陰山北麓地區(qū)植被覆蓋與降水的關(guān)系

陰山北麓地區(qū)植被覆蓋與降水的關(guān)系

1關(guān)于氣候因子與植被的關(guān)系植被是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植被與氣候因子之間的關(guān)系是世界變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)之一（王連溪等，2003）。中國(guó)北方地處歐亞大陸腹地,環(huán)境脆弱,在全球變化和人類活動(dòng)的共同作用下,環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,其中又以干旱化表現(xiàn)最為突出,嚴(yán)重影響了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展(馬柱國(guó)等,2005)。因此,在中國(guó)北方開展植被變化對(duì)降水的響應(yīng)研究,具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。遙感數(shù)據(jù)具有良好的時(shí)空連續(xù)性,是植被-氣候關(guān)系研究的重要數(shù)據(jù)源,特別是遙感反演的歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)能夠客觀反映植被的生物量、植物覆蓋等信息,是地表植被覆蓋特征的重要指標(biāo),因此被廣泛運(yùn)用于植被生長(zhǎng)、變化監(jiān)測(cè)和覆蓋分類研究(侯英雨等,2005;李俊祥等,2005)。目前已有一些利用NDVI和降水、溫度等指標(biāo)研究中國(guó)北方植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系(唐海萍等,2003;辜智慧等,2005;劉綠柳和肖風(fēng)勁,2006;趙文武等,2006),取得了一些成果,但均未考慮降水分布的時(shí)空差異性,未能全面揭示植被與氣候因子的相互關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardprecipitationindex,SPI)通過求解降水累積概率和標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除了降水量分布的時(shí)空差異,已經(jīng)作為國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大范圍的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究的關(guān)鍵性指標(biāo)(Guttman,1998,1999;Ji&Peters,2003;袁文平和周廣勝,2004)。本文引入標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI與NDVI時(shí)間序列進(jìn)行深入分析研究,揭示中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被變化對(duì)降水的響應(yīng)規(guī)律。2研究領(lǐng)域和方法2.1區(qū)域降水特征陰山北麓橫貫內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,屬陰山山地向蒙古高原的過渡帶,是典型的農(nóng)牧業(yè)交錯(cuò)地區(qū)(蘇金華等,2001)。研究區(qū)的地理位置為40°42′—43°54′N,107°30′—113°42′E,行政區(qū)域包括二連浩特、蘇尼特左旗、四子王旗、鑲黃旗、達(dá)茂旗、烏拉特后旗、化德、商都、察右后旗、察右中旗、固陽、武川、臨河、五原和烏拉特中旗。該地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降雨量為200~400mm,由東向西呈遞減趨勢(shì),蒸發(fā)量達(dá)2000~2500mm,全年降水量的60%~70%集中在7~9月,且多以暴雨形式出現(xiàn),降水年變率大。原生植被主要是典型草原和荒漠草原,南部地區(qū)大部以旱作農(nóng)業(yè)為主,農(nóng)作物以春小麥、莜麥和馬鈴薯為主。2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1最大合成法與儀器遙感資料采用8kmNASA/GIMMS半月合成的植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)集,時(shí)間范圍為1983—2003年。該數(shù)據(jù)集是美國(guó)NASAGodard空間飛行中心制作的,采用最大值合成法(maximumvaluecomposite,MVC)合成半月植被指數(shù),考慮了輻射校正、交叉定標(biāo)、衛(wèi)星漂移校正等,但未進(jìn)行嚴(yán)格的大氣糾正,只對(duì)2次(1982年4月—1984年12月和1991年6月—1994年12月)火山爆發(fā)期進(jìn)行了氣溶膠糾正。同期氣象數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象信息中心,收集了中國(guó)氣象局地面氣象觀測(cè)站網(wǎng)在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)的基本站、基準(zhǔn)站自1951—2004年的日降水量數(shù)據(jù)。氣象站點(diǎn)名稱及基本信息見表1。2.2.2模型建立和成像方法中國(guó)北方地區(qū)多晴空天氣,半月MVC合成的NDVI數(shù)據(jù)已能夠去除云的影響,考慮到研究植被與降水之間的關(guān)系需要全面的NDVI變化信息,如果繼續(xù)用MVC法合成月NDVI可能會(huì)屏蔽一些NDVI隨氣候變化而變化的信息。因此,以月為單位,求該月上、下兩個(gè)半月NDVI的平均值作為該月的NDVI,并只取植被生長(zhǎng)季即5—10月的數(shù)據(jù)。合成月NDVI影像后,用研究區(qū)矢量邊界圖切割出研究區(qū)的影像,生成研究所需的NDVI數(shù)據(jù)集。在ENVI4.0的支持下,以各氣象站點(diǎn)所在像元為中心建立3×3像元的窗口,求取各窗口NDVI平均值作為該窗口中心站點(diǎn)的NDVI值,代表此站點(diǎn)周圍的植被覆蓋狀況。據(jù)此,獲得各站點(diǎn)1983—2003年5—10月逐月NDVI數(shù)據(jù)序列。2.2.3u3000累積概率標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI的計(jì)算原理是先根據(jù)降水量歷史資料計(jì)算降水概率密度函數(shù)和累積概率,再將累積概率標(biāo)準(zhǔn)化。SPI值表示某時(shí)期降雨量與歷史同期平均降水狀況的大小關(guān)系,消除了降水量變化的時(shí)空差異。而且與一般的降水量相比,SPI具有不同的時(shí)間尺度值,能夠同時(shí)反映不同層面的干旱(如土壤濕度、徑流等)(Ji&Peters,2003)。其計(jì)算方法如下(袁文平和周廣勝,2004):假設(shè)某一時(shí)段的降水量為x,則其Г分布的概率密度函數(shù)為:g(x)=1βαΓ(α)xα-1e-x/β(x>0)(1)g(x)=1βαΓ(α)xα?1e?x/β(x>0)(1)Γ(α)=∞∫0xα-1e-xdx(2)Γ(α)=∫0∞xα?1e?xdx(2)式中,α為形狀參數(shù),β為尺度參數(shù),x為降水量,Γ(α)為gamma函數(shù)。最佳的α、β估計(jì)值可采用極大似然估計(jì)方法求得,即:?α=1+√1+4A/34A(3)α?=1+1+4A/3√4A(3)β=ˉx?α(4)β=xˉα?(4)A=ln(ˉx)-∑ln(x)n(5)式中,n為計(jì)算序列的長(zhǎng)度。于是給定時(shí)間尺度的累積概率可按下式計(jì)算:G(x)=x∫0g(x)dx=1βαΓ(?α)x∫0xα-1e-x/βdx(6)令t=xβ(7)式(7)可變?yōu)椴煌耆膅amma方程:G(x)=1Γ(?α)x∫0tα-1e-tdt(8)因?yàn)間amma方程不包含x=0的情況,所以在計(jì)算中還需考慮降水量為0的情況,最終降水的累積概率為:H(x)=q+(1-q)G(x)(9)式中,q為計(jì)算時(shí)間尺度內(nèi)降水時(shí)間序列中降水量為0的概率,即如果m為特定時(shí)間尺度內(nèi)降水時(shí)間序列中降水量為0的數(shù)量,則q=mn。累積概率H(x)通過下式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。當(dāng)0<H(x)≤0.5時(shí):t=√ln[1Η(x)2](10)Ζ=SΡΙ=-(t-c0+c1t+c2t21+d1t+d2t2+d3t3)(11)當(dāng)0.5<H(X)<1時(shí):t=√ln{1[1-Η(x)2]}(12)Ζ=SΡΙ=(t-c0+c1t+c2t21+d1t+d2t2+d3t3)(13)c0=2.515517;c1=0.802853;c2=0.010328;d1=1.432788;d2=0.189269;d3=0.001308根據(jù)以上定義和計(jì)算公式,利用降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得到各站1983—2003年與NDVI數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)月份(5—10月)的SPI值,整理成各站1-SPIj數(shù)據(jù)集,其中,j=5,6,7,8,9,10。2.2.4月植被ndvi由于空間位置和植被類型的差異,不同地區(qū)相同的NDVI值所代表的植被生長(zhǎng)狀態(tài)可能不同。同一地區(qū)不同月份,由于植被生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境因素響應(yīng)的滯后性,NDVI的高值時(shí)段也不一定都出現(xiàn)在最適宜的環(huán)境條件下。然而,在某一生長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi),NDVI的變化幅度能夠代表植被在此時(shí)段的生長(zhǎng)量,反映該時(shí)段植被生長(zhǎng)環(huán)境的適宜程度。因此,定義月植被生長(zhǎng)率VNDVI如下:VΝDVΙj=|ˉΝDVΙj-ˉΝDVΙj-1ˉΝDVΙj-1|(J=5???10)(14)式中,ˉΝDVΙj為站點(diǎn)在j月21年的平均值。計(jì)算得到站點(diǎn)生長(zhǎng)季5—10月間各月植被生長(zhǎng)變化率數(shù)據(jù)集VNDVIij,i=1,2,…,13為站點(diǎn)編號(hào),j=5,6,7,8,9,10為月份。3結(jié)果與分析3.1逐月ndvi與1-spi的關(guān)系以往的研究多集中于NDVI的年際變化或某個(gè)完整季節(jié)(如春季、夏季)的變化上,而NDVI隨植被生長(zhǎng)變化可以在月甚至是旬的尺度上發(fā)生變化,因此,本文將研究細(xì)化到逐月尺度。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)可以在多個(gè)時(shí)間尺度上計(jì)算,得到不同尺度的指標(biāo),用于不同的研究目的。1個(gè)月尺度的SPI值1-SPI常用來監(jiān)測(cè)與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)的土壤水分的變化狀況(Ji&Peters,2003)。在SPSS10.0支持下,分站點(diǎn)對(duì)1983—2003年21年5—10月逐月NDVI序列與同月1-SPI序列分別進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,得到各個(gè)站點(diǎn)逐月NDVI與1-SPI的相關(guān)系數(shù)。根據(jù)表2所示,除海力素、烏拉特后旗、呼和浩特煌包頭氣象站外,其它氣象站的植被指數(shù)與5月的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為最大或第二高值,其中6個(gè)氣象站(站點(diǎn)編號(hào)為3、5、7、8、9、13,即蘇尼特左旗站、朱日和站、達(dá)爾茂聯(lián)合旗站、四子王旗站、化德站和臨河站)在5月份相關(guān)系數(shù)達(dá)到生長(zhǎng)季中最高值,且均通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn),這充分說明5月份土壤水分(主要依賴降水)對(duì)研究區(qū)植被的生長(zhǎng)具有非常重要的影響。站點(diǎn)6烏拉特后旗站和站點(diǎn)11呼和浩特站相關(guān)系數(shù)峰值出現(xiàn)在6月,站點(diǎn)4海力素站出現(xiàn)在7月,站點(diǎn)1二連浩特站出現(xiàn)在8月,而9月、10月相關(guān)系數(shù)基本上比較小。個(gè)別站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)正負(fù)波動(dòng),有的站點(diǎn)各月相關(guān)系數(shù)最大值與最小值之間差異可以達(dá)到0.9左右(站點(diǎn)4海力素站),說明不同月份之間,降水量對(duì)研究區(qū)植被生長(zhǎng)的影響程度和作用方向都有所差異?？傮w看來,5、6和7月份降水對(duì)植被的生長(zhǎng)影響較大,且依次遞減。研究區(qū)之所以出現(xiàn)植被NDVI與1-SPI相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間變化的這種特征,是由于5月份研究區(qū)內(nèi)的主要植被類型草地處于返青期,往往這個(gè)時(shí)候要發(fā)生春旱,降水對(duì)植被的生長(zhǎng)至關(guān)重要,所以大部分站點(diǎn)在5月份的降水指數(shù)1-SPI與同期NDVI相關(guān)系數(shù)達(dá)到峰值。而到了6—7月,植被已生長(zhǎng)到一定高度,具有一定的抗旱能力,另外也趕上了這個(gè)區(qū)域的雨季,即“水熱同季”,相對(duì)而言植被對(duì)降水的敏感性要較5月份低,同理到7和8月份NDVI達(dá)到生長(zhǎng)季峰值而其與1-SPI的相關(guān)系數(shù)卻并不是最高的。3.2ndvi變化率圖1顯示了部分站點(diǎn)NDVI隨時(shí)間變化的曲線,以及NDVI與1-SPI間相關(guān)系數(shù)的時(shí)間變化曲線,從圖1可見,1-SPI與月NDVI的相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線與NDVI的變化趨勢(shì)不相一致,各站在NDVI出現(xiàn)峰值的月份均未同時(shí)出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)的峰值。而且NDVI的變化方向與相關(guān)系數(shù)的變化方向也不完全一致,如:隨著NDVI的增大,相關(guān)系數(shù)可能增大,如呼和浩特站的5—6月,以及蘇尼特左旗站和包頭站的6—7月的情況;也可能變小,如臨河站的6—7月,蘇尼特左旗站和達(dá)爾茂聯(lián)合旗站的7—8月等。由于NDVI具有累積性(辜智慧等,2005),某時(shí)刻的NDVI值并非完全代表該時(shí)刻的植被狀況,而是植被前期生長(zhǎng)狀況和該時(shí)刻狀況的綜合表現(xiàn),因此時(shí)段內(nèi)NDVI的變化量更能反映植被生長(zhǎng)條件的優(yōu)劣。另外,為了消除空間和植被類型差異的影響,本文進(jìn)一步用NDVI變化率進(jìn)行研究。對(duì)NDVI變化率和當(dāng)月NDVI與1-SPI的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比較(圖2),結(jié)果表明,植被覆蓋對(duì)降水的響應(yīng)隨NDVI變化率的增減而變化。NDVI變化率大的時(shí)段,植被生長(zhǎng)迅速,對(duì)水分的需求量大,植被對(duì)水分的依賴程度增加,因此NDVI與SPI的相關(guān)性大,反之亦然。以蘇尼特左旗站為例,圖2顯示5月份NDVI變化率最大,該月中NDVI與1-SPI的相關(guān)系數(shù)也最大;從6—7月NDVI變化率有增大趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)也同時(shí)在增大;但6和7月的VNDVI仍<5月,所以此2月的相關(guān)系數(shù)也未超過5月份的相關(guān)系數(shù)。7—8月NDVI變化率有所下降,相關(guān)系數(shù)有變小趨勢(shì)。其他站點(diǎn)的情況類似。說明植被對(duì)降水的響應(yīng)程度,最終決定于植被生長(zhǎng)變化的速率。4降水對(duì)植被生長(zhǎng)的影響經(jīng)過對(duì)研究區(qū)內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)的NDVI時(shí)間序列、NDVI變化率及其與1個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)(1-SPI)的綜合分析,結(jié)果表明:在生長(zhǎng)季的5—10月中,該地區(qū)植被對(duì)降水的響應(yīng)程度隨月份的不同而各不相同;大部分地區(qū)5月份受降水影響的程度大,6、7和8月份影響程度相對(duì)有所減小;植被對(duì)降水的響應(yīng)程度最終受植被生長(zhǎng)速率大小的影響;植被生長(zhǎng)速率大時(shí),對(duì)水分需求量大,植被對(duì)水分變化較為敏感,此時(shí)NDVI與1