2000-2016年新疆伊犁河谷草地NDVI变化趋势分析

闫俊杰， 张 静， 雷 雨， 沙吾丽·达吾提拜， 吕光辉

(1. 新疆大学资源与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐 830046； 2. 中国科学院新疆生态与地理研究所， 新疆 乌鲁木齐 835000；3. 中国科学院大学， 北京 100049；4. 伊犁师范学院生物与地理科学学院， 新疆 伊宁 835000；5. 新疆水利厅， 新疆 乌鲁木齐， 830000)

我国天然草原面积有4亿hm2[1]，广泛分布于我国西南及西北地区。草地不仅是我国陆地生态的重要组成，具有重要的生态地位，同时草地还是我国畜牧业发展的基本生产资料，对我国西南及西北经济发展和社会稳定意义重大。然而据资料显示，我国90%的天然草原出现不同程度的退化，其中30%出现严重退化[2]。伊犁河谷位于我国西北边陲，河谷内草地发育良好，是我国优质的畜牧基地[3]。目前，随着伊犁河谷经济发展和人口增多，人类对草地生态的干扰逐步加剧，以生产力降低为典型特征的草地退化问题日趋严重[4]，影响当地生态稳定，制约畜牧业健康发展。开展草地生态动态监测，加强草地退化规律研究，对该区草地生态系统恢复与重建具有重要意义。

近30年来，遥感数据以其区域性及时效性等优势日渐成为区域植被动态监测的重要数据源[5]。由遥感数据反演的植被指数(vegetation index，VI))可以定量表达植被的生长状况，已被广泛用于植被动态的参数化表达[6]。在众多VI之中，归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)对植被类型、生长状态及生产力反应敏感，是目前应用最广的VI[5-6]。MODIS NDVI数据起始于2000年，时间序列完整，且相对AVHRR NDVI及SPOT-VGT NDVI时间序列数据，其在空间分辨率上也具有一定优势[7-8]，已被广泛应用于不同区域植被动态监测[7-11]。

伊犁河谷不仅是新疆西部重要生态屏障，还是重要畜牧基地，该区草地变化一直被广泛关注，如：周鑫及张旭琛等人[12-13]利用MODIS数据对其生物量反演进行了研究；尚二萍等人[14]对其碳存储动态进行了评估；闫俊杰等人[15-16]对其草地退化及草地退化对生态服务价值的影响进行了分析；刘芳等人[17]研究了伊犁河谷草地NDVI变化及其对降水的敏感性。前人的研究为今后伊犁河谷草地保护和恢复提供了重要参考，但目前，针对伊犁河谷草地植被覆盖变化趋势的研究仍相对缺乏，尤其是对变化趋势持续性的研究，基于此，本文利用MODIS NDVI遥感数据，借助于GIS空间分析技术及Mann-Kendall趋势分析和检验方法，对伊犁河谷草地植被覆盖的变化趋势进行分析，并利用变标度极差分析法(rescaled range analysis，R/S分析)，计算其Hurst指数的空间分布，探讨伊犁河谷草地植被覆盖变化趋势的持续性特征，以期为该区草地生态恢复与重建提供参考依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

伊犁河谷位于新疆西天山区，行政上包括有伊宁市、霍尔果斯市、可克达拉布、伊宁县、察布查尔县、昭苏县、特克斯县、巩留县、新源县、尼勒克县及霍城县等3市8县。伊犁河谷地形特殊，总体像一个向西敞开的喇叭，利于西风带湿润水汽抬升凝结而形成降雨，成就了伊犁河谷“西域湿岛”及“塞外江南”的美誉。气候特性方面，伊犁河谷处于温带大陆性气候区内，但河谷内地形复杂，高山气候特征明显，从平原到山区多年平均降水量的变化幅度达200～1 000 mm，多年平均气温变化幅度达9.2～2.8℃，受此影响，河谷内植被垂直分异规律明显，其中草地植被分布广泛，面积最大，是河谷内生态的主体，分布的草地类型主要有高寒草甸、山地草甸、温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性荒漠及低平地草甸[12]。

1.2 数据来源与预处理

本文用到的NDVI数据为MODIS MOD13Q1产品，其空间和时间分辨率为分别为250 m和16 d，时间序列为2000年1月-2016年12月，每年23期数据，共计391期。草地类型分布数据来自中国科学院中国植被图编辑委员会绘制的中国1:100万植被类型分布图，但本文通过对2015年Landsat 8 OLI影像解译，剔除了研究区的非草地植被类型，并对草地类型进行了组合归类(图1)，之后对解译数据进行了栅格化处理。对获得的遥感数据除进行了数据格式转换、镶嵌、投影转换及研究区提取等预处理外，为降低噪音信息对影像数据质量的影响，还对每年23期NDVI数据进行了Savitzky-Golay滤波处理，之后为获得年NDVI数据，对滤波处理后的数据进行了最大值合成(max value composite，MVC)。为保证NDVI及草地类型栅格数据的空间匹配，两种数据的像元大小均重采样为50 m×50 m。气象数据来自中国气象局气象数据中心，包括伊宁市、伊宁县、霍尔果斯、霍城、察布查尔、尼勒克、巩留、新源、昭苏和特克斯10个气象站年平均气温和年累积降水量数据。

图1 伊犁河谷草地类型分布图Fig.1 Distribution of grassland types in Ili Valley

1.3 趋势检验

用Mann-Kendall检验与Theil-Sen median趋势分析判断NDVI时间序列的变化趋势，并量化其变化率[18]。Mann-Kendall检验统计量计算过程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，sign为符号函数，NDVIk及NDVIi为时序数据集合，n为集合长度。在α显著性水平下，当|ZC|>U1-α/2时，则时间序列在α水平上变化趋势显著。若ZC>0，则变化趋势上升，若ZC<0，则变化趋势为下降。

Theil-Sen median趋势分析用于量化NDVI的变化趋势，表示单位时间内NDVI的变化量，计算公式为：

(5)

式中10，则NDVI时间序列呈上升趋势；反之，则呈下降趋势。

1.4 R/S分析

R/S分析为英国水文学家Hurst在研究尼罗河水文时间序列资料时所提出[19]。其计算过程如下：

对于时间序列NDVI(t)，t=1，2，3…，n，以及任意正整数p≥1，定义均值序列NDVI(p)为：

(6)

定义累积离差序列NDVI(t,p)为：

(7)

定义极差序列R(p)为：

(8)

定义标准差序列S(p)为：

(9)

Hurst通过长时间的实践总结，建立了如下关系：

(10)

式中：H为Hurst指数，通过利用双对数坐标{ln(P)，ln(R(p)/S(p))}拟合求的。根据R/S的原理，当H=0.5时，NDVI时间序列为随机序列，具有随机游走的特性；当0.5

2 结果与分析

2.1 NDVI变化趋势

借助于IDL8.5软件平台，计算2000-2016年伊犁河谷全区及不同类型草地NDVI年平均值，以此绘制全区和各草地类型年平均NDVI的变化曲线(图2，图3)，判断和计算其变化趋势和变化率(表1)，分析伊犁河谷草地NDVI总体变化趋势。

图2 伊犁河谷全区草地年均NDVI变化曲线Fig.2 Average annual NDVI variation curve of grassland in Ili Valley

经计算，伊犁河谷全区草地NDVI多年平均值为0.68，表明伊犁河谷草地植被覆盖总体为中高水平，但是从图2可以看出，2000-2016年伊犁河谷草地NDVI总体呈下降趋势，根据趋势检验结果，其ZC值为-2.35，|ZC|>1.98，下降趋势达到显著水平，其变化率为-0.0038单位·a-1。对于NDVI的年际波动，伊犁河谷全区平均NDVI在2000-2002年持续升高，于2002年和2003年达到最高值0.74，之后波动下降，于2014年达到最低值0.59，2014-2016又持续升高，其中2003-2014年间NDVI降低明显，11年内降低20.27%。

图3 伊犁河谷各草地类型年均NDVI变化曲线Fig.3 Average annual NDVI variation curve of each grassland type in Ili Valley

对于不同草地类型，由图3和表1可知，2000-2016年伊犁河谷各草地类型NDVI均呈现下降趋势，且年间波动相似。但各种植被类型NDVI下降的速率和显著性均存在一定的差异性。山地草甸和温性草原NDVI下降速率最大，分别为0.0047单位·a-1和0.0041单位·a-1(表1)，且山地草甸NDVI下降趋势达到极显著水平，而温性草原则未达到显著水平；其次为高寒草甸、温性草甸草原和温性荒漠草原，其NDVI的减小速率分别为0.0030单位·a-1、0.0035单位·a-1和0.0034单位·a-1，其中，高寒草甸NDVI呈极显著下降，而温性草甸草原和温性荒漠草原下降不显著；温性荒漠和低平地草甸NDVI的变化速率最小，分别为0.0018单位·a-1和0.0028单位·a-1，下降趋势均未达到显著水平。

表1 伊犁河谷全区及各草地类型NDVI变化趋势及变化率Table 1 The NDVI changing trend and rate of the whole area and each grassland type in Ili Valley

注：**表示达到极显著水平，p<0.01;*表示达到显著水平，p<0.05

Note：**indicates significance at the 0.01 level;*indicates significance at the 0.05 level

2.2 NDVI变化趋势的空间分异

根据Mann-Kendall检验计算方法，对伊犁河谷草地NDVI进行逐像元计算，获得其ZC值的空间分布数据，以此制作NDVI变化趋势空间分布图(图4)，并统计其面积比例(表2)。

图4 伊犁河谷草地NDVI变化趋势空间分布图Fig.4 Spatial distribution of the NDVI changing trend of the grassland in Ili Valley

由图4可知，2000-2016年伊犁河谷草地NDVI变化趋势为下降的区域占据河谷草地面积的绝大比例。由表2可知，伊犁河谷88.07%的草地NDVI出现不同程度降低，且49.62%的下降趋势达到显著水平，空间上总体呈带状分布于河谷北、南及西部乌孙山等区域的中高山区，而高海拔的高山区以及海拔较低的低山、山前洪-冲积扇和丘陵区草地NDVI虽也以下降为主，但其下降趋势却未达到显著水平。NDVI变化趋势为升高的草地分布零散，主要分布在河谷南部和东部高海拔的高山区及伊犁河下游北部山前洪-冲积扇和丘陵区、尼勒克县东部丘陵区、昭苏盆地东部边缘和巩乃斯河上游南岸河谷平原区等区域，其面积比例为11.92%，仅有1.05%达到了显著水平，集中分布在伊犁河出国境口北部部分区域。

表2 伊犁河谷全区及各草地类型NDVI不同变化趋势面积比例Table 2 The area ratio of different NDVI changing trends of the whole area and each grassland type in Ili Valley /%

不同草地类型中，山地草甸是伊犁河谷主要的优质草原，分布最为广泛(图1)，但，其NDVI下降最为严重，其面积的95.76%的NDVI出现不同程度下降，下降趋势达到显著水平的比例也高达73.10%(表2)。温性荒漠NDVI出现下降的面积比例最小，为70.88%，且其中仅有16.00%达到了显著水平，同时其NDVI呈显著升高的比例高达4.81%(表2)，远高于其它类型，这主要是由于整个河谷内NDVI有所升高的草地主要分布于温性荒漠的分布区内(图1和图4)。剩余草地类型NDVI下降的面积比例相当，比例均介于79%～87%之间。

2.3 持续性特征

由图5可知，伊犁河谷草地NDVI Hurst指数空间差异明显，但全区绝大部分区域H>0.50，其面积比例高达97.77%(表3)，而全区平均H值也达到0.71(表4)，呈现强的正持续性，表明2016年之后一定时期内伊犁河谷绝大部分区域草地NDVI仍将持续下降。而全区H<0.50的面积比例仅为2.23%，空间上主要分布在NDVI升高的分布区内(图4和图5)，意味着河谷内面积有限的NDVI升高的区域在2016年后的一定时期内其NDVI的变化趋势将由升高转变为降低。

具体来看(表3)，全区56.37%草地NDVI的H>0.70，表现出相对较强的正持续性，其NDVI为下降趋势且达到显著水平的比例为39.73%，而NDVI为升高趋势且达到显著水平的比例仅为0.47%；全区草地NDVI正持续性相对较弱(0.5

表3 伊犁河谷草地NDVI变化趋势与其Hurst指数矩阵表Table 3 Matrix table of the changing trend and Hurst index of the grassland NDVI in Ili Valley/%

图5 伊犁河谷2000-2016年草地NDVI Hurst指数空间分布图Fig.5 Spatial distribution of the NDVI Hurst index of the grassland in Ili Valley from 2000-2016

对于不同草地类型(表4)，全区各草地类型NDVI变化的H值均>0.5，具有正持续性特征，表明未来一定时期各草地类型的NDVI均将持续下降。各草地类型中，山地草甸H值最大，为0.74，同时山地草地还是全区面积最大、平均NDVI值最大，NDVI下降速率最快的草地类型，可见山地草甸NDVI的下降不仅是全区草地NDVI下降的主要原因，还是全区NDVI变化呈现正持续性的主要原因；温性草甸草原和温性草原H值均为0.70，其NDVI的变化也具有较强的正持续性；低平地草甸的H值最小，为0.64，其NDVI变化的正持续最弱；其他草地类型H值也均介于0.6～0.7之间。

表4伊犁河谷不同草地类型NDVI Hurst指数Table 4 NDVI Hurst index of different grassland types in Ili Valley

3 讨论

3.1R/S分析结果检验

R/S分析提出时是用于水文时间序列变化趋势的预测[19]，近年来该方法也逐步被应用于MODIS NDVI等遥感时间序列数据变化趋势的预测[6-7]，水文数据时间序列长度均较长，而MODIS NDVI时间序列长度有限，仅有17年，对于短时间序列数据R/S分析结果是否可靠性，目前尚缺乏统一的检验标准或方法。Peng等[8]指出，根据R/S分析原理，当时间序列为随机序列时，其H= 0.50[19]，基于此，对NDVI时间序列数据进行随机打乱，然后计算其H值，可以根据随机处理后NDVI时间序列的H值是否接近0.50来对R/S分析进行检验[8]。因此，利用伊犁河谷草地正常NDVI序列H值与随机处理后NDVI序列H值空间分布数据，提取两者所有像元点的H值，建立其散点图(图6)，对所有像元点NDVI序列随机处理前后H值进行对比。

图6 正常NDVI序列Hurst指数与随机处理后NDVI序列Hurst指数散点图Fig.6 Scatter plot of the Hurst index of the Normal NDVI sequence and randomly processed NDVI sequence

由图6可知和表3可知，对于正常NDVI序列，全区97.77%像元的H>0.50，且绝大部分像元H值介于0.45～0.90之间。而对于随机处理后的NDVI序列，全区很大一部分像元H<0.50，经统计其比例达到了38.18%，远高于正常NDVI序列的该比例，且绝大部分像元的H值介于0.35～0.75，H值域范围整体有所减少。此外，由图6还可以看出，全区绝大部分像元位于图6中斜率为1的线的右侧，表明绝大部分像元随机处理之后其NDVI序列的H均有所减小，经过统计，其比例达到了89.86%。可见，虽然随机处理后的NDVI序列虽没有转变为标准随机序列(H=0.50)，但相对于正常NDVI序列，其随机特性明显增高，验证了本文中R/S分析结果的可靠性。

3.2 NDVI变化原因

根据上文分析，伊犁河谷草地NDVI呈现下降的趋势，结果与刘芳[17]、刘洋[18]及李净[20]等人的研究结果一致。对于伊犁河谷草地植被NDVI的变化原因，利用伊犁河谷10个气象站点的年平均气温数据和年累积降水数据(图7)分别与NDVI数据进行相关分析，结果显示NDVI与气温的相关系数为0.14(p=0.61)，与降水的相关系数为0.50(p=0.04)，表明NDVI年际变化与年累积降水的相关性要高于年平均气温，结果与李净[20]和祝稳[21]等人对于我国西北植被NDVI变化与气温和降水关系的分析结果一致。

图7 2000-2016年伊犁河谷降水和气温年际变化Fig.7 Inter-annual variation of precipitation and temperature in Ili Valley from 2000-2016

对于植被变化的原因，已有大量学者利用反映植被生长状况的植被指数数据，以及反映气候条件的降水数据或气温数据等数据，对气候变化与植被变化相关性进行了广泛的研究[22]。如Kawabata等[23]的研究结果表明北半球气候变暖使得植被活动增强，生长季延长[24]。而对于人类活动对植被变化的影响，人类活动是影响植被变化的关键因素的这一观点已被广泛接受[25]。例如，针对我国新疆、内蒙古以及青藏高原等区域的草地植被退化，大量研究证明过度放牧是其发生和不断恶化的主要因素[26-28]。虽然人类活动是植被变化关键影响因素[29]，但由于受到数据源以及数据处理技术和方法等多方面因素的限制，在区域尺度上，对人类活动以及人类活动与植被变化关系的量化仍是有待深入研究的难题[30]。Evans和Geerken[31]通过预先建立降水量与植被NDVI之间的关系模型，之后在降水数据的支持下预测出植被的NDVI，该预测值被称为气候影响条件下的NDVI，而实际NDVI与预测NDVI之间的残差被认为是由人类活动所引起，以此实现植被变化自然因素和人为因素的分离，该方法被称为残差分析法。基于残差分析的基本思想，Wang[32]、Jiang[29]及Sun[30]等对中亚、我国北方及西北榆林地区植被动态的气候与人为影响进行了区分和量化，获得了较好的结果。然而，残差分析在建立气候和植被关系模型的过程中所用植被数据往往是已包含了人类活动对植被的影响，使得植被变化的人为因素和气候并不能被完全分离，成为残差分析法所存在的一个重要缺陷。尽管如此，该法方的科学性仍具有较高的信服力，并已经逐步成为分离植被变化自然与人为影响因素的重要方法，而被广泛所采用[32]，这为伊犁河谷草地植被变化原因的深入研究指出了方向，提供了思路。

4 结论

2000-2016年伊犁河谷草地NDVI总体呈显著下降趋势，其平均变化率为-0.0038单位·a-1。各草地类型的NDVI均呈下降趋势，但山地草甸及高寒草甸下降趋势达到显著水平，呈极显著下降，下降速率分别为0.0047单位·a-1和0.0030单位·a-1。

2000-2016年伊犁河谷全区88.07%草地NDVI变化趋势为下降，而49.62%达到显著水平，空间上呈带状分布于河谷北、南及西部乌孙山等区域的中高山区；伊犁河出国境口北部部分区域草地的NDVI变化呈显著增加趋势，但面积非常有限。各草地类型中山地草甸分布最为广泛，其面积的95.76%的NDVI出现下降，且73.10%达到显著水平。

R/S分析表明，伊犁河谷草地97.77%草地NDVI的H> 0.50，且全区56.37%草地NDVI的H> 0.70，呈现较强的正持续性，未来一定时期伊犁河谷绝大部分草地的NDVI将继续呈下降趋势。各草地类型平均NDVI的H值均> 0.50，山地草甸H值最大，为0.74，是全区NDVI变化呈现正持续性的主要原因。

2000-2016年伊犁河谷草地年NDVI与年平均气温的相关系数为0.14(p=0.61)，与年累积降水的相关系数为0.50(p=0.04)，与气温相比，伊犁河谷降水的年际变化与草地NDVI年变化的相关性更高。