雅鲁藏布江流域植被NDVI时空变化特征及气象因子影响分析*

顿玉多吉 白玛央宗** 拉巴 平措旺旦

（1.西藏自治区气候中心；2.西藏自治区遥感应用研究中心，西藏 拉萨 850000）

0 引言

植被归一化指数是公认的、能够有效地表征植被特征的参数[1-2]，是目前最为常用的植被覆盖状况监测手段[3]。前有许多研究学者对NDVI 变化特征，以及NDVI 变化与气象因子的关系进行了很多研究，指出草地生态系统是全球陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一，在全球碳循环、气候调节中发挥重要的作用[4-6]。草地资源是发展畜牧业的重要物质资源[7]，草地生态系统对畜牧业发展和气候调节以及保持生态环境平衡方面有着非常重要的作用[8]。Nicholson[9]等分析了植被NDVI与降雨量关系，指出年均降雨量在200mm～1200mm 的地区，与NDVI 之间存在较好的相关性。有关高原上的植被研究也有很多，如李亚楠[10]等利用Landsat TM/ETM+数据，发现草地退化面积在1990—2000 年呈增加趋势，在2000—2010年呈减少，2000年之后研究区草地退化状况趋于缓和。高寒草甸草地主要受平均相对湿度及降水量的影响，高寒荒漠草地与平均最高气温、日照时数和蒸发量的关系最为密切。拉巴[11]等利用GIMMSMO‐DIS-NDVI 等资料分析表明，那曲地区植被整体趋于稳定态势，局部有减少和改善趋势。杨志刚[12]等利用2000—2016 年的MODIS 标准植被指数产品NDVI 及气象数据，分析该区域植被变化特征及其主要气候驱动因素。

雅鲁藏布江流域内分布着大量的积雪和海洋型冰川，雪冰融水占流域总径流量的比例超过30%[13]。雅鲁藏布江流域在我国西南地区，是我国重要的水源区，但雅江源头区域的生态环境非常脆弱[14-16]。综上所述，针对雅鲁藏布江流域内植被变化（NDVI）的研究颇多，但目前仍缺乏近几年对雅江流域植被变化和植被变化与气象因子之间响应的研究进展。基于上述已有研究成果，借鉴最新的适用方法，补充数资料等。本文利用2000—2017 年的MODIS 植被NDVI 产品，结合雅鲁藏布江流域内涉及的18个站点的气象数据，分析流域内植被NDVI 时空变化特征、变化趋势、持续性特征和气象因子与NDVI 间的相关性，以及不同植被类型与气象因子关系等方面展开较为详细的研究。以此来揭示在国家一系列生态保护和恢复政策（草原生态补助奖励机制和生态保护红线制定等）的驱动和气候变化的协同作用下，雅鲁藏布江流域植被产生的变化，为政府及决策部门下一步科学合理地安排中长期发展规划提供更科学、更准确的参考依据。

1 研究区概况

西藏境内的雅鲁藏布江流域从里孜到派乡为中游段，河长1293km，经纬度范围在28O00′～31O16′N、82O00′～97O07′E。涉及分布在西藏自治区七个地市的41个县。

图1 研究区位置示意图

2 数据源和研究方法

2.1 数据源

本文选择的卫星遥感数据为MODIS 植被指数产品数据（2000—2017 年）MOD13Q1 V005 L3，该数据集由Land Processes DAAC 数据中心下载，格式为HDFEOS，空间分辨率是250×250m，数据经过大气辐射纠正、几何纠正处理。气象数据选用雅鲁藏布江流域涉及的18个气象站点（当雄、拉萨、墨竹工卡、尼木、日喀则、拉孜、江孜、南木林、贡嘎、加查、泽当、米林、林芝、波密、聂拉木、定日、普兰和嘉黎）的年平均气温与年总降水量。

2.2 研究方法

利用卫星数据预处理使用MODIS reprojection tool软件，主要完成NDVI数据的提取、重采样、投影、拼接等工作。数据存储格式为GEOTIFF，重采样方法选择Nearest Neighbor，输出投影类型为Geographic，输出像元大小为0.0025O×0.0025O。

2.2.1 归一化植被指数。归一化植被指数NDVI计算公式：

式中，IR表示近红外波段，R表示红外波段。

归一化植被指数NDVI 数据采用最大合成法，提取每个像素点的年最大NDVI值。

式 中，MMNDVIi为 第 i 月 的 NDVI 值，MAX(NDVIij)为第i 月对应第j 旬的NDVI 值，反映每个像元位置上植被在该月内最好的天气状况下的状态。AMNDVIi为第i 年的NDVI 值；MAX（MMNDVIi）为第i月对应的年最大NDVI值，代表的是该年内每个像元上最旺盛时期的NDVI值。

2.2.2 植被趋势斜率。植被NDVI 趋势斜率：年最大植被NDVI变化采用年际线性变化趋势判断年最大植被NDVI 变化强度和性质，采用郑杰等的方法[17]，对于每个像元上，计算18 年的年最大植被NDVI 线性拟合，趋势斜率用最小二乘法计算，公式如下：

式中，slope为趋势斜率；x、y分别为年份以及该年年最大植被NDVI；分别为年份平均值以及2000—2017 年的年最大植被NDVI 均值。斜率为正值，表示植被NDVI 有变大趋势，即植被长势变好，斜率为值，表示植被NDVI有变小趋势，说明植被退化。

2.2.3 植被变异系数。植被变异系数是反映观测值变异程度的一个统计量。公式如下：

式中，S DNDVI为年最大植被NDVI 逐年平均值的标准差；NDVI为逐年年最大植被NDVI平均值。

变异系数可以消除单位和平均值不同对两个或多个变异程度比较的影响。本文采用奚砚涛[18]等给出的方法求出西藏自治区18 年逐像元的CV 值。并将其分为4个等级：非常稳定（CV 0.14）、稳定（0.14＜CV 0.29）、变异较小（0.29＜CV 0.59）、变异剧烈（CV＞0.59）。

2.2.4 Hurst 指数。Hurst 指数[19-20]是定量描述时间序列信息长期依赖性的有效方法，在水文、气象等领域被广泛应用，其值介于0～1（0＜H＜1）。其中，当0＜H＜0.5 时，表明该序列未来变化趋势与过去相反，过去增加的趋势预示未来将减少，反之则增加，并且H 越接近0，这种反持续越强；当H=0.5 时，时间序列信息为相互独立的随机序列；当0.5＜H＜1时，该序列表现出长期依赖性，即未来的变化趋势与过去一致，并且H越接近1，这种持续性越显著。

2.2.5 相关性分析。根据张仁平等的方法[21]，相关分析法即利用最小二乘方法计算一组自变量和因变量之间的决定系数以探讨两者之间的相关性强弱，决定系数越大相关性越强。对于一组长度为n的自变量x和因变量y，其决定系数的计算方法为：

3 结果分析

3.1 植被NDVI变化特征

雅鲁藏布江流域范围较广，从西藏西北部的阿里地区到藏南的林芝市均有分布，由近18年雅鲁藏布江流域平均年最大植被NDVI 分布可知（图2a），流域内植被分布具有如下特点，由西向东植被NDVI 逐步增大，流域内植被NDVI随海拔高度减小而增大，其中东部主要以林区为主，因此NDVI 值最大。

图2b 是雅鲁藏布江流域植被在近18 年的变化趋势，由表1可以看出流域内植被总体上呈稳定状态，面积为10.29 万km2，占流域总面积的42.29%，主要位于流域中部和西部区域；其次是轻微退化区域，面积为4.88万km2，占流域总面积的20.08%，分布区域主要位于干流诸河和拉萨河附近，而显著退化区的面积不大。就改善区域而言，轻微改善区域比重较大，面积为3.18 万km2，占流域总面积的13.07%，主要出现在里孜以上区域、里孜至拉孜以及尼洋河区域，显著改善区域面积不大。总体来看，雅江流域的植被退化面积略大于改善区。由趋势显著性分析（图2d），变化显著区域位于流域的中部，主要包含拉萨河和干流诸河和年楚河流域。

表1 2000—2017年雅鲁藏布江流域植被变化趋势面积

图2 雅鲁藏布江流域植被NDVI变化趋势空间分布

3.2 NDVI变异系数

由图2c 和表2 可以看出，雅鲁藏布江流域年最大植被NDVI 呈非常稳定和稳定状态的面积最大，分别占流域总面积的37.51%和34.02%，其中非常稳定的部分集中于中部区域，在拉萨河及其南部区域；变异较小的区域占流域总面积的9.03%，主要分布于拉萨市和南部边缘的部分县；变异剧烈的面积只有0.94%.因此，总体上雅鲁藏布江流域的植被呈稳定状态，变化较小。

表2 2000—2017年雅鲁藏布江流域植被波动变化面积

3.3 NDVI趋势持续性分析

参考前人研究的结论和方法，结合研究区Hurst指数值的分布情况将Hurst指数分为三类：即H＜0.35的强反持续性，0.35＜H＜0.5 的弱反持续性，H＞0.5的持续性。利用雅鲁藏布江流域2000—2017年ND‐VI Hurst指数可知（图3a），流域Hurst指数空间差异明显，Hurst 指数介于0.08～0.93，平均值为0.46，总体呈现弱反持续性，所占面积为11.52 万km2，占流域总面积58.02%，表明2017 年后一定时期内雅江流域植被将有所好转。其次是强反持续性，面积为6.65万km2，占流域面积33.49%.（表3）。以上三种类型在空间分布上呈交错性分布，其中强反持续性在上游的里孜以上、里孜至拉孜、中游的干流诸河、拉萨河和年楚河均有较集中的分布。

图3 雅鲁藏布江流域植被NDVI趋势可持续性分布

表3 2000—2017年雅鲁藏布江流域NDVI变化可持续性统计

为进一步研究雅鲁藏布江流域年最大植被NDVI变化趋势和可持续性，将NDVI 变化趋势与可持续性结果进行叠加分析，得到耦合分析结果9 种类型（表4），可以看出NDVI 处于不变持续、不变弱持续、退化弱反持续3 种类型所占的面积最大，分别占全流域的16.38%，29.35%、16.59%。退化持续和改善弱反持续分别占流域面积的10.27%和11.04%，其他4种类型占总面积的16.36%.空间分布上，退化区域仍集中于干流诸河、拉萨河和年楚河区域，而且与由退化转为改善的区域呈交错分布，里孜以上部分区域有少量持续改善状态的植被分布，而退化区主要在拉萨河流域。

表4 2000—2017年雅鲁藏布江流域NDVI变化综合特征统计

3.4 不同类型植被NDVI变化趋势分析

研究区不同植被类型的年最大NDVI值从大到小依次为阔叶林（0.79）＞针叶林（0.78）＞栽培植被（0.55）＞灌丛（0.54）＞草原（0.44）＞草甸（0.38）＞高山植被（0.34）＞其他（0.24）。近18年来雅鲁藏布江不同植被类型年最大NDVI均值变化趋势存在一定差异性。草原、阔叶林、灌丛和栽培类植被四种类型植被NDVI 值呈减少趋势，而草甸、高山植被、针叶林和其他类植被NDVI值呈不同程度的增加趋势。其中减少幅度最大的是草原类植被（-0.01/10a），其他类植被增加的幅度最大（0.011/10a），另外高山植被增加幅度次之（0.009/10a）（图4）。

图4 不同植被类型的NDVI变化趋势

4 植被NDVI与气象因子相关性分析

4.1 气温、降水量变化分析

根据雅鲁藏布江流域内的18 个气象站（2000—2017 年）年平均气温与年降水量变化分析，18 年内气温呈增长态势，2000 年平均气温达到最低值7.1℃，2009 年达到最高值8.6℃，年增温率为0.05℃；降水量呈减少态势，2000 年达到最大值603.0mm，2009 年达到最低值313.3mm，年减少率为5.5mm。因此，近18年雅鲁藏布江流域气候呈暖干化趋势（图5）。

图5 雅鲁藏布江流域气象站点气温与降水量年变化图

4.2 植被NDVI与气象要素的关系

结合前人[17-18]的研究结论，本文就气温和降水量与植被的关系进行了细致的相关分析，考虑了降水的滞后效应，累积降水量的影响，另外还考虑到降水量和气温的协同作用，采用不同的分析方法进行了探讨，以期对植被生长与气候因子之间的关系有更深一步的了解。

本文在年尺度上分析了年最大NDVI与年平均气温和年总降水量的关系发现（图6），年平均气温与植被年最大NDVI 相关性较弱，二者呈负相关（R2=0.2079，P＜0.5）。两年累计降水量与年最大NDVI 具有较好的正相关性（R2=0.3283，P＜0.05）。表明该流域内植被生长可能对降水量的依赖程度略大于温度。

图6 降水量、气温与18个站点植被平均NDVI的关系

4.3 不同类型植被NDVI与气象要素的关系

利用由中国科学院资源环境科学数据中心下载的1：100 万西藏植被类型数据，提取本文研究区域雅鲁藏布江流域的8 种植被类型包括：草甸、草原、高山植被、灌丛、阔叶林、栽培植被、针叶林和其他植被，提取和统计不同类型NDVI 值，将不同类型的年最大植被NDVI 与年平均气温和年降水量进行相关性分析。结果表明，不同植被类型与气象因子的关系具有一定差异，总体来看，降水量与植被具有较好的相关性，其中与栽培类植被的相关性最大，与年平均气温呈负相关，相关系数为-0.66(P＜0.005)，与年降水量和累计两年降水量呈正相关，相关系数分别为0.74 和0.79（P＜0.001），研究区栽培类植被主要以青稞、小麦、油菜和马铃薯为主，说明这些农作物对气象条件具有较强的依赖性。其次，灌丛类植被与气象因子也有较好的相关性，其中与降水量的相关性更强，年降水量和两年累计降水量呈正相关，相关系数分别达到0.59（P＜0.01）和0.73（P＜0.001）。草原类植被与两个气象因素也具有显著的相关性，其中与年平均气温呈负相关，相关系数为-0.51（P＜0.05），与年降水量呈正相关，相关系数为0.59（P＜0.01），与两年累计降水量呈正相关，相关系数为0.61（P＜0.01）。草甸类植被与气温和降水量也具有较好的相关性，与年平均气温呈负相关，相关系数为-0.49（P＜0.05），与年降水量呈正相关，相关系数为0.46（P＜0.05）,与两年累计降水量呈正相关，相关系数为0.49（P＜0.05）。阔叶林类植被与降水量相关性较好，呈正相关，与年降水量和两年累计降水量的相关系数分别为0.6（P＜0.01）和0.47（P＜0.05）。高山植被、针叶林和其他两个类型与气温和降水量的关系较弱，基本上都为弱相关。

表5 不同类型植被与气温和降水量的相关性

5 结语

近18 年雅鲁藏布江流域年最大植被NDVI 随海拔高度的降低，空间上由西向东逐步增大。近18年变化趋势显示流域植被总体上呈稳定状态，占流域面积的42.29%，主要分布于流域中部和西部区域，植被退化区面积占24.48%，主要位于流域中部，改善区面积占16.13%，分布于西北和南部部分区域。结合Hurst指数分析表明，近18 年雅鲁藏布江流域NDVI 变化类型多样，NDVI 处于不变持续、不变弱持续、退化弱反持续3 种类型所占比重最大，分别占流域16.38%，29.35%、16.59%.近18 年来雅鲁藏布江不同植被类型年最大NDVI 均值变化趋势存在一定差异性。草原、阔叶林、灌丛和栽培类植被四种类型植被NDVI 值呈减少趋势，而草甸、高山植被、针叶林和其他类植被NDVI值呈不同程度的增加趋势。

分析2000—2017 年流域内18 个气象站气温和降水变化趋势发现：近18 年年平均气温呈增长态势，年增温率为0.05℃；降水量呈减少态势，年减少率为5.5mm。分析气象要素与植被NDVI的相关性发现，总体上年平均气温与植被年最大NDVI相关性较弱（R2=0.2073，P＜0.05），两年累计降水量与年最大NDVI 具有较好的正相关性（R2=0.5273，P＜0.05）。