北疆生态功能区降水气温时空变化及其与NDVI相关性分析

王计平，郭仲军，程 复，张启斌，马 欢，于一雷

(1.中国林业科学研究院国家林业局盐碱地研究中心，北京100091;2.新疆林科院森林生态研究所，乌鲁木齐830000;3.水利部水土保持监测中心，北京100055;4.北京林业大学林学院，北京100083;5.中国林业科学研究院湿地研究所湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京100091)

北疆生态功能区降水气温时空变化及其与NDVI相关性分析

王计平1，郭仲军2，程 复3，张启斌4，马 欢4，于一雷5

(1.中国林业科学研究院国家林业局盐碱地研究中心，北京100091;2.新疆林科院森林生态研究所，乌鲁木齐830000;3.水利部水土保持监测中心，北京100055;4.北京林业大学林学院，北京100083;5.中国林业科学研究院湿地研究所湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京100091)

降水和气温是两个最重要的气候因子，也是影响植被分布和变化的主要因子之一。以多年平均降水、气温、NDVI、积雪深度等数据为基础，基于生态功能区划，分析了北疆不同气候要素变化及其与NDVI的变化相关关系。结果表明:北疆大部分地区趋向于湿润化，特别是准噶尔盆地中心区，降雨变化趋势线的斜率介于1.15～1.42之间;局部高海拔山区年平均降水量呈明显减低趋势，降雨变化趋势线斜率最低到－0.209;北疆整体有暖化趋势，且气温增加幅度从高山到低地表现出明显梯度，其变化趋势线斜率从高山处的2.04降低为盆地处的－0.044。北疆NDVI与年平均降水、温度变化密切相关，表现出明显的功能区划差异，应重视加强生态功能区划水平上的植被建设与调控。

NDVI时间序列数据集;生态功能区;空间变化;气候要素;相关分析

地表温度和降水是影响植被分布、生长和演替的重要气候因素，而植被变化也是全球及区域气候变化的重要影响因子之一。在干旱半干旱地区，地表温度和降水对地表植被恢复与稳定性具有决定性作用［1］。新疆北疆是我国西北地区一个相对独立的生态功能单元，受天山山脉、阿勒泰山和准噶尔盆地山盆相间地理分布格局决定，北疆气候、植被条件较为独特，以气候梯变、干旱少雨、植被稀疏、自然景观多样为主要特征，生态较为脆弱，一直是西北地区生态保护和植被恢复的重点地区［2］，由于空间尺度大，荒漠、绿洲、草原、山地森林等多生态系统共生共融，也成为宏观生态学研究的热点区域［3－4］。特别是随着以“气候变暖”为标志的全球气候变化过程的发生和人类经济活动的增强，气候要素和植被活动的变化更是成为人们关注的焦点问题［5］。北疆地区近年来气候暖湿化的变化趋势使当地植被条件发生了显著改变，研究时间序列NDVI数据变化与主要气候因子变化的相关性具有重要意义。

近年来随着定量遥感研究的逐步深入，基于植被光谱数据快速、大范围、动态获取植被信息已成为植被遥感研究、生态监测的一种重要手段和方法。植被指数就是运用遥感技术定性或定量估算植被状况、实现大面积动态监测的一种常用遥感指标，其中运用最广泛、最容易获取的就是归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，它是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。目前最常用的植被数据集有AVHRR-NDVI、SPOT-VGE NDVI等［6］，已经在我国植被恢复、土地利用/覆被变化、物候分析方面开展了较多的应用性研究，关注重点主要为气候变化影响下植被时空变异机制，如张永、陈发虎等在西北地区较大尺度的研究表明，该地区增温趋势比全国要高［7］;刘宪锋、任志远等人的研究发现植被NDVI变化与气温、降水变化关系密切［8］;王海军等人的研究则表明了植被变化与气候变化间的空间差异性和生长季响应滞后现象［9］;韦振锋等人的研究肯定了人类活动和植被建设对NDVI上升的积极作用［10］。在新疆地区，多数研究表明受气候“暖湿化”影响，植被总体呈现增加趋势，但存在明显空间分异［11－12］。然而利用空间相关分析手段，定量研究北疆地区气候暖湿化对区域植被条件改善程度的研究并不多，相关研究还有待于深化。全国生态功能区划是依据区域生态环境敏感性、生态服务功能重要性以及生态环境特征的相似性和差异性而进行的地理空间分区，自提出以来，基于生态功能区划单元开展植被与气候相互关系的案例还不多，特别是在西北较大空间尺度地区鲜有相关的研究。本文以北疆为对象，基于北疆生态功能区划(图1)探讨主要气候要素时空变化及其与NDVI相互关系。旨在为区域植被建设宏观指导和分级管理提供一定支撑。

1 研究区概况

研究区位于天山山脉以北，43°22＇～49°33＇N，东经78°11～96°18＇E，南北宽772km，东西长1 295km，总面积约为44.87万km2。由天山山脉、阿尔泰山山脉及其中间夹带的准格尔盆地组成，构成了高山与盆地相间的地形单元(图2)。受新生代构造运动作用，天山中、西部上升过程强烈，山势高峻。准噶尔盆地是中国第二大盆地，地势东高西低，其中部是古尔班通古特沙漠。准噶尔盆地边缘地带为山麓绿洲，是农牧业生产的主要区域。

2 研究方法

2.1 数据来源

数据包括NDVI数据集、降水数据集、气温数据集、生态功能区划图和行政区划图。其中，1981—2006年 GIMMS NDVI(Global Inventory Monitoring and Modeling Studies)数据来自于寒区旱区科学数据中心，空间分辨率为8km×8km，时间分辨率为15d，采用卫星数据的格式记录了全球植被的变化情况本文用到的数据共538景;1978—2005年来逐日的全国范围的积雪厚度数据集(25km×25km)同样来源于寒区旱区科学数据中心，空间分辨率为25km，用于反演该雪深数据集的原始数据来自美国国家雪冰数据中心(NSIDC)处理的SMMR(1978—1987年)、SSM/I(1987—2008年)和 AMSR－E (2002—2012年)逐日被动微波亮温数据;1961—2000年降水数据(1km×1km)、1961—1998年气温数据集(1km×1km)来源于人地系统主题数据库;生态功能区划图来源于中国生态系统与生态功能区划专题数据库。各类数据集图像均经过几何精校正、除坏线、除云等处理过程。

图1 北疆生态功能区划Fig.1 Ecological function regionalization of north Xinjiang

图2 北疆地理位置图Fig.2 Geographical location map of the study area

2.2 数据处理与分析

2.2.1 最大值合成法

NDVI值最大值合成法(Maximum Value Composites，MVC)是根据研究需要，将NDVI按月、季或年中各旬数据取最大值，进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰。根据研究需要，本文取一年中所有半月或旬数据的NDVI最大值MNDVI作为植被覆盖数据。计算公式如下:

式中:MNDVI为第i年的最大化NDVI值，是一年内像元内植被覆盖最好的时期NDVI值;INDVI为第i年第j旬或半月的NDVI值。

2.2.2 气象要素变化趋势分析

采用趋势线分析法模拟研究时段内各气象要素包括气温与降水的空间变化趋势，计算公式如下式:

式中:n为监测累计年数;Pj为第j年气象要素值;Rslope是趋势线的斜率，若 Rslope＞0，说明该气象要素在n年间的变化趋势是增加的，反之则是减少。具体计算时采用一元线性回归法计算趋势线斜率，变化趋势显著性检验采用T检验法。

2.2.3 植被NDVI变化与气温 降水间的相关性分析

植被NDVI变化与气候因子之间的关系采用相关分析法。利用ArcGIS 9.3软件提取每一栅格像元年均NDVI值，不同数据集经栅格重采样处理，使其空间分辨率统一到8km。并逐像元计算年均NDVI值和年均温、年降水量之间的相关系数。本文利用Pearson相关系数表示植被与气象因子之间的相关性，计算公式如下:

式中:Rxy为年均NDVI值和年均温、年降水量间的相关系数;Xi为第i年的年均NDVI值;Yi为i年的年均温度、降水量值;X－为多年平均NDVI值;Y－为多年平均温度、降水量、积雪深度等。两变量间的显著性检验采用T检验法。

3 结果与分析

3.1 主要气候要素时空变化分析

3.1.1 降水

1961—2000年间，除局部高山区域外(2%)，北疆大部分区域内年平均降水量呈增加趋势，其中一半以上区域降水量增加达到显著性水平(n=40，p＜0.05)，集中分布于准噶尔盆地和伊犁河谷一带(图3)，特别是准噶尔盆地内荒漠、绿洲及其交错区，年平均降水量增加明显，达到极显著水平(n=40，p＜0.01)(图4)。统计表明，Rslope变动范围处于0.334～0.603间的降水增加区面积比重为16%，0.604～0.874间的区域占27%，0.875～1.14间的区域达到了北疆总面积的 29%，介于 1.15～1.42的面积占到24%。这说明北疆大部分地区气候趋向于湿润化，而在局部高海拔区年平均降水表现减少。降水量大面积增加可能对北疆植被恢复及其格局演变产生决定性影响。

图3 北疆降水时空变化趋势Fig.3 Observed trend of precipitation in North Xinjiang

图4 北疆降水年际变化显著性区域分布Fig.4 Inter-annual significance spatial distribution of rainfall in North Xinjiang

3.1.2 气温

1961—1998年北疆境内大部分区域年平均气温呈增加趋势(图5)，伊犁河谷昭苏盆地南部区域年平均气温呈急速上升趋势，面积比例为1.62%，乌孙山、科古琴山、婆罗科努山等高海拔山区、中天山山脉及博格达峰一带年平均气温增温明显，呈快速上升趋势，面积比例为6.29%;天山北坡、昭苏盆地、阿尔泰山南坡、准噶尔盆地西部山地及北疆东部荒漠戈壁年平均气温现缓慢上升趋势，面积比例为40.83%;古尔班通古特荒漠、伊利河谷低地平原等区域年平均气温轻微增加，面积比例为51.23%，而年平均气温呈轻微降低的区域面积仅为0.03%。这说明北疆整体气候不断趋于暖化，且气温增加幅度从高山到低地表现出明显的梯度格局。天山北坡山区气温变化格局及快速上升态势可能会加剧北疆冰川消退速度，从北疆积雪深度年际变化趋势空间分布图粗略看出，天山北坡中段、西段及阿尔泰山南坡积雪深度年际变化呈明显降低趋势(图6)，这与气温增温格局在空间上具有耦合性。由于本文采用的积雪深度数据空间粒度较大，在描述积雪变化上具有一定局限性，积雪深度分配格局及其气温相互关系尚待进一步细化解析。

3.2 主要气候要素与NDVI空间相关性分析

3.2.1 降水－MNDVI

利用1981—2000年年平均降水栅格数据与同期MNDVI数据集进行相关分析(图7)，Pearson相关系数空间分布表明，北疆大部分区域MNDVI与年平均降水呈现明显正相关关系，集中分布于伊犁河谷、婆罗科努山南坡、古尔班通古特东部、阜康—木垒绿洲农业区、乌苏—石河子—昌吉一带。MNDVI与降水相关性检验表明，北疆中部准噶尔盆地大部分区域降水与MNDVI呈现显著正相关(图8)，其中局部地带二者正相关程度达到了极显著水平(n=20，P＜0.01)。相反，天山北坡中段高山森林与草甸、哈尔克他乌—那拉提、阿尔泰山山地森林等植被覆盖区MNDVI与降水表现为明显负相关，其中天山北坡中段、伊利河谷上游区域二者负相关程度达到极显著水平。这表明该降水增加没有对该区域植被恢复产生明显促进，可能与气温快速上升、强烈人为干扰有关，其形成机制和原因分析有待进一步深化。

图5 北疆气温年际变化趋势Fig.5 Observed trend of temperature in North Xinjiang

图6 北疆积雪深度年际变化趋势空间分布Fig.6 Observed trend of inter-annual snow depth spatial distribution in North Xinjiang

图7 MNDVI与年平均降水栅格空间相关性Fig.7 Spatial distribution of the correlation between MNDVIand annual average rainfall

图8 MNDVI与年平均降水相关性显著性空间分布Fig.8 Spatial distribution of significance of the correlation between MNDVIand annual average rainfall

基于北疆生态功能区划对年降水与同期MNDVI空间相关性进行统计(表4)，分析表明:在生态区I内，年降水 －MNDVI呈正相关性面积比例达到78.33%，且该生态区内3个生态亚区I－1，I－2和I－3二者正相关面积均大于呈负相关性的面积，其中准噶尔盆地西部山地森林草原亚区(I－3)内呈现为正相关关系的区域面积比例最大，为91.23%，其次为额尔齐斯—乌伦古河荒漠草原生态亚区(I－2)，为90.35%。这种格局和态势表明，年降水变化对准噶尔盆地西北部森林草原植被具有明显主导作用，随着降水量不断增加，植被趋于改善面积和程度均会得到提高。在生态区II内，年降水－MNDVI呈正相关的面积达到了该区域总面积的95.73%，为北疆3个生态区中最大，在该生态区内，4个生态亚区内年降水和MNDVI正相关区域均占有极大比重，这意味着降水变化非常有利于准噶尔盆地荒漠生态区植被改善。在天山山地森林与草原生态区(III)内，降水 －植被 MNDVI正相关面积比例占69.54%，有近1/3面积二者表现为负相关。相比而言，阿尔泰山南坡西伯利亚落叶松生态亚区植被－降水呈负相关区域面积比例最大，达到了42.63%，因此可以看出，在北疆山地或高山地区降水与植被间的耦合促进关系并不明显，但这一现象还需做更深入调查来解析。从不同生态功能区降水－植被MNDVI相关性检验结果空间分布统计来看，准噶尔盆地荒漠生态区(II)内呈现显著正相关性的面积最大，比例达66%以上，天山山地森林与草原生态区(III)最小，为27%。然而该区域出现显著负相关的区域面积比例也达到6%以上，为3个生态区内最高，这说明，年降水量变化对不同生态功能区MNDVI变化影响的显著程度在空间上表现出一定的差异性，且其变异水平山地高于平原。

表4 不同生态功能区降水与植被MNDVI相关性分析Tab 4 .Correlation analysis between rainfall of different ecological functional area and MNDVIof vegetation

3.2.2 气温－MNDVI

以栅格为基本单元，利用北疆1981—1998年年平均气温数据与同期MNDVI数据进行相关分析(图9)，结果表明，天山北坡西段、伊犁河谷地区、阿尔泰山南坡是年平均气温与MNDVI呈正相关集中分布区域，且局部地段二者相关性达到了极显著性水平(n=18，P＜0.01)(图10)。与之相反，在天山和阿尔泰山中间的低地盆地内大部分单元二者呈明显负相关。这说明气温与植被相关性在空间上也存在明显差异，其分布格局与地形和海拔有一定关联。气温升高可能对高山植被改善形成促进，而对荒漠低地平原区植被恢复造成抑制。

图9 北疆植被MNDVI与气温相关性Fig.9 Correlation between MNDVIand temperature in North Xinjiang

图10 北疆植被MNDVI与气温相关显著性Fig.10 Significance between MNDVIand temperature in North Xinjiang

对不同生态功能区年平均气温与MNDVI相关性进行空间统计分析表明(表5)，在阿尔泰山—准噶尔西部山地森林与草原生态区(I)中，年平均气温与MNDVI呈现负相关性单元的面积比例分别为62.57%，其中额尔齐斯－乌伦古河荒漠草原生态亚区(I－2)和准噶尔盆地西部山地草原生态亚区(I－3)贡献最大，而在阿尔泰山南坡西伯利亚落叶松生态亚区(I－1)正相关单元面积大于负相关单元面积，这说明气温上升对山地森林植被具有促进作用，而对荒漠和低地草原植被表现为抑制性。在准噶尔盆地荒漠生态区(II)内，近75%的区域内气温－植被MNDVI呈现负相关，贡献主要来源于准噶尔盆地中部固定半固定沙漠生态亚区(II－3)、准噶尔东部灌木荒漠生态亚区(II－2)和准噶尔盆地西部荒漠－绿洲农业生态亚区，这说明气温升高对荒漠植被恢复具有抑制性。在天山山地森林与草原生态区(III)天山北坡云杉林－草原生态亚区(III－1)内，年平均气温与MNDVI呈正、负相关性单元面积分别为69.37%，36.63%，这可能与天山西段伊犁河谷山地平原地貌条件下特殊气候有一定关系。总体来看，北疆年平均气温与MNDVI呈负相关性单元面积较大，说明气温暖化对北疆大部分区域植被恢复具有抑制性影响。

表5 不同生态功能区植被MNDVI－气温相关性及面积分配Tab 5 .Correlation between MNDVIand temperature and the area distribution in different ecological function regions

对不同生态功能区植被年平均MNDVI与年平均气温栅格相关性检验及其空间特征进行分析(表6)，结果表明，在一级生态功能区内植被MNDVI－年平均气温呈现显著正相关的区域面积比例以天山山地森林与草原生态区(I)为最大，达20.94%，阿尔泰山—准噶尔西部山地森林与草原生态亚区(I)次之，准噶尔盆地荒漠生态区(II)最小，而显著负相关区面积最大是准噶尔盆地荒漠生态区(II)，其次为天山山地森林与草原生态区(I)，这说明年平均气温缓慢升高是山地森林植被生长活动增强的重要气候因子，反之，气温降低更有利于绿洲盆地草原植被改善。在不同生态亚区内，年平均气温与植被年平均MNDVI正、负相关区的面积比例差距最大的是准噶尔盆地中部固定半固定沙漠生态亚区(II－3)，相反，二者面积相差最小的是阿尔泰山－准噶尔西部山地森林与草原生态亚区(I－1)，这表明气温升高是荒漠植被生长的主要限制因子，而对高山植被的影响则相反。

表6 不同生态功能区植被MNDVI与气温相关性显著性检验与面积分配Tab.6 Significance between MNDVIand temperature and the area distribution in different ecological function regions

3.3 结论

本章以长时间序列降水栅格数据(1961—2000年)、气温栅格数据(1961—1998年)、积雪深度数据(1979—2010年)和植被NDVI数据(1981—2006年GIMMS NDVI数据)为基础数据源，运用GIS空间统计、趋势分析、相关分析等方法，在分析北疆年平均降水变化趋势、年平均气温变化、年平均积雪深度变化趋势基础上，基于像元定量分析降水、气温与MNDVI之间相关性、显著性及其空间特征，较大尺度上揭示降水、气温等气候因子对北疆植被的影响机制，并对积雪深度变化对北疆植被的影响进行了定性研究。结果表明:

1)北疆大部地区降水趋于增加，集中分布于北疆中部、天山与阿尔泰山之间盆地和伊犁河谷一带，靠近天山山脊线附近的哈尔克他乌－那拉提、温泉和天山东部局部地区年平均降水量呈现减少趋势。北疆大部分区域MNDVI与年平均降水呈现出明显正相关，天山北坡中段高山森林与草甸、哈尔克他乌－那拉提、阿尔泰山山地森林等地区MNDVI与降水表现为明显负相关，且在局部地区达到了显著性水平。

2)北疆不同生态区，降水对MNDVI活动的显著影响在空间上表现出一定差异性。降水对阿尔泰山－准噶尔西部山地森林与草原植被具有明显主导作用，随着降水量增加，植被趋于改善面积和程度均得到明显上升;降水增加对准噶尔盆地荒漠生态区植被改善具有明显促进作用，而对山地森林和草原无明显促进作用。

3)整体来看，受天山、阿尔泰山两大山系地形条件决定，北疆气温呈现出南部与北部高而中间低的格局。整个天山、阿尔泰山山脉、准噶尔盆地西部、北疆东部大部、乌鲁木齐市区及周边的年平均气温均呈现缓慢上升趋势，其中乌孙山、科古琴山、婆罗科努山等山地高海拔区和博格达山高山区年平均气温呈现快速上升趋势。

4)北疆年平均温度与MNDVI相关性在空间上分异明显，年平均气温对一定海拔以上的山地森林、草甸植被生长活动具有明显促进作用，而对低地平原区的荒漠植被、灌木半灌木和草原植被生长活动表现为抑制;北疆MNDVI与年平均气温负相关区域面积较大，达58.38%;除天山山地森林植被、阿尔泰山林区外，气温缓慢升高对北疆植被具有明显促进作用，其余较大面积则表现为抑制。

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Spatio-temporal Change in Precipitation and Surface Temperature and Their Relationships with NDVI of Different Ecological Function Zones in North Xinjiang

WANG Jiping1，GUO Zhongjun2，CHENG Fu3，ZHANG Qibin4，MA Huan4，YU Yilei5
(1.Research Center of Saline and Alkali Land of State Forestry Administration，CAF.，Beijing 100091，China;2.Institute of Forest Ecology，Xinjiang Forestry Academy，Urumqi 830000，China;3.Soil and Water Conservation Monitoring Center，Ministry of Water Resources，Beijing 100055，China;4.College of Forestry，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China;5.Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration，Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，100091 Beijing，China)

Precipitation and surface temperature are two most important climatic factors.They are also two main factors that affect the distribution and change of the vegetation.Based on the average annual precipitation，temperature，NDVI and snow depth data of many years，the changes in different climate factors and their correlation with NDVI were analyzed.The result shows that:most of the regions in north Xinjiang tend to be wetting，especially in the central area of the Junggar Basin，where the slope of the precipitation change is between 1.15 and 1.42;the annual average precipitation in the high altitude mountain area that only makes up 2%of the whole region decreases obviously，the sharpest decreasing slope of the precipitation change is－0.203;the overall temperature of north Xinjiang shows a warming trend，of which the slope of temperature increase shows a significantly gradient pattern from high mountains(2.04)to lowland(－0.044); NDVI is closely related to average annual rainfall and temperature variations.We should attach importance to strengthening the construction and management of vegetation on the scale of ecological function area.

time-series NDVI data，ecological function zone，spatio-temporal change，climatic factors，correlation analysis

S718.45

A

1002－6622(2017)01－0110－08

10．13466/j．cnki．lyzygl．2017．01．019

2016－12－09;

2017－01－13

国家重点研发计划项目“重度盐碱地资源化利用技术与模式”(2016YFC0501403);国家林业局局本级项目“环渤海地区盐碱地资源可持续利用战略研究”(1691400100099)

王计平(1978－)，男，山西保德人，助研，博士，主要研究植被恢复、景观格局优化与生态过程模拟。Email:wjp_gis@163.com

郭仲军，男，副研究员，主要研究干旱区植被恢复、森林植物群落动态与监测。Email:gzj19641101@sina.com