近15年呼倫貝爾沙質(zhì)草原植被覆蓋變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)

張惜偉， 汪季， 高 永， 吳領(lǐng)弟， 丁延龍， 寶 成，阿如汗

( 1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022； 3. 陳巴爾虎旗林業(yè)局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021500)

草原沙化已成為當(dāng)前全球重要的生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，威脅著人類的生存與發(fā)展[1]。呼倫貝爾草原集中分布于我國(guó)呼倫貝爾市中西部區(qū)域，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，該區(qū)大面積土地在近幾十年陸續(xù)出現(xiàn)沙化現(xiàn)象，并迅速擴(kuò)展，由沙質(zhì)草原向沙地演化[2-3]，目前該地區(qū)已形成并保存有大量不同規(guī)模、形態(tài)和發(fā)展階段的風(fēng)蝕坑[4]。風(fēng)蝕坑是沙質(zhì)草原沙帶或沙丘地形成發(fā)展的起始形態(tài)，也是草地生態(tài)系統(tǒng)中的主要地表過程之一，其形成直接影響植被等其它地表過程，并導(dǎo)致沙質(zhì)草原地區(qū)的景觀格局復(fù)雜化和異質(zhì)性增強(qiáng)。保護(hù)沙質(zhì)草原區(qū)植被和地表土層不受破壞是防止風(fēng)蝕坑發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵。

植被覆蓋度被認(rèn)為是表征生態(tài)環(huán)境變化的敏感指標(biāo)[5]，目前多采用歸一化植被指數(shù) (normalized difference vegetation Index，NDVI) 來(lái)表征區(qū)域地表植被覆蓋狀況[6]。地表植被覆蓋狀況主要受氣候因子與人為活動(dòng)的雙重影響，目前相關(guān)研究一致認(rèn)為地表植被與氣溫、降水條件等氣候因子緊密相關(guān)[7-13]。馬玉玲等[14]依據(jù)草原植被圖提取NDVI指數(shù)，并測(cè)算其與區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性，分析呼倫貝爾沙地草原植被變化與氣候變暖的關(guān)系；李云鵬等[15]基于遙感數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查得出降水和氣溫變化是導(dǎo)致呼倫貝爾草原退化面積迅速增加的主要原因；張戈麗等[16]基于1981-2009年的近30年遙感和同期氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，從年際、季節(jié)、月份等角度分析了呼倫貝爾草原植被生長(zhǎng)與各氣候因子間的變化關(guān)系。可見，氣溫與降水對(duì)植被生長(zhǎng)都有影響，但哪個(gè)因子的影響更為顯著，不同學(xué)者觀點(diǎn)不同[16-19]。

基于降水和氣溫變化具有時(shí)間分配不均的特點(diǎn)，從年際變化、季節(jié)變化角度分析能夠更充分體現(xiàn)氣候因子變化對(duì)植被不同生長(zhǎng)階段的影響，本研究采用近15年的呼倫貝爾沙質(zhì)草原地區(qū)MODIS NDVI數(shù)據(jù)，反演了研究區(qū)植被覆蓋狀況，同時(shí)結(jié)合該區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，從年際間、季節(jié)變化等角度探討了氣溫、降水等變化對(duì)植被生長(zhǎng)不同階段的影響機(jī)制，為該區(qū)防沙治沙工作提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾沙質(zhì)草原處于呼倫貝爾草原腹地，其地理坐標(biāo)在118°22′～121°02′ E，48°48′～50°12′ N間。呼倫貝爾沙質(zhì)草原所屬鄂溫克族自治旗、陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、滿洲里市、海拉爾區(qū)等6個(gè)旗(市、區(qū))，沙質(zhì)草原東部為大興安嶺西麓丘陵漫崗，西部至呼倫湖和克魯倫河，南與蒙古國(guó)相連，北達(dá)海拉爾河北岸(圖1)。沙地土地總面積835.9 萬(wàn)hm2，其中沙化土地總面積為130.5 萬(wàn)hm2，有明顯沙化趨勢(shì)的土地面積110.6 萬(wàn)hm2[20]，主要有3條沙帶，呈不規(guī)則分布于呼倫貝爾草原的核心區(qū)域[2]。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of study area

呼倫貝爾沙質(zhì)草原屬中溫帶半干旱草原氣候，年降水量280～400 mm，干冷多風(fēng)，全年主風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和西風(fēng)；海拔600～800 m，以呼倫湖為最低，海拔545 m。區(qū)內(nèi)土壤以風(fēng)沙土為主，主要集中在沙化帶及其外圍沙質(zhì)草原，土壤肥力水平低。沙質(zhì)草原天然地帶性優(yōu)勢(shì)植物主要為羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncriatatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarvosa)等。沙米(Agriophyllumpungens)、豬毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)等季節(jié)性一年生植物呈單一群落分布，構(gòu)成半干旱草原區(qū)沙化草地特有植被景觀[21]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1MODIS數(shù)據(jù)分析 本研究采用中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心供下載的MOD13Q1(250 m分辨率；植被指數(shù)16 d合成)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空與航天局(NASA)。由MODIS中國(guó)區(qū)產(chǎn)品行列號(hào)分布圖，確定研究區(qū)范圍包括3個(gè)行列號(hào)，即 h25v03、h25v04和h26v04。考慮研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)植被在冬季幾乎停止生長(zhǎng)或被積雪覆蓋的因素，選取每年4-10月份植被生長(zhǎng)季的MODIS數(shù)據(jù)，即第113～289 d的數(shù)據(jù)的逐月對(duì)應(yīng)情況(表1)，其中4月只選后半月、10月只選前半月各一組影像數(shù)據(jù)。應(yīng)用MODIS Reprojection Tools(MRT)軟件對(duì)下載數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[22]。

對(duì)于處理好的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，采用最大合成法MVC (maximum value composites, MVC)獲取月最大NDVI值，該方法可以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等的部分干擾[23-24]。分別采用公式 (1) 和公式 (2) 計(jì)算，其中NDVI1和 NDVI2在此表示屬于該月份的2 d (或1 d) NDVI 值。公式為：

MNDVIi=Max(NDVI1,NDVI2)

(1)

同樣采用MVC方法，獲取季節(jié)最大NDVI值，公式為：

SNDVIiMax=Max(MNDVI1,MNDVI2,…MNDVI3) (2)

對(duì)每年的植被生長(zhǎng)季(4-9月份)，即春、夏、秋季NDVI值進(jìn)行求均值，生成近15年逐年年均 NDVI值，公式為：

YNDVIiMax=Average(SNDVI1,SNDVI2,…SNDVI3)

(3)

1.2.2數(shù)據(jù)分析 本研究選取2000-2015年間，研究區(qū)所屬6個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均溫度和降水量等氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集[25]和內(nèi)蒙古氣象局信息中心。對(duì)其月值數(shù)據(jù)求逐年平均，作為整個(gè)研究區(qū)的季、年均溫度和降水量數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋變化與氣候因子線性回歸分析 采用最小二乘法擬合NDVI、溫度、降水量隨時(shí)間的變化速率，可采用一次線性方程表示，即公式(4)，并采用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

y=at+b,t=1,2,…,n(n50)

(4)

1.3.2植被覆蓋變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)分析 地理系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，它表現(xiàn)出受各種外界因子的影響而隨時(shí)間不斷變化的動(dòng)態(tài)特性，而各個(gè)外界因子之間又是相互影響而變化，這個(gè)問題可采用偏相關(guān)分析方法解決。偏相關(guān)分析是指當(dāng)兩個(gè)變量同時(shí)與第三個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第三個(gè)變量的影響剔除，只分析另外兩個(gè)變量之間相關(guān)程度的過程[17-19,26-27]。計(jì)算公式為：

(5)

式中，rxy·z為變量z固定后變量x與y的偏相關(guān)系數(shù)；rxy為變量x與變量y的相關(guān)系數(shù)；ryz為變量y與變量z的相關(guān)系數(shù)；rxz為變量x與變量z的相關(guān)系數(shù)。

其中，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式[17-19,26-27]為：

(6)

偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，采用t檢驗(yàn)法，其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式[26-27]為：

(7)

式中，r12,34...m為偏相關(guān)系數(shù)；n為樣本數(shù)；m為自變量個(gè)數(shù)。查t分布表，可得出不同顯著水平上的臨界值ta，若t>ta，則表示偏相關(guān)顯著；反之，t

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI空間格局特征

從2015年的年均NDVI分布區(qū)域看(圖3)，NDVI值介于0.35～0.5的面積最大，占沙質(zhì)草原總面積的43.45%；NDVI值介于0.5～0.65和>0.65范圍，分別占比23.6%和12.36%，主要集中分布于呼倫貝爾沙質(zhì)草原的東北部、東南部，具體在陳巴爾虎旗的東北部區(qū)域、鄂溫克旗的中東部區(qū)域及新巴爾虎左旗的東南部區(qū)域，該區(qū)域?qū)俸魝愗悹柕貐^(qū)中部，與東部林區(qū)接壤，是草地向林地的過渡地帶，植被覆蓋狀況較好；NDVI值介于0.2～0.35的范圍占比為17.59%，主要分布于呼倫貝爾沙質(zhì)草原西部新巴爾虎右旗的大部分區(qū)域、毗鄰新巴爾虎右旗的新巴爾虎左旗西部區(qū)域，以及陳巴爾虎旗中部的沙帶區(qū)域，這些區(qū)域沙化狀況相對(duì)嚴(yán)重，導(dǎo)致植被覆蓋狀況較差；而NDVI值<0.2范圍的面積最小，僅約占沙地總面積的3%，主要是湖泊水域等。

2.2 沙質(zhì)草原植被覆蓋年際變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)

2.2.1植被覆蓋年際變化特征 由公式(4)獲取呼倫貝爾沙質(zhì)草原不同年份的年均NDVI值?？芍?，各年年均NDVI值均在0.40以上，該區(qū)植被覆蓋狀況良好；近15年的年均NDVI值呈波動(dòng)上升變化趨勢(shì)(圖3)，說明該區(qū)植被呈逐年波動(dòng)改善趨勢(shì)，尤其是2010年后，植被覆蓋狀況呈顯著改善趨勢(shì)。

圖2 NDVI空間格局特征Fig.2 Spatial pattern of NDVI inHulun Buir grassland

圖3 2000-2015年NDVI年際變化Fig.3 Variation of annual NDVI among 2000-2015

2.2.2植被覆蓋年際變化對(duì)氣候因子的響應(yīng) 呼倫貝爾沙質(zhì)草原區(qū)年均溫和降水量變化狀況(圖4)：2000-2006年期間的年均溫呈小幅波動(dòng)的平穩(wěn)提升趨勢(shì)；2007-2015年間，年均溫呈先下降又上升的趨勢(shì)，其中2009-2013年間的年均溫持續(xù)處于零下攝氏度狀態(tài)。降水量年際變化趨勢(shì)，呈小幅波動(dòng)平穩(wěn)上升趨勢(shì)，尤以2010年后表現(xiàn)明顯，持續(xù)走高，到2013年出現(xiàn)拐點(diǎn)，年均降水量達(dá)400 mm以上，是降水豐年。

對(duì)2000-2015 年的年均NDVI值與溫度、降水量作相關(guān)和偏相關(guān)分析(表2)，檢驗(yàn)研究區(qū)植被覆蓋年際變化與氣候因子之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，年均NDVI值和降水量的關(guān)系極顯著，相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)均在0.700左右(P<0.01)；而年均NDVI值與溫度的相關(guān)分析結(jié)果均未達(dá)到顯著。說明該區(qū)植被覆蓋的年際變化與降水量關(guān)系較溫度更為密切。但降水量和溫度變化具有時(shí)間尺度上的差異性，僅通過植被與氣候因子的年均值在年際變化尺度上的關(guān)系，還不能充分說明該區(qū)植被覆蓋變化主要受降水因子的影響。因此，需要進(jìn)行生長(zhǎng)季期間研究區(qū)植被與氣候因子的季節(jié)變化關(guān)系分析。

圖4 2000-2015年年均溫和降水變化Fig.4 Variations of annualindicate temperature and precipitation among 2000-2015

表2 2000-2015年NDVI與溫度、降水量的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between NDVI and climatic elements among 2000-2015

注：**為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，下同

Note：** indicates significantly difference at the 0.01 level (bilateral), the same as below

2.3 沙質(zhì)草原植被覆蓋季節(jié)變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)

2.3.1植被覆蓋季節(jié)變化特征 由公式(3)獲取研究區(qū)各年的各季節(jié)NDVI值。冬季植被休眠，因而僅分析春季、夏季和秋季植被覆蓋的年際變化趨勢(shì)。2000-2015年，研究區(qū)不同季節(jié)植被覆蓋變化整體呈不顯著增加趨勢(shì)(圖5)，其中夏季的NDVI值自2010年后，呈顯著提高趨勢(shì)；春季植被覆蓋變化較為明顯，NDVI波動(dòng)幅度較大；而有些年份表現(xiàn)出春、秋兩季的NDVI值變化趨勢(shì)相反的現(xiàn)象，其相關(guān)系數(shù)為-0.152，相關(guān)性較弱，這可能與植被生長(zhǎng)期提前或延長(zhǎng)有關(guān)。

圖5 2000-2015年NDVI的春季、夏季和秋季變化Fig.5 Variations of NDVI of different seasons among 2000-2015

2.3.2植被覆蓋季節(jié)變化對(duì)氣候因子的響應(yīng) 研究區(qū)春季秋季氣溫變化趨勢(shì)較一致，均呈平穩(wěn)波動(dòng)趨勢(shì)，而夏季均溫呈不顯著降低趨勢(shì)；降水量變化，尤其是夏季降水量變化，存在一定的差異(圖6，圖7)。具體看，三個(gè)季節(jié)氣溫均趨于平穩(wěn)，夏季均溫集中在20℃上下，自2010年后，氣溫呈不顯著降低趨勢(shì)；春季、秋季均溫集中分布于-2～5℃之間，變化不顯著；與全年平均氣溫的年際變化相比，春季、夏季氣溫的變化趨勢(shì)與全年變化趨勢(shì)有較顯著的一致性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.533和0.443(P<0.05)。三個(gè)季節(jié)降水變化趨勢(shì)則不一致，夏季降水自2010年后，呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，變化較顯著；春季、秋季降水則趨于平穩(wěn)，波動(dòng)不明顯；與全年平均降水年際變化相比，夏季降水的變化趨勢(shì)與全年變化趨勢(shì)較一致，其相關(guān)系數(shù)為0.955，在0.01水平上達(dá)到顯著。因此，春季、秋季氣溫和降水呈不顯著波動(dòng)趨勢(shì)；自2010年后，夏季氣溫呈不顯著降低趨勢(shì)，夏季降水則呈顯著波動(dòng)增加趨勢(shì)。

圖6 2000-2015年季節(jié)氣溫變化Fig.6 Variations of season indicate temperature among 2000-2015

圖7 2000-2015年季節(jié)降水量變化Fig.7 Variations of season precipitation among 2000-2015

對(duì)表征不同季節(jié)植被覆蓋狀況的季節(jié)NDVI值與溫度、降水量分別作相關(guān)和偏相關(guān)分析 (表3)可知，不同季節(jié)植被對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)不同。春季植被生長(zhǎng)與降水量關(guān)系顯著，相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)均接近0.700(P<0.01)；夏季植被生長(zhǎng)，盡管受溫度影響很大，但受降水量變化影響比溫度更顯著，從0.714的相關(guān)系數(shù)可以看出；秋季植被生長(zhǎng)與降水量和溫度的變化關(guān)系皆不顯著，但受溫度的影響相對(duì)大一些。

3 討論

3.1 呼倫貝爾沙質(zhì)草原植被覆蓋狀況年際間、季節(jié)變化

近15年的年均NDVI值呈不顯著上升趨勢(shì)、夏季NDVI值自2010年后的波動(dòng)上升趨勢(shì)皆說明該區(qū)植被呈逐年波動(dòng)改善趨勢(shì)。隨著“三北”防護(hù)林體系建設(shè)等林業(yè)生態(tài)工程，以及退牧還草工程、草原沙化防治工程等一批防沙治沙、植被恢復(fù)工程的全面實(shí)施[28]，研究區(qū)以國(guó)家重點(diǎn)治沙工程帶動(dòng)進(jìn)行防沙治沙綜合治理等有效性從年均NDVI值的變化趨勢(shì)得到驗(yàn)證。根據(jù)2015年的年均NDVI(生長(zhǎng)季)空間格局看，高植被覆蓋指數(shù)主要分布于呼倫貝爾沙質(zhì)草原的東北部、東南部區(qū)域，而中西部區(qū)域分布的沙帶特征，及其西部、西南部區(qū)域的重沙化地帶性分布特征顯著，說明呼倫貝爾草原雖然處于干旱、半干旱地段，但大部分地區(qū)植被覆蓋狀況良好，該區(qū)域生態(tài)保護(hù)和植被恢復(fù)工程的效果顯著。

3.2 呼倫貝爾沙質(zhì)草原植被覆蓋變化的氣候因子

總體上，研究區(qū)的植被覆蓋狀況主要呈現(xiàn)東高西低的分布格局，此研究結(jié)果與彭飛等[22]研究結(jié)論一致，反映出北部的海拉爾沙帶及其研究區(qū)的西南部相對(duì)于其他區(qū)域，草原退化嚴(yán)重的現(xiàn)象。導(dǎo)致植被覆蓋變化的因素一般分為自然因素和人類活動(dòng)因素，其中氣溫和降水是最主要的兩個(gè)自然因素[29-30]。地處半干旱草原氣候的研究區(qū)，植被覆蓋的年際變化與降水關(guān)系較氣溫更為密切，降水是驅(qū)動(dòng)沙質(zhì)草原植被覆蓋狀況年際變化的主要因素，這一結(jié)論與張戈麗等[16]、穆少杰等[27]和梁艷等[10]得出降水是驅(qū)動(dòng)草地植被年際變化的主要因素的研究結(jié)果一致。研究區(qū)植被生長(zhǎng)在不同季節(jié)對(duì)水熱條件變化的敏感性不同，春季、夏季植被生長(zhǎng)對(duì)降水變化的敏感性較氣溫變化高，這與張戈麗等[16]得出春季植被變化受氣溫變化的影響較其他季節(jié)明顯，但不顯著的研究結(jié)果不一致，是因?yàn)檠芯繒r(shí)點(diǎn)的不同所致。張戈麗等[16]研究時(shí)點(diǎn)截止到2006年，該時(shí)點(diǎn)內(nèi)，春季和夏季的氣溫均呈波動(dòng)性逐年上升的趨勢(shì)，降水狀況是春季上升，夏季逐年下降的趨勢(shì)。而本研究的時(shí)點(diǎn)是2000-2015年，根據(jù)收集的氣象數(shù)據(jù)得出自2010年之后的夏季氣溫變化趨勢(shì)是不顯著降低，夏季降水量是逐年顯著增加，可知，2010年后研究區(qū)的氣候變化趨勢(shì)有所改變。這種改變正有利于處于半干旱地帶的研究區(qū)夏季植被的生長(zhǎng)，與本研究得出的夏季MODIS NDVI數(shù)據(jù)自2010年后呈波動(dòng)性增長(zhǎng)趨勢(shì)的結(jié)論相一致，進(jìn)而也驗(yàn)證了本研究區(qū)引用氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

呼倫貝爾沙質(zhì)草原地區(qū)的NDVI主要呈現(xiàn)東高西低的空間分布格局，北部的海拉爾沙帶及其研究區(qū)的西南部相對(duì)于其他區(qū)域，有草原退化嚴(yán)重的現(xiàn)象。植被覆蓋較好區(qū)域主要集中在東部，如陳巴爾虎旗的東北部、鄂溫克旗的中東部及新巴爾虎左旗的東南區(qū)域。

近15年間，植被覆蓋狀況呈逐年波動(dòng)改善趨勢(shì)，尤其自2010年后呈顯著改善趨勢(shì)；研究區(qū)各季節(jié)植被覆蓋變化整體呈不顯著增加的趨勢(shì)，其中夏季的NDVI值自2010年后，呈顯著提高趨勢(shì)，與年均NDVI值的變化趨勢(shì)一致。

呼倫貝爾沙質(zhì)草原區(qū)2000-2009年間的年均溫呈小幅波動(dòng)的平穩(wěn)提升趨勢(shì)，降水則呈不顯著降低趨勢(shì)；而自2010年后，二者的變化趨勢(shì)正好相反，年均降水量呈顯著增加趨勢(shì)。夏季氣溫呈不顯著降低、降水量則呈顯著波動(dòng)增加的年際變化趨勢(shì)，均有利于植被生長(zhǎng)。

降水是植被覆蓋狀況最主要的影響因子；氣溫對(duì)植被覆蓋的影響也很大。從年際變化看，該區(qū)植被覆蓋的年際變化與降水關(guān)系較氣溫更為密切；從季節(jié)變化看，植被生長(zhǎng)于春季與降水相關(guān)性顯著，于夏季受降水變化影響更突出，于秋季受降水、氣溫變化影響不明顯。