中亚草地植被指数（ NDVI ）对气候变化及人类活动的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00095

摘要/Abstract

摘要：

中亚草地植被对气候变化和人类活动响应十分敏感，但气候变化和人类活动对草地植被变化的相对贡献仍不确定。本文基于3套气象数据集及归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）数据，利用残差分析方法，研究中亚草地NDVI变化格局及气候变化和人类活动的相对贡献。结果表明：1982—2014年中亚草地NDVI增长幅度为0.026/10a；空间上，NDVI与降水变化格局对应，呈现中西部下降而东部丘陵山区上升趋势。残差分析表明气候变化（CFSR数据，Climate Forecast System Reanalysis）相对贡献占71.21%，人类活动相对贡献占28.79%。人类活动对NDVI贡献较大的区域主要分布在阿尔泰山区、天山山区及哈萨克斯坦东南部草原，贡献较小的区域主要分布在南疆地区以及中亚中西部荒漠区。中亚绝大多数地区草地NDVI与降水呈显著正相关，而增温的促进作用主要发生在高纬、高寒山区。NDVI与气温相关性呈逐渐降低趋势，尽管未来全球性增温依然是中亚草地面临的巨大挑战，但随着草地植被抗逆性的提高，增温对草地的影响可能不会如预期那么严重。

关键词: 草地动态, 气候变化, 人类活动, 成因分析, 时空特征

Abstract:

Dryland grasslands in Central Asia are threatened by climate change and human activities， but their relative contribution to grassland changes is still uncertain. Based on three sets of meteorological data and NDVI （Normalized Difference Vegetation Index）， this paper uses the residual analysis to study the grassland change pattern in Central Asia and the relative contributions of environmental and human factors. The results showed that the NDVI growth rate of grassland in Central Asia was 0.026/10a during 1982 to 2014. Spatially， the NDVI variations were similar to that of precipitation， showing a downward trend in the central and western regions and an upward trend in the hilly and mountainous regions of the east. The residual analysis shows that the relative contribution of climate change （CFSR， Climate Forecast System Reanalysis） and human activities account for 71.21% and 28.79%， respectively. The areas where man-made disturbances contribute more to NDVI changes are mainly located in the Altay Mountains， Tianshan Mountains and the grasslands of southeastern Kazakhstan， while the less contribution areas are mainly located in the southern Xinjiang and the desert regions of Central Asia. In most areas of Central Asia， grassland has a significant positive correlation with precipitation， and the warming promotion mainly occurs in high-latitude and alpine mountainous areas. The correlation between NDVI and temperature is gradually decreasing. Although global warming is still a huge challenge for Central Asian grasslands in the future， with the improvement of grassland vegetation resistance， the impact of warming on grasslands may not be as severe as expected.

Key words: grassland dynamics, climate change, human activities, driver analysis, temporal and spatial characteristics

中图分类号:

Q948.15

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图/表 11

图1 中亚位置及放牧草地所占比例

Fig.1 The location and pasture distribution of Central Asia

表1 气候变化与人类活动对 NDVI 变化的相对贡献确定方法

Table 1 Method for determining relative contributions of climate change and human disturbance to NDVI variations

类别	情景	Slope(NDVI_p)	Slope(NDVI_r)	气候变化贡献	人类活动贡献	描述
植被改善区	S1	>0	>0	$+$	$+$	共同作用
	S2	>0	<0	$+$	0	气候因子主导
	S3	<0	>0	0	$+$	人类活动主导
植被退化区	S4	<0	<0	—	—	共同作用
	S5	<0	>0	—	0	气候因子主导
	S6	>0	<0	0	—	人类活动主导

表1 气候变化与人类活动对 NDVI 变化的相对贡献确定方法

Table 1 Method for determining relative contributions of climate change and human disturbance to NDVI variations

类别	情景	Slope(NDVI_p)	Slope(NDVI_r)	气候变化贡献	人类活动贡献	描述
植被改善区	S1	>0	>0	$+$	$+$	共同作用
	S2	>0	<0	$+$	0	气候因子主导
	S3	<0	>0	0	$+$	人类活动主导
植被退化区	S4	<0	<0	—	—	共同作用
	S5	<0	>0	—	0	气候因子主导
	S6	>0	<0	0	—	人类活动主导

图2 1982—2014年中亚草地生长季NDVImax、NDVImin和NDVImean距平变化趋势（A）以及CFSR、MERRA、ERA-interim再分析数据年平均气温（tavg）和年降水量（ppt）时间变化趋势（B）

Fig. 2 Anomalies of growing season NDVImax， NDVImin and NDVImean （A） and anomalies of annual mean of temperature （tavg） and annual total precipitation （ppt） calculated from CFSR， MERRA， and ERA-interim reanalysis data （B） over grasslands in Central Asia during 1982 to 2014

图3 基于MERRA，CFSR以及ERA-interim再分析数据的1982—2014年中亚草地年平均气温和年降水量变化空间格局

Fig.3 Spatial patterns of temporal trends of annual total precipitation and mean temperature over grasslands in Central Asia during 1982 to 2014 calculated from MERRA， CFSR and ERA-interim reanalysis datasets

图4 1982—2014年生长季（4—10月）中亚草地NDVI平均值变化趋势

Fig.4 Trends of growing season （April-October） NDVI over grasslands in Central Asia during 1982 to 2014

图5 基于不同气候数据（MERRA、ERA-interim、CFSR）的气温和降水与生长季NDVI偏相关系数（小插图的红色表示相关达到0.05显著水平区域）

Fig.5 Partial correlations of NDVI with precipitation and temperature based on MERRA， ERA-interim and CFSRreanalysis datasets. Red areas in the small inserted maps indicated the correlations significant at levels of 0.05

图6 1982—2014年生长季NDVI与气温和降水的相关性随时间变化趋势

Fig.6 Temporal trends of correlation coefficients of growing season NDVI with precipitation and temperature in Central Asia during 1982 to 2014

图7 基于CFSR气候因子预测的NDVI变化趋势（A）以及人类活动导致NDVI的变化趋势（B），人类活动对NDVI变化的相对贡献（C），以及气候与人类活动对NDVI影响的不同情景的空间分布（D）及所占比例（圆环，E）

Fig.7 NDVI change caused by the CFSR climate factors （A） and by human activities （B）， the relative contribution of human activities to NDVI （C）， and the spatial distribution and proportion （circular， E） of different scenarios of the impact of climate and human activities on NDVI （D）

图8 基于ERA气候因子预测的NDVI变化趋势（A）以及人类活动导致NDVI的变化趋势（B），人类活动对NDVI的相对贡献（C），以及气候与人类活动对NDVI影响的不同情景的空间分布（D）及所占比例（圆环，E）

Fig.8 NDVI change caused by the ERA climate factors （A） and by human activities （B）， the relative contribution of human activities to NDVI （C）， and the spatial distribution and proportion （circular， E） of different scenarios of the impact of climate and human activities on NDVI （D）

图9 基于MERRA气候因子预测的NDVI变化趋势（A）以及人类活动导致NDVI的变化趋势（B），人类活动对NDVI的相对贡献（C），以及气候与人类活动对NDVI影响的不同情景的空间分布（D）及所占比例（圆环，E）

Fig. 9 NDVI change caused by the MERRA climate factors （A） and by human activities （B）， the relative contribution of human activities to NDVI （C）， and the spatial distribution and proportion （circular， E） of different scenarios of the impact of climate and human activities on NDVI （D）

图10 低矮植被面积比例变化与裸地面积比例变化对NDVI变化趋势的影响（A），林地面积比例变化与裸地面积比例变化对NDVI变化趋势的影响（B），以及低矮植被面积比例变化和林地面积比例变化对NDVI变化趋势的影响（C）

Fig.10 The impact of short vegetation coverage changes and bare change （A）， tree canopy and bare change （B）， short vegetation coverage changes and tree canopy changes （C） on the temporal trend of NDVI during 1982-2014

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