從1982年到2011年以NDVI為基礎的植被變化及其對氣候的改變

從1982年到2011年以NDVI為基礎的植被變化及其對氣候的改變：

——以喜馬拉雅山脈中段的科西河流域為研究案例

張一力， 高軍港 ，劉臨山 ，王兆豐，丁敏君， 楊徐朝

11111，23

1.中國科學院地理科學與資源研究所，中國研究所，北京100101，中國

2.江西師范大學，南昌330022，中國

3.氣象科學研究所浙江杭州310008，中國

摘要：由于其在調節陸地碳循環和氣候系統的重要作用，在過去的幾十年里大量

的研究都集中在植被變化的監測。在這項研究中，我們結合了衛星獲得的歸一化

植被指數（NDVI）及氣候因素的數據集，分析1982-2006年喜馬拉雅山脈中段科

西河流域（KRB）植被生長的時空格局。此外，在1998-2011年從全球陸地表面

衛星傳感器數據集的SPOT-4的植被儀器被用來進一步驗證本研究的結果。在區

域尺度上，雖然通過統計學觀察在平均生長季NDVI值有顯著增加，但在整個研

究期間，存在著三個不同時期的對立趨勢。在1982-1994年生長季NDVI顯著增

加，然后在1994-2000年降低，而在2000-2006年，2000-2011年再次增加。

1994-2000突然下降的NDVI很大程度上促進了這些波動在生長季在KRB的NDVI。

在1994-2000年春、夏、秋季NDVI顯著下降。我們對于1994-2000年春、夏、

秋季的NDVI的空間分析進一步支持了突然下降的存在 。

關鍵詞：氣候變化 科西河流域 歸一化植被指數 植被變化 生長季節 分段

線性回歸

1.簡介

從1980-2000，全球大氣中平均二氧化碳的濃度增加了9%（從337到369PPM），

并在1751-2005每十年便以一個更快的速度在增加。大氣中二氧化碳的積累主要

來自化石燃料燃燒，工業過程和大氣，陸地和海洋中的碳交易所貢獻的CO2排放

量，作為地球上主要的碳匯，2000-2008土地排放物吸收率達29％，這是同期海

洋吸收CO2的1.12倍之多，但是，它仍然不能確定我們的地球上的碳匯大小和

時空變化的關系。植被生產力是改變陸地碳凈吸收變化的主要調節器，此外，植

被生產率的變化會改變生物陸地表面物理性質和能量在大氣中轉移的性質，其最

終可能會導致局部或區域性的氣候變化。因此，植被生長被給予越來越多的關注

及其對過去幾十年大陸和全球尺度的氣候變化響應的動態規則。

氣候變化最明顯的區域是歐亞大陸，尤其是在亞洲中部的青藏高原這通常被

稱為世界第三極。青藏高原包含1000平方公里冰川跨越十幾個國家，這是冰川

在除北極和南極以外最大程度分布. 在這一地區了解氣候變化對植被生長的影

響至關重要，因為這一地區在世界上升溫最迅速和冰川融化最迅速的區域之間，

從青藏高原供給印度河，雅魯藏布江，長江及其他主要亞洲河流的上游。在過去

的30年中，在歐亞大陸植被生長引起的氣候變化已經有兩種主要的調查方法。

第一種方法是，通過衛星獲得的歸一化植被指數（NDVI）數據直接作為植物光合

作用的替代檢測生物反應對氣候變化的影響。另一種方法是，來自衛星的NDVI

數據被納入植被生產力模型（如生物群落具體的生產效率模型）由葉面積指數

（LAI）來評估每月及廢止變化凈初級生產力。NDVI是紅光和近紅外反射率的標

準比率，并通常被認為是陸地植被生長的代理，因為它是與光合有效輻射通過植

物冠層，葉面積指數，光合潛力和生物吸收的部分相關。以往的研究有一個強有

力的事實，在20世紀80年代和90年代一般的綠化率北美都強于歐亞大陸。這

種假設用以反映歐亞大陸春季氣溫較快的上升。一些研究還表明，歐亞大陸的碳

匯在20世紀80年代和90年代比較顯著。然而，最近的一些研究表明，植被生

長的增加在20世紀80年代和90年代可能已經停滯不前，歐亞大陸的一些地區

的轉變甚至是在過去的10年。例如，樸等人發現的植被指數（TP）一個轉折點

發生于1997年的溫帶和寒溫帶歐亞大陸，從1982-1997年一個時期增加到

1997-2000年另一個時期的減少。

邱（2008）表示，在全球氣候變化的主要原因中青藏高原的高度起著舉足輕

重的作用 。在科西河流域 （KRB），是世界上最高的盆地，位于喜馬拉雅山脈中

段青藏高原南緣。KRB受到比較少的人為干擾（夏爾馬等，2000;匠，2005），2008

年這主要發生在KRB的中部（Solukhumbu，Taplejung，Sankhuwasabha， 和

Dolakha區_尼泊爾）和北部（薩迦，聶拉木，定日， 定結，崗巴和縣_中國）地

區，人口平均密度小于86.5人/平方公里和3.6人/平方公里（Joshi等人，2008;

西藏統計局，2008）。這使得KRB是一種理想的實驗區，用于識別對植物生長增

加對全球氣候變化的影響（鄭，2005）。無論是KRB植被變化與上世紀80年代和

90年代的植被綠化工作規則保持一致（詹森等，2003；Nemani等，2003；Ciais

等，2005；波特等，2007；樸等，2009；Ciais等， 2010），或在1997年出現

的相反結果仍是不確定的（樸等，2010）。

關鍵是要了解植物的生長和碳循環對環境變化的影響，以及對將來陸地生態

系統和氣候系統在這個區域之間的交互作出預測。本研究的主要目的是探討在哪

里，什么時候，為什么植被變化在過去的30年發生在KRB。首先，我們分析

1982-2006年氣溫和降水數據的變化去得出季節性增長NDVI與氣候因素的關系；

然后我們研究了每一季歸一化植被指數的變化趨勢獲得了進一步了解，每個季節

的變化在不斷增長的反季節NDVI的貢獻。在這方面，我們采用了分段回歸的方

法來檢測潛在的轉折點（TPS）的NDVI時間序列數據。

2.1數據和方法

2.1．研究區域

在KRB（26°84'-29°15'，東經85°38'-88°95'E）是中國和尼泊爾邊境

的一個重要跨界流域，面積53955平方公里面積在喜馬拉雅山中段。它傳播由東

向西沿中國和尼泊爾之間的邊界，有三大河流（阿倫，太陽志和Tamur河）。山

珠穆朗瑪峰（珠峰）位于KRB的中心。在北部和南部的山邊珠穆朗瑪峰，記錄了

存在于KRB氣象觀測站的數據顯示，陡峭的北到南海拔梯度導致的變化在年降水

量和溫度。在北坡，從不到300毫米的KRB北部超過600毫米的KRB中部山區年

降水量的范圍，而年平均溫度為低于-5.0°C至高于3.0℃。在南坡，年降水量

在1000毫米左右的范圍中的中部山區KRB以超過2500毫米，南部地區，而年平

均溫度范圍從低于1.0℃至高于20℃的。隨著大仰角和氣候的變化，在整個KRB

植被顯示一個明顯的垂直分帶性。整個KRB植被冰川，草原和灌木林，以林的范

圍，包括大部分地球上的完整的植被類型，如高寒半干旱草原，高寒，凍土草甸，

高寒，凍土冰磧地衣，亞高山的磨砂草甸，山地寒溫帶針葉林，山地暖溫帶針闊

葉混交林和山地亞熱帶常綠闊葉林。

2.2數據集

兩個NDVI數據集系列以不同的時間和空間分辨率在這項研究中被采納。雙周

NDVI數據集8公里在1982-2006年的空間分辨率是由全球庫存建模與定位研究

（GIMMS）提供。該數據集從減少校準，視幾何和火山氣溶膠產生的NDVI變化和

利用穩定沙漠的控制點已核實。此外，為期10天的復合材料的全球陸地表面的

衛星傳感器數據集的SPOT-4的植被（VGT），文書，2011年12月較高的分辨率為

1公里，從1998年5月也被用來進一步核實的變化趨勢，植被生長在一個區域規

模。在這項研究中，氣候數據，包括每月的溫度和降水數據集是從的最新版本得

到高分辨率氣候研究組時間序列（CRU-TS）3.1數據集來自東安格利亞大學。這

是一個網格化數據集的空間分辨率在1982年至2009年0.5°。

2.3數據分析

最大值復合材料是一種簡單的方法來降低NDVI噪聲。從8公里，1公里分辨率的

NDVI數據集采用最大值合成兩個或三個的NDVI圖像從每個月生成每月的NDVI

數據。四月至十月分別在KRB定義為生長季節每一年。生長季NDVI（GSN）為平

均每月復合植被指數這一時期，被分為三個季節如下：春季NDVI（SPN），（四，

五月）;夏季NDVI（SMN）（六月，七月和八月）;秋季NDVI（ATN）（九月和十月）。

為了進一步對比的變化趨勢NDVI數據集較長的時間序列，我們計算過用即期VGT

NDVI數據集的研究領域的發展趨勢GSN。如圖。2，3和4中，GSN變化趨勢SPOT

VGT1998-2006年在類似于那些在GIMMS GSN，表明在本研究中使用的NDVI時間

序列可以可靠地識別出變化的綠色植被在KRB。要在一定時期內（如1982-2006

年或1982-1994年）發現的變化趨勢，NDVI與氣候（溫度和降水），最小二乘法

線性回歸應用如下：

其中Y代表年NDVI值或氣候變化，T是今年以來，A和B都配變量（a為截距，b

為斜率），ε為殘差。

施加的分段回歸模型以檢測NDVI時間序列在本研究中的電位變化的定時和幅度。

在以往的研究中，分段回歸模型已被廣泛用于評價的變化趨勢群落生態學，NDVI

與氣候隨著時間的推移，因為它有效地檢測在噪聲的時間序列數據TPS：

其中y是每年NDVI; t為一年;α為時間序列的估計TP;β0，β1，β2和是回歸

系數（β0是截距和β1，β1+β2確定的趨勢的大小之前和TP后，分別）;和ε

是殘差隨機誤差。

因為長的時間序列數據中可能包含多于一個轉折點，方程（2）已被修改，本文

以檢測一個以上的TP，如下所示：

其中n是TP于該時間序列和α的編號i+1是第i個TP的時間。式中的其他參數

（3）如上述所定義。最小二乘線性回歸來估計α和其他系數。AP-valueb0.05

被認為顯著。為了進一步探討氣候因素推動變化的NDVI，溫度和降水的趨勢也使

用修訂后的方程建模（3）。要做到這一點，我們從0.5°使用最近鄰方法的1公

里分辨率的重新采樣的氣候數據。

3.結果和討論

3.1變化NDVI與拐點（turning point）

在區域尺度上，GSN的TP IN1982-2006年中的NDVI數據集中發生在1994年和

2000年（圖2）。盡管觀察到在整個研究期間（R^2 =0.19，P =0.0313）（數據未

示出）中的GSN具有統計學顯著趨勢，存在著三種不同的時期具有相反的變化趨

勢：1982年至1994年，1994年至2000年，和2（圖2）。在1982-1994

年，GSN空間平均在KRB微升0.0019每年（R ^ 2=0.36，P=0.0309），這與以往

的研究周和樸等人是一致的。顯著的植被生長在歐亞大陸上世紀80年代和90年

代（圖2）增強。在1994-2000年，GSN在KRB突然下降- 0.0058 YR-1

（R^2=0.90，P<0.0001），這是顯著低于-0.0013 YR-1在樸等人的研究。在歐亞

大陸同期。從2000年到2006年，GSN顯著增加0.0049/年（R^2=0.48，Pb0.0001），

這是相反的由樸等人的報告。在歐亞大陸在同一時間段。通過SPOT VGT NDVI數

據集，我們發現，GSN在2000-2011顯著增加了0.0034 YR-1的平均速率

（R^2=0.57，P <0.0001）（圖2）。相反的變化空間平均GSN在KRB在1994年和

2000年引發了以前主要由之前的變化，SPN和ATN的在這兩個TP之后（圖3和

圖5）;而SMN沒有在1994年和2000年在GSN的變化的顯著貢獻（圖4）。這兩

個SPN和ATN中的NDVI數據集中在1982-1994年增加（R ^ 2=0.39，P=0.0225

為SPN，R^2=0.29，P=0.0573為ATN），并在1994-2000年顯著下降（R ^ 2= 0.41，

P =0.0004為SPN，R^ 2 =0.48，P =0.0002為ATN），然后由0.0053年

(R^2=0.59,P<0.0001)以及0.0030年-1（R再次增加^2=0.50，P<0.0001），分別

為2000-2006年。基于SPOT VGT NDVI數據集在2000-2011也證實了結果的SPN

和ATN顯著在KRB2000年之后增加（圖3和圖5）。GIMMS中的NDVI數據集的SMN

增加1982至2006年，并在SPOT的VGT NDVI數據集2000-2011不顯著。我們的

研究還顯示，總共學習時間內的植被指數總體變化趨勢可能會掩蓋在短期內一些

顯著變化。

3.2 NDVI對氣候變化的響應

改變植被生產力，主要是由氣候變化確定。許多研究表明，溫度的變化在開始和

生長季節的結束，對植被生長在寒帶地區有很大的影響。上升春季和秋季氣溫會

延長生長期，有利于碳同化，并增加生物量的增長和植被生產力。在我們的研究

中，這些效果是由SPN，春季溫度（R ^ 2=0.46，P=0.0080），在1982-1994年的

KRB，并通過ATN和秋季溫度之間的更強的正相關關系（之間的正相關關系進一

步證實R ^ 2=0.31，P=0.1980），比2000-2006年ATN和沉淀（R ^ 2=0.05，P

=0.6210）之間。【在我們的研究中，這些作用進一步SPN，春季溫度之間的正相

關關系，在KRB證實在1982-1994年，以及ATN和秋季溫度之間的更強的正相關

性比ATN和降水量2000-2006之間（圖3和圖5）】然而，SPN在1982-2000年和

1994-2009年ATN用了更多的降水呈負相關比溫度，尤其是在1982-1994年秋天

（R^2=0.35，P=0.0330）。進一步檢測在2082至00年的沉淀上ATN的效果，皮

爾遜相關性（r=-0.405，p =0.0440）和偏相關系數（R =-0.411，p =0.0460）

施加并顯示出相同的結果。因此，溫度或降水是否主要氣候因素影響植被生產力

與季節和周期自1982年以來，在KRB變化，這可能導致TP在植被生長在1994

年和2000年。這是與以前的研究由樸等不同。這可能是由高海拔獨特的生物地

理和植被對全球氣候變化KRB的反應來做出了貢獻。類似與SPN和交替進行溫度

和降水調節ATN，SMN是降水比氣溫更1982-2000相關。類似與SPN和ATN的人

或者受溫度和降水調節，SMN是降水較相關（r^2=0.14，P=0.2050在1982年至

1994年，R^2=0.50，P=0.1180在1994-2000）比與溫度（R ^ 2=0.01，P=0.7550

在1982-1994年，R^2=0.15，P=0.4460在1994-2000），在1982-2000年。然而，

SMN是隨溫度更相關（ r^2=0.32，P=0.1220 ）高于降水量（R ^ 2=0.01，P=0.7590），

在2000-2009年的KRB（圖4）。不同與夏季降水未在整個研究期間（R ^ 2=0.09，

P=0.1271），夏季溫度顯示顯著展會之一顯著趨勢（R ^ 2=0.25，P =0.0064）（圖

4）。我們在大部分的研究階段的結果是違背了以前的研究，最近的炎熱和干燥的

夏季氣候導致電流減少植被生長橫跨歐亞大陸和北半球觀察到的。這可能是通過

增加不能達到對植被生長在KRB令人滿意的水平降水減少的土壤溫度所引起的。

3.3 生長季節植被指數趨勢的空間格局

跨越80％的研究區1982-1994年中（圖6b）GSN的增加，特別是在西南KRB其中

GSN超過0.002 YR-1。最西南KRB經歷大幅增加生長期降水量的速度>2毫米YR-1

在1982年 - 1994（圖6J），同時溫度不顯著在該區域減少在1982-1994（圖6F）。

因此，GSN在1982-1994年的增長更相關，降水量比溫度，雖然上升的大氣CO2

濃度，氮沉降和人為活動，如土地管理和植樹造林還可以在GSN的增長發揮了作

用。GSN的整個研究區的86％下降的速度低于-0.005 YR-11994-2000年，當顯著

濕的趨勢（>5毫米YR-1），在此期間在整個發生在生長季節KRB（圖6中C和K）。

在2000-2006年，GSN增加整個研究區域（圖6d）和生長季節的溫度在整個KRB

（圖6H）通常增加60％。最顯著增加的GSN（>0.005 YR-1）發生在尼泊爾的KRB

（圖6d）與氣候變暖的趨勢（圖6H），而在東部KRB生長季節降雨的減少導致了

GSN有所下降2000-2006年（圖6L）。基于現場VGT NDVI數據集，GSN在研究區

域內的86％上升2000-2011，在尼泊爾KRB（圖7a）中出現的增幅最為明顯。雖

然GSN在1994年之前上升，下降1994-2000年，然后再次登上2000年以后，總

增加的GSN在整個研究期間，地區相對不明顯（圖2）。地區費率范圍從-0.002

年-1至0.002 YR-1 GSN占研究區的86％。這也表明，在GSN的改變了，在空間

格局與降水量較顯著負相關關系。

3.4 季節性植被指數趨勢的空間格局

NDVI趨勢的方向在春季，夏季和秋季大致扭轉了1994年和2000年，在1982-1994

年的初始上升，在1994-2000年的下降，而在2000-2006年的最終增長。該SPN，

例如，增加在研究面積超過52％，在1982年至1994年（圖8N），降低了研究區

的82％，在1994至2000年（圖80），并再次增加超過研究區2000-2006年（圖

8P）的62％，可能表明不同的氣候趨勢的三個時期之一。這些空間格局進一步被

SPOT VGT NDVI數據在2000-2011證實了研究區的93％以上（圖7b）。以往的研

究表明，降低春季氣溫普遍延遲植被綠色行動和相關的序貫在寒帶地區減少植被

的生長。然而，增加的SPN沒有與氣候變暖的趨勢時，在KRB（圖6R）1982-1994

聯系在一起，但它可能與春季降水（圖6V）的下降。該SPN顯著下降1994-2000

年和在大多數研究區2000-2006年增加（圖6 O和P），擁有超過0.05℃，YR-1

在此期間，春季氣溫的速率增加（圖6 s和t）。這些模式表明，溫度升高可能不

會永遠是關鍵因素，因為1982年在KRB駕駛更高的SPN，而變化的春季降水可能

已經NDVI的一個顯著負面影響（圖6 W和X）。此結果與研究由樸和Richardson

相反。這是因為，溫度和降水對植被生長在高海拔位置的影響是不同的，在較低

的高度位置。降水量增加，可能會導致土壤溫度降低，而土壤溫度大概是最低限

制植被生長因子在這一領域。根據最小的李比希的定律，降低土壤溫度可能會限

制了植被的生長。

GIMMS中SMN中的NDVI數據集中在整個研究期間中的增加觀察到的KRB的60％

以上，在1982至2006年。從2000年到2011年，SMN現貨VGT NDVI數據集顯示，

超過90％的研究區（圖7C）的上升趨勢。不過，也有一段1994年至2000年，

其中約79％的研究區顯示，SMN（圖8C）突然下降;在此期間，夏季氣溫經歷的

增加，南部KRB和KRB北部的一個顯著的下降（圖8克）;夏季降水不斷

在整個KRB增加1994-2000（圖8K）。在KRB南部，在SMN減少主要貢獻增加所

增加的夏季氣溫在1994?2000年有關夏季降水。大面積水田分布在KRB南部輕

微的斜坡，而降水增加將加速土壤侵蝕，這些耕地面積，并導致SMN的下降。在

KRB北部，但是，降低溫度和降水增加抑制了植被的生長，這主要是由于KRB北

部高海拔地區。從1982年到1994年，SMN增加在北部KRB并在KRB南部零散補

丁的形式很可能是由于夏季氣溫的整個地區的下降（圖8F），也由于在下降降水

量除東北地區KRB（圖8J）。在2000-2006年顯著增加的SMN觀察對面約79％的

KRB，并主要分布在南部KRB（圖8d）。這可以通過具有增加的夏季溫度（圖8的

H和L）相關聯的夏季降水的顯著增加來解釋。改變SMN在KRB南部（中區在KRB

如Sindhuli，Sindhupalchok，的Bhojpur和Ramechhap南緣）也受到負面的相

對激烈的人類學活動和泥石流是由于有利的氣候種植在最近影響年。例如，平均

人口密度在這些南部KRB區是超過386.3人/平方千米于2008年，在5.7人/平

方千米/年的速度越來越快；而植被生長在北方的KRB被長期限制積雪，低溫，

低水分利用效率在高海拔地區。

在ATN的增長發生在80％的KRB在1982-1994年（圖8N），并在2000-2006年65％

的KRB（圖8P），特別是在中部和南部的KRB，其中顯著秋天干燥還觀察到（圖

8V和X）。然而，下降的秋季降水量一般認為抑制植物生長在蒙古東部和中國東

南部，同時增加植被生產力的寒帶地區，是由于秋季氣溫上升。在ATN減少橫跨

約74％的研究區觀察1994-2000（圖80）和被相對均勻地分布在整個KRB。在ATN

在KRB北部的下降可能已經在迅速增加秋季降水，秋季溫度（圖8S和W）的減少

有關。在ATN在KRB南部的減少可能與增加秋季降水（圖8 W）可以部分相關聯。

雖然我們的NDVI為基礎的變化，植被生長的分析與以前的報告相比顯著改善，

未來的研究可以進一步提高對植被生長在一個較長的時間序列氣候變化影響的

認識。此外，未來的研究將是非常有價值的，如果他們能結合的過程為基礎的生

態系統模型和氣候模型，并探討植被生長的變化是如何影響陸地生態系統碳循環

及其反饋給地球的氣候系統。這項研究將有助于確定影響植被生長的時空格局在

過去的三十年中的主要因素。

4.結論

我們的研究表明，植物生產力增加，在1982-1994期間KRB，這與先前跨越

歐亞的結果一致。然而，在1994-2000年的急劇下降，并在2000-2011在KRB隨

后增加植被生產力不同于先前的研究。氣候變化可能在植被生長的這種趨勢中發

揮了重要作用。本研究表明，在1982-2006年的整個研究期間的線性趨勢無法準

確在整個研究期間顯示出植被生長的實際時間模式。該研究還表明，植被指數在

1982-1994年和1994-2000年期間顯著下降與降水在1982-1994年突然增加相關，

但SPN，這表明，在KRB植被生長在短期內對降水顯著變化很敏感。此外， 1994

年植被生長在KRB出現了第一個轉折點比跨歐亞大陸的研究早3年，這可以通過

植被生長對高，低海拔地區的氣候變化反應差異得出結論。對KRB植被生長的空

間格局進行了各種分析與在不同的時期受顯著溫度或降水變化影響。