2001-2016年內(nèi)蒙古草地覆蓋度時(shí)空格局及其對(duì)水熱因子的響應(yīng)

楊 晗，周 偉，黃 露

（重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院地理與國(guó)土資源系，重慶 400074）

我國(guó)天然草原面積近4億hm2，草原資源豐富，是我國(guó)面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)[1]。作為生態(tài)文明建設(shè)的主陣地，草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)巨大的碳庫(kù)，同時(shí)具有水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性保護(hù)和防風(fēng)固沙等多種重要的生態(tài)功能[2-4]。植被覆蓋度是指植被(含葉、莖、枝)在地面垂直投影面積占總面積的百分比[5-6]，它是表征陸地表面植被量的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)也能明顯地描述生態(tài)系統(tǒng)變化。

根據(jù)測(cè)量方式的不同，測(cè)定植被覆蓋度的方法分為地面測(cè)量和遙感反演。野外實(shí)地測(cè)量是傳統(tǒng)的植被覆蓋度測(cè)量方法，廣泛應(yīng)用于田間尺度，依據(jù)原理不同分為目估法、采樣法和儀器法[7-8]；遙感反演多應(yīng)用于區(qū)域大尺度，遙感反演植被覆蓋度的方法分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、混合像元分解法以及基于?shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)的決策樹法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]。比起地面測(cè)量，遙感反演植被覆蓋度能夠獲得連續(xù)、空間展布的大尺度面狀數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性更高、操作也更加方便快捷[10]。

內(nèi)蒙古位于國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)全 球 變 化 研 究典型陸地樣帶中國(guó)東北陸地樣帶之內(nèi)，是全球變化最為敏感的區(qū)域[11]，生態(tài)環(huán)境十分脆弱；加之復(fù)墾、濫墾以及過(guò)牧等人為因素的影響，導(dǎo)致內(nèi)蒙古天然草原嚴(yán)重退化趨勢(shì)嚴(yán)重，草地覆蓋度減小，嚴(yán)重制約了我國(guó)草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)牧民收入的穩(wěn)定增長(zhǎng)[12-13]。為恢復(fù)和改善生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，1997年我國(guó)在不適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)開始實(shí)施退牧還草工程。退牧還草工程在保護(hù)和改善我國(guó)草原生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)草畜平衡及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面均具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，本研究利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)及其他統(tǒng)計(jì)資料，通過(guò)像元二分模型估算草地覆蓋度，分析2001-2016年內(nèi)蒙古草地覆蓋度的時(shí)空變化格局及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)，揭示內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)16年來(lái)的演變規(guī)律，對(duì)退牧還草工程實(shí)施以來(lái)內(nèi)蒙古的草地植被恢復(fù)效果、長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，以期從宏觀上準(zhǔn)確、有效地揭示草地恢復(fù)與生長(zhǎng)情況，并對(duì)其生態(tài)效益驅(qū)動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行分析，為草原管理和相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi) 蒙 古 自 治 區(qū) (37°24'-53°23' N， 97°12'-126°04' E)位于中國(guó)北部邊疆，由東北向西南方向傾斜伸展，整體呈狹長(zhǎng)的帶狀分布，南北縱跨1 700 km，東西跨越 2 400 km；面積 118.3 萬(wàn) km2，約占中國(guó)土地總面積的12.3%。氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?，地形以高原為主；受緯度地帶性及季風(fēng)影響，自東向西依次分布寒溫帶明亮針葉林帶、中溫型夏綠闊葉林帶、中溫型草原帶、暖溫型草原帶和暖溫型荒漠帶5個(gè)植被類型帶[14]。

草地總面積約為8 666.7萬(wàn)hm2，約占全區(qū)土地總面積的60%，占全國(guó)草地總面積的1/4以上，其中可利用草地面積6 818萬(wàn)hm2。內(nèi)蒙古天然草原退牧還草工程于2002年開始試點(diǎn)，2003年正式啟動(dòng)。退牧還草措施有效減少了草原“三化”面積，同時(shí)也遏制了草原生態(tài)系統(tǒng)的總體惡化趨勢(shì)。據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)草原監(jiān)測(cè)報(bào)告》顯示，2013年內(nèi)蒙古工程區(qū)草地覆蓋度達(dá)到58.91%，比非工程區(qū)高11.95個(gè)百分點(diǎn)。自退牧還草工程實(shí)施以來(lái)，內(nèi)蒙古草原生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)，已接近80年代中期最好水平。同2000年相比，內(nèi)蒙古減少三化草原59.1萬(wàn)hm2，草原面積新增63.5萬(wàn)hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用NASA提供的2001-2016年MOD13A1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為500 m ×500 m。借助 MODIS Reprojection Tools (MRT)軟件對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與影像拼接，利用最大值合成法減少云、大氣和太陽(yáng)高度角等因素對(duì)NDVI影像的影響，并得到每個(gè)月的NDVI數(shù)據(jù)。

利用中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的2001-2016年內(nèi)蒙古及其周邊94個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的月平均溫度、月總降水量及月總太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，并根據(jù)各氣象站點(diǎn)的高程及經(jīng)緯度信息進(jìn)行Kriging空間插值。

本研究所涉及的土地利用覆蓋數(shù)據(jù)采用2007年MCD12Q1產(chǎn)品(采用中間年份的土地利用數(shù)據(jù)，著重考慮水熱因子對(duì)草地的變化)，空間分辨率為 500 m × 500 m。MCD12Q1 產(chǎn)品的 IGBP 分類法在全球范圍內(nèi)的分類精度達(dá)到74.8%，其中72.3%～77.4%的區(qū)域達(dá)到95%的置信區(qū)間[15]，IGBP分類系統(tǒng)下內(nèi)蒙古地區(qū)各種主要土地覆蓋類型的分類精度為草地66%，農(nóng)田58%，稀疏灌叢85%，混交林65%，荒漠74.5%，城市93%[16]。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用IGBP分類標(biāo)準(zhǔn)將全球的土地覆被分成17種類型，本研究將其重分類為與中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(NRED)分類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的6類，并將開放灌叢、典型草原、森林草原、稀樹草原和永久濕地合并為草地 (圖1)。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型

本研究運(yùn)用像元二分模型模擬內(nèi)蒙古草地覆蓋度，假設(shè)每個(gè)像元的NDVI值均由草地覆蓋和土壤兩部分組成，則其公式如下：

式中：NDVIv為草地覆蓋部分的NDVI值，NDVIs為土壤部分的NDVI值，Ci表示草地覆蓋度。

在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，本研究分別用草地生長(zhǎng)季內(nèi)植被NDVI的最大值(NDVImax)和最小值(NDVImin)分別代替NDVIv和NDVIs，則其覆蓋度公式如下：

圖1 內(nèi)蒙古草地分布圖Figure 1 Grassland distribution of Inner Mongolia

1.3.2 年際變化趨勢(shì)計(jì)算

基于像元的一元線性回歸分析，模擬16年來(lái)內(nèi)蒙古草地覆蓋度的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

1.3.3 草地覆蓋度與氣候因子相關(guān)性計(jì)算

運(yùn)用基于像元的空間分析法來(lái)計(jì)算內(nèi)蒙古的草地覆蓋度與氣候因子的相關(guān)性，計(jì)算公式如下：

式中：Rxy為x、y兩變量的相關(guān)系數(shù)，xi、yi為第i年的草地覆蓋度和年均溫或年降水總量，、為對(duì)應(yīng)的年際平均值。

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)，并根據(jù)F檢驗(yàn)的結(jié)果將內(nèi)蒙古草地覆蓋度與氣候因子的相關(guān)性分為5個(gè)變化等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分布特征

內(nèi)蒙古草地覆蓋度總體上呈現(xiàn)出由東北到西南逐漸遞減的空間分布格局(圖2)。研究區(qū)16年來(lái)平均草地覆蓋度介于0～95%，年際平均值為37.90%。16年間內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)的平均空間分布中，將其平均劃分為5個(gè)等級(jí)，等級(jí)從低到高草地面積占全區(qū)草地總面積的比例分別為6.04%、53.72%、34.08%、6.13%和0.03%。

16年來(lái)內(nèi)蒙古開放灌叢、森林草原、稀樹草原、典型草原和永久濕地5種草地類型平均覆蓋面積占比分別為2.06%、4.14%、0.71%、93.08%和0.01%；不同草地類型的平均年際覆蓋度有較大差異，其值分別為27.93%、62.90%、61.12%、36.83%和48.67%。內(nèi)蒙古草地覆蓋度也具有明顯的經(jīng)向地帶性，不同地區(qū)草地植被覆蓋度空間差異明顯，東北部草原區(qū)(如大興安嶺北段、松遼平原東部和中部)草地覆蓋度最大，中部典型草原區(qū)(如西遼河平原、大興安嶺中段)草地覆蓋度次之，西部荒漠草原區(qū)(如內(nèi)蒙古東部、呼倫貝爾平原、鄂爾多斯及內(nèi)蒙古高原)草地覆蓋度最低。

2.2 時(shí)間變化特征

利用趨勢(shì)分析法綜合分析2001-2016年內(nèi)蒙古草地覆蓋度的年際變化，總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。內(nèi)蒙古草地覆蓋度16年年際平均值為37.90%，草地覆蓋度從2001年的35%到2016年的38.84%，增加了10.97%；2006年(35.84%)和2009年(36.04%)出現(xiàn)了2次明顯的波谷；2002年(38.32%)、2008年(39.41%)和2014年(40%)出現(xiàn)了3次明顯的波峰，且內(nèi)蒙古草地覆蓋度在2014年達(dá)到最大值。

圖2 2001-2016年內(nèi)蒙古草地植被覆蓋度年均分布Figure 2 Annual distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016

圖3 內(nèi)蒙古草地覆蓋度年際趨勢(shì)變化Figure 3 Spatial distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016

圖4 內(nèi)蒙古草地覆蓋度差異顯著性檢驗(yàn)分析Figure 4 Grassland coverage analysis of difference salience in the Inner Mongolia

分析2001-2016年內(nèi)蒙古草地覆蓋度的年際趨勢(shì)變化格局(圖3)，其在35%～40%波動(dòng)，大部分地區(qū)草地覆蓋度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，16年的平均年增長(zhǎng)率約為0.16%。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明，草地覆蓋度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的草地面積為6 456.69萬(wàn)hm2，占內(nèi)蒙古草地總面積的74.50%，主要分布在鄂爾多斯及內(nèi)蒙古高原、呼倫貝爾平原、大興安嶺北段和松遼平原中部草原區(qū)等。增加不顯著(P ＞0.05)的草地面積占草地總面積的48.29%，除森林草原外，其他4種草地類型增加不顯著的草地面積占比均在50%左右；顯著增加(P＜0.05)的草地面積占比為9.00%，其中森林草原顯著增加的草地面積占比為92.39%；極顯著增加(P＜0.01)的草地面積占比為17.21%，其中開放灌叢極顯著增加。草地覆蓋度呈減少趨勢(shì)的草地面積為2 210.01萬(wàn)hm2，占內(nèi)蒙古草地總面積的25.50%，主要分布在內(nèi)蒙古東部草原和西遼河平原草原區(qū)等；其中不顯著減少的草地面積占草地總面積的22.95%，顯著減少的草地面積占1.51%，極顯著減少的草地面積占1.04%。

2.3 草地覆蓋度對(duì)平均氣溫的響應(yīng)

16年間內(nèi)蒙古氣候因子空間差異明顯，草地生態(tài)系統(tǒng)年平均氣溫介于-3.50～9.89 ℃，年際平均值為4.17 ℃，年均溫總體呈現(xiàn)出由西南向東北方向逐漸遞減的趨勢(shì)。對(duì)內(nèi)蒙古草地覆蓋度與年均溫進(jìn)行相關(guān)性分析，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(圖5a)表明，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)覆蓋度的變化與年均溫?zé)o顯著相關(guān)性 (P ＞ 0.05)，該類面積高達(dá) 8 366.95 萬(wàn)hm2，占草地總面積的95%，說(shuō)明溫度并不是影響內(nèi)蒙古草地覆蓋度的主要?dú)夂蛞蜃?。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，草地覆蓋度與年均溫的平均相關(guān)系數(shù)為0.058(P ＞ 0.05)。草地覆蓋度與年均溫呈極顯著 (P＜0.01)正相關(guān)關(guān)系的草地面積為48.16萬(wàn)hm2，占草地總面積的0.56%，主要分布于內(nèi)蒙古中部草原地區(qū)；呈顯著相關(guān)關(guān)系的草地面積為207.13萬(wàn)hm2，占草地總面積的2.39%，說(shuō)明這兩類地區(qū)草地覆蓋度隨溫度升高而增加。草地覆蓋度與年均溫呈顯著(P＜0.05)負(fù)相關(guān)關(guān)系和極顯著 (P＜0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系的草地面積之和為44.24萬(wàn)hm2，占草地總面積的0.51%。

2.4 草地覆蓋度對(duì)年總降水量的響應(yīng)

圖5 內(nèi)蒙古草地覆蓋度與溫度(a)、降水(b)的顯著性檢驗(yàn)Figure 5 Significance relationships between vegetation and temperature (a) and precipitation (b) in Inner Mongolia grassland

2001-2016年內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)平均年總降水量介于65.97～532.93 mm，其年際平均值為329 mm。分析內(nèi)蒙古草地覆蓋度與年總降水量的相關(guān)性，內(nèi)蒙古大部分草地與年總降水量無(wú)顯著相關(guān)性 (P ＞ 0.05)。顯著性檢驗(yàn) (圖 5b)結(jié)果表明，全區(qū)草地覆蓋度與年總降水量的平均相關(guān)系數(shù)為0.269(P ＞ 0.05)。草地覆蓋度與年降水呈極顯著 (P ＜0.01)正相關(guān)關(guān)系的草地面積為365.92萬(wàn)hm2，占草地總面積的4.22%；呈顯著(P＜0.05)正相關(guān)關(guān)系的草地面積為1 101.55萬(wàn)hm2，占草地總面積的12.71%，說(shuō)明降水是影響這兩類地區(qū)草地覆蓋度的主要?dú)夂蛞蜃又?。草地覆蓋度與年總降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的草地面積之和為101.51萬(wàn)hm2，共占草地總面積的1.17%；無(wú)顯著相關(guān)性的草地面積占草地總面積的81.93%。2001年、2013年和2016年年均溫相同，但由于年總降水量的不同，導(dǎo)致內(nèi)蒙古對(duì)應(yīng)年份的草地覆蓋度與降水量的增減呈正向變化關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

本研究利用像元二分模型，估算出2001-2016年內(nèi)蒙古草地平均覆蓋度為37.9%，與年均溫和年降水量均無(wú)顯著相關(guān)性(P ＞ 0.05)，其平均相關(guān)系數(shù)分別為0.058、0.269。許旭等[17]對(duì)1982-1999年間內(nèi)蒙古溫帶草原區(qū)植被蓋度研究表明，該地區(qū)草原生長(zhǎng)季植被平均蓋度與同期降水的平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.646，本研究與其差異較大主要是因?yàn)樵撗芯繀^(qū)處于溫帶草原區(qū)，水熱條件配置較好，有利于草原植被的生長(zhǎng)；穆少杰等[18]研究得到，2001-2010年內(nèi)蒙古草原區(qū)植被覆蓋度與降水量的平均相關(guān)系數(shù)為0.32；也有研究[19-21]認(rèn)為，降水是內(nèi)蒙古草原植被生長(zhǎng)的主要限制性因子，這與本研究結(jié)果一致。由于草地類型數(shù)據(jù)來(lái)源、研究時(shí)段和模型參數(shù)設(shè)置的差異，本研究將MCD12Q1產(chǎn)品重分類為與中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(NRED)分類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的6類，其中內(nèi)蒙古西北荒漠地區(qū)草地覆蓋較少；除此之外，模型中輸入的氣象柵格數(shù)據(jù)是氣象站點(diǎn)的觀測(cè)值通過(guò)Kriging空間插值得到的，空間插值過(guò)程會(huì)造成一定的偏差，因此與以往研究和監(jiān)測(cè)報(bào)告相比，內(nèi)蒙古草地覆蓋度及其與降水的相關(guān)關(guān)系研究結(jié)果也呈明顯不同。

2001-2016年，內(nèi)蒙古草地覆蓋度年際平均值為37.90%，草地覆蓋度從2001年的35%到2016年的38.84%，增加了10.97%。16年間內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)的平均空間分布中，53.72%的草地覆蓋度介于20%～40%，僅0.03%草地覆蓋度在80%以上。2006年 (35.84%)和 2009年 (36.04%)出現(xiàn)了2次明顯的波谷；2002年(38.32%)、2008年(39.41%)和2014年(40%)出現(xiàn)了3次明顯的波峰，且內(nèi)蒙古草地覆蓋度在2014年達(dá)到最大值?？傮w來(lái)說(shuō)，內(nèi)蒙古草地覆蓋度與年均溫和年降水量均無(wú)顯著相關(guān)性，但與年降水量的平均相關(guān)系數(shù)(r = 0.269，P ＞ 0.05)大于與年均溫的平均相關(guān)系數(shù) (r = 0.058，P ＞ 0.05)；其中與溫度無(wú)顯著相關(guān)性的草地面積占草地總面積的95%，與降水無(wú)顯著相關(guān)性的草地面積占草地總面積的81.93%。