西鄂爾多斯地區(qū)植被NDVI 時空變化及其對氣溫和降水的響應

劉雅潔，郭金停，2，王鐵娟，2

（1.內蒙古師范大學 生命科學與技術學院，內蒙古 呼和浩特 010022；

2.內蒙古自治區(qū)高等學校蒙古高原生物多樣性保護與可持續(xù)利用重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

近年來，全球環(huán)境正以氣候變暖為標志發(fā)生著巨大變化［1］，伴隨人類活動的干擾，該地區(qū)植被生長也受到影響。因此，探究植被覆蓋度對于氣候變化的響應對研究全球氣候變化規(guī)律具有重要意義［2］。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是檢測植被生長與植被覆蓋度的一個標準，在監(jiān)測全球或區(qū)域植被變化以及生態(tài)環(huán)境變化中是最有效的指標［3］。以往的研究表明，在全球尺度上，降水與氣溫是 影響植被覆蓋度的主要因子［4］。有學者對全國范圍內植被NDVI 進行研究，結果表明氣溫和降水是影響 中國NDVI 變化的主要因素，青藏和云貴高原地區(qū)主要受氣溫影響，降水為主導因素的區(qū)域主要分布在西北、東北、華南等地區(qū)［5-6］；并且從西北到東南，NDVI 的變化與氣候變化（氣溫、降水）的相關系數(shù)逐漸增加［7］。鄭藝等［8］對于全球干旱區(qū)植被變化的研究結果顯示，降水是影響干旱區(qū)植被變化的主要因素，主要表現(xiàn)在對干旱和半干旱區(qū)植被的影響上。逯金鑫等［9］對于黃土高原植被覆蓋時空動態(tài)的研究更進一步表明，黃土高原NDVI 變化趨勢與降水有較強相關性，甚至降水是決定春季所有植被類型覆蓋變化的最直接因素。

西鄂爾多斯地區(qū)具有獨特的地形地貌和古地理環(huán)境，是許多珍稀動植物特別是古老殘遺物種的現(xiàn)存“避難所”［10］。該地區(qū)現(xiàn)存很多第三紀以來的珍稀物種，對研究植物生物學特征、植物區(qū)系地理、生物多樣性、地理環(huán)境演變等具有重要價值，因此受到國內外眾多學者的廣泛關注。此外，該地區(qū)還是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)［11］，位于中國北方生態(tài)環(huán)境脆弱帶上，即使是很微弱的變化，也可對該地區(qū)造成影響，是全球氣候變化最敏感的地區(qū)之一［12-13］。本研究選取位于西鄂爾多斯的三個地區(qū)，利用2000—2020 年的MODIS 數(shù)據和氣象站點數(shù)據，對研究區(qū)植被生長季（4—10 月）NDVI 的時空變化特征以及與氣候因子（溫度，降水）的相關性進行研究，探究主要氣候因子的變化趨勢及植被覆蓋變化的響應，旨在為適時制定和完善瀕危物種和生態(tài)系統(tǒng)的保護策略提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于106°41′～109°16′E，38°18′～40°52′N，總面積4.16 萬km2，包括內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的鄂托克旗（研究區(qū)東南部）、杭錦旗（研究區(qū)北部）和烏海市（研究區(qū)西部）。地處草原與荒漠之間的過渡地帶，主要植被類型為荒漠草原和草原化荒漠（北部為庫布齊沙漠）（圖1）。氣候為典型的溫帶大陸性氣候，干燥少雨，大風多沙，季度更替明顯，光照資源豐富，年日照時數(shù)可達3 200 h，年平均氣 溫6.4～9.6 ℃，年 降 水 量150～350 mm，年 蒸 發(fā) 量 為3 000 mm 左右。

1.2 數(shù)據來源與處理

本文采用空間分辨率為250 m 的MODIS NDVI 數(shù)據集進行，該數(shù)據集來自美國地質調查局（U.S.Geological Survey）MODIS 陸地產品組，并采用最大合成法（MVC）對數(shù)據進行處理，最后得到植被指數(shù)產品（MOD13Q1）。為避免冬季降雪對歸一化植被指數(shù)（NDVI）的影響，本文選取西鄂爾多斯地區(qū)2000—2020 年生長季（4—10 月）植被NDVI 數(shù)據進行分析研究。

氣象數(shù)據來源于中國氣象數(shù)據網（http：//date.cma.cn/），獲取西鄂爾多斯地區(qū)及其附近氣象站點的2000—2020 年4—10 月的平均氣溫和總降水量，將兩個參數(shù)利用ArcGIS 軟件進行空間克里金插值，之后采用重采樣方法得到與NDVI 同空間分辨率的數(shù)據。

1.3 研究方法

1.3.1 植被NDVI 時空變化特征研究方法 利用2000—2020 年的生長季植被NDVI 數(shù)據與植被類型圖（圖1）結合，來研究NDVI 的分布情況與特征。在整個研究區(qū)尺度上，利用普通最小二乘回歸分析方法計算NDVI 和氣候因子年際變化趨勢［14］，回歸模型的公式為

圖1 西鄂爾多斯植被類型分布示意圖Fig.1 Distribution of vegetation types in west Ordos

式（1）-（2）中，y表示NDVI，a代表研究區(qū)的年平均NDVI 年際變化趨勢，t是時間，b是截距，ε是隨機誤差。yˉ代表2000—2020 年來NDVI 的平均水平，是時間的平均值。

利用趨勢線分析法模擬NDVI 在空間像元尺度上的趨勢變化，進一步分析2000—2020 年間研究區(qū)植被NDVI 的變化趨勢［15］，其計算公式為

其中，Si為空間某像元斜率，即NDVI 的變化趨勢，為第i年生長季植被NDVI 的平均值。一般來說，Si＞0，表示上升趨勢，反之表示下降。

1.3.2 重心遷移模型 重心最初起源于物理學［16］，后來被眾多學者用來計算城市發(fā)展、經濟變化、土地利用、人類活動強度等方面的重心變化情況［17-20］。本文引入重心遷移模型對2000—2020 年生長季植被NDVI 的重心進行計算［21］，并繪制重心遷移圖。其計算公式為

其中，X，Y分別表示植被NDVI 的經緯度坐標，Ni表示為第i年平均NDVI，xi，yi表明第i個平面空間單元的坐標值。

使用重心遷移距離公式計算不同年份植被NDVI 重心距年均（21 a）植被NDVI 重心的遷移距離［22］，公式為

其中，C為常數(shù)，值為111.111，xi，yi分別表示第i年植被NDVI 重心的經緯度坐標，xk，yk表示年均植被NDVI 重心的經緯度坐標。

1.3.3 植被與氣候的偏相關分析 運用相關系數(shù)［23］計算NDVI 與氣溫和降水將之間的關系，公式為

其中，rxy表示x和y的相關系數(shù)，xi和yi表示第i年x和y的值，和表示兩個要素樣本值的平均值。

2 結果分析

2.1 西鄂爾多斯植被生長季NDVI 空間分布特征

近21 a 西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被平均NDVI 空間分布如圖2 所示。由圖2 可知，2000—2020 年 西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI 值整體不高，并呈現(xiàn)從西北到東南逐漸增加。其中NDVI 值在0.1 以下占整個研究區(qū)面積的7.88%，主要位于研究區(qū)北部杭錦旗境內的庫布齊沙漠。NDVI 值大部分在0.1～0.2 之間，占總研究區(qū)的59.16%，主要植被類型為荒漠草原和草原化荒漠。NDVI 值在0.2～0.3 之間的區(qū)域占整個研究區(qū)的30.49%，主要位于研究區(qū)的東南部，大部分處于鄂托克旗境內的草原區(qū)。NDVI 值大于0.3 的地區(qū)零星分布于整個研究區(qū)內，僅占2.47%。

2.2 西鄂爾多斯植被生長季NDVI 時空動態(tài)變化特征分析

在時間尺度上，2000—2020 年研究區(qū)生長季植被NDVI 變化趨勢如圖3 所示。從圖3 可知，植被NDVI 值呈波動性顯著上升（P<0.01），從2000 年的0.133，增加到2020 年的0.207，平均每年增長0.003 5，最低值出現(xiàn)在2001 年（0.127），最高值出現(xiàn)在2018 年（0.222），模擬的回歸方程呈線性模型，y=0.0033x-6.4289（R2=0.663 7）。

在空間像元尺度上，研究區(qū)生長季植被NDVI 的變化（圖4）有98.61%（Si>0）的區(qū)域呈增加趨勢，顯著性變化顯示（圖5），呈現(xiàn)顯著增加的區(qū)域占整個研究區(qū)的80.28%（P<0.05），其中極顯著的區(qū)域占66.72%（P<0.01），分布在除中部外的大部分地區(qū)，其中北部的庫布齊沙漠和東南部的荒漠草原均在此范圍。NDVI 呈減小趨勢的區(qū)域占研究區(qū)總面積的1.39%（Si<0）（圖4），有0.33% 的區(qū)域NDVI 顯著降低（P<0.05），其中0.19%的區(qū)域極顯著降低（P<0.01），主要零星分布于研究區(qū)西、北部邊界（圖5）。

圖2 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被平均NDVI 空間分布Fig.2 Spatial distribution of average NDVI of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

圖3 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被平均NDVI 的年際變化Fig.3 Inter annual variation of mean NDVI of vegetation in west Ordos in the growing season from 2000 to 2020

圖4 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI 變化趨勢Fig.4 NDVI changing trends of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

2.3 西鄂爾多斯植被生長季NDVI 重心遷移

植被NDVI 重心可以反映植被在空間演變過程中的分布特征及導向性，統(tǒng)計逐年以及21 a 年均NDVI重心（圖6），發(fā)現(xiàn)研究區(qū)植被NDVI 重心主要集中在鄂托克旗。

圖5 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI 變化顯著性Fig.5 Significance of NDVI variation of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

圖6 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI 重心位置及其分布Fig.6 Location of NDVI center of gravity of vegetation and its distribution in the growing season in west Ordos from 2000 to 2020

以21 a 年均植被NDVI 重心為原點，計算逐年植被NDVI 重心到原點的偏移角度（圖6）以及距離，第一象限植被NDVI 重心分布相對最多，表明21 a 來植被NDVI 在研究區(qū)東北區(qū)域增加的數(shù)量高于其他區(qū)域；第二象限與第三象限植被NDVI 重心分布數(shù)量相近，其中西北區(qū)域植被NDVI 重心分布較為分散（第二象限），而西南區(qū)域各點分布較為集中（第三象限）；若將第一、第二象限的植被NDVI 重心看作一個整體，第三、第四象限看作一個整體，兩者相比較則發(fā)現(xiàn)北部區(qū)域的植被NDVI 的增加數(shù)量大于南部（圖7）。從圖7可知，2004 年、2006 年、2009 年、2020 年與原點距離較近，表明在這4 個年份中植被NDVI 重心各區(qū)域變化相差較?。欢?000 年、2001 年、2002 年、2014 年這4 a 相較于原點距離較遠，表明這幾個年份中植被NDVI重心在所處方位增加較為明顯。

為更加深入分析植被在空間的分布情況及變化規(guī)律，利用重心模型在不同時間尺度下分析西鄂爾多斯地區(qū)植被NDVI 重心的遷移軌跡（圖8）。在3 a 時間尺度下，2003—2005 年相對于2000—2002 年植被NDVI的重心向東南方向移動且移動距離最大，表明在該段時間內東南方向的植被增量大于西北方向；2006—2008 年植被NDVI 重心相對于2003—2005 年向西北方向移動；與2006—2008 年相比，2009—2011 年植被NDVI 重心向東南方向移動；2012—2014 年與2009—2011 年相比植被NDVI 重心向東北方向移動；2015—2017 年植被NDVI 重心向西北方向移動且移動距離最??；2018—2020 年植被NDVI 重心又向西南方向移動。在5 a 時間尺度下，植被NDVI 重心先向東南方向移動且移動距離較大但偏轉角度不大，之后繼續(xù)向東南方向移動但偏轉角度增加，最后向西南方向移動且移動距離最短?？傮w上看，2000—2020 年研究區(qū)植被NDVI 重心無論在3 a 還是5 a 時間尺度上均向東南方向偏移，表明東南方向的植被覆蓋增長程度更為明顯，主要在鄂托克旗北部。

圖7 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI 重心位置及其分布Fig.7 Location of NDVI center of gravity of vegetation and its distribution in the growing season in west Ordos from 2000 to 2020

圖8 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI 重心遷移軌跡Fig.8 Trajectory of NDVI center of gravity migration of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

2.4 植被NDVI 變化的氣候因子驅動力分析

2.4.1 時間尺度NDVI 與氣溫、降水的關系 2000—2020 年研究區(qū)生長季的總降水量呈增加趨勢（圖9），但變化并不顯著（P>0.05），最高值為318.71 mm（2018 年），最低值為149.85 mm（2005 年），多年平均降水量為226.06 mm；氣溫總體變化幅度不大，甚至呈降低趨勢，變動范圍在16.52～17.77 ℃之間，最高值出現(xiàn)在2005 年，最低值在2020 年，平均溫度為17.15 ℃。結合植被NDVI 變化趨勢來看（圖3），NDVI 與降水量的變化趨勢基本一致。對植被NDVI 與氣溫、降水進行偏相關分析，結果顯示（表1），NDVI 的變化與降水呈極顯著正相關關系（P<0.01），而與氣溫無顯著相關關系，說明降水是影響研究區(qū)植被覆蓋度變化的主要因子。

表1 時間尺度上生長季植被NDVI 與氣候因子的相關性Tab.1 Correlation between vegetation NDVI in growing season and climate factors on time scales

2.4.2 空間尺度植被NDVI 與氣溫、降水的關系 在空間尺度上，研究區(qū)2000—2020 年間僅有0.05% 地區(qū)的NDVI 與氣溫呈顯著正相關（P<0.05），1.04% 地區(qū)與氣溫呈現(xiàn)顯著負相關（P<0.05），其中0.06%地區(qū)呈極顯著負相關（P<0.01），而相關不顯著區(qū)域占比高達98.92%（圖10）。在整個研究區(qū)內，植被NDVI 變化與降水因子呈顯著正相關的區(qū)域占54.51%（P<0.05），其中極顯著相關的區(qū)域占30.88%（P<0.01），分布在研究區(qū)的西南半部，主要是鄂托克旗和烏海市，對降水的響應強烈，隨降水的增加，植被NDVI顯著增加（圖11）。

圖9 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季總降水量、生長季平均氣溫的年際變化Fig.9 Inter -annual variation of total growing season precipitation and average growing season temperature in west Ordos region from 2000 to 2020

圖10 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI與溫度相關性的空間分布Fig.10 Spatial distribution of correlation between NDVI of vegetation in west Ordos region and temperature during the growing season from 2000 to 2020

圖11 2000—2020 年西鄂爾多斯地區(qū)生長季植被NDVI與降水相關性的空間分布Fig.11 Spatial distribution of correlation between NDVI of vegetation during the growing season and precipitation in west Ordos region from 2000 to 2020

3 討論

最早在19 世紀就有學者以氣候與植被生長的相關性為根基，提出了氣候與植被的關系［24-25］，而在眾多氣候因子中降水與溫度對植被的影響是非常顯著的［26-27］。在寒冷的高緯度地帶植被主要受溫度影響，例如東北地區(qū)植被NDVI 與降水和溫度都有顯著相關關系，并且受到溫度的影響一般高于降水［28-30］；在干旱和半干旱地區(qū)，植被受降水的影響更為強烈，例如黃晗等［31］對于黃土高原植被覆蓋動態(tài)變化進行研究，表明降水對于植被NDVI 的影響大于溫度的影響［31］，草原區(qū)相關的研究也顯示相同的結果［12，32］。本研究區(qū)處于干旱半干旱地區(qū)，以荒漠草原和草原化荒漠植被為主，在臨近區(qū)域的研究中，額爾敦格日樂等［33］研究了2001—2013 年西鄂爾多斯國家級自然保護區(qū)植被覆蓋變化，表明降水是植被NDVI 增加的主要影響因子，而溫度則呈現(xiàn)顯著負相關關系；苗旭等［2］研究了2000—2020 年鄂爾多斯整個地區(qū)植被覆蓋的變化，在氣候因子中，降水起著主要作用。本研究中，2 a 來植被NDVI 與降水呈顯著正相關，而與氣溫呈不顯著負相關。不過在不同區(qū)域有一定的差異性，研究區(qū)的54.51% 的地區(qū)與降水呈顯著正相關，主要分布在鄂托克旗和烏海市，呈不顯著相關區(qū)域占比也較大，達45.45%。主要原因是研究區(qū)位于草原與荒漠間的過渡地帶，處于半干旱與干旱地區(qū)，該區(qū)域主要以耐旱植物為主，對水分變化更為敏感［34］，由圖3 和圖9 可知，研究區(qū)植被覆蓋的變化與降水變化的趨勢一致。21 a 間研究區(qū)氣溫略有下降，但整體變化不顯著，并且植被覆蓋與氣溫相關不顯著區(qū)域高達98.92%，因而NDVI 與溫度沒有顯著相關關系。

研究區(qū)植被NDVI 值整體不高，主要與植被類型相關，荒漠草原和草原化荒漠占據大部分區(qū)域，并且研究區(qū)北部還有庫布齊沙漠。從時間變化來看，2000—2020 年研究區(qū)80.28% 的區(qū)域植被NDVI 呈顯著上升（P<0.05），其中極顯著的區(qū)域占66.72%，重心遷移顯示研究區(qū)東南部增加更為明顯，集中在鄂托克旗北部。這與苗旭等［2］對整個鄂爾多斯地區(qū)的研究結果重心主要集中在鄂托克旗東北向具有一致性。

植被NDVI 顯著增加除了與同期降水的增加有關外，也與近年來研究區(qū)推進生態(tài)建設，成立生態(tài)保護機構，加大植被的保護與恢復力度等相關［35-37］，尤其是杭錦旗，境內分布著庫布齊沙漠，21 a 來植被NDVI 呈極顯著增加（圖5 北部），但與降水和氣溫均沒有顯著相關性（圖10-11 相對應區(qū)域），說明植被覆蓋度的增加主要受人類活動的影響，這與庫布齊沙漠的治理密不可分。根據楊智博［38］對庫布齊沙漠及周邊地區(qū)的研究，2000—2021 年間，庫布齊沙漠沙漠化總面積由15 187.04 km2 縮減到7 226.90 km2，其中林地面積由1 813.15 km2增加到5 342.4 km2，增長了194.65%，耕地和草地面積增加幅度也比較明顯，分別增長了54.79% 和26.52%，與本研究結果相印證。研究區(qū)東南部NDVI 的變化也與人類活動有著密切的關系，由圖5 可以看出部分的NDVI 增加顯著，但相應區(qū)域與氣候因子的相關性不明顯（圖10-11），該區(qū)域位于鄂托克旗東南。在2000 年草地資源普查結果顯示，鄂托克旗天然草原退化達到78.9%［39］，之后由于實行退牧還草工程，京津風沙源治理、草原生態(tài)保護補助獎勵機制等一批國家重點生態(tài)建設，植被得以恢復，因而這部分NDVI 的增加受人類活動影響更大。

4 結論

西鄂爾多斯地區(qū)植被NDVI 值整體不高，北部庫布齊沙漠地區(qū)的NDVI 多在0.1 以下；由西北的草原化荒漠到東南的荒漠草原，NDVI 逐漸增加，變化范圍在0.1～0.3 之間。

2000—2020 年，西鄂爾多斯地區(qū)植被NDVI 呈現(xiàn)波動性上升，80.28% 的區(qū)域增加顯著，分布在除研究區(qū)中部外的大部分地區(qū)，尤其是北部的庫布齊沙漠及周邊地區(qū)、東南部的荒漠草原地區(qū)。無論在3 a 還是5 a 時間尺度上，植被NDVI 重心均向東南方向偏移，表明該區(qū)域植被覆蓋增加更為明顯。

近21 a 來西鄂爾多斯地區(qū)植被NDVI 變化受降水影響極為顯著，偏相關系數(shù)為0.623（P<0.01），受氣溫變化的影響不明顯（r＝-0.185，P>0.05），表明降水是影響研究區(qū)植被覆蓋變化的主要氣候因子?？臻g像元尺度上進一步反映出NDVI 與降水呈顯著正相關的區(qū)域占54.51%，主要在研究區(qū)的西南半部的烏海市與鄂托克旗，而僅有0.05% 的區(qū)域與氣溫呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05）。