克州地区植被与气候变化的时空响应研究

克州地区植被与气候变化的时空响应研究

库巴尼其别克·呼杰克王金辉外力·吾甫尔

  新疆克州气象局   阿图什   845350

摘要：基于地理空间云提供的TERRA/MODIS NDVI数据、地表覆盖类型数据和DEM数据集，克州4个国家气象站以及附近气象站数据，MODIS克州NDVI产品，研究不同地表覆盖类型NDVI和不同海拔梯度NDVI的空间分布及时空变化特征、不同时间尺度气温和降水量的空间分布变化趋势，分析NDVI与气候因子的空间相关性。

关键词：植被变化；土地覆盖；气候变化

1  资料与方法

1.1 研究区概况

植被是维持陆地生态环境的重要组成部分，受气候因子的影响显著，尤其克州多为山区荒漠，生态环境脆弱，气候因子中气温和降水量变化对植被覆盖变化影响大。本课题综合利用TERRA/MODIS数据、STRM DEM与GIS技术，提取分析克州2002年至2020年的myd13q1归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）数据和同期相应的气温、降水资料，做克州植被覆盖的时空变化响应特征研究。

1.2 数据资料与方法

根据NASA全球30米SRTM高程DEM数据，利用ENVI地形工具分析得到自治州高程分布情况，根据图3可以看到，克州最低高程值为1189米、最高高程值为7464米、平均高程值为3087米，其中1189-2000米占19.48%、2000-3000米占22.81%、3000-4000米占34.47%、4000-7464米占23.24%，可以看得出来自治州主要以高山地带为主。在NASA官网下载TERRA/MODIS myd13q1数据，空间分辨率为250米，时间分辨率为16天一个周期，每月两期ndvi数据，时间跨度为18年。利用ENVI软件批处理工具对原始数据文件进行批量裁剪，进行归一化处理，用最大值合成工具得到克州每个月最大NDVI值，再得到NDVI值的年平均，年最大值等相关研究数据。

1.3 研究结果与分析

利用ENVI软件批处理工具对原始数据文件进行批量裁剪，进行归一化处理，用最大值合成工具得到克州每个月最大NDVI值，再得到NDVI值的年平均，年最大值等相关研究数据。分析出克州2002-2020年克州NDVI逐月和年际数据。

基于GlobeLand 30数据集、NASA全球30米SRTM高程DEM数据，得出不同地表覆盖类型NDVI和不同海拔梯度NDVI的空间分布。

年均 NDVI 值大于 0.2 的地表覆盖类型有耕地、林地、湿地、灌木地，其中耕地年均 NDVI 值为最大（0.9947）；年均 NDVI 值低于 0.2地表覆盖类型有裸地、人造地表，年均 NDVI 值最小（0.1037）。从变化趋势来看，变化趋势大于 0 的地表覆盖类型主要有耕地、灌木地，2类；变化趋势小于0 的植被类型主要有荒漠、草地 ，其中克州北部沿高山植被的下降趋势较为明显。不难看出阿克陶南部山区草地明显比乌恰县，阿合奇县山区草地增长的趋势大。NDVI 值随海拔高度的升高先呈现增加趋势，在达到最大值后，随着海拔的继续升高 NDVI 值又逐渐减小。除去耕地，在海2500m -3500m区域内的 NDVI 值为最大（0.241），该区域内有着丰富草地植被，人为活动较少，积雪融化，气候条件适宜，植被指数较大。在海拔 5000m>区域内 NDVI 值为最小（0.001），该区域为帕米尔高山区，气候寒冷，植被稀疏，植被指数值较小。

克州1-12月均NDVI呈现先增后减趋势，说明该NDVI年内变化有明显的季节性。由于特殊的气候条件和地形高山为主，克州11月上旬进入冬季至次年3月，时间长久，该段时间月均NDVI值在0.1以下，最小值出现在2月（0.01）；从4月中旬开始，植被开始生长，NDVI值缓慢增长；5月植被返青，进入生长季，NDVI明显增加；6-8月气候条件适宜，降水充沛，植被生长迅速，在7月NDVI达到全年最高值（0.32）。

2002-2020年克州NDVI整体呈现缓慢增长趋势，变化率为0.0019/10a。近 20 年 NDVI 年均最大值为 0.1838，最大值为 2020 年的 0.2071，最小值为 2009 年的 0.1568。研究时间段内，克州功能区年均 NDVI 存在着波动变化，其中，2003-2009 年 NDVI 年均值出现下降趋势，2009-2020 年 NDVI 年均值出现缓慢上升趋势，表明 2009 年之后植被出现增长趋势。NDVI 空间分布呈现出由北向南递增趋势，NDVI 值较高区域主要分布在北部阿合奇沿山一带，托什干河河谷、乌恰县玉其塔什等草地集中区、阿克陶县奥依塔克河谷、昆仑山南部山区，以及托什干河，布谷孜河，恰克马克河流域，克孜勒苏河，盖孜河，库山河流域，这些地区上游分布着茂密的草地以及下游分布着耕地；NDVI 值较低的区域主要分布在阿克陶县布伦口，木吉乡海拔较高地区，这些地区河流分布较少，气候寒冷以及低海拔荒地，干旱少雨。

克州2002-2020 年的年均降水量处于波动上升趋势，趋势率为15.05mm/10a 通过显著检验（P<0.01），20 年平均降水量为 202.98mm，年平均降水量最高值为 2010 年的（317.41mm），最低值为 2007年（120.4mm）。近 20a 克州降水量波动幅度较大，2002-2009 年降水量呈现波动下降趋势，2013-2018 年降水量呈大幅度波动上升趋势，年均最高降水量与最低降水量之间相差 197.01mm。

克州2002-2020 年的年均气温年际变化，克州气温处于波动上升趋势，倾向率为 0.03℃/10 通过显著检验（P<0.05），多年平均气温为 9.93℃，年平均气温最高值为 2007 年的（10.67℃），最低值为 2012 年（8.8℃）；2002-2020 年克州气温波动幅度不大，2007-2011 年气温呈现大幅度下降趋势，2012-2018 年气温呈波动上升趋势，年均最高气温与最低气温之间相差 1.87℃。

克州 2002-2020 年年均气温的变化趋势受全球气候变化大背景影响，年均气温整体处于上升趋势，倾向率全部大于 0，并且受地形、气候等因素的影响，导致克州年均气温在空间上呈现出差异性。 平原农区的气温的增长要高于山区，整体变化幅度大，倾向率的平均值为0.041，最大值为 0.065，主要集中在阿图什境内，最小值为 0.001，主要在自治州州北部阿合奇县境内。气温空间变化趋势整体上呈现自西向东增加趋势。克州年均降水量整体处于上升趋势，受地形和气候因素影响， 北部山区降水量倾向率大于平原荒漠降水量趋势，倾向率大于 0 比例为 98.25%，倾向率平均值为 1.419，最大值为 5.427，主要集中在北部阿合奇县和乌恰县山区以及阿克陶县南部山区，最小值为-0.676，主要集中在自治州东部荒漠地区。

克州 2002-2020 年 NDVI 与气候因子年际相关系数（R），年均 NDVI 与年均降水量呈现明显的正相关性（R=0.135），明显高于年均 NDVI与年均气温的（R=0.072），但相关性都没有达到（P<0.05）显著性水平，说明近 20  年来，降水量变化对克州 NDVI 的影响大于气温。

同季节 NDVI 与气温、降水量呈现的相关性也有差异。春季、秋季平均 NDVI 与年均气温呈正相关（R 分别为 0.656 和 0.660），都达到了（P<0.01）显著性水平，说明在春季，植被进入返青期，同时期气温越高越利于植被的生长发育；秋季，同时期气温越低越利于植物的生长。生长季、秋季平均 NDVI 与年均气温相关性呈负相关（R 分别为-0.327 和-0.394），表明在生长季、夏季，年均气温升高，致使部分区域发生干旱，一定程度上抑制植物生长。

2 结论与讨论

本课题以克州为研究对象，综合利用多源数据和 GIS 空间分析技术，研究了2002-2020 年克州 NDVI 与不同时间尺度（年际、年内和季节） 气温和降水变化的时空耦合关系，分析与探讨了克州NDVI 变化对气候变化的响应特征，发现春季和秋季 NDVI 与气温变化呈显著性正相关，夏季和秋季 NDVI 与降水量呈显著负相关，不同植被类型 NDVI 与生长季降水、春季气温、秋季气温和降水亦存在一定的相关性，研究结果不仅可以为我国重点生态功能区生物多样性保护与气候变化风险管理提供案例支撑，而且可以为克州生态安全屏障保护与建设提供科学决策依据。