古爾班通古特沙漠西部植被季節變化分析

張 萍 ，韓忠玲，程勇翔*，吳 玲

（1.石河子大學生命科學學院；2.石河子大學信息科學與技術學院，新疆石河子832000）

古爾班通古特沙漠位于新疆準噶爾盆地，是我國面積最大的固定、半固定沙漠，面積約4.88萬平方公里，海拔300～600m，沙漠內植物種類較為豐富，可達百余種[1]。近幾十年來，古爾班通古特沙漠隨著區域環境溫度的升高和降水分布格局的變化，沙漠植被群落物種組成的數量特征正在發生方向性改變，該變化在海拔較低的沙漠西部地區尤為明顯。據報道，古爾班通古特沙漠西部，建群種植物梭梭種群在低平地和矮沙丘出現嚴重退化[2]，而群落中短命植物類群發展迅速，該過程對古爾班通古特沙漠西部沙面穩定性有何影響，值得進一步關注。研究通過對該區域植被季節變化分析，結果對準確把握區域植被群落演替方向和對荒漠-綠洲-山地耦合系統[3]的推演具有重要意義。

目前，常用植被指數對區域植被動態變化進行研究。常用遙感數據類型有中等分辨率250m的MODIS數據、1.1km的NOAA/AVHRR數據以及30m的Landsat系列數據。植被指數計算方法均為研究區統計平均值或樣地統計平均值。王雪琴對2002年～2004年古爾班通古特沙漠南部短命植物生長與氣象資料進行分析，結果表明，短命植物的生長對水熱條件變化反映極為敏感，降水好時短命植物生長更旺盛[4]。王新軍研究了近40年古爾班通古特沙漠南緣荒漠化過程演變的景觀格局特征，表明年降水量與歸一化植被指數顯著相關[5]。上述研究均得出古爾班通古特沙漠季節植被指數值受降水影響明顯，降水量大時植被指數值大，反之植被指數值小。在古爾班通古特沙漠植被指數季節變化規律研究中，唐金運用MODIS數據，對古爾班通古特沙漠南緣近10年的植被年內NDVI動態變化進行分析，結果表明年內NDVI折線圖呈“弱雙峰型”[6]。李揚利用NOAA/AVHRR數據，分析了1981年～2003年古爾班通古特沙漠不同分區NDVI時空變化的特征，發現各分區多年平均NDVI年內變化具有單峰型、平穩型、低值型三種不同的類型[7]。黃鐵成利用2000年～2010年MODIS數據，通過典型樣點分析了古爾班通古特沙漠梭梭林地NDVI年動態變化，發現NDVI年曲線在5月達到峰值[8]。段呈利用2000年～2014年的MODIS數據，分析古爾班通古特沙漠短命植物的NDVI年內季節動態變化，結果年內NDVI曲線也為5月單峰型[9]。蔣超亮根據2000年～2016年MODIS數據分析了古爾班通古特沙漠旱生植物的空間分布和變化特征，得出NDVI年內季節動態變化呈7月單峰型[10]。綜上所述，對于古爾班通古特沙漠植被季節變化研究尚無明確定論，結果還有待于進一步研究。

針對已有相關研究方法和結論，研究擬采用NIR-NDVI分段統計方法代替NDVI區域或樣地統計平均值法，以期通過不同區段NIR值對應的NDVI值來反映不同植被類型的NDVI季節變化，通過構建NIR-NDVI特征曲線，實現對古爾班通古特沙漠西部植被季節變化的準確描述。

1 研究區介紹

圖1 研究區范圍展示

圖2 1952年到2016年平均溫度（a）、相對濕度（b）、年總降水量（c）及水熱相關系數（d）趨勢圖

研究區選取古爾班通古特沙漠西部為研究對象，地理位置為東經 85°6′26″～86°37′44″，北緯 44°45′7″～45°17′25″（如圖1所示）。該區為溫帶荒漠干旱氣候，年平均溫度4.3℃～7.9℃[11]，年降水量 70～150 毫米，蒸發量 2000～2800mm[12]。該區域地勢整體為東南高，西北低。東部沙丘海拔較高，為典型沙丘。西部為小沙丘和龜裂地相間排列，其間有零星鹽漬化土壤分布。北部地勢低平，有大量鹽漬化土壤分布，是鹽生植物的主要分布區。南部和綠洲區域犬牙交錯。該區植物分類學物種208種，常見物種92種，其中，草本植物75種，占總物種數的81.5%，短命植物占草本植物物種數的53.3%，灌木17種，建群種為梭梭（Haloxylon ammodendron(C.A.Mey.)Bunge）和白梭梭（Haloxylon Persicum Bunge ex Boiss.Et Buhse）[13]，即典型植被是短命植物與建群種植物梭梭。近年來，研究區環境氣候特征表現為“越熱越濕”（圖2a、2c）。大氣相對濕度降低（圖2b）。降水主要集中在春秋兩季（圖 2c、2d），短命植物類群受到環境氣候變化的影響而發展迅速[9]。

圖3 研究區公共范圍（a）以及研究區鹽堿地范圍（b）展示

圖4 2013年NIR波段與相應NDVI的關系散點圖

圖5 2013年綠色植被區NDVI值（a）與鹽堿地NDVI值（b）變化擬合線

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

研究從地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）下載了 landsat-8 OLI 2013年 4月 13日、5月15日、5月 31日、6月 16日、7月 18日、8月 3日、8月 19日、9月 4日、10月 6日、10月 22日，2014年7月21日，2016年5月23日、9月28日共13幅影像。軌道號為144/029，下載數據少云且質量良好。對獲取的所有影像利用ENVI5.1進行輻射定標和大氣校正和幾何校正等預處理。為增加結果的可比性，研究利用各期影像質量信息，獲取無云覆蓋的公共區域（圖3a），結果為古爾班通古特沙漠西部植被季節變化分析明確了研究范圍。為深入討論研究區兩類主要植被類型，荒漠植被和鹽漬化土壤植被的季節變化規律，研究又進一步獲取了鹽漬化土壤植被分布區域（圖3b），提取結果用于后續分析。研究所需氣象數據來自于中國氣象科學數據共享服務網（http://data.cma.cn）。

2.2 荒漠植被季節變化研究方法

研究基于NIR值（NIR值從1500開始每升高50為一段）分段統計相應區段NDVI值的大小，并以此制作NIR-NDVI特征曲線。該特征曲線中NIR值的大小可用來體現地表覆蓋類型的變化，而NDVI值則可用來衡量地表植被覆蓋程度。研究利用NIR-NDVI特征曲線分析古爾班通古特沙漠西部不同地表覆蓋類型下的植被季節變化規律。

3 結果與分析

3.1 相同年份不同季節植被動態變化結果與分析

通過對2013年各月10幅圖的公共研究區（圖3a）進行NIR-NDVI分段統計分析，結果如圖4所示，NIR-NDVI特征曲線中NDVI峰值年動態表現為“兩峰一谷”，前峰高，后峰低（圖5a）。特征曲線NDVI峰值對應的NIR值表現為初春至春末向右移動，夏至秋向左移動，在8月中下旬至9月上旬基本保持穩定（圖4）。特征曲線在7月下旬～8月上旬出現“翹尾”現象，即NDVI值增大（圖4）。通過對公共研究區（圖3b）進行分析，得出此時鹽生植物生長達到高峰（圖5b）。特征曲線中NDVI值的大小反映荒漠植被生長狀況的好壞。NDVI峰值對應的NIR值的大小，反映的則是荒漠植被主要覆蓋區域的范圍。

3.2 相同季節不同年份植被變化結果與分析

研究將2013年與2016年春季、2013年與2014年夏季、2013年與2016年秋季進行了分別比較（圖6），結果如圖7所示。2016年春季NDVI值整體高于2013年，并且2016年春季特征曲線出現“斜臺”現象。2013年夏季NDVI值整體略高于2014年。2016年秋季NDVI值整體高于2013年。上述特征曲線中NDVI值越高，其荒漠植被生長狀況就越好。結合相應年份降水和溫度數據分析（見圖8），可以看出NIR-NDVI特征曲線與降水關系較溫度更為密切。夏季由于高溫脅迫，植被的生長狀況對夏季降水變化響應不明顯。但整體來說降水好時特征曲線NDVI值偏高，荒漠植被生長狀況較好。

圖6 不同年份不同季節研究區公共范圍展示

圖7 NIR波段與相應NDVI的關系散點圖

4 討論

從研究結果分析可以發現荒漠植被的生長狀況與降水關系更為密切，溫度對荒漠植被生長的影響不及降水明顯，此結果與王新軍[5]，李揚[7]等人研究結論一致。近幾十年來，古爾班通古特沙漠降水略有增加，而水熱配合度（水熱相關系數）總體呈下降趨勢（如圖2d），即降水主要集中在春秋，該情況有利于短命植物的生繁[14]。除去大背景影響，各年短命植物的生長狀況好壞還應考慮到每一年的具體降水情況。春秋季降水好的年份，短命植物生長好，降水差的年份，短命植物生長較差，即波動性大。2016年總降水量為280mm，2013年總降水量為201mm，2016年水熱配合度0.43，低于2013年水熱配合度0.63。說明2016年降水主要集中在春秋季節，有利于短命植物生長。另有研究結果表明，短命植物生長好壞與5月降水關系密切，研究中2016年5月降水50.2mm，明顯高于2013年30.7mm，觀測到短命植物也明顯好于2013年，該情況與李巧梅研究結論相一致[15]。因此，2016年春季NIR-NDVI特征曲線出現“斜臺”現象，與短命植物的生長狀況直接相關。

古爾班通古特沙漠短命植物有春萌和秋萌兩種生活史對策，春季4～5月短命植物生長并在6月初枯萎完成生活史[16]。王燁研究表明在氣溫逐日下降，雨量較多的秋季，多數植物種還可以再次萌發，形成個體較大的秋萌株[17]。曾曉玲的研究結果表明：古爾班通古特沙漠春秋季節降水較多，短命植物快速生長是與環境中水分條件相適應的表現形式[18]。陳志超研究結果也表明隨著古爾班通古特沙漠南緣荒漠近幾年來降水，尤其是秋季降水的增加，短命植物的秋萌現象也將更為普遍[19]。因而短命植物的秋萌現象在古爾班通古特沙漠與春萌一樣是普遍存在的，只是在群落中短命植物各物種的多度、密度和蓋度等數量指標上不如春季值大，表現為NDVI峰值較春季低。梭梭作為該生境的群落主要建群種，一年中也有兩個生長期（春季和秋季），夏季由于高溫梭梭進入休眠[20]，即4～5月是梭梭生長旺盛期，6月底～7月底梭梭進入休眠狀態，8月底～9月又進入生長狀態[21]。綜上所述，理論上來說古爾班通古特沙漠西部植被NDVI值年內曲線變化應呈“兩峰一谷”，該推論與本研究結果一致，與唐金[6]研究“呈弱雙峰型”的結果也基本一致。仔細對比兩個結果，發現有相同也有不同，相同表現為兩者“前峰”都出現在5月。不同表現為唐金研究結果“后峰”出現在8月，而本研究擬合曲線后峰出現在9月下旬。分析差異原因主要與數據空間分辨率、NDVI時間序列散點圖分析方法及NDVI統計手段及短命植物的秋萌峰值時間判斷有關。在唐金研究結果中10月份也出現了一個峰值，只是該峰值略低于其8月峰值，作者僅繪制了折線圖，沒有對散點進行趨勢線擬合。統計手段上唐金沒有對不同植被類型分開進行NDVI統計，結果會將一些7～8月達到NDVI峰值的鹽生植物混淆進來，進而對研究結果造成一定干擾。依據曾曉玲[18]的研究結果古爾班通古特沙漠短命植物秋萌時間為9～11月；賈風勤[22]研究結果表明，9月下旬短命植物又會呈增長趨勢，結合生境群落建群種梭梭的生長節律，研究認為在NDVI“后鋒”時間判斷上研究結果與實際情況更為吻合。另有一些相關研究[8,9]，對古爾班通古特沙漠植被5月NDVI峰值的判斷上與本研究一致，但有所不同的是他們的研究結果僅為單峰，并未體現秋季短命植物及梭梭的“后峰”生長。除此以外，還有學者將研究區荒漠植被NDVI峰值判斷為單峰[7,10]，峰值時間為7月，研究認為該結論與夏季短命植物死亡與梭梭夏眠的事實不相符合。NIR-NDVI特征曲線中，鹽漬化土壤植被 NDVI峰值年動態呈“單峰”現象，單峰出現在7月下旬～8月上旬，結果與雍艷華[23]鹽漬化土壤植被生長旺盛期在7月下旬結論也相一致。

圖8 2013年、2014年和2016年月降水量（a）及月平均氣溫（b）

5 結論

古爾班通古特沙漠西部植被季節變化表現為，在相同年份不同季節，NIR-NDVI特征曲線NDVI峰值出現“兩峰一谷”現象，NDVI值變化代表荒漠植被生長狀況的好壞。“前峰”高對應時間為5月中旬，此時為春季短命植物與梭梭快速生長期。“后峰”低對應時間為9月下旬，此時為秋季短命植物與梭梭結束夏眠恢復生長期。“一谷”對應時間為7月中旬，此時為春季短命植物死亡與梭梭夏眠時期。研究結果與當地荒漠自然植被生長節律相吻合。7～8月間，NIR-NDVI特征曲線在鹽漬化區域表現為“翹尾”，此時NDVI達到峰值，時間與該類植物花期相一致。鹽漬化土壤植被年NDVI擬合曲線表現為夏季單峰。相同季節不同年份，荒漠植被生長狀況與降水密切相關，降水是影響該區域植被生長的主要生態因子。在降水好的春季，因短命植物大量生長，NIR-NDVI特征曲線會出現“斜臺”現象。