤溫度和土壤含水量對植物生長有明顯的影響作用，在此時段，土壤的溫度和濕度較低，在這種惡劣的環境條件下，部分植被慢慢衰敗死亡，植被的覆蓋程度降低；夏季冰川融水充沛，地表徑流較為豐富，人為種植活動頻繁，植被NDVI達到最大值；秋季降水持續稀少，農作物進入收獲階段，耐旱耐鹽植被能夠繼續存活。

3.2 NDVI、陸地水儲量變化以及降水量時空變化趨勢分析

對10 a間的植被NDVI、GRACE和TRMM數據作如下處理：①分別計算歸一化植被指數、陸地水儲量和降水的趨勢變化值；②計算陸地水儲量數據的標準差。如圖2，3，4所示。

圖2 研究區NDVI變化趨勢分布Fig.2 The change trend of NDVI in study area

圖3 研究區陸地水儲量變化趨勢(單位：mm/a)Fig.3 The change trend of terrestrial water storage (TWS) in study area

圖4 研究區降水量變化趨勢Fig.4 The change trend of precipitation in study area

研究區內大部分地區NDVI都呈現明顯的降低趨勢，只有少部分地區表現出較為明顯的增加趨勢。陸地水儲量則呈現出由西北向東南方向，其變化趨勢由急劇降低逐步遞增為急劇增加。降水量與陸地水儲量的空間變化趨勢一致性較高。為了能更好地分析NDVI變化的驅動因素，在研究區范圍內，選取變化趨勢顯著的4個小區域進行探討，分別是A、B、C、D 4個區域。

區域A的NDVI變化趨勢較為復雜，同時涵蓋了劇烈增加的區域和劇烈降低的區域，根據GRACE反演的陸地水儲量數據可以看出，該區域的水儲量有顯著的降低趨勢，且SD較大，說明水儲量降低趨勢較為劇烈，但TRMM所反演的降水數據則說明該地域降水量趨于穩定，變化微弱。研究區范圍內，蒸發量常年大于降水量，陸地水儲量逐步降低，且該趨勢難以遏制。無論陸地水儲量還是降水的變化趨勢均對植被的生長不利，但是部分區域內其NDVI依然呈現增加趨勢，這歸功于人們對于植被的保護和人為對耕種格局的調整。

區域B 10 a間NDVI呈現出較為微弱的降低趨勢。降水依然呈現部分地區微弱增加，部分地區微弱降低趨勢，說明NDVI的變化趨勢變化較大程度歸因于陸地水儲量較為顯著的降低趨勢，在B區域范圍內，由西向東，陸地水儲量的變化劇烈程度具有明顯的逐步遞增趨勢，地表水有部分來自冰川融水，也能促使土壤含水量有所增加，蒸散發作用強烈，會對水資源有較強的散失作用。

區域C 10 a間NDVI呈現微弱增加的變化趨勢，究其原因主要是陸地水儲量呈現較為顯著的增加趨勢，雖然增加的程度不十分劇烈，但是依然使得水儲量能夠穩步且持續的增加，同時降水也具有較為明顯的增加趨勢，即使長期以來蒸發量都非常大，降水和陸地水儲量的增加無疑為NDVI的逐步增加產生推動作用。

區域D的NDVI在10 a間的增加趨勢非常明顯，驅動的原因包括了降水量、氣候等多種自然因素的綜合作用。其中，TRMM降水量在此期間也呈現出了較為顯著的升高趨勢，而該區域與河西走廊-阿拉善內流區接壤，常年低溫，氣候干燥、寒冷，有很多洼陷地存在，導致該區域有較好的集水能力，河網分布廣泛，陸地水儲量也具有非常顯著的增加趨勢，從而使得該區域的植被覆蓋狀況有明顯的改善作用。

3.3 NDVI與陸地水儲量、降水量的相關性分析

根據植被NDVI 10 a間的變化趨勢，4個區域的NDVI均值與GRACE所反演的不同季節的陸地水儲量的相關系數如表1所示，與TRMM所反演的降水量的相關系數如表2所示。

表1 研究區4個區域NDVI與陸地水儲量的相關系數Tab.1 NDVI-terrestrial water storage correlationcoefficient in four regions

注：*表示α=0.05水平上顯著相關；**表示在α=0.01水平上顯著相關。

表2 研究區4個區域NDVI與降水量的相關系數Tab.2 NDVI-precipitation correlation coefficient in four regions

*表示α=0.05水平上顯著相關；**表示在α=0.01水平上顯著相關。

區域B的植被NDVI與陸地水儲量的負相關性顯著。秋季時陸地水儲量在降水、積雪融水、地表徑流、地下水等多方面綜合作用下，依舊持續降低，但是植被NDVI在部分范圍內與陸地水儲量負相關。除了B區域，其他區域的NDVI與陸地水儲量之間無顯著相關性。該地區生態景觀雖復雜，但是多為荒漠戈壁，利用率較低，導致裸地景觀之間的轉化也較為簡單。鹽生植被受到地下水水位的影響微弱，地表水只對周邊植被的覆蓋情況產生影響，D區域NDVI在冬季與陸地水儲量呈現負相關關系，其他季節均有較為微弱的正相關關系。降水量與植被覆蓋程度有著緊密的關系，降水量的多少，能直接影響土壤中含水量的大小，進而影響植被的生長。C區域內，植被NDVI與降水量之間的正相關關系極為顯著，在該范圍內常年生長的植被均為耐旱和耐鹽植被，根系較長，受到地表徑流水資源和土壤含水量的影響較大。相關系數的大小變化為冬季<春季<夏季<秋季，也說明降水對植被NDVI的影響具有時滯性[28,29]。除了涵蓋大范圍沙漠、植被非常稀疏的B區域外，其他所有區域內，植被NDVI與降水量的相關系數均大于NDVI與陸地水儲量的相關系數，充分說明陸地水儲量系統非常復雜，影響因素眾多，降水作為陸地水儲量的主要影響因素之一，對NDVI的影響明顯比陸地水儲量對NDVI的影響更為敏感，并且相關性更為顯著。

4 結 語

本研究基于GRACE重力場恢復與氣候實驗重力衛星和TRMM熱帶降雨測量使命衛星數據，反演了2003-2013年10 a間塔里木河流域的陸地水儲量和降水量數據，結合MODIS影像的歸一化植被指數NDVI數據，分析了NDVI、陸地水儲量和降水量的時空分布情況，研究了植被NDVI、陸地水儲量變化以及降水量的時空動態變化趨勢，剖析了NDVI由于陸地水儲量和降水量變化而產生的響應，探討了NDVI與陸地水儲量、降水量之間的關系，得到如下結論：

(1)植被NDVI呈現出夏季>秋季>冬季>春季的規律，塔里木河流域北部、西部以及東部植被NDVI較大，而中間區域NDVI很小，隨著空間上越靠近河道，NDVI數值越大，而越接近荒漠地帶，NDVI就隨之減小。

(2)研究區大范圍內NDVI呈現的降低趨勢，只有少許范圍內具有顯著的增加趨勢。區域A的在空間上NDVI變化趨勢復雜而多變，但陸地水儲量呈現出異常劇烈的降低趨勢；區域B的NDVI的變化較為微弱，呈現出降低的趨勢，陸地水儲量的變化程度成像出由西向東逐步遞增的態勢；區域C和D，TRMM降水量和GRACE陸地水儲量均有較為顯著的增加趨勢，這些因素都對植被的生長具有促進作用，驅使NDVI的變化趨勢也逐步增加，該區域的植被覆蓋狀況有明顯的改善效果。

(3)秋季時陸地水儲量在降水、積雪融水、地表徑流、地下水等多方面綜合作用下，依舊持續降低，植被NDVI在部分范圍內與陸地水儲量負相關。降水量與NDVI之間呈現出了正相關關系，其中C區域的正相關系數最大，降水量的變化能直接影響土壤中含水量的多少，且秋季的降水量對NDVI的影響最大。降水作為陸地水儲量的主要影響因素之一，對NDVI的影響明顯比陸地水儲量對NDVI的影響更為敏感，并且相關性更為顯著。

該研究為流域尺度水資源的監測提供了新的技術思路，也為分析降水和水資源對植被的影響提供了宏觀的快速的定量評價，從時間長序列的角度觀察該地區的植被覆蓋問題，從而為保護該地區的植被而制定合理的、戰略化的、科學的保護措施。

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