大數(shù)據(jù)在科爾沁沙質(zhì)草甸草地監(jiān)測中的應(yīng)用

王保林，景 文

(內(nèi)蒙古小草數(shù)字生態(tài)產(chǎn)業(yè)股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

我國草地資源豐富，擁有全球面積第二大的草地資源。內(nèi)蒙古草原是我國北方生態(tài)的重要屏障，但近年來草地荒漠化和草地退化嚴重，監(jiān)測和治理我國北方退化草地迫在眉睫。草原生態(tài)大數(shù)據(jù)是一個具有科學指導(dǎo)性的服務(wù)型平臺，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、云計算、“3S”技術(shù)(GIS、GPS和RS)等信息化技術(shù)手段，整合草原生態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)信息，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等信息的互通共享，為不同區(qū)域中草原生態(tài)資源的合理利用以及生態(tài)保護提供判斷依據(jù)。本研究以內(nèi)蒙古科爾沁沙質(zhì)退化草甸為例，應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺對草地退化情況進行監(jiān)測和評價，旨在為其治理提供幫助。

科爾沁沙地是我國北方農(nóng)牧交錯區(qū)的典型代表區(qū)域，也是近年來沙漠化最為嚴重的地區(qū)之一。由于自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，再加上近幾十年人為過度的開墾、放牧等因素，嚴重破壞了原生植被。取代原生植被的是處于不同發(fā)育階段的隱域型沙地植被，與原生植被相比較，沙地植被中的喬木層已基本消失，草本層退化，灌木層發(fā)育強烈，植物種類組成減少，結(jié)構(gòu)過于單一，植被層發(fā)育不良，可食牧草比重減少。針對科爾沁沙地面臨的植被退化問題，以植被恢復(fù)、提高草地生產(chǎn)力和改善生態(tài)環(huán)境為核心，通過沙地治理技術(shù)和監(jiān)測效果的對比分析，開展沙化綜合治理關(guān)鍵技術(shù)研究。同時，利用已有數(shù)據(jù)積累基礎(chǔ)，收集該區(qū)域水—土—氣—生數(shù)據(jù)資料，結(jié)合關(guān)鍵環(huán)境要素，開展科爾沁沙地生態(tài)演變與環(huán)境要素的關(guān)系研究，綜合分析評估該區(qū)域生態(tài)演變特征及趨勢，從而為科爾沁沙地綜合治理、生態(tài)演變預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持，并逐步優(yōu)化沙地綜合治理技術(shù)，持續(xù)進行對治理草地進行監(jiān)測。利用多種技術(shù)手段分析多源數(shù)據(jù)，分析科爾沁沙地退化趨勢及合理的治理方法，結(jié)合遙感、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立模型，快速、精準判斷影響生態(tài)變化因子，并對沙地治理效果進行評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域處于科爾沁沙地扎魯特旗境內(nèi)的草甸草原典型區(qū)域(121°12′38.55″～121°20′39.51″E，44°22′38.11″～44°26′17.70″N)，占地面積47.23 km2。國家重點研發(fā)計劃課題“科爾沁沙質(zhì)草甸草地退化治理技術(shù)與模式”的退化治理區(qū)和示范區(qū)主要設(shè)置在研究區(qū)域內(nèi)。該區(qū)的氣候類型屬于中溫帶半干旱季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱，雨水集中，秋季涼爽、溫差大，冬季漫長干冷。草地類型以溫性草甸草原類和低地草甸類為主，均有不同程度的退化、沙化現(xiàn)象。草甸草原分布在固定、半固定和流動沙丘上，土壤以風沙土為主，多經(jīng)過人為的反復(fù)干擾；低地草甸分布于沙丘之間，由于表層土壤風蝕嚴重，堿土裸露，形成大面積裸斑，土壤以鹽化或堿化草甸土為主，局部地方為沼澤土。多年生優(yōu)勢植物有大針茅、羊草、冰草、褐沙蒿、差巴嘎蒿、芨芨草、蘆葦、拂子茅、巨序剪股穎、大葉章、披堿草、苔草、小糠草等，沙丘上主要分布有多種一年生植物。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 衛(wèi)星遙感資料 遙感數(shù)據(jù)是NASA(National Aeronautics and Space Administration)提供的Landsat系列共享數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象資料主要從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)下載，下載研究區(qū)內(nèi)2005、2008、2011、2014、2017年中國地面氣候資料每日的數(shù)據(jù)，主要包括年平均氣溫、積溫、降水量和蒸散量。

1.2.3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù) 借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備智墑(土壤墑情傳感器)，于2017年4月至11月，對科爾沁退化草地的土壤水分和溫度指標進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，再通過對數(shù)據(jù)檢測和統(tǒng)計分析，得出實際的土層水分和土層積溫數(shù)據(jù)及變化規(guī)律。

1.2.4 植被蓋度 利用野外樣方數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)合經(jīng)緯度點位關(guān)聯(lián)當?shù)馗叻直媛手脖恢笖?shù)NDVI 值。形成蓋度(C)擬合方程。

C=92.892x+24.541(0.01≤x<0.812)%

C=100(0.812≤x≤1)%

1.2.5 草地生物量利用野外樣方數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)合經(jīng)緯度點位關(guān)聯(lián)當?shù)馗叻直媛手脖恢笖?shù)NDVI 值。形成生物量(B)擬合方程。

B=423.3x2+25.925x(0≤x<0.35)g/m2

B=1100.75x2-779.45x+230.35(0.35≤x≤1)g/m2

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Arcgis10.2、SPSS19.0和EXCEL對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的植被蓋度、生物量及氣象變化

對2005～2017年科爾沁退化草地的植被蓋度、生物量及4個季度的氣溫、降雨量、蒸散量和年積溫進行統(tǒng)計分析，表明研究區(qū)植被蓋度變動在46%～72%之間，極差為26%，13 a平均植被蓋度為63%；草地生物量為63.7～120.9 g/m2，極差57.2 g/m2，13 a平均值為92.0 g/m2。對13 a每季度的平均氣溫、降雨量和蒸散量統(tǒng)計分析，4個季度平均氣溫依次為-7.4 ℃、16.5 ℃、21.6 ℃和-2.0 ℃；平均降雨量依次為6.2 mm、130.2 mm、192.9 mm和20.1 mm；平均蒸散量分別為36.7 kg/m2、54.4 kg/m2、107.9 kg/m2和43.0 kg/m2。多年平均季度氣溫、降雨量和蒸散量均呈現(xiàn)一季度<四季度<二季度<三季度。>0 ℃積溫為3 557.2～4 133.6 ℃，平均為3 808.7 ℃(表1)。

2.2 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的植被蓋度值同氣象數(shù)據(jù)變化的關(guān)系

2.2.1 植被蓋度與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性 植被蓋度與不同季度的溫度、降雨、蒸散、積溫的相關(guān)性各不相同。蓋度與4個季度的溫度均呈負相關(guān)關(guān)系，與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，與蒸散量的相關(guān)性有正有負，與積溫的相關(guān)性較小。其中，在α=0.05顯著水平上，植被蓋度與一、三季度溫度呈顯著負相關(guān)關(guān)系，說明1～3月和7～9月2個季度制約植被生長的主要因子之一是溫度；植被蓋度與三季度降雨呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明7～9月的降雨是影響植被生長的又一主要因子；植被蓋度與二季度蒸散顯著正相關(guān)，與三季度蒸散在α=0.01水平上顯著正相關(guān)，說明4～9月的蒸散量也會對植被生長產(chǎn)生正向影響。比較各氣象指標與植被蓋度的相關(guān)系數(shù)，蓋度與各氣象指標的相關(guān)性關(guān)系在α=0.05顯著水平上為三季度蒸散量>二季度蒸散量>三季度溫度>三季度降雨量>一季度溫度。進一步以蓋度為因變量(C)進行多元回歸分析，得到蓋度隨三季度蒸散量和三季度溫度變化的回歸方程C1=0.135x1-8.001x2+221.735(R2=0.648，p<0.05，x1為三季度蒸散量，x2為三季度溫度)和蓋度隨二季度蒸散量和三季度降雨量變化的回歸方程C2=0.211x1+0.049x2+42.195(R2=0.601，p<0.05，x1為二季度蒸散量，x2為三季度降雨量)。說明植被蓋度隨三季度蒸散量和溫度的協(xié)同變化而變化，也受二季度蒸散量和三季度降雨的共同影響(表2)。

表1 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的植被蓋度、生物量、溫度、降雨量、蒸散量、積溫

表2 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的溫度、降雨量、蒸散量、積溫與植被蓋度的關(guān)系

2.2.2 季度溫度對植被蓋度的影響 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的一季度氣溫在-10.2～-4.8 ℃之間變化，三季度氣溫在21.2～22.5 ℃之間變化，13 a的一、三季度平均氣溫分別為-7.4 ℃和21.6 ℃。植被蓋度的變化趨勢和一、三季度氣溫的變化趨勢反向一致。一、三季度氣溫升高時，植被蓋度降低，一、三季度氣溫降低時，植被蓋度增加(圖1)。

圖1 季度氣溫對植被蓋度的影響

2.2.3 季度降雨量、蒸散量對植被蓋度的影響 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的三季度降雨量在93.1～308.4 mm之間變化，13 a的平均值為192.9 mm，整體呈增加趨勢；二季度蒸散量在18.5～82.3 kg/m2之間變化，平均為54.4 kg/m2；三季度蒸散量為49.3～155.7 kg/m2，平均107.9 kg/m2，蒸散量整體也呈增加趨勢。植被蓋度的變化趨勢和季度降雨量、蒸散量的變化趨勢一致。三季度降雨量、二季度蒸散量、三季度蒸散量增加，植被蓋度增加，反之降低(圖2)。

圖2 季度降雨量、蒸散量對植被蓋度的影響

2.3 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的地上生物量與氣象數(shù)據(jù)變化的關(guān)系

2.3.1 生物量與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系 草地地上生物量與不同季度的溫度、降雨、蒸散、積溫的相關(guān)性各不相同，其與各氣象指標的相關(guān)關(guān)系與蓋度同各氣象指標的相關(guān)性類似。生物量與三季度溫度在α=0.01水平上呈顯著負相關(guān)關(guān)系，說明7～9月的溫度越高，越不利于生物量的積累；生物量與二季度降雨在α=0.01水平上呈顯著正相關(guān)關(guān)系，此時的降雨是影響草地生物量的主要因子之一。生物量與二季度蒸散在α=0.05水平上顯著正相關(guān)，表明4～6月的蒸散量也是生物量積累的關(guān)鍵因素。比較各氣象指標與生物量的相關(guān)系數(shù)，其相關(guān)關(guān)系在α=0.05顯著水平上為二季度降雨量>三季度溫度>二季度蒸散量。進一步以生物量為因變量(y)，進行多元線性回歸分析，得出回歸方程為y=0.329x1-18.577x2+451.296(R2=0.782，p<0.05，其中x1為二季度降雨量，x2為三季度溫度)，說明草地生物量的積累受二季度降雨和三季度溫度共同影響(表3)。

表3 科爾沁退化沙質(zhì)草甸的溫度、降雨量、蒸散量、積溫與生物量的關(guān)系

續(xù)表：

2.3.2 季度溫度、降雨量、蒸散量對生物量的影響 草地地上生物量的變化趨勢和三季度氣溫的變化趨勢反向一致。三季度氣溫升高時，生物量減少，反之亦然。生物量的變化趨勢和季度降雨量、蒸散量的變化趨勢一致。二季度降雨量、二季度蒸散量增加，生物量增加，反之減少(圖3)。

圖3 季度氣溫、降雨量、蒸散量對生物量的影響

3 討論

通過對氣象數(shù)據(jù)(溫度、降雨)與蓋度、生物量之間的相關(guān)性分析，認為科爾沁退化沙質(zhì)草甸的植被蓋度主要受三季度氣溫和三季度降雨影響最大，而生物量主要受二季度降雨和三季度氣溫的影響。但多數(shù)研究表明，降雨量是控制植被生長狀況的主要氣候因子[1，2]；有科爾沁沙地的相關(guān)研究表明，植被NDVI與氣溫呈顯著正相關(guān)[3]，年際水平上植被生長總體上與降水量的關(guān)系更加密切。本研究中植被蓋度與季度氣溫顯著負相關(guān)，氣溫升高時，植被蓋度降低，氣溫降低時，植被蓋度增加，與上述研究不相符合。但也有研究表示這可能是由于不同區(qū)域不同植被獲取土壤水分的能力大小各異，水熱組合響應(yīng)不同[4]所致；或者在一年之中7～9月份降水量主要起促進NDVI增長的作用，而平均氣溫主要起限制作用[5]。氣溫升高使得地表蒸發(fā)量增大，植被的蒸騰作用增強，而對于科爾沁沙質(zhì)草甸而言，當水分不能保證植被正常生長時，會制約植被生長，降低植被蓋度，甚至加劇干旱化趨勢，造成土地荒漠化。因此，氣溫變化對于科爾沁沙地的植被蓋度的驅(qū)動作用是負向作用。本研究蒸散量整體呈增加趨勢，說明科爾沁沙地水分蒸發(fā)呈增加趨勢，這與全球氣候變暖現(xiàn)象有關(guān)。近百年來，全球氣溫也正處于上升態(tài)勢[6，7]；李金亞等在研究科爾沁沙地近50 a氣候時，也表明這一結(jié)論。

科爾沁沙地區(qū)域生態(tài)環(huán)境干旱脆弱，降雨是該區(qū)域土壤水分的主要來源。而該區(qū)域植被生長季從4月下旬開始至10月結(jié)束，7、8月生長最為茂盛，11月份完全枯死[8]。植被生長依賴于水熱組合的共同作用，單一氣候因子的相關(guān)性降低[9]。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取土壤水分和溫度數(shù)據(jù)，通過對大數(shù)據(jù)的分析，5～8月份土壤溫度最高，而較高的土壤水分主要集中在6～9月份，與植被的生長季節(jié)相匹配。