黑河流域植被叶面积指数时空变化特征

王 利，徐翠玲，蒋镒竹

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

植被是陆地生态系统与气候系统生物圈的重要组成部分，也是气候和生态环境变化的指示器[1-2]。植被与大气、水等其他圈层之间相互作用，通过光合、呼吸等生物物理过程实现土壤-植被-大气之间的物质、能量和动量交换[3- 4]，对植被的发展、物候等具有显著影响。叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)是指单位水平土地面积上植物叶片表面积的一半[5-7]。叶面积指数可以反映植被个体或群体的长势特征[8]，与植被的光合作用、蒸腾作用、降雨拦截和碳通量等生物物理过程密切相关，在植被动态模拟观测、生态系统循环研究、陆地表面蒸散、农业遥感估产、碳蓄积量、水土保持等方面应用广泛。总之，植被叶面积指数的生态学意义明显，利用叶面积指数研究区域尺度上的植被时空变化对区域生态环境时空演变尤为重要[9]。

近年来，国内外学者对叶面积指数的时空动态变化进行了一系列研究。例如，Dusseux等基于SPOT和Quickbird遥感影像估算叶面积指数，利用叶面积指数的时间演变来识别草地的动态变化[10]。任宏昌等采用MODIS LAI产品，分析中国地区LAI的时空变化特征及其对气候因子响应，结果表明，LAI时空变化及其对气候条件响应具有一致性[11]。丹利等发现，贵州地区植被的LAI对降水的响应程度大于气温，尤其是冬季和春季，在夏季和秋季植被的分布主要受气温的影响[9]。段利民等研究发现，锡林河流域近30年LAI总体呈上升趋势，高程对LAI的影响远大于坡度和坡向对LAI的影响[12]。张宇佳等发现，降水、气温、地形、植被类型和物候期等因子对LAI的变化均有显著影响，且各因子对植被LAI的影响程度不同[13]。

黑河流域是我国第二大内陆河流域，地处西北内陆干旱和半干旱区，生态环境十分脆弱[14]。由于黑河流域植被种类较多，且不同植被类型具有明显的季节性与地域性；同时，LAI的变化趋势能够较好的反映植被在数量与结构方面的变化，因而LAI可以作为衡量植被变化的敏感性指标，这对黑河流域的生态环境保护以及探究LAI在黑河流域中的应用具有重要意义[15]。因此，为评估黑河流域近年来植被的变化情况，采用美国NASA发布的MODIS LAI数据和土地覆盖类型数据，利用趋势分析及相关分析等方法，揭示2001年～2016年黑河流域LAI的时空变化特征，同时结合同期气象资料分析叶面积指数变化的主要原因，以期为黑河流域生态环境保护与治理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河流域是我国西北地区第二大内陆河流域，位于河西走廊中部[16]，地理位置介于37°～43°N，97°～102°E之间(见图1)。其干流全长821 km，流域面积约14.29万km2，横跨青海、内蒙古、甘肃3个省份，上游属于青海省祁连县，中游属于甘肃省山丹、民乐、张掖、临泽、高台、肃南和酒泉等市县，下游属于甘肃省金塔市和内蒙古自治区额济纳旗[17]。黑河流域位于欧亚大陆中部，远离海洋，周围高山环绕，流域气候主要受中高纬度的西风带环流控制和极地冷气团影响，气候干燥，降水稀少且集中，多大风，日照充足，太阳辐射强烈，昼夜温差较大，为典型的大陆性气候[18]。流域内垂直高度转变较大，海拔分布呈现出由南到北顺次下降的趋向。上游海拔一般在2.2 km以上，主要以高山、冰川、森林、草甸和草原为主，植被覆盖度较高，中游海拔在1.0～2.0 km之间，下游海拔在0.98～1.2 km间，中、下游主要是海拔为1.3～2.3 km的走廊地带，分布着大面积的戈壁和沙漠，中下游地带性植被为温带小灌木和半灌木荒漠植被，绿洲植被大多以胡杨、柽柳、沙枣和梭梭为主，植被种类简单，覆盖度小[19]。

图1 黑河流域地理位置

1.2 数据来源

叶面积指数数据采用美国国家航空航天局提供的MODIS/Terra卫星4级8d合成陆地产品MOD15A2H，数据格式为HDF，空间分辨率为500 m，时间跨度为2001年～2016年[20]。LAI值的有效范围为0～100，比例因子为0.1。

土地覆盖类型数据采用美国国家航空航天局提供的MODIS/Terra&Aqua卫星3级土地覆盖数据MCD12Q1，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1a[21]，时间跨度为2001年～2016年。该数据采用国际地圈生物圈计划(IGBP)分类方法，将土地覆盖类型分为常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林、针叶阔叶林、混交林、郁闭灌丛、稀疏灌丛、多树草原、稀树草原、草地、永久湿地、农田、城市和建筑用地、农田/自然植被混合、冰雪、裸地或低植被覆盖区域、水体等17种类型[22]。

气象数据采用同期黑河流域内山丹、祁连、张掖、野牛沟、托勒、高台、鼎新、金塔、酒泉、马鬃山、额济纳旗、刚察、门源、阿拉善右旗、永昌和玉门等16个气象站点的逐日实测数据，包括平均气温(℃)和降水量(mm)。黑河流域边界数据和数字高程模型数据来源于国家青藏高原科学数据中心(http:∥data.tpdc.ac.cn)[23-24]。

1.3 研究方法

首先，为反映植被LAI的时间变化特点，依据研究区植被的物候特征，采用3月～5月为春天、6月～8月为夏天、9月～11月为秋天、12月到次年2月为冬日的季节划分原则，用最大值合成法(MVC)对叶面积指数进行逐月、逐年合成，完成月、年叶面积指数提取并求取多年叶面积指数的月平均值及年平均值，以分析叶面积指数的年内变化特征，同时利用变异系数(Coefficient of Variance，CV)表征叶面积指数的年际变化[25]。

其次，基于像元尺度，采用Slope趋势分析法，模拟研究区中每个栅格单元的变化趋势，分析黑河流域2001年～2016年16年间LAI的空间变化趋势[26-27]。

最后，对平均气温与降水量数据采用Kriging方法进行空间插值[28]。在此基础上，分析2001年～2016年LAI与平均气温和降水量的相关系数，以探索长时序LAI与平均气温、降水量之间的相关程度及其空间分布规律。由于地理系统中各要素间相互影响，采用偏相关系数进一步研究LAI与单个气候因子之间的相关性，以探索导致黑河流域LAI变化的主要因素[29-31]。

2 结果与分析

2.1 黑河流域LAI时间变化分析

2.1.1LAI年内变化

黑河流域LAI年内变化如图2所示。在整个流域内，由于2月、3月、4月气温较低和降水量少，植被大多处于无叶或少叶状态，LAI值较低，4月份LAI值达到全年最低；4月以后，随着气温逐渐回升，降水量逐渐增加，植被开始生长，叶面积指数呈逐渐增大的趋势；到5月以后，叶面积指数大幅上升，进入夏季以后，光照充足，降水丰沛，有利于植被生长，叶面积指数达到全年最大值，即7月的3.49；8月以后气温开始下降，植被进入落叶期，LAI逐渐降低；从9月开始叶面积指数降低速度较快，但由于下游地区存在大量稀疏植被，11月LAI又开始逐渐增加。分歧季候，叶面积指数的空间散布差异性分歧。结合LAI年内变化情况(见图3)，春季、秋季叶面积指数值较低，夏季、冬季叶面积指数值较高；同时中上游地区叶面积指数值较高，植被覆盖度较高，下游叶面积指数较低，植被覆盖度很低。

图2 2001年～2016年黑河流域1月～12月LAI平均值

图3 2001年～2016年黑河流域1月～12月LAI平均值空间分布

2.1.2LAI年际变化

2001年～2016年黑河流域LAI年际变化呈现出在波动中上升的趋势(见图4)，年LAI值变化范围为2.34～2.90，多年LAI均值为2.61。LAI值从2001年的2.34增加到2016年的2.82，升幅为20.51%，总体呈上升趋势。其中，最小值和最大值分别出现在2001年和2015年，对应的LAI值分别为2.34和2.90；2001年和2013年叶面积指数平均值明显低于多年LAI均值，这是由于这2年发生了干旱。2001年1月至7月，流域范围内大部分地区出现了连旱天气，2013年黑河流域降水量少且夏季气温偏高，阻碍了植被生长，故叶面积指数较低[32-33]。

图4 2001年～2016年黑河流域叶面积指数年平均值

2.2 黑河流域LAI空间分布变化趋势分析

2001年～2016年黑河流域叶面积指数存在显著的空间分布差异(见图5)，叶面积指数上升的区域主要集中在流域中上游，下游地区由于土地沙化和水资源紧缺等原因，16年间叶面积指数呈下降趋势。同时，黑河流域叶面积指数变异系数高值区域主要集中在黑河流域中上游，CV>1.0，部分区域达到了2.0以上，年际间波动幅度较大，但分布范围很小，这表明中上游地区LAI年际波动范围较大的区域很少；流域中上游地区大部分区域LAI年际间波动程度较小，CV值介于0～1之间；连系其线性转变趋向得悉，均为叶面积指数上升的原因。黑河流域下游大部分地区几乎没有较大的年际波动，表明叶面积指数16年间表现相对较为平稳。

图5 2001年～2016年黑河流域叶面积指数空间变化趋势

2.3 不同土地覆盖类型LAI变化分析

2.3.1 不同土地覆盖类型LAI年内变化

2001年～2016年不同土地覆盖类型1月～12月LAI平均值如图6所示，农用地、湿地、木本热带稀树草原、热带稀树草原、常绿针叶林、稀疏植被、稀疏灌丛年内变化呈单峰变化趋势，草地叶面积指数呈双峰变化趋势。农用地、湿地、木本热带稀树草原、热带稀树草原、常绿针叶林叶面积指数在4月、5月迅速升高，7月达到最大值，8月叶面积指数开始逐渐降低，11月下降至1.0以下，之后降落速率变缓，冬日其叶面积指数无明显变化。而草地和稀疏植被的叶面积指数年内转变较大，稀疏植被的叶面积指数从9月起迅速上升，12月到达最大值，到次年1月，叶面积指数才开始逐步下降；草地的叶面积指数在4月和5月敏捷升高，7月到达夏日最大值3.15，8月叶面积指数逐渐降低，10月以后又开始迅速上升，12月达到全年最大值3.33，然后到次年2月迅速下降至1.0以下。稀疏灌丛的叶面积指数在4月、5月逐步升高，6月达到最大值0.14，9月开始逐渐降低，下降速度缓慢，冬季叶面积指数无明显变化。

图6 2001年～2016年不同土地覆盖类型1月～12月LAI平均值

2.3.2 不同土地覆盖类型LAI年际变化

根据2001年～2016年MCD12Q1分类数据成果统计，黑河流域内包含热带稀树草原、常绿针叶林、草地、湿地、稀疏灌丛、农用地、稀疏植被、木本热带稀树草原、水体、城市及建筑区和冰雪11种土地覆盖类型。2001年～2016年不同土地覆盖类型LAI年平均值的变化如图7所示，城市及建筑用地、冰雪和水体叶面积指数为0，常绿针叶林、稀疏植被、草地、湿地、木本热带稀树草原、农用地、热带稀树草原7种土地覆盖类型的叶面积指数总体均呈上升趋势。其中，稀疏植被植被叶面积指数上升速度最快，为0.049a-1；木本热带稀树草原次之，为0.039 a-1；草地叶面积指数上升速率最慢，为0.013 a-1。总体而言，黑河流域不同土地覆盖类型的叶面积指数差异不大，除了热带稀树草原和稀疏灌丛的叶面积指数多年平均值小于1.0，其他土地覆盖类型的叶面积指数波动范围均介于[1，2]之间。

图7 2001年～2016年不同土地覆盖类型LAI年平均值

2.4 气象因素对LAI变化的影响

黑河流域LAI及各气象要素月平均值见表1。由表1可知，LAI从4月开始逐步上升，7月达到整年最大值3.49；8月～10月LAI开始逐渐降低，10～12月又开始逐渐增加，12月到次年4月逐渐降低并在4月达到全年最小值1.28。结合植被物候特点，黑河流域LAI表现出明显的季节变化。同时，LAI的年内转变可以直接反映出植被的物候，从4月起头，各种植被开始渐渐生长；到7月，植被处于生长发展旺盛期，此时LAI到达最大值；9月，植被进入落叶期，植被覆盖度逐渐减小，LAI逐渐降低；但由于下游植被覆盖类型的不同，10月LAI又逐渐增加，12月LAI达到峰值，稀疏植被处于生长旺盛期；12月以后，LAI逐渐降低，稀疏植被逐渐停止生长，次年4月LAI达到最小值。此外，根据表1可以得知，黑河流域的月平均气温和月降水量的年内变化趋势与LAI的年内变化趋势并不一致，气象要素年内呈单峰趋势，冬季平均气温较低，降水量较少，夏季平均气温较高，降水量较多。月平均气温最大值出现在7月，为19.93℃，最低值出现在1月，为-10.81 ℃；月降水量最大值也出现在7月，为47.89 mm，最小值出现在2月，为1.51 mm。

表1 黑河流域LAI及各气象要素月平均值

黑河流域LAI及各气象要素年际变化趋势见图8。由图8可得，黑河流域2001年～2016年年平均气温和年降水量的年际变化趋势与年平均LAI几乎一致，总体都呈缓慢上升的趋势，表明16年间黑河流域内植被呈缓慢增加的趋势，且气候总体上呈暖湿化趋势。其中，年平均气温和年降水量的升幅分别为10.83%和40.04%。

图8 黑河流域LAI及各气象要素年际变化趋势

对黑河流域2001年～2016年年平均LAI与年平均气温和年降水量开展逐像元相干阐发、偏相干阐发，成果如图9所示。

图9 LAI与平均气温、降水量相关性空间分布

图9a显示了黑河流域年平均LAI与年降水量的相关系数的空间分布情况，其值介于-0.59～0.81之间。图9c显示了黑河流域年平均LAI与年降水量的偏相关系数的空间分布情况，其值介于-0.71～0.85之间。由图可知，二者的相关系数和偏相关系数的极化现象严重且空间差异明显。年平均LAI与年降水量呈正相关关系的区域主要分布在黑河流域中上游，包括祁连、野牛沟、托勒、山丹、张掖、高台、酒泉、金塔，这些地区植被以森林、草甸草原为主，植被覆盖度较高，且年平均气温较低，同期气温升高，降水量增多，有利于植被生长。年平均LAI与年降水量呈负相关关系的地区分布在黑河流域下游大部分地区和中游少部分地区，包括鼎新、玉门、阿拉善右旗、额济纳旗、马鬃山。结合气象站点的统计数据，这些地区年降水量较少；同时，根据相关分析原理得知，相关系数的绝对值越大，变量之间的相关性越强；故表明降水对植被生长影响较大。图9b显示了黑河流域年平均LAI与年平均气温的相关系数的空间分布情况，相关系数的值介于-0.68～0.86之间。图9d显示了黑河流域年平均LAI与年平均气温的偏相关系数的空间分布情况，偏相关系数介于-0.73～0.85之间。从空间分布上可以看出，年平均LAI与年平均气温呈正相关关系的区域主要分布在中上游地区，尤其是祁连、野牛沟、托勒、山丹、张掖、高台地区，年平均LAI与年平均气温的正相关性较明显。年平均LAI与年平均气温呈负相关关系的区域主要分布在中下游地区。总体而言，黑河流域的气温和降水对植被的生长影响显著，且二者对植被LAI的响应程度几乎相同。

3 结 论

本文以黑河流域为研究区，分析LAI的时空变化及其与气候因子的相关性。结果表明，2001年～2016年16年间黑河流域的气候呈暖湿化趋势，总体而言流域内植被状况也处于改善趋势。16年间黑河流域植被LAI年内呈双峰分布，年际间总体呈上升趋势，但空间差异明显。在空间分布上，流域上游、中游植被活动的强度明显大于下游地区；因此，LAI增大的趋势表现为上游强于中游，中游强于下游，且植被显著改善区域主要集中分布在上游寒区试验区和中游人工绿洲试验区。期间，黑河流域不同土地覆盖类型植被状况表现出良好的改善趋势，常绿针叶林、木本热带稀树草原、稀疏植被、湿地、农用地、草地、热带稀树草原总体恢复情况较好。在LAI与气候因子的相关性分析中发现，LAI对气温和降水的响应强度大致相同。但黑河流域LAI与气候因子的相关性空间差异明显，中上游主要呈正相关关系，下游主要呈负相关关系。

其中，LAI低值年份均对应于极端气候条件，反映出气候变化对黑河流域植被动态变化的影响是明显的，且黑河流域植被显著恢复区也在一定程度上反映出生态环境治理工程对植被恢复起到了显著的促进作用，这表明气候暖湿化和生态环境治理工程的有效实施对黑河流域的植被恢复起到了至关重要的作用，未来应加大力度实施生态环境治理工程，例如湿地工程等，以保护流域生态环境。此外，本文只针对黑河流域植被总体的LAI进行分析，没有具体研究不同土地覆盖类型在不同区域植被LAI的动态变化及其原因，这有待进一步尝试，以便为相关部门制定对应的生态环境保护与治理策略。同时，除了气候因素外，叶面积指数还受到植被类型、植被搭配比重、植被生长年龄、DEM等因素的影响，未来的研究应全面考虑各个因子对叶面积指数的影响，进行深入全面的研究。

致谢：本文所用的MODIS数据来源于美国国家航空航天局，黑河流域气象站观测数据由“温室数据共享平台”提供，黑河流域边界数据和数字高程模型数据来源于 “国家青藏高原科学数据中心”(原“中国西部生态与环境科学数据中心”)，从“中国西部生态与环境科学数据中心”下载，在此一并表示感谢!