內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度監(jiān)測及氣象驅(qū)動力分析

摘要：內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，氣候影響下的植被覆蓋度變化和氣象驅(qū)動力是該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的主導(dǎo)因子?；谶b感MOD13 A2獲取內(nèi)蒙古中部2000-2012年歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，監(jiān)測近13年內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度變化，并對與植被生長相關(guān)的氣象因子進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，2000-2012年內(nèi)蒙古中部平均植被覆蓋度在波動中呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，平均每年增長1.29個百分點；覆蓋度變化與年降雨量和7、8月降雨量呈極顯著正相關(guān)，與7、8月平均溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與年均溫度、風(fēng)速相關(guān)程度低。

關(guān)鍵詞：遙感；植被覆蓋度；氣象因子；農(nóng)牧交錯區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)

中圖分類號：S161 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1574-04

植被覆蓋度是指觀測區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占地表總面積的比例，是反映植被數(shù)量的重要參數(shù)，也是描述生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)。內(nèi)蒙古自治區(qū)作為我國北部重要的生態(tài)屏障，擁有全國最大的草原和林區(qū)。近年來，受全球氣候變化的影響，天氣災(zāi)害、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、農(nóng)業(yè)生物災(zāi)害呈頻發(fā)趨勢。農(nóng)牧業(yè)主要依賴自然條件再生產(chǎn)的物質(zhì)生產(chǎn)元素，受天氣氣候條件影響很大，某種程度上，氣象條件成為決定農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)豐歉的重要因素。國內(nèi)外學(xué)者在植被遙感覆蓋度監(jiān)測及驅(qū)動因子上做了大量的研究工作。苗正紅等[1]基于MODIS NDVI對吉林省植被覆蓋度動態(tài)進行遙感監(jiān)測；韓佶興[2]對2000-2010年東北亞地區(qū)植被覆蓋度變化進行了研究；劉超[3]對內(nèi)蒙古阿拉善東南部地區(qū)20年來植被覆蓋度及生態(tài)環(huán)境進行了研究；鄧慧平[4]將降雨看作是草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主導(dǎo)因子，建立了松嫩草原生產(chǎn)力模型。對于農(nóng)牧交錯、生態(tài)系統(tǒng)脆弱的內(nèi)蒙古中部區(qū)域，研究其植被覆蓋度變化和氣象驅(qū)動力對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有極其重要的現(xiàn)實意義。為此，以生態(tài)比較脆弱的內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯帶為研究區(qū)，基于多年MODIS遙感數(shù)據(jù)來分析該區(qū)域植被覆蓋度變化，并對植被生長相關(guān)的氣象因子進行相關(guān)性分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（圖1）位于東經(jīng)104°52′-124°11′，北緯37°23′-46°59′，包括除呼倫貝爾盟、阿拉善盟外的內(nèi)蒙古其余盟市，總面積65.15萬km2。以高原為主，高原的外沿分布著河套平原和遼嫩平原，平均海拔1 000 m，年均降雨量300 mm，年平均氣溫4.8 ℃，以溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主。內(nèi)蒙古中部為農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的交錯區(qū)，河套平原和遼嫩平原為主要農(nóng)耕區(qū)，大部為草原，從東到西依次為草甸草原、典型草原、荒漠草原，植被覆蓋度也隨之降低，呈現(xiàn)明顯的條帶性分布。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。查詢獲得近13年來東烏珠穆沁等18個研究區(qū)域內(nèi)氣象站的年降雨量、年平均氣溫、年平均風(fēng)速、每年7、8月降雨量、7、8月平均氣溫及平均風(fēng)速。

2.2 植被指數(shù)數(shù)據(jù)

本研究采用美國航空航天局（NASA）提供的MOD13 A2 1 km 16 d合成的歸一化植被指數(shù)（NDVI）遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。NDVI在植被研究中得到廣泛應(yīng)用，它是植被生長狀態(tài)和分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性關(guān)系。試驗表明當(dāng)植被覆蓋度低于15%時，能區(qū)分土壤背景和植被；當(dāng)植被覆蓋度為25%～80%時，NDVI隨植被覆蓋度增加呈線性關(guān)系；植被覆蓋度大于80%時，監(jiān)測能力逐步下降。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度監(jiān)測結(jié)果

利用像元二分法原理將歸一化植被指數(shù)（NDVI）轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度。像元二分法是假定地物只由全植被覆蓋的純植被和無植被覆蓋的裸土組成，像元光譜信息也由這兩部分線性組合而成，它們各自面積在像元中的比例即各自權(quán)重，其中純植被所占比例即是該像元的植被覆蓋度。該模型具有普遍性意義，經(jīng)過驗證后可以應(yīng)用于其他地區(qū)，是通用的植被覆蓋度算法，轉(zhuǎn)化公式為：

fv=■ （1）

式中，fv為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為裸土NDVI，NDVIveg為完全植被覆蓋NDVI。對于多數(shù)裸土表面，NDVIsoil值理論上為0，但由于受眾多因素影響，其值在-0.1～0.2之間變化[5]；同時NDVIveg也會隨植被類型和時空變化而改變，通常需要借助經(jīng)驗來判斷。本研究借鑒前人研究成果確定NDVI累積頻率5%為NDVIsoil值，累積頻率95%為NDVIveg值，處理得2000-2012年覆蓋度及其變化監(jiān)測結(jié)果見圖2。

根據(jù)水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中植被覆蓋度分級標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度劃分為5個等級，即﹤30%（低植被覆蓋）、30%～45%（中低植被覆蓋）、45%～60%（中等植被覆蓋）、60%～75%（中高植被覆蓋）、≥75%（高植被覆蓋），對2000-2012年內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度進行統(tǒng)計，各等級面積監(jiān)測結(jié)果見表1。

以2003年國家標(biāo)準(zhǔn)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)》中植被群落特征的總覆蓋度為指標(biāo)，監(jiān)測結(jié)果表明，2012年較2000年，植被覆蓋度下降區(qū)域占研究區(qū)域面積的2.72%，38.76%的區(qū)域植被覆蓋度穩(wěn)定，而58.52%的區(qū)域呈不同程度增長，詳細(xì)監(jiān)測結(jié)果如表2。

植被覆蓋度下降地區(qū)主要分布在蘇尼特左旗北部、東烏珠穆沁旗東北部、通遼東部和呼和浩特市周邊。對年均植被覆蓋度進行分析得出其變化趨勢見圖3，從圖3可以看出植被覆蓋度由2000年的40.67%上升到2012年的56.15%，除2001年有小幅度下降外，2002年到2007年植被覆蓋度基本穩(wěn)定；2008年較前幾年出現(xiàn)明顯增長，不過2009年出現(xiàn)大幅下降，接下來的3年呈現(xiàn)快速增長，且2011年達到近13年平均水平，2012年則出現(xiàn)近年來新的植被覆蓋度峰值?？傮w而言，除2008、2009年植被覆蓋度出現(xiàn)較大波動以外，2000-2012年內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度水平呈緩慢增長趨勢，每年增長1.29個百分點。

3.2 氣象驅(qū)動因子分析

作為草原生態(tài)變化的重要外在因素，氣候因子與植被關(guān)系的確定及預(yù)測氣候變化對內(nèi)蒙古中部植被影響具有重要意義。降雨是草原水分的重要來源，在草地的生長和演替中發(fā)揮重要作用；溫度作為比較活躍的氣候因子，對蒸發(fā)、降雨、空氣濕度有著重要作用，對植被生長的各個階段均有重要影響；風(fēng)速是研究內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度不可缺少的氣候因子。研究表明，不同草場的風(fēng)蝕率都隨著風(fēng)速的增加而增加，風(fēng)速小于12 m/s時各草場的風(fēng)蝕率較小，且增長較為緩慢，當(dāng)風(fēng)速由12 m/s增加到16 m/s時，風(fēng)蝕率有明顯增長，當(dāng)風(fēng)速超過16 m/s，風(fēng)蝕率仍增長，但速率較為緩慢[6]。

利用ArcGIS軟件對獲取的點氣象數(shù)據(jù)進行距離權(quán)倒數(shù)（IDW）插值處理，得到與遙感數(shù)據(jù)相匹配的空間數(shù)據(jù)，2000-2012年年降雨量、年均溫度、年均風(fēng)速、7～8月降雨量、平均溫度和風(fēng)速的空間數(shù)據(jù)如圖4。

在處理得到氣象插值數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用最小二乘法CORREL函數(shù)分別計算年降雨量、年均溫度、年均風(fēng)速、7～8月降雨量、平均溫度和風(fēng)速與植被覆蓋度的相關(guān)系數(shù)。CORREL計算公式：

rxy=■ （2）

式中，n為變量個數(shù)，xi、yi為變量，rxy為相關(guān)系數(shù)。分析結(jié)果見表3。由表3可知，7、8月降雨量之和與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)最大，為0.861 9。夏季溫度高、蒸發(fā)量大，水分在植被生長中的作用尤為突出，因此，7、8月降雨量之和與植被覆蓋度關(guān)系最為密切。年降雨量與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)為0.813 9，其與植被覆蓋度呈高度相關(guān)。7、8月平均氣溫與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)為-0.574 0，兩者中度負(fù)相關(guān)。從植物生理特點分析，溫度升高、蒸發(fā)量增加，植物氣孔關(guān)閉，對植物的生長呈抑制作用。年均氣溫、風(fēng)速及7、8月平均風(fēng)速與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)較低，且呈負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

通過遙感監(jiān)測分析內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度和氣象驅(qū)動因子，得到結(jié)論如下：

1）2012年較2000年，只有蘇尼特左旗北部、東烏珠穆沁旗東北部、通遼東部和呼和浩特市周邊植被覆蓋度下降，其中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，呼和浩特市周邊地區(qū)植被覆蓋度下降的主要原因是城市的開發(fā)建設(shè)占用了大量的耕地、草地。

2）內(nèi)蒙古中部地區(qū)2012年較2000年，植被覆蓋度下降區(qū)域僅占研究區(qū)域面積的2.72%，38.76%的區(qū)域植被覆蓋度基本穩(wěn)定，而58.52%的區(qū)域呈不同程度增長，植被覆蓋度在波動中呈緩慢增長趨勢，年均增長1.29個百分點。

3）年降雨量和7、8月降雨量與植被覆蓋度呈極顯著正相關(guān)，且夏季7、8月降雨量對植被覆蓋度影響最大。7、8月平均溫度與植被覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，即溫度升高對植被生長產(chǎn)生抑制作用。年均溫度、風(fēng)速對內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度的影響不大，呈負(fù)相關(guān)，但不顯著。

植被覆蓋度監(jiān)測是一個長期、大范圍的過程，應(yīng)在生態(tài)敏感區(qū)域設(shè)置常年采樣區(qū)，對植被覆蓋度變化進行實地調(diào)查。在植被覆蓋度氣象驅(qū)動因子分析基礎(chǔ)上，結(jié)合社會、人文等綜合因素，更好地揭示植被變化的內(nèi)在原因。

參考文獻：

[1] 苗正紅，劉志明，王宗明，等.基于MODIS NDVI的吉林省植被覆蓋度遙感動態(tài)監(jiān)測[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012，25（3）：387-393.

[2] 韓佶興.2000-2011年東北亞地區(qū)植被覆蓋度變化研究[D]. 北京：中國科學(xué)院，2012.

[3] 劉 超.內(nèi)蒙古阿拉善東南部地區(qū)近二十年來植被覆蓋度及生態(tài)環(huán)境研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

[4] 鄧慧平.全球氣候變化對松嫩平原土壤水分和生產(chǎn)力影響研究[J].草地學(xué)報，1998，6（2）：147-152.

[5] CARLSON T N，RIPLEY D A.On the relation between NDVI， fractional vegetation cover，and leaf area index[J]. Remote Sensing of Environment，1997，62（3）：241-252.

[6] 烏 蘭，烏蘭巴特爾，李云鵬.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)牧業(yè)氣象服務(wù)體系研究[M].北京：氣象出版社，2009.