內蒙古荒漠草原植被對氣候響應的滯后性研究

滑永春，高潤宏，敖 敦

(內蒙古農業(yè)大學 林學院，內蒙古 呼和浩特 010019)

草原是內陸半干旱到半濕潤氣候條件下特有的一種生態(tài)系統(tǒng)類型，不僅為人類提供生產、生活原料，還是支撐與維持地球生命的支持系統(tǒng)，維持生命的物質循環(huán)與水循環(huán)，維持生物物種與遺傳多樣性、凈化環(huán)境、維持大氣化學平衡與穩(wěn)定[1-4]?；哪菰遣菰瓍^(qū)向荒漠區(qū)過渡的旱生化草原生態(tài)系統(tǒng)，在內蒙古約占草原總面積的10.7%[5-6]，該地區(qū)干旱少雨，屬于典型的生態(tài)脆弱帶，穩(wěn)定性差，極易遭到破壞，對全球變化的響應十分的敏感[7-9]。

草原植被驅動機制研究一直受到廣泛關注[10]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前公認的作為區(qū)域或全球植被覆蓋度及植被生長狀態(tài)的最佳指示因子[11-12]。研究結果表明，NDVI與氣候因子有著顯著的相關關系[13-15]。同時,植被對氣候因子響應存在著明顯的滯后性，植被生長除了受當時的氣候因子影響外，前一段時間的氣候條件的累積效應對植被的生長也產生很大的影響，并且不同地區(qū)植被對氣象因子的響應時段不盡相同[16-19]。遼寧省生長季植被從滯后期的時間長短看，植被生長對氣溫的變化最為敏感，其次是降水量，而對日照響應相對緩慢[20]。1982-2000 年內蒙古地區(qū)植被 NDVI 與降水有很好的相關性，降水對植被的生長影響很大[21-22]。2001-2010年內蒙古草原植被覆蓋度在年際水平上主要受降雨影響，月植被覆蓋度對降雨量的響應存在時滯效應[23-24]。

目前關于氣候對草地生長的影響研究，主要集中在降水方面。針對氣溫，尤其是太陽輻射對草地的生長研究比較少。同時研究的時間跨度比較小且缺少對空間分布的描述?；谝陨显颍瞄L時間序列(1982-2015年)GIMMS NDVI3g、ERA5降水、氣溫、太陽輻射數(shù)據(jù)，對內蒙古荒漠草原NDVI對降水、氣溫、太陽輻射的滯后性進行研究，探討荒漠草原植被對不同氣候因子的響應和時滯的差異性，以期揭示荒漠草原生長的規(guī)律特征及其氣候驅動機制。

1 研究區(qū)概況

內蒙古荒漠草原位于37°-46°N，105°-115°E，總面積約為11.2萬km2，占全區(qū)草地總面積的10.68%。主要分布在陰山北麓和西鄂爾多斯，是內蒙古干旱區(qū)代表性的植被類型之一，面積遼闊，占據(jù)了烏蘭察布高原大部及西鄂爾多斯。與荒漠帶緊鄰，在典型草原和草原化荒漠之間呈帶狀由東北向西南分布。該區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨。年均氣溫為4.79℃， 最低氣溫在1 月份，均溫為-14.65℃，最高氣溫7月份，均溫達22.32℃。平均年降水量為217 mm，且年內分布不均勻，主要集中在6-8月。草原植被類型主要為戈壁針茅(Stipatianschanicavar.gobica)草原、石生針茅(Stipatianschanicavar.klemenzii)草原、沙生針茅(Stipacaucasicasubsp.glareosa)草原和短花針茅(Stipabreviflora)草原組成的草原群落。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及預處理

2.1.1 NDVI數(shù)據(jù) 植被指數(shù)數(shù)據(jù)為美國宇航局(NASA)最新提供的第3代NDVI數(shù)據(jù)集 (GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，該數(shù)據(jù)集時間跨度為1982-2015年，時間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km，經過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強等預處理。使用Matlab對1982-2015年覆蓋內蒙古草地的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)進行格式轉換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、Albers等面積投轉換等處理，形成涵蓋內蒙古草地的月度DNVI時空數(shù)據(jù)集。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù) 選用的氣象再分析資料為ECMWF公開的ERA5數(shù)據(jù)(http://apps.ecmwf.int/datasets/)，ERA5是迄今最強大的全球氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)集，與之前的ERA-Interim產品相比，ERA5具有更高的時空分辨率，時間分辨率為逐小時，空間分辨率高達0.125°。選用覆蓋內蒙古草地1982-2015年1-12月0.125°的ECMWF-ERA5氣象模式2 m氣溫、降水、太陽總輻射數(shù)據(jù)。使用Matlab對數(shù)據(jù)進行格式轉換、年度合成、圖像裁剪、Albers 等面積投轉換、重采樣等處理。

2.1.3 荒漠草原數(shù)據(jù) 荒漠草原類型數(shù)據(jù)是在中科院植物所2000年制作的1∶100萬全國植被類型數(shù)據(jù)基礎上，完成對內蒙古地區(qū)荒漠草原范圍的提取。并對草原圖進行投影轉換、柵格化等處理，獲得投影和分辨率與遙感數(shù)據(jù)一致數(shù)字化產品。

圖1 內蒙古荒漠草原空間分布Fig.1 Spatial distribution of desert steppe in Inner Mongolia

2.2 相關性分析

利用皮爾遜(Pearson)相關系數(shù)分析降水與草地NDVI的相關性。計算公式如下：

(1)

相關系數(shù)的檢驗采用t檢驗法，統(tǒng)計量計算公式如下：

(2)

式中，n為樣本數(shù)，n=34。

2.3 滯后性分析

利用滯后相關系數(shù)分析內蒙古荒漠草原NDVI對氣候響應滯后期，表達式如下：

R=max{|R0,R1,R2,……Rn-1,Rn|}

(3)

式中，R為滯后相關系數(shù)，n為樣本量。R0,R1,R2,……,Rn分別為NDVI與當前月、前推1個月，2個月至前推n個月的滯后系數(shù)。若R=Rn,則NDVI對該氣候因子變化響應的滯后期為n月。

選取1982-2015年間，34 a草地生長季(4-9月)的NDVI與月降水、太陽總輻射、氣溫數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)分別計算4-9月NDVI與1-9月氣候因子的相關系數(shù)，選取最大值對應的前推時間作為相應的滯后期。

3 結果與分析

3.1 草地的NDVI年內生長變化規(guī)律

圖2給出了1982-2015年荒漠草原類型月平均NDVI的變化趨勢。由圖2可知，荒漠草原NDVI變化呈現(xiàn)單峰生長規(guī)律。草原植被從4月底到5月快速生長，到8月NDVI值達到最大，9月就開始衰退，到11月徹底枯黃。荒漠草原由于受自然條件和降水的影響，NDVI值一直變化不太明顯(0.105～2.210)，但也表現(xiàn)出了一定季節(jié)性規(guī)律。

圖2 內蒙古地區(qū)荒漠草地NDVI年內變化Fig.2 NDVI annual variation of desert grassland in Inner Mongolia

3.2 氣候因子年內變化規(guī)律

圖3給出了1982-2015年荒漠草原月平均降水、氣溫、太陽總輻射的變化趨勢，降水、氣溫、太陽總輻射年內變化都是單峰型。由圖3a可知，荒漠草原從1月開始降水量逐漸增加，到8月份達到最大，降水量為53.40 mm，9-12月份開始逐漸下降；由圖3b可知荒漠草原氣溫也是從1月份開始逐漸增加，到7月份氣溫達到最大值22.75℃，之后開始快速下降；從圖3c得出，月太陽總輻射量也是前7個月逐漸遞增，到7月份達到最大值860.18 MJ/m2，之后開始快速下降。

注：a降水、b氣溫、c太陽總輻射。

3.3 荒漠草原降水滯后時間及空間分布

由表1可知，荒漠草原9月份NDVI與1-9月的降水相關性最高的是8月份，其平均相關系數(shù)為0.433。由此可得，9月份NDVI與8月份降水有很好的相關性，9月份NDVI對應降水滯后時間為1個月。其中，通過P<0.1顯著性檢驗的面積占整個荒漠草原面積的63.30%，結合圖4顯著相關空間分布主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)；8月份NDVI與1-8月的降水相關性最高的月份是7月份，其平均相關系數(shù)為0.480。8月份的滯后時間為也是1個月。其中，通過P<0.1顯著相關的區(qū)域占整個草原面積的81.47%，結合圖4可知，除了阿拉善左旗、鄂托克前旗，顯著相關地區(qū)幾乎覆蓋了整個荒漠草原；7月份NDVI與1-7月的降水相關性最高的月份是6月份，其平均相關系數(shù)為0.513。7月份的滯后時間也是1個月左右。其中，通過P<0.1顯著相關的區(qū)域占整個草原面積的93.00%。相關系數(shù)和面積占比是所有月份里面最高的，幾乎覆蓋荒漠草原整個地區(qū)；6月份NDVI與1-6月的降水相關性最高的月份是5月份，其平均相關系數(shù)是0.486。6月份的滯后時間為1個月。其中，通過P<0.1顯著相關的面積占整個草原面積的88.86%，顯著相關的區(qū)域除了烏拉特前旗和部分烏拉特后旗，覆蓋了剩下整個荒漠草原；5月份NDVI與1-5月的降水相關性最高的月份是4月份，其平均相關系數(shù)是0.408，5月份的滯后時間也是1個月。顯著相關的區(qū)域主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)；4月份NDVI與1-4月的降水顯著性不明顯，且1-3月平均相關系數(shù)為負，4月份正好是草地返青季，由此可見降水并不是草地返青的主導氣候因子，導致4月份草地的生長可能還受其他氣候因子控制。

表1 荒漠草原生長季(4-9月)NDVI與1-9月降水的相關統(tǒng)計Table 1 Correlation between NDVI and precipitation in desert steppe growing season from April to September

注：X-Y：X為當月NDVI,Y為當月及前推兩月降水量。

3.4 荒漠草原氣溫滯后時間及空間分布

由表2可知，荒漠草原9月份NDVI與1-9月的氣溫相關性最高的是8月份，其平均相關系數(shù)為-0.348，成負相關關系。原因可能是氣溫升高加速了地表蒸散發(fā)，使得水分加速流失，抑制了植被的生長，從而使得NDVI 減小。由此可得，9月份NDVI對應氣溫滯后時間為1個月。其中，通過P<0.1顯著性檢驗的面積占整個荒漠草原面積的26.17%。結合圖5顯著相關空間分布主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗等地區(qū)；8月份NDVI與1-8月的氣溫相關性最高的月份是8月，其平均相關系數(shù)為-0.302，也是負值，說明8月份的高溫對植被生長起到抑制作用。8月份氣溫滯后時間為是0個月。其中，通過P<0.1顯著相關的區(qū)域占整個草原面積的13.51%，顯著相關的面積比較小，說明氣溫和植被NDVI的關系不是太顯著，氣溫不是影響DNVI變化的主導因子。結合圖4可知，顯著相關地區(qū)主要位于錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗；7月份NDVI與1-7月的氣溫相關性最高的月份是6月份，其平均相關系數(shù)為-0.360，高溫對植被生長也起到了抑制作用。7月份的氣溫滯后時間也是1個月。其中，通過P<0.1顯著相關的區(qū)域占整個草原面積的24.19%。覆蓋地區(qū)主要包括錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗和包頭的部分地區(qū)；6月份NDVI與1-6月的氣溫相關性最高的月份是6月份，其平均相關系數(shù)是-0.326，高溫不利于植被的生長，6月份的氣溫滯后時間為0個月。其中，通過P<0.1顯著相關的面積占整個草原面積的25.39%，顯著相關的區(qū)域覆蓋了錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，包頭和巴彥淖爾的烏拉特中旗等部分地區(qū)。5月份NDVI與1-5月的氣溫相關性最高的月份是4月份，其平均相關系數(shù)是0.373，相關系數(shù)值為正值，結合圖2可知5月份草原NDVI是增長最快的月份，4-5月氣溫不斷地升高，為草地的返青提供了有利的條件。5月份的滯后時間為1個月。顯著相關的區(qū)域主要分布于錫林郭勒盟的蘇尼特左旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)；4月份NDVI與1-4月的氣溫相關性最高的月份是4月份，其平均相關系數(shù)是0.362，相比同期降水與NDVI相關系數(shù)更顯著，由此可見，4月份不斷升高的氣溫是草地返青的重要主導因子。4月份的滯后時間為0。顯著相關的區(qū)域主要分布于錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗等地區(qū)。總的來看氣溫和植被NDVI的關系相比降水來說不太顯著，氣溫不是影響DNVI變化的主導因子。氣溫對草原NDVI的滯后時間為0～1個月。

表2 荒漠草原生長季(4-9月)NDVI與1-9月氣溫的相關統(tǒng)計Table 2 Correlation statistics of NDVI and air temperature from January to September in desert steppe growing season

注：X-Y：X為當月NDVI,Y為當月及前推2月氣溫。

3.5 荒漠草原太陽輻射滯后時間及空間分布

表3是整個草原植被生長季(4-9月)NDVI與1-9月平均太陽輻射的相關統(tǒng)計。由表3可知荒漠草原9月份NDVI與1-9月的太陽輻射相關性最高的是8月份，其平均相關系數(shù)為-0.393，成負相關關系。和氣溫一樣，過強的太陽輻射抑制了植被的生長，使得NDVI 減小。由此可得，9月份太陽輻射滯后時間為1個月。其中，通過P<0.1顯著性檢驗的面積占整個荒漠草原面積的41.02%，其值比氣溫占比要大，說明太陽輻射因子比氣溫因子對NDVI的影響更大。結合圖6顯著相關空間分布主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗等地區(qū)；8月份NDVI與1-8月的太陽輻射相關性最高的月份是7月，其平均相關系數(shù)為-0.398，也是負值，說明8月份的過高的太陽輻射對植被生長也起到抑制作用。8月份太陽輻射滯后時間為是1個月。其中，通過P<0.1顯著相關的區(qū)域占整個草原面積的57.92%。結合圖5可知，顯著相關地區(qū)主要位于錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，以及烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等部分地區(qū)；7月份NDVI與1-7月的太陽輻射相關性最高的月份是6月份，其平均相關系數(shù)為-0.382，說明高強度的太陽輻射對草地的生長不利。7月份的太陽輻射滯后時間也是1個月。其中，通過P<0.1顯著相關的區(qū)域占整個草原面積的52.62%。覆蓋地區(qū)主要包括錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，以及烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗等地區(qū)；6月份NDVI與1-6月的太陽輻射相關性最高的是5月份，其平均相關系數(shù)是-0.400，強太陽輻射也不利于植被的生長，6月份的太陽輻射滯后時間為1個月。其中，通過P<0.1顯著相關的面積占整個草原面積的53.32%，顯著相關的區(qū)域覆蓋了錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，以及烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)；5月份NDVI與1-5月的太陽輻射相關性最高的月份是4月份，其平均相關系數(shù)是0.338，相關系數(shù)值為正值，說明5月太陽輻射強度是有利于植被的返青。5月份的滯后時間為1個月。顯著相關的面積比較小，表明4月份太陽輻射與5月份NDVI 顯著關系不是太強，零星分布于錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)；4月份NDVI與1-4月的太陽輻射顯著性不明顯，太陽輻射不是主導草地返青的主導因子。

4 結論與討論

4.1 討論

荒漠草原NDVI 對氣候因子的響應存在一定的滯后性，且不同學者研究結論差異比較大[25]。張穎等[26]研究發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)荒漠草原受降水影響較大，在月尺度上草地覆蓋度對氣溫表現(xiàn)出明顯的滯后效應，而降水滯后效應不明顯；李曉兵等[27]認為內蒙古荒漠草原分布區(qū)夏季的降水對當年植被生長的影響最明顯；王舉鳳等[18]認為內蒙古荒漠草原植被覆蓋度對降水量存在明顯的 1～2個月滯后和累積效應，且表現(xiàn)出越干旱的草原類型滯后效應越明顯的特征，荒漠草原植被對降水量變化更加敏感；王雨晴等[23]認為內蒙古荒漠草原的月NDVI對降水、溫度存在1～2個月滯后效應，且降水對NDVI 的影響大于溫度；劉成林等[28]通過氣象站點資料收集方式研究發(fā)現(xiàn)二連浩特、蘇尼特左旗、朱日和荒漠草原NDVI對降水滯后時間都為 64 d以上，那仁寶力格和多倫滯后48 d；李霞等[29]也是通過氣象站數(shù)據(jù)研究荒漠草原氣候因子時滯效應，結果發(fā)現(xiàn)NDVI對降水滯后時間1個月，氣溫的滯后時間不明顯。草原NDVI與當月的氣溫相關關系最強，且氣溫在植被生長季前期與NDVI成正相關，中后期成負相關關系，這個結論與本文的研究基本一致。由此可見，目前絕大多數(shù)研究主要集中在水熱滯后性方面，而本研究發(fā)現(xiàn)太陽輻射對荒漠草原植被NDVI影響要大于氣溫的影響，且與氣溫對NDVI響應比較類似，也是在植被生長季前期與NDVI成正相關，中后期成負相關關系，滯后時間為1個月。NDVI與降水的相關最強，滯后也是1個月。NDVI與氣溫的相關關系在三者中最弱，滯后約0～1個月。總的來看，以上結論有的和本研究一致，有的不同，主要原因可能是研究區(qū)域不一致，也可能是數(shù)據(jù)、研究方法不同造成的。

表3 荒漠草原生長季(4-9月)NDVI與1-9月太陽輻射的相關統(tǒng)計Table 3 Correlation statistics of NDVI and solar radiation from January to September in desert steppe growing season

注：X-Y：X為當月NDVI,Y為當月及前推2月太陽輻射。

本文在研究內蒙古荒漠草原對將氣候因子的滯后性時，使用的是34 a(1982-2015)跨度的柵格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了逐柵格像元分析，并進行了空間分布格局的研究。氣候因子包含了降水、氣溫、太陽輻射，比較全面地研究了氣候因子對荒漠草原NDVI變化影響和時間滯后的問題。但也存在柵格數(shù)據(jù)的分辨率比較低，GIMMS NDVI數(shù)據(jù)分辨率為8 km，而ECMWF-ERA5氣象數(shù)據(jù)可以達到12 km多。影響植被生長的因子眾多，本研究僅探討了氣候因子與 NDVI的相關關系，如土壤、地形等其他非氣候因子對 NDVI的影響未考慮進去，這些都有待下一步的研究和改進。

4.2 結論

利用1982-2015年的GIMMS 月度NDVI、ECMWF-ERA5月度降水、氣溫、太陽輻射數(shù)據(jù)，對內蒙古地區(qū)荒漠草原NDVI的氣候因子滯后性進行研究。

荒漠草原NDVI、降水、氣溫、太陽總輻射年內變化都是單峰型。草原到8月NDVI值達到最大，NDVI值(0.105～2.210)年內變化不太明顯；降水8月份達到最大，降水量為53.40 mm；氣溫7月份達到最大值22.75℃；太陽總輻射也是7月份達到最大值860.18 MJ/m2。

荒漠草原生長季植被的 NDVI與降水的滯后性分析表明，5-9月NDVI與降水相關關系比較顯著，滯后時間為1個月，顯著相關的區(qū)域主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)。4月份NDVI與1-4月的降水不顯著，降水不是草地返青的主導氣候因子。

荒漠草原生長季植被的 NDVI與氣溫的滯后性分析表明，6-9月份草原NDVI與氣溫成負相關，滯后時間為0～1個月。顯著相關的區(qū)域主要位于錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗等地區(qū)；4-5月份草原NDVI與氣溫成正相關，升高的氣溫有利于草原植被的生長，該季氣溫的回升是導致植被返青的主要因子。

荒漠草原生長季植被的 NDVI與太陽輻射的滯后性分析表明，6-9月份草原NDVI與太陽輻射成負相關，過強的太陽輻射，不利植被的生長，滯后時間為1個月。5月份草原NDVI與太陽輻射成正相關，說明太陽輻射強度有利植被生長，滯后時間為1個月；4月份NDVI與1-4月的太陽輻射關系不顯著。