天山北坡NDVI对气候因子响应的敏感性分析

徐丽萍+郭鹏+刘琳+张正勇+李慧婷

摘要：利用1982—2006年8 km×8 km的NASA/GIMMS半月合成的归一化植被指数（NDVI）数据集和天山北坡乌鲁木齐、石河子、克拉玛依等11个站点的气象数据分析了天山北坡NDVI动态变化与气温、降水变化的响应特征及敏感性。结果表明，25年来，天山北坡的NDVI呈波动性增加的趋势，植被覆盖增加;并且在全球背景下气温和降水也呈现不同程度的增加，气候暖湿化趋势明显;年际NDVI与年均气温存在一般正相关，与降水存在极显著正相关;主要生长季NDVI变化与同期气温存在较低正相关，与降水存在极显著正相关;进行滞后分析，发现当月NDVI与前月气温呈负相关，与前月降水存在极显著正相关。说明天山北坡NDVI对气温的敏感性比较低，对降水的敏感性较高。

关键词：天山北坡;植被指数（NDVI）;气候因子;敏感性

中图分类号：Q142        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）19-5116-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.016

The Sensitivity of Vegetation Index and Climate Factors

in North Tianshan Mountain

XU Li-ping，GUO Peng，LIU Lin，ZHANG Zheng-yong，LI Hui-ting

（College of Science，Shihezi University，Shihezi 832003， Xinjiang，China）

Abstract： Using 8 km × 8 km NASA/GIMMS half of the synthesis of the normalized new NDVI （normalized difference vegetation index） data set and the meteorological data of eleven sites in north Tianshan mountain， NDVI dynamic changes with the temperature and the relationship between the change of precipitation from year 1982 to 2006 was analyzed. The results showed that during 25 years， NDVI in north Tianshan mountain increased in fluctuation and the vegetation cover increased. The temperature and precipitation increased in the different degrees under the global environment. The annual NDVI and annual temperature was positively correlated while the change of main growing season was positively correlated with precipitation. The lagging analysis showed that NDVI was negatively correlated with the temperature of the previous month and positively correlated with precipitation of previous month. The sensitivity of the NDVI temperature was low while the sensitivity of precipitation was high in the north Tianshan mountain.

Key words： north Tianshan mountain; vegetation index; climate factor; sensitivity

植被在全球变化研究中充当“指示器”的作用[1]。研究植被覆盖变化与气候因子的相互关系已经成为全球变化研究的一个重要领域[2-4]。归一化植被指数（NDVI）是用于植被动态监测的有效指标，近年来，国内外学者利用NDVI对地表植被覆盖变化及其与气温、降水之间的关系和响应特征作了大量研究。国外学者通过对位于中低纬度的美国中部地区、欧亚大陆以及非洲等地区研究发现降水量是影响NDVI变化的主要因素[5-9];而对位于高纬度的北美洲北部以及北极地区的研究却表明NDVI变化与温度关系密切[10-12]。国内学者在分析全国范围植被变化与气候关系的研究中也发现植被指数对气候的响应存在着区域差异[13-20]。孙红雨等[13]认为，在东部湿润季风区，沿同一经线分布的地表植被指数主要受热量条件的影响，西北干旱半干旱地区植被指数和月平均降水量有较大正相关。前人的相关研究由于研究区域的时空尺度与分析方法不同，所得观点和结论不尽相同，且多数研究分析方法单一，都是基于植被指数与气候因子的简单相关分析，针对NDVI对气候因子响应及敏感程度及敏感阈值方面还没有开展深入研究。本研究克服了以上缺点，综合采用斜率法、相关分析法、空间分析等方法分析天山北坡1982～2006年25年NDVI时空动态、对降水和温度的响应特征及敏感性，以期揭示出该区25年植被覆盖变化对全球变暖背景下主要气候因子的敏感程度，为有针对性地指导该区农业生产和生态环境建设提供科学依据。

1  研究区域概况

天山北坡经济带是我国西北干旱区的一个大幅度、多层次而有规律的、典型的“山盆系统 （MODS）”[21]，主要系天山山脉中段博格达山、依连哈比乃山和婆罗科努山分水岭以北的区域，面积95 598 km2。包括乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市、昌吉市、呼图壁县、玛纳斯县、沙湾县、乌苏市、奎屯市、奇台县、吉木萨尔县、木垒县和精河县等。天山北坡属内陆干旱区，夏季炎热干旱，冬季寒冷多风，年平均降水量220 mm，年平均蒸发量1 817 mm，年均气温6.9 ℃。研究区中有较为多样的半灌木与小乔木荒漠植被类型，此外，位于山带的山地植被及位于人工绿洲区的耕地植被也是研究区的重要植被类型。

2  数据来源与研究方法

2.1  数据来源

NDVI数据由美国航空航天局（NASA）全球监测与模型研究组（Global Inventor Modeling and Map-ping Studies，GIMMS）发布，空间分辨率为8 km×8 km，时间范围从1982年至2006年共25年，该数据经过几何精校正、辐射校正、大气校正等预处理[13]。

1982～2006年气温、降水等数据来自新疆维吾尔自治区气象信息中心提供的北疆35个基本气象台站的月均温和月均降水数据，选取天山北坡数据完整的11个站点数据，处理得到每年的年均气温和降水数据，季均气温和降水数据。

2.2  处理方法

2.2.1  植被覆盖特征分析方法  遥感影像用遥感图像处理软件ERDAS 9.1、ENVI 4.2进行处理。首先对数据进行几何校正，使其校正到UTM投影系统下。在ERDAS 9.1中对GIMMS数据（1982～2006）进行批处理，然后裁切出天山北坡，采用最大值合成法（Maximum value composite，MVC）将每月2期半月NDVI合成月NDVI，以进一步消除云、大气、太阳高度角的部分干扰，取1年12个月NDVI平均值代表年均NDVI;取3～5月均值代表春季NDVI、6～8月均值代表夏季NDVI、9～11月均值代表秋季NDVI、12至翌年2月均值代表冬季NDVI;取4～9月NDVI平均值代表生长季NDVI。数据采用Excel和SPSS统计软件处理。

2.2.2  斜率法  斜率法已经被广泛应用于植被覆盖、生物量、NPP、物候以及农作物产量的长期变化趋势等方面[22，23]。本研究采用变化斜率的方法来研究NDVI时空演变趋势，计算公式如下：

b=（1）

其中，i为年序号，n为时间长度，NDVI为基于像元的25年时间序列，采用生长季（4～9月）平均值。NDVI随时间的变化斜率反映植被覆盖的变化方向，斜率为正值表示植被覆盖呈增加趋势，为负值表示植被覆盖呈减少趋势，为0表示植被覆盖无变化。NDVI变化百分率可表示25年NDVI的变化程度，计算方法如下：

NDVI变化百分率=×100%（2）

对斜率的显著性检验采用t检验法。设置0.05（显著）和0.01（极显著）两个显著性水平。进行植被覆盖变化性质和强度的判断，通过t检验作为NDVI显著或极显著增加或显著或极显著减少的趋势判断标准，检验统计量t值计算方法如下：

t=（3）

2.2.3  气温和降水空间插值法  为了减少因天山北坡海拔和地势差异较大而造成的误差，首先以ArcGIS为平台，由DEM数据提取研究区坡度、坡向，然后运用反距离插值法绘制研究区气温和降水空间分布图。然后在此插值基础上运用经过修正的插值方法进行计算，得出最终的气温、降水变化趋势图。

2.2.4  相关分析法  NDVI与相应气温和降水等气候因子之间的敏感性分析采用相关分析法进行分析。先将提取的NDVI数据转到Excel中用趋势线进行统计描述，再用SPSS软件的相关分析得出年均、季均、典型生长季月均NDVI与同期气温、降水之间的相关系数，并把该相关系数绘成NDVI与气温、NDVI与降水的相关性分布图。最后通过1982～2006年年均NDVI与气温、降水的相关系数进行二项式线性拟合，可以分析出年平均NDVI与气温、降水的敏感阈值范围。由此确定植被指数对气候因子的敏感程度。

3  结果与分析

3.1  天山北坡NDVI的时间特征

由NDVI年际变化曲线（图1a）可以看出，天山北坡1982～2006年年均NDVI整体呈波动上升趋势，植被覆盖有所增加，25年间年平均增长0.06%，植被覆盖增长比较缓慢。而典型生长季的月平均NDVI的变化呈现单峰趋势（图1b），最大值出现在7月。

3.2  天山北坡生长季NDVI变化的空间特征

典型生长季NDVI平均值变化基本可以代表当年植被生长状况[14]，利用斜率法对天山北坡山区近25年生长季累积NDVI变化趋势进行了分析，计算的斜率为负值时，表示其植被覆盖呈减少趋势，反之，植被覆盖呈增加趋势，趋势显著性检验采用t检验，根据研究区各像元NDVI变化趋势和显著性水平，将变化趋势分为三类：显著增加（P<0.05）、显著减少（P<0.05）、变化不显著（P >0.05）（图2）。分析可知25年该区NDVI显著增加的区域面积占该区的39.02%;生长季NDVI显著减少的面积仅占1.00%（表1）。由此可见，25年间该区生长季NDVI在空间分布上总体呈现增长趋势。显著增长区域主要位于天山北坡山区、山前平原区，显著减少的地方有伊犁谷地南部、博尔塔拉谷地北部、天山北坡山区东段等区域，面积较小且零散。

3.3  天山北坡气温与降水的变化

3.3.1  天山北坡气温与降水的年际变化  天山北坡1982～2006年平均气温、年降水的变化总体呈上升趋势（图3）。1982～2006年平均气温年增率为0.091 ℃/年（图3 a），1982～2006年降水年增率为1.522 mm/年（图3 b）。说明在全球变暖背景下，天山北坡从20世纪80年代以来气候暖湿化趋势较为明显。

3.3.2  天山北坡气温与降水的空间分布

1）气温的空间特征。天山北坡年均气温空间分布呈现由西向东递减的特点（图4），其中在西部形成两个高温中心，分别是以阿拉山口和克拉玛依为代表的地区，年均气温达到9 ℃，东部的低温中心位于以北塔山为代表的高山林地，年均气温3 ℃左右。

2）降水空间特征。天山北坡年均降水量空间分布呈现“三中心”的特征（图4）。以达坂城为代表的山区东段为低降水量中心，年均降水量仅有80 mm左右，该中心周边区域降水量逐渐增加，造成这一现象的原因是达坂城地区三面环山，西面开阔，呈半封闭状态，使得东亚夏季风和西风气流均无法带来潮湿空气，所以降水量极低;以温泉和乌鲁木齐为中心形成降水量较多的区域，年均降水量高达300 mm左右，周边地区降水逐渐减少。

3.4  天山北坡NDVI对气候因子的敏感性分析

3.4.1  对气温的敏感性  对天山北坡年均NDVI与年均气温，季均NDVI对季均气温，典型生长季季均NDVI对同期平均气温，月均NDVI对月均气温，以及典型月月均NDVI与前一月的平均气温进行了相关分析（表2）。结果表明，年平均NDVI与年平均气温呈正相关，但是显著性并不高。春季季均NDVI与春季季均气温呈正相关;夏季季均NDVI与夏季季均气温呈显著正相关;秋季季均NDVI与秋季季均气温与春季相类似;冬季季均NDVI与冬季季均气温呈较低正相关关系。生长季平均NDVI与同期平均气温呈极显著正相关。滞后分析中典型月平均NDVI与前月平均气温呈负相关。

对研究区1982～2006年间年平均NDVI与年平均气温进行趋势线分析（图5 a）。随着年平均气温的增加，年均NDVI也增加，则植被覆盖度也逐渐升高。当年均气温在7.5 ℃时，植被长势最好;在年均气温6.5～8.3 ℃植被生长旺盛，这是年均NDVI对年均气温敏感的阈值范围。

3.4.2  对降水的敏感性  对天山北坡1982～2006年年均NDVI与年均降水量、季均NDVI对季均降水量、典型生长季平均NDVI对同期平均降水量、前月平均降水量对当月平均NDVI进行相关分析，结果表明，年平均降水量和年平均NDVI存在极显著正相关关系。春季季均NDVI与春季季均降水量相关系数为0.983，呈正相关;夏季季均NDVI与夏季季均降水量呈一般正相关;秋季季均NDVI与秋季季均降水量的相关性比春季高;冬季季均NDVI与冬季季均降水量呈较低负相关关系，但是相关程度并不高。说明季均NDVI对季均降水量的敏感性不高。在生长季季均NDVI与季均降水量的相关性呈较低正相关。这可能是在降水本来就多的生长季，植被生长所需要的水分已经很充足，植被呈良好长势，多余的降水对植被没有大的影响，另外在典型生长季，农业植被主要靠灌溉，对降水敏感性低，因此相关程度并不高。时滞分析中用7月平均降水量对8月NDVI进行相关分析，当月平均NDVI与前月平均降水量的相关系数为0.646，呈极显著正相关，说明月均NDVI与前月平均降水量存在明显滞后关系。

对研究区1982～2006年年均NDVI与年均降水量进行趋势线分析，表明在年平均NDVI与年平均降水量之间存在极显著正相关关系。且年均降水量在100～200 mm时，点的分布较密集，说明此时段植被生长较好，植被覆盖度高，这是年均NDVI对年均降水量敏感的阈值范围（图5b）。

4  小结与讨论

4.1  小结

1）25年来，天山北坡的NDVI整体上呈增加的趋势，植被覆盖度也逐渐变好，但植被的覆盖度增长比较缓慢。由同期气温和降水序列分析可知，气候暖湿化现象较为明显。

2）天山北坡年均NDVI和年均气温呈正相关，但显著程度不高;春季、夏季、秋季、冬季季均NDVI与同期平均气温呈正相关;生长季平均NDVI与同期平均气温的相关性呈极显著正相关。

3）天山北坡年均NDVI和年均降水量呈极显著正相关;春季、夏季、秋季季均NDVI与同期平均降水量呈正相关，冬季季均NDVI与同期平均降水量呈负相关;生长季季均NDVI与同期平均降水量的相关性呈较低正相关，说明在生长季阶段，降水对植被的影响并不是很大。年均气温6.5～8.3 ℃是平均NDVI对年均气温敏感的阈值范围，年均降水量在100～200 mm是NDVI对年均降水量敏感的阈值范围。

4）天山北坡月均NDVI与月均气温、月均降水量都存在明显的滞后关系。4月月均气温对5月月均NDVI滞后性影响明显;7月月均降水量对8月月均NDVI滞后性影响非常明显。

4.2  讨论

天山北坡年均NDVI对气温的敏感性较低，而对降水的敏感性高;季均NDVI受气温影响大于降水，特别是夏季尤为突出，表明季节NDVI对气温的敏感性更高。典型生长季NDVI对气温的敏感性高于对降水的敏感性。典型生长季当月NDVI对前月降水的敏感性高于前月气温。由分析可知，天山北坡植被覆盖变化与气候因子有一定相关关系，但在不同时段敏感性有差异，说明气候变化是天山北坡植被覆盖时空变化的重要影响因素，但非气候因素的影响也不容忽视。植被受到气候因子影响的同时也受到其他驱动因子的影响。这些驱动因子包括快速增加的城市化生活和人类活动以及社会经济因素。如果能尝试其他地统计学的方法来探索量化这些因素作用的强度且进行更长时间序列的研究，对天山北坡农业和生态环境建设的指导分析会更全面。

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（责任编辑  郑  威）

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（责任编辑  郑  威）

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（责任编辑  郑  威）