艾比湖流域降水和风速对植被NDVI时空变化的影响

孙 倩，张 敏，曾永兵，齐梦钰，陈献震

(新疆农业大学林学与园艺学院，新疆乌鲁木齐 830052)

【研究意义】植被的时空变化是由自然因素和人类活动共同作用的结果，从长时间来看，气候主导着植被的分布与变化，短期内植被覆盖变化更多的是受人类活动的影响［1－2］。从遥感的研究角度而言，归一化植被指数(Normalized difference vegetation index，NDVI)作为植被生长状况及植被覆盖度的最佳指示因子，在植被遥感中得到了广泛应用，被认为是监测地区或全球植被和生态环境变化的有效指标［3］。并且，NDVI也是研究大尺度生态学问题一个非常有用的指数，它可以为估价全球植被动态模型提供足够的信息。【前人研究进展】多年来诸多学者利用NDVI做了许多深入的研究也获得了相应的学术成果:在全球或区域等大尺度范围的植被动态监测、植被分类、土地覆被变化、作物长势检测和物候监测、自然灾害监测等方面的研究，归一化植被指数(NDVI)都非常的适用［4－5］;也可以将 NDVI与温度、降水、地下水、地表径流结合起来，分析二者之间的相互作用关系［6－7］。对区域植被与气候因子之间的关系也有很多研究，Schultz等指出，NDVI随时间的变异性与气候变化并不高度相关［8］;从全球尺度而言，分析气候变化与全球NDVI的关系，表明在北半球中高纬度地区春秋季NDVI与温度显著相关，NDVI值随温度的升高而升高［9］。从区域尺度而言，夏照华等研究了中国温带草原对气候的响应，表明生长季植被NDVI与降水关系密切，而随着温度升高NDVI对温度变化的反应下降［10］。而郭妮等对近22年来西北不同类型植被NDVI变化与气候因子的关系进行分析，发现西北地区NDVI与气温和降水均有较好的相关性［11］。充分说明通过遥感手段所获得的植被NDVI在全球尺度到区域尺度均具有良好的应用价值。【本研究切入点】植被变化与气候和环境因子的关系研究，对分析植被生态系统在气候变暖导致降水量发生变化背景下的变化响应具有重要意义。【拟解决的关键问题】鉴于此，本文利用NDVI数据、TRMM卫星降水量数据和气象观测风速数据，通过研究植被覆盖与风速、气温之间的相关关系，以期为该研究区区域应对气候变化的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

艾比湖流域位于中国新疆西部，具有典型的干旱区生态环境特征，独特的自然地理因素决定了流域内生态环境极其脆弱，土地荒漠化、盐渍化严重，风沙灾害频繁，是一个典型的干旱区生态环境退化区。该地区有着大量的后备土地资源，盲目开垦又导致弃耕地增多。地表裸露、疏松、干燥，成为区内沙尘暴和浮尘天气的沙源地，开荒、弃耕、撂荒、易地再开荒的恶性循环所造成的后果不仅浪费了大量的后备土地资源，而且直接破坏了原有地表荒漠植被，加剧了土地沙化进程［12］。

1.2 数据源及研究方法

本文所采用的本底资料和主要处理方法包括:①美国国家航空航天局(NASA)提供的MODIS影像，为保证艾比湖流域季节研究的完整性，采用的是2003年12月至2014年11月共132个月的数据。②热带降雨测量使命卫星TRMM的3B43数据，由日本国家发展署(NASDA)和美国国家航空航天中心(NASA)地球科学办公室共同提供，时间分辨率为1个月。③艾比湖流域所及的7个县市(包括博乐市、精河县、托里县、温泉县、乌苏县、奎屯市、克拉玛依市2市5县)1︰1480000地图，在ARCGIS软件平台，实现地图的数字化。④中国地面气候资料月数据集台站信息的数据集，主要来源于各省、市、自治区气候资料处理部门逐月上报的《地面气象记录月报表》。

本文选取研究区范围内的7个站点数据，筛选出风速、降水、相对湿度等观测数据。

2 结果与分析

2.1 10年间艾比湖流域植被NDVI季节性分布

归一化植被指数NDVI是利用地面植被及土壤等对于红外波长的吸收差异，加以图像数字化，得到一个整体性的植被覆盖参数，如公式⑴所示。

其中，NIR(Near Infrared Spectrum)为700～1000 nm近红外波段的波谱特征，Red为650 nm红光波段的波谱特征［13］。

将2003年12月至2014年11月的MODIS影像进行NDVI的逐月计算，按照春夏秋冬进行综合分析，其中根据艾比湖流域植被生长的情况，划分12－2月为春季，3－5月为夏季，6－8月为秋季，9－11月为冬季。

10年间，植被NDVI的平均值在春、夏、秋、冬四季的空间分布如图1所示。

10年间，植被NDVI在艾比湖流域内呈现出夏季＞秋季＞春季＞冬季的特征，其中夏季最高NDVI值为0.46。艾比湖流域在春季整体体现出自西向东NDVI逐步减少的趋势，尤其托里县最为显著，由西北向东南方向，NDVI展现出由最大值逐步降低到最小值。而温泉县和博乐市相对其他县市，NDVI相对较高，植被覆盖情况略为乐观，但春季NDVI最大值也仅为0.23。夏季和秋季的植被NDVI值明显高于其他季节，虽然秋季NDVI略小于夏季，但总体的空间分布规律一致性较高，都体现出由西南至东北，逐步由高降低的趋势。温泉县、博乐市、精河县的植被覆盖状况较为良好，这归因于博尔塔拉河向东流经温泉县、博乐市后，在精河县境内接纳大河沿子河，后折向北偏东方向，注入艾比湖，河流的分布对植被的生长态势起到了促进的作用，越靠近河流水系，植被的覆盖程度相对越高，反之越低。在冬季，整个研究区范围内植被均较为荒凉，导致NDVI的值较小，虽然能体现出精河县空间分布值较高，但最高值也仅为0.08，只有部分耐寒植被依然处于生长状态，很多植被在严冬的恶劣条件下逐步衰亡。

图1 2004－2014年NDVI四季空间分布图Fig.1 NDVI spatial distribution during four seasons from 2004 to 2014

2.2 植被NDVI与降水之间的相关分析

在cygwin软件环境下对TRMM卫星数据进行格式转换和数据读取，鉴于该卫星的空间分辨率为0.25°×0.25°，其单位为 mm，为保证数据的准确程度，利用新疆范围内56个气象站点所提供的月降水量数据对TRMM卫星的数据进行偏差分布和加法修正，从而实现对TRMM卫星数据的校正，而后从校正后数据中筛选出研究区内的降水量校正数据［14］。

10年间TRMM降水量数据的四季时空变化分布如图2所示。

降水量在10年间4个季节里，差异较为显著。秋季降水量最大，夏季次之，最大降水量发生在秋季，数值高达159.3 mm。在春季、夏季和秋季，降水量都呈现出由西南到东北方向，降水量逐步降低的分布特征，尤其托里县的降水量一直较低，但每个季节降水量的最小值出现的地理位置各不相同。冬季降水主要以雪为主要形式，其空间分异特征与其他季节有所不同，呈现了由西向东逐步递减的分布规律。

基于空间分布的角度可以看出，在夏季和秋季降水量与植被NDVI在空间分布方面呈现出非常一致的分异特征，降水量的时空变化会对植被覆盖程度产生一定的驱动作用，为更清晰地看出二者的相关程度，进行了相关性分析，分析数据如表1所示。

如表1所示，10年间降水量与植被NDVI之间在任何一个季节都呈现出了正相关的关系，在夏季和秋季，相关系数表现为冬季＜春季＜夏季＜秋季，说明降水对植被NDVI有驱动作用，但这种影响不会立刻通过植被的生长反映出来，而是具有一定的时间滞后性。植被不仅收到降水的影响，也同时会受到地下水、土壤水分、地表径流等诸多水资源的影响，在夏季和秋季，研究区内地表径流较之其他季节较为充沛，冰川融水也逐步增多，也对植被生长和覆盖状态具有促进的作用。秋季的降水量对冬季的植被也会具有一定的影响作用，但是冬季愈加寒冷，部分植被也随之衰亡，植被覆盖情况愈加降低。

图2 2004－2014年降水量四季空间分布图(单位:mm)Fig.2 Precipitation spatial distribution during four seasons from 2004 to 2014(unit:mm)

2.3 植被NDVI与平均风速、气温之间的相关分析

气候条件对植被生长具有驱动作用，而植被的生长状态也会对气候产生影响。不同季节的平均风速空间分布图如图3所示。

由于研究区范围内仅有7个站点，利用10年的平均风速数据，进行ArcGIS的空间插值，在这10年里，无论任何一个季节，平均风速在空间格局上都呈现出条带性的分布特征。夏季和秋季平均风速依然较高，并且在温泉县、博乐市、精河县风速最大，托里县和乌苏市风速较小，尤其夏季与NDVI的时空分布趋势有较为一致的变化规律。虽然这2个季节风速较大，但是夏季和秋季相对其他季节而言，水资源较为丰富，土壤的粘度就会相对较高，所以，植被能依然较好的生长。春季风速最大，在29.1 m/s到31.3 m/s之间，也导致多年来艾比湖流域都在春季有频繁的沙尘和盐尘天气，促进春季土壤积盐作用明显，土壤水分降低，导致只有耐盐耐旱植被能较好的适应该环境。

表1 10年间降水量与植被NDVI的相关关系Table 1 NDVI-Precipitation correlation coefficient during 10 years

图3 2003－2014年四季平均风速空间分布图(单位:m/s)Fig.3 Wind speed spatial distribution during four seasons from 2004 to 2014(unit:mm)

表2 不同季节植被NDVI与气温和风速的相关系数Table 2 NDVI-Precipitation and NDVI-wind speed correlation coefficient during 10 years

基于此，进一步分析平均气温和平均风速与植被NDVI的之间的相关性关系(表2)。

植被NDVI在夏季和秋季均与气温呈负相关关系，但与降水量呈正相关关系，与温度相比，充分说明水分条件才是影响植被生长的主导因素。植被覆盖程度较高的地方，气温平均值也会明显较低，越远离植被覆盖区，裸土地区温度也会随之略有升高，夏季和秋季植被生长状况良好，通过蒸腾作用会使植被自身的温度响应降低，继而促使周围环境温度得以降低。在研究区内，艾比湖湿地保护区对植被已经采取了很多保护措施，例如围栏禁牧、禁止闲杂人员随意出入、建立生态修复项目等，从人为因素上都在保护植被;而冬季风速相对较小，而植被NDVI也最小，冬季风速与植被NDVI相关性也非常低。风速的大小在春季能明显的影响植被的覆盖程度，但在土壤水分含量相对较高的夏季和秋季，影响作用并不显著。土壤的含水量和降水量的大小能对植被覆盖程度起到正相关作用，而植被覆盖程度高，也可以降低降雨对土壤的侵蚀作用，也能改善土壤结构，例如增加水分的入渗，从而避免由于风速太大而导致的植被覆盖降低。

3 结论与讨论

本研究采用2004年12月至2014年11月的MODIS数据、TRMM卫星数据，以及站点监测的气温和风速数据，研究植被NDVI在10年间的不同季节的时空变化特征，分析了降水量对植被NDVI产生的影响，剖析植被覆盖与风速、气温之间的相关关系，得出以下结论。

(1)10年间植被NDVI在研究区内呈现出夏季＞秋季＞春季＞冬季的空间分布特征，在春季体现出自西向东NDVI逐步减少的趋势，夏季和秋季的植被NDVI值明显较大，且总体的空间分布规律一致，都体现出由西南至东北，NDVI逐步由高降低的趋势。

(2)降水量的时空变化会对植被覆盖程度产生一定的驱动作用，10年间最大降水量发生在秋季，在春季、夏季和秋季，降水量都呈现出由西南到东北方向逐步降低的分布特征，冬季降水量呈现了由西向东逐步递减的分异特征。

(3)降水量与植被NDVI之间呈正相关的关系，相关系数表现为冬季＜春季＜夏季＜秋季，降水对植被NDVI有驱动作用，但这种影响具有一定的时间滞后性。

(4)平均风速在空间格局上都呈现出条带性的分布特征。风速的大小在春季能明显的影响植被的覆盖程度，且容易引发频繁的沙尘和盐尘天气，但在土壤水分含量相对较高的夏季和秋季，水资源相对较为丰富，土壤的粘度就较高，植被能依然较好的生长，影响作用并不显著。

(5)植被NDVI在夏季和秋季均与气温呈负相关关系，但与降水量呈正相关关系，与温度相比，水分条件才是影响植被生长的主导因素。