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GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 32, L06402, doi:10.1029/2004GL021764, 2005
基于NDVI数据呈现出中国过去二十年荒漠化下降情况
Shilong Piao, Jingyun Fang, Hongyan Liu, and Biao Zhu
Department of Ecology, College of Environmental Sciences, and Key Laboratory for Earth Surface Processes of the Ministryof Education, Peking University, Beijing, China
Received 15 October 2004; revised 10 January 2005; accepted 21 February 2005; published 17 March 2005.
[1] 在这项研究中，我们通过调查干旱和半干旱地区面积变化和归一化差异植被指数（NDVI），从1982年到1999年，探索了中国荒漠化的趋势，采用NDVI时间序列数据集和气候变量。我们使用Thornthwaite水分指数（Im）来定义干旱和半干旱地区为Im le;40和-40lt;Imle;20。二十年来，干旱半干旱地区大部分地区雨季NDVI（五月至十月NDVI）分别增加，分别占干旱半干旱地区总面积的72.3％和88.2％。与20世纪80年代初相比，到20世纪90年代末，干旱半干旱地区的面积减少了23times;104平方公里（6.9％）和7times;104平方公里（7.9％），这表明这两个气候区域的荒漠化过程逆转。温暖湿润气候的转变和人类活动的干扰减弱可能是这一下降趋势的主要原因。
引用：Piao, S., J. Fang, H. Liu, and B. Zhu (2005), NDVIindicated decline in desertification in China in the past two decades, Geophys. Res. Lett., 32, L06402, doi:10.1029/ 2004GL021764.
1.介绍
[2]荒漠化的定义是由气候变化和人为扰动驱动的干旱或半干旱生态系统的土地退化[联合国环境规划署，1995年]。作为全球环境变化的重大课题之一，引起了科学家和决策者的广泛关注[Prince 等，1998]。在全国范围内，中国是沙漠化最严重的国家之一[Ci，1994]。根据第一次全国荒漠化土地调查，中国荒漠化土地估计约为262times;104平方公里，占全国领土的27.3％[中国执行国际防治荒漠化公约，1996年]。受荒漠化影响的地区主要分布在中纬度地区，纬度地理坐标约为35°-50°N，经度为75°-125°E [Ci，1994]。最近的研究表明，这些地区不仅温度明显升高[Piao 等，2003]，而且降水也有所增加，有些研究认为中国干旱地区的气候已从温暖化转变为温暖-湿型[例如,Shi 等，2003]。中国这种气候变化对荒漠化的影响一直是公开争议的，但仍然存在很大的不确定性。
[3]卫星遥感提供了监测和表征大规模土地退化趋势的技术[Tucker等，1991; Eklundh和Olsson，2003]。在本论文中，我们使用从1982年至1999年提供的高级超高分辨率辐射计（AVHRR）获得的归一化差异植被指数（NDVI）的时间序列数据集[Tucker 等，2001; Zhou等，2001]以及降水和温度数据集，通过确定干旱区和半干旱地区的气候边界以及这些地区NDVI的变化来研究中国沙漠地区的变化。
2.数据集
[4]归一化差异植被指数（NDVI）定义为近红外反射率与红色可见光反射率之差与其总和的比值，是植被覆盖量和状态的指标[Myneni等，1995,1998 ]。本研究中使用的NDVI数据集由全球库存监测和建模研究（GIMMS）组使用AVHRR / NOAA系列卫星（NOAA 7,9,11和14），空间分辨率为8times;8 km2，1982年至1999年间的15天间隔[Zhou 等，2001]。GIMMS NDVI数据集已被纠正，以消除由火山喷发造成的传感器降解，云层和平流层气溶胶负荷引起的噪声[Kaufmann 等，2000; Myneni 等，2001; Tucker等，2001]。Slayback等人讨论了GIMS数据库的质量问题。 [2003]，建议数据集适合于识别植被活动长期趋势。月度NDVI是从Holben [1986]提出的月度最大值复合材料（MVC）方法获得的。
[5]我们还使用了中国气象局从1982年1月至1999年12月收集的205个气象站的月平均气温和降水量，分为中国气象局国家气象中心预处理的干旱，半干旱和半湿润地区 [Fang等，2001; Piao 等，2003]。
3.方法
[6]中国干旱和半干旱地区气象站的相对稀缺在确定干旱和半干旱地区以及半干旱地区和半湿润地区之间的连续气候边界方面产生技术上的困难，仅基于有限的气候数据。 NDVI数据集提供了关于植被覆盖的空间连续信息，因此已经与气候数据结合使用以获得空间连续的边界。例如，使用平均雨季NDVI与年降水量之间的线性关系，Tucker等 [1991]和Tucker和Nicholson [1999]提出了对应于年平均降雨200毫米的阈值NDVI值来描绘撒哈拉沙漠的边界。观察到每年200毫米等年间年际运动的低变异性意味着可能通过这种方法检测到遭受荒漠化的地区[Tucker等，1991]。
图一
横坐标为Thornthwaite水分指数（Im）
纵坐标为雨季NDVI指数
图1.中国干旱/半干旱地区的雨季（5月至10月）平均NDVI与水分指数（Im）之间的相关性，Imle;0。 气候参数Im来自Thornthwaite [1948]。
[7]干旱半干旱地区降水主要发生在中国5月至10月（中国科学院地理科学委员会编委1985年），占全年降水量的86％。因此，本研究使用5月至10月的平均NDVI（定义为雨季NDVI）。 Thornthwaite的水分指数（Im）可以有效地指示气候条件[Thornthwaite，1948]，并被教科文组织用于确定世界干旱和半干旱气候的区域[Ci，1994]。因此，使用分布在干旱，半干旱和半湿地区（不包括农田的气象站）的平均Im值和相应的雨季NDVI，在农业区域下降，以消除施肥对植被覆盖的强烈影响），雨季之间的关系 NDVI和Im值回归（NDVI = 0.0052Im 0.4271，R2 = 0.61，P lt;0.001）（图1）。根据中国这些干旱地区的分界性标准，-40和-20的Im等值线分别对应于干旱和半干旱地区以及半干旱和半湿润地区之间的边界[Fang和Yoda，1990]。换句话说，Im在-40以下的区域属于干旱地区，而Im区域在半干旱地区为-40〜-20。 基于此回归分析，对应于干旱半干旱地区和半干旱地区与半干旱地区边界的NDVI值分别为0.219和0.323，用于量化干旱半干旱地区及其年际变化。
图二
横坐标为年份
纵坐标为雨季NDVI指数
图2. 1982 - 1999年干旱（Imle;-40），半干旱地区（-40 lt;Imle;-20）和中国塔克拉玛干沙漠的雨季NDVI年际变化。 在塔克拉玛干沙漠NDVI时间序列中，非常弱的但不显着的降低（R2 = 0.05; P = 0.366）表明本研究中使用的时间序列的稳定性。
4.结果
[8]干旱和半干旱地区平均雨季NDVI在1982 - 1999年间均有显着增加，而塔克拉玛干沙漠的NDVI在时间上没有显着统计学意义（R2 = 0.05; P = 0.366），表明本研究中使用的NDVI时间序列来确定干旱和半干旱地区绿色植被的年际变化的稳定性（图2）。过去18年来，干旱地区平均雨季NDVI每年增加了0.0006，年均增长率为0.5％（R2 = 0.31; P = 0.017）。半干旱地区雨季NDVI（R2 = 0.58; P lt;0.001）的相对年增长率为0.8％，超过干旱地区。
[9] NDVI趋势（雨季NDVI与年份）每个像素的空间分布也符合图2所示的结果，干旱和半干旱地区大多数像素的雨季NDVI在过去二十年中呈现出积极的趋势。全国干旱地区增长幅度达72.3％，明显上升16.6％，仅显著下降1.3％。半干旱地区，NDVI增幅达88.2％，增幅37.0％。
图三
横坐标为年份
纵坐标为面积
图3. 1982年至1999年间中国干旱（a）和半干旱地区（b）的18年间的年际变化。
[10]干旱和半干旱地区的年均变化在过去18年中呈下降趋势（图3）。干旱地区面积减少23times;104 km2，占总干旱地区的6.9％（R2 = 0.49，P = 0.001）（图3a），半干旱地区为7times;104 km2或占半干旱地区总面积的7.9％（R2 = 0.32，P = 0.014）（图3b）。这两个气候区域的总体下降幅度从20世纪80年代初的420times;104 km2（1982 - 1984年的平均值）到90年代末的390times;104 km2（1997 - 1999年的平均值）降为30times;104 km2（7.1％）。
图四
图4. 1980年代初（1982 - 1984年）和1990年代末（1997 - 1999年）干旱和半干旱地区的空间分布。 1982 - 1999年全年降水趋势（全面开放）各个气候站下降，干旱和半干旱地区也有所下降。 有关详细信息，请参阅文本。
[11]干旱和半干旱地区的空间分布如图4所示。天山南坡干旱地区的边界呈现出向南的向南运动，即塔里木盆地中部，天山北坡和阿尔泰山脉南部斜坡向中心移动 准噶尔盆地。此外，内蒙古高原南部和青藏高原东南部也发生了干旱区边界的撤退。半干旱地区边界最明显的变化主要发生在内蒙古高原东部的霍金沙地，呼伦贝尔高原以及银山南坡。20世纪80年代初期，霍金沙地的大部分地区被列为半干旱地区，但在20世纪90年代末，只有很小一部分仍然是半干旱地区。
[12]干旱和半干旱边界运动的这些空间格局与年降水趋势的空间格局密切相关。天山，阿尔泰山，青藏高原东南部，内蒙古高原东部，呼伦贝尔高原，霍尔金沙地南部的年降水量大幅增加（图4）。
5.讨论
[13]近20年来，西部干旱半干旱地区植被生长发生了整体上升，符合中国北方部分地区自1980年代以来经历了荒漠化退化的结论[Runnstro，2000; 吴，2001;张 等., 2003]. 据国家西部荒漠化监测资料显示，2003年，荒漠化年均降幅由1950年代的1.2％降至目前的-0.2％。吴（2001）提出，80年代以来，沙漠化最严重威胁的地区之一的穆沙沙地（内蒙古）的荒漠化得到有效控制。通过分析TM（专题地图）卫星图像，张；等。 [2003]记载，1987年至1999年，陕西省玉林地区荒漠化进程呈下降趋势。
[14]西部大部分干旱和半干旱地区雨季NDVI在研究期间呈现积极上升趋势，可能与中国西北地区降水增加有关。统计分析显示，干旱和半干旱地区所有气象站全年降水量约70％（159站中有108个）站点增加（图4）。 最近，通过使用历史代理和现代地面观察，Shi 等。 [2003]提出，中国西北部的气候已经出现了强烈的降雨和径流增加，冰川融化加速，内陆湖泊水位升温的暖暖型转变的强烈信号， 以及植被活动的增强。
[15]人为活动（如土地管理，造林和由于迁移到城市地区而造成的土地遗弃）也大大影响了中国荒漠化的逆转趋势[Zhong，1999; Runnstro，2000; Zhang等，2003]。 近几十年来，中国政府为防治荒漠化作出了大量的努力，从1978年开始实施“三北防护林计划”，1991年开始的“沙漠化沙漠化防治工程”等几个国家级项目，加大固定植被覆盖力度 沙丘和土壤[Runnstrom，2000]。监测数据显示，通过实施这些项目，沙丘转移面积减少，而固定沙丘和半固定沙丘增加[Zhong，1999]。
[16]干旱和半干旱地区是沙尘暴的来源之一，因此这些地区植被覆盖度的变化部分影响沙尘暴发生频率[Zou和Zhai，2004]。 这些地区植被覆盖面的增加，可能会修复土壤，提高其抗风蚀侵蚀能力，减少排放灰尘的可能性，从而减缓沙尘暴。 最近的研究表明，中国北方强大的沙尘暴频率从20世纪80年代初到90年代末已经大幅度下降[Qian et al。，2002; Zhao et al。，2004]。
6.结论
[17]植被生产力的下降是荒漠化的主要表现之一。 这项研究通过卫星观测和地面气候数据揭示了19
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