1982-2014年祁連山植被生長季NDVI變化及其對氣候的響應

賈文雄, 陳京華

(西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070)

陸地生態系統是全球變化研究的重要內容之一，是目前科學研究的重點領域[1]。氣候因子是影響植被生長發育、地理分布、多樣性和豐富度等的關鍵因素[2]，對陸地植被類型及其功能特性起著決定性作用，全球地帶性植被的分布都與氣候要素密切相關[3-4]。通過遙感提取植被覆蓋指數的方法早已成為常規手段，常用的表征植被活動的指標有土壤調整植被指數(SAVI)、歸一化植被指數(NDVI)、季節/時間綜合歸一化差值植被指數(SINDVI/TINDVI)和增強植被指數(EVI)等[5-6]，其中歸一化植被指數(NDVI)是公認的可以定量表征植被生長狀態的有效指標[7]。祁連山是西北地區重要的生態功能區和河西綠洲的水源涵養地，已有學者對該區的植被覆蓋和變化做過大量研究。已有研究表明，祁連山草地植被NDVI呈緩慢增加趨勢，氣溫、降水與草地植被NDVI的最大相關性滯后期都為2旬左右[8]；祁連山植被覆蓋變化存在明顯的空間差異，表現為中西部植被覆蓋增加，東部植被覆蓋減少[9]；氣溫和降水是影響祁連山植被NDVI變化的主要因子，局部地區密集的人類活動也是影響植被NDVI變化的重要因素[10-11]。有關祁連山植被變化研究采用的數據源有SPOTVGT NDVI，MODIS NDVI和GIMMS NDVI數據，但受數據源的局限性，研究序列相對較短，主要集中于2000年以后的近十多年，而對長序列的研究尚未開展。本文利用1982—1999年的GIMMS NDVI數據和2000—2014年的MODIS NDVI數據，對祁連山近35 a生長季植被變化及其對氣候變化的響應進行深入研究，旨在全面了解研究區植被的變化情況，進而為應對氣候變化決策提供一定的科學依據。

1　研究區概況

祁連山位于青藏高原東北邊緣，東起烏鞘嶺，西至當金山口，東西延伸約800 km(圖1)；地勢西北高東南低，由多條西北—東南走向的平行山脈及谷地組成，海拔為2 100～4 500 m，最高峰團結峰高達5 826.8 m；水熱條件差異大，年均溫0.6℃，年降水400～700 mm，具有典型的高原大陸性氣候特征；河流以冰川融水和山區降水補給為主，主要有黨河、疏勒河、北大河、黑河、石羊河、大通河和湟水等；植被分布具有垂直地帶性，海拔由低到高依次為：荒漠草原、山地草原、山地森林草原、高山灌叢草甸、高寒草甸和高寒稀疏草甸；土壤也表現出明顯的垂直地帶性，海拔由低到高依次為：山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土、巖石。

2　數據來源與研究方法

2.1　數據來源

本研究所采用的遙感數據是GIMMS AVHRR NDVI和MODIS NDVI 數據集。GIMMS AVHRR NDVI在中國西部環境與生態科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)免費下載，時間序列為1982—1999年，空間分辨率為8 km，時間分辨率為15 d。MODIS NDVI 數據集在網站(https:∥wist.echo.nasa.gov/api/)直接下載，時間序列為2000—2014年，空間分辨率為1 km，時間分辨率為16 d。氣象數據為1982—2014年祁連山及其周邊地區共37個氣象站點(圖1)的日平均氣溫和降水量數據，資料來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。植被類型圖為寒區旱區科學數據中心提供的1∶1 000 000矢量圖。

圖1祁連山區位及氣象站分布

2.2　研究方法

2.2.1最大值合成法采用最大值合成法MVC(maximum Value Composites)獲取月NDVI的最大值，作為統計分析的基礎數據。公式為[12]：

MNDVIi=max(NDVI1,NDVI2)

(1)

式中：i為月序號，取值范圍為5～9，代表生長季的5個月份；MNDVIi為第i月的最大NDVI值；NDVI1，NDVI2為第i月上半月和下半月的NDVI值。

2.2.2均值法采用均值法來計算每年生長季平均的NDVI值，用于分析生長季植被NDVI的年際變化。公式為：

(2)

2.2.3斜率分析法采用斜率分析法來分析生長季植被NDVI的空間變化趨勢。參照已有的研究[13]，根據Slope值的大小將研究區植被覆蓋變化等間距劃分為7個等級：顯著減少、中度減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、中度增加、顯著增加，并統計各區間的面積百分比。公式為[14]：

(3)

MNDVIi=max(NDVI5,NDVI6,NDVI7,NDVI8,NDVI9)

(4)

式中：n為監測時間段的累計年數；MNDVIi為第i年生長季最大化NDVI值。θslope是趨勢線的斜率，其中θslope>0，說明NDVI在n年間呈增加趨勢，θslope<0，則說明NDVI在n年間呈退化趨勢,θslope=0，則說明NDVI在n年間沒有變化。

2.2.4相關分析法采用相關分析法來研究生長季植被NDVI對氣候變化的響應。公式為[15]：

(5)

3　結果與分析

3.1　生長季植被NDVI的年際變化

圖2為祁連山生長季植被NDVI的年際趨勢。1982—1999年，祁連山生長季NDVI最小值在1982年，值為0.311 2，最大值在1993年，值為0.349 7(圖2A)。1982—1993年植被NDVI呈增加趨勢，1993—1999年呈下降趨勢。1982—1999年，祁連山生長季植被NDVI整體表現為增加趨勢，但變化趨勢沒有通過0.05的置信度檢驗，表明增加趨勢并不明顯。

圖2祁連山生長季植被NDVI的年際變化

2000—2014年，祁連山生長季植被NDVI最大值為0.372 5，出現在2012年，最小值為0.341 2，出現在2008年(圖2B)。2000—2005年植被NDVI呈增加趨勢，2005—2008年呈降低趨勢，2008—2012年又呈增加趨勢，2012—2014年又呈下降趨勢。2000—2014年，祁連山生長季植被NDVI整體也呈增加趨勢，變化趨勢也沒有通過0.05的置信度檢驗，說明增加趨勢也不明顯。總體來看，1982—2014年，祁連山生長季植被NDVI呈不明顯的增加趨勢。

3.2　生長季植被NDVI的空間變化

1982—1999年，祁連山植被NDVI的變化不大，基本不變的比例高達85.04%(表1)。植被NDVI輕度減少的比例為6.91%，主要分布在大雪山、走廊南山、冷龍嶺、烏鞘嶺以及大通河谷。植被NDVI輕度增加的比例為8.05%，主要分布在疏勒南山、大通山、黨河南山、青海南山以及青海湖周邊。

2000—2014年，植被NDVI顯著增加的面積占總面積的1.29%，主要分布于拉脊山和青海南山，在青海湖周邊也零散分布。植被NDVI中度和輕度增加的面積分別占總面積的1.44%，23.58%，主要分布在達坂山、疏勒南山、拉脊山、托勒南山、托來山、青海南山、冷龍嶺和走廊南山，黨河南山及青海湖、哈拉湖、湟水谷地的周邊地區也集中分布。植被NDVI輕度和中度減少面積分別占總面積的3.73%，0.4%，主要分布在烏鞘嶺及石羊河、黑河、北大河、大通河、疏勒河等河流河谷地區。植被NDVI顯著減少的面積占總面積的0.66%，主要集中分布在烏鞘嶺和莊浪河、古浪河的河谷地帶。

表1　祁連山生長季植被NDVI年際變化趨勢統計

注：研究區總面積為188 080.3 km2。

總體上，1982—2014年祁連山植被NDVI增加的區域集中在中西部，這主要是由于祁連山中西段降水的明顯增加，同時祁連山設立了國家級自然保護區，退耕還林、封山育林等措施的有效實施，導致植被NDVI增加。此外，植被NDVI增加的區域主要分布在高海拔區，這些地區受人類活動影響較小，有利于植被的恢復和保護。祁連山植被NDVI降低的區域集中于東部，由于氣溫升高和降水減少，造成植被NDVI降低。植被NDVI降低的區域主要是河谷地區和前山地帶，這里受人類活動影響較大，進一步導致NDVI降低。

3.3　生長季植被NDVI對氣候變化的響應

圖3為祁連山生長季植被NDVI與生長季氣溫和降水量的關系。1982—1999年，祁連山植被NDVI與氣溫的年際變化趨勢在1984—1985年、1987—1988年、1990年、1995年、1998年表現出一致性，在其余大部分時段或年份呈相反的變化趨勢。植被NDVI與降水的年際變化趨勢總體上具有同步性，但在1987年、1989年表現出相反的變化趨勢。1982—1999年，生長季植被NDVI與當月、前期1月、前期2月的降水和氣溫的相關性均較低(表2)，但9月份的植被NDVI與前期2月的降水和氣溫的相關性較高，并通過了0.05的置信度檢驗，可見7月份降水較多和氣溫略低有利于9月份植被NDVI的積累。

圖3　祁連山生長季植被NDVI與降水和溫度的關系

注：*表示通過0.05水平(雙側)上顯著相關。

2000—2014年，植被NDVI與氣溫的年際變化在2001年、2003年、2005年、2010—2012年表現出一致性，在其余時段或年份則呈相反的變化趨勢。植被NDVI與降水變化趨勢大體上較為相似，但在2003—2004、2010—2011年變化趨勢相反。2000—2014年，生長季植被NDVI與當月、前期1月、前期2月的降水和氣溫的相關性也均較低(表2)，但5月份植被NDVI與前期1月氣溫相關性較高，6月、8月份植被NDVI與前期1月降水相關性較高，7月份植被NDVI與前期2月降水相關性較高，并通過了0.05的置信度檢驗，可見4月氣溫較高有利于5月植被NDVI的積累，5月降水較多有利于6月、7月植被NDVI較高，7月降水較多有利于8月植被NDVI的積累。

氣候的年際變化對祁連山植被NDVI有一定的影響，不同月份的氣溫和降水變化對后面月份的植被生長也有影響，造成植被NDVI對氣溫和降水存在一定的滯后性響應。生長季的植被在不同月份對氣溫和降水的需求有所不同，因而對氣溫和降水的敏感性也不同。5月份，前期1月氣溫對植被生長有影響，若前期氣溫回升較快有利于植被NDVI積累。6月、7月、8月份，前期1月或前期2月降水較多有利于植被生長。9月份，前期2月降水較多和氣溫略低有利于植被NDVI增加。

4　結 論

(1) 近35 a來，祁連山植被NDVI整體呈增加趨勢，但變化趨勢并不明顯。1982—1999年與2000—2014年相比，植被NDVI增加幅度略高。

(2) 近35 a來，祁連山植被NDVI呈增加趨勢的面積比呈降低趨勢的面積大，表明植被覆蓋狀況有所改善。植被NDVI增加的區域集中在中西部和高海拔地區，植被NDVI降低的區域集中在東部的河谷和前山地帶。

(3) 氣候的年際變化對祁連山植被NDVI有一定的影響，植被NDVI對氣溫和降水存在一定的滯后性響應。4月氣溫較高有利于5月植被NDVI的積累，7月降水較多和氣溫略低有利于植被NDVI增加。

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