王會(huì)靜 ，郭玉川 ，白運(yùn)保 ，王 寧 ，魏 宣 ，周明通

（1. 新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學(xué)新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

0 引 言

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、保護(hù)生物多樣性、實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量交換等重要作用[1-3]。植被生長(zhǎng)主要受到降水、氣溫和太陽(yáng)輻射等氣候要素的影響[4-5]，歸一化植被指數(shù)（NDVI）可以很好地表征植被覆蓋和生長(zhǎng)情況，在不同時(shí)空尺度的植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)中具有廣泛應(yīng)用，是研究植被變化與氣候要素關(guān)系的首選指標(biāo)[6]，開(kāi)展植被變化與氣候要素關(guān)系的相關(guān)研究對(duì)定量評(píng)價(jià)未來(lái)氣候變化對(duì)植被的影響具有重要意義[7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同尺度的植被空間格局動(dòng)態(tài)變化以及植被與氣候因子的時(shí)滯效應(yīng)開(kāi)展了一些研究。研究表明，降水、氣溫以及太陽(yáng)輻射等氣候要素對(duì)植被生長(zhǎng)有一定驅(qū)動(dòng)作用，在部分內(nèi)陸區(qū)域植被是大氣水汽重要來(lái)源之一，因此植被變化對(duì)區(qū)域氣候環(huán)境也有一定的反饋?zhàn)饔肹8-10]；NDVI 增長(zhǎng)一般是氣候變暖增強(qiáng)了植物光合作用，導(dǎo)致生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，或者是降水補(bǔ)充土壤水分促進(jìn)植物養(yǎng)分的吸收[11]。但也有研究表明，在溫帶干旱區(qū)，增溫速率升高會(huì)加強(qiáng)水分蒸散，加劇干旱趨勢(shì)，對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[12]；春季和秋季降水增多伴隨著氣溫降低，影響植被的光合、呼吸以及蒸騰作用等各項(xiàng)生理活動(dòng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系[13-15]。近年來(lái)，植被對(duì)氣候響應(yīng)的研究不再僅限于分析對(duì)應(yīng)時(shí)間下二者的相關(guān)關(guān)系，有學(xué)者認(rèn)為植被對(duì)氣候要素的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)[16]，例如從全球尺度來(lái)看，低緯度地區(qū)植被與氣溫之間存在明顯的滯后，干旱和半干旱地區(qū)植被與降水之間存在滯后效應(yīng)[17]。也有學(xué)者在中國(guó)進(jìn)行了植被與氣候要素時(shí)滯性研究，在中國(guó)北方地區(qū)，植被對(duì)氣溫存在較長(zhǎng)的滯后時(shí)間；除云南外的南方地區(qū)，植被對(duì)降水存在1～3 個(gè)月的滯后時(shí)間[18]。因此，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)植被覆蓋變化及歸因的研究，更深入地認(rèn)識(shí)植被時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候要素的響應(yīng)，有效地監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境變化。

目前對(duì)于新疆地區(qū)植被年際變化與氣候分析已有一些成果，現(xiàn)有研究多監(jiān)測(cè)植被整體生長(zhǎng)狀況或者單一植被變化情況，對(duì)不同類(lèi)型的植被與氣候響應(yīng)的滯后效應(yīng)研究較少[19-22]。本研究采用新疆1982—2015 年逐月GIMMS NDVI 和CRU 降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)，植被類(lèi)型數(shù)據(jù)，運(yùn)用Sen + Mann-Kendall 趨勢(shì)分析、偏相關(guān)分析和時(shí)滯偏相關(guān)分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，從月尺度探討新疆地區(qū)不同類(lèi)型的植被對(duì)降水和氣溫兩種氣象因子的相關(guān)性和響應(yīng)時(shí)間的滯后性，統(tǒng)計(jì)不同植被類(lèi)型對(duì)氣候要素的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，為生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究工作提供一定的借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國(guó)西北邊陲，地處亞歐大陸腹地，介于73°40′～96°23′E，34°25′～49°10′N(xiāo) 之間，由北向南依次為阿爾泰山、準(zhǔn)噶爾盆地、天山、塔里木盆地、昆侖山，具有“三山夾兩盆”的特殊地貌。新疆年平均氣溫為9～12 °C，年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，光熱資源豐沛，干旱多風(fēng)，降水較少，年均降水量約150 mm，植被稀疏，是典型的溫帶大陸性干旱氣候[23]。新疆植被類(lèi)型具有地帶性差異（圖1），山區(qū)多為森林、草原和草甸，植被覆蓋度較高，平原區(qū)多為人工灌溉的栽培植被，植被覆蓋度波動(dòng)較大，荒漠區(qū)多為稀疏的灌木和短命植被，呈現(xiàn)低矮稀疏、分布不均勻、整體植被覆蓋度較低的特點(diǎn)[24-25]。

圖1 新疆植被類(lèi)型圖Fig.1 Vegetation type map of Xinjiang

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文植被變化分析主要采用15 d 合成的GIMMS NDVI 3 g.v1 數(shù)據(jù)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/)，數(shù)據(jù)時(shí)間范圍1982—2015 年。該數(shù)據(jù)集是NOAA Global Inventory Monitoring and Modeling System (GIMMS)發(fā)布的歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率為0.083°，時(shí)間間隔15 d，該數(shù)據(jù)集時(shí)間序列長(zhǎng)，數(shù)據(jù)來(lái)源、處理方法以及時(shí)空分辨率具有較好的一致性，滿(mǎn)足本研究的需求。本文采用最大值合成法（Maximum Value Composite,MVC）計(jì)算月尺度和年尺度NDVI 數(shù)據(jù)，該方法可以很大程度去除大氣噪聲[26]，代表植被月內(nèi)和年內(nèi)最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，將NDVI 值小于0.1 的像元標(biāo)記為水域、沙漠、鹽堿地等地類(lèi)的無(wú)植被覆蓋區(qū)域。

降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)采用英國(guó)氣候研究所全球CRU TS v4.06（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.06/）格網(wǎng)數(shù)據(jù)集。該網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集來(lái)自4 000 多個(gè)氣象站，并基于空間自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行插值，空間分辨率為0.5°，時(shí)間范圍是1901—2021 年[27]。為保證與NDVI 數(shù)據(jù)集時(shí)間范圍相匹配，故僅使用1982—2015 年的降水與氣溫?cái)?shù)據(jù)集，經(jīng)過(guò)裁剪得到研究所需的新疆地區(qū)數(shù)據(jù)?；贏rcMap 中雙線(xiàn)性插值法將氣象數(shù)據(jù)重采樣為0.083°。

植被類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.Resdc.cn)1∶100 萬(wàn)中國(guó)2000 年植被類(lèi)型圖。由于本研究主要分析植被的變化，因此對(duì)非植被區(qū)進(jìn)行合并，最后形成包含針葉林、高山植被、栽培植被、闊葉林、灌叢、草原、草甸和其他8 種類(lèi)型的分類(lèi)圖，基于ArcMap 中最鄰近法重采樣，使其空間分辨率與NDVI 和氣象數(shù)據(jù)一致，裁剪后形成研究區(qū)植被類(lèi)型分布(圖1)。

1.3 研究方法

1.3.1 Sen + Mann-Kendall 趨勢(shì)分析

研究采用Sen 趨勢(shì)分析法，對(duì)新疆NDVI 時(shí)間序列變化趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算，得到1982—2015 年新疆植被NDVI年際變化率，使用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對(duì)NDVI 變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。Sen 趨勢(shì)分析是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)分析方法，具有樣本不需要服從特定的分布，且不受序列中空值和異常值干擾的優(yōu)點(diǎn)，有較好的抗噪性[28]。Sen 趨勢(shì)分析公式為

式中β為所有數(shù)據(jù)對(duì)斜率的中值，即植被的變化趨勢(shì)度；median()表示取中值函數(shù)；i、j為時(shí)間序數(shù)；Xi、Xj為時(shí)間序列第i、j的NDVI 值；當(dāng)β＞ 0，表示時(shí)間序列內(nèi)NDVI 呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)β＜ 0，表示NDVI 呈下降趨勢(shì)。

Mann-Kendall 是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可以判斷數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的顯著性[29]。計(jì)算公式為

其中

式中Z為標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；n為數(shù)據(jù)集合長(zhǎng)度。本研究在置信水平α=0.05 上對(duì)新疆NDVI 年際變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果|Z|＞1.96 時(shí)，認(rèn)為變化趨勢(shì)顯著，當(dāng)|Z|≤1.96 時(shí)，認(rèn)為變化趨勢(shì)不顯著。

1.3.2 時(shí)滯偏相關(guān)分析

研究采用逐像元時(shí)滯偏相關(guān)分析，探究1982—2015年月尺度NDVI 與降水量、氣溫之間的最大偏相關(guān)系數(shù)及滯后時(shí)間，分析降水和氣溫對(duì)植被年內(nèi)生長(zhǎng)的影響。以往研究表明，植被對(duì)氣候因子的滯后時(shí)間在一個(gè)季度以?xún)?nèi)[17]，因此，本研究基本步驟為分別計(jì)算植被NDVI與當(dāng)月、前推1 個(gè)月、前推2 月以及前推3 個(gè)月降水和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)，然后對(duì)這4 組偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比較，將對(duì)應(yīng)位置最大像元值進(jìn)行合成，得到最大偏相關(guān)系數(shù)，表征植被與氣候因子之間的最大相關(guān)性，滯后時(shí)間則為最大偏相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后期。計(jì)算過(guò)程為[30]

1）計(jì)算不同時(shí)滯下NDVI 與降水和氣溫之間的相關(guān)系數(shù)。

式中RNP、RNT分別為不同時(shí)滯下NDVI 與降水和氣溫的相關(guān)系數(shù)；RPT為不同時(shí)滯下降水和氣溫之間的相關(guān)系數(shù)；m為序列長(zhǎng)度；Nm、Pm、Tm分別為NDVI、降水、氣溫序列；k為滯后時(shí)間，根據(jù)以往研究，植被對(duì)氣候的滯后性通常小于等于c/4，本研究是月尺度數(shù)據(jù)，c=12，則k最大值取3；和分別為降水和氣溫序列均值；和分別為第(m+k)個(gè)時(shí)滯的NDVI 均值和降水均值。

2）根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式，結(jié)合不同時(shí)滯下相關(guān)系數(shù)，得到不同時(shí)滯下的偏相關(guān)序列。

式中RNP-T為不同時(shí)滯下剔除氣溫影響，NDVI 與降水的偏相關(guān)系數(shù)；RNT-P為不同時(shí)滯下剔除降水影響，NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)。最后，采用t 檢驗(yàn)方法完成偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)。以上計(jì)算過(guò)程通過(guò)MATLAB R2018b 編程實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆植被時(shí)空特征

計(jì)算1982—2015 年新疆地區(qū)NDVI 多年平均值，得到新疆NDVI 空間分布情況（圖2a）?？傮w來(lái)看，新疆NDVI 在空間分布上具有明顯差異，表現(xiàn)出北疆高于南疆、西部高于東部的空間格局。伊犁河谷、天山山脈、阿爾泰山山脈年均NDVI 相對(duì)較高，環(huán)準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地的綠洲次之，塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫(kù)木塔格沙漠幾乎無(wú)植被，年均NDVI 最低。對(duì)不同植被類(lèi)型對(duì)應(yīng)的年際NDVI 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到1982—2015 年新疆不同植被NDVI 變化情況（圖2b）。新疆地區(qū)34 a 期間，各種植被類(lèi)型平均NDVI 由大到小依次為針葉林、栽培植物、草甸、灌叢、草原、闊葉林、高山植被，各植被類(lèi)型NDVI 平均值分別為0.63、0.45、0.38、0.32、0.29、0.24、0.17。整體來(lái)看，栽培植物年均NDVI 呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其他類(lèi)型的植被均呈現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，年際間有小幅度波動(dòng)。

圖2 新疆NDVI 空間分布和不同植被NDVI 變化Fig.2 Spatial distribution of NDVI and changes of NDVI in different vegetation in Xinjiang

由圖3a 可以看出過(guò)去34 a 新疆植被的時(shí)空變化趨勢(shì)，1982 年以來(lái)，環(huán)塔里木盆地的綠洲和天山山脈北側(cè)植被呈上升趨勢(shì)，準(zhǔn)噶爾盆地西部和東部、伊犁河谷地區(qū)植被呈下降趨勢(shì)。

將趨勢(shì)分析結(jié)果與置信水平α=0.05 的MK 檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行疊加，將植被變化趨勢(shì)劃分為顯著改善、不顯著改善、不顯著退化、顯著退化和穩(wěn)定不變5 個(gè)類(lèi)別，并對(duì)不同類(lèi)型占總面積比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖3b）。顯著改善的區(qū)域占20.6%，不顯著改善的區(qū)域占3.3%，穩(wěn)定不變的區(qū)域占65.7%，不顯著退化的區(qū)域占10.4%，不存在顯著退化的區(qū)域?？傮w來(lái)看，新疆34 a 來(lái)植被增加的區(qū)域大于退化區(qū)域，植被變化整體呈現(xiàn)變綠趨勢(shì)。

2.2 植被年內(nèi)變化對(duì)氣候響應(yīng)的時(shí)滯效應(yīng)

在0～3 個(gè)月滯后期情況下，分別計(jì)算NDVI 與降水和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)，將對(duì)應(yīng)位置最大像元值進(jìn)行合成，對(duì)不同植被類(lèi)型變化趨勢(shì)所占的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖3c），除針葉林外，每種類(lèi)型的植被改善區(qū)域均大于退化區(qū)域，其中針葉林退化區(qū)域最大，占24.2%，栽培植被的改善區(qū)域最大占75.3%，這與圖2b 栽培植物年均NDVI 呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)一致。得到最大偏相關(guān)系數(shù)，作為NDVI 對(duì)氣候因子的最大響應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)一步得到NDVI 對(duì)降水和氣溫的滯后時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 1982—2015 年新疆NDVI 與降水的偏相關(guān)系數(shù)、最大偏相關(guān)系數(shù)及滯后時(shí)間Fig.4 Partial correlation coefficient, maximum partial correlation coefficient and lag time between NDVI and precipitation in Xinjiang from 1982 to 2015

從圖4a～4d 來(lái)看，NDVI 對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間存在滯后效應(yīng)，從圖4e 來(lái)看，NDVI 對(duì)降水的最大偏相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)北部低，中部和南部高的空間格局，在天山山脈、昆侖山以及阿爾金山海拔較高的區(qū)域最大偏相關(guān)系數(shù)高，在準(zhǔn)噶爾盆地偏相關(guān)系數(shù)低，表現(xiàn)出盆地低山區(qū)高的特征。具體來(lái)說(shuō)，最大偏相關(guān)系數(shù)為負(fù)的區(qū)域僅占植被區(qū)的5%，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地北側(cè)和西側(cè)、昆侖山南緣；最大偏相關(guān)系數(shù)大于0.8 的區(qū)域主要在天山、昆侖山以及阿爾金山，占新疆植被面積的16%；最大偏相關(guān)系數(shù)介于＞0.6～0.8 的區(qū)域面積最大，占31%，分布在環(huán)塔里木盆地的綠洲區(qū)、伊犁河谷以及天山北側(cè)；最大偏相關(guān)系數(shù)介于＞0～0.3 和＞0.3～0.6 的區(qū)域在準(zhǔn)噶爾盆地和吐哈盆地，占比分別為20%和28%。從圖4f 的滯后時(shí)間來(lái)看，新疆地區(qū)72%的植被區(qū)對(duì)降水有1～3 個(gè)月的滯后，平均滯后時(shí)間為1.1 個(gè)月，其中準(zhǔn)噶爾盆地地區(qū)，滯后期長(zhǎng)達(dá)3 個(gè)月。

從圖5a～5d 來(lái)看，植被NDVI 對(duì)氣溫的響應(yīng)時(shí)間存在滯后，從圖5e 來(lái)看，NDVI 與氣溫的最大偏相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)北部和西南部高，中部低的特征，最大偏相關(guān)系數(shù)大于0.8 的區(qū)域僅占新疆植被區(qū)的2%；最大偏相關(guān)系數(shù)介于＞0.6～0.8 的區(qū)域主要在阿勒泰地區(qū)和昆侖山西段，占18%；最大偏相關(guān)系數(shù)介于＞0.3～0.6 的區(qū)域面積最大，介于＞0～0.3 的區(qū)域次之，占比分別為51%和25%，分布在新疆中部和北部；最大偏相關(guān)系數(shù)小于0 的區(qū)域占新疆植被區(qū)的4%。從圖5f 植被對(duì)氣溫響應(yīng)的滯后時(shí)間來(lái)看，有70%的植被區(qū)域?qū)鉁卮嬖跍箜憫?yīng)，平均滯后時(shí)長(zhǎng)1.4 個(gè)月。其中滯后1 期的區(qū)域所占面積比例最大，為36%，主要分布在塔里木盆地北緣綠洲，以及準(zhǔn)噶爾盆地周邊；滯后3 期的區(qū)域集中在天山、昆侖山地區(qū)，吐哈盆地也有零散分布，占植被區(qū)面積的27%。

圖5 1982—2015 年新疆NDVI 與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)、最大偏相關(guān)系數(shù)及滯后時(shí)間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 不同植被類(lèi)型與氣象因子的時(shí)滯分析

將研究區(qū)內(nèi)劃分針葉林、高山植被、栽培植被、闊葉林、灌叢、草原、草甸7 個(gè)植被大類(lèi)，針葉林和高山植被多分布于山區(qū)，闊葉林、灌叢、栽培植被多分布在平原區(qū)，草原和草甸山區(qū)和平原區(qū)都有分布。不同植被在生長(zhǎng)期對(duì)水熱條件的需求均存在差異，植被類(lèi)型影響植被NDVI 與降水和氣溫的相關(guān)程度，也會(huì)影響植被NDVI 對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)時(shí)間。不同植被類(lèi)型與降水和氣溫的最大偏相關(guān)系數(shù)和滯后時(shí)間如圖6 所示。

圖6 不同植被類(lèi)型NDVI 與降水和氣溫的最大偏相關(guān)系數(shù)及滯后時(shí)間Fig.6 Maximum partial correlation coefficient and lag time of different vegetation types NDVI with precipitation and air temperature

從不同植被所對(duì)應(yīng)的最大偏相關(guān)系數(shù)（圖6a）來(lái)看，不同植被類(lèi)型NDVI 與降水的相關(guān)性均高于氣溫。降水與植被NDVI 的最大偏相關(guān)系數(shù)介于0.5～0.7 之間，而氣溫與植被NDVI 的最大偏相關(guān)系數(shù)介于0.3～0.5 之間。降水與植被NDVI 的最大偏相關(guān)系數(shù)由大到小依次為：草甸、灌叢、針葉林、草原、栽培植被、闊葉林、高山植被，表明在新疆地區(qū)降水是草甸、灌叢、針葉林的主要促進(jìn)因子，降水對(duì)高山植被的影響最弱；氣溫與植被NDVI 的最大偏相關(guān)系數(shù)由大到小依次為：闊葉林、栽培植被、灌叢、高山植被、草原、草甸、針葉林，表明在新疆地區(qū)氣溫對(duì)闊葉林的影響最強(qiáng)，對(duì)針葉林的影響最弱。

從不同植被所對(duì)應(yīng)的滯后期（圖6b）來(lái)看，不同類(lèi)型植被NDVI 對(duì)降水的平均滯后時(shí)長(zhǎng)均大于氣溫。不同植被類(lèi)型與降水的平均滯后時(shí)長(zhǎng)介于1.4～2.3 個(gè)月之間，而植被NDVI 對(duì)氣溫的平均滯后時(shí)長(zhǎng)介于2.0～3.1 個(gè)月之間?？傮w來(lái)看，新疆地區(qū)植被對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間比氣溫的響應(yīng)時(shí)間快，即新疆地區(qū)植被對(duì)降水的敏感性比氣溫強(qiáng)。不同植被類(lèi)型對(duì)氣候要素的響應(yīng)時(shí)間有一定差異，不同植被對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)由大到小依次為：高山植被、闊葉林、灌叢、草原、草甸、栽培植被、針葉林，表明新疆地區(qū)高山植被對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間最慢，針葉林對(duì)降水響應(yīng)時(shí)間最快；不同植被對(duì)氣溫的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)由大到小依次為：高山植被、草甸、針葉林、草原、灌叢、栽培植被、闊葉林，表明新疆地區(qū)高山植被對(duì)氣溫的響應(yīng)時(shí)間最慢，闊葉林對(duì)氣溫的響應(yīng)時(shí)間最快。

3 討 論

本文研究表明，1982—2015 年新疆植被呈現(xiàn)變綠趨勢(shì)，在南疆和北疆之間存在明顯差異，主要受到自然環(huán)境要素的綜合影響。一方面，新疆氣候呈暖濕化趨勢(shì)，降水是干旱半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)的重要決定因素，充足的水分可以通過(guò)影響土壤養(yǎng)分遷移、提高土壤微生物的活性，驅(qū)動(dòng)植物養(yǎng)分吸收，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[31-32]。另一方面，由于新疆獨(dú)特的地形地貌，北疆降水量比南疆更豐沛，土壤水分相對(duì)充足，沿天山山脈一帶植被覆蓋度高，而南疆地區(qū)有世界第二大流動(dòng)沙漠，北側(cè)的天山和南側(cè)昆侖山阻隔水汽，降雨少蒸發(fā)大，導(dǎo)致植被低矮稀疏，植被覆蓋度低[21]。從局部來(lái)看，伊犁河谷地區(qū)呈現(xiàn)出顯著退化趨勢(shì)，有研究認(rèn)為是由于當(dāng)?shù)剡^(guò)度超載放牧導(dǎo)致草地退化[33]，人類(lèi)活動(dòng)在一定程度上也會(huì)主導(dǎo)植被的變化進(jìn)程[24]。

新疆地區(qū)植被對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)均表現(xiàn)出一定程度滯后響應(yīng)的特性，并且植被對(duì)降水的響應(yīng)比氣溫更快，這與已有研究中的新疆地區(qū)植被對(duì)降水敏感性更高的結(jié)論相一致[34]。氣候?qū)χ脖坏挠绊懲ǔ２皇且淮涡缘模切枰谝欢螘r(shí)間內(nèi)進(jìn)行積累，才能對(duì)當(dāng)前植被生長(zhǎng)產(chǎn)生較大的影響，積累效應(yīng)通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能體現(xiàn)出來(lái)，而滯后效應(yīng)則更容易被觀察到[35]。不同類(lèi)型的植被對(duì)氣候因子的相關(guān)性和滯后時(shí)長(zhǎng)存在差異，這可能與不同植被分布的海拔地形以及植被自身特性有關(guān)[36]。新疆的降水量總體上隨海拔升高而增加，氣溫隨海拔上升而降低[37]，山區(qū)海拔由高到低分布著高山植被、草甸、針葉林、草原，其中只有高山植被對(duì)降水的響應(yīng)速度很慢，這可能與高山植被多分布在冰川周?chē)嘘P(guān)，也可能是到達(dá)一定海拔范圍，植被對(duì)降水的敏感性會(huì)顯著降低。不同類(lèi)型的植被自身特性不同，與喬木相比，灌木和草本植被的根系大多分布在淺層土壤中，并且木質(zhì)化較少，對(duì)降水格局變化的響應(yīng)速率不同[38]，另外多年生的喬木和灌叢相對(duì)生長(zhǎng)量比一年生植物低，對(duì)外界環(huán)境變化抵抗力更強(qiáng)[39]。

植被NDVI 變化受到很多要素的影響，是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，本文只研究了氣候要素中降水和氣溫與植被變化的關(guān)系，其他氣候要素[40]、地形地貌[36]、土壤性質(zhì)[41]以及人類(lèi)活動(dòng)[36]等因子并未進(jìn)行深入探討，這是今后有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。本文采用的植被類(lèi)型數(shù)據(jù)出版于2001 年，多年來(lái)新疆土地利用類(lèi)型和植被類(lèi)型都發(fā)生著變化，人工綠洲和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，草地和林地面積減少，但目前沒(méi)有更好的長(zhǎng)序列的植被類(lèi)型數(shù)據(jù)可以使用[42]。盡管以上問(wèn)題會(huì)對(duì)研究結(jié)果的確定性產(chǎn)生一些影響，但本文的研究成果對(duì)認(rèn)識(shí)新疆地區(qū)不同類(lèi)型植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制仍具有參考價(jià)值，能夠?yàn)樾陆h(huán)境生態(tài)建設(shè)和植被保護(hù)方面提供科學(xué)參考。

4 結(jié) 論

本文以新疆1982—2015 年GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)集，以及CRU 降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，利用Sen + Mann-Kendall 趨勢(shì)分析、時(shí)滯偏相關(guān)分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，綜合分析了新疆植被時(shí)空變化特征，重點(diǎn)分析了植被對(duì)降水和氣溫的滯后響應(yīng)，對(duì)比了不同類(lèi)型的植被對(duì)氣候要素響應(yīng)的差異性。主要結(jié)論如下：

1）新疆地區(qū)植被呈現(xiàn)北疆高于南疆、西部高于東部的空間格局，1982—2015 年34 a 期間，天山山脈北段和環(huán)塔里木盆地的綠洲NDVI 顯著增加，伊犁河谷地區(qū)植被呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，整體來(lái)看，新疆地區(qū)植被增加區(qū)域大于退化區(qū)域，植被呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2）在0～3 個(gè)月滯后期情況下，新疆有72%植被區(qū)域?qū)邓捻憫?yīng)存在滯后性，平均滯后時(shí)間為1.1 個(gè)月，有70%的植被區(qū)域?qū)鉁氐捻憫?yīng)存在滯后性，平均滯后時(shí)長(zhǎng)1.4 個(gè)月，NDVI 與降水的相關(guān)性比氣溫更強(qiáng)，植被與氣候要素時(shí)滯相關(guān)系數(shù)越高的區(qū)域，響應(yīng)速度越快，總體上看，新疆地區(qū)植被對(duì)降水更為敏感。

3）不同類(lèi)型植被與降水和氣溫的響應(yīng)程度不同，在新疆地區(qū)降水是草甸、灌叢和針葉林的主要促進(jìn)因子，氣溫對(duì)闊葉林的影響最強(qiáng)，不同植被與降水的時(shí)滯偏相關(guān)系數(shù)均高于氣溫，不同植被對(duì)氣溫的響應(yīng)時(shí)間均長(zhǎng)于降水。