內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)草地植被 指數(shù)及其對氣候的響應(yīng)

魏 學(xué)

(內(nèi)蒙古赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

20世紀(jì)以來，全球氣候正在經(jīng)歷以變暖為主要特征的顯著變化，近百年來，全球地表溫度上升了(0.6±0.2) ℃，并且近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，成為了我國北方重要的農(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)域草地植被變化趨勢與氣候因子的關(guān)系，對于促進(jìn)當(dāng)?shù)夭莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)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(biāo)，由于其數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性和客觀性，常用來定量分析草地的植被覆蓋度變化[6]。近年來，很多學(xué)者針對草地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(rèn)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]，牧草快速生長期(6、7月)降水量對科爾沁草甸草地植被覆蓋度具有顯著影響[9]，其影響程度大于年降水量。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)于內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(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[5]，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。本研究在區(qū)域尺度上以赤峰地區(qū)為例，利用2001-2017年牧草生長季(5-9月)EOS/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)，分析內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)草地植被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(hù)農(nóng)牧交錯區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

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)蒙古東部的赤峰地區(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 ℃·d；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[5]；無霜期155 d；土壤類型以沙壤土為主，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[4]。該區(qū)域是一個以農(nóng)業(yè)為主，半農(nóng)半牧的典型的農(nóng)牧交錯地區(qū)，草地類型以典型草原為主，主要分布在克什克騰旗、林西縣、巴林右旗、巴林左旗、阿魯科爾沁旗、翁牛特旗6個旗(縣)。赤峰地區(qū)天然牧草在每年5月上旬返青，9月下旬枯黃，因此確定5-9月為赤峰地區(qū)天然牧草生長季，10月到翌年4月為非生長期，本研究主要分析天然牧草生長季草地NDVI變化趨勢與氣候因子(氣溫、降水)的關(guān)系。

1.2 資料來源

氣候資料：選擇覆蓋赤峰地區(qū)的氣象站點2001-2017年每年5-9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 2001-2017年每年5-9月16 d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∶100萬土地利用數(shù)據(jù)來源于吳傳鈞主編的土地利用圖集[10]。

1.3 研究方法

將每年5-9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，記為NDVI)，用來代表當(dāng)年的植被生長狀況。

將NDVI每個柵格17年時間序列值進(jìn)行一元線性回歸模擬直線斜率，表示2001-2017年NDVI的變化速率，公式如下：

(1)

式中:Yi代表第j年的NDVI值，n代表分析時間長度(17年)，b是NDVI的線性擬合斜率，如果b>0，說明植被指數(shù)呈增加趨勢，反之則表現(xiàn)為減少趨勢。

計算NDVI、氣溫、降水量變異系數(shù)(CV)，分析植被和氣候因子變化的穩(wěn)定性。

(2)

利用SPSS 21.0進(jìn)行5-9月氣候因子(氣溫、降水)與NDVI變化率的顯著性檢驗和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時空變化特征分析

2.1.1NDVI空間變化特征 NDVI變化率可以定量描述植被變化的方向和速度，結(jié)合1∶100萬植被類型數(shù)據(jù)中分離出草地空間分布矢量數(shù)據(jù)，從圖1可以看出，研究區(qū)70%的區(qū)域草地植被指數(shù)存在顯著變化(P<0.05)，30%的區(qū)域無顯著變化，其中呈顯著增加趨勢的區(qū)域面積占草地面積比例(占47%)是呈顯著減少趨勢面積(占23%)的2倍多，說明赤峰地區(qū)近17年來草地植被覆蓋度整體呈增加趨勢。

在赤峰地區(qū)所轄12個旗縣(區(qū))中，只有巴林右旗、巴林左旗、林西縣植被總體呈退化趨勢，3個旗縣植被減少趨勢面積分別占該旗縣草地面積的54%、49%和38%(表1)；其余9個旗縣(區(qū))植被總體呈增加趨勢，敖漢旗、寧城縣、喀喇沁旗植被增加趨勢面積占該旗(縣)草地面積的88%、84%、81%，植被增加比較明顯。

圖1 研究區(qū)NDVI變化率和天然草地空間分布Fig. 1 Spatial distribution of NDVI slope and natural grassland in the research area

NDVI變化率≤-0.05表示顯著減少(P<0.05)，NDVI變化率≤0.05且NDVI變化率>-0.05表示無顯著變化，NDVI變化率>0.05表示顯著增加(P<0.05)。下同。

NDVI slope ≤ -0.05 means a significant reduction at the 0.05 level; NDVI slope ≤ 0.05 or NDVI slope > -0.05 mean no significant change; NDVI slope > 0.05 means a significant increase at the 0.05 level; similarly for the following figures and table.

表1 2001-2017年研究區(qū)NDVI變化趨勢統(tǒng)計表Table 1 Change trends of NDVI in the research area from 2001 to 2017

2.1.2NDVI時間變化特征 近17年研究區(qū)天然草地NDVI平均值隨年份增加呈顯著(P<0.05)上升趨勢，年變化速率為0.002 0，2017年(0.636 0)與2001年(0.588 5)相比增加了0.047 5(圖2)。NDVI平均值隨月份呈先增后減的單峰態(tài)變化趨勢，5月和9月分別是牧草返青期和黃枯期，NDVI平均值僅為0.286 1和0.379 9，顯著低于其他月份(P<0.05)，7、8月分別達(dá)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)。

2.2 NDVI及氣候因子空間穩(wěn)定性分析

利用公式(2)分別計算研究區(qū)草地NDVI、氣溫和降水量的變異系數(shù)，分析三個要素變化趨勢的穩(wěn)定性?？梢钥闯?，NDVI、氣溫和降水量空間變異系數(shù)的年際變化呈顯著降低趨勢(P<0.05)，說明近17年來，赤峰地區(qū)天然草地NDVI、氣溫和降水量空間離散程度均呈逐年減小趨勢，植被和氣候因子空間變化趨于穩(wěn)定。兩個氣候因子中，降水量空間變異相對較大，變化幅度具有明顯波動，而氣溫的空間變異相對較小，變化相對穩(wěn)定。因此，赤峰地區(qū)天然草地植被變化主要受降水量的變化所致。

2.3 NDVI平均值與氣候因子關(guān)系

研究區(qū)草地NDVI與5-9月降水量和平均氣溫相關(guān)系數(shù)分別為0.730和0.384，與前者呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與后者無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)(表2)。其中，6月、7月和8月降水量與NDVI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.724、0.789和0.782，5月、9月降水量與NDVI呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而逐月平均氣溫與NDVI無顯著相關(guān)關(guān)系。說明降水量是天然草地NDVI顯著正向因子，而熱量條件的促進(jìn)作用并不顯著。原因是赤峰地區(qū)處在干旱地區(qū)，氣溫升高雖然能夠為牧草生長提供充足熱量，但同時也加大了地表蒸發(fā)，導(dǎo)致干旱加重。而自然降水是天然草地唯一水分來源，充足的降水有利于增加土壤濕度和牧草生長，從而增加牧草多樣性和草地牧草覆蓋度。

圖2 研究區(qū)NDVI平均值變化趨勢Fig. 2 Changes of climate factors during growing seasons in the research area

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

圖3 研究區(qū)NDVI和氣候因子空間變異系數(shù)變化趨勢Fig. 3 Changes of spatial variability coefficients of NDVI and climate factors in the research area

因子Factor5-9月May to September5月May6月June7月July8月August9月September降水量Precipitation0.730**0.609*0.724**0.789**0.782**0.454*氣溫Temperature0.3840.3490.3240.3190.3280.254

*和**分別表示顯著(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01)。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

3 討論

近年來，很多學(xué)者針對干旱區(qū)和農(nóng)牧交錯區(qū)植被變化趨勢的研究表明，西北干旱區(qū)[11]、甘南地區(qū)[12]、新疆維吾爾自治區(qū)[13]、內(nèi)蒙古錫林郭勒盟[14]植被覆蓋度和穩(wěn)定性呈明顯增加趨勢，本研究發(fā)現(xiàn)，近17年來赤峰地區(qū)天然草地NDVI以0.002 0·a-1的速度逐年增加，植被變化空間穩(wěn)定性增加，生態(tài)環(huán)境狀況好轉(zhuǎn)，與上述研究結(jié)果一致。

在北方干旱草原區(qū)，天然牧草整個生長發(fā)育過程呈現(xiàn)單峰態(tài)變化，5月牧草開始返青，NDVI進(jìn)入快速增長階段，7-8月是牧草生長的高峰期草層高度最高，NDVI達(dá)到最大且變化相對穩(wěn)定，9-10月進(jìn)入黃枯期，NDVI逐漸降低，牧草整個生長過程結(jié)束[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)天然草地NDVI呈現(xiàn)單峰型變化，返青期和黃枯期NDVI值顯著低于其他月份，7月達(dá)到峰值0.759 4，且與8月份無顯著差異，這與前人研究結(jié)果一致。

秦大河[1]、丁一匯等[2]在《氣候變化國家評估報告》中指出，全球氣候變暖必然導(dǎo)致氣候格局發(fā)生變化，異常高溫、極端降水事件的頻繁發(fā)生，使得一些地區(qū)氣候類型發(fā)生改變，呈現(xiàn)“旱澇轉(zhuǎn)換”或“旱澇并存”的特點，尤其在干旱區(qū)，植被與降水的關(guān)系變得更加密切。有研究認(rèn)為[3,15]，北方典型農(nóng)牧交錯區(qū)熱量充足，大氣降水是天然牧草生長發(fā)育需水的唯一來源，因此，牧草生長高度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。渠翠平等[9]研究了科爾沁草甸草原NDVI與氣候因子的關(guān)系，得出NDVI與6-7月降水量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系。王濤和楊梅煥[17]研究發(fā)現(xiàn)，2000-2015年榆林地區(qū)植被覆蓋度呈逐年線性增加的趨勢，植被覆蓋度與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水呈正相關(guān)關(guān)系。本研究表明，研究區(qū)天然草地NDVI與5-9月降水量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與氣溫具有不顯著正相關(guān)關(guān)系。逐月降水量與NDVI均達(dá)到顯著正相關(guān)(P<0.05)，6-8月降水量對NDVI影響達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.724、0.789、0.782，而逐月氣溫與NDVI無顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.254(9月)～0.349(5月)。說明在內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)，降水量對天然草地植被覆蓋度影響比氣溫更顯著，其中6-8月降水量對草地植被覆蓋度增加具有顯著促進(jìn)效應(yīng)，返青期(5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。