近18年內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)植被覆蓋度與氣候因子的關(guān)系

魏 學(xué)

（赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

20世紀以來，全球地表溫度上升了 （0.6±0.2）℃，且近50年全球氣候變暖的程度相當(dāng)于近100年的2倍［1-2］。全球氣候變化使氣候要素的空間格局發(fā)生變化，導(dǎo)致一些區(qū)域極端氣候事件頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)功能退化、植物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，尤其是那些氣候條件依賴性強的農(nóng)牧業(yè)耦合系統(tǒng)區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)［3］。赤峰地區(qū)屬于半干旱氣候區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，是內(nèi)蒙古典型的農(nóng)牧結(jié)合區(qū)域，由于特殊的地理位置和氣候條件，使其成為我國北方重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和生態(tài)屏障［4］。該區(qū)域植被類型復(fù)雜多樣，農(nóng)田、草地和林地并存，植被生長對氣候條件敏感性和依賴性強［5］，因此，定量分析該區(qū)域植被覆蓋度變化與氣候因子的關(guān)系，對于促進當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護和恢復(fù)具有重要意義。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是反映地表植被性狀的重要指標，由于其數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性和客觀性，常用來定量分析區(qū)域植被覆蓋度變化［6］。近年來，很多學(xué)者針對植被變化與氣候因子的關(guān)系做了大量研究，氣溫和降水被認為是黃河源區(qū)高寒草地NDVI增加的極顯著影響因子［7］，新疆伊犁河谷植被指數(shù)與氣溫和降水具有顯著相關(guān)關(guān)系［8］，渾善達克地區(qū)生長季植被NDVI與年平均氣溫的相關(guān)性高于年降水量的相關(guān)性［9］。從以上研究可以看出，植被變化與氣候因子具有明顯的相關(guān)性，但不同區(qū)域的相關(guān)程度各異。目前，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于赤峰地區(qū)氣候生產(chǎn)力的研究證實，植被氣候生產(chǎn)力與氣溫、降水存在顯著的相關(guān)關(guān)系［10］，但有關(guān)該區(qū)域植被覆蓋度變化的研究國內(nèi)尚未見相關(guān)報道。該研究利用2000—2017年牧草生長季（4—9月）MODIS歸一化植被指數(shù)（NDVI）16 d合成產(chǎn)品，結(jié)合同期氣溫、降水觀測數(shù)據(jù)，分析赤峰地區(qū)植被覆蓋度變化趨勢與氣候因子（氣溫、降水）的關(guān)系，以期為合理利用氣候資源和維護赤峰地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 赤峰地區(qū)1961—2017年生長季氣候因子的年際變化

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)，地處41°17′～45°24′N，116°21′～120°58′E，氣候類型為中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為6.2℃，≥10℃活動積溫為2 880℃；年均降水量391 mm，年均蒸發(fā)量 1 878 mm，約為年降水量的 5 倍［6］；無霜期155 d；土壤類型以沙壤土為主，該區(qū)域是一個以農(nóng)為主、半農(nóng)半牧的典型的農(nóng)牧交錯地區(qū)，總土地面積90 021 km2，天然草地面積約占64%，是耕地面積的 6 倍［5］。

1.2 資料來源

氣候資料：選擇覆蓋赤峰地區(qū)的氣象站點1961—2017年4—9月逐日平均氣溫、降水量資料，通過計算得到生長季平均氣溫、降水量。

遙感數(shù)據(jù)：來源于美國MODIS Terra 2000—2017年4—9月16 d歸一化植被指數(shù)合成產(chǎn)品，空間分辨率為 250 m（https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）。

1.3 研究方法

將每年4—9月植被指數(shù)產(chǎn)品分別采用最大合成法（maximum value composite syntheses，MVC）計算獲得逐年生長季NDVI最大值 （NDVImax），用來代表當(dāng)年的植被生長狀況。將NDVI每個柵格18年時間序列值進行一元線性回歸模擬直線斜率，表示2000—2017年NDVI的變化速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因子變化特征

2.1.1 氣候因子年變化：1961—2017年平均氣溫年際變化呈顯著上升趨勢 （P＜0.05），57年氣溫升高了1.3℃，升溫速度0.22℃/10 a，平均氣溫最低值為15.4℃，最高值為18.5℃，分別出現(xiàn)在1976年和2000年。1961—1996年和1997—2017年2個時段平均氣溫分別比57年平均值 （16.9℃）低0.3℃和高0.6℃，說明近21年來赤峰地區(qū)升溫最為明顯。57年來天然牧草生長季降水量總體呈不顯著減少趨勢（P＞0.05），減少速率為 3.38 mm/10 a，57年平均值為357.1 mm，最小值257.2 mm（2009年），最大值538.1 mm（1998年），分別比平均值低99.9 mm和高181.0 mm（見圖1）。

2.1.2 氣候因子月變化：1961—2017年天然牧草生長季逐月平均氣溫和降水量呈單峰型分布，熱量和降水主要集中在6—8月（見圖2）。其中，7月平均氣溫（22.4℃）和降水量（118.9 mm）顯著高于其他月份，4月平均氣溫（8.0℃）和月降水量（13.7 mm）均顯著低于其他月份，9月平均氣溫和降水量顯著低于除4月以外的其他月份。

2.2 植被覆蓋度變化

近18年赤峰地區(qū)植被覆蓋度NDVI平均值以斜率為 0.002 5/a呈顯著增加趨勢 （P＜0.05），2017年 （0.645 9） 比 2000年 （0.560 3） 增加了0.085 6，說明總體上赤峰地區(qū)植被覆蓋度逐年增加（見圖3）。NDVI平均值隨月份增加呈先增后減變化趨勢，4月植被開始返青生長，NDVI平均值僅為0.190 9，顯著低于其他月份，之后隨著牧草的生長NDVI逐漸增加，7月、8月分別達到0.759 4、0.726 2，均顯著高于其他月份，而二者之間無顯著差異（P＞0.05）。 隨后NDVI逐漸下降，9月牧草進入枯黃期，NDVI平均值降至0.379 9，顯著低于除4月以外的其他月份。

圖2 赤峰地區(qū)1961—2017年生長季氣候因子的逐月變化

圖3 赤峰地區(qū)NDVI平均值年際變化與逐月變化

表1 赤峰地區(qū)生長季NDVI與同期氣候因子的相關(guān)系數(shù)

2.3 植被覆蓋度與氣候因子的相關(guān)分析

由表1可以看出，赤峰地區(qū)NDVI與4—9月降水量、4—9月平均氣溫相關(guān)系數(shù)分別為0.730、0.384，其與前者呈正相關(guān)關(guān)系且通過顯著水平為0.01的t檢驗，與后者呈正相關(guān)關(guān)系，但未通過顯著水平為0.05的t檢驗。其中，6月、7月、8月降水量與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，且通過了顯著水平為0.01的t檢驗，相關(guān)系數(shù)分別為0.724、0.789、0.782，4月、5月、9月降水量與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，且通過顯著水平為0.05的t檢驗，而逐月平均氣溫與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，但未通過顯著水平為0.05的t檢驗。說明降水量是植被NDVI正向因子，而熱量條件的促進作用并不明顯。原因是赤峰地區(qū)處在干旱地區(qū)，氣溫升高雖然能夠為植被生長提供充足熱量，但同時也加大了地表蒸發(fā)，導(dǎo)致干旱加重。而自然降水是植被生長唯一水分來源，充足的降水有利于增加土壤濕度和植被生長。

3 討論

秦大河［1］、丁一匯等［2］在《氣候變化國家評估報告》中指出，在全球氣候變暖的背景下，1905年以來我國平均地表氣溫呈顯著增加趨勢，近50 a增溫尤其明顯，全國平均地表氣溫升高了1.1℃，升溫速率為 0.22 ℃/10 a；王英等［3］研究得出，我國平均降水量上存在明顯的區(qū)域分布差異，1951年以來呈微弱減少趨勢，減少速率為0.569 mm/a。王志春等［11］研究表明，因氣候變暖，1961—2014 年內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫升溫明顯，熱量資源顯著增加。該研究發(fā)現(xiàn)赤峰地區(qū)近57年來4—9月平均氣溫呈顯著增加趨勢，57年氣溫升高了1.3℃，升溫速率0.22℃/10 a，降水量呈不顯著減少趨勢，減少速率為3.38 mm/10 a，說明赤峰地區(qū)氣候變化正偏向“暖干化”發(fā)展，這與全國氣候變化具有高度的相似性。

在北方干旱草原區(qū)，自然植被整個生長發(fā)育過程呈現(xiàn)單峰態(tài)變化，4—5月植被開始返青，NDVI進入快速增長階段，7—8月牧草生長的高峰期NDVI相對穩(wěn)定，9—10月進入黃枯期，NDVI逐漸降低，植被整個生長過程結(jié)束［12］。該研究發(fā)現(xiàn)，天然牧草生長季氣溫、降水呈現(xiàn)單峰型變化，NDVI變化與氣溫、降水變化方向和節(jié)點一致，返青期和黃枯期NDVI顯著低于其他月份，7月達到峰值0.759 4，這一變化趨勢明顯受水熱條件匹配影響。這與以往的研究結(jié)論相似。

有研究認為［4］，在北方典型農(nóng)牧交錯區(qū)熱量充足，大氣降水是植被生長需水的唯一來源，因此，植被生物量和種類多樣性主要取決于自然降水條件。趙志平等［7］研究發(fā)現(xiàn)，黃河源區(qū)高寒草地NDVI與降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與氣溫具有顯著正相關(guān)關(guān)系。王瑋等［12］研究發(fā)現(xiàn)，西北干旱區(qū)植被長勢明顯增加，NDVI與氣溫和降水呈顯著相關(guān)關(guān)系。梁蕓等［13］研究認為，2000年以來甘南地區(qū)植被穩(wěn)定性顯著提高，與氣候變化密切相關(guān)。該研究表明，赤峰地區(qū)植被NDVI與4—9月降水量呈正相關(guān)關(guān)系且通過顯著水平為0.01的t檢驗，與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，但未通過顯著水平為0.05的t檢驗。逐月降水量與NDVI均呈正相關(guān)關(guān)系，且6—8月降水量對NDVI影響達到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.724、0.789、0.782，而逐月平均氣溫與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，但未通過顯著水平為0.05的t檢驗，相關(guān)系數(shù)為0.254（9月）～0.349（4月）。說明赤峰地區(qū)降水量對植被NDVI影響比氣溫更明顯，其中，6—8月降水量對植被覆蓋度具有明顯促進效應(yīng)，植被返青期（4月）熱量條件比其他時段更重要，這與以往研究結(jié)論相一致。

參考文獻：

［1］秦大河.進入21世紀的氣候變化科學(xué)——氣候變化的事實、影響與對策［J］.科技導(dǎo)報，2004（7）：4-7.

［2］丁一匯，任國玉，石廣玉，等.氣候變化國家評估報告（Ⅰ）：中國氣候變化的歷史和未來趨勢［J］.氣候變化研究進展，2006，2（1）：3-8.

［3］王英，曹明奎，陶波，等.全球氣候變化背景下中國降水量空間格局的變化特征 ［J］.地理研究，2006，25（6）：1031-1041.

［4］孫淼，徐柱，柳劍麗.內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)草地氣候生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)［J］.草業(yè)科學(xué)，2011，28（6）：1085-1090.

［5］魏學(xué)，吳建華，王志春，等.赤峰地區(qū)牧草生長與氣候因素的關(guān)系［J］.草業(yè)科學(xué)，2013，30（12）：2035-2039.

［6］吳力吉.赤峰市主要氣象災(zāi)害防御規(guī)劃［M］.北京：氣象出版社，2012.

［7］趙志平，吳曉莆，李果，等.黃河源區(qū)高寒草地NDVI格局與梯度變化［J］.草業(yè)科學(xué)，2013，30（12）：1917-1925.

［8］陳愛京，肖繼東，曹孟磊.基于MODIS數(shù)據(jù)的伊犁河谷植被指數(shù)變化及其對氣候的響應(yīng) ［J］.草業(yè)科學(xué)，2016，33（8）：1502-1508.

［9］程高，張寶林，常成虎.渾善達克地區(qū)典型植被NDVI與溫度、降水的相關(guān)性分析 ［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（6）：1298-1303.

［10］魏學(xué)，孫庶玥，趙萱，等.赤峰地區(qū)植物氣候生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2015，43（4）：54-56.

［11］王志春，楊軍，陳素華，等.氣候變暖對內(nèi)蒙古東部地區(qū)農(nóng)牧業(yè)氣候資源的影響 ［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2016，30（4）：132-137.

［12］王瑋，馮琦勝，郭鈮，等.基于長時間序列NDVI資料的我國西北干旱區(qū)植被覆蓋動態(tài)監(jiān)測［J］.草業(yè)科學(xué)，2015，32（12）：1969-1979.

［13］梁蕓，王大為.2000年以來甘南植被變化趨勢及原因分析［J］.草業(yè)科學(xué)，2016，33（6）：1102-1111.