新疆天然草地時空變化及其對氣候因子的響應

趙葦康， 井長青*， 陳宸

（1.新疆農業大學草業學院，新疆草地資源與生態重點實驗室，西部干旱荒漠區草地資源與生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830052； 2.黔南民族師范學院旅游與資源環境學院，貴州 都勻 558000）

近年來，在全球氣候變暖及人類活動加劇的背景下，陸地生態系統與氣候變化的關系是全球氣候變化研究的重要內容，草地是地球上面積最大的陸地生態系統，約占陸地總面積的25%，同時也是中國面積最大的陸地生態系統，約占中國土地面積的40%[1]。草地在全球碳循環和氣候變化方面扮演著重要的角色，而草地生態系統對全球氣候變化的響應十分敏感，因此，草地生態系統成為全球氣候變化的主要研究對象。新疆草地面積占全國草地總面積的14.6%，占新疆土地面積的34.4%，位居我國第3位[2]。

植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）是草地生態系統的核心要素之一[3?4]，由于NPP 與全球氣候變化關系密切[5?6]，因此在研究全球氣候變化方面具有重要意義[7]。NPP 是指在單位時間和單位空間綠色植被通過光合作用吸收的CO2凈量[8?9]，即綠色植被光合作用吸收的CO2量減去呼吸作用釋放CO2量的差值[10?11]。目前，采用遙感技術監測植被動態被廣泛應用。遙感數據中歸一化植被指數（normal difference vegetation index，NDVI）包含了植被覆蓋、生物量信息等，是研究植被變化的有效指標[12]。分析植被覆蓋變化常采用長時間序列的NDVI數據[13]。

近年來，許多學者在植被NPP、NDVI 對氣候變化的響應方面開展了大量研究。朱瑩瑩等[14]研究發現，植被NPP 對氣溫和降水量的響應具有空間差異；楊紅飛等[2]認為，新疆草地NPP 受氣候因素的影響，草地植被總體呈北高南低的趨勢；隨著氣溫和降水量的增加，草地NPP 呈現增加趨勢[15?16]；有些區域隨著氣溫的增加，草地NPP 呈現下降趨勢[17?18]。Li等[19]發現，1982—2013年中亞地區天然植被NDVI 呈上升趨勢；王桂鋼等[20]指出，新疆植被NDVI 具有明顯的空間差異，總體呈增加趨勢；李秀花等[21]研究表明，新疆植被NDVI 主要受降水量的影響；在全球干旱區，降水量是影響植被變化的主要氣候因子，與植被變化呈正相關；氣溫與植被變化呈負相關，且隨干旱程度的增加，氣溫對植被變化的促進作用逐漸減弱[22?23]。

在全球氣候變暖背景下，研究新疆草地NPP、NDVI 對主要氣候因子的響應以及未來新疆草地NPP、NDVI 的時空變化趨勢具有重要意義。本研究采用1985—2015 年逐年NPP 數據和1998—2015年逐年NDVI數據，分析新疆草地NPP、NDVI時空變化特征，進一步研究新疆草地NPP、NDVI與氣溫、降水之間的相關性，揭示影響新疆草地的主要氣候限制因子，為將來研究氣候變化對新疆草地的利用及管理提供一定的數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處新疆維吾爾自治區（34°22′—49°33′N，73°32′—96°21′E）（圖1），總面積為166萬 hm2。新疆獨特的地理環境特征為“三山夾兩盆”，其中三山包括北部的阿爾泰山脈、南部的昆侖山脈和中部的天山山脈；兩盆包括準噶爾盆地和塔里木盆地。由于地貌復雜多樣，新疆草地主要包括草原、草甸和荒漠草地3種類型[24]。新疆屬于典型的溫帶大陸干旱性氣候，年均溫北疆為4～8 ℃，南疆為10～13 ℃；年日照時數2 550～3 500 h；年降水量北疆為100～200 mm，南疆為20～100 mm；無霜期180～220 d；年蒸發量北疆為1 500～2 300 mm，南疆為2 100～3 400 mm。新疆草地面積5 700萬 hm2，主要分布在山區和盆地邊緣及各河沿岸，可利用面積4 800萬 hm2，占我國草地面積的14.5%，位居我國第三位。新疆草地受氣候和地形的影響，生態環境極其脆弱[2,25]。新疆最基本的天然草地利用方式是四季轉場放牧，北疆為夏牧場、春秋牧場和冬牧場；南疆為夏秋牧場和冬春牧場[26]。

圖1 研究區位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 研究方法

1.2.1數據來源及處理 數字高程模型（digital elevation model，DEM）數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn），空間分辨率為90 m，DEM 數據集是基于最新的SRTM（shuttle radar topography mission）數據經整理拼接生成，利用新疆行政區劃圖掩膜提取出新疆地區DEM 的柵格圖像。研究區基于審圖號GS（2019）3333號地圖制作（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn）。

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，空間分辨率為1 km，2015 年土地利用數據是基于Landsat 8 遙感影像，通過人工目視解譯生成。在ArcGIS的Spatial Analyst模塊下，對2015 年土地利用數據進行條件函數，選取高、中、低覆蓋度草地，最終得到新疆草地范圍。

NPP 產品數據來源于全球陸表特征參量（global land surface satellite，GLASS）產品（http://www.glass.umd.edu/Download.html），空間分辨率為0.05°（約5 km），將柵格數據重采樣至1 km，利用新疆草地范圍逐年掩膜提取出新疆地區1985—2015年NPP的柵格圖像。

NDVI 產品數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，空間分辨率為1 km。NDVI 數據集是基于連續時間序列的SPOT/vegetation NDVI衛星遙感數據，在月數據基礎上采用最大值合成法生成。利用新疆草地范圍逐年掩膜提取出新疆地區1998—2015年NDVI的柵格圖像。

氣象數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，空間分辨率為1 km，氣溫和降水量數據是基于全國2 400多個氣象站點日觀測數據，通過整理、計算，并使用Anusplin插值方法進行空間插值處理生成，該插值方法將海拔等協變量引入模型，精度更高。利用新疆行政區劃圖逐年掩膜提取出新疆地區1985—2015 年逐年年均溫度和降水量的柵格圖像。

1.2.2趨勢分析 以NDVI 為例，進行一元線性回歸分析，即年際變化率，計算公式如下。

式中，n為18（1998—2015年共18年），i為第i年，NDVIi為第i年的NDVI 均值。θslope為變化趨勢率，當θslope>0 時，說明變化趨勢為增加趨勢；當θslope<0時，說明變化趨勢為下降趨勢[27]。

1.2.3相關性分析 通常采用Pearson 相關分析法來測定2個要素之間相關程度，2個要素之間的相關系數r的計算公式如下。

式中，rxy為x與y變量之間的相關系數，xi和yi分別為第i年的NPP 或NDVI、氣象要素（年均溫、年降水量）值，xˉ和yˉ分別為2個變量的平均值。rxy的取值范圍為[-1，1]；rxy正（負）值的大小為該要素在n年內變化趨勢[28]。

1.3 數據統計與分析

使用ArcGIS 10.2軟件對新疆草地NPP、NDVI和氣象數據進行處理，采用SPSS 26.0軟件對新疆草地NPP、NDVI、氣溫及降水量的年際變化進行分析，并利用Origin 2018軟件繪制新疆草地NPP、NDVI、氣溫及降水量年際波動圖。

2 結果與分析

2.1 年均氣溫、年均降水量空間分布及時空變化

從空間分布來看，總體呈現盆地年均氣溫高于山區，而山區年均降水量多于盆地（圖2A 和B）。研究區1985—2015 年的年均氣溫總體呈波動上升趨勢（圖2C），31年間平均氣溫為5.9 ℃，其中年均氣溫最高值出現在2007 年，為6.9 ℃；最低值出現在2015 年，為4.2 ℃；極差2.7 ℃，波動幅度較大，從線性擬合結果來看年均氣溫上升率為0.021 ℃·a-1。

圖2 1985—2015年新疆年均氣溫、年均降水量空間分布及時空變化Fig. 2 Spatial distribution and spatial variation of mean annual temperature and annual precipitation in Xinjiang from 1985 to 2015

1985—2015年的年均降水量總體呈波動上升趨勢（圖2D）。31年間平均降水量為218.7 mm，其中年均降水量最高值出現在2007 年（311.7 mm）；最低值出現在2015年（133.1 mm）；極差178.6 mm，波動幅度較大，從線性擬合結果來看年均降水量上升率為0.592 mm·a-1。

對研究期間氣溫和降水量的變化率進行分析發現，81.3%的區域年均氣溫變化率呈上升趨勢，18.7%呈下降趨勢（圖2E）；年均降水量呈上升趨勢的區域占研究區的69.2%，呈下降趨勢的占30.8%（圖2F）。

2.2 新疆草地NPP、NDVI空間分布

由圖3 可知，新疆草地NPP 的空間分布呈北高南低的趨勢，全疆草地NPP 較高的區域主要分布在伊犁河谷、阿爾泰山山區等草地植被長勢較好的區域。NPP 均值普遍高于200 gC·m-2·a-1，甚至部分區域NPP 均值達500 gC·m-2·a-1。北疆自西向東NPP 均值逐漸降低；南疆除部分平原地帶外，大部分區域的NPP 均值低于100 gC·m-2·a-1。新疆伊犁河谷、阿爾泰山山區植被覆蓋最佳，NDVI 均值高達0.8 左右；全疆NDVI 均值呈西北向東南逐漸降低的趨勢，南疆塔里木盆地植被覆蓋極低，NDVI均值在0.2左右。

圖3 新疆草地NPP、NDVI均值空間分布Fig. 3 Spatial distribution of mean NPP and NDVI of Xinjiang grassland

2.3 新疆草地NPP、NDVI時空變化

從時間變化來看，新疆草地1985—2015 年間NPP 均值為80～140 gC·m-2·a-1，呈波動上升趨勢（圖4A）。31年間NPP均值為117.381 8 gC·m-2·a-1，極差為50.994 9 gC·m-2·a-1，波動較大，其中最大值為138.003 1 gC·m-2·a-1，出現在2013年；最小值為87.008 2 gC·m-2·a-1，出現在1989年。從空間變化來看（圖4B），新疆草地NPP 變化率在-7.039～19.435 gC·m-2·a-1，其中大于0 gC·m-2·a-1的區域占新疆草地面積的77.3%，小于0 gC·m-2·a-1的區域占22.7%。

圖4 新疆草地NPP、NDVI的時空變化Fig. 4 Temporal and spatial variation of NPP and NDVI of Xinjiang grassland

進一步分析了1998—2015 年間新疆草地NDVI時空變化，從時間變化來看（圖4C），新疆草地1998—2015 年NDVI 為0.27～0.34，呈波動上升趨勢，平均為0.296 4，極差為0.066 5，其中2010 年出現最大值（0.338 3），2001 年出現最小值（0.271 8）；從空間變化來看（圖4D），新疆草地NDVI 變化率為-0.032～0.054，其中NDVI 增加的區域占58.7%，NDVI減少的區域占41.3%。

2.4 草地與氣候因子的相關分析

2.4.1草地NPP 與氣候因子的相關分析 研究期間，草地NPP 與氣溫和降水量的相關性存在明顯的空間差異（圖5）。新疆草地NPP 與氣溫的相關系數為-0.83～0.82。草地NPP 與氣溫呈正相關的區域面積占新疆草地面積的70.7%；位于天山以南、準噶爾盆地邊緣地區及塔里木盆地邊緣地區的草地NPP 與氣溫呈負相關，面積占比為29.3%。新疆草地NPP 與降水量的相關系數在-0.64～0.83，其中草地NPP 與降水量呈正相關的草地面積占新疆草地面積的72.8%；草地NPP 與降水量呈負相關的草地面積占新疆草地面積的27.2%，主要分布在南疆地區。綜上所述，草地NPP與降水量呈正相關的草地面積大于與氣溫呈正相關的草地面積，且草地NPP 與降水量的相關系數高于與氣溫的相關系數。

圖5 1985—2015年新疆草地NPP與氣溫、降水量相關性的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of correlation between NPP and temperature and precipitation in Xinjiang grassland from 1985 to 2015

2.4.2草地NDVI 與氣候因子的相關分析 從空間上來看，研究期間草地NDVI 與氣溫和降水量的相關性存在明顯的空間差異（圖6）。新疆草地NDVI與氣溫的相關系數為-0.94～0.89，其中呈正相關的區域面積占新疆草地面積的54.6%；位于天山部分山區、阿爾泰山部分山區及昆侖山部分山區的草地NDVI 與氣溫呈負相關，面積占比為45.4%。新疆草地NDVI 與降水量的相關系數在-0.93～0.97（圖6），其中呈正相關的草地面積占新疆草地面積的79.2%；位于天山中部、阿爾泰山部分山區的草地NDVI 與降水量呈負相關，面積占20.8%。新疆草地NDVI 與降水量呈正相關的草地面積大于與氣溫呈正相關的草地面積，且與降水量的相關系數高于與氣溫的相關系數。

圖6 1998—2015年新疆草地NDVI與氣溫、降水量的相關性空間分布Fig. 6 Spatial distribution of correlation between NDVI and temperature and precipitation in Xinjiang grassland from 1998 to 2015

3 討論

本研究表明，1985—2015 年新疆草地NPP 均值總體呈上升趨勢，這與劉衛國等[29]和姜萍等[30]的研究結果一致。地形地貌引起的水熱差異是影響新疆草地NPP、NDVI 的主要因素[31?32]。楊紅飛等[2]發現，新疆草地NPP 呈北高南低的趨勢，主要受區域水熱條件的影響。新疆北部伊犁河谷、阿爾泰山山區等區域由于特殊的地貌使得北大西洋和北冰洋的濕潤氣流進入，成為新疆草地NPP 的高值區；而天山山脈阻隔了濕潤氣流繼續南下，導致新疆南部氣溫高，降水量少，造成新疆草地NPP的低值區主要分布在準噶爾盆地和塔里木盆地附近草地等生態敏感脆弱區，進而形成新疆草地NPP呈北高南低的空間分布。氣溫和降水量是影響草地NPP 的2 個重要氣候因子[33]。研究表明，新疆的氣溫和降水量總體呈增加趨勢[34?35]，與本研究結果一致。本研究發現，新疆草地NPP 與氣溫和降水量呈極顯著正相關（P<0.01），草地NPP與降水量呈正相關的面積占新疆草地面積的72.8%，與氣溫呈正相關的面積占70.7%，且與降水量的相關性高于氣溫，與賈瓔等[36]和陳宸等[37]研究結果一致。干旱是草地NPP 的限制因子，降水量的增加能有效地減少水分喪失，降低蒸散量，進而提高植被有機物的積累[30]。但在海拔較高的山區，降水量較為充沛，限制因子轉換為氣溫，相同海拔但溫度較高的山區更有利于植被的生長[38]。

自1982 年起，新疆草地年均NDVI 呈增加趨勢[25,39]，草地植被覆蓋度呈顯著上升趨勢[40]。本研究也表明，1998—2015年新疆草地NDVI均值總體呈上升趨勢，這與Chen等[41]、何航等[42]、張晉霞等[43]的研究結果一致。鄧興耀等[44]認為，草地NDVI變化與氣溫和降水量關系密切，影響植被覆蓋的主要因子是降水量，氣溫也顯著影響草地植被生長。本研究發現，北疆NVDI 均值總體高于南疆，可能是由于北疆具有獨特的氣候條件和豐富的降雨量；新疆草地NDVI 與氣溫呈負相關，但未達到顯著水平，與降水量呈極顯著正相關（P<0.01），草地NDVI 與降水量呈正相關的面積占新疆草地面積的79.2%，與氣溫呈正相關的面積占54.6%，且與降水量的相關性高于氣溫，與李佳秀等[45]的研究結果一致。在準噶爾盆地和塔里木盆地邊緣區域，氣溫升高對植被表現出明顯的阻礙作用，與前人的研究結果一致[46]。氣溫升高，蒸散量增大，對本就缺乏水資源的新疆十分不利，氣溫超過植被生長的最適溫度會影響植被的正常生長。降水量對新疆山區的植被覆蓋具有十分明顯的促進作用，全疆降水量總體呈增加趨勢，豐富的水資源為植被的生長提供了有利條件，進而提高了這些區域的植被覆蓋度。