新疆天然草地时空变化及其对气候因子的响应

赵苇康， 井长青*， 陈宸

（1.新疆农业大学草业学院，新疆草地资源与生态重点实验室，西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830052； 2.黔南民族师范学院旅游与资源环境学院，贵州 都匀 558000）

近年来，在全球气候变暖及人类活动加剧的背景下，陆地生态系统与气候变化的关系是全球气候变化研究的重要内容，草地是地球上面积最大的陆地生态系统，约占陆地总面积的25%，同时也是中国面积最大的陆地生态系统，约占中国土地面积的40%[1]。草地在全球碳循环和气候变化方面扮演着重要的角色，而草地生态系统对全球气候变化的响应十分敏感，因此，草地生态系统成为全球气候变化的主要研究对象。新疆草地面积占全国草地总面积的14.6%，占新疆土地面积的34.4%，位居我国第3位[2]。

植被净初级生产力（net primary productivity，NPP）是草地生态系统的核心要素之一[3‑4]，由于NPP 与全球气候变化关系密切[5‑6]，因此在研究全球气候变化方面具有重要意义[7]。NPP 是指在单位时间和单位空间绿色植被通过光合作用吸收的CO2净量[8‑9]，即绿色植被光合作用吸收的CO2量减去呼吸作用释放CO2量的差值[10‑11]。目前，采用遥感技术监测植被动态被广泛应用。遥感数据中归一化植被指数（normal difference vegetation index，NDVI）包含了植被覆盖、生物量信息等，是研究植被变化的有效指标[12]。分析植被覆盖变化常采用长时间序列的NDVI数据[13]。

近年来，许多学者在植被NPP、NDVI 对气候变化的响应方面开展了大量研究。朱莹莹等[14]研究发现，植被NPP 对气温和降水量的响应具有空间差异；杨红飞等[2]认为，新疆草地NPP 受气候因素的影响，草地植被总体呈北高南低的趋势；随着气温和降水量的增加，草地NPP 呈现增加趋势[15‑16]；有些区域随着气温的增加，草地NPP 呈现下降趋势[17‑18]。Li等[19]发现，1982—2013年中亚地区天然植被NDVI 呈上升趋势；王桂钢等[20]指出，新疆植被NDVI 具有明显的空间差异，总体呈增加趋势；李秀花等[21]研究表明，新疆植被NDVI 主要受降水量的影响；在全球干旱区，降水量是影响植被变化的主要气候因子，与植被变化呈正相关；气温与植被变化呈负相关，且随干旱程度的增加，气温对植被变化的促进作用逐渐减弱[22‑23]。

在全球气候变暖背景下，研究新疆草地NPP、NDVI 对主要气候因子的响应以及未来新疆草地NPP、NDVI 的时空变化趋势具有重要意义。本研究采用1985—2015 年逐年NPP 数据和1998—2015年逐年NDVI数据，分析新疆草地NPP、NDVI时空变化特征，进一步研究新疆草地NPP、NDVI与气温、降水之间的相关性，揭示影响新疆草地的主要气候限制因子，为将来研究气候变化对新疆草地的利用及管理提供一定的数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处新疆维吾尔自治区（34°22′—49°33′N，73°32′—96°21′E）（图1），总面积为166万 hm2。新疆独特的地理环境特征为“三山夹两盆”，其中三山包括北部的阿尔泰山脉、南部的昆仑山脉和中部的天山山脉；两盆包括准噶尔盆地和塔里木盆地。由于地貌复杂多样，新疆草地主要包括草原、草甸和荒漠草地3种类型[24]。新疆属于典型的温带大陆干旱性气候，年均温北疆为4～8 ℃，南疆为10～13 ℃；年日照时数2 550～3 500 h；年降水量北疆为100～200 mm，南疆为20～100 mm；无霜期180～220 d；年蒸发量北疆为1 500～2 300 mm，南疆为2 100～3 400 mm。新疆草地面积5 700万 hm2，主要分布在山区和盆地边缘及各河沿岸，可利用面积4 800万 hm2，占我国草地面积的14.5%，位居我国第三位。新疆草地受气候和地形的影响，生态环境极其脆弱[2,25]。新疆最基本的天然草地利用方式是四季转场放牧，北疆为夏牧场、春秋牧场和冬牧场；南疆为夏秋牧场和冬春牧场[26]。

图1 研究区位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 研究方法

1.2.1数据来源及处理 数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），空间分辨率为90 m，DEM 数据集是基于最新的SRTM（shuttle radar topography mission）数据经整理拼接生成，利用新疆行政区划图掩膜提取出新疆地区DEM 的栅格图像。研究区基于审图号GS（2019）3333号地图制作（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn）。

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，空间分辨率为1 km，2015 年土地利用数据是基于Landsat 8 遥感影像，通过人工目视解译生成。在ArcGIS的Spatial Analyst模块下，对2015 年土地利用数据进行条件函数，选取高、中、低覆盖度草地，最终得到新疆草地范围。

NPP 产品数据来源于全球陆表特征参量（global land surface satellite，GLASS）产品（http://www.glass.umd.edu/Download.html），空间分辨率为0.05°（约5 km），将栅格数据重采样至1 km，利用新疆草地范围逐年掩膜提取出新疆地区1985—2015年NPP的栅格图像。

NDVI 产品数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，空间分辨率为1 km。NDVI 数据集是基于连续时间序列的SPOT/vegetation NDVI卫星遥感数据，在月数据基础上采用最大值合成法生成。利用新疆草地范围逐年掩膜提取出新疆地区1998—2015年NDVI的栅格图像。

气象数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，空间分辨率为1 km，气温和降水量数据是基于全国2 400多个气象站点日观测数据，通过整理、计算，并使用Anusplin插值方法进行空间插值处理生成，该插值方法将海拔等协变量引入模型，精度更高。利用新疆行政区划图逐年掩膜提取出新疆地区1985—2015 年逐年年均温度和降水量的栅格图像。

1.2.2趋势分析 以NDVI 为例，进行一元线性回归分析，即年际变化率，计算公式如下。

式中，n为18（1998—2015年共18年），i为第i年，NDVIi为第i年的NDVI 均值。θslope为变化趋势率，当θslope>0 时，说明变化趋势为增加趋势；当θslope<0时，说明变化趋势为下降趋势[27]。

1.2.3相关性分析 通常采用Pearson 相关分析法来测定2个要素之间相关程度，2个要素之间的相关系数r的计算公式如下。

式中，rxy为x与y变量之间的相关系数，xi和yi分别为第i年的NPP 或NDVI、气象要素（年均温、年降水量）值，xˉ和yˉ分别为2个变量的平均值。rxy的取值范围为[-1，1]；rxy正（负）值的大小为该要素在n年内变化趋势[28]。

1.3 数据统计与分析

使用ArcGIS 10.2软件对新疆草地NPP、NDVI和气象数据进行处理，采用SPSS 26.0软件对新疆草地NPP、NDVI、气温及降水量的年际变化进行分析，并利用Origin 2018软件绘制新疆草地NPP、NDVI、气温及降水量年际波动图。

2 结果与分析

2.1 年均气温、年均降水量空间分布及时空变化

从空间分布来看，总体呈现盆地年均气温高于山区，而山区年均降水量多于盆地（图2A 和B）。研究区1985—2015 年的年均气温总体呈波动上升趋势（图2C），31年间平均气温为5.9 ℃，其中年均气温最高值出现在2007 年，为6.9 ℃；最低值出现在2015 年，为4.2 ℃；极差2.7 ℃，波动幅度较大，从线性拟合结果来看年均气温上升率为0.021 ℃·a-1。

图2 1985—2015年新疆年均气温、年均降水量空间分布及时空变化Fig. 2 Spatial distribution and spatial variation of mean annual temperature and annual precipitation in Xinjiang from 1985 to 2015

1985—2015年的年均降水量总体呈波动上升趋势（图2D）。31年间平均降水量为218.7 mm，其中年均降水量最高值出现在2007 年（311.7 mm）；最低值出现在2015年（133.1 mm）；极差178.6 mm，波动幅度较大，从线性拟合结果来看年均降水量上升率为0.592 mm·a-1。

对研究期间气温和降水量的变化率进行分析发现，81.3%的区域年均气温变化率呈上升趋势，18.7%呈下降趋势（图2E）；年均降水量呈上升趋势的区域占研究区的69.2%，呈下降趋势的占30.8%（图2F）。

2.2 新疆草地NPP、NDVI空间分布

由图3 可知，新疆草地NPP 的空间分布呈北高南低的趋势，全疆草地NPP 较高的区域主要分布在伊犁河谷、阿尔泰山山区等草地植被长势较好的区域。NPP 均值普遍高于200 gC·m-2·a-1，甚至部分区域NPP 均值达500 gC·m-2·a-1。北疆自西向东NPP 均值逐渐降低；南疆除部分平原地带外，大部分区域的NPP 均值低于100 gC·m-2·a-1。新疆伊犁河谷、阿尔泰山山区植被覆盖最佳，NDVI 均值高达0.8 左右；全疆NDVI 均值呈西北向东南逐渐降低的趋势，南疆塔里木盆地植被覆盖极低，NDVI均值在0.2左右。

图3 新疆草地NPP、NDVI均值空间分布Fig. 3 Spatial distribution of mean NPP and NDVI of Xinjiang grassland

2.3 新疆草地NPP、NDVI时空变化

从时间变化来看，新疆草地1985—2015 年间NPP 均值为80～140 gC·m-2·a-1，呈波动上升趋势（图4A）。31年间NPP均值为117.381 8 gC·m-2·a-1，极差为50.994 9 gC·m-2·a-1，波动较大，其中最大值为138.003 1 gC·m-2·a-1，出现在2013年；最小值为87.008 2 gC·m-2·a-1，出现在1989年。从空间变化来看（图4B），新疆草地NPP 变化率在-7.039～19.435 gC·m-2·a-1，其中大于0 gC·m-2·a-1的区域占新疆草地面积的77.3%，小于0 gC·m-2·a-1的区域占22.7%。

图4 新疆草地NPP、NDVI的时空变化Fig. 4 Temporal and spatial variation of NPP and NDVI of Xinjiang grassland

进一步分析了1998—2015 年间新疆草地NDVI时空变化，从时间变化来看（图4C），新疆草地1998—2015 年NDVI 为0.27～0.34，呈波动上升趋势，平均为0.296 4，极差为0.066 5，其中2010 年出现最大值（0.338 3），2001 年出现最小值（0.271 8）；从空间变化来看（图4D），新疆草地NDVI 变化率为-0.032～0.054，其中NDVI 增加的区域占58.7%，NDVI减少的区域占41.3%。

2.4 草地与气候因子的相关分析

2.4.1草地NPP 与气候因子的相关分析 研究期间，草地NPP 与气温和降水量的相关性存在明显的空间差异（图5）。新疆草地NPP 与气温的相关系数为-0.83～0.82。草地NPP 与气温呈正相关的区域面积占新疆草地面积的70.7%；位于天山以南、准噶尔盆地边缘地区及塔里木盆地边缘地区的草地NPP 与气温呈负相关，面积占比为29.3%。新疆草地NPP 与降水量的相关系数在-0.64～0.83，其中草地NPP 与降水量呈正相关的草地面积占新疆草地面积的72.8%；草地NPP 与降水量呈负相关的草地面积占新疆草地面积的27.2%，主要分布在南疆地区。综上所述，草地NPP与降水量呈正相关的草地面积大于与气温呈正相关的草地面积，且草地NPP 与降水量的相关系数高于与气温的相关系数。

图5 1985—2015年新疆草地NPP与气温、降水量相关性的空间分布Fig. 5 Spatial distribution of correlation between NPP and temperature and precipitation in Xinjiang grassland from 1985 to 2015

2.4.2草地NDVI 与气候因子的相关分析 从空间上来看，研究期间草地NDVI 与气温和降水量的相关性存在明显的空间差异（图6）。新疆草地NDVI与气温的相关系数为-0.94～0.89，其中呈正相关的区域面积占新疆草地面积的54.6%；位于天山部分山区、阿尔泰山部分山区及昆仑山部分山区的草地NDVI 与气温呈负相关，面积占比为45.4%。新疆草地NDVI 与降水量的相关系数在-0.93～0.97（图6），其中呈正相关的草地面积占新疆草地面积的79.2%；位于天山中部、阿尔泰山部分山区的草地NDVI 与降水量呈负相关，面积占20.8%。新疆草地NDVI 与降水量呈正相关的草地面积大于与气温呈正相关的草地面积，且与降水量的相关系数高于与气温的相关系数。

图6 1998—2015年新疆草地NDVI与气温、降水量的相关性空间分布Fig. 6 Spatial distribution of correlation between NDVI and temperature and precipitation in Xinjiang grassland from 1998 to 2015

3 讨论

本研究表明，1985—2015 年新疆草地NPP 均值总体呈上升趋势，这与刘卫国等[29]和姜萍等[30]的研究结果一致。地形地貌引起的水热差异是影响新疆草地NPP、NDVI 的主要因素[31‑32]。杨红飞等[2]发现，新疆草地NPP 呈北高南低的趋势，主要受区域水热条件的影响。新疆北部伊犁河谷、阿尔泰山山区等区域由于特殊的地貌使得北大西洋和北冰洋的湿润气流进入，成为新疆草地NPP 的高值区；而天山山脉阻隔了湿润气流继续南下，导致新疆南部气温高，降水量少，造成新疆草地NPP的低值区主要分布在准噶尔盆地和塔里木盆地附近草地等生态敏感脆弱区，进而形成新疆草地NPP呈北高南低的空间分布。气温和降水量是影响草地NPP 的2 个重要气候因子[33]。研究表明，新疆的气温和降水量总体呈增加趋势[34‑35]，与本研究结果一致。本研究发现，新疆草地NPP 与气温和降水量呈极显著正相关（P<0.01），草地NPP与降水量呈正相关的面积占新疆草地面积的72.8%，与气温呈正相关的面积占70.7%，且与降水量的相关性高于气温，与贾璎等[36]和陈宸等[37]研究结果一致。干旱是草地NPP 的限制因子，降水量的增加能有效地减少水分丧失，降低蒸散量，进而提高植被有机物的积累[30]。但在海拔较高的山区，降水量较为充沛，限制因子转换为气温，相同海拔但温度较高的山区更有利于植被的生长[38]。

自1982 年起，新疆草地年均NDVI 呈增加趋势[25,39]，草地植被覆盖度呈显著上升趋势[40]。本研究也表明，1998—2015年新疆草地NDVI均值总体呈上升趋势，这与Chen等[41]、何航等[42]、张晋霞等[43]的研究结果一致。邓兴耀等[44]认为，草地NDVI变化与气温和降水量关系密切，影响植被覆盖的主要因子是降水量，气温也显著影响草地植被生长。本研究发现，北疆NVDI 均值总体高于南疆，可能是由于北疆具有独特的气候条件和丰富的降雨量；新疆草地NDVI 与气温呈负相关，但未达到显著水平，与降水量呈极显著正相关（P<0.01），草地NDVI 与降水量呈正相关的面积占新疆草地面积的79.2%，与气温呈正相关的面积占54.6%，且与降水量的相关性高于气温，与李佳秀等[45]的研究结果一致。在准噶尔盆地和塔里木盆地边缘区域，气温升高对植被表现出明显的阻碍作用，与前人的研究结果一致[46]。气温升高，蒸散量增大，对本就缺乏水资源的新疆十分不利，气温超过植被生长的最适温度会影响植被的正常生长。降水量对新疆山区的植被覆盖具有十分明显的促进作用，全疆降水量总体呈增加趋势，丰富的水资源为植被的生长提供了有利条件，进而提高了这些区域的植被覆盖度。