新疆植被動態格局及其對氣候的時滯效應

王會靜 ，郭玉川 ，白運保 ，王 寧 ，魏 宣 ，周明通

（1. 新疆大學地理與遙感科學學院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學新疆綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊 830046）

0 引 言

植被作為陸地生態系統的重要組成部分，具有調節區域氣候、保護生物多樣性、實現生態系統物質循環與能量交換等重要作用[1-3]。植被生長主要受到降水、氣溫和太陽輻射等氣候要素的影響[4-5]，歸一化植被指數（NDVI）可以很好地表征植被覆蓋和生長情況，在不同時空尺度的植被動態變化監測中具有廣泛應用，是研究植被變化與氣候要素關系的首選指標[6]，開展植被變化與氣候要素關系的相關研究對定量評價未來氣候變化對植被的影響具有重要意義[7]。

近年來，國內外學者對不同尺度的植被空間格局動態變化以及植被與氣候因子的時滯效應開展了一些研究。研究表明，降水、氣溫以及太陽輻射等氣候要素對植被生長有一定驅動作用，在部分內陸區域植被是大氣水汽重要來源之一，因此植被變化對區域氣候環境也有一定的反饋作用[8-10]；NDVI 增長一般是氣候變暖增強了植物光合作用，導致生長季延長，或者是降水補充土壤水分促進植物養分的吸收[11]。但也有研究表明，在溫帶干旱區，增溫速率升高會加強水分蒸散，加劇干旱趨勢，對植被生長產生抑制作用[12]；春季和秋季降水增多伴隨著氣溫降低，影響植被的光合、呼吸以及蒸騰作用等各項生理活動之間的協調關系[13-15]。近年來，植被對氣候響應的研究不再僅限于分析對應時間下二者的相關關系，有學者認為植被對氣候要素的響應存在滯后效應[16]，例如從全球尺度來看，低緯度地區植被與氣溫之間存在明顯的滯后，干旱和半干旱地區植被與降水之間存在滯后效應[17]。也有學者在中國進行了植被與氣候要素時滯性研究，在中國北方地區，植被對氣溫存在較長的滯后時間；除云南外的南方地區，植被對降水存在1～3 個月的滯后時間[18]。因此，有必要進一步加強對植被覆蓋變化及歸因的研究，更深入地認識植被時空變化特征及其對氣候要素的響應，有效地監測生態環境變化。

目前對于新疆地區植被年際變化與氣候分析已有一些成果，現有研究多監測植被整體生長狀況或者單一植被變化情況，對不同類型的植被與氣候響應的滯后效應研究較少[19-22]。本研究采用新疆1982—2015 年逐月GIMMS NDVI 和CRU 降水、氣溫數據，植被類型數據，運用Sen + Mann-Kendall 趨勢分析、偏相關分析和時滯偏相關分析等數理統計方法，從月尺度探討新疆地區不同類型的植被對降水和氣溫兩種氣象因子的相關性和響應時間的滯后性，統計不同植被類型對氣候要素的響應時長，為生態環境對氣候變化的響應研究工作提供一定的借鑒。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于中國西北邊陲，地處亞歐大陸腹地，介于73°40′～96°23′E，34°25′～49°10′N 之間，由北向南依次為阿爾泰山、準噶爾盆地、天山、塔里木盆地、昆侖山，具有“三山夾兩盆”的特殊地貌。新疆年平均氣溫為9～12 °C，年日照時數長，光熱資源豐沛，干旱多風，降水較少，年均降水量約150 mm，植被稀疏，是典型的溫帶大陸性干旱氣候[23]。新疆植被類型具有地帶性差異（圖1），山區多為森林、草原和草甸，植被覆蓋度較高，平原區多為人工灌溉的栽培植被，植被覆蓋度波動較大，荒漠區多為稀疏的灌木和短命植被，呈現低矮稀疏、分布不均勻、整體植被覆蓋度較低的特點[24-25]。

圖1 新疆植被類型圖Fig.1 Vegetation type map of Xinjiang

1.2 數據來源與處理

本文植被變化分析主要采用15 d 合成的GIMMS NDVI 3 g.v1 數據(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/)，數據時間范圍1982—2015 年。該數據集是NOAA Global Inventory Monitoring and Modeling System (GIMMS)發布的歸一化植被指數產品，空間分辨率為0.083°，時間間隔15 d，該數據集時間序列長，數據來源、處理方法以及時空分辨率具有較好的一致性，滿足本研究的需求。本文采用最大值合成法（Maximum Value Composite,MVC）計算月尺度和年尺度NDVI 數據，該方法可以很大程度去除大氣噪聲[26]，代表植被月內和年內最佳生長狀態。經過多次試驗，將NDVI 值小于0.1 的像元標記為水域、沙漠、鹽堿地等地類的無植被覆蓋區域。

降水和氣溫數據采用英國氣候研究所全球CRU TS v4.06（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.06/）格網數據集。該網格化數據集來自4 000 多個氣象站，并基于空間自相關函數進行插值，空間分辨率為0.5°，時間范圍是1901—2021 年[27]。為保證與NDVI 數據集時間范圍相匹配，故僅使用1982—2015 年的降水與氣溫數據集，經過裁剪得到研究所需的新疆地區數據。基于ArcMap 中雙線性插值法將氣象數據重采樣為0.083°。

植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.Resdc.cn)1∶100 萬中國2000 年植被類型圖。由于本研究主要分析植被的變化，因此對非植被區進行合并，最后形成包含針葉林、高山植被、栽培植被、闊葉林、灌叢、草原、草甸和其他8 種類型的分類圖，基于ArcMap 中最鄰近法重采樣，使其空間分辨率與NDVI 和氣象數據一致，裁剪后形成研究區植被類型分布(圖1)。

1.3 研究方法

1.3.1 Sen + Mann-Kendall 趨勢分析

研究采用Sen 趨勢分析法，對新疆NDVI 時間序列變化趨勢進行計算，得到1982—2015 年新疆植被NDVI年際變化率，使用Mann-Kendall 檢驗法對NDVI 變化趨勢進行顯著性檢驗。Sen 趨勢分析是一種非參數統計趨勢分析方法，具有樣本不需要服從特定的分布，且不受序列中空值和異常值干擾的優點，有較好的抗噪性[28]。Sen 趨勢分析公式為

式中β為所有數據對斜率的中值，即植被的變化趨勢度；median()表示取中值函數；i、j為時間序數；Xi、Xj為時間序列第i、j的NDVI 值；當β＞ 0，表示時間序列內NDVI 呈現上升趨勢，當β＜ 0，表示NDVI 呈下降趨勢。

Mann-Kendall 是一種非參數檢驗方法，可以判斷數據變化趨勢的顯著性[29]。計算公式為

其中

式中Z為標準化后的檢驗統計量；S為檢驗統計量；n為數據集合長度。本研究在置信水平α=0.05 上對新疆NDVI 年際變化趨勢進行顯著性檢驗，當檢驗結果|Z|＞1.96 時，認為變化趨勢顯著，當|Z|≤1.96 時，認為變化趨勢不顯著。

1.3.2 時滯偏相關分析

研究采用逐像元時滯偏相關分析，探究1982—2015年月尺度NDVI 與降水量、氣溫之間的最大偏相關系數及滯后時間，分析降水和氣溫對植被年內生長的影響。以往研究表明，植被對氣候因子的滯后時間在一個季度以內[17]，因此，本研究基本步驟為分別計算植被NDVI與當月、前推1 個月、前推2 月以及前推3 個月降水和氣溫的偏相關系數，然后對這4 組偏相關系數進行比較，將對應位置最大像元值進行合成，得到最大偏相關系數，表征植被與氣候因子之間的最大相關性，滯后時間則為最大偏相關系數對應的滯后期。計算過程為[30]

1）計算不同時滯下NDVI 與降水和氣溫之間的相關系數。

式中RNP、RNT分別為不同時滯下NDVI 與降水和氣溫的相關系數；RPT為不同時滯下降水和氣溫之間的相關系數；m為序列長度；Nm、Pm、Tm分別為NDVI、降水、氣溫序列；k為滯后時間，根據以往研究，植被對氣候的滯后性通常小于等于c/4，本研究是月尺度數據，c=12，則k最大值取3；和分別為降水和氣溫序列均值；和分別為第(m+k)個時滯的NDVI 均值和降水均值。

2）根據偏相關系數計算公式，結合不同時滯下相關系數，得到不同時滯下的偏相關序列。

式中RNP-T為不同時滯下剔除氣溫影響，NDVI 與降水的偏相關系數；RNT-P為不同時滯下剔除降水影響，NDVI與氣溫的偏相關系數。最后，采用t 檢驗方法完成偏相關系數的顯著性檢驗。以上計算過程通過MATLAB R2018b 編程實現。

2 結果與分析

2.1 新疆植被時空特征

計算1982—2015 年新疆地區NDVI 多年平均值，得到新疆NDVI 空間分布情況（圖2a）。總體來看，新疆NDVI 在空間分布上具有明顯差異，表現出北疆高于南疆、西部高于東部的空間格局。伊犁河谷、天山山脈、阿爾泰山山脈年均NDVI 相對較高，環準格爾盆地和塔里木盆地的綠洲次之，塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫木塔格沙漠幾乎無植被，年均NDVI 最低。對不同植被類型對應的年際NDVI 進行統計，得到1982—2015 年新疆不同植被NDVI 變化情況（圖2b）。新疆地區34 a 期間，各種植被類型平均NDVI 由大到小依次為針葉林、栽培植物、草甸、灌叢、草原、闊葉林、高山植被，各植被類型NDVI 平均值分別為0.63、0.45、0.38、0.32、0.29、0.24、0.17。整體來看，栽培植物年均NDVI 呈現增長趨勢，其他類型的植被均呈現相對平穩態勢，年際間有小幅度波動。

圖2 新疆NDVI 空間分布和不同植被NDVI 變化Fig.2 Spatial distribution of NDVI and changes of NDVI in different vegetation in Xinjiang

由圖3a 可以看出過去34 a 新疆植被的時空變化趨勢，1982 年以來，環塔里木盆地的綠洲和天山山脈北側植被呈上升趨勢，準噶爾盆地西部和東部、伊犁河谷地區植被呈下降趨勢。

將趨勢分析結果與置信水平α=0.05 的MK 檢驗結果進行疊加，將植被變化趨勢劃分為顯著改善、不顯著改善、不顯著退化、顯著退化和穩定不變5 個類別，并對不同類型占總面積比例進行統計（圖3b）。顯著改善的區域占20.6%，不顯著改善的區域占3.3%，穩定不變的區域占65.7%，不顯著退化的區域占10.4%，不存在顯著退化的區域。總體來看，新疆34 a 來植被增加的區域大于退化區域，植被變化整體呈現變綠趨勢。

2.2 植被年內變化對氣候響應的時滯效應

在0～3 個月滯后期情況下，分別計算NDVI 與降水和氣溫的偏相關系數，將對應位置最大像元值進行合成，對不同植被類型變化趨勢所占的比例進行統計（圖3c），除針葉林外，每種類型的植被改善區域均大于退化區域，其中針葉林退化區域最大，占24.2%，栽培植被的改善區域最大占75.3%，這與圖2b 栽培植物年均NDVI 呈現增長趨勢一致。得到最大偏相關系數，作為NDVI 對氣候因子的最大響應強度，進一步得到NDVI 對降水和氣溫的滯后時長，結果如圖4 所示。

圖4 1982—2015 年新疆NDVI 與降水的偏相關系數、最大偏相關系數及滯后時間Fig.4 Partial correlation coefficient, maximum partial correlation coefficient and lag time between NDVI and precipitation in Xinjiang from 1982 to 2015

從圖4a～4d 來看，NDVI 對降水的響應時間存在滯后效應，從圖4e 來看，NDVI 對降水的最大偏相關系數呈現北部低，中部和南部高的空間格局，在天山山脈、昆侖山以及阿爾金山海拔較高的區域最大偏相關系數高，在準噶爾盆地偏相關系數低，表現出盆地低山區高的特征。具體來說，最大偏相關系數為負的區域僅占植被區的5%，主要分布在準噶爾盆地北側和西側、昆侖山南緣；最大偏相關系數大于0.8 的區域主要在天山、昆侖山以及阿爾金山，占新疆植被面積的16%；最大偏相關系數介于＞0.6～0.8 的區域面積最大，占31%，分布在環塔里木盆地的綠洲區、伊犁河谷以及天山北側；最大偏相關系數介于＞0～0.3 和＞0.3～0.6 的區域在準噶爾盆地和吐哈盆地，占比分別為20%和28%。從圖4f 的滯后時間來看，新疆地區72%的植被區對降水有1～3 個月的滯后，平均滯后時間為1.1 個月，其中準噶爾盆地地區，滯后期長達3 個月。

從圖5a～5d 來看，植被NDVI 對氣溫的響應時間存在滯后，從圖5e 來看，NDVI 與氣溫的最大偏相關系數呈現北部和西南部高，中部低的特征，最大偏相關系數大于0.8 的區域僅占新疆植被區的2%；最大偏相關系數介于＞0.6～0.8 的區域主要在阿勒泰地區和昆侖山西段，占18%；最大偏相關系數介于＞0.3～0.6 的區域面積最大，介于＞0～0.3 的區域次之，占比分別為51%和25%，分布在新疆中部和北部；最大偏相關系數小于0 的區域占新疆植被區的4%。從圖5f 植被對氣溫響應的滯后時間來看，有70%的植被區域對氣溫存在滯后響應，平均滯后時長1.4 個月。其中滯后1 期的區域所占面積比例最大，為36%，主要分布在塔里木盆地北緣綠洲，以及準噶爾盆地周邊；滯后3 期的區域集中在天山、昆侖山地區，吐哈盆地也有零散分布，占植被區面積的27%。

圖5 1982—2015 年新疆NDVI 與氣溫的偏相關系數、最大偏相關系數及滯后時間Fig.5 Partial correlation coefficient, maximum partial correlation coefficient and lag time between NDVI and air temperature in Xinjiang from 1982 to 2015

2.3 不同植被類型與氣象因子的時滯分析

將研究區內劃分針葉林、高山植被、栽培植被、闊葉林、灌叢、草原、草甸7 個植被大類，針葉林和高山植被多分布于山區，闊葉林、灌叢、栽培植被多分布在平原區，草原和草甸山區和平原區都有分布。不同植被在生長期對水熱條件的需求均存在差異，植被類型影響植被NDVI 與降水和氣溫的相關程度，也會影響植被NDVI 對降水和氣溫的響應時間。不同植被類型與降水和氣溫的最大偏相關系數和滯后時間如圖6 所示。

圖6 不同植被類型NDVI 與降水和氣溫的最大偏相關系數及滯后時間Fig.6 Maximum partial correlation coefficient and lag time of different vegetation types NDVI with precipitation and air temperature

從不同植被所對應的最大偏相關系數（圖6a）來看，不同植被類型NDVI 與降水的相關性均高于氣溫。降水與植被NDVI 的最大偏相關系數介于0.5～0.7 之間，而氣溫與植被NDVI 的最大偏相關系數介于0.3～0.5 之間。降水與植被NDVI 的最大偏相關系數由大到小依次為：草甸、灌叢、針葉林、草原、栽培植被、闊葉林、高山植被，表明在新疆地區降水是草甸、灌叢、針葉林的主要促進因子，降水對高山植被的影響最弱；氣溫與植被NDVI 的最大偏相關系數由大到小依次為：闊葉林、栽培植被、灌叢、高山植被、草原、草甸、針葉林，表明在新疆地區氣溫對闊葉林的影響最強，對針葉林的影響最弱。

從不同植被所對應的滯后期（圖6b）來看，不同類型植被NDVI 對降水的平均滯后時長均大于氣溫。不同植被類型與降水的平均滯后時長介于1.4～2.3 個月之間，而植被NDVI 對氣溫的平均滯后時長介于2.0～3.1 個月之間。總體來看，新疆地區植被對降水的響應時間比氣溫的響應時間快，即新疆地區植被對降水的敏感性比氣溫強。不同植被類型對氣候要素的響應時間有一定差異，不同植被對降水的響應時長由大到小依次為：高山植被、闊葉林、灌叢、草原、草甸、栽培植被、針葉林，表明新疆地區高山植被對降水的響應時間最慢，針葉林對降水響應時間最快；不同植被對氣溫的響應時長由大到小依次為：高山植被、草甸、針葉林、草原、灌叢、栽培植被、闊葉林，表明新疆地區高山植被對氣溫的響應時間最慢，闊葉林對氣溫的響應時間最快。

3 討 論

本文研究表明，1982—2015 年新疆植被呈現變綠趨勢，在南疆和北疆之間存在明顯差異，主要受到自然環境要素的綜合影響。一方面，新疆氣候呈暖濕化趨勢，降水是干旱半干旱地區植被生長的重要決定因素，充足的水分可以通過影響土壤養分遷移、提高土壤微生物的活性，驅動植物養分吸收，促進植物生長[31-32]。另一方面，由于新疆獨特的地形地貌，北疆降水量比南疆更豐沛，土壤水分相對充足，沿天山山脈一帶植被覆蓋度高，而南疆地區有世界第二大流動沙漠，北側的天山和南側昆侖山阻隔水汽，降雨少蒸發大，導致植被低矮稀疏，植被覆蓋度低[21]。從局部來看，伊犁河谷地區呈現出顯著退化趨勢，有研究認為是由于當地過度超載放牧導致草地退化[33]，人類活動在一定程度上也會主導植被的變化進程[24]。

新疆地區植被對降水和氣溫的響應均表現出一定程度滯后響應的特性，并且植被對降水的響應比氣溫更快，這與已有研究中的新疆地區植被對降水敏感性更高的結論相一致[34]。氣候對植被的影響通常不是一次性的，而是需要在一段時間內進行積累，才能對當前植被生長產生較大的影響，積累效應通常需要更長的時間才能體現出來，而滯后效應則更容易被觀察到[35]。不同類型的植被對氣候因子的相關性和滯后時長存在差異，這可能與不同植被分布的海拔地形以及植被自身特性有關[36]。新疆的降水量總體上隨海拔升高而增加，氣溫隨海拔上升而降低[37]，山區海拔由高到低分布著高山植被、草甸、針葉林、草原，其中只有高山植被對降水的響應速度很慢，這可能與高山植被多分布在冰川周圍有關，也可能是到達一定海拔范圍，植被對降水的敏感性會顯著降低。不同類型的植被自身特性不同，與喬木相比，灌木和草本植被的根系大多分布在淺層土壤中，并且木質化較少，對降水格局變化的響應速率不同[38]，另外多年生的喬木和灌叢相對生長量比一年生植物低，對外界環境變化抵抗力更強[39]。

植被NDVI 變化受到很多要素的影響，是一個很復雜的過程，本文只研究了氣候要素中降水和氣溫與植被變化的關系，其他氣候要素[40]、地形地貌[36]、土壤性質[41]以及人類活動[36]等因子并未進行深入探討，這是今后有待進一步研究的內容。本文采用的植被類型數據出版于2001 年，多年來新疆土地利用類型和植被類型都發生著變化，人工綠洲和建設用地擴張，草地和林地面積減少，但目前沒有更好的長序列的植被類型數據可以使用[42]。盡管以上問題會對研究結果的確定性產生一些影響，但本文的研究成果對認識新疆地區不同類型植被對氣候變化的響應機制仍具有參考價值，能夠為新疆環境生態建設和植被保護方面提供科學參考。

4 結 論

本文以新疆1982—2015 年GIMMS NDVI 數據集，以及CRU 降水和氣溫數據集為基礎，利用Sen + Mann-Kendall 趨勢分析、時滯偏相關分析和數理統計等方法，綜合分析了新疆植被時空變化特征，重點分析了植被對降水和氣溫的滯后響應，對比了不同類型的植被對氣候要素響應的差異性。主要結論如下：

1）新疆地區植被呈現北疆高于南疆、西部高于東部的空間格局，1982—2015 年34 a 期間，天山山脈北段和環塔里木盆地的綠洲NDVI 顯著增加，伊犁河谷地區植被呈現退化趨勢，整體來看，新疆地區植被增加區域大于退化區域，植被呈現出增長趨勢。

2）在0～3 個月滯后期情況下，新疆有72%植被區域對降水的響應存在滯后性，平均滯后時間為1.1 個月，有70%的植被區域對氣溫的響應存在滯后性，平均滯后時長1.4 個月，NDVI 與降水的相關性比氣溫更強，植被與氣候要素時滯相關系數越高的區域，響應速度越快，總體上看，新疆地區植被對降水更為敏感。

3）不同類型植被與降水和氣溫的響應程度不同，在新疆地區降水是草甸、灌叢和針葉林的主要促進因子，氣溫對闊葉林的影響最強，不同植被與降水的時滯偏相關系數均高于氣溫，不同植被對氣溫的響應時間均長于降水。