1982-2014年祁连山植被生长季NDVI变化及其对气候的响应

贾文雄, 陈京华

(西北师范大学 地理与环境科学学院, 兰州 730070)

陆地生态系统是全球变化研究的重要内容之一，是目前科学研究的重点领域[1]。气候因子是影响植被生长发育、地理分布、多样性和丰富度等的关键因素[2]，对陆地植被类型及其功能特性起着决定性作用，全球地带性植被的分布都与气候要素密切相关[3-4]。通过遥感提取植被覆盖指数的方法早已成为常规手段，常用的表征植被活动的指标有土壤调整植被指数(SAVI)、归一化植被指数(NDVI)、季节/时间综合归一化差值植被指数(SINDVI/TINDVI)和增强植被指数(EVI)等[5-6]，其中归一化植被指数(NDVI)是公认的可以定量表征植被生长状态的有效指标[7]。祁连山是西北地区重要的生态功能区和河西绿洲的水源涵养地，已有学者对该区的植被覆盖和变化做过大量研究。已有研究表明，祁连山草地植被NDVI呈缓慢增加趋势，气温、降水与草地植被NDVI的最大相关性滞后期都为2旬左右[8]；祁连山植被覆盖变化存在明显的空间差异，表现为中西部植被覆盖增加，东部植被覆盖减少[9]；气温和降水是影响祁连山植被NDVI变化的主要因子，局部地区密集的人类活动也是影响植被NDVI变化的重要因素[10-11]。有关祁连山植被变化研究采用的数据源有SPOTVGT NDVI，MODIS NDVI和GIMMS NDVI数据，但受数据源的局限性，研究序列相对较短，主要集中于2000年以后的近十多年，而对长序列的研究尚未开展。本文利用1982—1999年的GIMMS NDVI数据和2000—2014年的MODIS NDVI数据，对祁连山近35 a生长季植被变化及其对气候变化的响应进行深入研究，旨在全面了解研究区植被的变化情况，进而为应对气候变化决策提供一定的科学依据。

1　研究区概况

祁连山位于青藏高原东北边缘，东起乌鞘岭，西至当金山口，东西延伸约800 km(图1)；地势西北高东南低，由多条西北—东南走向的平行山脉及谷地组成，海拔为2 100～4 500 m，最高峰团结峰高达5 826.8 m；水热条件差异大，年均温0.6℃，年降水400～700 mm，具有典型的高原大陆性气候特征；河流以冰川融水和山区降水补给为主，主要有党河、疏勒河、北大河、黑河、石羊河、大通河和湟水等；植被分布具有垂直地带性，海拔由低到高依次为：荒漠草原、山地草原、山地森林草原、高山灌丛草甸、高寒草甸和高寒稀疏草甸；土壤也表现出明显的垂直地带性，海拔由低到高依次为：山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土、岩石。

2　数据来源与研究方法

2.1　数据来源

本研究所采用的遥感数据是GIMMS AVHRR NDVI和MODIS NDVI 数据集。GIMMS AVHRR NDVI在中国西部环境与生态科学数据中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)免费下载，时间序列为1982—1999年，空间分辨率为8 km，时间分辨率为15 d。MODIS NDVI 数据集在网站(https:∥wist.echo.nasa.gov/api/)直接下载，时间序列为2000—2014年，空间分辨率为1 km，时间分辨率为16 d。气象数据为1982—2014年祁连山及其周边地区共37个气象站点(图1)的日平均气温和降水量数据，资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。植被类型图为寒区旱区科学数据中心提供的1∶1 000 000矢量图。

图1祁连山区位及气象站分布

2.2　研究方法

2.2.1最大值合成法采用最大值合成法MVC(maximum Value Composites)获取月NDVI的最大值，作为统计分析的基础数据。公式为[12]：

MNDVIi=max(NDVI1,NDVI2)

(1)

式中：i为月序号，取值范围为5～9，代表生长季的5个月份；MNDVIi为第i月的最大NDVI值；NDVI1，NDVI2为第i月上半月和下半月的NDVI值。

2.2.2均值法采用均值法来计算每年生长季平均的NDVI值，用于分析生长季植被NDVI的年际变化。公式为：

(2)

2.2.3斜率分析法采用斜率分析法来分析生长季植被NDVI的空间变化趋势。参照已有的研究[13]，根据Slope值的大小将研究区植被覆盖变化等间距划分为7个等级：显著减少、中度减少、轻度减少、基本不变、轻度增加、中度增加、显著增加，并统计各区间的面积百分比。公式为[14]：

(3)

MNDVIi=max(NDVI5,NDVI6,NDVI7,NDVI8,NDVI9)

(4)

式中：n为监测时间段的累计年数；MNDVIi为第i年生长季最大化NDVI值。θslope是趋势线的斜率，其中θslope>0，说明NDVI在n年间呈增加趋势，θslope<0，则说明NDVI在n年间呈退化趋势,θslope=0，则说明NDVI在n年间没有变化。

2.2.4相关分析法采用相关分析法来研究生长季植被NDVI对气候变化的响应。公式为[15]：

(5)

3　结果与分析

3.1　生长季植被NDVI的年际变化

图2为祁连山生长季植被NDVI的年际趋势。1982—1999年，祁连山生长季NDVI最小值在1982年，值为0.311 2，最大值在1993年，值为0.349 7(图2A)。1982—1993年植被NDVI呈增加趋势，1993—1999年呈下降趋势。1982—1999年，祁连山生长季植被NDVI整体表现为增加趋势，但变化趋势没有通过0.05的置信度检验，表明增加趋势并不明显。

图2祁连山生长季植被NDVI的年际变化

2000—2014年，祁连山生长季植被NDVI最大值为0.372 5，出现在2012年，最小值为0.341 2，出现在2008年(图2B)。2000—2005年植被NDVI呈增加趋势，2005—2008年呈降低趋势，2008—2012年又呈增加趋势，2012—2014年又呈下降趋势。2000—2014年，祁连山生长季植被NDVI整体也呈增加趋势，变化趋势也没有通过0.05的置信度检验，说明增加趋势也不明显。总体来看，1982—2014年，祁连山生长季植被NDVI呈不明显的增加趋势。

3.2　生长季植被NDVI的空间变化

1982—1999年，祁连山植被NDVI的变化不大，基本不变的比例高达85.04%(表1)。植被NDVI轻度减少的比例为6.91%，主要分布在大雪山、走廊南山、冷龙岭、乌鞘岭以及大通河谷。植被NDVI轻度增加的比例为8.05%，主要分布在疏勒南山、大通山、党河南山、青海南山以及青海湖周边。

2000—2014年，植被NDVI显著增加的面积占总面积的1.29%，主要分布于拉脊山和青海南山，在青海湖周边也零散分布。植被NDVI中度和轻度增加的面积分别占总面积的1.44%，23.58%，主要分布在达坂山、疏勒南山、拉脊山、托勒南山、托来山、青海南山、冷龙岭和走廊南山，党河南山及青海湖、哈拉湖、湟水谷地的周边地区也集中分布。植被NDVI轻度和中度减少面积分别占总面积的3.73%，0.4%，主要分布在乌鞘岭及石羊河、黑河、北大河、大通河、疏勒河等河流河谷地区。植被NDVI显著减少的面积占总面积的0.66%，主要集中分布在乌鞘岭和庄浪河、古浪河的河谷地带。

表1　祁连山生长季植被NDVI年际变化趋势统计

注：研究区总面积为188 080.3 km2。

总体上，1982—2014年祁连山植被NDVI增加的区域集中在中西部，这主要是由于祁连山中西段降水的明显增加，同时祁连山设立了国家级自然保护区，退耕还林、封山育林等措施的有效实施，导致植被NDVI增加。此外，植被NDVI增加的区域主要分布在高海拔区，这些地区受人类活动影响较小，有利于植被的恢复和保护。祁连山植被NDVI降低的区域集中于东部，由于气温升高和降水减少，造成植被NDVI降低。植被NDVI降低的区域主要是河谷地区和前山地带，这里受人类活动影响较大，进一步导致NDVI降低。

3.3　生长季植被NDVI对气候变化的响应

图3为祁连山生长季植被NDVI与生长季气温和降水量的关系。1982—1999年，祁连山植被NDVI与气温的年际变化趋势在1984—1985年、1987—1988年、1990年、1995年、1998年表现出一致性，在其余大部分时段或年份呈相反的变化趋势。植被NDVI与降水的年际变化趋势总体上具有同步性，但在1987年、1989年表现出相反的变化趋势。1982—1999年，生长季植被NDVI与当月、前期1月、前期2月的降水和气温的相关性均较低(表2)，但9月份的植被NDVI与前期2月的降水和气温的相关性较高，并通过了0.05的置信度检验，可见7月份降水较多和气温略低有利于9月份植被NDVI的积累。

图3　祁连山生长季植被NDVI与降水和温度的关系

注：*表示通过0.05水平(双侧)上显著相关。

2000—2014年，植被NDVI与气温的年际变化在2001年、2003年、2005年、2010—2012年表现出一致性，在其余时段或年份则呈相反的变化趋势。植被NDVI与降水变化趋势大体上较为相似，但在2003—2004、2010—2011年变化趋势相反。2000—2014年，生长季植被NDVI与当月、前期1月、前期2月的降水和气温的相关性也均较低(表2)，但5月份植被NDVI与前期1月气温相关性较高，6月、8月份植被NDVI与前期1月降水相关性较高，7月份植被NDVI与前期2月降水相关性较高，并通过了0.05的置信度检验，可见4月气温较高有利于5月植被NDVI的积累，5月降水较多有利于6月、7月植被NDVI较高，7月降水较多有利于8月植被NDVI的积累。

气候的年际变化对祁连山植被NDVI有一定的影响，不同月份的气温和降水变化对后面月份的植被生长也有影响，造成植被NDVI对气温和降水存在一定的滞后性响应。生长季的植被在不同月份对气温和降水的需求有所不同，因而对气温和降水的敏感性也不同。5月份，前期1月气温对植被生长有影响，若前期气温回升较快有利于植被NDVI积累。6月、7月、8月份，前期1月或前期2月降水较多有利于植被生长。9月份，前期2月降水较多和气温略低有利于植被NDVI增加。

4　结 论

(1) 近35 a来，祁连山植被NDVI整体呈增加趋势，但变化趋势并不明显。1982—1999年与2000—2014年相比，植被NDVI增加幅度略高。

(2) 近35 a来，祁连山植被NDVI呈增加趋势的面积比呈降低趋势的面积大，表明植被覆盖状况有所改善。植被NDVI增加的区域集中在中西部和高海拔地区，植被NDVI降低的区域集中在东部的河谷和前山地带。

(3) 气候的年际变化对祁连山植被NDVI有一定的影响，植被NDVI对气温和降水存在一定的滞后性响应。4月气温较高有利于5月植被NDVI的积累，7月降水较多和气温略低有利于植被NDVI增加。

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