基于树木年轮的呼图壁河流域草地归一化植被指数重建1)

高卫东 袁玉江 张瑞波

(济南大学，济南，250002) (中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室(中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所))

全球气候变化对陆地生态系统的影响及陆地生态系统的响应是全球变化研究的重要内容［1］。遥感数据可以为植被监测和地表覆被变化研究提供更好的手段。INDV(Normalized Difference Vegetation Index)是根据植被反射波段特性计算得到的归一化植被指数，它能较好地反映植被绿度及生长状况［2］。至今人们已经总结出40余种植被指数，但是，由于INDV可以消除大部分与仪器定标、太阳高度角、地形、云阴影和大气有关辐照度的变化，增强了对植被的响应能力。因此，INDV是目前应用较广泛的植被指数，并且被广泛地用于植被-大气相互作用诊断的研究领域。

高分辨率的树木年轮资料具有定年精确、连续性强、分辨率高和易于取样等特点，在全球变化和环境研究方面，树木年轮分析已成为重要的技术途径［3］。它不仅可以制成年轮年代表，用作判定年代，而且年轮状况可以作为环境变动的“记录器”，探讨历年各种环境因子，甚至季节的变化。树木年轮宽度数据提供了有关树木生长对气候变化的响应，可以评估森林净第一性生产力(Net Primary Productivity，PNP)和验证来自其它净第一性生产力模型得出的结论［4］。如果树木年轮资料能够可靠地预测植被INDV的变化，它就可能成为用于研究重建植被变化新的代用指标。已有研究发现年轮指数与INDV值有很好的相关关系，在西伯利亚阿拉斯加，树木年轮宽度与最大晚材密度和森林INDV均呈正相关［5-6］。在西伯利亚，树轮宽度变化趋势与森林生长季INDV变化趋势有很好的空间相关关系［7］。Kaufmann等［8］发现，在北美中高纬度地区和亚欧大陆树木年轮与6、7月份森林的 INDV变化相关。Wang J等［9］研究发现，橡树的树轮宽度与同生长季整个区域的INDV值有非常好的相关关系。袁玉江利用树轮年表重建和预测了天山北坡牧草产量［10］;梁尔源等研究发现，在内蒙古东部和青藏高原东北部生长季草地INDV与树木年轮宽度有重要的相关关系［11］;何吉成等［12］在德令哈的研究也发现，生长季草地INDV与树木年轮指数密切相关。在国内针对树木年轮与INDV关系的研究较少，针对新疆地区树木年轮的研究也多集中在气候重建、同位素分析等方面，为此，文中利用新疆的树木年轮资料，结合遥感资料研究树木年轮指数与生长季草地INDV之间的关系。

1 研究区自然概况

呼图壁河流域地处 86°5'～87°8'E，43°7'～45°20'N，流域南北长258 km，东西宽40 km，总面积为10 255 km2。流域处在中纬度西风带控制之下，属温带干旱气候。境内光热条件良好，四季分明，平原地区平均气温6.7℃，年降水量167 mm，无霜期180 d，全年日照总时数3 090 h，稳定在10℃以上的年有效积温为3 553℃。呼图壁河上游山区支流呈树枝状分布，两岸有一级支流30条，其中10条支流源头在冰川和永久积雪区，其余支流皆源于中、低山区，主要靠季节性积雪消融和夏季降水补给［13］。研究区草地面积38.46万hm2，占土地面积的43.5%;未利用土地28.45万hm2，占土地面积的32.17%。

2 材料与方法

树轮采集:树木年轮资料取自天山北坡中部的呼图壁河流域，共设6个采样点，均位于原始森林，海拔2 167～2 606 m。每个采样点采集树木20株以上，每株钻取样芯2根(图1、表1)，采样树木是森林带林缘区立地条件较差的和石崖上的雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)，采样年份为 2003年。气象资料取自呼图壁气象站，所用资料为1960—2003年月降水量。

图1 树轮采样点和气象站分布示意图

表1 呼图壁河流域树木年轮资料来源地的基本概况

树木年轮年表的研制均遵循以下过程:1)按照样本的基本处理程序，对树轮样本进行干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度为0.001 mm的轮宽测量仪和MeasureJ2X程序进行轮宽测量;2)用国际年轮库的COFECHA定年质量控制程序进行交叉定年的检验，以确保每一生长年轮具有准确的日历年龄;3)采用ARSTAN年表研制程序完成树轮宽度年表的建立。

考虑到重建的可靠性，本文气候重建序列起始年代取年表子样本信号强度SSS(subsample signal strength)＞0.85，在此时段有足够的样本量，即保证样本量的变化对树轮宽度指数序列方差的影响不大，又保证定年的准确和量测的宽度有总体代表性。将研究区域所有标准化年表取SSS＞0.85，截齐后进行互相关分析，起止年代为1662—2001(n=340)。互相关表明，除BIG、AYS和KYS相关仅通过0.05的显著性检验外，其余年表两两相关均通过0.01的显著性检验，表明这3个年表对区域的代表性可能较差，因此，在进行树轮对INDV重建的过程中将此3个年表剔除。

草地INDV的数据采用经过辐射校正和几何粗校正的NOAA-AVHRR数据源(1981—2001)，再进一步对每日、每轨图像进行几何精校正、除坏线、除云等处理，进而进行INDV计算及合成。计算公式为INDV=1 000×(b2-b1)/(b2+b1)，式中:b1、b2为AVHRR的第1、2通道。计算完成后再对结果影像两两比较，选出INDV最大的值作为研究对象。本文所用的NOAA/AVHRR-NDVI是每15 d合成的最大化INDV数据，分辨率为8 km，结合2000年全国土地利用数据，利用Erdars、ENVI等软件提取研究区生长季草地月最大INDV值。

3 结果与分析

3.1 INDV的变化特征及与降水量的关系

西北地区的植物生长期一般在5—10月。从呼图壁河流域多年平均逐月INDV的变化(图2)可以看出，研究区的INDV在1—3月和11—12月几乎没有变化，维持在全年的低值水平，表明这些时段植被基本停止生长。从4月开始，研究区降水量增加，INDV开始上升，从 0.32 增长到 5 月的 0.48;6、7、8 月份依然保持较高的降水量，INDV增加迅速，7月份达到全年的最大值(0.73)，8月依然维持INDV的高值，7、8月份是植被生长最为繁茂的时期;随后INDV减小，植被开始枯萎。年内变化上，研究区多年INDV变化基本一致，与研究区降水的年内分布一致，说明该地区生态系统的地上生物量受降水的影响较大，降水量与INDV的相关系数为0.695，降水量对INDV的影响有所滞后(图2)。

图2 呼图壁河流域植被INDV变化与降水量的关系

3.2 INDV与树轮指数的关系及INDV序列重建

在天山山区开展的大量的树木年轮研究表明，这一区域树木和草地生长主要的限制因子是降水，特别是在春季、夏末和秋初，短命植被对降水的反应极为敏感，故本文选取研究区草地INDV值进行重建。研究发现，在研究区INDV最大值、最小值、均值以及极差中，与树木年轮资料相关性最好的是草地INDV最大值。通过对呼图壁河流域标准化年表和生长季草地最大INDV的分析发现，当年生长季草地最大INDV与树木年轮指数有较好的相关关系，干旱区草地对气候影响的反映相对于树木比较灵敏，草地最大INDV对降水量的增减反映可以很快体现出来，而树木的生长往往存在滞后现象。夏末、秋初草地最大INDV与树轮指数的相关性较好，赛热克巴依萨依(SRK)、希热克久热特(SRK)和希勒木布尔克(XLM)3个标准化年表与生长季草地最大INDV相关系数分别为 0.61、0.82 和 0.75，这也反映了在夏末、秋初草地对降水的反应较灵敏。通过检验和重建的计算发现，研究区9月INDV最大值与所选年表有很好的相关性，重建结果可靠，所以本文选取研究区草地9月INDV最大值与相关较好的3个标准化年表进行重建。

将呼图壁河流域草地9月最大INDV与相关较好的3个标准化年表序列进行多元回归分析，最终得到最佳转换函数:

INDV9=0.123-0.106TSRK+0.198TXRK+0.04TXLM。

式中:INDV9为呼图壁河流域1662—2001年(共340 a)草地9月最大 INDV重建值;TSRK、TXRK、TXLM分别代表赛热克巴依萨依、希热克久热特和希勒木布尔克当年的标准化年表。由该方程可以重建呼图壁河流域草地9月最大INDV值(图3)。重建方程的相关系数达到0.86，校准期内，重建值对实测值的方差解释量为73.0%(调整自由度后的方差解释量=0.69)。检验值为:F(3，16)=17.21，达到 0.000 012的显著性水平，重建方程具有较好的稳定性，重建结果是可靠的。有遥感观测资料以来的该流域草地最大INDV值与重建值比较表明，二者具有很好的一致性(图4)，INDV重建值与陈峰等［14］研究得出的呼图壁河流域的草地最大INDV重建值与高卫东等［15］得出的天山北坡的降水重建值也有很好的一致性(图5)，INDV重建值与天山北坡的降水重建值相关系数可以达到 0.74。

图3 呼图壁河流域草地1662—2001年9月最大INDV重建

图4 呼图壁河流域草地9月最大INDV的重建值和实测值

结合滤去小于8 a的高频周期振动的低通滤波(图6)和11 a滑动平均值(图3)，对重建的9月草地INDV序列进行阶段分析发现:1662—2001年间，研究区9月草地INDV大概经历了9个持续时间较长的偏高阶段和9个偏低阶段，草地生长较好的时期有1684—1700、1723—1739、1772—1780、1801—1817、1827—1851、1895—1905、1878—1882、1923—1959、1994—2001，草地生长较差的时期有1669—1683、1701—1722、1740—1751、1787—1800、1818—1826、1852—1877、1883—1894、1906—1922、1960—1993。从《新疆通志》的气象志和相关的历史数据中可以了解到，新疆民国初年延续了清末的冷湿气候，1917—1929年暖干阶段的中后期天山山区降水量增加，1930—1940年为冷湿阶段。在20世纪40年代的短暂暖干期内，新疆北疆地区干旱加剧，蝗灾频发，1943、1944、1948年的年 INDV值偏小，INDV重建值的1701—1722年偏干阶段和1923—1959年偏湿阶段与之对应。

图5 呼图壁河流域1662—2001年9月草地月最大INDV重建值与天山北坡1662—2001年降水重建值的关系

图6 呼图壁河流域1662—2001年9月草地月最大INDV重建值距平

3.3 草地重建INDV序列的检验

为了进一步检验树轮INDV重建值的稳定性和可靠性，采用国际年轮研究中常用的“逐一剔除法”进行交叉检验。“逐一剔除法”的具体实施过程为:在校准期中，剔除其中某一年的值，建立回归方程，然后将所剔除年的年表值代入此方程，得到相应年份气候要素的估计值。重复上述过程，直至得到整个重叠时段气候要素的估计序列，并与实测值进行对比，用以检验回归方程的稳定性。利用“逐一剔除法”，从相关系数R1、一阶差相关系数R2、符号检验值S1、一阶差符号检验值S2、误差缩减值RE和乘积平均数t等几个方面对重建方程进行交叉检验。如果这些检验统计量中某几个能通过检验，误差缩减值大于0.3，则说明该重建方程是稳定的，由其重建的降水量是可靠的。方程检验值分别为:R1=0.681，R2=0.65，S1=29/40，S2=32/41，RE=0.473，t=5.979，各重建方程的符号检验值均通过99%的置信度检验;RE值大于0.3，可见重建方程是稳定可靠的，可以利用原方程重建天山北坡中部过去338 a的降水量变化。

4 结论

利用天山北坡中部呼图壁河流域6个标准化年表，筛选出有区域代表性的3个年表，结合1981—2001年NOAA-AVHRR-NDVI资料提取研究区生长季草地各月最大INDV值。分析发现:当年生长季草地最大INDV与树木年轮指数有较好的相关关系，夏末、秋初草地月最大INDV与树轮指数的相关性较好。将呼图壁河流域草地9月最大INDV与相关较好的3个标准化年表序列进行多元回归分析，重建了1662—2001年研究区9月草地最大INDV值，重建方程的相关系数达到0.86，重建值对实测值的方差解释量为73.0%(调整自由度后的方差解释量0.69)，达到0.000 012的显著性水平。将有遥感观测资料以来的该流域草地最大INDV值与重建值比较表明，二者具有很好的一致性，重建结果通过检验，是可靠的。

结合低通滤波和11 a滑动平均值对重建的9月草地INDV序列进行阶段分析发现:1662—2001年间，研究区9月草地INDV经历了9个持续时间较长的偏高阶段和9个偏低阶段。从《新疆通志》的气象志和相关的历史数据中查证，1930—1940年为冷湿阶段，在20世纪40年代的短暂暖干期内，新疆北疆地区干旱加剧，蝗灾频发，1943、1944、1948年的年INDV值偏小，INDV重建值的1701—1722年偏干阶段和1923—1959年偏湿阶段与之对应。

致谢:NOAA/AVHRR-NDVI数据下载于国家自然科学基金委“中国西部环境与生态科学数据中心，http://westdc.westgis.ac.cn”。

［1］ 傅伯杰，牛栋，赵士洞.全球变化与陆地生态系统研究:回顾与展望［J］.地球科学进展，2005，20(5):556-560.

［2］ 马明国，角媛梅，陈国栋.利用NOAA-CHAIN监测近10 a来中国西北土地覆盖的变化［J］.冰川冻土，2002，24(1):68-72.

［3］ 吴祥定，邵雪梅.树木年轮资料的可靠性分析:以陕西华山松为例［J］.地理科学进展，1997，16(1):51-56.

［4］ Graumlich L J，Brubaker L B，Grier C C.Long-term trends in forest net primary productivity:Cascade mountains，Washington［J］.Ecology，1989，70(2):405-410.

［5］ Malmström C M，Thompson M V，Juday G P，et al.Interannual variation in global-scale net primary production:Testing model estimates［J］.Global Biogeochemical Cycles，1997，11(3):367-392.

［6］ D’Arrigo R D，Malmstrom C M，Jacoby G C，et al.Correlation between maximum latewood density of annual tree rings and NDVI based estimates of forest productivity［J］.International Journal of Remote Sensing，2000，21(11):2329-2336.

［7］ Shishov V V，Vaganov E A，Hughes M K，et al.Spatial variation in the annual tree-ring growth in Siberia in the past century［J］.Doklady Earth Sciences，2002，387A:1088-1091.

［8］ Kaufmann R K，D’Arrigo R D，Laskowski C，et al.The effect of growing season and summer greenness on northern forests［J］.Geo-physical Research Letters，2004，31，L09205，doi:10.1029/2004GL019608.

［9］ Wang J，Rich P M，Price K P，et al.Relations between NDVI and tree productivity in the central Great Plains［J］.International Journal of Remote Sensing，2004，25:3127-3138.

［10］ 袁玉江.利用树轮年表重建和预测天山北坡牧草产量［J］.干旱区资源与环境，1989，3(1):81-89.

［11］ Liang E Y，Shao X M，He J C.Relationships between tree growth and NDVI of grassland in the semi-arid grassland of north China［J］.International Journal of Remote Sensing，2005，26(13):2901-2908.

［12］ He Jicheng，Shao Xuemei.Relation between tree-ring width index and NDVI of grassland in Delingha［J］.Chinese Science Bulletin，2006，51(9):1106-1114.

［13］ 耿峻岭，高玲，陈建江，等.新疆呼图壁河流域水文特征分析［J］.干旱区研究，2005，22(3):371-376.

［14］ 陈峰，袁玉江，魏文寿，等.天山北坡呼图壁河流域近313年降水的重建与分析［J］.干旱区研究，2009，26(1):130-135.

［15］ 高卫东，袁玉江，张瑞波，等.树木年轮记录的天山北坡中部过去338 a降水变化［J］.中国沙漠，2011，31(6):1-5.