近20 a新疆北疆天然草地植被覆蓋度時空變化及其與氣象因子的關(guān)系

侯志雄,井長青,陳 宸,王公鑫,郭文章,趙葦康

(新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院/新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是植被在地面的垂直投影面積占總面積的百分比[1]。植被覆蓋度的變化不僅與生物量、凈初級生產(chǎn)力等地表生態(tài)學指標有關(guān),還可以通過地表參數(shù)對氣候變化有一定的影響。植被是極其重要的自然資源,在全球氣候變化和動植物生存演變中扮演著非常重要的角色。草地植被屬于陸地上存在面積最大的可再生資源,也是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)有機循環(huán)的主要部分[2]。新疆北疆草地近2 333.33×104hm2(3.5億畝),但由于一些原因[3],加之干旱、風沙以及生態(tài)環(huán)境脆弱[4],草地有所退化。研究北疆天然草地退化現(xiàn)狀、草地退化分布格局等,對修復(fù)退化草地有重要意義。【前人研究進展】把利用遙感技術(shù)進行草地植被覆蓋度反演總體分為植被指數(shù)法和像元分解模型法兩種方法[5]。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)對植被的響應(yīng)能力較強,是被定義的多種植被指數(shù)中使用較為廣泛的一種[6]。李苗苗、楊瑞瑞等[7-8]通過對多年植被覆蓋度進行估算,分析了植被覆蓋度時空分布與氣候變化的相關(guān)關(guān)系;陳昀琳等[9]基于Landsat和MODIS NDVI時序數(shù)據(jù),通過像元二分模型對青海湖流域植被覆蓋度提取,并分析其變化;苗正紅等[10]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù),對吉林省植被覆蓋度進行動態(tài)遙感監(jiān)測;劉超等[11]充分利用3S技術(shù)RS、GPS和GIS技術(shù)對內(nèi)蒙古阿拉善東南部地區(qū)1991～2006年的植被覆蓋度估算及其變化提取分析,并在此基礎(chǔ)上對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行研究。像元二分法是植被覆蓋度反演的常用方法之一[12],朱林富等[13]以2000～2015年的MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運用像元二分模型計算植被覆蓋度,研究了重慶地區(qū)的植被覆蓋度時間和空間分布以及石漠化演變的特征;劉家琰等[14]、常慧等[15]基于高分辨率的Landsat 8數(shù)據(jù),利用像元二分法提取NDVIsoil和NDVIveg參數(shù),反演了青海湖流域植被覆蓋度;楊凱軍等[16]基于像元二分模型對石羊河流域植被覆蓋度反演,并從時間和空間角度對其分異特征進行研究。研究利用植被指數(shù),通過像元二分模型,反演天然草地植被覆蓋度,在干旱區(qū)有較高精度,歸一化植被指數(shù)(NDVI)與草地植被覆蓋度之間有良好的線性關(guān)系[17,18]。【本研究切入點】利用植被指數(shù)法和像元二分模型對植被覆蓋度進行反演是相對適用的植被覆蓋度反演模型。需研究近20 a新疆北疆天然草地植被覆蓋度時空變化及其與氣象因子的關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于多年連續(xù)的MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),運用像元二分模型對近20 a新疆北疆天然草地覆蓋度進行反演,分析該區(qū)域天然草地植被覆蓋度的時空分布規(guī)律及其與氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 研究區(qū)概況

新疆北疆是我國重要的草地牧場(43°23′～49°10′ N,79°57′～91°32′ E),北疆地形復(fù)雜,以準噶爾盆地為中心,三面環(huán)山,形成明顯的地形單元,地勢西高東低。中部準噶爾盆地,南部廣闊,北部窄小,海拔500 m以上[19];北部的阿爾泰山,平均海拔在3 000m以上,植被垂直分異比較顯著;南部的天山山脈,西起烏恰,東至伊吾,山體平均寬厚約250 km,平均海拔4 000 m,有多條河流和深谷;西部山地由一系列低山丘陵組成,并有幾處地勢較低的缺口,使得盛行的濕潤西風能進入盆地[20]。北疆行政區(qū)劃上包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、北屯市、昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州等地區(qū)[21]。北疆位于中緯西風帶,屬典型的大陸性干旱氣候區(qū),全年降水量200 mm以上[22,23]。

1.1.2NDVI數(shù)據(jù)

從中國科學院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)下載的NDVI數(shù)據(jù)為年度1 km植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集[24],時間為1998～2018年,空間分辨率為1 km,基于連續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATIONNDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),采用最大值合成法生成。

1.1.3 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集基于Landsat TM/ETM、Landsat 8遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,人工目視解譯生成,每5 a為一個監(jiān)測期。選取年份為1995、2000、2005、2010、2015、2020年,空間分辨率為1 km。

1.1.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)的中國逐年降水量、平均氣溫空間插值數(shù)據(jù)集。其應(yīng)用的是澳大利亞的ANUSPLIN插值軟件,ANUSPLIN是使用函數(shù)逼近曲面的一種方法,能夠?qū)?shù)據(jù)進行合理的統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)診斷,可以對數(shù)據(jù)的空間分布進行分析進而實現(xiàn)空間插值的功能[25]。

1.2 方 法

1.2.1 像元二分模型

像元二分模型法是間接計算草地植被覆蓋度最常見方法,通常使用NDVI直接提取植被覆蓋信息。假設(shè)影像中的像元只由草地植被和非草地植被兩個部分組成。研究選擇NDVI作為參數(shù),在ENVI中分別將置信區(qū)間95%和5%的NDVI值作為NDVIveg和NDVIsoil。

(1)

式中:FVCi為第i年的草地植被覆蓋度;i為年份;NDVIsoil為裸地土壤或非草地植被區(qū)域的NDVI值;NDVIveg為有草地植被完全覆蓋區(qū)域的NDVI值,NDVI為像元草地植被覆蓋部分和非草地植被覆蓋部分的加權(quán)平均。

1.2.2 變化率

常使用變化率對影像進行逐像元變化率分析。

(2)

式中:i為年序號,NDVIi為第i年的NDVI值,n為樣本量。θslope是NDVI在研究時間內(nèi)的變化率,其為正值草地狀況,其為負值則草地狀況趨于退化。

1.2.3 相關(guān)性

運用相關(guān)分析法對數(shù)據(jù)進行分析及相關(guān)系數(shù)R描述。

(3)

1.2.4 草地范圍

研究使用土地利用數(shù)據(jù)對草地范圍進行確定,選取包含研究時間段的1995、2000、2005、2010、2015、2020年的土地利用數(shù)據(jù),使用ArcGIS軟件進行重分類,篩選出每年度草地范圍,之后對各年度草地范圍進行疊加,在研究期間,某處有草地出現(xiàn),即作為草地范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆多年平均天然草地植被覆蓋度時空變化

2.1.1 北疆天然草地NDVI及植被覆蓋度的空間分布

研究表明,新疆北疆多年平均天然草地植被覆蓋度和草地NDVI空間分布特征差異較大,總體上呈現(xiàn)為中部和東部較低,北部、西部和南部較高的空間分布趨勢。尤其是北部的阿爾泰山、南部的天山和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山天然草地植被覆蓋度大部分都在40%以上,而中部和東部的準噶爾盆地除局部地區(qū)外,天然草地植被覆蓋度大部分都在20%以下。北部、西部和南部山區(qū)地帶山頂常年積雪覆蓋,積雪融化水文條件較好,利于天然草地植被生長;中部干旱地帶降水少且蒸發(fā)強烈,存在大范圍的沙漠、戈壁、鹽堿地,天然草地植被覆蓋度低。北疆天然草地植被覆蓋度分布呈現(xiàn)較大的空間差異性,表現(xiàn)為西部高于東部,南北部高于中部,山地高于荒漠的特點。圖1

注:該圖基于中國測繪學會標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)3333號的標準地圖制作,底圖無修改,下同

2.1.2 北疆天然草地植被覆蓋度的時間變化

研究表明,1998～2018年北疆天然草地植被覆蓋度呈現(xiàn)基本保持穩(wěn)定的生長趨勢,2010年天然草地年均植被覆蓋度最高,達到58.23%;其次為2016年,達到57.11%;2008年和2014年較低,其天然草地年均植被覆蓋度分別為46.81%和45.41%。圖2

2.2 北疆天然草地變化率

研究表明,1998～2018年研究區(qū)總面積的57.51%天然草地植被覆蓋度呈上升趨勢,天然草地植被覆蓋度呈下降趨勢的為研究區(qū)總面積的42.49%。其中草地變化率小于-0.01的比例有0.97%,處在-0.01～0的比例有41.52%,處在0～0.01的比例有50.58%,處在0.01～0.03的比例有6.20%,大于0.03的比例有0.71%。增加區(qū)域主要分布在北部的阿爾泰山、天山和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山。北疆天然草地植被增加趨勢的區(qū)域大于減少趨勢的區(qū)域,且呈顯著增加的區(qū)域多于減少區(qū)域。圖3

圖2 1998～2018年北疆天然草地植被覆蓋度的時間變化

圖3 北疆1998～2018年草地變化率

2.3 北疆氣象因子的空間變化特征

研究表明,北疆年均降水有明顯的空間分異特征,區(qū)域內(nèi)降水空間差異較大。北疆近20 a年均降水呈現(xiàn)南北高中間低,西部邊緣高、中部和東部低,自北西南三面向中部遞減趨勢,年均降水量112～894 mm。北部因受大西洋和北冰洋的水汽影響,降水量達到200 mm以上;南部的天山山脈和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山整體海拔高受垂直地帶性分異的影響,加之山頂多年冰雪覆蓋,年均降水量最高達到894 mm;中部和東部以古爾班通古特沙漠為中心,三面環(huán)山且遠離海洋,水汽難以到達,年均降水量最低。近20 a北疆年均氣溫-15～12℃,平均氣溫4.49℃,總體溫度偏低。受海拔影響明顯,準噶爾盆地北部的阿爾泰山區(qū)和天山山脈、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山年均氣溫低于0℃,而盆地西南部為年均氣溫高值中心,最高值出現(xiàn)在博樂市周邊區(qū)域。圖4

圖4 北疆氣象因子空間分布

2.4 北疆天然草地植被覆蓋度與氣象因子關(guān)系

研究表明,天然草地植被覆蓋度與年降水量的相關(guān)性呈正相關(guān)的關(guān)系分布范圍較廣,所占比例達到研究區(qū)總面積的81.27%,主要分布在北部的阿爾泰山南坡、南部的天山山脈和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山;天然草地植被覆蓋度與年降水量呈負相關(guān)的區(qū)域相對較少,所占比例僅為研究區(qū)面積的18.73%,主要分布在阿爾泰山北坡、天山山脈的局部區(qū)域。其中,天然草地植被覆蓋度與年降水量的相關(guān)性系數(shù)小于-0.4的所占比例僅為2.34%,處于-0.4～0的所占比例為16.36%,處于0～0.2的所占比例為14.90%,處于0.2～0.5的所占比例為36.05%,大于0.5的所占比例為30.32%。北疆天然草地植被覆蓋度與年降水量呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域遠遠高于呈負相關(guān)的區(qū)域,降水是北疆天然草地覆蓋度的重要影響因子,且降水對北疆天然草地植被覆蓋度的表現(xiàn)為促進作用。

天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈正相關(guān)和負相關(guān)的區(qū)域比較明顯,分布范圍較廣,所占比例分別60.52%和39.40%。天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在南部的天山山脈東部區(qū)域、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山;天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈負相關(guān)的區(qū)域主要分布在天山山脈北坡、阿爾泰山和博羅科努山。其中,天然草地植被覆蓋度與年平均溫度的相關(guān)性系數(shù)小于-0.4的所占比例為3.81%,處于-0.4～0的所占比例為35.65%,處于0～0.2的所占比例為30.02%,處于0.2～0.5的所占比例為26.92%,大于0.5的所占比例為3.58%。

氣溫和降水均為北疆天然草地植被覆蓋度的重要影響因子,且均多表現(xiàn)為促進作用,降水對北疆天然草地植被覆蓋度的促進作用更加明確,氣溫在一定條件下會對天然草地植被覆蓋度產(chǎn)生抑制。圖5

(a)年均氣溫 (b)相關(guān)分析結(jié)果

3 討 論

北疆1998～2018年平均天然草地植被覆蓋總體上呈現(xiàn)為中部和東部較低,北部、西部和南部較高的空間分布趨勢。分析北疆1998～2018年長時間序列天然草地植被覆蓋度,發(fā)現(xiàn)2010年天然草地年均植被覆蓋度最高,2008年和2014年較低。由于2010年北疆大部分地區(qū)平均氣溫有所升高,降水量為1961年以來歷史最多,氣候條件適合草地植被生長,而2008年北疆罕見大旱,空氣含水量不及往年,導(dǎo)致植被覆蓋度急劇降低[26]。水分對北疆天然草地植被長勢具有十分重要的影響[27-30],研究區(qū)北部、西部和南部山區(qū)地帶山頂常年積雪覆蓋,加之每年草地生長季總體氣溫較高,積雪融化水文條件較好,有利于植被生長。

研究在北疆天然草地植被覆蓋度時空變化分析中,尚欠缺從多角度分析影響天然草地植被覆蓋的因子,對于利用多種植被指數(shù)相結(jié)合進行反演天然草地植被覆蓋度和從多種方面分析不同氣象因子、地形因子等對天然草地植被覆蓋度的影響有待進一步研究。

4 結(jié) 論

4.1近20 a北疆天然草地植被覆蓋度空間分布差異較大,總體上呈現(xiàn)為中部和東部較低,北部、西部和南部較高的空間分布趨勢。尤其是北部的阿爾泰山、南部的天山和博羅科努山、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山草地植被覆蓋度大部分都在40%以上,而中部和東部的準噶爾盆地除局部地區(qū)外,天然草地植被覆蓋度大部分都在20%以下。

4.2近20 a研究區(qū)天然草地狀況為增加趨勢的有57.51%,天然草地狀況為降低趨勢的有42.49%。北疆天然草地植被增加趨勢的區(qū)域大于降低趨勢。

4.3近20 a北疆天然草地植被覆蓋度與年降水量呈負相關(guān)的比例為18.73%,呈正相關(guān)的比例為81.27%;北疆天然草地植被覆蓋度與年平均溫度呈負相關(guān)性所占比例為39.48%,呈正相關(guān)的比例為60.52%,北疆天然草地植被覆蓋度與年均降水量的相關(guān)性高于年均氣溫。