錫林郭勒盟2000-2019年土地荒漠化及對氣候因子的響應

特力格爾 那仁滿都拉 郭恩亮 布仁吉日嘎拉 王世亮 娜仁夫

摘 要：荒漠化是目前全球面臨的一項嚴峻生態(tài)環(huán)境問題，中國也是受到荒漠化侵擾的國家之一。其形成原因復雜，具有地區(qū)性，氣候因素往往在這一地區(qū)荒漠化形成中具有主導作用。本文以錫林郭勒盟2000-2019年生長季MODIS-NDVI數(shù)據(jù)作為遙感數(shù)據(jù)來源，結合錫林郭勒盟地區(qū)及周邊氣象站點的降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)，通過森式斜率及Mann-Kendall趨勢檢驗法進行顯著性檢驗，研究2000年以來研究區(qū)荒漠化與氣象因子相關關系。結果表明：錫林郭勒盟2000-2019年間，顯著增大的面積為36322km2，占總面積的11.22%;不顯著增大的面積為178863km2，占總面積的55.24%;穩(wěn)定的面積為80763km2，占總面積的24.94%;不顯著減少的面積與顯著減少的面積占比分別為8.37%與0.23%?？芍?，不顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小。在20年間內(nèi)蒙古NDVI在該區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)增大的趨勢，植被覆蓋面積增大，荒漠化的面積在整體上是減少的趨勢。植被覆蓋度變化受氣溫降水的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著，因此降水是內(nèi)蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。

關鍵詞：荒漠化;氣象因子;NDVI;錫林郭勒盟

中圖分類號：S157.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）01-0042-06

1 引言

荒漠化是困擾世界的一項全球性問題，涉及環(huán)境及社會經(jīng)濟發(fā)展[1]，目前全球已受荒漠化影響及將受荒漠化影響的土地面積已達35%，且以6萬km2/年的速度擴張，亞洲地區(qū)也已經(jīng)達到34%?；哪粌H表現(xiàn)在對生態(tài)環(huán)境的破壞，同時還對當?shù)厣鐣徒?jīng)濟發(fā)展造成負面影響，而生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠化區(qū)域往往是深度貧困區(qū)[2，3]。我國已在1994年、1999年、2004年、2009年及2014年組織人員開展了荒漠化監(jiān)測。根據(jù)第五次《中國荒漠化和沙化狀況公報》，截至2014年，我國27.20%的國土面積已被荒漠化土地所占領。

內(nèi)蒙古自治區(qū)荒漠化土地面積廣闊，全區(qū)近60%的土地為荒漠化土地[4]。其中風蝕荒漠占荒漠化土地面積的90%，且集中在以砂壤土、壤砂土、砂土等土壤質地集中的草原區(qū)[5]。土地利用程度和利用方式是影響內(nèi)蒙古荒漠化發(fā)展的一個重要因素。近一個世紀以來內(nèi)蒙古荒漠化發(fā)展尤為迅速[6]，這與人類經(jīng)濟活動范圍擴大、強度增加、導致內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)牧交錯帶不斷北移，原有土地利用類型改變及植被覆蓋度減少有著極為密切的關系。錫林郭勒盟荒漠化不僅對本區(qū)經(jīng)濟社會環(huán)境產(chǎn)生重大影響，還危及京津地區(qū)生態(tài)安全[7，8]。該區(qū)南部的渾善達克位于京津地區(qū)上風口，是重要的東亞沙塵源地之一[9]。

錫林郭勒盟位于東亞季風區(qū)向非季風區(qū)過渡區(qū)域，同時屬于農(nóng)牧交錯地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，受氣候變化與人類活動影響較為敏感[9]。在全球氣候呈現(xiàn)“干者越干，濕者越濕”變化趨勢下，地區(qū)呈現(xiàn)暖干化趨勢[10]，這勢必會對研究區(qū)荒漠化演變產(chǎn)生驅動作用。目前對該盟荒漠化發(fā)展驅動力的研究主要以人為因素為主，對自然因子特別是氣象因子的研究還存在不足之處。本文鑒于荒漠化成因具有一定的地區(qū)性[11]，對錫林郭勒盟荒漠化成因研究應符合實際情況，選擇對研究區(qū)荒漠化成因具有主導作用的因子進行研究。研究結果可以為之后荒漠化治理提供科學依據(jù)，解決荒漠化成因不清難以形成有效治理的難題。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟（115°13′E～117°06′E，43°02′N～44°52′N），跨兩個緯度和兩個經(jīng)度，全盟土地面積26.26萬平方公里，占內(nèi)蒙古自治區(qū)面積的17.2%。錫林郭勒盟大部屬于西北干旱區(qū)，只有東南少部分屬于東部季風區(qū)，是生態(tài)環(huán)境脆弱敏感地區(qū)。位于研究區(qū)南端的渾善達克沙地是距京津唐最近的沙塵源。年均溫0～3℃，且日溫差及年溫差較大，年均降水量較少且時空分布不均勻。年均降水量為295mm，且降水多集中在7、8、9三個月份，并由南至北逐漸減少。年平均相對濕度60%以下，蒸發(fā)量1500～2700mm之間[12]。受水熱條件的影響，錫林郭勒草原以典型草原為主體，自東向西由草甸草原向荒漠化草原逐漸演變。典型草原區(qū)植被總蓋度20%～40%，總高度30～50cm，生產(chǎn)量800～1000kg/km2。地區(qū)地帶性土壤為具有較高生產(chǎn)力的栗鈣土或暗栗鈣土。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1 NDVI數(shù)據(jù)

本文使用的NDVI數(shù)據(jù)為Terra衛(wèi)星的MOD 13A2產(chǎn)品（來源于https：//ladsweb.Modaps.eosdis.nasa.gov/search/），時間和空間分辨率分別為16d和1km。且采用最大值合成法（Maximum ValueComposite， MVC），獲得逐月和逐年的NDVI數(shù)據(jù)。

2.2.2 氣象數(shù)據(jù)

本文所用的氣象數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)及周邊24個氣象站點逐日氣象數(shù)據(jù)，源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)站和錫林郭勒盟氣象局。將2000—2019年的錫林郭勒盟境內(nèi)氣象站點的數(shù)據(jù)進行整理，并采用克里金法，對氣象數(shù)據(jù)進行空間插值，從而獲取與NDVI數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影和像元大小的降水和氣溫柵格數(shù)據(jù)。本文探討氣溫降水對荒漠化的影響。

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

植被覆蓋指數(shù)（Vegetation Index， VI）是在利用遙感技術進行荒漠化監(jiān)測中的一種替代指標，是一種基于波段間比值運算提取植被的算法。NDVI（ Normalized Differ ence Vegetation Index）歸一化植被指數(shù)在監(jiān)測植被生長狀態(tài)，農(nóng)業(yè)干旱等方面具有良好特性[13]。其計算公式為：

NDVI=（NIR-RED）/（NIR+RED）。

其基本原理如下：假定一像元為混合像元，則該像元信息：

S=S1+S2? ?（1）

式中：S表示像元信息，S1表示土壤部分提供的信息，S2表示植被部分所提供的信息。

植被覆蓋度為該像元被植被面積所覆蓋區(qū)域占整個像元的比例，土壤覆蓋面積所占比例則為1-植被覆蓋度。如果一個像元為純像元，則表明該像元信息僅由植被或土壤所貢獻。

S1=（1-Fv）·Ssoil? （2）

S2=Fv·Sveg? （3）

S=（1-Fv）·Ssoil+Fv·Sveg? （4）

式中：Fv為植被覆蓋度，Sveg為純植被覆蓋像元信息，Ssoil為純土壤覆蓋像元信息。

植被覆蓋度利用像元二分模型來進行估算。根據(jù)式子S=（1-Fv）·Ssoil+Fv·Sveg可推知：假定一像元NDVI值由土壤和植被兩部分提供，其中純土壤像元NDVI值記為NDVIsoil，純植被像元NDVI值記為NDVIveg，則植被覆蓋度

Fv=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）? （5）

因此，可通過遙感信息對植被覆蓋度信息進行估算，進而通過遙感反演對荒漠化面積進行監(jiān)測。

2.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗法

通過Sens趨勢分析和Mann-Kendall檢驗，分析了內(nèi)蒙古地區(qū)不同植被類的平均和逐像元的年際NDVI的變化。Mann-Kendall（簡寫M-K）趨勢檢驗法是一種非參數(shù)趨勢檢驗法。該方法適合于非正態(tài)分布的氣象數(shù)據(jù)的非線性趨勢檢驗。假定x1，x2，…，xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，M-K法定義了統(tǒng)計量S：

其中，

sgn（xj-xi）=+1， if（xj-xi）>00，? if（xj-xi）=0-1， if（xj-xi）<0

式中：xj、xi分別為j、i年的相應測量值，且j>i。

式中：Z為一個正態(tài)分布的統(tǒng)計量;Var（S）為方差。在給定的a置信水平上，如果|Z|≥Z1-a/2，則拒絕原假設，即在a置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。其變化趨勢的大小用Sen's斜率表示，計算如下：

若斜率>0，表示呈上升趨勢;若斜率<0，表示呈下降趨勢。

2.3.3 荒漠化等級劃分

根據(jù)《關于中國三北地區(qū)荒漠化分類分級及參考指正表的修訂》，將錫林郭勒盟地區(qū)荒漠分為未荒漠化、輕度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化和極重度荒漠化五類[14]。錫林郭勒盟屬中國北方典型干旱半干旱區(qū)，風蝕荒漠分布面積廣闊，因此研究區(qū)荒漠化劃分指標依據(jù)干旱-半干旱區(qū)風蝕荒漠化等級進行劃分（表1）。

3 研究區(qū)荒漠化現(xiàn)狀分析

3.1 錫林郭勒盟植被覆蓋度空間分布

利用ArcGIS的重分類工具對Mann–Kendall檢驗結果進行重分類，后進行柵格計算得到研究區(qū)NDVI變化的空間分布圖（圖2）。從圖2可知，2000-2019年間錫林郭勒盟植被覆蓋度顯著增大的區(qū)域位于東部地區(qū)與西南地區(qū)，西部地區(qū)的植被覆蓋度變化在空間上呈現(xiàn)穩(wěn)定或不顯著增大，北部較穩(wěn)定南部有較改善的趨勢。

從表2可知，錫林郭勒盟2000-2019年間，顯著增大的面積為36322km2，占總面積的11.22%;不顯著增大的面積為178863km2，占總面積的55.24%;穩(wěn)定的面積為80763km2，占總面積的24.94%;不顯著減少的面積與顯著減少的面積占比分別為8.37%與0.23%。從以上結果可知，不顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小，兩者之間相差178105km2;增大和減少的面積差為18722km2。因此在20年間（2000-2019年）內(nèi)蒙古NDVI在該區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)增大的趨勢，植被覆蓋面積增大，荒漠化的面積在整體上是減少的趨勢。

3.2 錫林郭勒盟荒漠化面積動態(tài)分布

根據(jù)研究區(qū)荒漠化劃分標準，將2000年-2019年研究區(qū)植被生長季NDVI最大值提取遙感圖像進行重分類，分類統(tǒng)計及變化趨勢結果如表3和圖3所示。統(tǒng)計結果表明，極度荒漠化、重度荒漠化月中度荒漠化均呈現(xiàn)減少的趨勢，且極度荒漠化的面積減少的速率較其他荒漠化面積變化速率較大。而輕度荒漠化與未荒漠化的面積呈現(xiàn)增加趨勢。

結果表示，多年平均植被覆蓋度與多年平均降水呈現(xiàn)線性正相關關系，且R2為0.6038，通過了顯著性檢驗，為顯著關系。與多年平均氣溫的關系為，R2=0.3741的對數(shù)負相關關系，隨著氣溫的升高，研究區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)減少的趨勢?？芍芯繀^(qū)2000-2019年的植被覆蓋度的變化與降水的相關性較高，與氣溫的相關性較低。綜上所述，錫林郭勒盟地區(qū)的植被覆蓋度的變化受氣溫降水的影響較大，因此氣候因素會對土地荒漠化的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著。這與中國北方的植被生產(chǎn)力主要受降水的限制結果一致[15]。

3.3 荒漠化對氣候因素的響應

首先，在研究區(qū)內(nèi)用ArcGIS軟件的隨機生成點的工具形成10000個隨機點，后提取該點對應的多年平均植被覆蓋度，降水與氣溫的數(shù)據(jù)。其次，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理軟件Excel與SPSS，對降水與氣溫數(shù)據(jù)對植被覆蓋度影響的相關關系分析。最后基于錫林郭勒盟2000-2019年平均植被覆蓋度與降水、氣溫的，確定氣候因素（氣溫、降水）對植被覆蓋度的影響關系，從而得到氣候對研究區(qū)土地荒漠化的影響。

結果表示，多年平均植被覆蓋度與多年平均降水呈現(xiàn)線性正相關關系，且R2為0.6038，通過了顯著性檢驗，為顯著關系。與多年平均氣溫的關系為，R2=0.3741的對數(shù)負相關關系，隨著氣溫的升高，研究區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)減少的趨勢?？芍?，研究區(qū)2000-2019年的植被覆蓋度的變化與降水的相關性較高，與氣溫的相關性較低。綜上所述，錫林郭勒盟地區(qū)的植被覆蓋度的變化受氣溫降水的影響較大，因此氣候因素會對土地荒漠化的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著，因此降水是內(nèi)蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。

4 討論與結論

4.1 討論

全面，適宜的監(jiān)測與評價指標體系是當前荒漠化研究中的熱點，是荒漠化監(jiān)測及治理工作高效開展的關鍵[16]。目前，對荒漠化監(jiān)測研究主要集中在荒漠化監(jiān)測手段、體系、評價標準等方面。針對荒漠化監(jiān)測體系，評價標準的研究目前已較為成熟?；哪u價標準經(jīng)歷了諸多變化，我國早期荒漠化評價標準為荒漠化指征綜合評價，目前已發(fā)展到現(xiàn)在基于遙感植被指數(shù)的定量化評價[17]?；哪u價指標體系研究在我國亦已開展多年，現(xiàn)在主要從反映荒漠化監(jiān)測所需的信息要素和生態(tài)地理指標的科學技術體系及影響荒漠化的人為因素兩個方面入手[18]。以荒漠化監(jiān)測手段作為荒漠化監(jiān)測研究的切入點，在我國研究較少，存在一定空白。趙媛媛等人從荒漠化監(jiān)測常用的地面調(diào)查與遙感監(jiān)測作為切入點，詳細綜述荒漠化監(jiān)測及評價指標體系[16]。

目前，對于荒漠化驅動力的研究主要以自然因素與人為因素兩個方面為主。大量研究結果表明，我國北方現(xiàn)代化風蝕荒漠化的主要驅動力是以經(jīng)濟因素為導向的人類活動，大約94.5%風蝕荒漠化土地是由于人類活動所導致[19]。李香云等人認為人類活動對荒漠化區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有顯著的負面影響[20]。自然因素也是導致荒漠化產(chǎn)生發(fā)展的一個主要因素，對驅動荒漠化形成的自然因素的研究主要集中在氣候、地質及土壤方面。劉虎俊等人對內(nèi)蒙古錫林郭勒盟及蒙古國蘇赫巴托爾省荒漠化自然成因從氣候，土壤方面進行分析[21]，劉連成等人對內(nèi)蒙古東部地區(qū)沙質荒漠化成因從氣候、土壤與植被、地質方面入手[22]。

我國荒漠化監(jiān)測防治評價標準、體系起步較晚，2008年4月全國防沙治沙標準化技術委員會的成立正式標志我國監(jiān)測防治標準化工作步入正常發(fā)展軌道[23]。同時由于我國荒漠化面積較大，荒漠化區(qū)域不同導致我國荒漠化評價標志具有區(qū)域性，尚未形成統(tǒng)一的評價體系[17]?；哪寗恿ρ芯渴艿交哪瘏^(qū)域性不同及荒漠化類型不同的影響，各荒漠區(qū)荒漠化驅動力存在差別，因此現(xiàn)代荒漠化成因研究應該考慮到地域性影響[11]。

4.2 結論

結果表明，錫林郭勒盟2000-2019年間，顯著增大的面積為36322km2，占總面積的11.22%;不顯著增大的面積為178863km2，占總面積的55.24%;穩(wěn)定的面積為80763km2，占總面積的24.94%;不顯著減少的面積與顯著減少的面積占比分別為8.37%與0.23%。從以上結果可知，不顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小，兩者之間相差178105km2;增大和減少的面積差為18722km2。因此在20年間（2000-2019年）內(nèi)蒙古NDVI在該區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)增大的趨勢，植被覆蓋面積增大，荒漠化的面積在整體上是減少的趨勢。

多年平均植被覆蓋度與多年平均降水呈現(xiàn)線性正相關關系，且R2為0.6038，通過了顯著性檢驗，為顯著關系。與多年平均氣溫的關系為R2=0.3741的對數(shù)負相關關系，隨著氣溫的升高，研究區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)減少的趨勢?？芍?，研究區(qū)2000-2019年的植被覆蓋度的變化與降水的相關性較高，與氣溫的相關性較低。綜上所述，錫林郭勒盟地區(qū)的植被覆蓋度的變化受氣溫降水的影響較大，因此氣候因素會對土地荒漠化的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著，因此降水是內(nèi)蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。

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