內蒙古中部荒漠草原INDV時空變化及其對氣候的響應特征

張燕飛，梁文濤，韓振華，焦 瑞，廖梓龍

(水利部 牧區(qū)水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

牧區(qū)草原既是邊疆地區(qū)、少數(shù)民族聚居區(qū)，也是我國綠色生態(tài)屏障．草原生態(tài)保護事關牧區(qū)居民生活環(huán)境改善和國家生態(tài)安全，在全國經(jīng)濟社會發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位．草原生態(tài)環(huán)境的改變，最直接的表現(xiàn)就是地表植被覆蓋度的時空變化．由于含葉綠素植物與裸地、水體等的光譜反射特征不同，因此可以利用歸一化差值植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，INDV，即遙感影像中近紅外波段和紅波段的差值與近紅外波段和紅波段和的比值)與植被分布密度的正相關性，對植被分布與生長情況進行大范圍、長時間的監(jiān)測與評價[1-2]．近些年關于內蒙古草原INDV的研究大多集中在錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原等，且研究時間范圍以2010年以前的遙感或者實測資料為主[3-8]，關于2010年以后內蒙古中部生態(tài)脆弱荒漠草原區(qū)的INDV研究較少[9-10]．

20世紀80年代開始，由于牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式的改變和人口、牲畜數(shù)量的急劇增加，草場過度放牧嚴重，加劇了內蒙古草原退化、荒漠化甚至沙化．近年來，雖然各級政府出臺了一系列政策以應對草場退化，但由于全球和區(qū)域氣候變化加劇，土壤風蝕嚴重以及牧區(qū)畜牧業(yè)進一步發(fā)展[11-12]，草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化壓力較大，特別是生態(tài)脆弱的荒漠草原區(qū)的形勢尤為嚴峻．

文中利用5年的INDV數(shù)據(jù)(2011—2015年)，通過分析內蒙古中部荒漠草原區(qū)植被覆蓋情況的時空變化特征以及荒漠草原區(qū)INDV與氣候因子的響應關系，揭示在全球氣候變化和內蒙古農(nóng)牧業(yè)不斷發(fā)展的背景下，荒漠草原生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及面臨的壓力，為今后草原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和治理提供依據(jù)．

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)中部地區(qū)，陰山北麓，北鄰蒙古國東戈壁省，地理坐標為41°～43°N，109°～112°E，面積約5.5萬km2，主要包括包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗(簡稱達茂旗)、白云鄂博礦區(qū)全境和烏蘭察布市四子王旗的大部分地區(qū)等(圖1)．達茂旗及其北側的蒙古國東戈壁省(賽音山達市)在2005—2016年的年平均降水量僅分別為248.75 mm和183.51 mm，而年平均蒸發(fā)量高于2 526.40 mm．研究區(qū)全年干燥、少雨，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是蒙古高原荒漠草原的重要組成部分．研究區(qū)地形南高北低， 南部大青山最高海拔約2 330 m，而北部較為平坦，屬于低山丘陵類型，海拔約1 100 m，局部可達約1 350 m(圖1)．研究區(qū)內土壤以栗鈣土和草甸土為主，草場主要群落為“克氏針茅+羊草+冷蒿”．研究區(qū)植被返青時間與春季降水等氣候因素相關，一般為每年的4—5月．受降水等氣象因子影響，研究區(qū)2003—2010年草地植被覆蓋情況總體較差，特別是在2005年和2006年達到了歷史較低水平，2009年和2010年雖然有所改善，但依然不容樂觀．

圖1 研究區(qū)地理位置及INDV時空變化分布

2 數(shù)據(jù)來源

采用2016年9月修正的第三代GIMMSINDV3g.v1數(shù)據(jù)(Global inventory modeling and mapping studies)，該數(shù)據(jù)根據(jù)NOAA(National oceanic and atmospheric administration)7,9,11,14～19上AVHRR(Advanced very high resolution radiometer)的掃描成果合成，時間分辨率為15 d，覆蓋范圍目前已經(jīng)由1981年延伸至2015年12月，空間分辨率提升至8 km，引入了經(jīng)驗模態(tài)分解法處理由于太陽天頂角變化以及衛(wèi)星軌道偏移等引起的INDV差異[13]；GIMMSINDV校準參數(shù)利用貝葉斯算法和高精度的SeaWiFSINDV(Sea-viewing wide field-of-view sensor)確定，INDV的不確定度為±0.005，而且更適合北半球植被活動的監(jiān)測和研究[14].

文中最為關注的是2010年以來內蒙古中部荒漠草原區(qū)的INDV變化規(guī)律，所以僅對2011—2015年5—9月的GIMMSINDV進行分析．氣象數(shù)據(jù)采用的是內蒙古達茂旗百靈廟鎮(zhèn)和蒙古國東戈壁省賽音山達市區(qū)氣象站的相關資料．由于研究區(qū)面積較大，而且GIMMSINDV的時間尺度為每月2次，研究區(qū)2011—2015年5—9月的INDV共涉及的數(shù)據(jù)集有50個．如果將每個數(shù)據(jù)集都繪制成INDV柵格圖，雖然保持了原有的時間和空間分辨率，但是大量柵格圖像不利于直觀且定量分析研究區(qū)INDV的時空變化規(guī)律．為了解決這一問題，文中將研究區(qū)劃分為9個子區(qū)(1～9區(qū)，圖1)，然后計算每個子區(qū)每月上半月和下半月的INDV平均值，即減小空間分辨率而保證時間分辨率不變，最后根據(jù)各子區(qū)之間的相對位置關系，繪制如圖1所示的折線圖.

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 INDV時空變化規(guī)律

研究區(qū)不同時期的INDV都表現(xiàn)出由西向東、由北向南逐漸增大的趨勢(圖1)．2012年和2013年研究區(qū)內的INDV好于其他年份，特別是2012年8月上半月的平均INDV為0.31，達到2011—2015年INDV的最大值(圖1)．值得注意的是，研究區(qū)南部2012年與其他年份INDV的差距明顯小于研究區(qū)北部，這可能與南部地區(qū)受農(nóng)田灌溉等人類活動的影響強于北部地區(qū)相關.

從5—9月INDV變化趨勢來看，研究區(qū)北部2011,2014和2015年各月的INDV較低且較為接近，而南部不同月的INDV波動明顯較大．例如，除2012年以外，研究區(qū)北部(1～3區(qū))5—9月的INDV波動幅度小于0.05，而南部INDV波動幅度超過0.1． 除2012年以外， 研究區(qū)北部(1～3區(qū))的INDV大多在7月附近出現(xiàn)最小值，而在5月下半月和7月末至8月初則出現(xiàn)年內最大值；在南部(7～9區(qū))，INDV大多在5月上半月出現(xiàn)最小值，在8月上半月出現(xiàn)最大值；而中部(4～6區(qū))的INDV變化趨勢則介于南、北部之間，5月至7月上半月INDV平均值波動不大，7月下半月INDV平均值出現(xiàn)不同程度的增加，到8月上半月左右INDV平均值達到最大.

3.2 INDV對降水時空變化的響應

3.2.1 降水時間變化與INDV的響應關系 2011—2015年，2012年的年降水總量最大(270.3 mm)，2012年5,6月降水量占年降水總量的比例分別為11.7%和30.2%，而其他年份這一比例僅為0.8%～9.0%和13.9%～24.1%．2012年7—9月降水量以及降水量占全年降水量的比值與其他年份接近甚至偏低(表1)．從INDV的統(tǒng)計情況來看(圖2)，2012年5月INDV的下四分位數(shù)Q1低于多數(shù)其他年份，中位數(shù)Q2與其他年份基本一致，上四分位數(shù)Q3則略高于其他年份．這表明，在7—9月降水量與歷史同期降水量相比變化不大的情況下，5—6月降水量的增加， 能夠極大地提升夏季植被覆蓋度，進而明顯拉升全年的INDV平均值．進一步分析表明，2012年5月近66.7%的降水集中在上半月，雖然2012年5月上半月INDV的四分位數(shù)與其他年份接近或者偏低，但是2012年5月下半月至9月的INDV的四分位數(shù)明顯高于其他年份，這說明在5月初INDV相近的情況下，5月上半月降水量增加，5月下半月開始研究區(qū)內的INDV就會有明顯提升.

圖2 2011—2015年研究區(qū)INDV箱型圖

年份5月達茂賽音6月達茂賽音7月達茂賽音8月達茂賽音9月達茂賽音全年達茂賽音20119.76.757.234.469.342.260.311.352.58.0249.0117.3201231.58.781.615.149.954.057.832.349.529.1270.3148.020139.50.354.375.497.022.037.638.327.018.6225.4162.9201423.622.036.638.184.07.030.532.688.222.4262.9147.120151.41.944.624.633.58.46.913.794.114.0180.580.6平均值15.17.954.937.566.726.738.625.662.318.4237.6131.2

2013年7月、2011年8月以及2015年9月的降雨量分別是2011—2015年7—9月降水量的最大值．2013年研究區(qū)INDV平均值雖然低于2012年，但是高于2011年和2015年，表明5—9月的月降水量對INDV的影響強度在逐步下降.

3.2.2 降水空間差異對INDV的影響 由于研究區(qū)北部缺少氣象站，因此文中對靠近研究區(qū)東北部的蒙古國東戈壁省賽音山達市的降水資料進行了統(tǒng)計.分析發(fā)現(xiàn)，2011—2015年達茂旗全年降水總量以及5—9月降水量的月平均值遠高于蒙古國東戈壁省賽音山達市對應時期的降水量(表1)．以2011—2014年5月為例，達茂旗比賽音山達市的降水量高1.6～22.8 mm，2015年二者5月降水量接近且均不足2 mm．雖然文中研究區(qū)并不包括賽音山達市，但這足以說明研究區(qū)內南北降水差異明顯．結合研究區(qū)INDV的空間分布規(guī)律可以看出，在干旱少雨的內蒙古中部荒漠草原區(qū)，降水量的南多北少是導致研究區(qū)INDV南北差異的重要原因.

2013年6月賽音山達市降水量比達茂旗同期降水量高出21.1 mm，研究區(qū)東北部靠近賽音山達市的3區(qū)和6區(qū)在2013年7—9月相應表現(xiàn)出比研究區(qū)北部其他分區(qū)更高的INDV(INDV平均值高出約 0.4～0.7)．這也進一步說明荒漠草原區(qū)的INDV對降水的時空差異性較為敏感，而干旱少雨地區(qū)降水量的增加可以有效減弱INDV的空間差異性.

3.3 氣溫變化與INDV的響應關系

全球氣溫變化也是引起地表INDV波動的重要因素．但是在研究區(qū)內，氣溫與INDV的響應關系明顯弱于降水，這與對錫林郭勒高原的西部和烏蘭察布高原的研究所得結論一致[15]．以氣溫變化較為明顯的2013年為例，2013年5—9月平均氣溫是19.27 ℃，高出5年中其他年份同期平均氣溫1.33～1.88 ℃，2013年5,7,9月也是2011—2015年相應月平均氣溫的最高值，但是2013年研究區(qū)INDV平均值以及該年5—9月INDV四分位數(shù)等都沒有出現(xiàn)明顯的異常波動(圖2)．此外，相關性分析也表明年(月)平均氣溫與年(月)INDV平均值的顯著性水平小于0.05，并不存在明顯的相關性(皮爾遜相關系數(shù)小于0.5)．雖然已有研究表明，全球氣溫升高有利于北半球中高緯度INDV增加[16]，但作為我國北方典型的干旱-半干旱草原區(qū)，研究區(qū)2011—2015年氣溫波動還不足以明顯影響INDV變化，即研究區(qū)降水量及降水時間依然是INDV的控制性因素.

3.4 地下水與INDV的響應關系

研究區(qū)北部為典型的荒漠草原，地表植被覆蓋度極低，多個年份的7月甚至出現(xiàn)了全年INDV的最小值，這與夏季6—7月氣溫不斷升高，蒸發(fā)加強，而北部降水稀少，不利于植被生長甚至存活相關．但是這一現(xiàn)象在研究區(qū)中部(4～6區(qū)，圖1)有所緩解．特別是在研究區(qū)南部(7～9區(qū)，圖1)，7月INDV處于全年較高水平．INDV的這一空間變化規(guī)律除與降水等氣象因素的南北不均勻分布相關外，還可能與當?shù)氐叵滤嚓P.

與研究區(qū)北部不同，研究區(qū)中、南部農(nóng)田增多，天然草場減少．每年農(nóng)作物播種、出苗和生長期(5—8月)，當?shù)剞r(nóng)牧民都抽取大量地下水進行農(nóng)田灌溉，因此研究區(qū)中、南部INDV對降水量波動的敏感性明顯減弱.

對研究區(qū)周邊的研究結果表明，地下水維系了巴丹吉林沙漠湖泊景觀[17]；鄂爾多斯高原地下水分水嶺與基底斷裂帶高度吻合，外源地下水經(jīng)過深循環(huán)補給鄂爾多斯形成自流盆地[18]；同位素數(shù)據(jù)揭示，阿拉善沙漠、色爾騰山地區(qū)、二連浩特盆地等內蒙古干旱和半干旱地區(qū)的大氣降水無法有效入滲補給地下水，而穩(wěn)定的外部補給源則可能通過狼山斷裂帶等深大構造裂隙補給這些地區(qū)的地下水[19-24]．研究區(qū)南部是植被較為發(fā)育的地區(qū)，分布于狼山—色爾騰山斷裂以及川井—赤峰斷裂帶之間，這一地區(qū)植被生長發(fā)育相對旺盛與抽取存在外源補給的當?shù)氐叵滤喔认嚓P．北部5月INDV在多個年份處于全年較高水平，這一方面與秋末—初春期間冰雪融水補給土壤水相關，另一方面也與春季化凍后受外源地下水影響的地下水位普遍上升，地下水通過薄膜水與蒸發(fā)-凝結方式補給土壤水[21]，進而有利于植被返青相關.

4 結論

根據(jù)以上分析可以得出以下結論：

1)2011—2015年，達茂旗及其周邊草原的INDV出現(xiàn)由2012年的最高水平逐漸減弱的趨勢．從空間范圍看來，研究區(qū)由西向東、由北向南出現(xiàn)INDV逐漸增高的趨勢.

2)達茂旗干旱-半干旱草原的INDV波動主要受控于降水而非氣溫，特別是植被返青時期(5月上半月)的降水對全年INDV至關重要．7—9月降水量波動對INDV影響相對較弱.

3)降水量南多北少是研究區(qū)INDV空間差異的主要原因，而南部地區(qū)利用地下水灌溉則加劇了這種差異．研究區(qū)北部受人類影響較小的荒漠草原區(qū)INDV對降水量波動的敏感性強于南部.

4)研究區(qū)北部5月INDV在年內處于較高水平，這與秋末—初春冰雪融水，以及化凍后受外源地下水影響的地下水位普遍上升等因素相關．

參考文獻:

[1] PETTORELLI N，VIK J O，MYSTERUD A，et al．Using the satellite-derived NDVI to assess ecological responses to environmental change[J].TrendsinEcology&Evolution，2005，20(9)：503.

[2] PIAO S L，MOHAMMAT A，F(xiàn)ANG J Y，et al．NDVI-based increase in growth of temperate grasslands and its responses to climate changes in China[J].GlobalEnvironmentalChange，2006，16(4)：340.

[3] KAWAMURA K，AKIYAMA T，YOKOTA H，et al．Comparing MODIS vegetation indices with AVHRR NDVI for monitoring the forage quantity and quality in Inner Mongolia grassland，China[J].GrasslandScience，2005，51(1)：33.

[4] KAWAMURA K，AKIYAMA T，YOKOTA H，et al．Quantifying grazing intensities using geographic information systems and satellite remote sensing in the Xilingol steppe region，Inner Mongolia，China[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2005，107(1)：83.

[5] 劉亞玲，潘志華，范錦龍，等．陰山北麓地區(qū)植被覆蓋動態(tài)時空分析[J].資源科學，2005，27(4)：168.

[6] LI S J，SUN Z G，TAN M H，et al．Effects of rural-urban migration on vegetation greenness in fragile areas：a case study of Inner Mongolia in China[J].JournalofGeographicalSciences，2016，26(3)：313.

[7] WANG H M，LI Z H，HAN G D．Influence of climate and grazing on NDVI in a typical steppe region in Inner Mongolia，China[J].FrontiersinEnvironmentalEngineering，2016，5(1)：12．

[8] 燕守廣，李海東，方穎，等．氣候變化背景下近15 a烏梁素海流域植被動態(tài)變化[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2016，32(6)：958.

[9] PEI S F，F(xiàn)U H，WAN C G．Changes in soil properties and vegetation following exclosure and grazing in degraded Alxa desert steppe of Inner Mongolia，China[J].AgricultureEcosystems&Environment，2008，124(1)：33.

[10] 郝偉罡，李錦榮，郭建英，等．荒漠草原植被動態(tài)變化及其與水熱的響應關系[J].水資源保護，2014，30(5)：56.

[11] ANGERER J，HAN G D，F(xiàn)UJISAKI I，et al．Climate change and ecosystems of Asia with emphasis on Inner Mongolia and Mongolia[J].Rangelands，2008，30(3)：46.

[12] 郭中小，賈利民，李振剛，等．干旱草原水資源利用問題研究[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[13] PINZON J，BROWN M E，TUCKER C J．EMDCorrectionofOrbitalDriftArtifactsinSatelliteDataStream[M].Singapore：World Scientific，2005.

[14] PINZON J，TUCKER C．A non-stationary 1981—2012 AVHRR NDVI 3g time series[J].RemoteSensing，2014，6(8)：6929.

[15] 陳效逑，王恒．1982—2003年內蒙古植被帶和植被覆蓋度的時空變化[J].地理學報，2009，64(1)：84.

[16] ICHII K，KAWABATA A，YAMAGUCHI Y．Global correlation analysis for NDVI and climatic variables and NDVI trends：1982—1990[J].InternationalJournalofRemoteSensing，2002，23(18)：3873.

[17] CHEN J S，LI L，WANG J Y，et al．Water resources：groundwater maintains dune landscape[J].Nature，2004，432：459.

[18] CHEN J S，LIU X Y，WANG C Y，et al．Isotopic constraints on the origin of groundwater in the Ordos Basin of northern China[J].EnvironmentalEarthSciences，2012，66(2)：505.

[19] 陳建生，王婷，陳茜茜，等．鄂爾多斯自流盆地地下水來源爭議問題討論[J].地質論評，2013，59(5)：900.

[20] 陳建生，陳茜茜，王婷．阿拉善沙漠濕沙層水分來源同位素示蹤[J].水科學進展，2014，25(2)：196.

[21] 陳建生，趙霞，盛雪芬，等．巴丹吉林沙漠湖泊群與沙山形成機理研究[J].科學通報，2006，51(23)：2789.

[22] 陳建生，王彥超，謝飛，等．外源地下水補給二連浩特盆地[J].水資源保護，2016，32(4)：11.

[23] 陳建生，楊光亮，王婷，等．內蒙古鄂爾多斯西北土壤水流動示蹤實驗及自流井群補給源討論[J].地球學報，2014，35(3)：365.

[24] ZHAN L C，CHEN J S，XU Y，et al．Allogenic water recharge of groundwater in the Erenhot wasteland of northern China[J].JournalofRadioanalyticalandNuclearChemistry，2017，311(3)：2015.