近20年新疆荒漠草地動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

　　摘要：荒漠草地是干旱半干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵類型，具有重要的生態(tài)作用，對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)敏感。通過(guò)確定新疆荒漠草地NDVI閾值，提取荒漠草地范圍，結(jié)合歸一化植被指數(shù)(normalizeddifferencevegetationindex，NDVI)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(netprimaryproductivity，NPP)、氣象因子等數(shù)據(jù)，利用一元線性回歸模型、相關(guān)性分析等方法，從不同的時(shí)間和空間尺度對(duì)1999-2018年新疆荒漠草地的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)不同驅(qū)動(dòng)因子的響應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：1)新疆南北疆荒漠草地分布存在差異，研究期間總體面積減少明顯，平均NDVI穩(wěn)定，NPP呈上升趨勢(shì)。2)全年及7-8月氣象因子變化趨勢(shì)不同，南北疆存在顯著差異，全疆大部分區(qū)域呈現(xiàn)氣溫升高、降水增多趨勢(shì)。3)從時(shí)間變化看，降水量、大型蒸發(fā)量和平均風(fēng)速是新疆荒漠草地年際NDVI的重要影響因子，水分條件對(duì)生長(zhǎng)季NDVI的影響更為明顯;年蒸發(fā)量與荒漠草地NPP呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，平均風(fēng)速、降水量與荒漠草地NPP存在一定相關(guān)性。4)從空間相關(guān)性來(lái)看，氣溫、降水在空間上與荒漠草地NDVI、NPP呈正相關(guān)的面積較大，且降水影響面積更大。研究表明，新疆荒漠草地植被動(dòng)態(tài)變化是多種氣象因子綜合作用的結(jié)果，氣溫、降水是主要的影響因子，其中降水影響更為明顯，水分條件是荒漠草地動(dòng)態(tài)變化的決定因素。

　　本文源自草業(yè)學(xué)報(bào)發(fā)表時(shí)間：2021-03-19《草業(yè)學(xué)報(bào)》雜志，于1990年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:62-1105/S，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：綜合評(píng)述、研究簡(jiǎn)報(bào)、相關(guān)信息等。

　　關(guān)鍵詞：荒漠草地;植被NDVI;氣象因子;動(dòng)態(tài)變化;響應(yīng)

　　荒漠草地是草地向荒漠過(guò)渡的一種地表類型，是草地分類中最干旱的一類，主要由灌木、多年生草本植物和一年生草本植物組成[1]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]，其面積變化是草地荒漠化和生態(tài)環(huán)境變化的重要標(biāo)志。新疆荒漠草地主要分布在干旱-半干旱的綠洲與荒漠過(guò)渡地帶、山前平原、準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部等地區(qū)，是新疆草地面積分布最廣的草地類型和關(guān)鍵類型，對(duì)新疆生態(tài)具有重要作用。新疆荒漠草地對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化反應(yīng)敏感，由于生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)酷性和氣候的波動(dòng)性，有發(fā)生荒漠化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，一旦破壞就很難再恢復(fù)[3]。

　　隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇，對(duì)荒漠草地空間變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、定量化描述與分析，揭示其變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子至關(guān)重要[4]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(netprimaryproductivity，NPP)是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[5]，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，也是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的主要因子，在全球變化以及碳循環(huán)中扮演著重要的角色[6]。其還是估算地球支持能力和評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要生態(tài)指標(biāo)[7]。遙感數(shù)據(jù)具有監(jiān)測(cè)范圍大、時(shí)間連續(xù)性好、光譜波段豐富等優(yōu)勢(shì)，其中歸一化植被指數(shù)(nor?malizeddifferencevegetationindex，NDVI)與葉面積指數(shù)、植物光合能力、年凈初級(jí)生產(chǎn)力等均有很好的相關(guān)性，可直觀反映植被質(zhì)量的狀況，被廣泛用于監(jiān)測(cè)和評(píng)估大尺度上的植被時(shí)空變化[8-11]，為草地植被的研究提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐[12-13]。遙感數(shù)據(jù)NDVI、NPP數(shù)據(jù)等已成為研究草地資源分布、動(dòng)態(tài)變化的依據(jù)，也是荒漠化監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容[4]。結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析，是研究荒漠草地的時(shí)空變化的一種行之有效的方法[14]。

　　目前，基于NDVI研究新疆植被變化及其對(duì)全球氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。許玉鳳等[15-16]利用生長(zhǎng)季NDVI研究了1982-2013年新疆植被覆蓋的時(shí)空變化，研究發(fā)現(xiàn)綠洲農(nóng)田植被覆蓋明顯改善，草原區(qū)退化嚴(yán)重。Xu等[17]基于GIMMS(globalinventorymodellingandmappingstudies)和MODIS(mod?erate-resolutionimagingspectroradiometer)的融合數(shù)據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)1982-2013年間氣候變化對(duì)新疆草地植被ND?VI變化影響顯著，且存在滯后現(xiàn)象。張仁平等[13]利用2000-2012年MODISNDVI數(shù)據(jù)結(jié)合溫度和降水資料，發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方草地?zé)o明顯變化區(qū)域中以荒漠草地為主，草地退化區(qū)域面積大于改善面積，荒漠草地植被空間變異性較小，灌叢草地和典型草地的變異系數(shù)較大。綜上來(lái)看，目前基于NDVI開(kāi)展的相關(guān)研究主要側(cè)重于新疆整體或某一具體區(qū)域的植被覆蓋變化及其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)，而針對(duì)綠洲-荒漠交錯(cuò)帶，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度、單一類型植被變化情況的監(jiān)測(cè)及其對(duì)氣象因子的響應(yīng)等相關(guān)關(guān)系的研究較少[18]，特別是針對(duì)新疆生態(tài)脆弱區(qū)和自然地理過(guò)渡地帶[19]，利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和評(píng)估荒漠草地植被動(dòng)態(tài)變化并揭示其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究尤為亟須。

　　本研究以遙感(remotesensing，RS)和地理信息系統(tǒng)(geographicinformationsystem，GIS)為技術(shù)支撐，研究全球變暖和新疆氣候變化背景下新疆荒漠草地的時(shí)空變化，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)1999-2018年新疆荒漠草地面積動(dòng)態(tài)變化，并分析其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程，旨在為新疆荒漠植被保護(hù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)服務(wù)，為合理利用草地資源尤其是為保護(hù)新疆荒漠草地資源提供一定的參考，為進(jìn)一步深入研究打下良好的基礎(chǔ)。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　新疆深居內(nèi)陸，降水稀少，水資源短缺，多風(fēng)，植被稀疏，鹽堿化和沙漠化嚴(yán)重是主要的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)[20]。綠洲主要分布于山前沖積、洪積平原以及河流流域和盆地邊緣，占全區(qū)面積的5%，其生態(tài)環(huán)境體現(xiàn)出山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)的基本景觀格局。在新疆低山帶和平原區(qū)分布著大面積的稀疏植被，尤其是灌溉綠洲與沙漠之間的荒漠過(guò)渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱[21];加之人為活動(dòng)的破壞與干擾加劇，會(huì)促使其形成難以逆轉(zhuǎn)的沙漠化土地[17(圖]1)。

　　新疆荒漠草地對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有重要的生態(tài)作用。根據(jù)許鵬[22]的草地分類系統(tǒng)，新疆荒漠草地主要分布于北疆山前平原到中低山帶，南疆中山和亞高山帶，準(zhǔn)噶爾盆地沙漠邊緣至阿爾泰山前傾斜平原，準(zhǔn)噶爾盆地中部及山前洪積-沖積平原，博樂(lè)、塔城和伊犁河谷地及上升至低山帶，天山南坡海拔2000~2600m區(qū)域，塔里木盆地邊緣及山前傾斜平原上部，昆侖山海拔2800~3000m區(qū)域，帕米爾高原、昆侖山內(nèi)部山原，庫(kù)木庫(kù)里盆地西部山原，阿爾金山西部高山區(qū)及除阿爾泰山外的各大山體基帶。

　　1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

　　空間氣象數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)、NPP數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)，其中，空間氣象數(shù)據(jù)是空間分辨率為1km的空間插值數(shù)據(jù)，包括氣溫和降水。NDVI數(shù)據(jù)為空間分辨率為1km的SPOT(systemeprobatoired’observationdelaterre)數(shù)據(jù)。站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn)，根據(jù)研究需要選取全疆記錄較為完整的52個(gè)站點(diǎn)的逐日氣溫、降水、氣壓、風(fēng)速、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)等氣象因子。

　　氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)是基于全國(guó)2400多個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)整理、計(jì)算，并使用Anusplin插值方法進(jìn)行空間插值處理生成，該插值方法將海拔等協(xié)變量引入模型，精度更高。凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)集是基于光能利用率模型GLM-PEM計(jì)算獲取的。植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/vegetationNDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成。

　　首先對(duì)研究區(qū)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、圖像裁剪，得到研究所需的相關(guān)空間圖像數(shù)據(jù)。在ArcGIS平臺(tái)利用柵格計(jì)算、重分類、Con語(yǔ)句分析等對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

　　1.3研究方法

　　1.3.1荒漠草地閾值選取

　　閾值范圍的合理與否是影響科學(xué)研究準(zhǔn)確程度的前提和基礎(chǔ)。我國(guó)著名草原生態(tài)學(xué)家劉鐘齡[23]在其主編的《中國(guó)草地資源現(xiàn)狀與區(qū)域分析》中，借助NDVI值確定荒漠草地閾值的下限范圍，根據(jù)國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(internationalgeosphere-biosphereprogram，IGBP)的全球植被分類方案的“‘BarrenorSparselyVegetated’類型(16)”進(jìn)行重新分類，并將每年8月小于0.1的區(qū)域定義為“難利用地(17)(戈壁、沙漠、灘涂等)”，其余部分劃分為荒漠草地。方精云等[24]利用已知草原地區(qū)的降水與NDVI的關(guān)系反演草地的分布和面積，認(rèn)為北方草地和荒漠之間的閾值為0.1151。

　　由于植被覆蓋度與歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間存在著極顯著的線性相關(guān)關(guān)系[25]，二者通過(guò)像元二分模型有機(jī)聯(lián)系在一起[26]。研究表明，荒漠和裸地植被覆蓋度較低，NDVImax僅達(dá)到0.22[27]。借鑒前人研究成果，并結(jié)合新疆荒漠草地平均覆蓋度的實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助像元二分模型，反演出荒漠草地平均NDVI值，確定新疆荒漠草地NDVI閾值上限為0.2，取值范圍為0.1~0.2。

　　通過(guò)以上閾值范圍反演新疆荒漠草地覆蓋分布狀況進(jìn)行校驗(yàn)，將其與《中國(guó)草地資源現(xiàn)狀與區(qū)域分析》[23]中荒漠草地分布圖相比較，分布范圍基本一致。將使用閾值提取的荒漠草地范圍與1∶100萬(wàn)中國(guó)植被類型圖進(jìn)行對(duì)照，其中荒漠草地所占比例為78.3%，其他草地、草甸占17.6%，樹木、高山植被、灌叢等其他植被類型占4.1%。有研究表明，土地利用類型和土地覆被類型會(huì)因人類活動(dòng)和氣候變化的影響而發(fā)生變化，表現(xiàn)為草地內(nèi)部發(fā)生改變或草地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型，荒漠草地會(huì)與其他土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)化[18，28-30]。說(shuō)明閾值選取合理。

　　由于新疆大多數(shù)年份的8月為NDVI最大值時(shí)期，因此，利用每年8月在0.1~0.2的NDVI值提取研究信息。1.3.2相關(guān)分析相關(guān)分析是研究?jī)蓚€(gè)變量之間是否存在某種依賴關(guān)系，并探討具有依存關(guān)系的要素之間的相關(guān)方向及相關(guān)程度。常通過(guò)計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)等來(lái)反映兩個(gè)隨機(jī)變量之間的相關(guān)程度及相關(guān)方向。地理要素之間的相互關(guān)系的密切程度亦可通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)反映[31]。假設(shè)有地理要素x、y，樣本觀測(cè)值分別為x1，x2，…，xn及y1，y2，…，yn，則兩個(gè)要素之間的相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式如下：rxy=[∑i=1n()xi--x(yi--y)]∑i=1n(xi--x)2∑i=1n(yi--y)2式中：rxy為要素x與y之間的相關(guān)系數(shù)，-x和-y分別表示兩個(gè)要素樣本值的平均值。相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為-1≤r≤1;r>0時(shí)為正相關(guān)，r<0時(shí)為負(fù)相關(guān);∣r∣=0表示不存在線性關(guān)系;∣r∣=1表示完全線性相關(guān)。1.3.3一元線性回歸模型一元線性回歸模型是以單個(gè)像元的時(shí)間變化規(guī)律反映整體的空間變化規(guī)律。本研究運(yùn)用最小二乘法計(jì)算回歸系數(shù)，即年際變化率。

　　以NDVI為例計(jì)算公式如下：θslope=(n×∑i=1n()i×NDVIi-(∑i=1ni×∑i=1nNDVIi)[n×∑i=1n()i2-()∑i=1ni2]式中：i為年序號(hào)，NDVIi為第i年的NDVI值，n為樣本量。θslope是NDVI在研究時(shí)間內(nèi)的變化率(即表示年際變化的最小二乘的線性回歸方程的斜率)，如果其為正值，說(shuō)明此像元的植被狀況趨好，其值為負(fù)則說(shuō)明該像元的植被狀況趨于退化。

　　1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

　　利用SPSS20.0對(duì)荒漠草地NDVI平均值與各氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1荒漠草地NDVI空間分布及其年際變化

　　利用1999-2018年長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集，根據(jù)確定的閾值來(lái)確定荒漠草地范圍，并計(jì)算近20年來(lái)新疆荒漠草地NDVI的平均值，得到新疆荒漠草地植被NDVI的空間分布圖(圖2)。可以看出，新疆荒漠草地在空間分布上表現(xiàn)為北疆分布集中，但面積較小;南疆分布較為分散，但面積大。

　　對(duì)研究區(qū)荒漠草地植被覆蓋的像元數(shù)值逐年取平均值，得到研究期間的荒漠草地面積及NDVI平均值年際變化趨勢(shì)圖(圖3)。1999-2018年間NDVI平均值基本保持穩(wěn)定，在0.1392附近輕微波動(dòng)，呈微弱下降趨勢(shì)。其中，2010年出現(xiàn)最大值(0.1441)，2014年出現(xiàn)研究期內(nèi)的最小值(0.1359)。1999-2018年間荒漠草地面積波動(dòng)較大，總體呈減少趨勢(shì)。其中2012年出現(xiàn)最大值，為402574km2，2014年出現(xiàn)最小值，為215323km2。

　　2.2荒漠草地NPP空間分布及其變化

　　本研究進(jìn)一步對(duì)2000-2010年間新疆荒漠草地NPP空間分布及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。從時(shí)間上來(lái)看，荒漠草地平均NPP在2000-2010年間總體呈上升趨勢(shì)(圖4)，但波動(dòng)較大，于2002年出現(xiàn)最大值，為41.4501gC·m-2，于2000年出現(xiàn)最小值，為1.7956gC·m-2。從空間上來(lái)看(圖5)，荒漠草地NPP較大的區(qū)域主要分布在天山北坡、準(zhǔn)噶爾盆地的中部和邊緣區(qū)域、伊犁河谷局部區(qū)域、帕米爾高原、昆侖山山麓、阿爾金山等荒漠草地植被長(zhǎng)勢(shì)較好的區(qū)域。

　　2.3氣象因子變化分析

　　本研究進(jìn)一步分析了研究區(qū)內(nèi)的平均氣壓(hpa)、平均相對(duì)濕度(%)、平均氣溫(℃)、日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)、平均風(fēng)速(m·s-1)、大型蒸發(fā)量(mm)、20：00-8：00降水量(mm)、8：00-20：00降水量(mm)、全天累計(jì)降水量(mm)、日照時(shí)數(shù)(h)等11個(gè)氣象因子在6-8月生長(zhǎng)季的變化趨勢(shì)，并對(duì)其與荒漠草地變化的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

　　對(duì)新疆1999-2017年全年氣象因子變化趨勢(shì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫呈上升趨勢(shì)，尤其是年均氣溫和日最低氣溫呈顯著上升趨勢(shì);降水量、白天降水量和夜間降水量都呈上升趨勢(shì);日照時(shí)數(shù)總體變化趨勢(shì)不明顯，但是波動(dòng)較大;蒸發(fā)量和平均相對(duì)濕度呈顯著下降趨勢(shì);氣壓呈微弱下降趨勢(shì)，平均風(fēng)速呈顯著上升趨勢(shì)(圖6)。

　　對(duì)新疆1999-2017年7月的氣象因子變化趨勢(shì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫呈上升趨勢(shì)，尤其是平均氣溫和日最低氣溫呈顯著上升趨勢(shì);平均降水量、白天降水量和夜間降水量都呈下降趨勢(shì)，尤其是平均降水量、夜間降水量下降趨勢(shì)明顯;日照時(shí)數(shù)呈顯著上升趨勢(shì);大型蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì);平均相對(duì)濕度呈顯著下降趨勢(shì);氣壓呈微弱上升趨勢(shì)，平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)(圖6)。

　　對(duì)新疆1999-2017年8月的氣象因子變化趨勢(shì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：平均氣溫、日最高氣溫呈下降趨勢(shì)，日最低氣溫呈上升趨勢(shì);平均降水量、白天降水量和夜間降水量都呈上升趨勢(shì)，尤其是平均降水量、夜間降水量上升趨勢(shì)明顯;日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì);大型蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，2006年達(dá)到研究期間的最大值，之后開(kāi)始波動(dòng)下降;平均相對(duì)濕度呈顯著下降趨勢(shì)，2006年達(dá)到研究期間的最低值;氣壓呈微弱上升趨勢(shì)，2015年達(dá)到研究期間的最大值;平均風(fēng)速呈顯著上升趨勢(shì)(圖6)。

　　綜上來(lái)看，全年氣溫、降水均呈上升趨勢(shì)，但有月份差異。其中，7月呈現(xiàn)出溫度增高，降水下降趨勢(shì)，8月呈現(xiàn)出氣溫降低，降水升高趨勢(shì)。全年最高氣溫上升較為明顯，日間降水較夜間降水增加更為明顯。日照時(shí)數(shù)基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出7月日照時(shí)數(shù)增多，8月日照時(shí)數(shù)減少的趨勢(shì)。蒸發(fā)量總體呈下降趨勢(shì)，但是7月呈上升趨勢(shì)，8月呈下降趨勢(shì)。平均相對(duì)濕度呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。平均氣壓總體呈輕微下降趨勢(shì)，但研究后期波動(dòng)劇烈。平均風(fēng)速呈總體上升趨勢(shì)，并于2010年后出現(xiàn)較大波動(dòng)。

　　從空間上來(lái)看，總體呈現(xiàn)南疆氣溫高于北疆，北疆降水多于南疆的分布狀況，其中山地氣溫低、降水多，沙漠、戈壁分布區(qū)氣溫高、降水少，地形對(duì)新疆氣溫、降水分布格局的影響較為明顯(圖7)。

　　對(duì)研究期間的氣溫、降水等氣象因子變化率進(jìn)行分析的結(jié)果表明：78.8%的區(qū)域氣溫呈上升趨勢(shì)，21.0%呈下降趨勢(shì)，0.2%的區(qū)域保持不變(圖8a)。研究期間新疆降水變化率顯示，占全疆面積86.8%的區(qū)域呈增加趨勢(shì)，占全疆面積11.5%的區(qū)域呈減少趨勢(shì)，占全疆面積1.7%的區(qū)域保持不變(圖8b)。

　　2.4荒漠草地與氣象因子的相關(guān)分析

　　2.4.1荒漠草地NDVI與氣象因子的相關(guān)分析從年尺度上來(lái)看(表1)，荒漠草地年NDVI平均值與全年氣象因子中的20：00-8：00降水量(r=0.690，P=0.001)、8：00-20：00降水量(r=0.615，P=0.005)、全天累積降水量(r=0.708，P=0.001)、平均相對(duì)濕度(r=0.464，P=0.045)存在顯著正相關(guān)關(guān)系。與其他氣象因子相關(guān)性不大。說(shuō)明荒漠草地NDVI受水分的影響較大。

　　從月尺度上對(duì)氣象因子與植被NDVI的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，6月氣象因子對(duì)NDVI的影響不大，從7月來(lái)看(表1)，NDVI值與大型蒸發(fā)量(r=-0.526，P=0.021)存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與全天累計(jì)降水量(r=0.486，P=0.035)存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與其他氣象因子相關(guān)性并不顯著。說(shuō)明7月荒漠草地的NDVI變化受水分條件的影響較大。從8月來(lái)看(表1)，荒漠草地NDVI值與日照時(shí)數(shù)(r=-0.497，P=0.030)顯著負(fù)相關(guān)。與其他氣象因子的相關(guān)性并不顯著。總體來(lái)看日照時(shí)數(shù)、日最高氣溫、大型蒸發(fā)量對(duì)荒漠草地生長(zhǎng)有抑制作用，而平均相對(duì)濕度、年降水量、白天降水量、夜間降水量等水分條件對(duì)荒漠植被生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。

　　從空間上來(lái)看，研究期間荒漠草地NDVI與氣溫、降水等氣象因子的相關(guān)性存在顯著的區(qū)域差異(圖9)。荒漠草地NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)在-0.944~0.885，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)上分析，荒漠草地NDVI與氣溫呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的65.5%，呈負(fù)相關(guān)的面積占32.2%，相關(guān)關(guān)系不明顯的面積占2.3%(圖9a)。荒漠草地NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)在-0.887~0.943，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)上分析，呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的88.8%，呈負(fù)相關(guān)的面積占10.9%，相關(guān)性不明確的面積占0.3%(圖9b)。說(shuō)明荒漠草地植被生長(zhǎng)受氣溫、降水影響都較大，占據(jù)了研究區(qū)的一半以上，且受降水的影響更大。

　　2.4.2荒漠草地面積變化與氣象因子的相關(guān)分析

　　從全年來(lái)看(表2)，荒漠草地面積與平均氣壓(r=-0.509，P=0.026)、平均風(fēng)速(r=-0.686，P=0.001)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日照時(shí)數(shù)(r=0.463，P=0.046)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。受平均氣溫(r=-0.369，P=0.120)、日最低氣溫(r=-0.377，P=0.112)、大型蒸發(fā)量(r=0.392，P=0.097)的影響較大。與其他氣象因子的相關(guān)性并不顯著。

　　從7月來(lái)看(表2)，荒漠草地面積與各個(gè)氣象因子均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。平均氣壓(r=-0.427，P=0.068)、平均氣溫(r=-0.383，P=0.106)、日最高氣溫(r=-0.413，P=0.079)、日最低氣溫(r=-0.354，P=0.136)的影響相對(duì)較大。從8月來(lái)看(表2)，荒漠草地面積與平均氣壓(r=-0.517，P=0.023)存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日照時(shí)數(shù)(r=0.340，P=0.155)的相關(guān)關(guān)系較為明顯，與其他氣象因子相關(guān)關(guān)系并不顯著。總體來(lái)看荒漠草地面積變化受平均氣壓、日照時(shí)數(shù)影響顯著，受大型蒸發(fā)量、平均風(fēng)速影響較大。

　　2.4.3荒漠草地NPP與氣象因子的相關(guān)分析

　　從時(shí)間上來(lái)看(表3)，荒漠草地NPP與全年蒸發(fā)量(r=-0.667，P=0.025)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速(r=-0.366，P=0.269)、全天累計(jì)降水量(r=0.549，P=0.080)的相關(guān)系數(shù)較大。與其他氣象因子不存在顯著相關(guān)關(guān)系。與7、8月各氣象因子也不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

　　從空間上看，荒漠草地NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)在-0.875~0.906，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)分析，荒漠草地NPP與氣溫呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的58.3%，呈負(fù)相關(guān)的面積占41.5%，相關(guān)關(guān)系不明確的面積占0.2%(圖10a)。荒漠草地NPP與降水的相關(guān)系數(shù)在-0.839~0.975，表明二者在空間上存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從具體數(shù)據(jù)分析看，荒漠草地NPP與降水呈正相關(guān)的面積占荒漠草地面積的80.0%，呈負(fù)相關(guān)的面積占18.6%，相關(guān)關(guān)系不明確的面積占1.4%(圖10b)。

　　3討論

　　近年來(lái)，新疆氣溫和降水總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這一研究結(jié)果與慈暉等[32]和位宏等[33]的研究結(jié)論一致。年蒸發(fā)量呈逐年波動(dòng)下降趨勢(shì)，符合前人研究提出的“蒸發(fā)悖論”[34]：氣溫升高、降水增多，更有利于植被生長(zhǎng)，使得植被向著更好的方向發(fā)展。蒸發(fā)量減少使得空氣中的水汽減少，濕度下降，會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)和氣候變化造成一定影響。年平均氣壓呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，平均風(fēng)速呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，應(yīng)與氣溫上升有一定關(guān)系。氣壓和風(fēng)速在2002和2015年出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，是因?yàn)樾陆畬?duì)全球氣候變化響應(yīng)極為敏感[35]，而2002年全球出現(xiàn)中等強(qiáng)度厄爾尼諾現(xiàn)象，2005年全球出現(xiàn)超強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象，新疆不同區(qū)域?qū)ζ漤憫?yīng)不同[36]，平均氣壓發(fā)生變化，各地氣壓差發(fā)生增大，風(fēng)速出現(xiàn)變化。

　　總體來(lái)看，荒漠草地NDVI與氣溫、降水等氣象因子存在顯著相關(guān)關(guān)系。與已有研究結(jié)果植被變化與氣象因子有一定的相關(guān)性，且存在滯后效應(yīng)[37-38]相符。從時(shí)間上來(lái)看，年尺度上，荒漠草地NDVI與降水量、平均相對(duì)濕度等氣象因子關(guān)系密切，說(shuō)明水分條件是影響荒漠草地植被NDVI變化的重要因素，水分的增多促使NDVI值增加。這一研究結(jié)果與周丹等[26]對(duì)西北干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量估算中，關(guān)于低覆蓋度荒漠植被與年降水量變化顯著相關(guān)的結(jié)論基本一致，表明降水量的變化對(duì)低覆蓋度荒漠植被有一定的影響。

　　7、8月來(lái)看，荒漠草地NDVI值與降水量、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)等因素存在著顯著的相關(guān)性，NDVI值與7月降水量、蒸發(fā)量相關(guān)性最為顯著，說(shuō)明水分是荒漠草地NDVI值的重要影響因子，降水量的增多、蒸發(fā)量的減少都使得植被有更多的水分可以利用，與李紅梅[39]關(guān)于柴達(dá)木盆地植被指數(shù)變化與氣象因子的關(guān)系研究中的相關(guān)結(jié)論一致。同時(shí)，研究表明荒漠草地NDVI對(duì)水分的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，其滯后時(shí)長(zhǎng)約為1個(gè)月，這一研究結(jié)果與龐靜等[40]提出的新疆荒漠草地對(duì)氣溫的響應(yīng)滯后1個(gè)月的研究結(jié)論相符。8月日照時(shí)數(shù)越長(zhǎng)，NDVI值越小。其他氣象因子通過(guò)影響植被可以利用水分的多少和分布，間接對(duì)植被生長(zhǎng)狀況造成影響，進(jìn)而對(duì)NDVI值產(chǎn)生影響。在一定情況下7、8月日照時(shí)數(shù)的增長(zhǎng)，氣溫升高、蒸發(fā)量增加會(huì)使得植被NDVI值降低。荒漠草地NDVI與氣溫、降水的空間相關(guān)性較大，與氣溫、降水呈正相關(guān)關(guān)系的范圍較大，尤其是與降水正相關(guān)關(guān)系更為顯著。有研究表明，荒漠草地生長(zhǎng)受水熱條件等綜合因素影響，當(dāng)氣溫升高時(shí)，少量降水的增加無(wú)法抵消氣溫升高對(duì)植被造成的影響[28，30];其次，NDVI是由近紅外波段和紅色可見(jiàn)光波段的反射值運(yùn)算獲得，而近紅外波段同時(shí)又是水體的強(qiáng)吸收區(qū)，當(dāng)降水導(dǎo)致土壤濕度發(fā)生明顯變化時(shí)，會(huì)使得NDVI值變小[41]，因此部分NDVI值與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。有研究表明，風(fēng)是影響植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要環(huán)境因子[42]，本研究發(fā)現(xiàn)荒漠草地面積與平均風(fēng)速存在顯著的相關(guān)關(guān)系，與這一研究結(jié)論相符。

　　荒漠草地面積變化與日照時(shí)數(shù)、平均氣壓、平均風(fēng)速等氣象因子相關(guān)性較大。隨著日照時(shí)數(shù)的增多，植被生長(zhǎng)狀況變好，荒漠草地面積增大，平均氣壓與平均風(fēng)速通過(guò)影響植被生長(zhǎng)狀況，進(jìn)而影響荒漠草地面積。平均氣壓對(duì)荒漠草地面積影響較大，隨著氣壓升高荒漠草地面積減少。其他氣象因子通過(guò)對(duì)氣壓造成影響，間接影響荒漠草地面積變化。

　　荒漠草地NPP與蒸發(fā)量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著蒸發(fā)量的增多，植物得到的水分減少，荒漠草地NPP降低。當(dāng)部分區(qū)域降水量的增加幅度較小，不足以抵消因氣溫升高造成的植被水分損耗時(shí)[43]，該區(qū)域荒漠草地NPP表現(xiàn)為與降水呈負(fù)相關(guān)。從空間來(lái)看，荒漠草地NPP與降水的相關(guān)性更加密切，說(shuō)明水分是荒漠草地NPP的決定性因素。

　　荒漠草地是介于荒漠和其他草地類型之間的過(guò)渡類型，所以荒漠草地的面積變化有兩種可能情況，一種是荒漠草地退化為荒漠，一種是荒漠草地植被狀況發(fā)育良好，轉(zhuǎn)化為較好的草地類型。研究荒漠草地的動(dòng)態(tài)變化及其與氣象因子的相關(guān)性，可以為脆弱環(huán)境下的生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)參考。

　　4結(jié)論

　　本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參考相關(guān)研究成果，確定了新疆荒漠草地的閾值范圍，研究了新疆荒漠草地NDVI、NPP和面積的動(dòng)態(tài)變化及其與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)論如下：

　　1)新疆荒漠草地的空間分布表現(xiàn)為：北疆分布較為集中，但面積較小;南疆分布較為分散，但面積大。研究期間，新疆荒漠草地年NDVI均值呈微弱下降趨勢(shì)，荒漠草地面積顯著減少，NPP呈顯著上升趨勢(shì)。

　　2)研究區(qū)年均氣溫和年降水量的分布具有顯著的空間差異，總體呈現(xiàn)南疆氣溫高于北疆，北疆降水多于南疆，地形對(duì)新疆氣溫、降水分布格局的影響較為明顯。

　　3)從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)看，降水量、大型蒸發(fā)量和平均風(fēng)速是新疆荒漠草地年際NDVI變化的關(guān)鍵影響因子，水分條件對(duì)生長(zhǎng)季NDVI影響更為明顯。從空間相關(guān)性看，荒漠草地NDVI與氣溫、降水呈正相關(guān)的面積大于負(fù)相關(guān)面積，且與降水呈正相關(guān)的面積更大。

　　4)從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)看，荒漠草地NPP與年蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速、降水量的相關(guān)系數(shù)較大。從空間相關(guān)性看，荒漠草地NPP與氣溫、降水呈正相關(guān)的面積大于負(fù)相關(guān)的面積，且與降水呈正相關(guān)的面積更大。

　　總體來(lái)看，從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)看，新疆荒漠草地植被生長(zhǎng)與氣象因子關(guān)系密切，尤其受氣溫、降水影響較大;從空間分布相關(guān)性看，降水的影響較氣溫更為顯著，表明水分條件是荒漠草地植被質(zhì)量變化的決定因素。因此，荒漠草地植被變化是多種氣象因子綜合作用的結(jié)果，其中氣溫、降水與其變化關(guān)系最為明確，降水是關(guān)鍵因子。