2001—2015年天山地區草地NDVI時空演變和氣候驅動特征分析

劉艷，聶磊，楊耘

1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2. 中亞大氣科學研究中心，新疆烏 魯木齊 830002；3.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；4. 長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054

草地是新疆畜牧業發展的基礎，新疆現有草地面積5.12×107hm2，占全國草地面積的19.52%（劉新平等，2009）。新疆天山南北坡地理地貌、氣候、生態差異巨大，牧草品種較多，作為新疆畜牧業的重要基地，承擔著畜牧生產、生態平衡可持續發展的重任（許鵬，1993）。因此，定量評估天山南北坡草地覆蓋變化對區域生態環境建設和牧業生產管理具有重要意義。隨著遙感技術的進步，遙感監測可以提供植被生長相對即時連續的信息。其中，植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可反映植被生長季和年際動態及氣候條件變動對草地生態系統影響評價信息（Muukkonen et al.，2007；Piao et al.，2007；嚴建武等，2008；王新欣等，2008；Jin et al.，2011；Leisher et al.，2012；Ouyang et al.，2012）。NOAA/NDVI植被指數產品在空間和光譜分辨率上劣于MODIS/NDVI，相對獲取不便，特別是近年來的植被指數產品（嚴建武等，2008）。MODIS/NDVI空間分辨率有250 m、500 m和1 km 3種，有單日、16日和月合成三類數據，產品時空分辨率能很好地反映草地植被時空變化和估算草地生物量 ，在森林及草地資源監測中有一定的有效性（Piao et al.，2007；王新欣等，2008；Jin et al.，2011；Ouyang et al.，2012；Leisher et al.，2012）。

目前，新疆大部分天然草地出現了不同程度的退化，草地生態環境破壞、畜牧業經濟可持續發展受到影響。草地生態變化研究重點應集中在山區等生態脆弱區和自然地理過渡地帶（夏浩銘等，2015）。但是，現有研究主要集中在天山北麓和伊犁河谷，主要針對植被時空格局及變化顯著性水平開展（謝國輝等，2007；閆俊杰等，2013；劉芳等，2014；曹孟磊等，2016），很難了解整個天山地區及其典型草地空間分布特征和長時間序列變化規律及草地水熱影響強弱的空間分布特征。因此，本文利用天山地區2001—2015年MODIS MOD13Q1數據集中的NDVI數據，定量分析天山地區不同草地類型 NDVI時空演變特征及其氣候驅動時空特征，探討不同類型草地水熱影響強弱的空間特征，為天山地區草地生態環境評價保護提供科學依據。

1 研究區概況

根據1∶400萬《中華人民共和國植被圖》（中國科學院植物研究所，1979），將天山地區分為無植被、栽培植被和自然植被地段。其中，自然植被包含草叢、草原、草甸、荒漠、沼澤、高山稀疏植被、高山植被、灌從、闊葉林、針葉林和針葉闊葉混交林。研究區覆蓋天山北坡西段伊犁河谷草原畜牧業區、天山南坡中段高山盆地草地限牧恢復區、天山北坡中段山地草原限牧恢復區、天山北坡東段山間盆地草原限牧恢復區和天山南坡東段-吐哈盆地草地禁牧保護區，涵蓋高寒草原、草甸、溫性草原化荒漠、沼澤等12種典型草地類型（圖1）。研究區草地類型具有一定的典型性和完整性，空間分布上具有一定的連續性，是開展天山地區草地資源時空變化及水熱影響研究的典型區域。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

2.1.1 植被指數數據

植被指數數據為 MOD13Q1 NDVI（空間分辨率250 m，時間分辨率16 d），數據格式EOS-HDF，在全球正弦曲線投影SIN（Sinusoidal Projection）中編號h23v04、h23v05、h24v04和h24v05，時間為2000年6月—2015年12月，共1430景。利用MRT（MODIS Reprojection Tools）批量完成HDF-TIF格式轉換、定義投影（WGS84）和影像拼接、最大值合成（Maximum Value Composition，MVC）2000—2015年NDVI年最大值以表征天山地區當年植被最好長勢和生成7月NDVI均值。轉換投影過程中，將原數據 ISIN（Integerized Sinusoidal）投影轉換為 Albers，坐標系選取WGS84，像素大小250 m，校正類型采用最鄰近像元法，輸出類型為TIFF格式。

2.1.2 草地產草量數據

草地產草量地面調查集中在 2009—2015年 7—8月進行。在草地類型均一的典型區域設計了235塊調查樣地，樣地基本特征調查中主要記錄樣地所隸屬行政區、草地類型、地形、季節利用方式和利用狀況等。一個樣地內布設3個樣方：草本及矮小灌木草原布設樣方為1 m×1 m正方形，當樣地草地分布呈斑塊狀或者較為稀疏時將樣方擴大到 2～4 m2；具有灌木及高大草本植物且數量較多或分布較為均勻的樣地，則布設1個10 m×10 m的正方形樣方，也可為20 m×5 m的長方形樣方，不做重復；齊地割取地上全部植株測量地上生物量，即為草地產草量。最終獲取草地產草量采樣點793個（圖2）。利用GPS測定樣方經緯度和海拔，同時在樣方內采用常規植被調查法測定植物種數、植被蓋度、群落平均高度等指標，獲取植被蓋度數據294個（圖2）。

圖1 研究區草地利用類型分區、典型草地類型及其位置示意圖Fig. 1 Partitioning of the grassland use types, typical grassland types and their locations in the study area

圖2 2009—2015年7月底—8月初草地總產量實測位置分布圖Fig. 2 Spatial distribution of the in-situlocations of total herbage yield from the end of July to the beginning of August during the years 2009—2015

2.1.3 氣象數據

氣象數據為研究區內51個地面氣象站2000—2015年日平均氣溫（℃）和降水量（mm）數據。已有研究指出植被生長和溫度及降水量響應通常具有1～3個月的時間延滯（Piao et al.，2003；Chen et al.，2005）。因此，以生長季7月NDVI均值與前1個月、2個月及3個月≥10 ℃積溫和累積降水量做空間相關分析，了解其是否具有時間延滯效應并以決定系數（r）來評估回歸效果。利用ARCGIS-IDW（Inverse Distance Weighted）法將上述氣象要素插值為分辨率、投影與NDVI一致的柵格數據，通過天山地區邊界數據掩膜獲得水熱因子序列柵格數據。

2.2 數據分析方法

2.2.1 植被指數處理

選取一年中草地最茂盛時期的NDVI值定量分析不同牧草類型變化趨勢。由于氣候影響，不同年份草地長勢最茂盛的時間是不確定的。因此，對一年23景NDVI影像進行逐像元最大值提取，計算公式如下：

式中，MAX(NDVI,i)為第i年該像元最大NDVI，即是一年內該像元上草地植被最茂盛時期的NDVI；NDVI(i,j)為第i年第j景的NDVI值。

2.2.2 Sen and Mann-Kendall趨勢分析

運用Sen and Man-Kendall趨勢分析法模擬每個柵格單元的變化趨勢，來綜合反映不同草地類型時空格局演變（王佃來等，2013）。Sen趨勢度β的計算方法為：

式中，n為時間序列長度（通常大于 10）；Qi為時間序列中i時刻值。此處 n=15，Qi為對應年最大NDVI。。當β>0時，時間序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。使用Man_Kendall趨勢檢驗方法中的標準正態檢驗統計量 ZS對β趨勢度進行顯著性檢驗，計算方法為：

式中，S是Man_Kendall檢驗統計量；m是序列中重復出現數據組的個數；ti是第i組重復數據組中重復數據個數。當β>0且|Z|>1.96，序列呈顯著上升趨勢；當β>0且|Z|≤1.96，序列呈上升但不顯著趨勢；同理當β<0且|Z|>1.96時，序列呈顯著下降趨勢；當β<0且|Z|≤1.96序列呈下降但不顯著趨勢。

2.2.3 相關及顯著性分析

對NDVI與氣象柵格數據進行相關分析和F顯著性檢驗，顯著性僅代表趨勢性變化可置信程度的高低，與因變量變化快慢無關。計算公式為：

式中，Rxy分別為 x、y兩變量的相關系數；xi為第i年（月）的x要素值；yi為第i年（月）的y要素值；n為樣本數。為要素x的平均值，為要素y的平均值。

式中，U為誤差平方和；Q為回歸平方和；yi為第i年（月）的實際要素值；Yi為其擬合回歸值；為多年（月）平均值；n為樣本數。

3 結果與分析

3.1 MOD13Q1的NDVI數據驗證

利用與準同期草地總產量及蓋度估算數據擬合的方法對 MOD13Q1的 NDVI數據精度進行驗證，以相關系數（r）來評估將其應用到天山地區草地資源時空演變的有效性。按照冷季放牧和暖季放牧，294個實測點比對結果顯示（圖3），冷季放牧形式下草地蓋度和NDVI的相關系數r達0.897，暖季放牧形式下草地蓋度和 NDVI相關系數 r達0.882，草地總產量與 NDVI的擬合決定系數R2分別為0.54和0.63，說明將NDVI數據應用到天山地區草地資源時空演變研究中是有效的。

3.2 天山地區NDVI年均狀況特征

為了消除季節變化帶來的不確定性，對每年23景 NDVI逐像元最大值合成數據進行多年平均，生成2000—2015年NDVI年均值代表研究區統計年內草地平均覆蓋狀況。總體而言，NDVI≤0.2的地區占47.9%，0.7≤NDVI<1的地區占13%左右，0.4≤NDVI<0.7的地區占18%左右（圖4）。天山南北坡東西跨度大，山體特征和在大氣環流中所處的位置不同，承受西來水汽程度差別較大，草地植被的垂直帶結構在西、中、東三段存在著明顯的差異。整體而言，天山地區 NDVI表現為南部高于北部，西部高于東部，呈現由西南—中部—東北部逐漸降低的特征。按照天山南北坡看，天山北坡東段山間盆地草原限牧恢復區和天山南坡東段—吐哈盆地草地禁牧保護區整體NDVI偏低，NDVI集中在（0, 0.2]，天山北坡中段山地草原限牧恢復區整體NDVI偏高，NDVI集中在（0.2, 0.7]，天山北坡西段伊犁河谷草原畜牧業區NDVI偏高，集中在（0.7, 1]，草地覆蓋程度較高。天山南坡中段高山盆地草地限牧恢復區 NDVI偏高，集中在（0.2, 1]（圖 5）。

圖3 實測草地蓋度、總產草量和NDVI相關性分析Fig. 3 Actual measured grassland coverage, total herbage yield and NDVI correlation analyze

圖4 天山地區2000—2015年年均NDVI等級圖及統計面積（單位：km2）Fig. 4 Spatial distribution map and area statistics of annual averaged NDVI in Tianshan Mountain Area

圖5 草地利用類型分區2000—2015年年均NDVI分類面積統計信息Fig. 5 Area statistics of the annual averaged NDVI of different grassland use types in 2000—2015 years

3.3 天山地區NDVI年際變化特征

統計天山地區2001—2015年年最大NDVI多年均值和標準差，前者反映當年NDVI平均覆蓋情況，后者反映相應的空間變異程度。由圖6可知，NDVI均值維持在 0.32～0.35，表明天山地區草地覆蓋多年來較穩定，NDVI均值和標準差隨時間序列具有較大的波動，直觀上無法進行趨勢判斷。NDVI均值序列曼-肯德爾（Mann-Kendal1）非參數統計檢驗（曹孟磊等，2016）結果也表明，統計年內區域NDVI增減趨勢不顯著，NDVI均值趨勢斜率為正，呈現波浪式緩慢發展趨勢，說明總體略呈增加態勢。

3.4 典型草地類型NDVI年均值特征

圖6 NDVI年均值和標準差趨勢及NDVI年均值MK檢驗結果Fig. 6 The trend of annual mean of NDVI and standard deviation, and MK test results of averaged NDVI annually

結合研究區草地利用類型數據（引自新疆維吾爾自治區草原研究所）統計天山地區 12種典型草地面積和不同NDVI等級的面積比。結果表明，天山地區12種典型草地NDVI值域分布差異顯著。溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類NDVI均值較低，集中在[0.2, 0.4]，屬于較低覆蓋度；低地草甸、高寒草甸類、高寒草原、溫性草原類和沼澤NDVI均值較大，集中在[0.4, 0.7]，屬于中覆蓋度；山地草甸、改良草地和熱性灌草叢類NDVI均值較大，集中在[0.7, 1.0]，屬于高覆蓋度；溫性荒漠草原類和溫性草甸草原類[0.4, 0.7]，[0.7, 1.0]區間內像元基本均等，屬于較高覆蓋度（圖7）。

3.5 天山地區及典型草地NDVI時空演變特征

從空間分布上看，43.82%的區域NDVI呈增加趨勢，其中8.3%的區域顯著增加，集中分布在天山北坡中段山地草原限牧恢復區；10.6%的區域NDVI呈顯著下降趨勢，主要分布在天山北坡西段—伊犁河谷草原畜牧業區。借用ARCGIS對其進行進一步量化分析以探究增長和退化具體出現在哪一種草地類型中。結果表明，山地草甸、溫性草甸草原類和改良草地及熱性灌草叢類下降趨勢顯著，溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、低地草甸和沼澤增加趨勢顯著，其他類型變化趨勢不顯著（圖8）。

3.6 天山地區及典型草地類型 NDVI與氣象要素相關性分析

圖7 基于NDVI年均狀況分類圖的不同草地NDVI分類面積比例統計圖Fig. 7 A statistical chart of NDVI of area proportion of different herbage types based on category map of annually averaged NDVI

圖8 NDVI年均狀況發展趨勢空間分布及統計面積和典型草地類型增減趨勢面積統計Fig. 8 Spatial distribution map and area statistics of annual averaged NDVI and area statistics of development trend of typical grassland types

以7月NDVI均值為例，將5月、6月、7月及5—7月累積降水量與NDVI進行空間相關性分析，結果顯示，NDVI與三者均具有一定的相關性，隨著累積時段的增加，相關面積趨于增加，表明降水對植被生長的影響具有一定的滯后性，研究時段越長，越有利于準確辨識降水變化對植被生長的作用（圖9）。以5—7月累積降水量為例，45.94%的區域NDVI與降水呈不顯著相關，其中 26.8%的呈不顯著正相關，46.65%的區域NDVI與累積降水呈顯著正相關，其中只有3.2%的區域呈極顯著正相關關系（圖 9）。從草地類型看，溫性荒漠類、溫性草原化荒漠類、溫性草原類和溫性荒漠草原類與降水呈正相關，山地草甸類、改良草地與降水呈負相關，其他類型草地與降水相關性不顯著（圖10）。

以 3—8月≥10 ℃積溫表征整個植被生長季節的熱量狀況，逐像元計算 2001—2015年 7月NDVI值與3—8月≥10 ℃積溫線性相關系數。結果顯示，約61.41%區域NDVI與 3—8月≥10 ℃積溫呈不顯著相關，其中24.42%的區域呈不顯著正相關，30.84%的區域呈顯著負相關，7.75%的區域呈顯著正相關（圖 11）。從草地類型看，溫性荒漠類、溫性草原化荒漠類、高寒草原和溫性荒漠草原類與生長季熱量狀況呈正相關，山地草甸類、低地草甸、改良草地與生長季熱量狀況呈負相關，其他類型草地與生長季熱量狀況相關性不顯著（圖11）。

圖9 不同累積時段降水量與NDVI空間相關分類面積比信息Fig. 9 Categorized area statistics of spatial correlation between NDVI and precipitation in different accumulated periods

圖10 2001—2015年7月NDVI均值與不同時段累積降水相關性分布圖Fig. 10 Correlation map between accumulated precipitation and NDVI mean of July in different periods during 2001—2015 years

圖11 2001—2015年7月NDVI均值與同期3—8月≥10 ℃積溫相關性分布圖及典型草地相關性等級統計面積Fig. 11 Correlation distribution between the mean of NDVI in July and accumulated temperature more than 10 degree from March to August and area statistics of correlation level of typical herbage

以上研究結果與Heumann et al.（2005）、Seaquist et al.（2009）、杜加強等（2016）的研究結論一致，干旱和半干旱地區的植被物候因降水量的變動而發生改變，植被生長旺盛時期主要受到水分限制，區域尺度NDVI與降水量顯著正相關。

4 結論

本文利用MOD13Q1NDVI數據定量分析了天山地區典型草地2001—2015年時空特征和演變規律，對影響NDVI變化的主要水熱因子進行量化分析。結果表明，天山地區不同草地年均 NDVI維持在0.32～0.35，呈波浪式緩慢發展趨勢，天山地區草地狀況總體發展穩定略呈增加趨勢，南部高于北部，西部高于東部，呈現由西南—中部—東北部逐漸降低的特征，天山南北坡存在顯著差異。影響NDVI變化主要水熱因子量化分析顯示，約 40.77%的區域與降水量呈顯著正相關，30.84%的區域與3—8月≥10 ℃積溫呈顯著負相關，說明草地生態系統受氣候環境因子的影響程度很大。

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