荒漠草原植被動態(tài)變化及其與水熱的響應(yīng)關(guān)系

郝偉罡，李錦榮，郭建英，申 軍，張 生

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古水土保持工作站，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;4.謝菲爾德大學(xué)建筑系，英國 謝菲爾德 S13JD，UK)

氣候條件是一個(gè)極其重要的生態(tài)因子，直接影響植被的分布與變化。植被既是氣候變化的直接響應(yīng)者，又對氣候變化產(chǎn)生一定的反饋?zhàn)饔茫稍趨^(qū)域尺度上緩減或促進(jìn)氣候變化的幅度。因此，關(guān)于植被覆蓋動態(tài)變化及其與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系，已成為全球變化研究中的熱點(diǎn)問題和重要內(nèi)容之一[1-4]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是通過遙感數(shù)據(jù)提取信息后用圖像反映地表植被狀況的指標(biāo)，能夠較為精確地反映地表植被覆蓋度、生物量的動態(tài)變化過程。因此，NDVI在區(qū)域、各大陸乃至全球的大尺度上的植被類型分類，植被動態(tài)監(jiān)測，土地覆被/利用分類及其變化，水、旱等自然災(zāi)害監(jiān)測，植被物候期監(jiān)測，農(nóng)作物長勢監(jiān)測等不同方面，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，效果良好[5-9]。 MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer)數(shù)據(jù)從2000年開始獲取數(shù)據(jù)，其空間分辨率(250m)比SPOT-VG、TAVHRR、TM遙感數(shù)據(jù)等相對差一些，但其時(shí)間序列完整，在研究不同時(shí)空尺度下植被覆蓋的演化格局、驅(qū)動機(jī)制、植被動態(tài)監(jiān)測、植被變化與氣候要素的響應(yīng)規(guī)律等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景[10-15]。

荒漠草原的年降水量小于200 mm，其氣候條件惡劣，干燥，少雨，是我國生態(tài)環(huán)境極為脆弱的主要區(qū)域之一。特別是地處內(nèi)蒙古達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗(簡稱達(dá)茂旗)的荒漠草原，隨著人類不合理的放牧和開墾以及礦物開采，草原荒漠化進(jìn)程加劇，且關(guān)于該地區(qū)植被動態(tài)變化以及NDVI值與氣候因子相互關(guān)系的研究比較欠缺。因此，筆者采用遙感數(shù)據(jù)和氣象資料相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析達(dá)茂旗地區(qū)植被覆蓋度的動態(tài)變化及其與降水量、氣溫的相互關(guān)系，以期對當(dāng)?shù)丶捌渲苓咁愃频貐^(qū)的草地生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供一定的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

達(dá)茂旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)、陰山北麓的烏蘭察布高平原地帶，東與烏蘭察布市的四子王旗相連，西與巴彥淖爾盟烏拉特中旗為鄰，北面為蒙古國南部的戈壁地帶，南為呼和浩特市的武川縣及包頭市固陽縣，為草原向荒漠草原過渡的典型地帶，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，土壤侵蝕以風(fēng)蝕為主，伴有季節(jié)性的水蝕。地理坐標(biāo)為北緯41°20'～42°47'，東經(jīng)109°16'～ 111°25'，南北寬約 160 km，東西跨度約150 km，全旗地域遼闊，土地總面積達(dá)18177 km2;氣候類型為中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為259 mm，多年平均氣溫為3.5℃;風(fēng)向主要以西北風(fēng)為主，多年平均風(fēng)速為4.3 m/s，多年平均大風(fēng)日數(shù)為22～27d，沙塵暴日數(shù)為10～15d;在長期的自然和人為因素的綜合干擾下，草地風(fēng)蝕沙化，水土流失加重，土地鹽漬化加劇，草場生產(chǎn)力持續(xù)減退，草地荒漠化程度日趨嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化[16]。

2 數(shù)據(jù)來源及分析

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)來源于美國的MODIS數(shù)據(jù)，該遙感數(shù)據(jù)為16 d最大值合成植被指數(shù)的(MOD13A1)數(shù)據(jù)產(chǎn)品[14-15]，遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率為250 m，由于研究區(qū)冬季寒冷、多雪，地表在整個(gè)冬季大部分時(shí)間有殘留積雪，導(dǎo)致冬季NDVI值與實(shí)際植被狀況會存在較大偏差。因此，研究選取遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2000—2010年每年的5—9月份。采用MRT軟件對MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取不同年際及其年內(nèi)不同月份的NDVI數(shù)據(jù);最后利用MVC(model view controller)法將2000—2010年期間每年5—9月份5期的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成，獲取年內(nèi)的最大NDVI值，代表當(dāng)年該地區(qū)植被生長最好的情況，然后將2000—2010年各年的最大化NDVI值進(jìn)行加和平均，作為整個(gè)研究區(qū)當(dāng)年的NDVI值，最后通過對比分析研究區(qū)植被年際間的動態(tài)變化[14-18]。氣象數(shù)據(jù)為達(dá)茂旗百靈廟氣象站多年實(shí)測的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用趨勢、相關(guān)等多元統(tǒng)計(jì)方法，分析研究區(qū)NDVI值年際、年內(nèi)變化與氣溫、降水量之間的線性回歸關(guān)系，反映該地區(qū)植被的NDVI變化與主要?dú)夂蛞蜃又g的反饋機(jī)制。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI年內(nèi)變化規(guī)律

通過逐象元計(jì)算達(dá)茂旗荒漠草原2000—2010年生長季5—9月各月的平均NDVI值，結(jié)果見圖1。由圖1可知，達(dá)茂旗荒漠草原的NDVI值年內(nèi)變化在草地植被生長期內(nèi)均呈單峰型，NDVI值的年最大值一般出現(xiàn)在8月份。在年際變化方面，不同年度NDVI值的年內(nèi)最大值和生長季(5—9月份)平均值的差別較大，而年際間NDVI值平均相差較小，變異系數(shù)為0.92%?；哪菰?月下旬解凍后，5月上旬開始返青，NDVI值在6月上旬開始明顯增大，之后迅速增加，至7月下旬時(shí)達(dá)到一個(gè)較高的值，而后在8月上旬緩慢增加并達(dá)到峰值，然后在9月上旬草地植被開始枯黃，NDVI值迅速下降。

圖1 達(dá)茂旗荒漠草原NDVI值年內(nèi)變化

3.2 NDVI值的年際變化

圖2 達(dá)茂旗荒漠草原NDVI值年際變化

2000—2010年達(dá)茂旗荒漠草原NDVI值年際變化見圖2。由圖2可知，達(dá)茂旗NDVI值從2000—2010年呈整體降低的趨勢，多年平均NDVI最大值為0.32，出現(xiàn)在2004年，最小為2009年的0.19，相差波動程度強(qiáng)，沒有明顯的線性關(guān)系，說明荒漠草原的抗干擾能力差，草地呈現(xiàn)出退化的趨勢。

3.3 NDVI值與氣候因子年際變化之間的關(guān)系

從圖3、圖4可見，達(dá)茂旗的年降水量主要集中在5—8月份，占全年總降水量的70%以上，且年際間變化較大，呈現(xiàn)減少的趨勢;有效積溫也集中在5—8月份，年際間變化較小，呈微弱的增加趨勢。因此，用7—8月份NDVI的平均值，代表年內(nèi)植被生長狀況;同時(shí)考慮NDVI值與氣候因子存在滯后現(xiàn)象，用5—8月各月份溫度、降水量的累計(jì)值代表當(dāng)年的氣候特征，分析研究區(qū)植被與氣候因子年際間的變化趨勢。圖5的結(jié)果表明，溫度對牧草生長發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在7、8月份，氣溫高，熱量條件好，加之該季節(jié)降水相對較多，有利于草原植被的快速生長，但也因蒸散耗水增大，對草地產(chǎn)生一定的負(fù)面影響;降水量與NDVI值呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.893。由此可見，在達(dá)茂旗荒漠草原地區(qū)植被的年際波動受雨水多少的影響極為明顯，但氣溫也是一個(gè)主要的干擾因素。

圖3 達(dá)茂旗荒漠草原2000—2010年平均氣溫與降水量年內(nèi)變化

圖4 達(dá)茂旗荒漠草原2000—2010年有效積溫與降水量年際變化

圖5 達(dá)茂旗荒漠草原區(qū)7—8月平均NDVI與5—8月氣候相關(guān)圖

4 結(jié)語

降水量和氣溫變化是限制達(dá)茂旗荒漠草原植被生長的主要?dú)夂蛞蛩兀虼?，通過長時(shí)間序列對比分析植被變化與氣溫、降水量變化的相互關(guān)系，可以探索研究區(qū)草地植被環(huán)境變化的主要誘導(dǎo)因素。2000—2010年達(dá)茂旗地區(qū)的降水呈減少的趨勢，年平均降水量比10年前減少約22%，溫度呈現(xiàn)微弱的增加趨勢，但時(shí)間序列長度相對較短，還需進(jìn)一步跟蹤監(jiān)測研究。

植被生長的季節(jié)變化會造成NDVI值的季節(jié)性增大和減少;同樣，時(shí)間序列年平均NDVI值也反映出植被生長的年際變化。2000—2010年達(dá)茂旗荒漠草原植被活動的波動性較大，整體上呈現(xiàn)出退化的趨勢。影響NDVI值年內(nèi)變化最顯著的氣候因子是有效積溫和降水量，降水量是影響NDVI值年際波動的主要因素，降水量越大，草原植被的長勢越明顯。如2004年降水量為319 mm，其NDVI值為0.32，是2009年(降水量僅為112 mm)NDVI值的1.7倍，降水量與NDVI值呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性。綜合分析降水量和氣溫資料表明:達(dá)茂旗地區(qū)氣候2000—2010年的變化趨勢比較小，但總體在向暖干化方向發(fā)展。如這種趨勢持續(xù)發(fā)展，將不利于當(dāng)?shù)刂脖簧L和生態(tài)環(huán)境的改善。因此，應(yīng)加強(qiáng)該地區(qū)草原的治理保護(hù)工作，制定科學(xué)高效的利用制度。

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