2000-2015年阜康林區植被覆蓋變化及其對氣候因子的響應

邢 菲, 李 虎, 李建貴, 張乃明, 陳冬花, 劉玉鋒, 葉 春, 栗旭升

(1.新疆農業大學 草業與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.滁州學院 地理信息與旅游學院, 安徽 滁州 239000;3.新疆農業大學 林業研究所, 烏魯木齊 830052; 4.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054)

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，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[1]。歸一化植被指數(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，被認為是表征地區或全球植被狀況和生態環境變化的最有效指標[2-3]。對此國內外眾多學者開展了一系列研究[4-11]。

天山是橫亙在新疆南北荒漠地面上的一座“濕島”。山區降水量豐富，成為準噶爾盆地南緣與塔里木盆地北緣眾多河流、湖泊的發源地[12-13]。王新欣等[14]利用EOS/MODIS數據，對天山北坡中段草地生物量變化動態進行監測，并分析了草地植被指數的時空變化特征以及植被指數與草地生物量之間的關系；馮志敏等[15]基于2000—2009年MODIS數據，分析了天山山區草地類型植被指數變化特征及其與氣候因子的關系。綜上所述，廣大學者關于天山的研究主要集中于草地植被類型上，且都是從大空間尺度來進行，無法準確的反映某一特定小區域內的植被變化狀況。因此本文從阜康林區入手，探究該區域近16 a來植被和氣候變化狀況。

阜康林區位于天山北麓中段，自2000年以來開始實施天然林資源保護工程等一系列重大生態工程，對區內植被進行了一系列保護措施。在這一時期內阜康林區植被覆蓋狀況和氣候發生了怎樣的變化？變化的具體特征及規律如何？近幾十年來遙感技術的成熟和相關數據的積累，為解決此問題提供了技術支持和數據支撐。本文擬利用MODIS NDVI時間序列數據，并結合研究區2000—2015年氣溫降水數據，對阜康林區近16 a來植被覆蓋狀況和氣候變化規律及二者之間的內在響應關系進行了探究，進而為天保工程實施效益評價提供數據支撐，為林業部門制定植被恢復和保育措施提供科學決策依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區阜康林區位于天山北麓中段，范圍在88°00′—88°42′E，43°48′—44°05′N之間，阜康林區始建于1956年3月，海拔758～4 016 m，總面積92 750.86 hm2。研究區東與吉木薩爾林場相連，西與米泉林場相鄰，南為東天山主峰博格達峰，北接準噶爾盆地。阜康林區是天池國家自然保護區重要水源地及三工河、四工河、五工河、白楊河及甘河子等河流的發源地。研究區屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，年平均溫度1.2 ℃，年降水量為400 mm，降水年內分配不均，主要分布在夏季和冬季。研究區土壤分布呈明顯的垂直地帶性，由低到高依次為：山地栗鈣土、山地灰褐色森林土、高山草甸土和高山石質帶。

本文所采用MODIS 16 d合成NDVI數據來源于NASA網站(https:∥modis.gsfc.nasa.gov/)，時間序列為2000—2015年6—8月植被生長旺盛期的數據，空間分辨率250 m，時間分辨率16 d。數據處理使用MODIS批處理工具MRT對其進行拼接與重投影，再利用ENVI5.3軟件(美國ESRI公司2015年發布的5.3版本)根據研究區矢量范圍進行批量裁剪得到研究區NDVI時間序列數據。氣象資料為位于阜康林區內的天池氣象站2000—2015年氣溫降水年值數據，數據來源于新疆維吾爾自治區氣象局。氣溫、降水數據處理在Excel軟件下進行。

1.2 研究方法

(1) 均值法[16]。采用取平均值法計算研究區每年夏季[15]NDVI來反映研究區內本年度的植被生長狀況，進而用于分析研究區內NDVI年際變化特征，并根據阜康林區植被覆蓋實際狀況將NDVI分為“低”、“中等”、“較高”和“高”4個等級(見表1)。

表1 2000-2015年阜康林區不同等級NDVI變化

NDVI均值計算方法如下：

(2) 回歸分析法[17]。采用一元線性回歸分析研究區內NDVI，氣溫及降水年際變化變化趨勢，從而掌握近16 a來研究區內NDVI及氣溫和降水變化特征。計算方法為：

yj=kj+b

式中：yj——待分析的變量；j——年份；b——常數；k——斜率(回歸系數)。其中k>0表示待分析變量在分析時間段內呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。回歸分析和顯著性檢驗借助SPSS (美國IBM公司20.0版本)進行，并定義p<0.05為顯著變化。

(3) 距平波動法。采用距平波動法分析研究區內NDVI，年均氣溫，年均降水的波動變化特征，具體為使用近16 a來研究區內NDVI、年均氣溫和年均降水與各要素均值的差值來反映各要素波動情況，計算方法如下：

(4) 相關分析法[18]。采用相關分析法研究植被NDVI與氣候因子間的響應關系，通過計算NDVI波動與氣溫、降水波動的相關系數，分析研究區內植被NDVI波動對氣候因素波動的響應。計算公式為：

2 結果與分析

2.1 近16 a植被覆蓋空間分布及變化特征

阜康林區2000—2015年來植被覆蓋以中等及以上為主，垂直分布特征明顯。其中低覆蓋區主要分布在海拔800～1 500 m海拔范圍內，少量分布在海拔3 100 m以上區域。低海拔區的低植被覆蓋主要是處于溫帶荒漠帶，高海拔低植被覆蓋區則主要為高山草甸帶，在這兩個范圍內環境相對惡劣，都不利于植被生長。中等植被覆蓋區主要分布于海拔1 000～1 900 m范圍內，此海拔范圍處于山地草原及天山北坡獨特的低山草甸帶，隨著海拔的上升，水分條件逐漸趨好，植被生長旺盛。較高和高覆蓋區主要分布于海拔1 300～3 100 m范圍內，此海拔范圍內主要為天山云杉(Piceaschrenkianavar.tianschanica)林帶及與云杉交錯分布的亞高山草甸，同時也是地形降雨集中區，森林自身特性及其涵養水源、調節氣候的功能為自身及草地的生長提供了優質的水熱條件，植被生長旺盛，植被覆蓋高值區出現于此。

圖1為16 a來阜康林區NDVI年際變化特征，由圖1可以看出。阜康林區16 a來NDVI值在0.22～0.28間波動且呈下降趨勢。總體來看，16 aNDVI均值為0.25，極差為0.06，下降率為0.000 5/a，植被覆蓋總體水平偏低，但波動變化幅度不大，下降趨勢不明顯。NDVI變化總體可以分為兩個階段：第一階段為2000—2004年的5 a間，在此階段內NDVI變化幅度較大，首先從2000年的0.26下降到最低值0.22，而后從2001年穩步上升，在2003年出現的第一個峰值0.28，并在2004年回到0.25均值水平；第二階段為2004—2015年12 a間，在此階段內NDVI值在0.24～0.26間變化，波動幅度較小，總體處于穩定狀態，只在2007年和2012年出現一個峰值和一個谷值。

圖1 2000-2015年NDVI年際變化特征

2.2 不同等級植被覆蓋變化

從表1可以看出，2000—2015年NDVI值各等級所占比例為：“較高”>“中等”>“低”>“高”，主要以“中等”和“較高”兩個等級為主，所占比例達80.49%；從各等級2000—2015年年變化率和變化趨勢來看，處于“低”、“中等”和“較高”3個等級NDVI總體呈波動上升趨勢，年變化率分別為0.019 6/a，0.107 5/a和0.073 4/a(p<0.05)，其中“低”等級NDVI年變化率最大且波動顯著(圖2a)，“中等”等級雖然年變化率最小但波動幅度卻較為明顯(圖2b)；“較高”等級NDVI變化率高于“中等”等級，但低于“低”等級，且近16 a來最為平穩(圖2c)；近16 a來“高”等級NDVI從總體上看呈波動下降趨勢，年變化率在4個等級中最為顯著2.004/a(p<0.05)，且波動明顯(圖2d)。

圖2 2000-2015年阜康林區不同等級NDVI變化波動

2.3 年平均氣溫、年平均降水變化情況

研究區2000—2015年年平均氣溫總體呈波動下降趨勢，16 a間年平均氣溫為2.6 ℃，年平均氣溫最高值出現在2006年為3.3 ℃，最低值出現在2011年為1.9 ℃，極差為1.4 ℃，波動幅度較大，但從線性擬合結果來看年平均氣溫下降率為0.016 9 ℃/a(p>0.05)，天保工程實施以來林區內氣溫下降幅度不顯著(圖3a)。近16 a間年平均氣溫變化可以分為3個階段：第一階段為2000—2003年的4 a間，年均氣溫從2000年的2.2 ℃上升到2002年的3 ℃后達到第一個峰值，并在2003年下降到2度；第二階段為2003—2011年的9 a間，年平均氣溫先從2003年的2 ℃上升到2006年的最大值3.3 ℃，達到第2個峰值，而后從2006年開始直線下降到2011年的最小值1.9 ℃，6 a間極差達到1.4 ℃；第三階段為2011—2015年5 a間，年平均氣溫從2011年的最低值1.9 ℃逐步回升到2015年的3 ℃，達到第3個峰值。

2000—2015年來年平降水量總體呈波動上升趨勢，16 a間年平均降水量為595.3 mm，年均降水量最大為874.7 mm，最小為352.9 mm，極差為521.8 mm，總體波動幅度較大；從線性擬合結果來看，年平均降水量增加率為6.754 1 mm/a(p<0.05)，說明天保工程實施以來林區內年降水量增加趨勢顯著(圖3b)。從2000—2015年，年平均降水量變化可以分為兩個階段：第一階段為2000—2008年，在此9 a間年平均降水量波動幅度最大，從2000年開始下降到2001年的最小值，而后從2001—2003年呈直線上升趨勢達到第一個峰值；2003—2004年第二次下降并在2004—2006年保持穩定后在2007年達到第2個峰值；第二階段為2008—2015年，在此階段內年平均降水波動相對穩定，變化幅度不大，只在2015年出現峰值并達到最大。

圖3 2000-2015年阜康林區年均氣溫、降水變化

2.4 植被覆蓋變化與氣候要素相關性分析

圖4為NDVI波動與氣溫、降水波動的關系。從圖4可以看出，2000—2015年NDVI的年際波動與年平均氣溫的年際波動在2007年以前表現為相反的趨勢，只在2002年表現出一致性；從2007年后至2015年，NDVI的年際波動與年平均氣溫的年際波動趨勢表現出一致性，但二者相關性不強，只在2007年、2009年、2010年和2012年和2013年表現出較強的相關性，其余年份相關性很弱。在95%置信度下，NDVI的年際波動與年均氣溫波動的相關系數為0.053 9，說明NDVI的波動變化對年均氣溫的波動變化響應不明顯。2000—2015年NDVI的波動趨勢與年均降水的波動趨勢在總體上具有同步性，只在2011年表現出不一致性。NDVI波動與年均降水波動相關系數為0.693 35且在0.05水平下相關性顯著。表明NDVI的波動變化對年均降水的波動變化響應強烈。綜合上述分析結果可知，在2000—2015年的NDVI年際變化中，2001年、2003年、2007年和2012年出現的“跳躍”現象主要是受到當年降水的影響，而受氣溫影響不大。

圖4 2000-2015年阜康林區NDVI波動與年均氣溫、降水波動的關系

3 討 論

研究對近16 a來阜康林區內年均氣溫和年均降水進行了一元線性回歸分析發現：近16 a來林區內氣候總體有從暖干向冷濕轉變的趨勢，這與施雅風[19-20]等關于中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的研究結果有出入。可能的原因是阜康林區整體處于海拔較高的山地地區，獨特的地形形成了局地的小氣候；同時，隨著天保工程等一系列重大生態工程的實施，植被的作用尤其是森林調節氣候的功能得到了發揮。近16 a來植被覆蓋總體呈不明顯的下降趨勢，可能的原因是生態工程在短時期內對某一區域內的植被覆蓋影響無法顯現，說明以自然恢復為主的生態工程是一項長期工程，而生態工程本身沒有進行有效實施也是可能的原因之一。

研究利用MODIS NDVI時間序列數據和氣象資料進行均值法、回歸分析、距平波動分析及相關性分析，探究了植被覆蓋變化與氣溫、降水變化間的響應關系，而植被生長過程中還受如光照、土壤、二氧化碳含量等多種因素的影響，這些因素并不被考慮在本研究范圍內，本研究也沒有考慮不同植被類型自身生理特征對氣溫及降水的響應關系，這些都是下一步的主要研究方向和內容。

利用阜康林區MODIS NDVI時間序列數據和氣溫及降水資料分析了林區內自天保工程實施以來植被覆蓋、氣候變化及植被覆蓋與氣候變化間的響應特征，研究結果可以為研究植被與氣候變化響應關系提供參考，同時可以為研究天保工程實施的生態效益評價提供支持，對其他重大生態工程的實施，調整生態工程實施的措施，進一步保護和改善生態環境具有重要的現實和理論指導意義。

4 結 論

(1) 從2000—2015年阜康林區植被覆蓋整體處于較低水平且呈不明顯的波動下降趨勢。變化最為明顯的為NDVI>0.65部分，是阜康林區NDVI下降的主要部分，變化率為-2.004/a。

(2) 近16 a來，阜康林區年平均氣溫總體呈波動下降趨勢，下降率為0.016 9 ℃/a，整體下降幅度不明顯。年均降水量總體呈波動上升趨勢，年均增長6.754 1 mm，降水量表現為明顯上升的趨勢，氣候有從暖干向冷濕趨勢發展。

(3) 從NDVI波動與氣候因子波動的關系來看，植被覆蓋變化受氣溫變化影響強度小于受降水的影響，這與水是干旱區植被生長的主要限制因素這一結論相符。

(4) 在天保工程實施期間雖然NDVI呈下降趨勢，但植被生長受到多種因素影響，因此，阜康林區天保工程實施對周邊氣候改善具有一定作用，生態效益有所顯現，但仍需加強林區內植被保護措施。