新疆植被动态格局及其对气候的时滞效应

王会静 ，郭玉川 ，白运保 ，王 宁 ，魏 宣 ，周明通

（1. 新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐 830046；2. 新疆大学新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046）

0 引 言

植被作为陆地生态系统的重要组成部分，具有调节区域气候、保护生物多样性、实现生态系统物质循环与能量交换等重要作用[1-3]。植被生长主要受到降水、气温和太阳辐射等气候要素的影响[4-5]，归一化植被指数（NDVI）可以很好地表征植被覆盖和生长情况，在不同时空尺度的植被动态变化监测中具有广泛应用，是研究植被变化与气候要素关系的首选指标[6]，开展植被变化与气候要素关系的相关研究对定量评价未来气候变化对植被的影响具有重要意义[7]。

近年来，国内外学者对不同尺度的植被空间格局动态变化以及植被与气候因子的时滞效应开展了一些研究。研究表明，降水、气温以及太阳辐射等气候要素对植被生长有一定驱动作用，在部分内陆区域植被是大气水汽重要来源之一，因此植被变化对区域气候环境也有一定的反馈作用[8-10]；NDVI 增长一般是气候变暖增强了植物光合作用，导致生长季延长，或者是降水补充土壤水分促进植物养分的吸收[11]。但也有研究表明，在温带干旱区，增温速率升高会加强水分蒸散，加剧干旱趋势，对植被生长产生抑制作用[12]；春季和秋季降水增多伴随着气温降低，影响植被的光合、呼吸以及蒸腾作用等各项生理活动之间的协调关系[13-15]。近年来，植被对气候响应的研究不再仅限于分析对应时间下二者的相关关系，有学者认为植被对气候要素的响应存在滞后效应[16]，例如从全球尺度来看，低纬度地区植被与气温之间存在明显的滞后，干旱和半干旱地区植被与降水之间存在滞后效应[17]。也有学者在中国进行了植被与气候要素时滞性研究，在中国北方地区，植被对气温存在较长的滞后时间；除云南外的南方地区，植被对降水存在1～3 个月的滞后时间[18]。因此，有必要进一步加强对植被覆盖变化及归因的研究，更深入地认识植被时空变化特征及其对气候要素的响应，有效地监测生态环境变化。

目前对于新疆地区植被年际变化与气候分析已有一些成果，现有研究多监测植被整体生长状况或者单一植被变化情况，对不同类型的植被与气候响应的滞后效应研究较少[19-22]。本研究采用新疆1982—2015 年逐月GIMMS NDVI 和CRU 降水、气温数据，植被类型数据，运用Sen + Mann-Kendall 趋势分析、偏相关分析和时滞偏相关分析等数理统计方法，从月尺度探讨新疆地区不同类型的植被对降水和气温两种气象因子的相关性和响应时间的滞后性，统计不同植被类型对气候要素的响应时长，为生态环境对气候变化的响应研究工作提供一定的借鉴。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区位于中国西北边陲，地处亚欧大陆腹地，介于73°40′～96°23′E，34°25′～49°10′N 之间，由北向南依次为阿尔泰山、准噶尔盆地、天山、塔里木盆地、昆仑山，具有“三山夹两盆”的特殊地貌。新疆年平均气温为9～12 °C，年日照时数长，光热资源丰沛，干旱多风，降水较少，年均降水量约150 mm，植被稀疏，是典型的温带大陆性干旱气候[23]。新疆植被类型具有地带性差异（图1），山区多为森林、草原和草甸，植被覆盖度较高，平原区多为人工灌溉的栽培植被，植被覆盖度波动较大，荒漠区多为稀疏的灌木和短命植被，呈现低矮稀疏、分布不均匀、整体植被覆盖度较低的特点[24-25]。

图1 新疆植被类型图Fig.1 Vegetation type map of Xinjiang

1.2 数据来源与处理

本文植被变化分析主要采用15 d 合成的GIMMS NDVI 3 g.v1 数据(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/)，数据时间范围1982—2015 年。该数据集是NOAA Global Inventory Monitoring and Modeling System (GIMMS)发布的归一化植被指数产品，空间分辨率为0.083°，时间间隔15 d，该数据集时间序列长，数据来源、处理方法以及时空分辨率具有较好的一致性，满足本研究的需求。本文采用最大值合成法（Maximum Value Composite,MVC）计算月尺度和年尺度NDVI 数据，该方法可以很大程度去除大气噪声[26]，代表植被月内和年内最佳生长状态。经过多次试验，将NDVI 值小于0.1 的像元标记为水域、沙漠、盐碱地等地类的无植被覆盖区域。

降水和气温数据采用英国气候研究所全球CRU TS v4.06（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.06/）格网数据集。该网格化数据集来自4 000 多个气象站，并基于空间自相关函数进行插值，空间分辨率为0.5°，时间范围是1901—2021 年[27]。为保证与NDVI 数据集时间范围相匹配，故仅使用1982—2015 年的降水与气温数据集，经过裁剪得到研究所需的新疆地区数据。基于ArcMap 中双线性插值法将气象数据重采样为0.083°。

植被类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.Resdc.cn)1∶100 万中国2000 年植被类型图。由于本研究主要分析植被的变化，因此对非植被区进行合并，最后形成包含针叶林、高山植被、栽培植被、阔叶林、灌丛、草原、草甸和其他8 种类型的分类图，基于ArcMap 中最邻近法重采样，使其空间分辨率与NDVI 和气象数据一致，裁剪后形成研究区植被类型分布(图1)。

1.3 研究方法

1.3.1 Sen + Mann-Kendall 趋势分析

研究采用Sen 趋势分析法，对新疆NDVI 时间序列变化趋势进行计算，得到1982—2015 年新疆植被NDVI年际变化率，使用Mann-Kendall 检验法对NDVI 变化趋势进行显著性检验。Sen 趋势分析是一种非参数统计趋势分析方法，具有样本不需要服从特定的分布，且不受序列中空值和异常值干扰的优点，有较好的抗噪性[28]。Sen 趋势分析公式为

式中β为所有数据对斜率的中值，即植被的变化趋势度；median()表示取中值函数；i、j为时间序数；Xi、Xj为时间序列第i、j的NDVI 值；当β＞ 0，表示时间序列内NDVI 呈现上升趋势，当β＜ 0，表示NDVI 呈下降趋势。

Mann-Kendall 是一种非参数检验方法，可以判断数据变化趋势的显著性[29]。计算公式为

其中

式中Z为标准化后的检验统计量；S为检验统计量；n为数据集合长度。本研究在置信水平α=0.05 上对新疆NDVI 年际变化趋势进行显著性检验，当检验结果|Z|＞1.96 时，认为变化趋势显著，当|Z|≤1.96 时，认为变化趋势不显著。

1.3.2 时滞偏相关分析

研究采用逐像元时滞偏相关分析，探究1982—2015年月尺度NDVI 与降水量、气温之间的最大偏相关系数及滞后时间，分析降水和气温对植被年内生长的影响。以往研究表明，植被对气候因子的滞后时间在一个季度以内[17]，因此，本研究基本步骤为分别计算植被NDVI与当月、前推1 个月、前推2 月以及前推3 个月降水和气温的偏相关系数，然后对这4 组偏相关系数进行比较，将对应位置最大像元值进行合成，得到最大偏相关系数，表征植被与气候因子之间的最大相关性，滞后时间则为最大偏相关系数对应的滞后期。计算过程为[30]

1）计算不同时滞下NDVI 与降水和气温之间的相关系数。

式中RNP、RNT分别为不同时滞下NDVI 与降水和气温的相关系数；RPT为不同时滞下降水和气温之间的相关系数；m为序列长度；Nm、Pm、Tm分别为NDVI、降水、气温序列；k为滞后时间，根据以往研究，植被对气候的滞后性通常小于等于c/4，本研究是月尺度数据，c=12，则k最大值取3；和分别为降水和气温序列均值；和分别为第(m+k)个时滞的NDVI 均值和降水均值。

2）根据偏相关系数计算公式，结合不同时滞下相关系数，得到不同时滞下的偏相关序列。

式中RNP-T为不同时滞下剔除气温影响，NDVI 与降水的偏相关系数；RNT-P为不同时滞下剔除降水影响，NDVI与气温的偏相关系数。最后，采用t 检验方法完成偏相关系数的显著性检验。以上计算过程通过MATLAB R2018b 编程实现。

2 结果与分析

2.1 新疆植被时空特征

计算1982—2015 年新疆地区NDVI 多年平均值，得到新疆NDVI 空间分布情况（图2a）。总体来看，新疆NDVI 在空间分布上具有明显差异，表现出北疆高于南疆、西部高于东部的空间格局。伊犁河谷、天山山脉、阿尔泰山山脉年均NDVI 相对较高，环准格尔盆地和塔里木盆地的绿洲次之，塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库木塔格沙漠几乎无植被，年均NDVI 最低。对不同植被类型对应的年际NDVI 进行统计，得到1982—2015 年新疆不同植被NDVI 变化情况（图2b）。新疆地区34 a 期间，各种植被类型平均NDVI 由大到小依次为针叶林、栽培植物、草甸、灌丛、草原、阔叶林、高山植被，各植被类型NDVI 平均值分别为0.63、0.45、0.38、0.32、0.29、0.24、0.17。整体来看，栽培植物年均NDVI 呈现增长趋势，其他类型的植被均呈现相对平稳态势，年际间有小幅度波动。

图2 新疆NDVI 空间分布和不同植被NDVI 变化Fig.2 Spatial distribution of NDVI and changes of NDVI in different vegetation in Xinjiang

由图3a 可以看出过去34 a 新疆植被的时空变化趋势，1982 年以来，环塔里木盆地的绿洲和天山山脉北侧植被呈上升趋势，准噶尔盆地西部和东部、伊犁河谷地区植被呈下降趋势。

将趋势分析结果与置信水平α=0.05 的MK 检验结果进行叠加，将植被变化趋势划分为显著改善、不显著改善、不显著退化、显著退化和稳定不变5 个类别，并对不同类型占总面积比例进行统计（图3b）。显著改善的区域占20.6%，不显著改善的区域占3.3%，稳定不变的区域占65.7%，不显著退化的区域占10.4%，不存在显著退化的区域。总体来看，新疆34 a 来植被增加的区域大于退化区域，植被变化整体呈现变绿趋势。

2.2 植被年内变化对气候响应的时滞效应

在0～3 个月滞后期情况下，分别计算NDVI 与降水和气温的偏相关系数，将对应位置最大像元值进行合成，对不同植被类型变化趋势所占的比例进行统计（图3c），除针叶林外，每种类型的植被改善区域均大于退化区域，其中针叶林退化区域最大，占24.2%，栽培植被的改善区域最大占75.3%，这与图2b 栽培植物年均NDVI 呈现增长趋势一致。得到最大偏相关系数，作为NDVI 对气候因子的最大响应强度，进一步得到NDVI 对降水和气温的滞后时长，结果如图4 所示。

图4 1982—2015 年新疆NDVI 与降水的偏相关系数、最大偏相关系数及滞后时间Fig.4 Partial correlation coefficient, maximum partial correlation coefficient and lag time between NDVI and precipitation in Xinjiang from 1982 to 2015

从图4a～4d 来看，NDVI 对降水的响应时间存在滞后效应，从图4e 来看，NDVI 对降水的最大偏相关系数呈现北部低，中部和南部高的空间格局，在天山山脉、昆仑山以及阿尔金山海拔较高的区域最大偏相关系数高，在准噶尔盆地偏相关系数低，表现出盆地低山区高的特征。具体来说，最大偏相关系数为负的区域仅占植被区的5%，主要分布在准噶尔盆地北侧和西侧、昆仑山南缘；最大偏相关系数大于0.8 的区域主要在天山、昆仑山以及阿尔金山，占新疆植被面积的16%；最大偏相关系数介于＞0.6～0.8 的区域面积最大，占31%，分布在环塔里木盆地的绿洲区、伊犁河谷以及天山北侧；最大偏相关系数介于＞0～0.3 和＞0.3～0.6 的区域在准噶尔盆地和吐哈盆地，占比分别为20%和28%。从图4f 的滞后时间来看，新疆地区72%的植被区对降水有1～3 个月的滞后，平均滞后时间为1.1 个月，其中准噶尔盆地地区，滞后期长达3 个月。

从图5a～5d 来看，植被NDVI 对气温的响应时间存在滞后，从图5e 来看，NDVI 与气温的最大偏相关系数呈现北部和西南部高，中部低的特征，最大偏相关系数大于0.8 的区域仅占新疆植被区的2%；最大偏相关系数介于＞0.6～0.8 的区域主要在阿勒泰地区和昆仑山西段，占18%；最大偏相关系数介于＞0.3～0.6 的区域面积最大，介于＞0～0.3 的区域次之，占比分别为51%和25%，分布在新疆中部和北部；最大偏相关系数小于0 的区域占新疆植被区的4%。从图5f 植被对气温响应的滞后时间来看，有70%的植被区域对气温存在滞后响应，平均滞后时长1.4 个月。其中滞后1 期的区域所占面积比例最大，为36%，主要分布在塔里木盆地北缘绿洲，以及准噶尔盆地周边；滞后3 期的区域集中在天山、昆仑山地区，吐哈盆地也有零散分布，占植被区面积的27%。

图5 1982—2015 年新疆NDVI 与气温的偏相关系数、最大偏相关系数及滞后时间Fig.5 Partial correlation coefficient, maximum partial correlation coefficient and lag time between NDVI and air temperature in Xinjiang from 1982 to 2015

2.3 不同植被类型与气象因子的时滞分析

将研究区内划分针叶林、高山植被、栽培植被、阔叶林、灌丛、草原、草甸7 个植被大类，针叶林和高山植被多分布于山区，阔叶林、灌丛、栽培植被多分布在平原区，草原和草甸山区和平原区都有分布。不同植被在生长期对水热条件的需求均存在差异，植被类型影响植被NDVI 与降水和气温的相关程度，也会影响植被NDVI 对降水和气温的响应时间。不同植被类型与降水和气温的最大偏相关系数和滞后时间如图6 所示。

图6 不同植被类型NDVI 与降水和气温的最大偏相关系数及滞后时间Fig.6 Maximum partial correlation coefficient and lag time of different vegetation types NDVI with precipitation and air temperature

从不同植被所对应的最大偏相关系数（图6a）来看，不同植被类型NDVI 与降水的相关性均高于气温。降水与植被NDVI 的最大偏相关系数介于0.5～0.7 之间，而气温与植被NDVI 的最大偏相关系数介于0.3～0.5 之间。降水与植被NDVI 的最大偏相关系数由大到小依次为：草甸、灌丛、针叶林、草原、栽培植被、阔叶林、高山植被，表明在新疆地区降水是草甸、灌丛、针叶林的主要促进因子，降水对高山植被的影响最弱；气温与植被NDVI 的最大偏相关系数由大到小依次为：阔叶林、栽培植被、灌丛、高山植被、草原、草甸、针叶林，表明在新疆地区气温对阔叶林的影响最强，对针叶林的影响最弱。

从不同植被所对应的滞后期（图6b）来看，不同类型植被NDVI 对降水的平均滞后时长均大于气温。不同植被类型与降水的平均滞后时长介于1.4～2.3 个月之间，而植被NDVI 对气温的平均滞后时长介于2.0～3.1 个月之间。总体来看，新疆地区植被对降水的响应时间比气温的响应时间快，即新疆地区植被对降水的敏感性比气温强。不同植被类型对气候要素的响应时间有一定差异，不同植被对降水的响应时长由大到小依次为：高山植被、阔叶林、灌丛、草原、草甸、栽培植被、针叶林，表明新疆地区高山植被对降水的响应时间最慢，针叶林对降水响应时间最快；不同植被对气温的响应时长由大到小依次为：高山植被、草甸、针叶林、草原、灌丛、栽培植被、阔叶林，表明新疆地区高山植被对气温的响应时间最慢，阔叶林对气温的响应时间最快。

3 讨 论

本文研究表明，1982—2015 年新疆植被呈现变绿趋势，在南疆和北疆之间存在明显差异，主要受到自然环境要素的综合影响。一方面，新疆气候呈暖湿化趋势，降水是干旱半干旱地区植被生长的重要决定因素，充足的水分可以通过影响土壤养分迁移、提高土壤微生物的活性，驱动植物养分吸收，促进植物生长[31-32]。另一方面，由于新疆独特的地形地貌，北疆降水量比南疆更丰沛，土壤水分相对充足，沿天山山脉一带植被覆盖度高，而南疆地区有世界第二大流动沙漠，北侧的天山和南侧昆仑山阻隔水汽，降雨少蒸发大，导致植被低矮稀疏，植被覆盖度低[21]。从局部来看，伊犁河谷地区呈现出显著退化趋势，有研究认为是由于当地过度超载放牧导致草地退化[33]，人类活动在一定程度上也会主导植被的变化进程[24]。

新疆地区植被对降水和气温的响应均表现出一定程度滞后响应的特性，并且植被对降水的响应比气温更快，这与已有研究中的新疆地区植被对降水敏感性更高的结论相一致[34]。气候对植被的影响通常不是一次性的，而是需要在一段时间内进行积累，才能对当前植被生长产生较大的影响，积累效应通常需要更长的时间才能体现出来，而滞后效应则更容易被观察到[35]。不同类型的植被对气候因子的相关性和滞后时长存在差异，这可能与不同植被分布的海拔地形以及植被自身特性有关[36]。新疆的降水量总体上随海拔升高而增加，气温随海拔上升而降低[37]，山区海拔由高到低分布着高山植被、草甸、针叶林、草原，其中只有高山植被对降水的响应速度很慢，这可能与高山植被多分布在冰川周围有关，也可能是到达一定海拔范围，植被对降水的敏感性会显著降低。不同类型的植被自身特性不同，与乔木相比，灌木和草本植被的根系大多分布在浅层土壤中，并且木质化较少，对降水格局变化的响应速率不同[38]，另外多年生的乔木和灌丛相对生长量比一年生植物低，对外界环境变化抵抗力更强[39]。

植被NDVI 变化受到很多要素的影响，是一个很复杂的过程，本文只研究了气候要素中降水和气温与植被变化的关系，其他气候要素[40]、地形地貌[36]、土壤性质[41]以及人类活动[36]等因子并未进行深入探讨，这是今后有待进一步研究的内容。本文采用的植被类型数据出版于2001 年，多年来新疆土地利用类型和植被类型都发生着变化，人工绿洲和建设用地扩张，草地和林地面积减少，但目前没有更好的长序列的植被类型数据可以使用[42]。尽管以上问题会对研究结果的确定性产生一些影响，但本文的研究成果对认识新疆地区不同类型植被对气候变化的响应机制仍具有参考价值，能够为新疆环境生态建设和植被保护方面提供科学参考。

4 结 论

本文以新疆1982—2015 年GIMMS NDVI 数据集，以及CRU 降水和气温数据集为基础，利用Sen + Mann-Kendall 趋势分析、时滞偏相关分析和数理统计等方法，综合分析了新疆植被时空变化特征，重点分析了植被对降水和气温的滞后响应，对比了不同类型的植被对气候要素响应的差异性。主要结论如下：

1）新疆地区植被呈现北疆高于南疆、西部高于东部的空间格局，1982—2015 年34 a 期间，天山山脉北段和环塔里木盆地的绿洲NDVI 显著增加，伊犁河谷地区植被呈现退化趋势，整体来看，新疆地区植被增加区域大于退化区域，植被呈现出增长趋势。

2）在0～3 个月滞后期情况下，新疆有72%植被区域对降水的响应存在滞后性，平均滞后时间为1.1 个月，有70%的植被区域对气温的响应存在滞后性，平均滞后时长1.4 个月，NDVI 与降水的相关性比气温更强，植被与气候要素时滞相关系数越高的区域，响应速度越快，总体上看，新疆地区植被对降水更为敏感。

3）不同类型植被与降水和气温的响应程度不同，在新疆地区降水是草甸、灌丛和针叶林的主要促进因子，气温对阔叶林的影响最强，不同植被与降水的时滞偏相关系数均高于气温，不同植被对气温的响应时间均长于降水。