近50年內(nèi)蒙古潛在植被地理格局時空特征分析

王大為,趙 軍,尹 東,韓 濤,李麗麗

(1．中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室,甘肅 蘭州 730020；2．西北區(qū)域氣候中心,甘肅 蘭州 730020； 3．西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,甘肅 蘭州 730070)

植被空間格局分布與變化是由水熱條件等非生物因素決定的，并受立地地形條件的影響。植被變化對環(huán)境變化的響應非常敏感，具有明顯的動態(tài)和演變的特點[1-3]。潛在自然植被是假定在沒有人為干擾的情況下現(xiàn)有環(huán)境條件中 (如氣候、土壤、水分條件，包括人類改造后的條件)立地存在的植被[4]。潛在自然植被與植被現(xiàn)狀沒有必然聯(lián)系，而是一種與它所處立地達到某種平衡的演替終態(tài)，一旦人類的干擾停止后即可達到演替頂極[5]。在當前全球氣候變化劇烈，特別是原生植被大面積消失的情況下，研究潛在植被時空動態(tài)變化的規(guī)律對揭示植被在演替過程中主要特征的變化過程有著重要的現(xiàn)實意義[6]。

潛在植被的時空動態(tài)變化是認識原生植被動態(tài)進化特性的重要理論基礎，能夠揭示原生植被發(fā)生的地學特征。在國外，主要通過氣候[7-8]、地形因子[9]以及土壤性質(zhì)[10]對不同尺度上植物群落與非生物因子之間的關系進行研究。在國內(nèi)，學者們主要是用改進后的傳統(tǒng)模型來研究植物群落分布格局，以及運用RS手段反演流域內(nèi)植被群落格局[5,11-13]。隨著GIS手段的發(fā)展與應用，許多學者都以任繼周提出的草原分類法為依據(jù)[14-22]，對中國以及全球范圍內(nèi)的植被潛在分布格局進行了模擬與分析。但從地理角度運用綜合順序分類方法研究潛在植被格局，揭示原生植被分布格局演替規(guī)律的報道相對較少[16-19]，而將潛在植被類型按照以類組為劃分依據(jù)的分類研究尚處于探索階段[20-22]。鑒于此，本研究以綜合順序分類法理論為指導，用內(nèi)蒙古自治區(qū)1960-2009年逐日氣溫、降水量數(shù)據(jù)對潛在植被進行模擬反演，定量分析內(nèi)蒙古近50 a來潛在植被地理格局的時空動態(tài)變化特征，確定研究區(qū)內(nèi)潛在植被的類組及空間結(jié)構特征，以期為潛在植被地理空間格局變化趨勢的研究提供依據(jù)，以及為原生植被動態(tài)格局變化的研究提供理論基礎。

1 研究方法

1.1研究區(qū)域概況 內(nèi)蒙古地處37°24′～53°23′ N、97°12′～126°04′ E，位于由西北內(nèi)陸干旱、半干旱氣候向東南沿海濕潤、半濕潤季風氣候的過渡帶。全區(qū)年平均氣溫-5～10 ℃，年平均降水量35～530 mm，主要土壤類型為典型栗鈣土和暗栗鈣土。受溫度和水分條件的綜合影響，該區(qū)植被從東到西依次為森林、森林草原、典型草原、荒漠草原、草原化荒漠和典型荒漠，主要表現(xiàn)為近經(jīng)向的空間分異特征[23]。多樣的水熱組合類型為潛在植被地理格局時空動態(tài)性變化提供了前提條件。

1.2數(shù)據(jù)來源與整理 本研究所需的內(nèi)蒙古自治區(qū)及其周邊94個氣象臺站(圖1)1960-2009年逐日的平均氣溫、降水量，以及各氣象臺站的地名、經(jīng)度、緯度和海拔數(shù)據(jù)來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。內(nèi)蒙古地區(qū)1 km×1 km DEM數(shù)據(jù)的海拔數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)，其邊界依據(jù)國家基礎地理信息中心發(fā)布的1∶400萬中國行政區(qū)劃。

植被類型的建立是由長時間的環(huán)境因素作用形成的，因此，從潛在植被時空變化分析的角度考慮，將50 a數(shù)據(jù)平均分為兩期(1960-1984年為第一期，1985-2009年為第二期)計算25 a平均氣候數(shù)據(jù)以模擬一段時期內(nèi)潛在植被的平均分布狀態(tài)。為盡量保證數(shù)據(jù)的準確性，在將逐日氣象數(shù)據(jù)整理為逐年≥0 ℃年積溫和年降水量的過程中，除剔除了異常的日氣候數(shù)據(jù)外，還剔除了一年中數(shù)據(jù)少于360 d的氣象臺站；在計算平均多年氣候數(shù)據(jù)時，分別將各期中記錄少于20 a的氣象臺站剔除，使得臺站的氣候數(shù)據(jù)均以20 a以上平均值為準，確保數(shù)據(jù)時間段內(nèi)的一致性。

圖1 內(nèi)蒙古及其周邊氣象臺站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Inner Mongolia and its surroundings

1.3研究方法

1.3.1綜合順序分類法理論模型 綜合順序分類法全稱為氣候-土地-植物綜合順序分類法，其基本分類單元——類，是以生物氣候指標為依據(jù)，將具有同一地帶性農(nóng)業(yè)生物氣候特征的植被劃分為相同的類。在具體分類中，以生物氣候——≥0 ℃年積溫(∑θ)和濕潤度(K)——為量化指標，將熱量帶和濕潤度以不同組合進行類的劃分[24-25]。

綜合順序分類法在劃分了所有56個類的基礎上，根據(jù)使用習慣進一步把它們歸并為16個類組，使其更具概括性，以體現(xiàn)類在形成和特征上的規(guī)律性以及空間上的宏觀性[23]。

1.3.2植被反演方法 考慮到下墊面性質(zhì)對積溫分布影響的復雜性和研究區(qū)域的地理特征，本研究選擇分區(qū)后基于DEM修正的IDW插值方法對研究區(qū)積溫數(shù)據(jù)進行空間化模擬[24]，采用Kriging插值法對年降水量進行空間化處理。

DEM分區(qū)模型[26]：

式中，c為分區(qū)的數(shù)量，n為樣本數(shù)，μij為樣本Xj隸屬于區(qū)Ci的隸屬度，Vi為第i區(qū)的中心，m為權重系數(shù)，d2(Xj，Vi)為樣本Xi到區(qū)中心Vi的歐式距離的平方。在具體的分區(qū)中，通過使Jm最小，將氣象數(shù)據(jù)集劃分為c個不同的分區(qū)。

基于分區(qū)修正的插值模型[27]：

根據(jù)綜合順序分類法的濕潤度模型，可得到研究區(qū)濕潤度數(shù)據(jù)[24-25]：

K=R/0.1∑θ.

式中，K為濕潤度；R為年降水量；∑θ為≥0 ℃年積溫；0.1為模型調(diào)整系數(shù)。

對≥0 ℃年積溫與濕潤度進行分級[24-25]，利用綜合順序分類法的植被評定模型[24-25]對內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)劃分潛在植被類型，通過空間疊合分析，得到內(nèi)蒙古自治區(qū)前后兩期的潛在植被類型圖，并分析內(nèi)蒙古潛在植被空間分布以及動態(tài)變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1潛在植被類型地理分布格局 內(nèi)蒙古地區(qū)東西跨度大，植被分布呈現(xiàn)明顯的經(jīng)向地帶性特征，除大興安嶺地區(qū)有森林植被外，其它區(qū)域以荒漠和草原為主。依據(jù)綜合順序分類法植被評定模型[24-25]，內(nèi)蒙古共劃分出16種潛在植被類型，可歸為6個類組(表1，圖2)。

內(nèi)蒙古自治區(qū)潛在植被類型以暖溫極干暖溫帶荒漠類(ⅣA)、微溫干旱溫帶半荒漠類(ⅢB)、微溫微干溫帶典型草原類(ⅢC)、微溫微潤草甸草原類(ⅢD)和寒溫潮濕寒溫性針葉林類(ⅡF)為主(圖2)。其中，ⅢB分布區(qū)域最廣，主要分布在巴丹吉林、騰格里沙漠南部、鄂爾多斯高原中部、烏蘭察布高原西部、錫林郭勒高原北部及呼倫貝爾高原西部；ⅢC次之，主要分布在鄂爾多斯高原東部、烏蘭察布高原南部、錫林郭勒高原東南部、呼倫貝爾高原中部以及西遼河平原以西區(qū)域；寒溫微干山地草原類(ⅡC)分布最少，主要分布在錫林郭勒高原北部。在大興安嶺兩側(cè)，由于海拔的變化，潛在植被呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性，植被類型由高到低依次為寒冷潮濕多雨凍原、高山草甸類(ⅠF)、寒溫潮濕寒溫性針葉林類(ⅡF)、微溫潮濕針葉闊葉混交林類(ⅢF)、寒溫濕潤山地草甸類(ⅡE)、微溫濕潤森林草原、落葉闊葉林類(ⅢE)、微溫微潤草甸草原類(ⅢD)和微溫微干溫帶典型草原類(ⅢC)。東坡由于降水充足，潛在植被類型出現(xiàn)微溫潮濕針葉闊葉混交林類(ⅢF)，而西坡降水相對東坡較少，因此，寒溫濕潤山地草甸類(ⅡE)分布較多，沒有出現(xiàn)ⅢF類型。

表1 內(nèi)蒙古草原類型及所屬類組[22,24-25]Table1 Potential vegetation grassland types and its group of Inner Mongolia[22,24-25]

2.2潛在植被類型面積的變化 在內(nèi)蒙古自治區(qū)，受氣候變化的影響，潛在植被類型之間發(fā)生了復雜的演替過程，其轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)在地理分布區(qū)域和面積增減上。根據(jù)潛在植被類型變化轉(zhuǎn)移矩陣(表2)可以看到，過去50 a間，各潛在植被類型的面積發(fā)生了不同程度的演變。

圖2 內(nèi)蒙古1960-1984年(a)和1985-2009年(b)潛在植被類型分布及演替Fig.2 Distribution and succession of potential vegetation class of Inner Mongolia during 1960-1984(a) and 1985-2009(b)

表2 內(nèi)蒙古潛在植被類型前后兩期面積轉(zhuǎn)移變化Table 2 Potential vegetation class area transfer changes two phases km2

總體來看(圖3)，在近50 a內(nèi)蒙古潛在植被類型演替中除半荒漠和斯太普面積增加外，其余類組面積均呈減少趨勢。其中冷荒漠在各類組中面積減少比例最小，比前25 a減少了1.09%；半荒漠面積增加最大，比前25 a增加了17.55%，但除ⅣB外另兩類潛在植被面積均有減少；斯太普面積比例只增加了1.74%，與半荒漠類似，除ⅣC外另兩類潛在植被面積均有減少；溫帶濕潤草地面積比例減少了7.20%，除ⅢE外其余潛在植被面積均有減少；溫帶森林面積比例減少了22.07%，除ⅡF外其余潛在植被面積均有增加，但ⅣD、ⅢF在該類組中面積比例較小，因此，整體仍呈較少趨勢；由于凍原高山草地類組中只有ⅠF一種潛在植被類型，該類組面積的變化趨勢與ⅠF相同，減少了70.16%，在近50 a內(nèi)蒙古潛在植被類組中面積減少比例最大。

從類的演替看，面積變化較小的類按面積從小到大依次為ⅢB(8.27%)、ⅢD(11.05%)、ⅢC(14.52%)、ⅢE(17.60%)、ⅢF(22.48%)、ⅡE(25.26%)和ⅡF(29.32%)。分布面積比例減少了70%以上的有ⅡC(減少99.62%)、ⅡD(91.59%)、ⅡB(75.82%)和ⅠF(70.16%)，其中面積減小比例最大的ⅡC發(fā)生在錫林郭勒高原北部；分布面積比例增加較大的有ⅣD(增加233.67倍)、ⅣC(96.01倍)和ⅣB(5.51倍)，其中分布在西遼河平原東南部的ⅣD面積擴張最大。上述面積比例增減較多的類型，其面積和僅占研究區(qū)總面積的0.28%，說明面積較小的類對氣候變化的反應比較敏感，該類植被在研究區(qū)內(nèi)并不穩(wěn)定。冷荒漠(ⅢA、ⅣA)面積占研究區(qū)總面積的15.84%，面積變化比例分別達到58.37%和59.34%。由ⅢA向ⅣA變化了近一半的面積(表2)，說明在內(nèi)蒙古西北地區(qū)受氣溫上升的影響，使得在冷荒漠類組內(nèi)部發(fā)生了變化，雖然兩類的面積變化明顯，但仍然屬于同一類組。

圖3 內(nèi)蒙古近50 a潛在植被類型面積變化Fig.3 Change of area of potential vegetation class in 50 years of Inner Mongolia

2.3潛在植被類型地理格局的演變 利用ArcGIS軟件提取前后兩期各植被類型重心的位置，定量分析潛在植被類型地理格局的變化程度，計算差值(后期減前期)后繪制在四象限圖上(圖4)。從潛在植被類型地理時空格局動態(tài)變化與發(fā)展方向來看(圖2)，發(fā)生明顯植被演替的區(qū)域主要集中在巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙漠、鄂爾多斯高原南部以及西遼河平原地區(qū)；從演替方向上來說，增多的潛在植被類型不斷地由西北向東南延伸，而減少的類型則多向東北方向收縮(圖4)，這是在內(nèi)陸氣候發(fā)生暖干變化后潛在植被做出的適應性調(diào)整。

從各類型來看(圖2，圖4)，ⅢA由中央戈壁和巴丹吉林沙漠中部向西退縮；ⅣA以阿拉善高原為中心向南擴張。ⅡB在狼山山頂和賀蘭山山頂向西南退縮；ⅢB在騰格里沙漠中部、后套平原和鄂爾多斯高原東部減少，而在鄂爾多斯高原南部、錫林郭勒高原東部和呼倫貝爾高原東部有所增加，整體向東北退縮遷移；ⅣB在阿拉善高原西部、騰格里沙漠中部、后套平原和鄂爾多斯高原東部向東南擴散。ⅡC在錫林郭勒高原北部向東北退縮；ⅢC在鄂爾多斯高原中部、錫林郭勒高原西北部、呼倫貝爾高原西部和西遼河平原中部減少，而在鄂爾多斯高原東部、錫林郭勒高原東南部和呼倫貝爾高原東部增加，整體向西北退縮遷移；ⅣC在毛烏素沙地南部、土默川平原南部和西遼河平原中部向東北擴張。整體來看，在近50 a潛在植被演替過程中，冷荒漠向南微弱移動，半荒漠向東擴張，斯太普向東南移動并發(fā)生微弱的擴張。

圖4 各潛在植被類型重心移動分布Fig.4 The offset of distribution center of potential vegetation class

ⅡD在呼倫貝爾高原北部和大興安嶺西南部分布向中心收縮，并向西南移動；ⅢD整體向東北退縮，并且在大興安嶺兩側(cè)向高海拔地區(qū)收縮移動；ⅡE沿山體向高海拔地區(qū)收縮并向東北遷移；ⅢE在大興安嶺兩側(cè)向高海拔地區(qū)擴張并向東北遷移。ⅣD在西遼河平原西南部向北擴張；ⅡF在大興安嶺高海拔地區(qū)向北收縮；ⅢF在大興安嶺東南部向高海拔地區(qū)收縮并向北遷移。ⅠF在大興安嶺北部高海拔地區(qū)向東北退縮。整體來看，在近50 a中，溫帶濕潤草地、溫帶森林和凍原高山草地均向高緯度、高海拔地區(qū)退縮。

ⅣC、ⅡD的重心發(fā)生移動較大，這是由于ⅣC增加面積較大，而ⅡD減少面積很大，且增加或減少的區(qū)域分布不均造成的。雖然ⅡC和ⅣD的面積變化是研究區(qū)內(nèi)潛在植被中最大的，但由于其變化范圍均圍繞原來的分布區(qū)域而產(chǎn)生變化，因此，這兩種類型的重心移動均不大。

3 討論與結(jié)論

內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)潛在植被類型以荒漠和草原為主，隸屬16類，歸為6個類組。經(jīng)模擬反演發(fā)現(xiàn)，以森林和草甸為主的植被類型主要集中在大興安嶺和陰山山地，而以草原和荒漠為主的旱生植被主要分布在內(nèi)蒙古高平原地區(qū)，這與陳效逑和王恒[28]對內(nèi)蒙古植被帶和植被覆蓋度的時空變化研究結(jié)論一致。

氣溫、降水量等氣候綜合指標限制了植物的分布，這些限制因素的變化會改變植被的分布范圍[29]。張強等[30]研究發(fā)現(xiàn)中國西北地區(qū)近50 a的氣候不斷向暖干化方向發(fā)展，本研究經(jīng)模擬反演發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古西北部植被類型的暖干化較東部明顯強烈。近50 a各潛在植被類型自身面積發(fā)生變化的同時，不同潛在植被類型之間也有明顯的演替。受立地氣候變干和氣溫升高的綜合影響，冷荒漠、溫帶濕潤草地、溫帶森林和凍原高山草地的面積呈減少趨勢，除冷荒漠向南微弱移動外，其他3類組向高緯度、高海拔地區(qū)退縮。由于該4類植被面積減少，研究區(qū)內(nèi)半荒漠和斯太普面積呈增加趨勢，半荒漠向東顯著擴張，增加的面積主要由呼倫貝爾高原的斯太普面積減少形成；斯太普自西北向東南移動并微弱擴張，增加的面積主要來自內(nèi)蒙古東南部減少的溫帶濕潤草地面積，這主要是受立地氣候變干的影響造成的。高平原和山前平原地區(qū)的潛在植被類型沿經(jīng)向演替，而大興安嶺和陰山山地地區(qū)的潛在植被類型沿海拔演替。綜上所述，在內(nèi)蒙古區(qū)域近50 a的氣候演變中，立地氣候向暖、干變化。

植被類型的分布格局不僅是對立地氣候的響應，更是對地形地貌做出的適應性策略。類組是對綜合順序分類法所劃分的植被類型的習慣用法的歸并，主要體現(xiàn)了生產(chǎn)條件和特性的相近性[22]。本研究通過類組的方法將復雜的植被類型概括、系統(tǒng)化，能夠更直觀地解釋復雜的植被變遷過程，便于定量分析近50 a來內(nèi)蒙古植被類型地理格局的變化。但是，潛在植被類型的演替發(fā)生受不同氣候因子影響，不同演替階段所受的影響程度也不同，因此還需要進一步的分析與研究。

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