程高 張寶林 常成虎

摘要：渾善達克沙地處于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應的一級敏感區(qū)， 植被對氣候變化敏感?；?998-2010年SPOT/VEGETATION VGT-S10逐旬NDVI數(shù)據(jù)，研究區(qū)域典型植被的旬歸一化植被指數(shù)（NDVI）動態(tài)變化及其與溫度、降水的相關性以及氣象因子影響的滯后效應。結果表明，長時間旬NDVI序列較好地反映了主要植被類型隨著季節(jié)變化的生長發(fā)育狀況；生長季節(jié)內(nèi)植被旬NDVI和氣溫的相關性高于其與降水的相關性，氣溫、降水對不同植被的影響具有滯后效應，滯后期均在40 d以內(nèi)，滯后期長短因植被而異；年際間旬NDVI與降雨量、溫度的相關分析表明在植被快速生長期降雨量對植被生長有重要促進作用，而溫度在植被生長初期和成熟期則是植被旬NDVI提高的重要原因；由于春、冬季旬NDVI與溫度、降水變化的高度一致性，全年旬NDVI與氣象因子相關分析的可靠性降低；而生長季節(jié)內(nèi)植被旬NDVI與降水、溫度的相關性分析可以很好地揭示氣象因子與植被生長發(fā)育的關系。

關鍵詞：渾善達克沙地；歸一化植被指數(shù)（NDVI）；氣溫；降水；相關分析

中圖分類號：P461+.7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1298-06

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植被是聯(lián)結土壤、大氣和水分的自然“紐帶”[1]，在陸地表面的能量交換、生物地球化學和水文循環(huán)過程中扮演著重要的角色，同時在全球變化中起著敏感“指示器”的作用[2]。

大范圍植被變化研究需要覆蓋范圍廣、時空連續(xù)性好的數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星遙感為獲得植被監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了先進的技術手段[3]。SPOT/VEGETATION具有紅光波段對葉綠素吸收敏感、近紅外波段剔除了強水汽吸收帶和空間分辨率高等優(yōu)勢，更適于植被變化監(jiān)測研究[4，5]。由于衛(wèi)星遙感獲得的歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）能夠在大尺度上反映植被的綠度和光合作用強度，較好地反映植被的代謝強度及季節(jié)性變化和年際間變化，被廣泛地運用于植被的第一性生產(chǎn)力估算[6，7]、物候分析[8，9]、農(nóng)作物估產(chǎn)、葉面積指數(shù)估算等研究。然而，由于區(qū)域環(huán)境變化的不確定性[10，11]，植被對氣候變化的響應方式及程度仍然是全球變化研究的熱點[9]。

中國已在全國范圍[10]、東北地區(qū)[12]、西北地區(qū)[13]、東部地區(qū)[14]以及其他一些地區(qū)[15，16]進行了大量的植被對氣候因子響應的研究，但在干旱、半干旱地區(qū)的研究結論仍存在較大爭議。高志強等[17]認為西北干旱區(qū)植被指數(shù)與降水的關系不大，同溫度的相關性也不好，但李曉兵等[10]則認為西北內(nèi)陸的溫帶荒漠植被NDVI的變化明顯受到溫度、降水變化的影響；陳云浩等[18]在中國陸地NDVI變化的氣候驅(qū)動分析中，把塔里木盆地、準格爾盆地、阿拉善高原定為氣溫和降水驅(qū)動區(qū)，把新疆西部山地定為弱降水驅(qū)動區(qū)；李霞等[19]從定性的角度分析了西北地區(qū)NDVI與氣候的關系，得出NDVI與降水存在明顯的正相關，與溫度變化關系不明顯的結論，但張遠東等[20]則認為荒漠綠洲NDVI與氣溫關系顯著。

渾善達克沙地處于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應的一級敏感區(qū)，又是農(nóng)牧交錯帶，植被對氣候變化及人類土地利用方式的變更非常敏感?；贜OAA/AVHRR-NDVI的植被類型與氣候因子的關系研究表明，羊草對溫度較降水敏感，而克氏針茅降水較溫度敏感，大針茅草對溫度和降水敏感度相差不大；無論是哪種植被均對生長同期的降水最敏感，在荒漠草原和克氏針茅草原，溫度對NDVI變化的影響有滯后效應[21]。為了進一步探討渾善達克沙地NDVI對氣候因子敏感性中的不確定性問題，利用SPOT/VEGETAFION VGT-S10逐旬NDVI數(shù)據(jù)，研究了不同氣象站點植被旬NDVI與溫度、降水的相關關系，以期為區(qū)域環(huán)境變化研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

渾善達克沙地東西長約450 km，南北寬約300 km，總面積7 100 810 hm2[22]（圖1）。該區(qū)域?qū)儆跍貛Ц珊?、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，大部分處于中國季風邊緣地區(qū)[23]。冬季漫長寒冷，夏季短促溫熱少雨；降水量季節(jié)分配不均，變化較大[24]，因受東南季風的影響，年平均降水量從東南部的400 mm左右向西北遞減至200 mm[25]。地帶性植被為典型干旱草原、荒漠草原，局部地區(qū)有草甸草原分布，年8級以上大風日50～80 d，風力剝蝕作用強烈，是中國北方沙塵暴多發(fā)區(qū)之一[26]。研究選擇了面積較大的5種典型草原，即大針茅和克氏針茅草原、克氏針茅和糙隱子草草原、戈壁針茅草原、羊草草原、沙地錦雞兒和柳蒿灌叢草原（圖1），對其13年旬NDVI時序數(shù)據(jù)進行了分析。

1.2 數(shù)據(jù)來源

所采用的數(shù)據(jù)為1998-2010年SPOT/VEGETATION的VGT-S10逐旬NDVI數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預處理包括了大氣校正、輻射校正、幾何校正， SPOT/VEGETATION的VGT-S10采用最大值合成法（MVC）可以避免云和幾何變形的影響及去除圖像噪聲?？紤]到數(shù)據(jù)的可獲得性和連續(xù)性，在研究區(qū)內(nèi)選擇了5個氣象站（表1），即二連浩特、朱日和、阿巴嘎、錫林浩特和多倫，同期氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)中國地面國際交換站氣候資料旬值數(shù)據(jù)集的1998-2010年的逐旬平均氣溫和降水資料。

1.3 研究方法

研究認為氣象站點數(shù)據(jù)的有效范圍是10 km[27-29]，因此取每個氣象站點所在區(qū)域3 km×3 km像元的NDVI平均值作為該站點像元逐旬NDVI時間序列數(shù)據(jù)，以下載的同期溫度、降水數(shù)據(jù)作為溫度、降水時間序列。

1.3.1 全序列植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 對1998-2010年逐旬NDVI與氣象因子（溫度和降水量）進行相關分析，得到13年不同植被旬NDVI序列與氣象因子序列的相關系數(shù)，采用t檢驗進行相關系數(shù)顯著性檢驗。

相關系數(shù)的計算公式如下：

1.3.2 年內(nèi)植物生長期間（5～9月）旬NDVI與氣溫、降水的時滯相關分析 氣候變化對植物具有累積效應，除了同期氣候狀況影響植被變化外，前期氣候狀況對植被生長有滯后效應[9]。通過計算氣象站點所在區(qū)域5種植被1998-2010年全生育期（5～9月）旬NDVI序列與同年同期及前期（前1～4旬）降水、溫度序列之間相關系數(shù)的平均值，得到時滯期為0～4旬的相關系數(shù)[14]，探討降水、溫度對植被NDVI的影響。

1.3.3 年際植物生長期間（5～9月）旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 為分析不同年份間生長季內(nèi)（5～9月）植被NDVI與降水、溫度變化的相關關系，將不同年份間同一旬的NDVI 序列作為一變量，相應不同年份間同一旬的溫度、降水量序列分別作為另一變量，計算1998-2010年植被的旬NDVI 序列與同期降水量、溫度序列之間的相關系數(shù)。研究計算了氣象站點所在區(qū)域5種植被旬NDVI 序列與同期降水量、溫度序列之間的相關系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 1998-2010年5種植被NDVI動態(tài)變化規(guī)律

區(qū)域NDVI隨時間周期性地升高和降低是植被生長周期的典型體現(xiàn)，夏、秋季植被覆蓋度較高，春、冬季植被覆蓋度較低。13年間研究區(qū)域旬NDVI呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，年最大值多出現(xiàn)在7～8月份，為0.3～0.5。2000和2001年旬NDVI較低，植被生長情況較差。13年間旬NDVI雖然呈現(xiàn)較為規(guī)律的周期性變化，但是整體趨勢并沒有明顯的變化。不同植被類型區(qū)旬NDVI總體表現(xiàn)為羊草（多倫）>大針茅、克氏針茅（錫林浩特）>克氏針茅、糙隱子草（阿巴嘎）>沙地錦雞兒、柳蒿灌叢（朱日和）>戈壁針茅（二連浩特）（圖2a、圖2b）。

戈壁針茅草原旬NDVI整體偏低，旬NDVI每年最大值為0.2～0.3。由于旬NDVI整體平均值低，變化幅度并不很大，季節(jié)性變化不明顯?？耸厢樏⒉陔[子草草原13年間植被覆蓋度年周期性變化明顯，夏、秋季植被覆蓋度較高，NDVI年的季節(jié)變化明顯；NDVI最大值多出現(xiàn)在8月中下旬到9月上旬，最大值為0.3～0.4。大針茅、克氏針茅草原NDVI年周期性變化明顯，年最大值多出現(xiàn)在7月下旬到8月，最大值為0.35～0.50。沙地錦雞兒、柳蒿灌叢13年間植被覆蓋度整體也偏低，NDVI年最大值多出現(xiàn)在7月下旬到8月，最大值為0.25～0.35，季節(jié)性變化不明顯，但略高于戈壁針茅草原。羊草草原13年間植被覆蓋度年周期性變化顯著，夏季植被覆蓋度較高；旬NDVI年最大值多出現(xiàn)在7月下旬到8月，最大值約為0.5。

2.2 全序列植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析

每一種植被旬NDVI與氣象數(shù)據(jù)的相關關系表明，氣溫與不同植被旬NDVI的相關程度依次為羊草，大針茅、克氏針茅，克氏針茅、糙隱子草，戈壁針茅，沙地錦雞兒、柳蒿灌叢，這與其旬NDVI大小順序一致；降水與旬NDVI的相關程度依次為羊草，克氏針茅、糙隱子草，沙地錦雞兒、柳蒿灌叢，大針茅、克氏針茅，戈壁針茅（表2）。植被旬NDVI與降水和溫度的相關系數(shù)均以戈壁針茅草原最低，以羊草草原最高。此外，在各個植被類型區(qū)，旬NDVI與溫度的相關系數(shù)均高于其與降水的相關系數(shù)。

2.3 生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析

為了進一步揭示旬尺度上各植被NDVI與氣象因子的相關關系，計算了年內(nèi)植被5～9月旬NDVI序列與前1～4旬的氣溫和降水的相關系數(shù)，以及植被年間生長期旬NDVI與氣溫、降水的相關系數(shù)。

2.3.1 年內(nèi)生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 1998-2010年生長期內(nèi)不同植被旬NDVI 序列與同期及前期（前1～4 旬） 降水序列之間的相關系數(shù)表明，降水對植被旬NDVI的滯后效應與草原植被類型有關（圖3）。對于研究區(qū)域內(nèi)的5種植被類型，旬NDVI與同期降水量的相關系數(shù)最低，隨時間向前推移，相關系數(shù)升高后又下降，說明降水對植被旬NDVI的影響存在滯后效應。不論滯后期長短，均以戈壁針茅草原和大針茅、克氏針茅草原旬NDVI與降水量的相關性較弱。從降水的滯后效應來看，降水對植被旬NDVI影響的滯后期為前2～3旬。

1998-2010年生長期內(nèi)植被旬NDVI 序列與同期及前期（前1～4旬）氣溫序列之間的相關系數(shù)表明，5種植被類型旬NDVI變化對氣溫的響應也有滯后效應，氣溫對羊草草原、大針茅和克氏針茅草原、克氏針茅和糙隱子草草原影響的滯后期為2～3旬，對戈壁針茅草原和沙地錦雞兒、柳蒿灌叢草原影響的滯后期為4旬（圖4）。對于研究區(qū)域內(nèi)的5種植被類型，旬NDVI與同期溫度的相關系數(shù)最低，隨時間的向前推移，相關系數(shù)升高后又下降。溫度變化與植被旬NDVI的關系密切程度表現(xiàn)為羊草>大針茅和克氏針茅>克氏針茅、糙隱子草>沙地錦雞兒、柳蒿灌叢>戈壁針茅，這一表現(xiàn)與全序列二者之間的關系一致，也與旬NDVI的高低順序一致。

此外，植被旬NDVI與同期降水和溫度的相關系數(shù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，在年內(nèi)生長期內(nèi)5種植被類型旬NDVI與溫度的相關性均高于其與降水的相關性。

2.3.2 年際生長期間植被旬NDVI與氣溫、降水的相關分析 不同年份不同植被生長期的大部分時間內(nèi)，旬NDVI與同期降水量多呈正相關關系（圖5），尤其是植被快速生長的6～7月。從總體來看，1998-2010年旬NDVI與同期降水量的相關系數(shù)波動較大，變化趨勢不明顯。但是，生長期間旬NDVI最高值較大的植被類型，如羊草草原、克氏針茅和糙隱子草草原、沙地錦雞兒和柳蒿灌叢草原，其旬NDVI與降水量的相關系數(shù)波動較大；生長期間NDVI最高值較小的植被類型，如戈壁針茅草原和大針茅、克氏針茅草原，其旬NDVI與降水量的相關系數(shù)波動較小。

1998-2010年旬NDVI與同期溫度的相關系數(shù)波動較大，變化趨勢不明顯，但是不同年份不同植被生長期的大部分時間內(nèi)，旬NDVI與同期溫度多呈負相關關系。然而，在溫度較低的時段內(nèi)，即5月的返青期和9月的成熟期旬NDVI與同期溫度多呈正相關關系，而在生長中期多呈負相關關系（圖6）。

3 結論與討論

1）長時間序列旬NDVI數(shù)據(jù)的周期性變化較好地反映了研究區(qū)域各種植被類型隨著季節(jié)而變化的生長發(fā)育情況。從整體上來講，5種典型的草地類型旬NDVI表現(xiàn)為羊草草原旬NDVI>大針茅、克氏針茅草原旬NDVI>克氏針茅、糙隱子草草原旬NDVI>草原沙地錦雞兒、柳蒿灌叢旬NDVI>戈壁針茅草原旬NDVI。

2）1998-2010年研究區(qū)域5種植被類型全年旬NDVI序列與同期降水量和溫度的相關系數(shù)表明，5種植被全序列旬NDVI與降水量和溫度均呈正相關關系，且旬NDVI與溫度的相關系數(shù)高于其與降水量的相關系數(shù)，即同一植被類型受氣溫影響強于降水。這一結論與在我國西南喀斯特地區(qū)[30]、東北地區(qū)[28]、貴州省[15]、北方13省[31]、松花江流域[32]等地區(qū)開展的研究結論一致，但卻與中國北方溫帶草原的研究結果不同[17]。

3）年內(nèi)生長期間植被旬NDVI和氣溫的相關性高于其與降水的相關性，氣溫、降水對不同植被的影響具有滯后效應，滯后期長短因植被而異，說明不同植被類型對氣候變化有不同的響應特征[15]；溫度影響較一致，但降水的影響差異較大。在此次研究中，5種植被類型旬NDVI和氣溫的相關性均高于其與降水的相關性，雖然與眾多研究結果相一致[15，28，30-32]，但辜智慧等[21]認為以羊草為主的典型草原，溫度比降水的影響大；在以克氏針茅為主的典型草原，降水的影響高于溫度；在大針茅為主的草原，兩者與旬NDVI變化量的相關性相差不大；在荒漠草原，降水是最主要的影響因子，同期的溫度作用并不大。此外，此次研究中，溫度和降水對5種植被類型旬NDVI影響的滯后期均在40 d以內(nèi)，較相關研究的滯后期短[33]。

4）不同年份不同植被生長期的大部分時間內(nèi)，旬NDVI與同期降水量多呈正相關關系，而與溫度多呈負相關關系（尤其是生長中期）。分析表明在植被快速生長期降水量對植被生長有重要的促進作用，而氣溫在植被生長初期和成熟期與植被旬NDVI呈現(xiàn)正相關性，這與在美國大平原的研究結論一致[34]，說明氣溫升高引起的生長期提前和生長季延長是植被覆蓋度增加的一個重要原因[32]，而植被生長中期氣溫升高會加速植物的蒸騰作用和地表的蒸散，進而抑制草原植被的生長[19，34]。

5）1998-2010年植被全序列旬NDVI與降水、溫度均呈正相關，而年際生長期內(nèi)的相關系數(shù)變化較復雜，但所反映出的植被旬NDVI與溫度和降水等氣象因子的相互關系更符合植被生長發(fā)育規(guī)律。因為全年的數(shù)據(jù)序列分析中，春季和冬季的旬NDVI較低，與溫度和降水變化的一致性較高，故相關系數(shù)也較高，結論的可靠性降低；生長期內(nèi)，年內(nèi)和年際植被旬NDVI與降水和溫度的相關性分析可以很好地揭示氣象因子與植被生長發(fā)育的相關性。

參考文獻：

[1] 陳述彭，童慶禧，郭華東. 遙感信息機理研究[M]. 北京：科學出版社，1998.339-341.

[2] 方修琦，余衛(wèi)紅.物候?qū)θ蜃兣憫难芯烤C述[J]. 地球科學進展，2002，17（5）：714-719.

[3] 馬明國，王 建，王雪梅.基于遙感的植被年際變化及其與氣候關系研究進展[J]. 遙感學報，2006，10（3）：421-431.

[4] 夏 露，劉詠梅，柯長青. 基于SPOT4數(shù)據(jù)的黃土高原植被動態(tài)變化研究[J].遙感技術與應用，2008，23（1）：67-71.

[5] 嚴曉瑜，董文杰.不同傳感器數(shù)據(jù)在若爾蓋濕地植被變化監(jiān)測應用中的適宜性分析[J].遙感技術與應用，2008，23（3）：300-304.

[6] 樸世龍，方精云，郭慶華. 1982-1999年我國植被凈第一性生產(chǎn)力及其時空變化[J]. 北京大學學報（自然科學版），2001，37（4）：563-569.

[7] 王玉輝，周廣勝. 內(nèi)蒙古羊草草原植物群落地上初級生產(chǎn)力時間動態(tài)對降水變化的響應[J]. 生態(tài)學報，2004，24（6）：1140-1145.

[8] 徐雨晴，陸佩玲，于 強.氣候變化對植物物候影響的研究進展[J]. 資源科學，2004，26（1）：129-136.

[9] 張學霞，葛全勝，鄭景云. 近50年北京植被對全球變暖的響應及其時效——基于遙感數(shù)據(jù)和物候資料的分析[J]. 生態(tài)學雜志，2005，24（2）：123-130.

[10] 李曉兵，史培軍. 中國典型植被類型NDVI動態(tài)變化與氣溫、降水變化的敏感性分析[J]. 植物生態(tài)學報，2000，24（3）：379-382.

[11] 丁一匯，李巧萍，董文杰. 植被變化對中國區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬研究[J]. 氣象學報，2005，63（5）：613-621.

[12] 張 軍，葛劍平，國慶喜.中國東北地區(qū)主要植被類型NDVI變化與氣候因子的關系[J]. 生態(tài)學報，2001，21（4）：522-527.

[13] 郭 鈮，朱燕君，王介民，等.近22年來西北不同類型植被NDVI變化與氣候因子的關系[J]. 植物生態(tài)學報，2008，32（2）：319-327.

[14] 崔林麗，史 軍，楊引明，等. 中國東部植被NDVI對氣溫和降水的旬響應特征[J]. 地理學報，2009，64（7）：850-860.

[15] 鄭有飛，牛魯燕，吳榮軍，等. 1982-2003年貴州省植被覆蓋變化及其對氣候變化的響應[J]. 生態(tài)學雜志，2009，28（9）：1773-1778.

[16] 劉德義，傅 寧，范錦龍.近20年天津地區(qū)植被變化及其對氣候變化的響應[J]. 生態(tài)環(huán)境，2008，17（2）：798-801.

[17] 高志強，劉紀遠. 基于遙感和GIS的中國植被指數(shù)變化的驅(qū)動因子分析及模型研究[J]. 氣候與環(huán)境研究，2000，5（2）：155-164.

[18] 陳云浩，李曉兵，史培軍.基于遙感的NDVI與氣候關系圖式研究[J]. 中國圖象圖形學報，2002，7（4）：332-335.

[19] 李 霞，李曉兵，陳云浩，等.中國北方草原植被對氣象因子的時滯響應[J]. 植物生態(tài)學報，2007，31（6）：1054-1062.

[20] 張遠東，徐應濤，顧峰雪，等. 荒漠綠洲NDVI與氣候、水文因子的相關分析[J]. 植物生態(tài)學報，2003，27（6）：816-821.

[21] 辜智慧，陳 晉，史培軍，等. 錫林郭勒草原1983-1999年NDVI逐旬變化量與氣象因子的相關分析[J]. 植物生態(tài)學報，2005，29（5）：753-765.

[22] 董建林. 渾善達克沙地（局部）沙化土地動態(tài)變化分析[J]. 林業(yè)資源管理，2000（5）：25-29.

[23] 劉樹林，王 濤. 渾善達克沙地地區(qū)的氣候變化特征[J]. 中國沙漠，2005，25（4）：557-562.

[24] 王革麗，呂達仁，尤 莉.渾善達克沙地沙塵暴氣候特征分析[J].氣候與環(huán)境研究，2002，7（4）：433-439.

[25] 李鴻威，楊小平.渾善達克沙地近30年來土地沙漠化研究進展與問題[J]. 地球科學進展，2010，25（6）：647-655.

[26] 陳玉福，徐新良，王石英. 內(nèi)蒙古高原渾善達克沙地區(qū)土地利用與覆被變化及退化趨勢[J]. 山地學報，2006，24（1）：60-64.

[27] 毛 飛，盧志光，張佳華，等.近20年藏北地區(qū)AVHRR NDVI與氣候因子的關系[J]. 生態(tài)學報，2007，27（8）：3198-3205.

[28] 羅 玲，王宗明，宋開山.1982-2003年中國東北地區(qū)不同類型植被NDVI與氣候因子的關系研究[J]. 西北植物學報，2009，29（4）：800-808.

[29] 王 宏，李曉兵，龍慧靈，等. 整合1982-1999年NDVI與降雨量時間序列模擬中國北方溫帶草原植被蓋度[J]. 應用基礎與工程科學學報，2008，16（4）：525-536.

[30] 蒙吉軍，王 鈞.20世紀80年代以來西南喀斯特地區(qū)植被變化對氣候變化的響應[J].地理研究，2007，26（5）：857-865.

[31] 李月臣，宮 鵬，劉春霞，等. 北方13 省1982-1999年植被變化及其與氣候因子的關系[J]. 資源科學，2006，28（2）：109-117.

[32] 韓佶興，王宗明，毛德華，等.1982-2010 年松花江流域植被動態(tài)變化及其與氣候因子的相關分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2011， 32（3）：430-436.

[33] 劉成林，樊任華，武建軍，等.錫林郭勒草原植被生長對降水響應的滯后性研究[J].干旱區(qū)地理，2009，32（4）：512-518.

[34] WANG J， RICH P M， PRICE K P. Temporal responses of NDVI to precipitation and temperature in the central Great Plains，USA[J]. International Journal of Remote Sensing，2003， 24（11）：2345-2364.