伊犁地区不同草地类型植被指数与气候因子的关系

曹孟磊，肖继东*，陈爱京，石玉，刘纪疆

（1.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.新疆生态环境遥感中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.新疆兴农网信息中心，新疆乌鲁木齐 830002）

伊犁地区不同草地类型植被指数与气候因子的关系

曹孟磊1，2，肖继东1，2*，陈爱京1，2，石玉1，2，刘纪疆3

（1.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.新疆生态环境遥感中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.新疆兴农网信息中心，新疆乌鲁木齐 830002）

基于2006—2012年主要生长季（5—9月）MODIS旬最大值合成NDVI数据，结合同期气温、降水插值栅格资料，采用均值法、线性回归法、相关系数法分析了伊犁河谷地区七大不同草地类型NDVI的时空变化规律及其对气象因子响应的敏感性及滞后性。结果表明：（1）伊犁河谷草地植被NDVI整体呈微弱增加趋势，其中，温性荒漠类草地的增加趋势略高于其他几种类型。（2）温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI主要受降水影响，即NDVI与生长季平均降水量呈极显著正相关，且平均降水量每增加1 mm，其NDVI分别增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。（3）不同草地类型与气温、降水存在不同的滞后响应，多数草地类型5月气温、降水与7月NDVI表现出显著相关性。其中，温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原NDVI受气温和降水共同影响，气温每升高1℃，NDVI分别减少0.020、0.028、0.027，降水每增加1 mm，NDVI分别增加0.002、0.003、0.003；高寒草原主要受降水影响，降水每增加1 mm，NDVI增加0.003；低平地草甸主要受气温影响，气温每升高1℃，NDVI减少0.016；温性荒漠、沼泽与气温、降水没有明显相关性。不同草地类型对水热因子的需求不同，是产生这种结果的主要原因。

草地植被变化；生长季NDVI；气候因子；相关性；伊犁地区

植被是陆地生态系统的主体，受气候变化影响明显，其生长与变化也影响着我们的生存环境[1]。植被通过光合作用与大气、土壤、水圈相互影响，是陆地生态系统中反映气候变化的一个重要指标[2]。归一化植被指数（NDVI）与植被覆盖度、叶面积指数、生物量和生产力等性状之间有着很好的关系，是植被和生态环境的有效指标，也被认为是植被生长状况及植被覆盖度的最佳指示因子，且NDVI的变化也与气候条件密切相关[3]。

草地作为我国陆地生态系统最大的天然屏障，近年来随着全球气候变化和人类活动干扰的增加，草地生态系统发生了明显变化[4]。在我国，天然草地是最重要的可更新资源之一，不仅是畜牧业经济发展的物质基础，而且在区域生态平衡，孕育少数民族文化等方面起着重大的作用[5]。随着科技的发展，遥感技术提供了大量连续的、多波段、多时相的地球表层信息，己成为获取地表植被覆盖变化信息最为经济有效的手段。通过遥感手段获取的归一化植被指数（NDVI），其时间序列的变化反映着植被的生长和变化，因而被广泛应用于大尺度植被活动状况的研究[6]。除此之外，通过遥感数据与气象数据的结合分析，能够更好地研究植被变化对气候因子的响应[7]。

近年来，国内外众多学者对于植被覆盖变化与气候的反馈作用进行了深入研究，如Nezlin N等应用NDVI和降水资料分析了咸海地区近20年季时间尺度上的相应特征[8]，Bajgiran P等应用NOAAAVHRR数据的NDVI和降水资料的相关分析来评估伊朗西北地区干旱状况[9]。徐浩杰研究了黄河源区2000—2011年植被生长季NDVI时空特征及其对气候变化的响应[10]。对伊犁地区的研究主要集中在伊犁河流域气候资源特点及其时空分布规律[11]，伊犁河流域草地类型特征及其生态服务价值[12]等，但对其不同草地类型与气候因子相关性的研究相对较少。

本文以伊犁河谷地区不同草地类型为研究重点，利用2006—2012年主要生长季（5—9月）MODIS卫星资料，采用最大值合成法（Maximum Value Composites）计算出旬、月、年NDVI产品，结合同期气温、降水数据，分析了伊犁河谷地区七大不同草地类型NDVI的时空变化规律及其对气象因子响应的敏感性及滞后性，找出气候变化对草地生长的影响机制和关键影响因子，以期为未来气候变化下的草地生态系统动态变化研究及草地资源保护提供重要理论依据。

1 研究区概况

伊犁河谷地处欧亚大陆中心（80°09′～84°56′E，42°14′～44°53′N），位于新疆天山西部[13]，整个区域地形复杂，地势东高西低、东窄西宽，东、南、北三面高山环绕，由于其“山谷—盆地—河谷平原”的独特地形地貌，可以大量接受陆地西风带来的湿润水汽[14]。全区主要为温带大陆性气候和高山气候，年降水量为200～800 mm，年均气温为2.9～9.1℃[15]。草地是伊犁河谷的主导生态系统，本文主要研究的草地类型有七大类，其中，温性草甸草原占伊犁地区总面积的4.48%，温性草原占10.83%，温性荒漠草原占4.07%，高寒草原占10.11%，温性荒漠占7.84%，低平地草甸4.43%，沼泽占0.33%。

图1 伊犁地区草地类型分布图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

NDVI数据主要来自新疆生态环境遥感中心提供的MODIS影像计算合成的NDVI旬产品，空间分辨率为1 km。为了尽可能地消除云、雾、水汽等对NDVI数值的影响，选用最大值合成法。先以每10 d为一旬进行最大值合成，再以每三旬的NDVI影像，做每月的最大值合成，以此为对应月份的NDVI数据[16]。由于草地生长季多集中于5—9月，因此遥感数据的时间跨度为2006—2012年5—9月。气象资料主要来自于国家气象中心和新疆气象信息中心。此外，还包括伊犁地区草地类型分布图、行政区划图、数字高程图。

通过气象站点获取的数据是有限、局部、离散的空间点数据，为了获取区域尺度上的数据，需利用空间内插和外推的方法获取气象要素的空间分布。

本研究先将伊犁地区气象站点地理信息导入Arcgis软件中，根据各个站点提供的气温和降水数据，利用克里格法对伊犁地区进行气象要素插值化。利用经过矢量化的伊犁地区草地类型分布图，根据草地属性分别提取7大类草地类型。结合Arcgis软件的空间分析，获取各草地类型与NDVI影像分辨率一致的气温及降水栅格影像。最终，运用Arcgis软件的栅格计算器，分别统计出各草地类型NDVI以及其对应的气象要素数据[17]。

2.2研究方法

本文主要采用均值法、线性回归法[18]、相关系数法[19]分析各草地类型NDVI变化特征，不同草地类型NDVI与各气象因子之间的敏感性及滞后性。

在相关系数法中P值检验是用来评估所述变量相关系数计算结果的“显著程度”。当P≤0.01时，表示两者极显著相关；当P≤0.05时，表示两者显著相关；当P>0.05时，则认为两者相关性不显著[20]。回归方法中F检验是通过方差分析表输出的，通过显著性水平检验回归方程的线性关系是否显著。一般来说，显著性水平在0.05以上，均有意义。T检验是针对回归方程中单个变量的系数进行显著性检验，当显著性水平在0.05以上时，自变量应保留在回归方程中，否则应排除。

3 结果与分析

3.1 不同草地类型NDVI年际变化特征

表1为伊犁地区不同草地类型NDVI年际变化表，可以看出，2006—2012年伊犁河谷地区草地生长季NDVI呈现出上升趋势，但各草地类型NDVI的线性回归方程均未通过显著性检验，表明其增加趋势并不显著。

表1 伊犁地区不同草地类型NDVI年际变化

图2为2006—2012年不同草地类型NDVI年际变化图。可以看出，温性草甸草原NDVI最大，其次为低平地草甸、温性草原、沼泽，温性荒漠草原与高寒草原比较接近，温性荒漠最小。其中，温性草甸草原、温性草原、低平地草甸、沼泽的NDVI多年平均值大于各草地类型的多年均值，温性草原、高寒草原的NDVI多年平均值接近于各草地类型的多年均值，温性荒漠草原、温性荒漠的NDVI多年均值小于各草地类型的多年均值。各草地类型的NDVI多年均值，最高值出现在2011年，达到了0.526，最低值出现在2008年，为0.424。

图2 2006—2012年不同草地类型NDVI年际变化

3.2 不同草地类型的NDVI季节变化特征

图3是不同草地类型2006—2012年5—9月的NDVI月变化曲线图。可以看出，5—9月是草地生长季，各类草地类型NDVI变化明显，均呈现出“倒U”型，但不同草地类型有不同的变化规律，温性草甸草原、高寒草原、温性荒漠、低平地草甸、沼泽的NDVI值均在7月达到最大，分别为0.645，0.564，0.344，0.609，0.604，温性草原、温性荒漠草原的NDVI值在6月就达到了最大值，分别为0.567，0.490，且温性荒漠类草地NDVI的变化幅度明显低于其他草地类型。

图3 不同草地类型5—9月的NDVI

3.3 不同草地类型生长季平均气温、降水量年际变化特征

图4、图5分别为2006—2012年不同草地类型生长季平均气温、平均降水量的年际变化图，可以看出，不同草地类型的平均气温、降水量年际变化趋势基本一致。就平均气温而言，2008年各草地类型的平均气温均达到了最高，2009年最低，其余年份波动不大，总体排序为沼泽>温性荒漠>低平地草甸>温性荒漠草原>温性草原>温性草甸草原>高寒草原。就降水量而言，2007年各草地类型的降水量均达到了最多，2008年最少，其余年份波动不大，总体排序为高寒草原>温性草甸草原>温性草原>温性荒漠草原>低平地草甸>温性荒漠>沼泽。由此也可看出，2008年气温偏高，降水偏少，对各草地类型NDVI产生了明显的影响，草地生长受到气温、降水共同作用，出现了历史最低值。

图4 2006—2012年不同草地类型生长季平均气温年际变化

图5 2006—2012年不同草地类型生长季降水量年际变化

3.4 不同草地类型NDVI与气温、降水的相关系数

由表2、表3可知，除温性荒漠草原外，其余草地类型的月平均NDVI与气温呈显著正相关（P< 0.05）。月均气温每升高1℃，温性草甸草原、温性草原、高寒草原、温性荒漠、低平地草甸、沼泽的NDVI分别增加0.015、0.010、0.041、0.006、0.022、0.020。月平均NDVI与降水量的相关系数，除了沼泽为负相关，其余草地类型均为正相关，月降水量每增加1 mm，温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性荒漠的NDVI分别增加0.003、0.004、0.004、0.001。低平地草甸、沼泽月均NDVI与降水量没有明显的相关性。

由表2、表4可知，温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、高寒草原年均NDVI与年降水量（5—9月）的相关系数均超过0.9（P<0.01）。年降水量每增加1 mm，温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI分别增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。各草地类型与气温呈负相关，且均未通过显著性检验，表明各草地类型年均NDVI与年均气温有一定相关性，但气温不是主要影响因子。

由此可见，在月尺度上，温性草甸草原、温性草原在气温达到生长要求后，随着降水的增加，加快了草场的生长发育速度；温性荒漠草原分布在降水量较少的区域，因此降水成为限制其生长的主要气象因素；高寒草原较其它草地类型海拔高，降水多，因此其生长对气温的依懒性较高；沼泽本身含水量丰富，因此其生长对气温的敏感性更强；温性荒漠的植被覆盖度较低，植被长势始终维持在较低水平，因此对气温、降水均不敏感。而在年际尺度上，各草地类型NDVI主要受降水影响，与气温呈负相关，说明了在生长季时期，积温达到其生长需求时，气温再升高，会抑制草地的生长，雨量增加，会促进草地的生长。

表2 不同草地类型NDVI与气温、降水的相关系数

表3 不同草地类型月平均NDVI与气温、降水的回归方程

表4 不同草地类型年平均NDVI与降水的回归方程

3.5 不同草地类型NDVI与气温、降水的滞后性分析

从表5可以看出，温性草甸草原5月NDVI与当月降水，6月NDVI与5—6月平均降水量均显著相关，当降水每增加1 mm时，各月NDVI都增加0.005。7月NDVI与5月气温、降水有显著相关性，气温每升高1℃，NDVI减少0.020，降水每增加1 mm，NDVI增加0.002。7月NDVI虽然与5、6、7月气温、降水均值的相关性显著，但其回归方程中只有降水通过显著性检验，3个月的平均降水量每增加1 mm，NDVI增加0.004。8月NDVI与5月的气温呈显著负相关，相关系数为-0.734（P<0.05），9月NDVI与气温、降水均未通过显著性检验。由此可见，温性草甸草原7月草地长势受5月气温、降水的共同影响。

表5 温性草甸草原各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

从表6可以看出，温性草原5月NDVI与当月温度降水未表现出显著相关性，6月的NDVI与5月、5—6月平均降水的相关系数分别为0.783（P< 0.05）、0.861（P<0.05）。5月降水与5、6月平均降水量每增加1 mm，NDVI分别增加0.004、0.006。7月NDVI表现出与温性草甸草原相同的相关性，主要受5月平均气温、降水的影响，气温每升高1℃，NDVI减少0.028，降水量每增加1mm，NDVI增加0.003。此外，6月气温每升高1℃，7月NDVI则减少0.053。8月、9月的NDVI只与降水相关，5—8月平均降水量每增加1 mm，8月NDVI增加0.004；8月降水与5—9月平均降水量每增加1 mm，9月NDVI分别增加0.003、0.007。

表6 温性草原各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

从表7可以看出，温性荒漠草原5月NDVI与当月气温显著相关，气温每升高1℃，NDVI减少0.040。7、9月NDVI与5月降水显著相关，降水量每增加1 mm，NDVI都增加0.003。7月NDVI与5月气温的相关系数为-0.809（P<0.05），气温每升高1℃，NDVI减少0.027。在7、8、9月3个月中前1月降水量与后1月NDVI之间均表现出显著相关性，上月的降水量每增加1 mm，下月的NDVI都增加0.003。这表明，温性荒漠草原生长前期，受气温降水共同影响，且作用一直持续到鼎盛期，而当草地进入衰退期时，降水成为其主要影响因子。

表7 温性荒漠草原各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

从表8可以看出，高寒草原7月NDVI与5月降水、5—7月平均气温显著相关，其相关系数分别为0.923（P<0.01），-0.787（P<0.05）。5月降水每增加1 mm，7月NDVI增加0.003；5—7月平均气温每升高1℃，7月NDVI则减少0.018。8月NDVI与6月降水相关系数为0.849（P<0.05）；降水每增加1 mm，NDVI增加0.002。当5—9月平均降水量每增加1 mm时，9月NDVI增加0.006。

表8 高寒草原各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

从表9可以看出，温性荒漠6月NDVI与5月气温显著负相关，相关系数为-0.780（P<0.05），气温每升高1℃，NDVI减少0.035。9月NDVI与8月降水显著相关，相关系数为0.842（P<0.05），当降水每增加1 mm，其NDVI增加0.003。其余各月同气温降水无显著相关性。

表9 温性荒漠各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

从表10可以看出，低平地草甸7月NDVI与5月气温相关系数为-0.784（P<0.05），气温每升高1℃，NDVI减少0.016。7月NDVI与当月、5—7月平均降水呈显著正相关，降水量每增加1 mm，NDVI均增加0.002。同温性荒漠一样，其9月NDVI与8月降水的相关系数是0.892，降水量每增加1 mm，NDVI增加0.003。其余各月未表现出明显相关性。

表10 低平地草甸各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

从表11可以看出，沼泽只有8月NDVI与6月降水表现出了相关，降水量每增加1 mm，NDVI减少0.002。其余各月未表现出明显相关性。

表11 沼泽各月NDVI与不同气温、降水条件的回归方程

以上分析表明，不同草地类型对气温和降水的响应存在不同的时滞性。主要是因为气温和降水对草地的控制，是通过提高土壤养分和水分的有效性，加速草地的生长[21]。温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、高寒草原在5月能够达到其生长积温要求，而气温越高反而增加土壤蒸发量，因此在7月对气温均表现出显著负相关。5月降水量的多少，决定了草地根部吸水保有量的多少，进而影响到7月草地的长势，所以7月对降水表现出显著正相关。温性荒漠本身植被稀疏，长势较差，所以对气温降水均不敏感。而低平地与沼泽均未表现出明显规律性。总之，多数草地类型7月NDVI受到5月的气象因子影响大，8、9月草地逐步进入枯萎期，受气象因子的影响不大。

4 结论

（1）2006—2012年间伊犁河谷草地植被整体呈微弱的增加趋势，其中温性荒漠类草地增加趋势略高于其他几种草地类型。本文研究的结论与相关文献中的结论略有不同，分析其原因是本文研究时间跨度不同，在其他时间跨度上分析出结果多数是NDVI呈下降趋势，而在本文的研究时间范围内，可能由于只考虑草地植被生长期的情况，因此NDVI略有回升。

（2）近7 a来，各草地类型生长季的平均气温有升高趋势，降水有微弱增加趋势[22]。2008年，气温达到了最高，但降水量最少，这对草地植被的NDVI产生重要影响，不利于草地的生长，因此2008年的NDVI是最低值。

（3）温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI在年际尺度上与生长季降水显著相关，降水量每增加1 mm，其NDVI分别增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。在月尺度上，温性荒漠草原主要受降水影响，降水量每增加1 mm，其NDVI增加0.004；高寒草原、低平地草甸、沼泽主要受气温影响，气温每上升1℃，其NDVI分别增加0.041、0.022、0.020；温性草甸草原、温性草原、温性荒漠受气温和降水共同影响，气温每上升1℃，其NDVI分别增加0.015、0.010、0.006，降水量每增加1 mm，其NDVI分别增加0.003、0.004、0.001。

（4）不同草地类型与气温和降水存在不同的滞后反应，主要是各草地类型7月的NDVI与气温降水表现出较好相关性。温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原7月的NDVI主要受5月气温和降水共同的影响，当气温每升高1℃，其NDVI分别减少0.020、0.028、0.027，降水每增加1 mm，其NDVI分别增加0.002、0.003、0.003。高寒草原7月的NDVI主要受5月降水影响，降水每增加1 mm，NDVI增加0.003。低平地草甸7月的NDVI主要受5月气温影响，气温每升高1℃，NDVI减少0.016。而温性荒漠、沼泽的7月NDVI与5月的气温和降水无明显相关性。不同草地类型对水热因子的需求不同，是产生这种结果的主要原因。

本文只分析了气温、降水2个气候因子与草地植被变化的相关性，而未将其他气候因子及人为因素纳入研究内容，因此在以后的研究中还需对引起草地植被变化的影响因素进行更深层次的研究。

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Relationships Between Different Types of Grasslands Vegetation Index and Climatic Factors in the Yili Region

CAO Menglei1，2，XIAO Jidong1，2，CHEN Aijing1，2，SHI Yu1，2，LIU Jijiang3
（1.Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Ecological Environment Remote Sensing Center，Urumqi 830002，China；3.Information Centre of Xinjiang Xingnong Net，Urumqi 830002，China）

Based on averaging method and linear regression method,MODIS growing season maximum NDVI datasets from 2006 to 2012 were used to analyze vegetation dynamics of Yili area different grasslands.Integrated with the same period of temperature and precipitation raster datasets, correlation coefficients were computed to characterize different grasslands in meteorological factors sensitivity and hysteresis.The results showed that：（1）A slight addition occurred in Yili area grasslands from 2006 to 2012.The temperate deserts increased slightly higher than other types.（2）The NDVI of temperate meadow grasslands,temperate grasslands,temperate desert grasslands, alpine meadow,lowland meadow showed a significant correlation with precipitation in growing season,when the average precipitation increased 1 mm,each type NDVI increased repectively by 0.005,0.006,0.007，0.004，0.003.（3）The NDVI of temperate meadow grasslands,temperate grasslands,temperate desert grasslands in July showed greater sensitivity to the interaction of temperature and precipitation in May.Temperature rose 1 degrees，each type NDVI decreased repectively by 0.020，0.028，0.027；precipitation increased 1 mm，NDVI increased repectively by 0.002，0.003，0.003.The precipitation in May affected alpine meadow NDVI in July.Precipitation increased 1 mm,NDVI increased 0.003.The temperature in May affected lowland meadow NDVI in July.Temperature rose 1 degrees,NDVI decreased 0.003.Other grassland types showed no significant correlation with temperature and precipitation.The main reasons for the results were that different grasslands had different requirements for hydrothermal factors.

grasslands vegetation changes；growth season NDVI；climatic factors；correlation；Yili area

S812

：B

1002-0799（2016）06-0073-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.011

2016-05-05；

2016-05-23

2015年气候变化专项“伊犁河谷地区草地植被变化对气候变化的响应”（CCSF201534）。

曹孟磊（1988-），男，助理工程师，主要从事遥感、气象灾害以及GIS在气象中的应用研究。E-mail：295610391@qq.com

肖继东（1961-），男，正研级高级工程师，主要从事生态安全、环境灾害、农情信息等领域的遥感动态监测与评价研究工作。E-mail：xjd_xj@126.com

曹孟磊，肖继东，陈爱京，等.伊犁地区不同草地类型植被指数与气候因子的关系[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：73-80.