閆俊杰, 陳 晨, 趙 陽, 沙吾麗·達吾提拜, 劉海軍

(伊犁師范大學(xué) 資源與生態(tài)研究所, 新疆 伊寧 835000)

草地占據(jù)了全球?qū)⒔?0%的的陸表面積[1]，它不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分[2]，而且在生物多樣性保護、水源涵養(yǎng)、大氣調(diào)節(jié)及原材料供給等生態(tài)系統(tǒng)維護與調(diào)節(jié)方面占有重要地位[3]。全球變化背景下，草地植被動態(tài)變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響被廣泛關(guān)注[4-7]，而對草地植被生長科學(xué)而精確的量化表達是研究草地動態(tài)變化的基礎(chǔ)。

遙感技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取的時效性、成本及數(shù)據(jù)豐富度等方面具有難以比擬的優(yōu)勢[8-9]，是目前區(qū)域植被動態(tài)監(jiān)測的主要方法及數(shù)據(jù)來源?；谶b感技術(shù)，不同學(xué)者將植被反射光譜中的不同波段進行線性或非線性組合來突出地表植被信息，提出了多種植被指數(shù)來對植被的生長狀況進行量化表達[10]，為植被動態(tài)變化研究提供了有效且計算簡便的指標(biāo)。在眾多植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)應(yīng)用最為廣泛，被廣泛應(yīng)用于全球、區(qū)域及流域等不同尺度的植被動態(tài)研究[4-5,9,11-14]。MODIS NDVI，NOAA-AVHRR NDVI及SPOT NDVI時間序列數(shù)據(jù)是主要數(shù)據(jù)源[15]。在對NDVI時間序列數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，最大值合成法(maximum Value Composites，MVC)常被用于計算年內(nèi)NDVI最大值(NDVImax)，來表征單個生長季內(nèi)植被生長達到最好時的狀況[10,16]，從而為植被的年際變化分析提供基礎(chǔ)。然而植被的年際變化并不僅僅體現(xiàn)在不同年份植被生長可達到的最高水平的差異上，植被在不同年份的年內(nèi)生長過程的差異也是植被動態(tài)變化的重要方面。時間累積NDVI(Time integered NDVI，TINDVI)被定義為年內(nèi)NDVI變化曲線與時間軸圍城的面積或一定時期內(nèi)NDVI的累積值[17-19]。相對于NDVImax，TINDVI包含了植被生長過程的信息，且已有研究證明TINDVI與植被干物質(zhì)量具有很好線性關(guān)系[20-21]，然而以TINDVI為衡量指標(biāo)來分析植被變化的研究卻鮮有報道。對比分析TNDVI與NDVImax在反映植被時空變化方面的比較優(yōu)勢，探討TINDVI的應(yīng)用價值，將為全面和深入認識植被的動態(tài)變化提供有利幫助。

西北地區(qū)是我國草地資源的重要分布區(qū)，而位于天山西段的伊犁河谷更是我國久負盛譽的優(yōu)質(zhì)牧場。已有學(xué)者以NDVImax或覆蓋度為參考，指明伊犁河谷草地退化嚴(yán)重，且退化仍在持續(xù)惡化[22-25]。本研究利用包含生長過程信息的TINDVI作為表征草地植被的參數(shù)指標(biāo)，分析伊犁河谷草地植被TINDVI時空變化，并探討TINDVI與NDVImax的差異，以期進一步探明伊犁河谷草地植被的變化特征，并為相關(guān)研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于80°09′42″—84°56′50″E，42°14′16″—44°53′30″N，地處天山西段，整個河谷地勢西低東高，地形呈向西敞開的“V”字形(圖1)，西風(fēng)濕潤氣流受此特殊地勢地形影響，容易抬升凝結(jié)，給河谷帶來豐沛降水，成就了其“塞外江南”的美譽。伊犁河谷氣候雖屬于溫帶大陸性氣候，但卻表現(xiàn)出明顯的高山氣候特征[26]，平原區(qū)與山區(qū)氣候明顯不同，平原區(qū)干旱少雨、蒸發(fā)能力強，而山區(qū)降水豐沛、天氣冷涼[27]，平原區(qū)降水200 mm左右，但山區(qū)降水可達1 000 mm，氣溫變幅約為9.2～2.8 ℃[26]。河谷內(nèi)植被類型以草地主，且類型豐富多樣，是新疆乃至我國著名的優(yōu)質(zhì)牧場，分布有高寒草甸、山地草甸、溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性荒漠及低平地草甸等多種類型草地[24,28]。伊犁河谷行政區(qū)劃上屬于伊犁哈薩克自治州，畜牧業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要比例，且畜牧方式仍然以傳統(tǒng)放牧為主。相關(guān)研究表明，近年來受氣候變化及人為影響，草地植被覆蓋度持續(xù)降低[29]，草地生產(chǎn)力降低及毒害草蔓延等草地退化問題嚴(yán)重[22,30]。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

文章用到的NDVI數(shù)據(jù)為美國NASA EOS數(shù)據(jù)中心發(fā)布的MODIS MOD13Q1產(chǎn)品。MOD13Q1數(shù)據(jù)為16 d合成的時間序列數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，每年23期，本研究用到2000年2月—2018年12月共19 a數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，對NDVI時間序列數(shù)據(jù)進行了鑲嵌、轉(zhuǎn)投影、重采樣、研究區(qū)裁剪以及Savitzky-Golay濾波處理。用于年際變化分析的NDVI年數(shù)據(jù)通過對每年23期數(shù)據(jù)的最大值合成(MVC)處理獲得[10,16]，即用年內(nèi)植被生長達到最好狀況時的NDVI(NDVImax)作為年尺度上的NDVI。

草地分布邊界的矢量數(shù)據(jù)是通過對2018年6—7月份sentinel-2假彩色合成影像目視解疑獲得。對解疑獲得的矢量數(shù)據(jù)進行了柵格化處理，作為NDVI數(shù)據(jù)研究區(qū)裁剪的掩膜。為保障數(shù)據(jù)的空間匹配，草地分布數(shù)據(jù)的柵格化處理及NDVI數(shù)據(jù)重采樣處理過程中，像元大小均設(shè)置為250 m×250 m。

氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn/)，包括伊犁河谷內(nèi)伊寧市、霍爾果斯市、霍城等10個氣象站和其周邊巴音布魯克在內(nèi)的11個氣象站的月數(shù)據(jù)。在11個氣象站點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助于Anusplin4.2軟件及DEM數(shù)據(jù)，進行空間插值，獲得伊犁河谷月氣溫和月降水空間分布數(shù)據(jù)，之后合成生長季(3—10月份)內(nèi)的平均氣溫和累積降水空間分布數(shù)據(jù)，插值過程中柵格大小設(shè)置為250 m，與NDVI數(shù)據(jù)柵格大小一致。

2.2 研究方法

2.2.1 TINDVI計算 TINDVI通常被定義為生長季內(nèi)NDVI變化曲線與時間軸圍城的面積或NDVI的累積值[17-19]。累積值計算方便且簡單，因此TINDVI利用生長季內(nèi)NDVI的累積值表示，即：

(1)

式中:i即代表NDVI數(shù)據(jù)的日期。MOD13Q1 NDVI產(chǎn)品每年23期數(shù)據(jù),從每年的第1天到第353天每16 d一期數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)草地植被返青期和枯萎日期實際情況及其空間差異[31];TINDVI計算取3月初(第65天)到11月初(第305天)時段內(nèi)共16期NDVI數(shù)據(jù),并在計算過程中對3月初和11月初NDVI<0數(shù)據(jù)進行了剔除。

2.2.2 單調(diào)趨勢Mann-Kendall非參數(shù)檢驗 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗被廣泛應(yīng)用于時間序列數(shù)據(jù)趨勢檢驗，其統(tǒng)計量Zc計算過程如下[32-33]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:xi為xk為時間序列數(shù)據(jù)的集合。在α置信水平上,若|Zc|≥Z1-α/2,即時間序列在α置信水平上存在顯著上升或下降趨勢。Zc>0,則變化趨勢為上升趨勢;Zc<0,則變化趨勢為下降趨勢。

時間序列變化速率可用Kendall傾斜度來表示，其計算公式如下：

(6)

式中:1

3 結(jié)果與分析

3.1 TINDVI空間分布特征

利用2000—2018年伊犁河谷草地TINDVI的年空間分布數(shù)據(jù)，計算其多年平均值?；赥INDVI的多年平均數(shù)據(jù)分析伊犁河谷草地TINDVI的空間分布特征(圖2)。

圖2 草地TINDVI空間分布(A)及其直方圖(B)

由圖2可知，伊犁河谷草地多年平均TINDVI的值域約為0～11.0?？臻g上伊犁河谷草地TINDVI呈現(xiàn)明顯的垂直分異特征。具體表現(xiàn)為TINDVI先隨海拔的升高而逐步增加，河谷西部海拔較低的平原及山前洪積沖積扇區(qū)TINDVI較低(2.08.0)，但空間上主要集中在河谷中南部及東部的中山區(qū)域，之后隨海拔升高TINDVI變化轉(zhuǎn)為逐步減小，河谷周邊積雪時間較長的高山區(qū)TINDVI最小值(TINDVI<2.0)。

經(jīng)統(tǒng)計，整個河谷6.08.0的比例達到了21.67%；TINDVI<2.0的比例最少，為9.34%；2.0

3.2 2000-2018年伊犁河谷草地TINDVI時間動態(tài)

對2000—2018年伊犁河谷草地TINDVI的年空間分布數(shù)據(jù)求逐年平均，繪制TINDVI的年際變化曲線(圖3)，分析伊犁河谷草地TINDVI總體的年際變化。

圖3 2000-2018年TINDVI年際變化曲線

由圖3可知，2000—2018年伊犁河谷草地TINDVI總體呈波動增加的變化趨勢，但根據(jù)Mann—Kendall趨勢檢驗，其Zc值為1.05，未達到顯著水平，其年變化率β值為0.015。在年際波動上，TINDVI于2008年和2014年出現(xiàn)較大谷值，值分別為5.34,5.36；于2007年、2013年和2016年出現(xiàn)較大峰值，值分別為6.26，6.40,6.39；2008年谷值前后的2000—2007年及20008—2013年分別出現(xiàn)兩個明顯的波動增加時段。

3.3 2000-2018年伊犁河谷草地TINDVI空間動態(tài)

基于2000—2018年伊犁河谷草地TINDVI的逐年空間分布數(shù)據(jù)，根據(jù)Mann-Kendall檢驗的計算步驟，進行逐像元計算，獲得TINDVI變化趨勢Zc值和變化率β值的空間分布數(shù)據(jù)(圖4)，基于此分析TINDVI變化的空間特征。

注：1.96為Mann—Kendall檢驗p=0.05顯著水平上Zc臨界值。

由圖4可知，伊犁河谷絕大部分草地TINDVI呈增加趨勢，經(jīng)統(tǒng)計，其面積比例達到了73.95%，但其中僅有11.56%達到了顯著水平，在空間上離散分布在河谷南部、東部及中西部的部分區(qū)域；整個區(qū)域有26.05%的區(qū)域TINDVI呈降低變化趨勢，空間上主要分布在昭蘇盆地、特克斯河下游周圍及河谷北部的中山區(qū)域，而TINDVI降低達到顯著水平的比例僅為0.67%。

對于TINDVI的變化速率，全區(qū)大部分區(qū)域的變化率為-0.025～0.050(圖4B)，其比例達到了85.91%，其中TINDVI變化率為0～0.025的分布比較廣泛，比例達到了41.29%，TINDVI變化率為-0.025～0的比例較小，為19.95%，空間上主要離散分布于河谷中部及北部的中山和低山區(qū)域，TINDVI變化率為0.025～0.050的比例為24.67%，空間上離散分布于河谷的不同區(qū)域；TINDVI變化率<-0.025和>0.050的比例均小，比例分別為5.99%和8.10%，分布也均較為離散。

3.4 TINDVI與NDVImax年際變化的時空差異

相關(guān)研究表明，近年來伊犁河谷草地的NDVImax及覆蓋度變化總體均呈現(xiàn)減小趨勢[24-25,29]，但根據(jù)本文的分析，伊犁河谷草地TINDVI卻總體有所增大，空間上73.95%草地的TINDVI呈現(xiàn)不同程度增加。鑒于本文研究與前人研究得出相反的結(jié)論，有必要對TINDVI及NDVImax變化的差異性進行探討。

對比TINDVI與NDVImax年際變化曲線(圖5A)，2000—2018年NDVImax變化總體呈減小趨勢，據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗，其Zc值為-0.28，未達到顯著水平，變化速率為-0.000 1；而TINDVI總體呈增加趨勢，Zc值為1.05，也未達到顯著水平。在年際波動上，TINDVI以及NDVImax均在2008年及2014年出現(xiàn)較大谷值，在2011年出現(xiàn)較大峰值，但在2005—2006年、2009—2010年及2016—2017年，NDVImax呈現(xiàn)增大變化，而TINDVI則呈現(xiàn)減小變化。

變化的空間分異方面，利用TINDVI變化趨勢Zc值圖與NDVImax變化趨勢Zc圖進行疊加，對比TINDVI及NDVImax變化趨勢的空間差異(圖5B)。由圖5B可知，伊犁河谷57.28%的草地NDVImax有所減小，42.58%草地NDVImax和TINDVI的變化趨勢相反，其中NDVImax減小而TINDVI增加的比例達到了36.91%，空間上主要位于NDVImax及TINDVI值較高的中山區(qū)域，而NDVImax和TINDVI呈相同變化趨勢的面積比例雖然也達到了57.42%，但在空間上主要分布在NDVImax及TINDVI值相對較低的山前洪積沖積扇、低山丘陵及積雪時間較長的高山區(qū)域。

圖5 伊犁河谷草地TINDVI與NDVImax年際變化曲線(A)及變化趨勢的疊加圖(B)

4 討 論

4.1 TINDVI與NDVImax年際變化時空差異的原因

由上文分析可知，2005—2006年、2009—2010年以及2016—2017年，全區(qū)平均TINDVI和NDVImax出現(xiàn)相反的波動變化(圖5A)，同時不同區(qū)域內(nèi)，TINDVI和NDVImax的年際變化也不盡相同(圖5B)。NDVImax代表了生長季內(nèi)植被覆蓋到達最大時的NDVI值，而TINDVI代表生長季內(nèi)NDVI的累積值。生長季內(nèi)NDVI變化曲線即能直接展示NDVImax值的大小，也能間接展示TINDVI值的大小，因此，對比不同年份及不同區(qū)生長季內(nèi)NDVI變化曲線，能為解答NDVImax及TINDVI時空變化產(chǎn)生差異的原因提供答案。

以16 d為間隔，計算生長季內(nèi)(每年第65—305天)TINDVI與NDVImax變化趨勢相反年份(2005—2006年、2009—2010年以及2016—2017年)，以及研究期前期(2000—2005年)和末期(2014—2018年)TINDVI與NDVImax變化趨勢不同疊加類型區(qū)的區(qū)域NDVI平均值，制作生長季內(nèi)TINDVI與NDVImax變化趨勢相反年份(圖6A)及研究期前期和末期兩者變化趨勢不同疊加類型(圖6B)的NDVI變化曲線，探討NDVImax及TINDVI時空變化產(chǎn)生差異的原因。

對于在2005—2006年、2009—2010年及2016—2017年NDVImax與TINDVI呈現(xiàn)截然相反的變化，由圖6A可知，2005年草地NDVI在達到最大值之前春夏季的第65—161天和之后夏秋季的第209—289天內(nèi)其值均小于2006年同時間的值，致使NDVImax雖有所增加，但TINDVI卻發(fā)生減??；2009—2010年主要是在春夏季的第65—161天內(nèi)2009年NDVI值小于2010年；2016—2017年則主要是在夏秋季的第193—257天內(nèi)2016年NDVI值小于2017年。

圖6 TINDVI與NDVImax變化趨勢相反年份及兩者變化趨勢不同疊加類型在研究期前期和末期NDVI生長季內(nèi)的變化

而對于NDVImax及TINDVI變化趨勢在空間上的差異，圖6B分別展示了NDVImax及TINDVI變化趨勢不同交互類型(圖5B)中2000—2018年的前5 a(2000—2004年)及末端5 a(2014—2018年)的NDVI平均年內(nèi)變化曲線。由圖可知，對于NDVImax及TINDVI均呈減小趨勢的區(qū)域，主要是由于NDVImax減小的同時，在夏秋季的絕大部分時間內(nèi)(第129—289天)NDVI均有所減小(圖6B1)；對于NDVImax減小而TINDVI增大的區(qū)域，主要是由于在春夏季的第65—145天內(nèi)及秋季的第257—305天的NDVI均有所增大(圖6B2)；對于NDVImax增大TINDVI減小的區(qū)域以及NDVImax增大TINDVI增大的區(qū)域，分別是由于夏秋季的第209—305天的NDVI均有所減小(圖6B3)或整個生長季NDVI幾乎都有所增大(圖6B4)。

通過上述討論和分析可以看出，生長季內(nèi)NDVI隨植被從返青到枯萎的變化過程也隨區(qū)域的不同和年份的不同而存在明顯差異，單利用植被生長達到最大時的NDVImax作為基礎(chǔ)指標(biāo)來評估草地的年際變化明顯存在一定局限，用TINDVI作為參考指標(biāo)來衡量草地植被變化具有一定優(yōu)勢。然而，雖然相關(guān)研究證實了TINDVI與玉米和大麥等農(nóng)作的干物質(zhì)量具有線性關(guān)系[20-21]，且TINDVI也常被作為植被生物量的相似或替代指標(biāo)[34-35]，但產(chǎn)草量及凈初等生產(chǎn)力是衡量草地光合作用所積累有機質(zhì)或干物質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，也是評價草地退化與否的重要參考[4-5,28]，而TINDVI與其關(guān)系如何仍需深入探究。

4.2 TINDVI及NDVImax與降水和氣溫關(guān)系及其對比

氣候變化是驅(qū)動植被變化的關(guān)鍵因素。分別計算TINDVI及NDVImax與降水和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)，探討TINDVI及NDVImax與降水和氣溫相關(guān)性及其差異(圖7—8)。

由圖7可知，無論是對于TINDVI還是NDVImax，降水與草地植被變化的相關(guān)性明顯高于氣溫，且與降水以正相關(guān)為主，這與前人關(guān)于天山及中亞區(qū)域的研究結(jié)果一致[13-15]。而由圖8可知，2000—2018年生長季內(nèi)伊犁河谷草地降水以減少為主，而全區(qū)氣溫均有所升高，氣溫升高促使水分蒸發(fā)增強，加劇了水分散失，而降水的減少又減少了水分來源，加劇水分對植被生長的脅迫，這可能是大面積草地NDVImax減小的原因。但在水分脅迫加劇的條件下，TINDVI卻發(fā)生增加，而由上文分析可知，TINDVI增加主要得益于春季(3—4月份)植被NDVI較大幅度的增加(圖6B2)，經(jīng)分析，2000—2018年3—4月平均氣溫和累積降水均有所增加(氣溫和降水Mann—Kendall檢驗Zc值分別為0.28及0.98)，為春季(3—4月份)NDVI的增加提供了有利條件。

注：UU為與降水及氣溫相關(guān)性均非顯著；PU為與降水顯著正相關(guān)；UP為與氣溫顯著正相關(guān)；NU為與降水顯著負相關(guān)；UN為與氣溫顯著負相關(guān)；PP為與降水及氣溫均顯著正相關(guān)；NN為與降水和氣溫均顯著負相關(guān)；PN為與降水顯著正相關(guān)，與氣溫顯著負相關(guān)；NP為與降水顯著負相關(guān)，與氣溫顯著正相關(guān)。

氣候是驅(qū)動植被變化的關(guān)鍵因素，而海拔又使氣候?qū)χ脖坏挠绊懏a(chǎn)生明顯的海拔分異，因而植被與氣候變化的相關(guān)性也常存在明顯的海拔分異[4-5]。根據(jù)圖7A，在伊犁河谷中部低海拔區(qū)和中海拔區(qū)，植被與降水呈正相關(guān)而與氣溫相關(guān)性較弱，而在河谷周邊的高海拔區(qū)，植被氣溫呈正相關(guān)而與降水呈負相關(guān)。伊犁河谷地處亞歐大陸干旱與半干旱區(qū)的腹地，水分是植被生長的關(guān)鍵限值因子，尤其在海拔較低的區(qū)域，因而低海拔區(qū)植被與降水變化呈正相關(guān)[14]；而高海拔區(qū)，降水雖然相對豐沛，但冬季漫長，全年氣溫明顯低于平原區(qū)，氣溫則是限制植被生長的關(guān)鍵因子，因而植被變化氣溫呈正相關(guān)，與降水呈負相關(guān)[14,36]。植被與氣候相關(guān)性的海拔分異不僅在伊犁河谷有所表現(xiàn)，在整個天山、祁連山和青藏高原等區(qū)域均有所表現(xiàn)[14,4-5,37]。

對比TINDVI及NDVImax與降水和氣溫的相關(guān)性(圖7)，經(jīng)計算，TINDVI與降水和氣溫呈顯著相關(guān)的比例分別達到了38.51%和12.22%，而NDVImax的該比例則分別為22.33%和5.27%，TINDVI與降水和氣溫變化相關(guān)性明顯高于NDVImax，尤其是與氣溫的相關(guān)性，可見TINDVI對氣候變化響應(yīng)更為敏感；同時，在空間上，相對與NDVImax，TINDVI與降水和氣溫相關(guān)性的海拔分異規(guī)律也更為明顯，這也間接表明TINDVI對氣候變化響應(yīng)更為敏感。相對于植被生長達到覆蓋最高時的NDVImax，TINDVI包含了整個生長季內(nèi)植被生長過程中NDVI變化的信息，而累積降水和平均氣溫也包含有整個生長季內(nèi)各自信息，這應(yīng)該是TINDVI對氣溫和降水變化響應(yīng)更敏感的原因。

5 結(jié) 論

(1) 根據(jù)多年平均數(shù)據(jù)，NDVI累加計算得到的伊犁河谷草地TINDVI的取值范圍約在0～11；空間上TINDVI海拔分異明顯，TINDVI的高值(>8.0)區(qū)域主要分布在中山區(qū)域，河谷平原區(qū)及冰雪覆蓋時間較長的高山區(qū)為TINDVI低值(<4.0)區(qū)；全區(qū)75.69%的區(qū)域TINDVI>4.0。

(2) 2000—2018年伊犁河谷草地TINDVI總體呈增大趨勢，但未達到顯著水平，其年變化速率為0.015。空間上，全區(qū)73.95%的區(qū)域TINDVI有所增大，其中11.56%達到了顯著水平，而TINDVI變化呈減小趨勢的面積比例僅為0.67%。

(3) 2000—2018年伊犁河谷草地NDVImax與總體呈非顯著減小趨勢，其年變化速率為0.000 1，空間上57.28%的NDVImax發(fā)生減小，42.58%的區(qū)域NDVImax與TINDVI變化趨勢相反，而生長季內(nèi)草地生長過程所存在的年際變化是兩者變化趨勢相反的原因。

(5) 相對與NDVImax，伊犁河谷草地TINDVI對降水和氣溫變化響應(yīng)更敏感。河谷低海拔和中海拔區(qū)草地覆蓋與降水呈顯著正相關(guān)，而高海拔區(qū)與氣溫呈顯著負相關(guān)，降水與草地覆蓋變化的相關(guān)性明顯高于氣溫。

(4) 伊犁河谷草地植被TINDVI變化的時間和空間差異是因為生長季內(nèi)草地NDVI變化過程在不同年份及不同區(qū)域存在差異，利用TINDVI作為衡量草地植被變化的參考指標(biāo)具有一定優(yōu)勢。