1998—2018年北疆天然草地植被覆蓋度時空變化及其與氣象因子的關系

侯志雄， 井長青， 王公鑫， 郭文章， 趙葦康

（1.新疆農業大學資源與環境學院，新疆草地修復與環境信息重點實驗室，烏魯木齊 830052；2.新疆農業大學草業學院，烏魯木齊 830052）

全球氣候變化是全球變化與陸地生態系統（global change and terrestrial ecosystem，GCTE）研究的重要內容，得到國內外學者的高度重視[1]。全球氣候變化主要體現在對生態環境系統的變化、資源條件和生態脆弱敏感區的植被覆蓋度等方面的影響[2]。研究表明，伴隨著全球氣候變暖，中高緯度地區植被活動顯著增強[3]。植被是地表植物群落的總稱，作為生態系統的重要組成部分，是土壤、大氣和水分的連接紐帶[4]，在促進土壤形成與發育等方面起重要作用[5]。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[6]，可反映植被稀疏程度及地表狀況。植被作為表征全球氣候變化的綜合指示器，直接影響人類賴以生存的環境，植被結構和功能對氣候變化的響應能夠在一定程度上反映全球氣候變化的趨勢。植被與氣候的關系是生態系統研究過程中的重要內容，因此，了解北疆天然草地植被與氣候的相互作用機制具有重要的科學意義[7]。

20 世紀70 年代，遙感技術快速發展，已成為人類大范圍、實時監測地表植被強有力的工具[8]。Rouse 等[9]1974 年首次提出了歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）的概念，NDVI是近紅外反射（near infrared reflection，NIR）與紅光（red，R）之差除以NIR與R之和[10]。由于NDVI 計算簡單，且可以盡可能的減少儀器定標、地形、云等影響造成的誤差，對低植被覆蓋度識別敏感，是目前運用最廣泛的植被指數[11]。Lamchin 等[12]研究了蒙古國植被覆蓋度的變化特征，分析了研究區植被覆蓋度的變化趨勢。李雙雙等[13]研究了陜甘寧地區植被的時空變化特征，指出近10 年植被覆蓋度呈波動增長。Wang 等[14]通過分析南非植被覆蓋度與同期月、季、年降雨量的關系，指出降雨量與不同植被類型間存在一定相關性，不同植被類型對月降雨量存在滯后性，總植被覆蓋度對年降雨量具有一定的敏感度。Weiss 等[15]分析了1990—2000 年NDVI 數據與同期氣象數據之間的關系，指出美國新墨西哥州的氣候與干旱、半干旱地區不同類型植被的關系。Milich 等[16]在2000 年研究了氣候因子與西非牧場之間的相關性，表明生長季牧場植被與降水具有顯著相關性。張戈麗等[17]采用遙感反演呼倫貝爾近30 年的草地覆蓋度變化，分析表明該區草地覆蓋度與降雨的響應程度較好。李曉光等[18]反演了鄂爾多斯地區植被覆蓋度與氣候之間的關系，表明在干旱區草地覆蓋度對降水的響應呈顯著正相關，在冬季草地覆蓋度對氣溫的響應呈顯著正相關。丁明軍等[19]分析了青藏高原區植被覆蓋度與氣候因子之間的相關性，表明植被與氣溫、降水的響應度較好。目前對植被覆蓋度的研究主要集中在年際和生長季，對生長季不同月份間草地植被覆蓋度變化的研究相對較少。因此，研究北疆6、7、8和9 月天然草地植被覆蓋度變化及其與氣象因子的關系，對保護該地區草原生態、發展畜牧業和維持草地生態系統的穩定性具有重要意義。

北疆位于我國西北邊沿，地處亞歐大陸腹地，包括天山以北、阿爾泰山以南的區域，是新疆經濟繁榮的中心區域，屬于溫帶大陸性干旱/半干旱氣候，區域內干旱缺水，生態環境極其脆弱[20-21]。本文選取1998—2018 年MODIS-NDVI 數據，結合同期北疆氣象數據和土地利用數據，揭示北疆天然草地植被覆蓋度時空分布特征及其與降水、氣溫、日照時數、相對濕度的關系，為北疆天然草地的可持續利用以及為干旱區生態環境治理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北疆地處亞歐大陸腹地，草地面積廣闊，資源豐富，是我國重要的天然草地牧區之一，地理位置介于43°23′—49°10′N，79°57′—91°32′E 之間，在行政區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、阿勒泰地區、塔城地區、博爾塔拉蒙古自治州等地區[22]?！叭綂A兩盆”構成了新疆獨特的地形地貌，從南到北依次為昆侖山脈、塔里木盆地（塔克拉瑪干沙漠）、天山山脈、準噶爾盆地（古爾班通古特沙漠）、阿爾泰山。其中，北疆包括了阿爾泰山、準噶爾盆地（古爾班通古特沙漠）、天山山脈（圖1）。北疆地形復雜，以準噶爾盆地為中心，三面環山，形成明顯的地形單元，地勢西高東低，南北高中間低。中部的準噶爾盆地，南邊廣闊，北邊窄小，海拔500 m 以上[23]；北部的阿爾泰山平均海拔在3 000 m 以上，植被垂直分異比較顯著；南部的天山平均海拔約4 000 m，由一系列平行山脈組成，占新疆全區總面積的1/3，山脈內常年積雪，發育眾多冰川，南北兩側河流分布密度大[24]。

圖1 北疆高程圖Fig. 1 Altitude distribution in Northern Xinjiang

1.2 數據來源與處理

1.2.1 歸一化植被指數（NDVI）數據 從中國科學院資源環境與數據中心（www.resdc.cn）下載的NDVI數據為月度植被指數（NDVI）空間分布數據集[25]，時間為1998—2018 年，空間分辨率為1 km，是基于連續時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI 衛星遙感數據，采用最大值合成法生成，并在ArcGIS中對其進行投影轉換、掩膜提取。

1.2.2 土地利用數據 土地利用數據為來源于中國科學院資源環境與數據中心（www.resdc.cn）中國土地利用遙感監測數據，該數據集基于Landsat TM/ETM、Landsat 8 遙感影像，通過人工目視解譯生成，每5年為1個監測期，空間分辨率為1 km。

我國的土地利用一級類型主要分為6個，該分類整體準確性為92.9%[26-27]，分別是耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地。本研究主要使用一級分類中的草地作為研究區草地范圍確定的依據，選取包含研究時間段內1995、2000、2005、2010、2015和2020年的土地利用數據，使用ArcGIS軟件進行重分類，篩選出每年度的草地范圍，之后對各年度草地范圍進行疊加，在研究期間，只要某處有草地出現，即作為草地范圍進行研究。

1.2.3 氣象數據 氣象數據主要來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據中心（http://www.geodata.cn），包括逐月降水量、逐月日照時數、逐月相對濕度、逐月平均氣溫空間插值數據集，分辨率為1 km，并使用ArcGIS 進行投影變換、掩膜、運算及分析。

1.2.4 DEM 數據 從中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）下載DEM 數據，分辨率為90 m。利用ArcGIS 軟件進行拼接、掩膜等預處理后獲得研究所需數據。

1.3 研究方法

1.3.1 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的最常見方法，通常使用NDVI直接提取植被覆蓋信息。該模型假設影像中的像元只由草地植被和非草地植被組成。本研究選擇NDVI 作為參數，在ENVI 中分別將置信區間95%和5%的NDVI 值作為NDVIveg和NDVIsoil。其計算公式如下。

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域的NDVI 值；NDVIveg為有草地植被完全覆蓋區域的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平均。

1.3.2 變化率分析 常使用變化率對影像進行逐像元變化率分析，本研究NDVI 的變化率計算公式如下。

式中，i為年序號；NDVIi為第i年的NDVI 值；n為樣本量；θslope是NDVI在研究時間內的變化率，其為正值說明草地狀況改善，為負值則說明草地狀況趨于退化。

1.3.3 相關性分析 運用相關分析法研究天然草地植被覆蓋度與各氣象因子之間的關系，用相關系數R來具體描述，計算公式如下。

式中，Rxy為變量x、y的相關系數；xi為第i年的草地植被覆蓋度；yi為第i年氣象因子；xˉ為1998—2015 年月平均草地植被覆蓋度；yˉ為1998—2015年各氣象因子的平均值。

2 結果與分析

2.1 北疆1998—2018 年月平均天然草地植被覆蓋度時空變化

2.1.1 北疆天然草地植被覆蓋度的空間分布 由像元二分模型計算出1998—2018 年北疆各月天然草地平均植被覆蓋度之后，求得1998—2018 年北疆天然草地6、7、8、9 月平均植被覆蓋度，結果（圖2）表明，6 月平均天然草地植被覆蓋度為64%，7 月平均天然草地植被覆蓋度為62.2%，8 月平均天然草地植被覆蓋度為61.5%，9月平均天然草地植被覆蓋度為61.7%。總體來看，北疆天然草地植被覆蓋度呈現為中部和東部較低，北部、西部和南部較高的空間分布趨勢，可能是北部地區受北冰洋水汽的影響[28]，降水量較充足；西部和南部地帶山頂常年積雪覆蓋，積雪融化使水文條件較好；而中部干旱地帶降水少且蒸發強烈，存在大范圍的沙漠。

圖2 1998—2018年北疆天然草地月平均植被覆蓋度Fig. 2 Monthly average FVC of natural grassland in Northern Xinjiang from 1998 to 2018

2.1.2 北疆天然草地植被覆蓋度的時間變化 將1998—2018年長時間序列天然草地植被覆蓋度分為1998—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015和2015—2018年5個時段，對研究區天然草地植被的像元數值逐年取平均值，計算得出1998—2018年和5個時段北疆天然草地植被覆蓋度的月平均時間變化折線圖，結果（圖3）表明，北疆天然草地6 月平均植被覆蓋度呈現波動下降的生長趨勢，在5 個時間段中，1998—2000 年天然草地6 月平均植被覆蓋度較高，達65.5%；2015—2018年天然草地6月平均植被覆蓋度較低，為62.1%。其中1998—2000、2000—2005、2005—2010 年的6 月平均天然草地植被覆蓋度高于1998—2018 年6 月；2010—2015、2015—2018 年的6 月平均天然草地植被覆蓋度低于1998—2018年6月。

圖3 1998—2018年北疆天然草地分時段月平均植被覆蓋度Fig. 3 Monthly average FVC of natural grassland in Northern Xinjiang from 1998 to 2018

北疆天然草地7 月平均植被覆蓋度呈現波動下降的的生長趨勢，在5 個時間段中，1998—2000 年天然草地7 月平均植被覆蓋度較高，達64.3%；2010—2015 年天然草地7 月平均植被覆蓋度較低，為61%。其中1998—2000、2000—2005 年的7 月平均天然草地植被覆蓋度高于1998—2018 年7 月；2005—2010、2010—2015、2015—2018年的7月平均天然草地植被覆蓋度低于1998—2018年7月。

北疆天然草地8 月平均植被覆蓋度呈現波動下降的的生長趨勢，在5 個時間段中，2000—2005 年天然草地8 月平均植被覆蓋度較高，達63.4%；2015—2018年天然草地8月平均植被覆蓋度較低，為58.4%。其中1998—2000、2000—2005、2005—2010年的8 月平均天然草地植被覆蓋度高于1998—2018年8月；2010—2015、2015—2018年的8月平均天然草地植被覆蓋度低于1998—2018年8月。

北疆天然草地9 月平均植被覆蓋度呈現波動下降的的生長趨勢，在5 個時間段中，1998—2000 年天然草地9 月平均植被覆蓋度較高，達64.6%；2015—2018年天然草地9月平均植被覆蓋度 較 低，為57.5%。其 中1998—2000、2000—2005、2005—2010 年的9 月平均天然草地植被覆蓋度高于1998—2018年9月；2010—2015、2015—2018年的9月平均天然草地植被覆蓋度低于1998—2018年9月。

2.2 北疆天然草地NDVI變化率

圖4 是北疆1998—2018 年月平均天然草地NDVI 變化率空間分布。從空間上看，6 月研究區總面積45.7%天然草地的NDVI 呈上升趨勢，54.3%呈下降趨勢；7 月，55.9%天然草地NDVI 呈上升趨勢，44.1%呈下降趨勢；8 月，33.4%天然草地NDVI 呈上升趨勢，66.6%呈下降趨勢；9 月，29.2%天然草地NDVI 呈上升趨勢，70.8%呈下降趨勢。總體來看，1998—2018 年的6、8、9 月北疆天然草地NDVI 呈增加趨勢的區域均小于呈減少趨勢的區域，且減少趨勢的區域變化率多處于-0.01～0.00 之間；而1998—2018 年7 月北疆天然草地NDVI 呈增加趨勢的區域大于呈減少趨勢的區域，且呈增加趨勢區域的變化率多處于0.00～0.03之間。

圖4 1998—2018年北疆天然草地NDVI月平均變化率Fig. 4 Monthly average change rate of NDVI of natural grassland in Northern Xinjiang from 1998 to 2018

2.3 北疆氣象因子的空間變化特征

北疆多年月均氣溫有明顯的空間分異特征，區域內氣溫空間差異較大。如圖5 所示，1998—2015年的6月月均氣溫為10～25 ℃，平均19.77 ℃；7月為12～26 ℃，平均21.28 ℃；8月為12～25 ℃，平均19.87 ℃；9月為7～18 ℃，平均13.83 ℃。氣溫受海拔影響明顯，準噶爾盆地北部的阿爾泰山和南部的天山山脈、西部的塔爾巴哈臺山和阿拉套山年均氣溫較低，而盆地西南部的艾比湖為氣溫高值中心。

圖5 1998—2015年北疆氣象因子空間變化Fig. 5 Spatial variation of meteorological factors in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

北疆多年月均降水有明顯的空間分異特征，整體上呈現南北高中間低，西部邊緣高、中部和東部低，自北西南三面向中部遞減的趨勢。1998—2015 年6、7、8 和9 月北疆月均降水量分別為9～107、15～125、10～116和5～69 mm。北部主要受大西洋和北冰洋的水汽影響；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，受垂直地帶性分布的影響，加之山頂多年冰雪覆蓋，多年平均月降水量較高；中部和東部以古爾班通古特沙漠為中心三面環山且遠離海洋，水汽難以到達，因此多年平均月降水量較低。

北疆多年月均日照時數具有明顯的空間分異特征，1998—2015年6、7、8和9月北疆多年月均日照時數分別為250～335、263～340、259～327 和238～286 h。總體來看，1998—2015年6、7、8月的月均日照時數呈現北高南低，自北向南遞減趨勢；9月呈現東南高西南低，自東南向西南遞減趨勢。

北疆多年月均相對濕度具有明顯的空間分異特征，1998—2015 年6、7、8 和9 月月均相對濕度分別為35%～65%、36%～67%、35%～66%和35%～67%?？傮w來看，北疆多年月均相對濕度呈現出中部和東南低北部和西南高，自中部和東南向四周遞增趨勢。

2.4 北疆天然草地植被覆蓋度與氣象因子的關系

2.4.1 天然草地植被覆蓋度與氣溫的關系 如圖6 所示，1998—2015 年6 月占研究區總面積30.1%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈正相關，69.9%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈負相關；7月，18.4%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈正相關，81.6%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈負相關；8月，33.1%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈正相關，66.9%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈負相關；9月，77.1%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈正相關，22.9%的天然草地植被覆蓋度與平均氣溫呈負相關。整體來看，1998—2015 年6、7 和8 月平均氣溫與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域小于呈負相關的區域；9月平均氣溫與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域大于呈負相關的區域。

圖6 1998—2015年北疆天然草地植被覆蓋度與氣溫的相關分析Fig. 6 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and temperature in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

2.4.2 天然草地植被覆蓋度與降水的關系 如圖7 所示，1998—2015 年6 月占研究區總面積65.7%的天然草地植被覆蓋度與降水呈正相關，34.3%的天然草地植被覆蓋度與降水呈負相關；7 月，74.6%的天然草地植被覆蓋度與降水呈正相關，25.4%的天然草地植被覆蓋度與降水呈負相關；8月，75.4%的天然草地植被覆蓋度與降水呈正相關，24.6%的天然草地植被覆蓋度與降水呈負相關；9月，30.3%的天然草地植被覆蓋度與降水呈正相關，69.7%的天然草地植被覆蓋度與降水呈負相關。整體上來看，1998—2015年6、7和8月的月降水與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域面積大于呈負相關的區域；9月降水與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域小于呈負相關的區域。

圖7 1998—2015年北疆天然草地植被覆蓋度與降水的相關分析Fig. 7 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and precipitation in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

2.4.3 天然草地植被覆蓋度與日照時數的關系如圖8 所示，1998—2015 年6 月占研究區總面積59.7%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈正相關，40.3%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈負相關；7 月，24.7%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈正相關，75.3%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈負相關；8 月，34.4%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈正相關，65.6%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈負相關；9 月，80.8%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈正相關，19.2%的天然草地植被覆蓋度與日照時數呈負相關。整體上來看，1998—2015 年6 和9 月月均日照時數與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域大于呈負相關的區域，7和8月月均日照時數與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域小于呈負相關的區域。

圖8 1998—2015年北疆天然草地植被覆蓋度與月日照時數的相關分析Fig. 8 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and monthly sunshine hours in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

2.4.4 天然草地植被覆蓋度與相對濕度的關系如圖9 所示，1998—2015 年6 月占研究區總面積70.8%的天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈正相關，29.2%的天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈負相關；7 月，80.6%的天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈正相關，19.4%的天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈負相關；8 月，81.0%天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈正相關，19.0%的天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈負相關；9 月，49.9%天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈正相關，50.1%的天然草地植被覆蓋度與相對濕度呈負相關。整體上來看，1998—2015 年6、7 和8 月相對濕度與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域遠大于呈負相關的區域；9 月相對濕度與天然草地植被覆蓋度呈正相關的區域略微小于呈負相關的區域。

圖9 1998—2015年北疆天然草地植被覆蓋度與月相對濕度的相關分析Fig. 9 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and monthly relative humidity in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

3 討論

研究表明，氣候變暖是導致北半球中高緯度地區植被覆蓋度變化的主要因素[29-31]。本研究表明，北疆天然草地植被覆蓋度的變化主要受降水和相對濕度變化的影響，這可能與北疆地處干旱、半干旱地區有關[32]；氣溫、降水、日照時數、相對濕度均為北疆天然草地植被覆蓋度的重要影響因子，且多表現為促進作用，但相比較來說，降水和相對濕度對北疆天然草地植被覆蓋度的促進作用更加明確。從時間上來看，北疆天然草地植被覆蓋度與降水量、相對濕度等氣象因子關系密切，說明在干旱、半干旱區水分條件是影響天然草地植被覆蓋度變化的重要因素，水分增多有利于草地植被生長，與周丹等[33]研究結果一致，表明降水量對草地植被覆蓋度有重要影響。另外，氣溫和日照時數也是影響北疆天然草地植被覆蓋度重要氣象因子，這在9 月表現得最明顯，可能與9 月氣溫升高減緩或推遲了草地植被的枯黃期有關[34]。

總體來看，北疆天然草地在6、7、8、9 月的平均植被覆蓋度受降水、氣溫、日照時數、相對濕度和海拔的影響，空間上呈現降水較少、氣溫較高的中部和東部天然草地植被覆蓋度較低，而海拔較高、降水較多且相對濕度較高的北部、西部和南部天然草地植被覆蓋度較高，天然草地植被覆蓋度總體上由中部和東部向北部、西部和南部三面波動增加。北部地區受北冰洋水汽的影響[29]，其降水量較充足，西部和南部地帶山頂常年積雪覆蓋，積雪融化水文條件較好；中部干旱地帶降水少且蒸發強烈，存在大范圍的沙漠。21 年間北疆6、7、8、9 月的平均天然草地植被覆蓋度呈不顯著波動降低的趨勢，其中月均天然草地覆蓋度表現為6 月＞7 月＞9 月＞8 月。本研究尚欠缺從多角度分析影響天然草地植被覆蓋度的因子，對于利用多種植被指數相結合進行反演天然草地植被覆蓋度和從多種方面分析不同地形和人文因子等對天然草地植被覆蓋度的影響仍有待進一步研究。