克孜勒苏地区草地归一化植被指数时空特征及其对环境因子的响应

祖力克艳·麻那甫,努尔麦麦提·艾尔肯,卫炎豪,塔巴娜·阿合买提,苏比阿依·甫合提,王 孔,刘 善,买买提·阿布来提,巴特尔·巴克,

(1.新疆农业大学草业学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830052;3.景遥(上海)信息技术有限公司,上海 201109;4. 克州林业和草原局,新疆 阿图什 845350;5乌鲁木齐市气象局,乌鲁木齐 830002)

【研究意义】干旱、半干旱生态系统易受到年际和年内降水的影响[1];干旱和半干旱地区约占全球土地面积的40%,对气候变化较敏感[1-2]。气温和降水不均匀分布与变化会导致植物覆盖度减少与植被模式改变和系统生产力丧失[3-5]。草原是陆地生态系统的重要组成部分,约占全球陆地地表植被的1/3[6]。草原具有重要的生态系统服务功能,可为生物体提供重要的栖息地和调节气候[7]。新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州(以下简称克州)地貌独特,干旱少雨,受西风和高原大地形的共同影响,在全球干旱区中具有代表性[8]。克州地区生态环境脆弱草地具有重要的生态地位,克州地区草地是保障当地农牧民生产生活与传承草原文化的基础。在气候变化背景下,准确掌握草地植被生长的时空变化,及时采取趋利避害的草地生态环境保护措施,对新疆社会经济可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】自1969年第一个植被指数(Vegetation Index,VI)提出以来,现在已发展100多个VI;在所有的VI中,归一化植被指数(Difference Vegetation Index,NDVI)是监测植被动态和环境变化应用最广泛的有效指标[9]。基于卫星遥感的NDVI已被证明是与植被覆盖度最接近的监测植被地表动态变化的可靠指标[10],广泛用于不同尺度下植被的动态评估[11]。蔡朝朝[12]、陈春波等[13]、赵苇康等[14]对新疆草地NDVI时空变化特征及气候变化的响应研究发现,1980—2010年新疆草地NDVI轻微增长;NDVI与降水的正相关相比气温的相关更显著。1990—2018年青藏高原三江源区高寒草地NDVI时间序列呈上升趋势,NDVI与气温的相关性高于其与降水的相关性[15]。美国大平原的草地NDVI年际变化与降水呈显著正相关[16]。Hilker等[17]指出,自2000年以来,亚马逊地区降水减少导致草地NDVI减小。2000—2016年伊犁河谷草地NDVI总体呈显著下降趋势,与气温相比,降水的年际变化与草地NDVI年变化的相关性更高[18]。近20年青海省草地植被NDVI逐日变化趋势稳定;多年平均NDVI从西北向东南逐渐升高;NDVI与降水的相关高于气温[19]。【本研究切入点】关于整个新疆及部分地区草地时空特征对气候变化响应的研究已取得一定进展,但关于克州地区草地植被的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】以MODIS系列影像(250 m-NDVI产品)为数据源,探索近2000—2021年克州地区草地NDVI的时空动态变化规律及其与气候(气温和降水)和地形(海拔、坡度和坡向)因子的关系,以期为气候变化背景下克州地区草地生态系统可持续发展研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

克孜勒苏柯尔克孜自治州(以下简称克州)地处中国西部边陲,北倚天山南脉,西南处帕米尔髙原的东北隅上,东南接塔里木平原。位于73°26′～78°59′ E,37°41′～41°49′ N。克孜勒苏地区辖阿图什、阿合奇、乌恰、阿克陶1市3县(图1),东西长约400 km,南北宽约300 km。土地总面积7.4067×106hm2,含草地毛面积3.3397×106hm2,其中草地净面积3.057×106hm2。克洲地区气候属暖温带干旱气候,大部分地区多年平均累计降水量少,年降水量60～120 mm,平原年平均气温13.2～12.9 ℃,气温日较差大。

图1 研究区地理概况Fig.1 Geographical overview of the study area

1.2 数据来源及预处理

气象观测数据由新疆维吾尔自治区气象局和中国气象局国家信息中心提供,包括研究区内及附近地区15个气象站2000—2021年1—12月气温和降水数据。

MODIS系列影像为研究区2000—2021年的MOD13Q(250 m-NDVI产品)数据,用MRT(MODIS Projection Tools)将所下载的MODIS-NDVI产品数据进行格式和投影转换;用克州行政区划图批量裁剪草地NDVI栅格图像。通过最大合成法——MVC法获取2000—2021年1—12月的草地NDVI栅格数据。为真实反应研究区草地覆盖在空间上的整体变化特征,在月合成最大值NDVI数据的基础上,采用平均值法计算年内生长季(根据当地草地植被长势情况,选取生长季,4—10月)的NDVI均值。

1.3 研究方法

1.3.1 趋势分析 利用最小二乘线性回归方法考察气候因子和NDVI的年际变化趋势[12],结合F检验进一步分析克州地区2000—2021年NDVI变化趋势的显著性。以NDVI变化趋势为例,自变量为时间(年份)x,因变量为NDVI值y,从而得到一元线性回归方程:

y=ax+b

(1)

式中,a、b为最小二乘法计算的经验常数,a为回归系数,也叫做斜率,b为回归常数,即载距。

方程中的斜率a体现了克州草地NDVI变化趋势,当a>0时表示该时间序列呈上升趋势,值越大,上升趋势越明显,反之则表示呈下降趋势,接近0则表示无明显变化,该方法综合考虑了研究时段内各年份草地NDVI,计算公式如下:

(2)

式中,n为研究时间长度(22年),NDVIi为第i年NDVI均值。根据F检验法确定显著性水平,当P>0.1 表明NDVI随时间变化趋势不显著。可以将NDVI时间序列的动态变化分为 6 级:①极显著增加(当a>0,P<0.001),②显著增加(a>0,0.0010,P>0.05),④极显著减少(当a<0,P<0.001),⑤显著减少(a<0,0.0010,P>0.05)。气温和降水量数据变化趋势也相同方法求算。

1.3.2 相关性分析 为了探索草地植被生长对气候变化的响应,计算草地NDVI与气温和降水量之间的相关系数[20]。

(3)

2 结果与分析

2.1 克州地区气候因子与草地NDVI的时间变化特征

2.1.1 年内变化特征 从图2-a可知,2000—2021年克州地区年内温差大,冬季寒冷(12月至翌年2月,平均气温-4.556 ℃,1月气温最低,为-6.9 ℃),夏季较热(6—8月平均气温15.785 ℃,7月气温最高为22.745 ℃)。从图2-b可知,2000—2021年克州地区降水主要集中在5—9月,占全年降水量的75%,生长季降水(4—10月)占全年降水量的85%以上;8月降水量最多,为33.143 mm,12月降水量最少,仅为3.19 mm。从图2-c可知,2000—2021年克州地区草地月平均NDVI均值为 0.1104, 7 月NDVI值最大,为0.1924;2 月NDVI值最小,仅为0.0584。2000—2021年克州地区气温、降水和草地NDVI多年月平均值都呈单峰变化,最大值出现在7月和8月。说明,植被与气候因子存在一定的响应关系。

图2 2000—2021年克州地区多年平均气温、降水和草地NDVI月际变化趋势Fig.2 Intermonthly variation trends of annual mean temperature, precipitation and grassland NDVI in Kezhou from 2000 to 2021

2.1.2 年际变化特征 从图3-a可知,2000—2021年,克州地区年平均及生长季平均气温均无显著降低趋势(P>0.05),降低速率分别为-0.0031、-0.0085 ℃/年,最高值出现在2007年(10.681℃)和2008年(18.411 ℃),最低值出现在2012年(8.817 ℃)和2010年(17.082 ℃);年平均气温为9.940 ℃,生长季平均气温为17.698 ℃。从图3-b可知,2000—2021年克州地区年平均及生长季平均降水量均表现出无显著升高趋势(P>0.05),变化率分别为0.7476、0.9793 mm/年,最高值均出现在2010年,分别为1301.05和276.40 mm,最低值出现在2000年(115.225 mm)和2008年(95.25 mm);2000—2021年年平均降水量为182.115 mm,生长季平均气温为155.780 mm,生长季降水占年平均降水量的85.5%。从图3-c可知,2000—2021年克州地区年平均及生长季平均草地NDVI均呈增加趋势(P<0.001),增加速率为0.0012、0.0014/年,最高值出现在2019年(0.1282)和2017年(0.1642),最低值均出现在2009年,分别为0.0870和0.1182;草地NDVI 22年平均值为0.1102,生长季平均值为0.1432。说明,克州地区2000—2021年气温、降水和草地NDVI的年均值及生长季均值变化趋势基本一致。

图3 2000—2021年克州地区气温、降水量及草地NDVI年际变化趋势Fig.3 Interannual variation trends of temperature, precipitation and grassland NDVI in Kezhou from 2000 to 2021

2.2 克州地区气候因子与草地NDVI空间分布及其变化趋势

2.2.1 气候因子空间分布及其变化趋势 从图4-a可知,2000—2021年克州地区东北部和西南部气温偏低(最低值为5.591 ℃),中部及西北部(阿图什市周围,最高值为13.479 ℃)气温偏高。从图4-b可知,2000—2021年克州地区74.3%区域气温呈下降趋势(中部的阿图什市周围降温较明显,降幅为-0.028 ℃/年,);25.7%区域呈上升趋势(东南部

的阿克陶县中心升温较强,升幅为0.041 ℃/年)。从图4-c可知,2000—2021年克州大部分地区多年平均累积降水量偏低,东北部的阿合奇县和西部乌恰县附近较高(最高值为276.641 mm),中部的阿图什市和东南部的阿克陶县周围仅为91.220 mm。从图4-d可知,2000—2021年克州地区95.96%区域的降水呈上升趋势(东北部及西部升高幅度较强,阿合奇县周围升幅为1.501 ℃/年);仅4.04%区域呈递减趋势(中部阿图什市周围升幅为-0.648 ℃/年)。说明克孜勒苏地区气候空间分布较明显。

图4 2000—2021年克州地区气温和降水量空间分布及变化趋势Fig.4 Spatial distribution and variation trend of temperature and precipitation in Kezhou from 2000 to 2021

2.2.2 草地NDVI空间分布及其变化趋势 从图5-a可知,2000—2021年克州地区多年平均NDVI在-0.234～0.5105,整个研究区草地NDVI偏低,多年平均值为0.1096;南部和东部NDVI偏高,西部及东北部NDVI偏低。参考已有学者研究[21]并结合新疆草地特点划分新疆草地的等级:-0.20.4时为高覆盖草地。从图5-b可知, 2000—2021年克州地区0.230%草地被冰雪覆盖,低覆盖草地为91.570%,高覆盖草地为0.021%。

从图5-c可知, 2000—2021年克州地区草地NDVI的变化斜率介于-0.028～0.018。为了更清晰地研究草地植被生长的时空分布格局,参考杨淑霞等[22]的划分标准,将变化斜率(SLOPE)划分为明显退化(<-0.01)、轻度退化(-0.01～-0.001)、稳定(-0.001～0.001)、轻度改善(0.001～0.01)和改善(>0.01)5种状态,并对克州草地植被生长状况进行分析。从图5-d可知, 2000—2021年克州地区明显退化、轻微退化、稳定不变、轻微改善和明显改善分别占比0.09%、0.29%、50.50%、49.00%和0.05%。明显退化趋势主要出现在阿克陶县区和阿图什市区,分别为52.55%和44.75%;明显改善趋势主要出现在阿图什市区和阿合奇县区,分别为60.36%和20.00%。说明克州地区草地NDVI整体向好发展。

图5 2000—2021年克州地区草地NDVI空间分布及变化趋势Fig.5 Spatial distribution and variation trend of grassland NDVI in Kezhou from 2000 to 2021

2.3 草地NDVI对气温和降水量的响应特征

从图6可知, 2000—2021年克州地区年平均草地NDVI与气温相关系数均值为0.001,最高值为0.833,最低值为-0.722。正相关区域占48.11%,且占比最大的是阿克陶县(43%),占比最小的是阿图什市(5%);负相关区域占为51.886%,且占比最大的是阿合奇县(31%),占比最小的是阿图什市(20%)。生长季平均草地NDVI气温相关系数均值为 0.096,最高值为0.957,最低值为-0.696。正相关区域占73%,占比最大的是阿克陶县(39%),占比最小的是阿合奇县(13%);负相关区域占26.978%,占比最大的是阿合奇县(49%),占比最小的是阿图什市(8%)。

2000—2021年克州地区草地NDVI对降水响应主要表现为正相关,年平均草地NDVI与降水的相关系数均值为0.171,最高值为0.887,最低值为-0.822。正相关区域占69.628%,占比最大的是阿克陶县(35%),占比最小的是阿图什市(15%);负相关区域占30.372%,占比最大的是乌恰县(47%),占比最小的是阿图什市(7%)。生长季平均草地NDVI与降水的相关系数均值为0.296,最高值为0.885,最低值为-0.80。正相关区域占83.4%,占比最大的是阿克陶县(33%),占比最小的是阿图什市(13%);负相关区域占16.6%,占比最大的是乌恰县(33%),占比最小的是阿图什市(9%)。

从图7-a可知,2000—2021年克州地区草地NDVI与气温显著正相关面积占2.538%,各县市显著正相关面积占比为阿克陶(47.32%)>乌恰(34.18%)>阿合奇(11.15%)>阿图什(7.35%);显著负相关面积占0.516%,各县市显著负相关面积占比为阿合奇(96.99%)>阿克陶(1.51%)>乌恰(0.81%)>阿图什(0.69%)。从图7-b可知, 2000—2021年克州地区草地NDVI与降水呈显著正相关面积占41.826%,各县市显著正相关面积占比为乌恰(34.24%)>阿克陶(30.55%)>阿合奇(23.81%)>阿图什(11.40%);显著负相关面积占1.403%,各县市显著负相关面积占比为阿克陶(47.45%)>乌恰(35.69%)>阿合奇(14.78%)>阿图什(2.09%)。草地NDVI与降水的正相关性高于草地NDVI与气温的正相关性,表明,在克孜勒苏地区,降水量对草地植被覆盖度有重要影响。

2.4 克州地区草地NDVI对地形因子的响应

将克州地区海拔分成6个梯度,分别为低海拔(1000～1500 m)、较低海拔(1500～2500 m)、中海拔(2500～3500 m)、高海拔(3500～4500 m)、较高海拔(4500～5500 m)和极高海拔(5500～6500 m)。从图8-a可知,2000—2021年克州地区草地NDVI值从低海拔-较低海拔-中海拔-极高海拔呈降低-增加-降低趋势;草地NDVI面积比例从低海拔到-中海拔-极高海拔,呈先增高后降低趋势。中海拔(2500～3500 m)范围内草地NDVI面积比例最大(49.17%),对应的NDVI值也较高,为0.129;在极高海拔(5500～6500m)范围内,草地NDVI面积比例仅为0.008%,对应NDVI值为-0.032。说明,在一定海拔范围内草地NDVI所占面积会影响NDVI值。

将坡度分成6个梯度,分别为平坡(0°～5°)、缓坡(5°～8°)、斜坡(8°～15°)、陡坡(15°～25°)、急坡(25°～35°)和险坡(35°～45°)。从图8-b可知,2000—2021年克州地区草地NDVI面积比例及对应的值从平坡-缓坡-陡坡-险坡均呈降低-增加-降低趋势。坡度15°～25°的NDVI面积比列及对应值均最大,分别为28.55%和0.114;坡度5°～8°的NDVI面积比例及对应值均最小,分别为7.25%和0.10。坡度8°～35°的NDVI值较集中。

坡向为北坡(338°～22°)、东北破(23°～67°)、西北破(293°～337°)、东坡(68°～112°)、西坡(248°～292°)、东南坡(113°～158°)、西南破(203°～247°)和南破(158°～202°)。从图8-c和8-d可知,2000—2021年克州地区NDVI在南坡向显示出明显的优势,占比最大(14.767%),北坡向占比最小(5.864%);NDVI最大值在东南坡向(0.1129),NDVI最小值在西坡方向(0.1059)。

图8 2000—2021年克州地区草地NDVI对地形因子的响应Fig.8 Response of grassland NDVI to topographic factors in Kezhou region from 2000 to 2021

3 讨 论

克州属于典型的干旱半干旱地区,生态系统脆弱,研究该区域的草地NDVI变化趋势,对深入认识气候变化对陆地生态系统的影响具有重要意义。本研究中,2000—2021年克州地区草地NDVI与气候因子的年际变化趋势表明,草地NDVI呈极显著增长趋势,降水呈无显著升高趋势,气温呈无显著降低趋势。空间分布及变化趋势表明,克州地区东北部和西南部的平均气温偏低,中部及西北气温偏高;2000—2021年克州地区75%区域气温呈下降趋势,25%区域呈上升趋势。东北部的阿合奇县和西部乌恰县附近多年平均降水量偏高,中部的阿图什市和南部的阿克陶县周围偏低;90.5%区域的多年平均降水量表现为上升趋势,仅9.5%区域呈下降趋势。南部和东部草地NDVI偏高,西部及西北部草地NDVI偏低;0.05%区域草地明显改善,主要集中在东北部;0.09%区域草地明显退化,主要集中在西南部。

气温和降水被认为是影响植被生长发育及格局变化的主要因素[23]。本研究表明,气温和降水量与草地NDVI在生长季尺度上的相关性比年尺度上的相关性更具生态意义,草地NDVI与降水的显著正相关面积大于与气温的显著正相关面积,该结果与蔡朝朝[12]、陈春波等[13]、赵苇康等[14]和闫俊杰等[18]的新疆草地植被对气候变化响应的研究结果一致。但气候因素驱动NDVI的方式,不同时空尺度仍存在争论。在干旱和半干旱地区,降水是植被的主要影响因素[24]。侯志雄等[25]研究表明,北疆天然草地植被覆盖度的变化主要受降水和相对湿度变化的影响,这可能与新疆地处干旱、半干旱地区有关。地形控制着太阳辐射和降水的空间再分配,被认为是影响山区植被稳定性的重要因素[26-29]。本研究发现,中海拔(2500～3500 m)范围内草地NDVI面积比例最大(49.17%),对应的NDVI值也较高(0.129);说明在一定海拔范围内草地NDVI所占面积会影响NDVI值。NDVI与海拔的关系与研究区域的环境特征、区域范围和数据源的空间分辨率密切相关[30-32]。草地NDVI面积比例及对应的平均值从平坡-到缓坡-陡坡-险坡均呈降低-增加-降低趋势;南坡向草地NDVI显示出明显的优势,从东南向西北呈下降趋势,这与前人研究结果相似[33-34]。

本研究探讨了克州地区草地NDVI对环境因子的响应,为克州草原生态系统的可持续发展提供一定的参考价值,但也存在一定不足之处。环境因子和人类活动是草地植被变化的主要影响因素,但本研究侧重讨论环境因子对草地植被的影响。后期应结合人类活动、地下水、土壤湿度、地表温度、土壤养分特性等对草地植被变化的影响进一步探讨分析。

4 结 论

2000—2021年克州地区气温在年尺度和生长季尺度上均呈下降趋势,降水量及草地NDVI在年尺度和生长季尺度上均呈增加趋势。草地NDVI与气温和降水量在生长季尺度上的相关性比年尺度上的相关性更强;草地NDVI与降水的显著正相关高于其与气温的显著正相关。中海拔(2500～3500 m)范围内草地NDVI面积占比及对应NDVI值均较大,坡度8°～35°的NDVI值比较集中,南坡向NDVI值呈现明显的优势。综上,克州地区草地植被生长向改善趋势发展。