侯志雄， 井长青， 王公鑫， 郭文章， 赵苇康

（1.新疆农业大学资源与环境学院，新疆草地修复与环境信息重点实验室，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学草业学院，乌鲁木齐 830052）

全球气候变化是全球变化与陆地生态系统（global change and terrestrial ecosystem，GCTE）研究的重要内容，得到国内外学者的高度重视[1]。全球气候变化主要体现在对生态环境系统的变化、资源条件和生态脆弱敏感区的植被覆盖度等方面的影响[2]。研究表明，伴随着全球气候变暖，中高纬度地区植被活动显著增强[3]。植被是地表植物群落的总称，作为生态系统的重要组成部分，是土壤、大气和水分的连接纽带[4]，在促进土壤形成与发育等方面起重要作用[5]。植被覆盖度（fractional vegetation cover, FVC）是植被在地面的垂直投影面积占总面积的百分比[6]，可反映植被稀疏程度及地表状况。植被作为表征全球气候变化的综合指示器，直接影响人类赖以生存的环境，植被结构和功能对气候变化的响应能够在一定程度上反映全球气候变化的趋势。植被与气候的关系是生态系统研究过程中的重要内容，因此，了解北疆天然草地植被与气候的相互作用机制具有重要的科学意义[7]。

20 世纪70 年代，遥感技术快速发展，已成为人类大范围、实时监测地表植被强有力的工具[8]。Rouse 等[9]1974 年首次提出了归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）的概念，NDVI是近红外反射（near infrared reflection，NIR）与红光（red，R）之差除以NIR与R之和[10]。由于NDVI 计算简单，且可以尽可能的减少仪器定标、地形、云等影响造成的误差，对低植被覆盖度识别敏感，是目前运用最广泛的植被指数[11]。Lamchin 等[12]研究了蒙古国植被覆盖度的变化特征，分析了研究区植被覆盖度的变化趋势。李双双等[13]研究了陕甘宁地区植被的时空变化特征，指出近10 年植被覆盖度呈波动增长。Wang 等[14]通过分析南非植被覆盖度与同期月、季、年降雨量的关系，指出降雨量与不同植被类型间存在一定相关性，不同植被类型对月降雨量存在滞后性，总植被覆盖度对年降雨量具有一定的敏感度。Weiss 等[15]分析了1990—2000 年NDVI 数据与同期气象数据之间的关系，指出美国新墨西哥州的气候与干旱、半干旱地区不同类型植被的关系。Milich 等[16]在2000 年研究了气候因子与西非牧场之间的相关性，表明生长季牧场植被与降水具有显著相关性。张戈丽等[17]采用遥感反演呼伦贝尔近30 年的草地覆盖度变化，分析表明该区草地覆盖度与降雨的响应程度较好。李晓光等[18]反演了鄂尔多斯地区植被覆盖度与气候之间的关系，表明在干旱区草地覆盖度对降水的响应呈显著正相关，在冬季草地覆盖度对气温的响应呈显著正相关。丁明军等[19]分析了青藏高原区植被覆盖度与气候因子之间的相关性，表明植被与气温、降水的响应度较好。目前对植被覆盖度的研究主要集中在年际和生长季，对生长季不同月份间草地植被覆盖度变化的研究相对较少。因此，研究北疆6、7、8和9 月天然草地植被覆盖度变化及其与气象因子的关系，对保护该地区草原生态、发展畜牧业和维持草地生态系统的稳定性具有重要意义。

北疆位于我国西北边沿，地处亚欧大陆腹地，包括天山以北、阿尔泰山以南的区域，是新疆经济繁荣的中心区域，属于温带大陆性干旱/半干旱气候，区域内干旱缺水，生态环境极其脆弱[20-21]。本文选取1998—2018 年MODIS-NDVI 数据，结合同期北疆气象数据和土地利用数据，揭示北疆天然草地植被覆盖度时空分布特征及其与降水、气温、日照时数、相对湿度的关系，为北疆天然草地的可持续利用以及为干旱区生态环境治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北疆地处亚欧大陆腹地，草地面积广阔，资源丰富，是我国重要的天然草地牧区之一，地理位置介于43°23′—49°10′N，79°57′—91°32′E 之间，在行政区划上包括乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市、北屯市、昌吉回族自治州、伊犁哈萨克自治州、阿勒泰地区、塔城地区、博尔塔拉蒙古自治州等地区[22]。“三山夹两盆”构成了新疆独特的地形地貌，从南到北依次为昆仑山脉、塔里木盆地（塔克拉玛干沙漠）、天山山脉、准噶尔盆地（古尔班通古特沙漠）、阿尔泰山。其中，北疆包括了阿尔泰山、准噶尔盆地（古尔班通古特沙漠）、天山山脉（图1）。北疆地形复杂，以准噶尔盆地为中心，三面环山，形成明显的地形单元，地势西高东低，南北高中间低。中部的准噶尔盆地，南边广阔，北边窄小，海拔500 m 以上[23]；北部的阿尔泰山平均海拔在3 000 m 以上，植被垂直分异比较显著；南部的天山平均海拔约4 000 m，由一系列平行山脉组成，占新疆全区总面积的1/3，山脉内常年积雪，发育众多冰川，南北两侧河流分布密度大[24]。

图1 北疆高程图Fig. 1 Altitude distribution in Northern Xinjiang

1.2 数据来源与处理

1.2.1 归一化植被指数（NDVI）数据 从中国科学院资源环境与数据中心（www.resdc.cn）下载的NDVI数据为月度植被指数（NDVI）空间分布数据集[25]，时间为1998—2018 年，空间分辨率为1 km，是基于连续时间序列的SPOT/VEGETATION NDVI 卫星遥感数据，采用最大值合成法生成，并在ArcGIS中对其进行投影转换、掩膜提取。

1.2.2 土地利用数据 土地利用数据为来源于中国科学院资源环境与数据中心（www.resdc.cn）中国土地利用遥感监测数据，该数据集基于Landsat TM/ETM、Landsat 8 遥感影像，通过人工目视解译生成，每5年为1个监测期，空间分辨率为1 km。

我国的土地利用一级类型主要分为6个，该分类整体准确性为92.9%[26-27]，分别是耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地。本研究主要使用一级分类中的草地作为研究区草地范围确定的依据，选取包含研究时间段内1995、2000、2005、2010、2015和2020年的土地利用数据，使用ArcGIS软件进行重分类，筛选出每年度的草地范围，之后对各年度草地范围进行叠加，在研究期间，只要某处有草地出现，即作为草地范围进行研究。

1.2.3 气象数据 气象数据主要来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn），包括逐月降水量、逐月日照时数、逐月相对湿度、逐月平均气温空间插值数据集，分辨率为1 km，并使用ArcGIS 进行投影变换、掩膜、运算及分析。

1.2.4 DEM 数据 从中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）下载DEM 数据，分辨率为90 m。利用ArcGIS 软件进行拼接、掩膜等预处理后获得研究所需数据。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型 像元二分模型法是间接计算草地植被覆盖度的最常见方法，通常使用NDVI直接提取植被覆盖信息。该模型假设影像中的像元只由草地植被和非草地植被组成。本研究选择NDVI 作为参数，在ENVI 中分别将置信区间95%和5%的NDVI 值作为NDVIveg和NDVIsoil。其计算公式如下。

式中，FVCi为第i年的草地植被覆盖度；i为年份；NDVIsoil为裸地土壤或非草地植被区域的NDVI 值；NDVIveg为有草地植被完全覆盖区域的NDVI 值；NDVI 为像元草地植被覆盖部分和非草地植被覆盖部分的加权平均。

1.3.2 变化率分析 常使用变化率对影像进行逐像元变化率分析，本研究NDVI 的变化率计算公式如下。

式中，i为年序号；NDVIi为第i年的NDVI 值；n为样本量；θslope是NDVI在研究时间内的变化率，其为正值说明草地状况改善，为负值则说明草地状况趋于退化。

1.3.3 相关性分析 运用相关分析法研究天然草地植被覆盖度与各气象因子之间的关系，用相关系数R来具体描述，计算公式如下。

式中，Rxy为变量x、y的相关系数；xi为第i年的草地植被覆盖度；yi为第i年气象因子；xˉ为1998—2015 年月平均草地植被覆盖度；yˉ为1998—2015年各气象因子的平均值。

2 结果与分析

2.1 北疆1998—2018 年月平均天然草地植被覆盖度时空变化

2.1.1 北疆天然草地植被覆盖度的空间分布 由像元二分模型计算出1998—2018 年北疆各月天然草地平均植被覆盖度之后，求得1998—2018 年北疆天然草地6、7、8、9 月平均植被覆盖度，结果（图2）表明，6 月平均天然草地植被覆盖度为64%，7 月平均天然草地植被覆盖度为62.2%，8 月平均天然草地植被覆盖度为61.5%，9月平均天然草地植被覆盖度为61.7%。总体来看，北疆天然草地植被覆盖度呈现为中部和东部较低，北部、西部和南部较高的空间分布趋势，可能是北部地区受北冰洋水汽的影响[28]，降水量较充足；西部和南部地带山顶常年积雪覆盖，积雪融化使水文条件较好；而中部干旱地带降水少且蒸发强烈，存在大范围的沙漠。

图2 1998—2018年北疆天然草地月平均植被覆盖度Fig. 2 Monthly average FVC of natural grassland in Northern Xinjiang from 1998 to 2018

2.1.2 北疆天然草地植被覆盖度的时间变化 将1998—2018年长时间序列天然草地植被覆盖度分为1998—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015和2015—2018年5个时段，对研究区天然草地植被的像元数值逐年取平均值，计算得出1998—2018年和5个时段北疆天然草地植被覆盖度的月平均时间变化折线图，结果（图3）表明，北疆天然草地6 月平均植被覆盖度呈现波动下降的生长趋势，在5 个时间段中，1998—2000 年天然草地6 月平均植被覆盖度较高，达65.5%；2015—2018年天然草地6月平均植被覆盖度较低，为62.1%。其中1998—2000、2000—2005、2005—2010 年的6 月平均天然草地植被覆盖度高于1998—2018 年6 月；2010—2015、2015—2018 年的6 月平均天然草地植被覆盖度低于1998—2018年6月。

图3 1998—2018年北疆天然草地分时段月平均植被覆盖度Fig. 3 Monthly average FVC of natural grassland in Northern Xinjiang from 1998 to 2018

北疆天然草地7 月平均植被覆盖度呈现波动下降的的生长趋势，在5 个时间段中，1998—2000 年天然草地7 月平均植被覆盖度较高，达64.3%；2010—2015 年天然草地7 月平均植被覆盖度较低，为61%。其中1998—2000、2000—2005 年的7 月平均天然草地植被覆盖度高于1998—2018 年7 月；2005—2010、2010—2015、2015—2018年的7月平均天然草地植被覆盖度低于1998—2018年7月。

北疆天然草地8 月平均植被覆盖度呈现波动下降的的生长趋势，在5 个时间段中，2000—2005 年天然草地8 月平均植被覆盖度较高，达63.4%；2015—2018年天然草地8月平均植被覆盖度较低，为58.4%。其中1998—2000、2000—2005、2005—2010年的8 月平均天然草地植被覆盖度高于1998—2018年8月；2010—2015、2015—2018年的8月平均天然草地植被覆盖度低于1998—2018年8月。

北疆天然草地9 月平均植被覆盖度呈现波动下降的的生长趋势，在5 个时间段中，1998—2000 年天然草地9 月平均植被覆盖度较高，达64.6%；2015—2018年天然草地9月平均植被覆盖度 较 低，为57.5%。其 中1998—2000、2000—2005、2005—2010 年的9 月平均天然草地植被覆盖度高于1998—2018年9月；2010—2015、2015—2018年的9月平均天然草地植被覆盖度低于1998—2018年9月。

2.2 北疆天然草地NDVI变化率

图4 是北疆1998—2018 年月平均天然草地NDVI 变化率空间分布。从空间上看，6 月研究区总面积45.7%天然草地的NDVI 呈上升趋势，54.3%呈下降趋势；7 月，55.9%天然草地NDVI 呈上升趋势，44.1%呈下降趋势；8 月，33.4%天然草地NDVI 呈上升趋势，66.6%呈下降趋势；9 月，29.2%天然草地NDVI 呈上升趋势，70.8%呈下降趋势。总体来看，1998—2018 年的6、8、9 月北疆天然草地NDVI 呈增加趋势的区域均小于呈减少趋势的区域，且减少趋势的区域变化率多处于-0.01～0.00 之间；而1998—2018 年7 月北疆天然草地NDVI 呈增加趋势的区域大于呈减少趋势的区域，且呈增加趋势区域的变化率多处于0.00～0.03之间。

图4 1998—2018年北疆天然草地NDVI月平均变化率Fig. 4 Monthly average change rate of NDVI of natural grassland in Northern Xinjiang from 1998 to 2018

2.3 北疆气象因子的空间变化特征

北疆多年月均气温有明显的空间分异特征，区域内气温空间差异较大。如图5 所示，1998—2015年的6月月均气温为10～25 ℃，平均19.77 ℃；7月为12～26 ℃，平均21.28 ℃；8月为12～25 ℃，平均19.87 ℃；9月为7～18 ℃，平均13.83 ℃。气温受海拔影响明显，准噶尔盆地北部的阿尔泰山和南部的天山山脉、西部的塔尔巴哈台山和阿拉套山年均气温较低，而盆地西南部的艾比湖为气温高值中心。

图5 1998—2015年北疆气象因子空间变化Fig. 5 Spatial variation of meteorological factors in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

北疆多年月均降水有明显的空间分异特征，整体上呈现南北高中间低，西部边缘高、中部和东部低，自北西南三面向中部递减的趋势。1998—2015 年6、7、8 和9 月北疆月均降水量分别为9～107、15～125、10～116和5～69 mm。北部主要受大西洋和北冰洋的水汽影响；南部的天山山脉和博罗科努山、西部的塔尔巴哈台山和阿拉套山整体海拔高，受垂直地带性分布的影响，加之山顶多年冰雪覆盖，多年平均月降水量较高；中部和东部以古尔班通古特沙漠为中心三面环山且远离海洋，水汽难以到达，因此多年平均月降水量较低。

北疆多年月均日照时数具有明显的空间分异特征，1998—2015年6、7、8和9月北疆多年月均日照时数分别为250～335、263～340、259～327 和238～286 h。总体来看，1998—2015年6、7、8月的月均日照时数呈现北高南低，自北向南递减趋势；9月呈现东南高西南低，自东南向西南递减趋势。

北疆多年月均相对湿度具有明显的空间分异特征，1998—2015 年6、7、8 和9 月月均相对湿度分别为35%～65%、36%～67%、35%～66%和35%～67%。总体来看，北疆多年月均相对湿度呈现出中部和东南低北部和西南高，自中部和东南向四周递增趋势。

2.4 北疆天然草地植被覆盖度与气象因子的关系

2.4.1 天然草地植被覆盖度与气温的关系 如图6 所示，1998—2015 年6 月占研究区总面积30.1%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈正相关，69.9%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈负相关；7月，18.4%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈正相关，81.6%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈负相关；8月，33.1%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈正相关，66.9%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈负相关；9月，77.1%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈正相关，22.9%的天然草地植被覆盖度与平均气温呈负相关。整体来看，1998—2015 年6、7 和8 月平均气温与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域小于呈负相关的区域；9月平均气温与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域大于呈负相关的区域。

图6 1998—2015年北疆天然草地植被覆盖度与气温的相关分析Fig. 6 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and temperature in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

2.4.2 天然草地植被覆盖度与降水的关系 如图7 所示，1998—2015 年6 月占研究区总面积65.7%的天然草地植被覆盖度与降水呈正相关，34.3%的天然草地植被覆盖度与降水呈负相关；7 月，74.6%的天然草地植被覆盖度与降水呈正相关，25.4%的天然草地植被覆盖度与降水呈负相关；8月，75.4%的天然草地植被覆盖度与降水呈正相关，24.6%的天然草地植被覆盖度与降水呈负相关；9月，30.3%的天然草地植被覆盖度与降水呈正相关，69.7%的天然草地植被覆盖度与降水呈负相关。整体上来看，1998—2015年6、7和8月的月降水与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域面积大于呈负相关的区域；9月降水与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域小于呈负相关的区域。

图7 1998—2015年北疆天然草地植被覆盖度与降水的相关分析Fig. 7 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and precipitation in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

2.4.3 天然草地植被覆盖度与日照时数的关系如图8 所示，1998—2015 年6 月占研究区总面积59.7%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈正相关，40.3%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈负相关；7 月，24.7%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈正相关，75.3%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈负相关；8 月，34.4%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈正相关，65.6%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈负相关；9 月，80.8%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈正相关，19.2%的天然草地植被覆盖度与日照时数呈负相关。整体上来看，1998—2015 年6 和9 月月均日照时数与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域大于呈负相关的区域，7和8月月均日照时数与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域小于呈负相关的区域。

图8 1998—2015年北疆天然草地植被覆盖度与月日照时数的相关分析Fig. 8 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and monthly sunshine hours in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

2.4.4 天然草地植被覆盖度与相对湿度的关系如图9 所示，1998—2015 年6 月占研究区总面积70.8%的天然草地植被覆盖度与相对湿度呈正相关，29.2%的天然草地植被覆盖度与相对湿度呈负相关；7 月，80.6%的天然草地植被覆盖度与相对湿度呈正相关，19.4%的天然草地植被覆盖度与相对湿度呈负相关；8 月，81.0%天然草地植被覆盖度与相对湿度呈正相关，19.0%的天然草地植被覆盖度与相对湿度呈负相关；9 月，49.9%天然草地植被覆盖度与相对湿度呈正相关，50.1%的天然草地植被覆盖度与相对湿度呈负相关。整体上来看，1998—2015 年6、7 和8 月相对湿度与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域远大于呈负相关的区域；9 月相对湿度与天然草地植被覆盖度呈正相关的区域略微小于呈负相关的区域。

图9 1998—2015年北疆天然草地植被覆盖度与月相对湿度的相关分析Fig. 9 Correlation analysis of natural grassland vegetation coverage and monthly relative humidity in Northern Xinjiang from 1998 to 2015

3 讨论

研究表明，气候变暖是导致北半球中高纬度地区植被覆盖度变化的主要因素[29-31]。本研究表明，北疆天然草地植被覆盖度的变化主要受降水和相对湿度变化的影响，这可能与北疆地处干旱、半干旱地区有关[32]；气温、降水、日照时数、相对湿度均为北疆天然草地植被覆盖度的重要影响因子，且多表现为促进作用，但相比较来说，降水和相对湿度对北疆天然草地植被覆盖度的促进作用更加明确。从时间上来看，北疆天然草地植被覆盖度与降水量、相对湿度等气象因子关系密切，说明在干旱、半干旱区水分条件是影响天然草地植被覆盖度变化的重要因素，水分增多有利于草地植被生长，与周丹等[33]研究结果一致，表明降水量对草地植被覆盖度有重要影响。另外，气温和日照时数也是影响北疆天然草地植被覆盖度重要气象因子，这在9 月表现得最明显，可能与9 月气温升高减缓或推迟了草地植被的枯黄期有关[34]。

总体来看，北疆天然草地在6、7、8、9 月的平均植被覆盖度受降水、气温、日照时数、相对湿度和海拔的影响，空间上呈现降水较少、气温较高的中部和东部天然草地植被覆盖度较低，而海拔较高、降水较多且相对湿度较高的北部、西部和南部天然草地植被覆盖度较高，天然草地植被覆盖度总体上由中部和东部向北部、西部和南部三面波动增加。北部地区受北冰洋水汽的影响[29]，其降水量较充足，西部和南部地带山顶常年积雪覆盖，积雪融化水文条件较好；中部干旱地带降水少且蒸发强烈，存在大范围的沙漠。21 年间北疆6、7、8、9 月的平均天然草地植被覆盖度呈不显著波动降低的趋势，其中月均天然草地覆盖度表现为6 月＞7 月＞9 月＞8 月。本研究尚欠缺从多角度分析影响天然草地植被覆盖度的因子，对于利用多种植被指数相结合进行反演天然草地植被覆盖度和从多种方面分析不同地形和人文因子等对天然草地植被覆盖度的影响仍有待进一步研究。