1990—2010年間我國北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化歸因

代希波,高守杰,郭光毅,李朋澤,王新生

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

1990—2010年間我國北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化歸因

代希波,高守杰,郭光毅,李朋澤,王新生

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

以我國北方傳統(tǒng)農(nóng)牧交錯帶為研究區(qū),以植被歸一化指數(shù)(NDVI)表征地表植被覆蓋度,對土地利用數(shù)據(jù)和降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)兩大類影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析.研究發(fā)現(xiàn):1990—2010年該地區(qū)主要土地利用類型發(fā)生了顯著的相互轉(zhuǎn)化,但占優(yōu)勢的仍是草地、耕地和林地,土地利用和景觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生重大變化.研究期間,北方農(nóng)牧交錯帶耕地、林地和未利用土地植被覆蓋度均有所增加,草地植被覆蓋度有所減少.植被覆蓋度與年均降水量呈極顯著相關(guān)性,1990—2010年農(nóng)牧交錯帶降水呈減少趨勢,植被覆蓋度上升趨勢明顯.植被覆蓋度與同期年均氣溫數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性,1990—2010年農(nóng)牧交錯帶氣溫變化屬于升溫趨勢,植被覆蓋度上升趨勢明顯.研究表明北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化是在全球氣候變化和人類活動的雙重影響下發(fā)生的,土地利用變化和降水、氣溫氣象數(shù)據(jù)兩種因素對植被覆蓋度的影響具有明顯的地域性特征,土地利用變化因子的影響由于受政策和人類活動的參與而正逐漸占據(jù)著主導(dǎo)地位,而氣候條件中,氣溫升高對植被覆蓋度具有一定的正相關(guān)性,降水量因子在徑流量充沛地區(qū)影響作用較弱,但在水源缺乏,人類活動干預(yù)較少農(nóng)牧交錯帶西北地區(qū)仍然有著重要的影響作用.

農(nóng)牧交錯帶;植被覆蓋度;土地利用變化(LUCC);氣候傾向率

0 引言

農(nóng)牧交錯帶是空間上種植業(yè)與草地畜牧業(yè)交錯并存、時間上兩者又相互重疊的農(nóng)牧生態(tài)過渡區(qū)域[1].1953年,趙松喬最早提出我國北方農(nóng)牧交錯帶,將400 mm年降水量等值線作為劃定農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的分界線,并認(rèn)為在農(nóng)區(qū)和牧區(qū)之間存在著一條沿東北西南向分布的農(nóng)牧交錯帶[2].我國北方農(nóng)牧交錯區(qū)域?qū)儆诘湫偷霓r(nóng)牧交錯帶,位于干旱半干旱地區(qū),在農(nóng)業(yè)和牧業(yè)兩個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)相互作用過程中有“緩沖作用”,是生態(tài)環(huán)境的一條過渡帶和生態(tài)安全的重要屏障帶[3-5].北方農(nóng)牧交錯帶同時也是對全球變化反應(yīng)敏感的生態(tài)過渡帶.植被覆蓋度指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比,是衡量地表植被數(shù)量的重要指標(biāo).農(nóng)牧交錯帶內(nèi)植被覆蓋度及景觀結(jié)構(gòu)在時間和空間上變化較快,對于區(qū)域內(nèi)土地利用和氣候變化均有著重要的影響[6].

本文中以土地利用和氣候變化為背景,根據(jù)北方農(nóng)牧交錯帶的NDVI指數(shù)、土地利用和氣象數(shù)據(jù)資料,分析1990—2010年該地區(qū)地表植被覆蓋度變化情況,研究氣象要素、土地利用要素對地表植被覆蓋度變化所起的作用,在不同的時空尺度上揭示影響北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化的主導(dǎo)因子.研究有助于深入理解土地利用和氣候變化對北方農(nóng)牧交錯帶景觀結(jié)構(gòu)和植被覆蓋的影響,植被覆蓋變化是生態(tài)環(huán)境變化的直接結(jié)果,獲取地表植被覆蓋及其變化信息對于揭示全球變化影響下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)特征、探討響應(yīng)的驅(qū)動因子及評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[7].

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)資料與方法

1.1研究區(qū)概況近年來,對我國北方傳統(tǒng)農(nóng)牧交錯帶一直沒有統(tǒng)一的邊界劃定,本文中基于參考文獻(xiàn)[8-10]研究的農(nóng)牧交錯帶作為標(biāo)準(zhǔn).研究的北方農(nóng)牧交錯帶(34.2°N～53.3°N,102.7°E～123.5°E)位于內(nèi)蒙古高原東南邊緣和黃土高原北部,包括:大致從大興安嶺東麓經(jīng)遼河上游,陰山山脈、鄂爾多斯高原、祁連山東段至青藏高原東南邊緣,交錯帶寬處可達(dá)400 km,窄處僅為50 km,總面積約80.9萬km2.所覆蓋行政區(qū)域包括內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、河北、北京、山西、陜西、甘肅、寧夏9個省(自治區(qū)),南北縱跨19個緯度,東西橫跨21個經(jīng)度,該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,干旱少雨,大部分地區(qū)的海拔在1 000 m以上.植被覆蓋類型自東向西由森林草原帶過渡到典型草原帶和荒漠草原帶[7].

圖1 我國北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)位分布概況

1.2數(shù)據(jù)處理與分析論文探究土地利用和氣候變化對農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化的影響,研究所采用的數(shù)據(jù)包括研究區(qū)1990—2010年土地利用數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)(降水量和溫度)和植被NDVI指數(shù)數(shù)據(jù).所有數(shù)據(jù)均制作成1 km×1 km分辨率柵格數(shù)據(jù),并統(tǒng)一采用Krasovsky_1940_Albers投影坐標(biāo),中央經(jīng)線為105°E,雙標(biāo)準(zhǔn)緯線為25°N和47°N.

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 農(nóng)牧交錯帶氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心,由多個氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)在考慮地形高程差異的條件下使用ANUSPLIN軟件進(jìn)行空間插值,包括研究區(qū)1990—2010年年均降水量和氣溫數(shù)據(jù).對氣象要素資料進(jìn)行趨勢分析時,一維時間序列一般采用線性傾向估計(jì)方法[11],用xi表示樣本量為n的某一氣候變量,用ti表示xi所對應(yīng)的時間,建立xi和ti之間的一元線性回歸方程:

(1)

其中a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù).a,b可用最小二乘法進(jìn)行估計(jì):

(2)

(3)

回歸系數(shù)b即可視為該氣象要素變化的傾向值,b的符號表示氣候變量x的趨勢傾向.b的符號為正,即b>0時,說明隨時間t的增加氣候變量x呈上升趨勢;當(dāng)b<0時則反之.b值的大小反映了上升或下降的速率,即表示該氣候要素上升或下降的傾向程度.

圖2 1990—2010年研究區(qū)年降水量和氣溫的年際變化

從研究區(qū)1990—2010年降水和溫度年際變化曲線(圖2)和年際變化傾向率(圖3)可以看出,北方農(nóng)牧交錯帶近20年來全區(qū)年平均降水量為389.6 mm,其變化趨勢表現(xiàn)為波動性減少,2010年降水量較1990年相比減少了約123 mm,且在東北部地區(qū)減少傾向趨勢顯著,年變化傾向率在-4.5 mm左右,西南地區(qū)減少趨勢較小,且局部地區(qū)降水呈現(xiàn)一定程度增加的趨勢.北方農(nóng)牧交錯帶近20年平均氣溫為3.84 ℃,呈現(xiàn)波動性上升趨勢,且全區(qū)均表現(xiàn)為升溫趨勢,2010年平均氣溫較1990年相比升高了約0.5 ℃,中西部地區(qū)上升趨勢最為顯著,氣溫年變化傾向率多在0.06 ℃附近,東北大部及西部部分地區(qū)升溫趨勢較緩.通過以上分析發(fā)現(xiàn),1990—2010年北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域降水量減少,氣溫增高,整體氣候條件干暖化趨勢比較明顯.

1.2.2 土地利用數(shù)據(jù) 土地利用數(shù)據(jù)(LUCC)來自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,1990年和2010年兩期數(shù)據(jù)[12,6].該數(shù)據(jù)是由Landsat MSS/TM影像和HJ-1(環(huán)境一號衛(wèi)星)影像等經(jīng)過遙感解譯所得,并參考劉紀(jì)遠(yuǎn)提出的土地利用分類體系,將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用土地6個一級類.

1.2.3 植被覆蓋度數(shù)據(jù) 歸一化植被指數(shù)(NDVI)可以很好地反映地表植被覆蓋狀況.本研究所采用的1990—2000年NDVI數(shù)據(jù)由美國的NOAA(national oceanic and atmospheric administration)氣象衛(wèi)星監(jiān)測所得,該數(shù)據(jù)的空間分辨率為8 km×8 km,其時間分辨率為旬.2000—2010年NDVI則來源于SPOT-VEGETATION逐旬NDVI數(shù)據(jù),研究利用最大值合成法MVC(maximum value composites)來獲取研究區(qū)1990—2010年的年最大NDVI和最小NDVI,進(jìn)而采用均值法,分別統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有像元的年最大NDVI和最小NDVI的平均值.

圖3 1990—2010年研究區(qū)降水和氣溫變化傾向率

植被覆蓋度數(shù)據(jù)是反映地表植被覆蓋情況的重要指標(biāo),地表植被覆蓋度信息提取模型的原理是在對光譜信號進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過建立植被歸一化指數(shù)(NDVI)與植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換關(guān)系直接提取植被覆蓋度信息[7].

(4)

式中,f為植被覆蓋度,NDVImax和NDVImin分別為研究區(qū)整個生長季植被NDVI的最大值和最小值,NDVIo即為當(dāng)前植被NDVI值.根據(jù)式(4)可以建立植被覆蓋度與NDVI指數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.由此即可獲得1990年和2010年北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度情況(圖4),根據(jù)植被覆蓋特征及研究區(qū)地面定位監(jiān)測數(shù)據(jù),將北方農(nóng)牧交錯帶的植被分為5種覆蓋度類型:低蓋度植被(f≤30%);中低蓋度植被(30%75%).

圖4 1990年、2010年北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度分布情況

a.1990年植被覆蓋度情況;b.2010年植被覆蓋度情況;c.1990—2010年覆蓋度變化分布.

1990—2010年間,北方農(nóng)牧交錯帶的植被覆蓋發(fā)生了明顯變化,但仍以中蓋度、中高蓋度和高蓋度植被為主(表1),低蓋度、中蓋度和中高蓋度植被面積有所減少,減幅分別為-47.5%、-10.1%和-19.1%,低蓋度減幅最大;而中低蓋度和高蓋度植被面積有所增加,其中高蓋度增幅最大(84.6%).

表1 1990—2010年北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度面積變化

表2 1990—2010年北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化趨勢

根據(jù)植被覆蓋度的變化幅度,將研究區(qū)植被覆蓋度變化劃分為5種類型(表2):快速降低區(qū)(-10%以下),一般降低區(qū)(-10%～0),基本穩(wěn)定區(qū)(0～10%),一般升高區(qū)(10%～20%),快速升高區(qū)(20%以上).從圖4可以看出,北方農(nóng)牧交錯帶大部分地區(qū)植被覆蓋度主要呈升高趨勢,覆蓋度升高區(qū)比例占73.6%,說明我國北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋在逐漸增加和生態(tài)環(huán)境不斷轉(zhuǎn)好;在交錯帶西北沿線局部地區(qū)存在一些快速降低區(qū)和一般降低區(qū).

2 植被覆蓋度變化歸因

2.1土地利用類型變化對植被覆蓋度變化的影響根據(jù)兩期土地利用數(shù)據(jù),借助ArcGIS軟件制作兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3).

表3 1990—2010年北方農(nóng)牧交錯帶土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

不同土地利用類型的植被覆蓋度變化趨勢和程度各不相同,1990—2010年間,北方農(nóng)牧交錯帶耕地、林地和未利用土地植被覆蓋度均有所增加,建設(shè)用地和水域類型面積較小,且兩種類型下的植被覆蓋度精確度較低,故沒有考慮.由表3可以看出,1990—2010年該地區(qū)主要土地利用類型發(fā)生了顯著的相互轉(zhuǎn)化,但占優(yōu)勢的仍是草地、耕地和林地,土地利用和景觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生重大變化.研究期間,草地面積有所減少,耕地、林地和未利用用地面積增加.其中,草地面積減少最多,減少4.54萬km2,有1.5萬km2轉(zhuǎn)化為耕地,約2萬km2轉(zhuǎn)化為林地,另外還有1.1萬km2退化成未利用土地,植被覆蓋度減少了近11.4%;耕地和林地是面積增加最多的土地類型,在研究區(qū)人口增加,農(nóng)業(yè)種植需求增大及農(nóng)業(yè)政策的帶動作用下,研究區(qū)耕地利用類型種植效率和利用率有所增加,同時受人力灌溉等科技因素影響,農(nóng)牧交錯帶耕地類型植被覆蓋度增加顯著,植被覆蓋度增加了8.3%,2005年以來,由于北方林地保護(hù)政策的實(shí)施,農(nóng)牧交錯帶林地面積有所增加,植被覆蓋度增加近12.3%;建設(shè)用地面積增加也比較顯著,研究區(qū)人口增長的作用明顯;未利用土地在所有土地利用類型中增加比例最大,大量草地退化成未利用土地,導(dǎo)致研究區(qū)未利用土地類型的植被日漸稠密,植被覆蓋度升高了近16.8%.

通過以上分析發(fā)現(xiàn):研究區(qū)的土地利用變化受人為干擾極大,土地利用變化對土地覆蓋變化的影響體現(xiàn)了人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的直接影響.

2.2氣候變化對植被覆蓋度變化的影響根據(jù)1990—2010年氣象數(shù)據(jù),將北方農(nóng)牧交錯帶年降水變化傾向率劃分為降水減少區(qū)(降水傾向率小于-2.0 mm),降水穩(wěn)定區(qū)(降水傾向率在-2.0 mm到2.0 mm之間);研究區(qū)溫度變化主要為升溫趨勢(氣溫變化傾向率8×10-3到7.5×10-2之間);植被覆蓋度變化劃分為覆蓋度減少區(qū)(覆蓋度變化小于-10%),覆蓋度穩(wěn)定區(qū)(覆蓋度變化在-10%到10%之間),覆蓋度增加區(qū)(覆蓋度變化大于10%).1990—2010年北方農(nóng)牧交錯帶年均降水量變化、年均氣溫變化與植被覆蓋度變化的相關(guān)性如圖5.植被覆蓋度與年均降水量呈極顯著相關(guān)性,降水穩(wěn)定-植被覆蓋度穩(wěn)定區(qū)主要分布在研究區(qū)中西部,且所占比例最大,占研究區(qū)總面積的30%;降水穩(wěn)定-覆蓋度增加區(qū)主要分布在研究區(qū)西南部地區(qū),所占比例為23%;降水減少-覆蓋度穩(wěn)定區(qū)也占有較大比例(28%),主要分布在研究區(qū)西北部,大興安嶺西麓地區(qū),該地區(qū)降水減少但當(dāng)?shù)赝烁€林、退耕還牧政策效果顯著,植被覆蓋度基本保持穩(wěn)定;降水減少-覆蓋度減少區(qū)覆蓋度增加區(qū)和降水穩(wěn)定-覆蓋度減少區(qū)等所占比例較小,主要在內(nèi)蒙古同河北交界地區(qū)有零星分布.

圖5 1990—2010年北方農(nóng)牧交錯帶年均降水量變化(左)、年均氣溫變化(右)與植被覆蓋度變化的相關(guān)性空間分布

研究區(qū)的植被覆蓋度與同期年均氣溫數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性,農(nóng)牧交錯帶1990—2010年氣溫變化屬于升溫趨勢,在升溫趨勢下植被覆蓋度穩(wěn)定區(qū)所占比例最大(58%),在空間上氣溫升高,植被覆蓋度升高的區(qū)域主要分布于研究區(qū)東南沿線,占研究區(qū)總面積的34%;溫度升高植被覆蓋度減少的區(qū)域所占面積最少,僅有8%,主要分布在河北同內(nèi)蒙古交界地區(qū).植被覆蓋度變化受多因素影響和制約,除降水和溫度條件外其他氣候要素對其均有一定程度的影響,很多區(qū)域尺度上的研究基于的氣候變化的背景都是降雨量減少,溫度上升,卻可能得出不同的結(jié)論,氣候變化對植被覆蓋變化的影響機(jī)制是復(fù)雜的,還值得更進(jìn)一步去研究.

3 結(jié)論

1990—2010年中國北方農(nóng)牧交錯帶的植被覆蓋度總體呈增加趨勢,主要受降水量、氣溫等氣候條件和土地利用類型變化條件的影響,氣候變化反映了研究區(qū)主要的外在自然驅(qū)動力的改變,而土地利用變化則體現(xiàn)了人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的直接影響.在溫度顯著升高、降水明顯減少的大氣背景下,研究區(qū)西北部地區(qū)植被覆蓋度有所減少,但東部地區(qū)及農(nóng)牧交錯帶整體植被覆蓋度卻呈現(xiàn)增加的趨勢.這表明溫度的升高有利于植被的生長,而降水因素主要對干旱地區(qū)植被覆蓋度影響較大,年降水量的減少導(dǎo)致干旱地區(qū)植被覆蓋度減少,但對地表徑流量充足的地區(qū)影響并不明顯.土地利用類型變化受人為因素干擾極大,由于受當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)政策的影響,研究區(qū)低覆蓋度草場主要轉(zhuǎn)為耕地、林地以及未利用土地類型,在耕地、林地受人為保護(hù)及未利用土地植被自由生長等因素作用下農(nóng)牧交錯帶地區(qū)植被覆蓋度主要呈現(xiàn)出增加趨勢.

北方農(nóng)牧交錯帶植被覆蓋度變化是在全球氣候變化和人類活動的雙重影響下發(fā)生的,土地利用變化和降水、氣溫氣象數(shù)據(jù)兩種因素對植被覆蓋度的影響具有明顯的地域性特征,土地利用變化因子的影響由于受政策和人類活動的參與而正逐漸占據(jù)著主導(dǎo)地位,而氣候條件中,氣溫升高對植被覆蓋度具有一定的正相關(guān)性,降水量因子在徑流量充沛地區(qū)影響作用較弱,但在水源缺乏、人類活動干預(yù)較少的農(nóng)牧交錯帶西北地區(qū)仍然有著重要的影響作用.

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(責(zé)任編輯 游俊)

Theattributionofvariationoftheplantcoveragedegreeintheagricultural-animalregionofnorthernChinaduring1990—2010

DAI Xibo,GAO Shoujie,GUO Guangyi,LI Pengze,WANG Xinsheng

(School of Resources and Environmental Science, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Agricultural-animal region of northern China is one of sensitive reaction of the ecological transition zone type; its change of vegetation coverage is influenced and intervened by many factors. This paper analyzed two group of factors(land use data and meteorological data such as amount of precipitation and temperature) based on NDVI representing vegetation fraction in agricultural-animal region of northern China. This study found that: the main type of land use in this area had dramatically transformation in 1990—2010, but the dominant was cropland, grassland and woodland, land use and landscape structure changed very little. During the study, cropland、woodland and unused land vegetation coverage had a rise, grassland vegetation coverage decreased less. Vegetation coverage were extremely significant correlation with annual rainfall, precipitation of the agricultural-animal region presented decreasing tread in 1990—2010, vegetation coverage raised significantly. Vegetation coverage and over the same period the average annual temperature data over the same period also presented certain positive correlation, in agricultural-animal region, temperature change belonged to the warming trend in 1990—2010, vegetation coverage raised significantly. The research results showed the change of vegetation coverage in northern agricultural-animal region occurred in the dual influence of global climate change and human activities, the change of land use and meteorological data such as amount of precipitation and temperature had obvious regional characteristics, the influence of change of land use had the leading role gradually because of the policy and the participation of human activity, but in climatic conditions, temperature rise had a certain positive correlation according to vegetation coverage, precipitation factor effected on the weaker in runoff energy region, but it also had important effect on water shortage, less intervention of human activity especially in agricultural-animal region of northwest territories.

agricultural-animal region; plant coverage degree; land use and land cover change; climate trend rate

2013-10-22

代希波(1987-),男,碩士生,E-mail:784648563@qq.com;王新生,通信作者,博士,教授,E-mail:wxs818@hubu.edu.cn

1000-2375(2014)05-0389-06

Q948;P96

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.001