杜加強(qiáng), 高　云, 賈爾恒·阿哈提, 趙晨曦, 方廣玲, 袁新杰, 陰俊齊, 舒儉民

1 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京　100012 2 中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100012 3 新疆昌吉州環(huán)境監(jiān)測站, 昌吉　831100 4 新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 烏魯木齊　830011

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近30年新疆植被生長異常值時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因子

杜加強(qiáng)1,2,*, 高云3, 賈爾恒·阿哈提4, 趙晨曦4, 方廣玲1,2, 袁新杰4, 陰俊齊4, 舒儉民1,2

1 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京100012 2 中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100012 3 新疆昌吉州環(huán)境監(jiān)測站, 昌吉831100 4 新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 烏魯木齊830011

摘要:作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，植被的時(shí)空變化深刻地影響著景觀格局和生態(tài)功能，深入理解植被動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，對(duì)于提高對(duì)生態(tài)過程的認(rèn)識(shí)、加強(qiáng)生態(tài)管理具有重要意義。在一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用中分辨率成像光譜儀(moderate-resolutionimagingSpectroradiometer,MODIS)的歸一化植被指數(shù)(normalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)數(shù)據(jù)集將新疆地區(qū)全球檢測與模型研究組(GlobalInventoryModelingandMappingStudies,GIMMS)開發(fā)的NDVI數(shù)據(jù)集的時(shí)間序列拓展到2012年，探討了生長季和各季節(jié)植被綠度、氣候異常值的動(dòng)態(tài)變化，分析了植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)。研究結(jié)果顯示，區(qū)域尺度和像元尺度GIMMS與MODISNDVI之間的一致性較強(qiáng)。1982—2012年，研究區(qū)域生長季和各季節(jié)植被綠度呈顯著增加趨勢，但生長季存在明顯階段性：1998年前后分別呈顯著增加和顯著減少，夏季與秋季與生長季類似，而春季則不存在變化趨勢的逆轉(zhuǎn)。NDVI呈正異常值的面積比例與區(qū)域尺度NDVI的變化趨勢一致；極端異常值、較大異常值多呈明顯減少趨勢，而一般異常值多呈增加趨勢，NDVI的變化傾向于逐漸平穩(wěn)。區(qū)域變暖趨勢顯著，降水量略有增加，潛在蒸散發(fā)顯著提高，而濕潤指數(shù)變化不明顯。氣溫、潛在蒸散發(fā)主要在春季、秋季促進(jìn)植被生長，而夏季降水量、濕潤指數(shù)對(duì)植被生長的調(diào)節(jié)作用更為突出。

關(guān)鍵詞：GIMMSNDVI；MODISNDVI；異常值；水熱條件；植被變化；時(shí)空格局；新疆

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分，聯(lián)接了土壤圈、水圈和大氣圈的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，在調(diào)節(jié)陸地碳平衡和氣候系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用[1- 2]，監(jiān)測植被動(dòng)態(tài)變化具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。植被覆蓋變化強(qiáng)烈地受到氣候變化、人類活動(dòng)的影響[3- 6]，地表植被對(duì)外界干擾的響應(yīng)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)?；谙冗M(jìn)甚高分辨率輻射儀(AdvancedVeryHighResolutionRadiameter,AVHRR)的GIMMSNDVI數(shù)據(jù)集具有時(shí)間序列長、覆蓋范圍廣、時(shí)空可比、較強(qiáng)地植被動(dòng)態(tài)變化表征能力[7]等特點(diǎn)，被證明是描述植被生長動(dòng)態(tài)變化最好的數(shù)據(jù)集之一[6,8- 10]，廣泛地應(yīng)用于從全球到區(qū)域尺度的植被動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)、土地退化區(qū)域識(shí)別、植被生產(chǎn)力和碳平衡等領(lǐng)域的研究之中。然而，由于AVHRR傳感器設(shè)計(jì)之初并不是以植被研究為目的，計(jì)算NDVI之前需要進(jìn)行一系列的校正工作，導(dǎo)致GIMMSNDVI數(shù)據(jù)集本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)變化的，每一次有更新的數(shù)據(jù)加入必須要重新計(jì)算[11]。目前，應(yīng)用最為廣泛的GIMMSNDVI數(shù)據(jù)集的時(shí)間序列為1982—2006年，有關(guān)最近幾年植被變化及其與過去30年比較的研究需要擴(kuò)展GIMMSNDVI數(shù)據(jù)集的時(shí)間序列[12- 16]。MODISNDVI被認(rèn)為是AVHRRNDVI的完善[1]，提高了空間分辨率和葉綠素敏感度，排除了大氣水汽的干擾，調(diào)整了合成方法，是AVHRRNDVI的延續(xù)和升級(jí)[17]。國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者開始進(jìn)行GIMMSNDVI和MODISNDVI的比較與數(shù)據(jù)插補(bǔ)工作[11,13,18- 23]。

新疆深居歐亞大陸中心，遠(yuǎn)離大洋，是中國干旱區(qū)的主體、歐亞大陸干旱區(qū)的典型代表。復(fù)雜的地形地貌，干旱的大陸性氣候，以及荒漠性土壤植被，共同作用形成了多樣的生物群落。像MA定義的那樣，在很多半干旱區(qū)域作物和牲畜生產(chǎn)是主要的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)[9]。植被生產(chǎn)力的生態(tài)意義重大[9]，是土地退化的關(guān)鍵度量指標(biāo)(不是唯一一個(gè))[9,24- 25]，也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的綜合測量[26]，而NDVI是植被生產(chǎn)力的代理指標(biāo)之一[24- 25,27]。氣候變化對(duì)干旱區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的影響更為顯著[28- 29]。因此，在典型干旱區(qū)——新疆開展植被動(dòng)態(tài)變化及其與氣候變化的響應(yīng)研究，意義更為重大。

最近的氣候變化已經(jīng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，并且在未來影響可能更強(qiáng)[28]。新疆近幾十年來氣候變化明顯，平均氣溫、極端氣溫升高趨勢顯著[30- 31]，降水量、蒸發(fā)量有所增加[32]，氣候變化對(duì)植被的影響得到了廣泛關(guān)注。Ren等[33]研究了天山北麓1982—2000年NDVI變化及其氣候驅(qū)動(dòng)因素，認(rèn)為NDVI增加主要是由于降水量增加減緩了干旱壓力引起的。Zhao等[32.34]對(duì)1982—2003年新疆NDVI的研究表明，區(qū)域NDVI主要呈增加趨勢，且與降水量和ET的增加有關(guān)。Wang等[35]的研究認(rèn)為新疆植被覆蓋在1982—1995年為劇烈波動(dòng)期，1996—2006年為相對(duì)平穩(wěn)期，總體呈顯著上升趨勢；Nemani等[6]研究發(fā)現(xiàn)1981—1999年北半球高緯度地區(qū)植被生長增加，中國的趨勢與此一致[36]。Mohammat等[37]研究了亞洲內(nèi)陸地區(qū)1982—2009年生長季、各季節(jié)的NDVI變化，認(rèn)為區(qū)域尺度的變綠趨勢在1990s中止，春季變冷和夏季干旱是主要原因。Piao等[1]得出了歐亞大陸1982—1997年NDVI顯著增加，1997—2006年減少，整個(gè)研究時(shí)段增加的結(jié)論。與世界范圍半干旱區(qū)域正在發(fā)生土地退化的判斷不同，F(xiàn)ensholt等[9]基于1981—2007年的GIMMSNDVI分析結(jié)果表明，在遙感尺度植被綠度呈增加趨勢。同時(shí)，多名學(xué)者[1,8,27,38]認(rèn)識(shí)到研究時(shí)段總體的線性趨勢不能準(zhǔn)確地顯示植被生長變化的實(shí)際動(dòng)態(tài)模式。

上述研究多在更大空間尺度或較小典型區(qū)開展研究，多針對(duì)整個(gè)時(shí)段的變化，對(duì)時(shí)段內(nèi)的變化過程關(guān)注相對(duì)不足，且缺乏對(duì)政策制定、生態(tài)恢復(fù)更為重要的近幾年新疆植被變化趨勢的探討。本文融合GIMMSNDVI和MODISNDVI數(shù)據(jù)，研究了1982—2012年新疆植被生長動(dòng)態(tài)變化及其與氣溫、降水量、潛在蒸散發(fā)和濕潤指數(shù)的相關(guān)性。

1材料和方法

1.1研究區(qū)域

新疆位于我國西北邊陲，介于73°20′——96°25′E，34°15′—49°10′N之間，總面積1.66×106km2。境內(nèi)大致呈緯向伸展的三大山系阿爾泰山、天山和昆侖山分割著準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地，形成了獨(dú)特的山體、盆地相間的地貌格局。山體垂直地帶性差異明顯，天山、阿爾泰山、昆侖山發(fā)育有大面積的森林和草地植被，準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地分布有典型的溫帶荒漠植被，綠洲和城市則分布在河谷平原區(qū)(圖1)。區(qū)域大陸性氣候強(qiáng)烈，干旱、少雨、多大風(fēng)，形成了廣布的沙漠戈壁景觀?？傮w上，區(qū)域植被覆蓋率較低，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱、敏感。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

GIMMSNDVI數(shù)據(jù)來源于NASA戈達(dá)德航天中心全球監(jiān)測與模擬研究組制作的15d最大化合成的8kmNDVI數(shù)據(jù)集，時(shí)間跨度是1982—2006年。該數(shù)據(jù)集消除了火山爆發(fā)、太陽高度角和傳感器靈敏度隨時(shí)間變化等的影響，在全球范圍得到了廣泛的應(yīng)用。MODISNDVI數(shù)據(jù)來源于NASAMODIS陸地產(chǎn)品組根據(jù)統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品，本文所應(yīng)用的是MOD13A3，即1km分辨率月合成的植被指數(shù)產(chǎn)品，時(shí)間跨度是2000—2012年。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括53個(gè)站點(diǎn)的月氣溫、降水量數(shù)據(jù)。

兩種NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過子集提取、圖像鑲嵌、裁剪數(shù)據(jù)、格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理過程，形成新疆GIMMSNDVI和MODISNDVI數(shù)據(jù)集。為了消除GIMMSNDVI和MOD13A3時(shí)間分辨率的差異，采用最大值合成方法得到月尺度GIMMSNDVI數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步去除云的影響，減少月內(nèi)物候循環(huán)的影響[11]。MOD13A3數(shù)據(jù)重采樣到8km，以匹配GIMMSNDVI的空間分辨率。參考相關(guān)研究[3,32,37]，采用0.05的NDVI值作為的植被閾值，排除非植被因素的影響。

1.3研究方法

兩種NDVI數(shù)據(jù)集是從不同的遙感傳感器獲取的，波段范圍、過境時(shí)間等存在差異，NDVI存在數(shù)值差異，聯(lián)合使用前需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和一致性檢驗(yàn)[12,14,21]。采用MVC方法合成GIMMSNDVI月數(shù)據(jù)?；?000—2006年的GIMMSNDVI與MODISNDVI月值數(shù)據(jù)，建立逐月、逐像元的一元線性回歸方程。利用該方程和2000—2012年的MODIS數(shù)據(jù)，得到模擬NDVI，稱為模擬GIMMSNDVI。利用1982—2006年的GIMMSNDVI和2007—2012年模擬的GIMMSNDVI構(gòu)成新疆1982—2012年長時(shí)間數(shù)據(jù)序列。采用2000—2006年重疊時(shí)段GIMMSNDVI與模擬GIMMSNDVI之間的相關(guān)性、差值等統(tǒng)計(jì)方法，以及沙漠地區(qū)NDVI的變化趨勢檢驗(yàn)構(gòu)建的長期NDVI時(shí)間序列的準(zhǔn)確性。利用HANTS方法對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑。

為反映植被變化的年際和年內(nèi)特征，采用生長季、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)4個(gè)NDVI合成值來表征植被生長，各季節(jié)NDVI分別為時(shí)段內(nèi)月NDVI的平均值。在區(qū)域尺度對(duì)4個(gè)NDVI指標(biāo)、氣候要素與年份進(jìn)行最小二乘法回歸分析，得到回歸方程的斜率和Pearson相關(guān)系數(shù)，分別用來表示植被生長、氣候的變化速率和變化趨勢。采用NDVI異常值、5年滑動(dòng)平均來表征植被、氣候變化過程，相關(guān)計(jì)算方法及異常程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，參見相關(guān)文獻(xiàn)[37,39- 40]。A+(正異常值)為AM+(一般正異常值)、AL+(較大正異常值)和AE+(極端正異常值)之和，A-(負(fù)異常值)同理，AM為AM+(一般正異常值)和AM-(一般負(fù)異常值)之和。

采用NDVI與同期氣候要素的相關(guān)性來表征NDVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)。氣象數(shù)據(jù)采用Kriging方法插值。參考相關(guān)研究[32,34]，潛在蒸散發(fā)采用Thornthwaite方法計(jì)算，濕潤指數(shù)采用降水量與潛在蒸散發(fā)之比計(jì)算。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果[32]，將變化趨勢分為如下3個(gè)等級(jí)：極顯著(P<0.01)；顯著(P<0.05)；不顯著(P>0.05)。

2結(jié)果

2.1數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)

逐像元計(jì)算2000—2006年GIMMS和MODISNDVI月值的Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見圖2。兩者呈顯著正相關(guān)的區(qū)域達(dá)到56%，且54%的區(qū)域顯著性水平達(dá)到0.01。相關(guān)性較差的區(qū)域主要集中在南疆的3個(gè)生態(tài)地理區(qū)，尤其是昆侖山高原和昆侖山北翼生態(tài)地理區(qū)，僅在東南部呈顯著正相關(guān)，其它區(qū)域多呈不相關(guān)或負(fù)相關(guān)。相關(guān)性較差的區(qū)域主要發(fā)生在荒漠和高山植被兩種植被類型。盡管南疆兩者的相關(guān)性較差，為了保持區(qū)域的完整性，后續(xù)分析仍然包括該區(qū)域。

2000年2月至2006年12月區(qū)域平均的GIMMS和模擬GIMMSNDVI的對(duì)比顯示，兩者相關(guān)系數(shù)為0.9938(P<0.001, n=83)，回歸斜率、截距、均顯著優(yōu)于GIMMS與MODIS的相關(guān)性(圖3)。

GIMMS與模擬GIMMS所有像元差值的平均絕對(duì)誤差是0.0011，相對(duì)誤差為0.88%，差值在±0.05之間的占94.83%，在±0.02之間的占84.60%。GIMMS與MODIS所有像元差值的相應(yīng)值分別為0.0044、3.59%、71.20%和45.80%(圖3)。

NDVI在沙漠地區(qū)是否存在變化趨勢，是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集時(shí)間序列合理性的方法之一[1,7,31]。塔克拉瑪干沙漠腹地NDVI變化趨勢均不明顯，變化速率多在±0.8×10-4之間，明顯低于周邊結(jié)果。

2.2NDVI變化2.2.1生長季NDVI動(dòng)態(tài)變化

生長季區(qū)域平均年NDVI、5a滑動(dòng)平均NDVI均呈極顯著增加趨勢(R2=0.38, P<0.01, n=31; R2=0.55, P<0.01, n=27)(圖4)，增加量分別為4.1×10-4/a、3.7×10-4/a。生長季NDVI并非持續(xù)增加，1982—1998年呈極顯著增加趨勢(R2=0.55, P<0.01, n=17)，而1998—2012年呈顯著減少趨勢(R2=0.30, P<0.05, n=15)。NDVI異常值A(chǔ)+的區(qū)域面積比例在整個(gè)時(shí)段呈顯著增加趨勢(R2=0.20, P<0.05, n=31)(圖4和表1)，其中AM+貢獻(xiàn)最大，呈極顯著增加趨勢(R2=0.60, P<0.01, n=31)，而AL+、AE+呈不顯著的減少趨勢(R2<0.06, P>0.05)。A-的區(qū)域與A+的趨勢相反，其中AL-、AE-對(duì)A-減少趨勢的貢獻(xiàn)最大，均為極顯著減少趨勢(R2=0.52, P<0.01, n=31; R2=0.35, P<0.01, n=31)，AM-呈不顯著增加趨勢(R2=0.07, P>0.05)。AM呈極顯著增加趨勢(R2=0.69, P<0.01, n=31)。

2.2.2季節(jié)NDVI動(dòng)態(tài)變化

春季區(qū)域平均NDVI、滑動(dòng)平均NDVI分別呈顯著、極顯著增加趨勢(R2=0.20, P<0.05, n=31; R2=0.69, P<0.01, n=27)(圖4)，增加量分別為3.1×10-4/a、3.5×10-4/a。與生長季NDVI的變化過程不同，春季NDVI在1998年前后均呈不顯著的增加趨勢。春季NDVI異常值A(chǔ)+的區(qū)域面積比例在整個(gè)時(shí)段呈極顯著增加趨勢(R2=0.24, P<0.01, n=31)，AM+貢獻(xiàn)最大，呈極顯著增加趨勢(R2=0.54, P<0.01, n=31)，而AL+、AE+呈不顯著的減少趨勢(R2<0.02, P>0.05, n=31)。AL-對(duì)A-的減少貢獻(xiàn)最大(R2=0.40, P<0.01, n=31)，AE-次之(R2=0.16, P<0.05, n=31)，AM-呈略有減少(R2=0.01, P>0.05, n=31)。AM呈極顯著增加趨勢(R2=0.50, P<0.01, n=31)。

AE-為極端負(fù)異常值，AL-為較大負(fù)異常值，AM-為一般負(fù)異常值，AM+為一般正異常值，AL+為較大正異常值，AE+為極端正異常值，A+為正異常值，即AM+、AL+和AE+之和，AM為一般異常值之和，即AM+和AM-之和;*為變化趨勢達(dá)到了0.05的顯著性水平，**為達(dá)到了0.01的顯著性水平

夏季區(qū)域平均NDVI、滑動(dòng)平均NDVI均呈極顯著增加趨勢(R2=0.23, P<0.01, n=31; R2=0.35, P<0.01, n=27)(圖4)，增加量分別為5.1×10-4/a、4.1×10-4/a。夏季NDVI變化的階段性明顯，呈1982—1998年極顯著增加(R2=0.45, P<0.01, n=17)、1998—2012年極顯著減少趨勢(R2=0.43, P<0.01, n=15)。夏季NDVI異常值A(chǔ)+的區(qū)域面積呈不顯著的增加趨勢(R2=0.04, P>0.05, n=31)，其中AM+極顯著增加(R2=0.57, P<0.01, n=31)，而AL+、AE+呈不顯著的減少趨勢(R2<0.09, P>0.05, n=31)。AL-、AE-均呈極顯著減少趨勢(R2=0.51, P<0.01, n=31; R2=0.56, P<0.01, n=31)，AM-呈極顯著增加趨勢(R2=0.28, P<0.01, n=31)。AM呈極顯著增加趨勢(R2=0.73, P<0.01, n=31)。

秋季區(qū)域平均NDVI、滑動(dòng)平均NDVI均呈極顯著增加趨勢(R2=0.31, P<0.01, n=31; R2=0.56, P<0.01, n=27)(圖4)，增加量分別為3.9×10-4/a、3.5×10-4/a。秋季NDVI呈1998年之前極顯著增加(R2=0.48, P<0.01, n=17)，而1998年之后不顯著的減少趨勢(R2=0.18, P>0.05, n=15)。秋季NDVI異常值A(chǔ)+的區(qū)域呈顯著增加趨勢(R2=0.13, P<0.05, n=31)，其中，AM+增加趨勢極顯著(R2=0.51, P<0.01, n=31)，而AL+、AE+呈不顯著的減少趨勢(R2<0.03, P>0.05, n=31)。AL-呈極顯著減少趨勢(R2=0.49, P<0.01, n=31)，AE-呈顯著減少趨勢(R2=0.16, P<0.05, n=31)，AM-呈不顯著的增加趨勢(R2=0.08, P>0.05, n=31)。AM呈極顯著增加趨勢(R2=0.53, P<0.01, n=31)。

2.3氣候變化2.3.1生長季氣候動(dòng)態(tài)變化

1982—2012年，區(qū)域生長季氣溫、滑動(dòng)平均氣溫呈波動(dòng)中極顯著增加趨勢(R2=0.50, P<0.01, n=31; R2=0.90, P<0.01, n=27)，增加速率分別為0.05、0.07 ℃/a。1998年前后氣溫均呈增加趨勢，且前一段的增加速率大于后一時(shí)段。A+區(qū)域呈極顯著增加趨勢(R2=0.51, P<0.01, n=31)，斜率為3.09%/a，其中，AE+呈不顯著增加趨勢(R2=0.06, P>0.05, n=31)，AM+和AL+均呈極顯著增加趨勢(R2=0.24, P<0.01, n=31; R2=0.33, P<0.01, n=31)，增加速率分別為1.48%/a、1.51%/a(圖5)。生長季降水量，除滑動(dòng)平均呈極顯著增加趨勢(R2=0.24, P<0.01, n=27)外，年均值、各等級(jí)異常值的變化趨勢均不顯著，年均值略有增加。1998年之前呈不顯著的增加趨勢，之后呈不顯著的減少趨勢。AE-、AL-和AL+略有減少，其余幾個(gè)異常值等級(jí)略有增加(圖6)。

1982—2012年生長季年潛在蒸散發(fā)、滑動(dòng)平均潛在蒸散發(fā)均呈極顯著增加(R2=0.53, P<0.01, n=31; R2=0.85, P<0.01, n=31)，增加速率分別達(dá)到2.13、2.48mm/a。1998年前后，年潛在蒸散發(fā)均呈不顯著的增加趨勢。潛在蒸散發(fā)A-區(qū)域呈極顯著減少趨勢(R2=0.52, P<0.01, n=31)，其中AM-和AL-貢獻(xiàn)最大(R2=0.36, P<0.01, n=31; R2=0.27, P<0.01, n=31)，變化速率分別達(dá)到-1.50%/a和-1.38%/a。AL+和AM+也呈極顯著增加趨勢(R2=0.48, P<0.01, n=31; R2=0.21, P<0.01, n=31)，AE+呈不顯著增加趨勢(圖7)。1982—2012年、1982—1998年和1998—2012年3個(gè)時(shí)段，生長季HI變化均不顯著，除后一時(shí)段減少外，前兩個(gè)時(shí)段呈增加趨勢。HI各等級(jí)的異常值變化也均不顯著(圖8)。

2.3.2季節(jié)氣候動(dòng)態(tài)變化

春季氣溫、滑動(dòng)平均氣溫均呈極顯著增加趨勢(R2=0.27, P<0.01, n=31; R2=0.86, P<0.01, n=27)，增加速率分別為0.07、0.09 ℃/a。1998年前后兩個(gè)時(shí)段春季氣溫均呈不顯著的增加趨勢，且增加強(qiáng)度基本相同。A+區(qū)域呈極顯著增加趨勢(R2=0.39, P<0.01, n=31)，其中，AM+顯著增加(R2=0.18, P<0.05, n=31)，AL+極顯著增加(R2=0.38, P<0.01, n=31)，而AE+呈不顯著增加(R2=0.02, P<0.05, n=31)。AM-呈極顯著減少趨勢(R2=0.36, P<0.01, n=31)，AL-和AE-變化趨勢不顯著(圖5)。夏季氣溫、滑動(dòng)平均氣溫分別以0.04、0.05 ℃/a的速率極顯著增加(R2=0.47, P<0.01, n=31; R2=0.80, P<0.01, n=27)。1998年前后兩個(gè)時(shí)段夏季氣溫均呈不顯著的增加趨勢，且增加強(qiáng)度基本相同。A+極顯著增加(R2=0.53, P<0.01, n=31)，AM+和AL+均呈極顯著增加趨勢(R2=0.32, P<0.01, n=31; R2=0.39, P<0.01, n=31)，AE+增加趨勢不顯著；各等級(jí)的A-均呈減少趨勢，AM-和AL-減少趨勢極顯著(R2=0.37, P<0.01, n=31; R2=0.25, P<0.01, n=31)(圖5)。秋季氣溫與春季、夏季變化趨勢類似，年均氣溫、滑動(dòng)平均氣溫均呈顯著增加趨勢(R2=0.29, P<0.01, n=31; R2=0.56, P<0.01, n=27)，增加速率分別為0.05、0.07 ℃/a。1998年前后秋季氣溫均呈不顯著的增加趨勢，但前一時(shí)段增加幅度更大(分別為0.05、0.01 ℃/a)。A+與各等級(jí)正異常均呈增加趨勢，A+和AL+極顯著增加(R2=0.32, P<0.01, n=31; R2=0.26, P<0.01, n=31)，AM+呈顯著增加(R2=0.15, P<0.05, n=31)，AE+趨勢不顯著(P>0.05)；各等級(jí)的A-均呈減少趨勢，AM-和AL-減少趨勢極顯著(R2=0.25, P<0.01, n=31; R2=0.15, P<0.01, n=31)(圖5)。

春季、夏季和秋季的年降水量均呈不顯著的增加趨勢，變化量較小，為0.14—0.31mm/a。對(duì)于滑動(dòng)平均，除春季呈顯著增加趨勢(R2=0.19, P<0.05, n=31)外，夏季和秋季均呈不顯著增加趨勢。春季、夏季降水量1998年前后先增加后減少，但趨勢均不顯著，秋季降雨量則呈先減少后增加，趨勢也不顯著。異常值方面，除夏季降水量AE-顯著減少(R2=0.13, P<0.05, n=31)外，其他各等級(jí)異常值變化均不顯著，且除夏季AM-略有增加外，其他各季節(jié)、各等級(jí)的A-均減少，A+均略有增加(圖6)。

春季、夏季和秋季的年潛在蒸散發(fā)在整個(gè)時(shí)段均呈極顯著增加(R2=0.30, P<0.01, n=31; R2=0.45, P<0.01, n=31; R2=0.28, P<0.01, n=31)，增加速率分別達(dá)到0.88mm/a、0.81mm/a和0.44mm/a?；瑒?dòng)平均增加趨勢更為顯著、增加幅度更大。1998年前后，三個(gè)季節(jié)的潛在蒸散發(fā)均呈不顯著的增加趨勢。異常值方面，除春季AE-略有增加外，三個(gè)季節(jié)負(fù)的異常值均呈減少趨勢，其中AL-和AM-減少趨勢多顯著；而正的異常值均呈增加趨勢，其中AL+、AM+多呈增加趨勢(圖7)。除秋季HI呈1998年之前減少，之后增加趨勢外，春季、夏季HI變化趨勢與生長季一致，均先增加后減少，總體變化不大。3個(gè)季節(jié)異常值變化也均不顯著(圖8)。

2.4NDVI與氣候要素相關(guān)性分析

1982—2012年，生長季、春季和秋季NDVI與同期的氣溫均極顯著相關(guān)(R2=0.24, R2=0.38, R2=0.21, n=31)，而夏季NDVI與氣溫相關(guān)性不顯著。1982—1998年，僅春季NDVI與氣溫的相關(guān)性達(dá)到了統(tǒng)計(jì)顯著性水平(R2=0.31, P<0.05, n=17;)；1998—2012年，春季、秋季NDVI與氣溫顯著正相關(guān)(R2=0.33, P<0.05, n=15; R2=0.27, P<0.05, n=15)，生長季、夏季相關(guān)性不顯著。

生長季NDVI與同時(shí)期降水量在整個(gè)時(shí)段顯著相關(guān)(R2=0.21, P<0.05, n=31)，夏季則極顯著相關(guān)(R2=0.35, P<0.01, n=31)，春季和秋季NDVI與降水量的相關(guān)性不顯著。1998年前后兩個(gè)時(shí)段，僅有夏季NDVI與降水量呈極顯著相關(guān)(R2=0.39, P<0.01, n=17; R2=0.52, P<0.01, n=15)。

NDVI與潛在蒸散發(fā)相關(guān)性的季節(jié)差異，與氣溫一致，生長季、春季和秋季顯著正相關(guān)(R2=0.22, P<0.01, n=31; R2=0.38, P<0.01, n=31; R2=0.17, P<0.05, n=31)，夏季的相關(guān)性不顯著。1998年前后兩個(gè)時(shí)段，只有春季NDVI與潛在蒸散發(fā)的顯著相關(guān)(R2=0.54, P<0.05, n=17; R2=0.61, P<0.05, n=15)。

1982—2012年，NDVI與HI的相關(guān)性與降水量相似，生長季顯著相關(guān)(R2=0.14 P<0.05, n=31)，夏季極顯著相關(guān)(R2=0.32, P<0.01, n=31)，春季和秋季相關(guān)性較差。1998年前后兩個(gè)時(shí)段，也僅有夏季達(dá)到了顯著相關(guān)(R2=0.35, P<0.05, n=17; R2=0.55, P<0.01, n=15)。

3討論

3.1兩類數(shù)據(jù)集的集成應(yīng)用

AVHRR和MODIS傳感器用于計(jì)算NDVI的可見光紅波段和近紅外的波段寬度和光譜響應(yīng)函數(shù)是不同的，因此，在聯(lián)合應(yīng)用兩種數(shù)據(jù)時(shí)，必需進(jìn)行連續(xù)性和一致性檢驗(yàn)[14,23,41]。數(shù)據(jù)比較是評(píng)價(jià)兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)性的有效方法[25,42]。已有研究顯示，干旱、半干旱地區(qū)GIMMS和MODISNDVI數(shù)據(jù)具有更好的一致性[19- 20,25]。新疆地區(qū)兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性、誤差均優(yōu)于全球干旱地區(qū)[9]和中國東北地區(qū)[13,14]的相應(yīng)結(jié)果，表明總體上新疆地區(qū)GIMMS和MODISNDVI數(shù)據(jù)具有較高的一致性，采用MODIS延伸GIMMS的時(shí)間序列長度是可行的。塔克拉瑪干沙漠NDVI幾乎沒有變化也表明1982—2012年的數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，2007—2012年插補(bǔ)結(jié)果與1982—2006年的GIMMSNDVI數(shù)據(jù)連續(xù)較好。南疆地區(qū)多年平均降水量低于100mm，NDVI值多小于0.1，分布著荒漠和稀疏的高山植被，可能是造成南疆地區(qū)逐像元GIMMS與MODIS相關(guān)性較差的原因，與Fensholt等在全球極度干旱稀疏植被區(qū)域[9,11]的結(jié)果一致。

3.2NDVI變化趨勢分析

總體上，區(qū)域植被顯著增加的結(jié)果與全球干旱區(qū)[9]、歐亞大陸[1]及其它研究[5,32,34- 35,43]得出的NDVI變綠的趨勢一致。1998年之前極顯著增加、1998年之后顯著減少的生長季NDVI變化過程也與樸世龍等[1,36]、Mohammat等[36]的歐亞地區(qū)的結(jié)果基本一致，與中國大陸NDVI變化發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)間一致[5,38]。但由于本文研究時(shí)段延長，后一時(shí)期的減少更為明顯。1998—2006年，生長季NDVI變化趨勢不顯著(R2=0.38, P>0.05, n=9)，與亞洲內(nèi)陸[37]和歐亞大陸[1]的研究結(jié)果相同，而1998—2012年則顯著減少(R2=0.30, P<0.05, n=15)。生長季NDVI在1998年前后這種相反的變化趨勢主要是由于夏季NDVI的相應(yīng)變化造成，其次是秋季，春季NDVI對(duì)此貢獻(xiàn)較小。這與歐亞大陸NDVI變化趨勢相反很大程度是由春季和夏季變化造成[1]的結(jié)果不同，本研究發(fā)現(xiàn)春季NDVI在1998年前后均為增加趨勢，并未出現(xiàn)拐點(diǎn)。究其原因，主要是研究時(shí)段不同，新疆1998—2006也呈減少趨勢，但1998—2012年則呈增加趨勢。研究空間尺度的不同，對(duì)研究結(jié)果也有部分影響。

生長季、夏季和秋季的A+的變化過程也呈現(xiàn)清晰的階段性：1998年之前顯著增加，1998年之后明顯減少，與NDVI逐年變化趨勢的結(jié)果和相關(guān)研究[37]一致。生長季、季節(jié)NDVI異常值在AL、AE極端異常水平多呈減少趨勢，而AM水平均呈極顯著增加趨勢(P<0.01)，表明在區(qū)域尺度NDVI的變化逐漸趨于穩(wěn)定。尤其是AL-、AE-多呈顯著減少，是整個(gè)時(shí)段NDVI增加的原因之一。從研究區(qū)域的結(jié)果來看，樸世龍等[1]觀測到的1990s末期至2006年的生長季NDVI降低趨勢，在2007-2012年依然在持續(xù)。

3.3NDVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)

盡管已有研究認(rèn)為干旱區(qū)、半干旱區(qū)NDVI變化主要受生長季降水量和蒸散發(fā)的影響，與氣溫關(guān)聯(lián)性較小[6,32]，但我們的研究顯示，新疆植被的生長同時(shí)受到水熱條件的共同限制。這一點(diǎn)通過區(qū)域尺度生長季NDVI與氣候要素的相關(guān)性得到了驗(yàn)證，尤其是受氣溫的影響更為顯著。與相關(guān)研究不一致的原因主要是研究時(shí)段不同?；谟邢迺r(shí)間序列的植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測，常常會(huì)發(fā)生不同的起點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、突變點(diǎn)，產(chǎn)生不同結(jié)果的現(xiàn)象[27,38]。

植被對(duì)氣候響應(yīng)的季節(jié)差異顯著。春季、秋季NDVI與氣溫、潛在蒸散發(fā)的相關(guān)性更為顯著，與降水量相關(guān)性較差，而夏季NDVI則與降水量、濕潤指數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)。1998年前后，夏季NDVI變化趨勢的差異，主要與降水量、濕潤指數(shù)變化密切相關(guān)，夏季降水量、濕潤指數(shù)1998年之前呈增加趨勢，1998之后呈減少趨勢，與NDVI變化趨勢一致，進(jìn)一步說明夏季NDVI主要受到水分的影響。此外，生長季、夏季和秋季1990s后半段開始大多數(shù)年份氣溫A+的區(qū)域面積比例較大(圖5)，氣溫偏高也導(dǎo)致蒸散發(fā)迅速增加(圖5)，干旱壓力增大[37]，導(dǎo)致植被NDVI下降。

4結(jié)論

研究結(jié)果顯示，在區(qū)域尺度和像元尺度GIMMS與MODISNDVI之間的一致性較強(qiáng)，僅新疆南部植被稀疏的荒漠地區(qū)相對(duì)較差?？傮w上，兩者之間的一致性較好，利用MODISNDVI模擬的GIMMSNDVI結(jié)果可靠，以此拓展GIMMSNDVI時(shí)間序列可行。

與NDVI異常值A(chǔ)+的變化趨勢一致，1982—2012年研究區(qū)域生長季、各季節(jié)植被生長呈顯著增加趨勢，除春季外，生長季、夏季和秋季存在1998年之前顯著增加，1998年之后減少的階段性?？傮w上，生長季與各季節(jié)NDVI的AE+、AL+異常值呈不顯著減少趨勢，AE-、AL-則呈顯著減少趨勢；而AM+、AM呈顯著增加趨勢，NDVI呈極端變化的區(qū)域越來越少。

研究區(qū)域氣溫普遍顯著升高，尤其是1990s后半段之后，正異常值占絕對(duì)優(yōu)勢。降水量呈略有增加趨勢，潛在蒸散發(fā)增加趨勢非常顯著，濕潤指數(shù)變化不明顯。水熱條件共同影響植被生長，但季節(jié)不同起主導(dǎo)作用的氣候要素不同，氣溫、潛在蒸散發(fā)主要在春秋季限制植被生長，與水分狀況有關(guān)的降水量、濕潤指數(shù)主要影響夏季植被生長。

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Spatio-temporalpatternsanddrivingfactorsofvegetationgrowthanomaliesinXinjiangoverthelastthreedecades

DUJiaqiang1,2,*,GaoYun3,JIAERHENGAhati4,ZHAOChenxi4,FangGuangling1,2,YUANXinjie4,YINJunqi4,SHUJianmin1,2

1 Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2 State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3 Xinjiang Changji environmental monitoring center, Changji 831100, China 4 Xinjiang Academy of Environmental Protection Science, Urumqi 830011, China

KeyWords:GIMMSNDVI;MODISNDVI;anomalies;hydrothermalconditions;vegetationchange;spatio-temporalpatterns;Xinjiang

Abstract：Asoneofthemaincomponentsofterrestrialecosystems,vegetationplaysakeyroleinlandscapestructuresandecologicalservices.Monitoringvegetationdynamicsandtheirresponsestoclimatechangeisbeneficialtounderstandingecologicalprocessesanddesigningadaptivemanagementstrategies.TheGIMMSNDVIdatasetfrom1982to2006isavailableforlong-termNDVItrendanalysis,andiswidelyusedatglobal,regional,andlocalscales.ComparisonsbetweentheGIMMSNDVIdatasetandnewproductsretrievedfromnewsensorsshouldbeconductedtolinkexistingstudieswithfutureapplicationsofotherNDVIproductsinmonitoringvegetationactivitychange.TheMODISNDVIdatasetisreferredtoasthesuccessorandimprovementtotheGIMMSNDVItimeseries.Basedonadataconsistencytest,thetimesequencesoftheGIMMSNDVIdatasetwereextendedto2012withtheMODISNDVIdataset(2000—2012).Then,weanalyzedthetrendsoftheNDVIanomaliesandclimaticfactors(temperature,precipitation,referencecropevapotranspiration,andhumidityindex)during1982—2012forgrowingseason,spring,summer,andautumn.Inaddition,theresponseofvegetationtoclimatechangewasexplored.TheresultsshowedthattheGIMMSandMODISNDVIdatawereveryconsistentataregionalscale,whereasatpixelscales,thespatialpatternofcorrelationbetweenGIMMSandMODISNDVIwassignificantlydifferent.TherewashighlysignificantpositivecorrelationbetweenGIMMSandMODISNDVIinnorthernXinjiang,andpoorcorrelationinsouthernXinjiang.Theareaswithpoorcorrelationweremainlydistributedindesertsandalpineregions.Ingeneral,thetwodatasetsareconsistentandcanbecombinedtoexpandthelengthoftheNDVItimeseries.Thevegetationgreennessingrowingseason,spring,summer,andautumnincreasedsignificantlyfrom1982to2012inXinjiang.TheNDVIingrowingseasonincreasedsignificantlyfrom1982to1998,thendecreasedsignificantlyfrom1998to2012;thistrendwasalsoobservedinsummerandautumnseasons.Similartothechangesingreennessatregionalscales,thepercentagesoflandareasexperiencingpositiveanomaliesalsoincreasedsignificantlyduring1982—2012.Theareabearingextremeandlargeanomalies(bothpositiveandnegative)ofvegetationgreennessgenerallydecreasedfrom1982to2012,andmoderateanomalies(bothpositiveandnegative)mostlyincreasedfrom1982to2012.TheNDVIchangetendstobegraduallystableinstudyareas.Thetemperatureandreferencecropevapotranspirationincreasedsignificantly,andprecipitationandhumidityincreasedslightlyoverthepast31yearsforallseasons.VegetationgrowthingrowingseasonwasinhibitedbybothmoistureandthermalconditionsinXinjiang,buttheresponsesofvegetationtoclimatevariedseasonally.Thethermalwastheprimaryclimaticdriverofvegetationchangesinspringandautumn,andwaterresourceaffectedplantgrowthinsummer.ThereductionofNDVIfrom1998to2012inthegrowingseason,summer,andautumnwasmainlyduetodroughtstress,whichwasstrengthenedbywarminginallseasons,andbyreducedprecipitationingrowingseason,spring,andsummer.Thelong-termandconsistentNDVIdatasetsofferacheap,verifiable,andviablewaytoquicklydetectchangeinvegetation,supportingmanagersintheirefforttodesignandapplyadaptivemanagementstrategies.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001055); 國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(201209027-5)

收稿日期:2014- 09- 19; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Correspondingauthor.E-mail:dujiaqiang@mail.bnu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201409191853

杜加強(qiáng), 高云, 賈爾恒·阿哈提, 趙晨曦, 方廣玲, 袁新杰, 陰俊齊, 舒儉民.近30年新疆植被生長異常值時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因子.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(7):1915- 1927.

DuJQ,GaoY,JiaerhengAHT,ZhaoCX,FangGL,YuanXJ,YinJQ,ShuJM.Spatio-temporalpatternsanddrivingfactorsofvegetationgrowthanomaliesinXinjiangoverthelastthreedecades.ActaEcologicaSinica,2016,36(7):1915- 1927.