艾比湖流域降水和風速對植被NDVI時空變化的影響

孫 倩，張 敏，曾永兵，齊夢鈺，陳獻震

(新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院，新疆烏魯木齊 830052)

【研究意義】植被的時空變化是由自然因素和人類活動共同作用的結果，從長時間來看，氣候主導著植被的分布與變化，短期內(nèi)植被覆蓋變化更多的是受人類活動的影響［1－2］。從遙感的研究角度而言，歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)作為植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子，在植被遙感中得到了廣泛應用，被認為是監(jiān)測地區(qū)或全球植被和生態(tài)環(huán)境變化的有效指標［3］。并且，NDVI也是研究大尺度生態(tài)學問題一個非常有用的指數(shù)，它可以為估價全球植被動態(tài)模型提供足夠的信息。【前人研究進展】多年來諸多學者利用NDVI做了許多深入的研究也獲得了相應的學術成果:在全球或區(qū)域等大尺度范圍的植被動態(tài)監(jiān)測、植被分類、土地覆被變化、作物長勢檢測和物候監(jiān)測、自然災害監(jiān)測等方面的研究，歸一化植被指數(shù)(NDVI)都非常的適用［4－5］;也可以將 NDVI與溫度、降水、地下水、地表徑流結合起來，分析二者之間的相互作用關系［6－7］。對區(qū)域植被與氣候因子之間的關系也有很多研究，Schultz等指出，NDVI隨時間的變異性與氣候變化并不高度相關［8］;從全球尺度而言，分析氣候變化與全球NDVI的關系，表明在北半球中高緯度地區(qū)春秋季NDVI與溫度顯著相關，NDVI值隨溫度的升高而升高［9］。從區(qū)域尺度而言，夏照華等研究了中國溫帶草原對氣候的響應，表明生長季植被NDVI與降水關系密切，而隨著溫度升高NDVI對溫度變化的反應下降［10］。而郭妮等對近22年來西北不同類型植被NDVI變化與氣候因子的關系進行分析，發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)NDVI與氣溫和降水均有較好的相關性［11］。充分說明通過遙感手段所獲得的植被NDVI在全球尺度到區(qū)域尺度均具有良好的應用價值。【本研究切入點】植被變化與氣候和環(huán)境因子的關系研究，對分析植被生態(tài)系統(tǒng)在氣候變暖導致降水量發(fā)生變化背景下的變化響應具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本文利用NDVI數(shù)據(jù)、TRMM衛(wèi)星降水量數(shù)據(jù)和氣象觀測風速數(shù)據(jù)，通過研究植被覆蓋與風速、氣溫之間的相關關系，以期為該研究區(qū)區(qū)域應對氣候變化的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于中國新疆西部，具有典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，獨特的自然地理因素決定了流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，土地荒漠化、鹽漬化嚴重，風沙災害頻繁，是一個典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境退化區(qū)。該地區(qū)有著大量的后備土地資源，盲目開墾又導致棄耕地增多。地表裸露、疏松、干燥，成為區(qū)內(nèi)沙塵暴和浮塵天氣的沙源地，開荒、棄耕、撂荒、易地再開荒的惡性循環(huán)所造成的后果不僅浪費了大量的后備土地資源，而且直接破壞了原有地表荒漠植被，加劇了土地沙化進程［12］。

1.2 數(shù)據(jù)源及研究方法

本文所采用的本底資料和主要處理方法包括:①美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS影像，為保證艾比湖流域季節(jié)研究的完整性，采用的是2003年12月至2014年11月共132個月的數(shù)據(jù)。②熱帶降雨測量使命衛(wèi)星TRMM的3B43數(shù)據(jù)，由日本國家發(fā)展署(NASDA)和美國國家航空航天中心(NASA)地球科學辦公室共同提供，時間分辨率為1個月。③艾比湖流域所及的7個縣市(包括博樂市、精河縣、托里縣、溫泉縣、烏蘇縣、奎屯市、克拉瑪依市2市5縣)1︰1480000地圖，在ARCGIS軟件平臺，實現(xiàn)地圖的數(shù)字化。④中國地面氣候資料月數(shù)據(jù)集臺站信息的數(shù)據(jù)集，主要來源于各省、市、自治區(qū)氣候資料處理部門逐月上報的《地面氣象記錄月報表》。

本文選取研究區(qū)范圍內(nèi)的7個站點數(shù)據(jù)，篩選出風速、降水、相對濕度等觀測數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 10年間艾比湖流域植被NDVI季節(jié)性分布

歸一化植被指數(shù)NDVI是利用地面植被及土壤等對于紅外波長的吸收差異，加以圖像數(shù)字化，得到一個整體性的植被覆蓋參數(shù)，如公式⑴所示。

其中，NIR(Near Infrared Spectrum)為700～1000 nm近紅外波段的波譜特征，Red為650 nm紅光波段的波譜特征［13］。

將2003年12月至2014年11月的MODIS影像進行NDVI的逐月計算，按照春夏秋冬進行綜合分析，其中根據(jù)艾比湖流域植被生長的情況，劃分12－2月為春季，3－5月為夏季，6－8月為秋季，9－11月為冬季。

10年間，植被NDVI的平均值在春、夏、秋、冬四季的空間分布如圖1所示。

10年間，植被NDVI在艾比湖流域內(nèi)呈現(xiàn)出夏季＞秋季＞春季＞冬季的特征，其中夏季最高NDVI值為0.46。艾比湖流域在春季整體體現(xiàn)出自西向東NDVI逐步減少的趨勢，尤其托里縣最為顯著，由西北向東南方向，NDVI展現(xiàn)出由最大值逐步降低到最小值。而溫泉縣和博樂市相對其他縣市，NDVI相對較高，植被覆蓋情況略為樂觀，但春季NDVI最大值也僅為0.23。夏季和秋季的植被NDVI值明顯高于其他季節(jié)，雖然秋季NDVI略小于夏季，但總體的空間分布規(guī)律一致性較高，都體現(xiàn)出由西南至東北，逐步由高降低的趨勢。溫泉縣、博樂市、精河縣的植被覆蓋狀況較為良好，這歸因于博爾塔拉河向東流經(jīng)溫泉縣、博樂市后，在精河縣境內(nèi)接納大河沿子河，后折向北偏東方向，注入艾比湖，河流的分布對植被的生長態(tài)勢起到了促進的作用，越靠近河流水系，植被的覆蓋程度相對越高，反之越低。在冬季，整個研究區(qū)范圍內(nèi)植被均較為荒涼，導致NDVI的值較小，雖然能體現(xiàn)出精河縣空間分布值較高，但最高值也僅為0.08，只有部分耐寒植被依然處于生長狀態(tài)，很多植被在嚴冬的惡劣條件下逐步衰亡。

圖1 2004－2014年NDVI四季空間分布圖Fig.1 NDVI spatial distribution during four seasons from 2004 to 2014

2.2 植被NDVI與降水之間的相關分析

在cygwin軟件環(huán)境下對TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行格式轉換和數(shù)據(jù)讀取，鑒于該衛(wèi)星的空間分辨率為0.25°×0.25°，其單位為 mm，為保證數(shù)據(jù)的準確程度，利用新疆范圍內(nèi)56個氣象站點所提供的月降水量數(shù)據(jù)對TRMM衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行偏差分布和加法修正，從而實現(xiàn)對TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的校正，而后從校正后數(shù)據(jù)中篩選出研究區(qū)內(nèi)的降水量校正數(shù)據(jù)［14］。

10年間TRMM降水量數(shù)據(jù)的四季時空變化分布如圖2所示。

降水量在10年間4個季節(jié)里，差異較為顯著。秋季降水量最大，夏季次之，最大降水量發(fā)生在秋季，數(shù)值高達159.3 mm。在春季、夏季和秋季，降水量都呈現(xiàn)出由西南到東北方向，降水量逐步降低的分布特征，尤其托里縣的降水量一直較低，但每個季節(jié)降水量的最小值出現(xiàn)的地理位置各不相同。冬季降水主要以雪為主要形式，其空間分異特征與其他季節(jié)有所不同，呈現(xiàn)了由西向東逐步遞減的分布規(guī)律。

基于空間分布的角度可以看出，在夏季和秋季降水量與植被NDVI在空間分布方面呈現(xiàn)出非常一致的分異特征，降水量的時空變化會對植被覆蓋程度產(chǎn)生一定的驅動作用，為更清晰地看出二者的相關程度，進行了相關性分析，分析數(shù)據(jù)如表1所示。

如表1所示，10年間降水量與植被NDVI之間在任何一個季節(jié)都呈現(xiàn)出了正相關的關系，在夏季和秋季，相關系數(shù)表現(xiàn)為冬季＜春季＜夏季＜秋季，說明降水對植被NDVI有驅動作用，但這種影響不會立刻通過植被的生長反映出來，而是具有一定的時間滯后性。植被不僅收到降水的影響，也同時會受到地下水、土壤水分、地表徑流等諸多水資源的影響，在夏季和秋季，研究區(qū)內(nèi)地表徑流較之其他季節(jié)較為充沛，冰川融水也逐步增多，也對植被生長和覆蓋狀態(tài)具有促進的作用。秋季的降水量對冬季的植被也會具有一定的影響作用，但是冬季愈加寒冷，部分植被也隨之衰亡，植被覆蓋情況愈加降低。

圖2 2004－2014年降水量四季空間分布圖(單位:mm)Fig.2 Precipitation spatial distribution during four seasons from 2004 to 2014(unit:mm)

2.3 植被NDVI與平均風速、氣溫之間的相關分析

氣候條件對植被生長具有驅動作用，而植被的生長狀態(tài)也會對氣候產(chǎn)生影響。不同季節(jié)的平均風速空間分布圖如圖3所示。

由于研究區(qū)范圍內(nèi)僅有7個站點，利用10年的平均風速數(shù)據(jù)，進行ArcGIS的空間插值，在這10年里，無論任何一個季節(jié)，平均風速在空間格局上都呈現(xiàn)出條帶性的分布特征。夏季和秋季平均風速依然較高，并且在溫泉縣、博樂市、精河縣風速最大，托里縣和烏蘇市風速較小，尤其夏季與NDVI的時空分布趨勢有較為一致的變化規(guī)律。雖然這2個季節(jié)風速較大，但是夏季和秋季相對其他季節(jié)而言，水資源較為豐富，土壤的粘度就會相對較高，所以，植被能依然較好的生長。春季風速最大，在29.1 m/s到31.3 m/s之間，也導致多年來艾比湖流域都在春季有頻繁的沙塵和鹽塵天氣，促進春季土壤積鹽作用明顯，土壤水分降低，導致只有耐鹽耐旱植被能較好的適應該環(huán)境。

表1 10年間降水量與植被NDVI的相關關系Table 1 NDVI-Precipitation correlation coefficient during 10 years

圖3 2003－2014年四季平均風速空間分布圖(單位:m/s)Fig.3 Wind speed spatial distribution during four seasons from 2004 to 2014(unit:mm)

表2 不同季節(jié)植被NDVI與氣溫和風速的相關系數(shù)Table 2 NDVI-Precipitation and NDVI-wind speed correlation coefficient during 10 years

基于此，進一步分析平均氣溫和平均風速與植被NDVI的之間的相關性關系(表2)。

植被NDVI在夏季和秋季均與氣溫呈負相關關系，但與降水量呈正相關關系，與溫度相比，充分說明水分條件才是影響植被生長的主導因素。植被覆蓋程度較高的地方，氣溫平均值也會明顯較低，越遠離植被覆蓋區(qū)，裸土地區(qū)溫度也會隨之略有升高，夏季和秋季植被生長狀況良好，通過蒸騰作用會使植被自身的溫度響應降低，繼而促使周圍環(huán)境溫度得以降低。在研究區(qū)內(nèi)，艾比湖濕地保護區(qū)對植被已經(jīng)采取了很多保護措施，例如圍欄禁牧、禁止閑雜人員隨意出入、建立生態(tài)修復項目等，從人為因素上都在保護植被;而冬季風速相對較小，而植被NDVI也最小，冬季風速與植被NDVI相關性也非常低。風速的大小在春季能明顯的影響植被的覆蓋程度，但在土壤水分含量相對較高的夏季和秋季，影響作用并不顯著。土壤的含水量和降水量的大小能對植被覆蓋程度起到正相關作用，而植被覆蓋程度高，也可以降低降雨對土壤的侵蝕作用，也能改善土壤結構，例如增加水分的入滲，從而避免由于風速太大而導致的植被覆蓋降低。

3 結論與討論

本研究采用2004年12月至2014年11月的MODIS數(shù)據(jù)、TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以及站點監(jiān)測的氣溫和風速數(shù)據(jù)，研究植被NDVI在10年間的不同季節(jié)的時空變化特征，分析了降水量對植被NDVI產(chǎn)生的影響，剖析植被覆蓋與風速、氣溫之間的相關關系，得出以下結論。

(1)10年間植被NDVI在研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出夏季＞秋季＞春季＞冬季的空間分布特征，在春季體現(xiàn)出自西向東NDVI逐步減少的趨勢，夏季和秋季的植被NDVI值明顯較大，且總體的空間分布規(guī)律一致，都體現(xiàn)出由西南至東北，NDVI逐步由高降低的趨勢。

(2)降水量的時空變化會對植被覆蓋程度產(chǎn)生一定的驅動作用，10年間最大降水量發(fā)生在秋季，在春季、夏季和秋季，降水量都呈現(xiàn)出由西南到東北方向逐步降低的分布特征，冬季降水量呈現(xiàn)了由西向東逐步遞減的分異特征。

(3)降水量與植被NDVI之間呈正相關的關系，相關系數(shù)表現(xiàn)為冬季＜春季＜夏季＜秋季，降水對植被NDVI有驅動作用，但這種影響具有一定的時間滯后性。

(4)平均風速在空間格局上都呈現(xiàn)出條帶性的分布特征。風速的大小在春季能明顯的影響植被的覆蓋程度，且容易引發(fā)頻繁的沙塵和鹽塵天氣，但在土壤水分含量相對較高的夏季和秋季，水資源相對較為豐富，土壤的粘度就較高，植被能依然較好的生長，影響作用并不顯著。

(5)植被NDVI在夏季和秋季均與氣溫呈負相關關系，但與降水量呈正相關關系，與溫度相比，水分條件才是影響植被生長的主導因素。