近20年內(nèi)蒙古干旱時(shí)空動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候、蒸散發(fā)變化的響應(yīng)

汪士為

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院, 湖北 十堰 442002)

地處干旱半干旱區(qū)內(nèi)蒙古地區(qū)作為我國重要的以畜牧業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)為主的農(nóng)業(yè)區(qū)，因其獨(dú)特的自然和資源條件，東部、中部和西部干旱分布特征存在較大差異[1]。近年來，因氣候變暖導(dǎo)致極端低溫事件減少，極端高溫事件與降水事件的逐漸增加，使土地退化、干旱事件的頻繁發(fā)生成為21世紀(jì)嚴(yán)重影響內(nèi)蒙古地區(qū)草原和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境、草原畜牧業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的健康持續(xù)發(fā)展的最復(fù)雜挑戰(zhàn)之一[2,3]。因此，如何及時(shí)、準(zhǔn)確、大范圍監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)內(nèi)蒙古旱情的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律對(duì)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境治理具有重要指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的旱情監(jiān)測(cè)主要通過地面觀測(cè)站網(wǎng)獲取，雖可得到較為精確的干旱數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)代表性差、獲取過程勞民傷財(cái)，獲得的基于站點(diǎn)的數(shù)據(jù)已不能準(zhǔn)確刻畫大尺度范圍內(nèi)干旱的時(shí)空變化[4]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，不同時(shí)空分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)成為大面積、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的理想選擇，目前已有諸多學(xué)者對(duì)基于遙感技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙古干旱進(jìn)行了研究[5-8]。在內(nèi)蒙古的干旱空間分布規(guī)律的研究中，有學(xué)者指出空間分布上整體表現(xiàn)為輕旱和中旱等級(jí)，但內(nèi)蒙古干旱空間分異明顯，西南部以輕旱為主，中部地區(qū)以中旱為主，大興安嶺以西的呼倫貝爾草原等地區(qū)旱情嚴(yán)重[6-9]。但其空間分布上存在明顯的季節(jié)差異性，內(nèi)蒙古全區(qū)春、冬季節(jié)主要以中、重和特旱為主，整體表現(xiàn)為西部和西南部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較低，但東部、北部和中部地區(qū)干旱發(fā)生頻率想想對(duì)較高；秋季中旱、中旱發(fā)生頻率在空間分布上較為一致[7-11]；夏季各級(jí)別干旱發(fā)生頻率在空間上無規(guī)律，主要受到氣溫和降水的影響[12]。在干旱的變化趨勢(shì)研究中，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)1960—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古地區(qū)整體為干旱逐漸減輕趨勢(shì)，四季均呈現(xiàn)為變濕趨勢(shì)，春季表現(xiàn)最為顯著，但1976年干旱趨勢(shì)發(fā)生突變[8]。其中，20世紀(jì)70—80年代的春旱年份發(fā)生概率遠(yuǎn)高于其他年份，表現(xiàn)為連年干旱，但近10 a的干旱頻率明顯減少[13]。但也有很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)近50 a內(nèi)蒙古東部和中部為干旱強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢(shì)，但增加不顯著，西部總體表現(xiàn)為干旱呈不顯著減弱趨勢(shì)，尤其在阿魯科爾沁旗東北部—霍林河一帶旱情增加趨勢(shì)最為嚴(yán)重，而阿榮旗和扎蘭屯等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)旱情增加趨勢(shì)不明顯[12,14-15]。有學(xué)者對(duì)影響干旱的影響因子中發(fā)現(xiàn)在21世紀(jì)以來，隨溫度躍升，蒸發(fā)需求加劇，而降水量增加趨勢(shì)減緩甚至微弱減少，這些因素可能導(dǎo)致了內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱程度呈持續(xù)增加趨勢(shì)[16]。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)溫度升高僅對(duì)溫性荒漠草原類及溫性草原化荒漠類的干旱程度具有顯著影響，降水稀少對(duì)非荒漠型草地的干旱程度具有顯著的影響[17]。賈元童等[16]選取地形、人文、經(jīng)濟(jì)等19個(gè)指標(biāo)對(duì)內(nèi)蒙古干旱脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)第一產(chǎn)業(yè)GDP比例、人均可支配收入和第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員的比例是使內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱脆弱性增加的主要因素。以上研究多以氣象站點(diǎn)資料，“以點(diǎn)帶面”分析新疆區(qū)域的干旱時(shí)空特征，很難精確描述大區(qū)域尺度或氣象站點(diǎn)很少的區(qū)域的干旱情況。而遙感技術(shù)憑借具有客觀、及時(shí)、覆蓋面廣、數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)、能夠?qū)鹘y(tǒng)的測(cè)點(diǎn)方法擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域的信息等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于干旱的研究中。溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)因考慮溫度與植被指數(shù)雙重特征，被證明可以有效地反映干旱特征[17-20]。但目前基于TVDI的干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估研究中[11-15]，很少探討未來干旱可能的持續(xù)狀態(tài)的研究；關(guān)于氣候變化對(duì)干旱影響的研究大部分是以年尺度的氣候來分析，忽略了干旱對(duì)季節(jié)性氣候的響應(yīng)，而各個(gè)季節(jié)的溫度和降水變化也對(duì)干旱產(chǎn)生重要的影響。

因此，研究基于NASA提供的2001—2020年的MODIS產(chǎn)品(包括NDVI，LST，ET數(shù)據(jù))，利用Sen趨勢(shì)分析法、RS法、偏相關(guān)分析等方法對(duì)2001—2020年內(nèi)蒙古地區(qū)干旱時(shí)空分布特征、變化趨勢(shì)、未來變化趨勢(shì)及蒸散發(fā)、季節(jié)性氣候變化對(duì)干旱的影響進(jìn)行分析，并分析不同土地利用類型下內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱變化特征。以期為深刻認(rèn)識(shí)在氣候暖干化的背景下，內(nèi)蒙古地區(qū)干旱的時(shí)空動(dòng)態(tài)，從而為合理利用水資源、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及生態(tài)環(huán)境防治提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古地處中國北部邊疆(33°24′—53°23′N，97°12′—126°4′E)，總面積達(dá)118萬km2，地形由東北向西南斜伸，呈狹長狀。境內(nèi)多數(shù)地區(qū)為高原型地貌區(qū)，海拔在1 000 m以上。區(qū)域所處緯度較高，高原面積大，距離海洋較遠(yuǎn)，邊沿有山脈阻隔，大部分區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶愿珊禋夂?，是非季風(fēng)氣候影響的主要地區(qū)，少部分屬于溫帶季風(fēng)氣候，光熱資源充足，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 600 h以上，降水量少而不勻，一般在400 mm以下，總的特點(diǎn)是春季氣溫驟升，多大風(fēng)天氣，夏季短促而炎熱，降水集中，秋季氣溫劇降，霜凍往往早來，冬季漫長嚴(yán)寒，多寒潮天氣[1,16]。境內(nèi)既有典型的草原和農(nóng)耕區(qū)，又有相當(dāng)比例的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，也是我國重要的農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地[16]。因其特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響，加之不合理的人為開墾利用，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，水土流失十分嚴(yán)重，是該區(qū)域主要的生態(tài)環(huán)境問題之一[14-15](圖1)。

圖1 內(nèi)蒙古土地利用類型、海拔及氣象站點(diǎn)空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

NDVI數(shù)據(jù)由NASA(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)網(wǎng)站所提供，采用MODIS Reprojection Tools(MRT)軟件對(duì)下載的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拼接、裁切等預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為TIF格式且坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系?？臻g分辨率為1 000 m，時(shí)間分辨率為16 d，經(jīng)過幾何校正和大氣校正的標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過MVC合成為月值。

地表溫度數(shù)據(jù)(LST)源于NASA網(wǎng)站提供的2001—2020年的MOD11A2產(chǎn)品提供的空間分辨率為1 km、時(shí)間分辨率為8 d的LST數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過地形校正。

蒸散發(fā)數(shù)據(jù)(ET)源于NASA網(wǎng)站提供的2001—2020年的MOD16A2產(chǎn)品，空間分辨率為500 m、時(shí)間分辨率為8 d。

土地利用數(shù)據(jù)源于NASA網(wǎng)站提供的MCD12Q1產(chǎn)品，該產(chǎn)品是根據(jù)IPGP進(jìn)行分類的全球產(chǎn)品，包括17種土地利用類型，土地覆蓋數(shù)據(jù)重分類為林地、草地、濕地、農(nóng)用地、建筑用地和水體。

DEM數(shù)據(jù)由資源環(huán)境數(shù)據(jù)與平臺(tái)網(wǎng)站(http:∥www.resdc.cn/User)提供，分辨率為1 km。

溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/data/cdcindex)提供的月值數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2001—2020年，得到研究區(qū)及周圍的130個(gè)站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)(圖1)，最后利用專業(yè)氣象插值軟件 ANUSPLINE將季節(jié)性氣象數(shù)據(jù)插值為空間分辨率為1 km的柵格數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1 地表溫度的地形訂正 在不同的海拔高度下，地表溫度會(huì)因氣溫和大氣湍流的影響而又較大變化。當(dāng)研究區(qū)內(nèi)地形有明顯起伏時(shí)在海拔高的地區(qū)，氣溫較低，地溫也會(huì)較低，若不經(jīng)過高程訂正，高程高區(qū)地表溫度低，會(huì)造成對(duì)該區(qū)域土壤濕度的高估。在緯度跨度較大的情況下，氣溫隨緯度的增加而降低，因此高維地區(qū)地表溫度偏低，也會(huì)造成對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤濕度的高估[21]。因此，地表溫度數(shù)據(jù)(LST)需要使用DEM數(shù)據(jù)和緯度對(duì)其進(jìn)行訂正，訂正公式如下。

T=Ts+aH+bL+c

(1)

式中:T為經(jīng)DEM訂正后的地表溫度值；Ts為原始的地表溫度值；H為數(shù)字高程(DEM)值；L為緯度；a,b,c為訂正系數(shù),結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)[21],本文的a取值為-0.6/100℃,b取0.941 1,c取35.77。

1.3.2 溫度植被干旱指數(shù)(TVDI) Price[22]、Sandholt等[23]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度與土壤含水量之間的變化范圍較大時(shí)，NDVI與LST間構(gòu)成的散點(diǎn)圖是一個(gè)三角形。并在大量研究下提出了溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)的概念，指出TVDI是利用Ts-NDVI特征空間提取的水分脅迫指標(biāo)來估算陸面表層土壤水分的一種方法。TVDI的計(jì)算公式為(2)：

(2)

式中:Ts為地表溫度;Tsmax為最高地表溫度；Tsmin為最低地表溫度。干濕邊方程可表示為(3)—(4):

Tsmax=a1+b1·NDVI

(3)

Tsmin=a2+b2·NDVI

(4)

式中:a1,b1,a2,b2分別為干濕邊擬合方程的系數(shù);NDVI為歸一化植被指數(shù)。

TVDI的干旱等級(jí)參考吳黎[18]對(duì)TVDI干旱指標(biāo)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和本研究區(qū)TVDI的分布特征，對(duì)研究區(qū)干旱等級(jí)分級(jí)，等級(jí)閾值見表1。

表1 土壤濕度干旱等級(jí)劃分

1.3.3 干旱變化趨勢(shì)分析 采用Sen斜率估計(jì)法分析2001—2020年內(nèi)蒙古TVDI變化趨勢(shì)和變化速率。Sen斜率的計(jì)算公式為[24]：

(5)

式中:β為TVDI變化趨勢(shì);Median為取中值函數(shù);當(dāng)β>0時(shí),TVDI呈增加趨勢(shì);β<0時(shí),TVDI呈減小趨勢(shì)。

1.3.4 氣候變化持續(xù)性分析 Hurst指數(shù)是根據(jù)長時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來持續(xù)狀態(tài)的一種指數(shù)，是一種定量表述時(shí)間序列信息長期依賴性的有效方法。因此，研究基于Hurst中的重標(biāo)極差(R/S)分析法可以反映其變化趨勢(shì)的持續(xù)性[25]。Hurst值域介于[0,1]，可以根據(jù)Hurst的大小判斷TVDI時(shí)間序列是完全隨機(jī)還是存在持續(xù)性。當(dāng)Hurst>0.5，表示TVDI時(shí)間序列是一個(gè)持續(xù)性序列，即未來物候變化趨勢(shì)與過去一致。如果Hurst=0.5，則說明TVDI序列為隨機(jī)序列，與過去沒有關(guān)系。當(dāng)Hurst<0.5則表明TVDI時(shí)間序列數(shù)據(jù)具有反持續(xù)性，即TVDI過去變化趨勢(shì)與未來的變化趨勢(shì)相反。TVDI時(shí)間序列為Ai,i=1,2,3,…,n，對(duì)于任意正整數(shù)m，定義該時(shí)間序列，具體公式見參考文獻(xiàn)[25]。

1.3.5 TVDI與氣溫、降水相關(guān)分析法 本研究采用相關(guān)分析法研究TVDI與ET和氣候的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)見計(jì)算公式(6)[14]：

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱時(shí)空分布特征

從內(nèi)蒙古不同季節(jié)、全年近20 a的TVDI時(shí)間變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：內(nèi)蒙古TVDI整體表現(xiàn)為微弱的下降趨勢(shì)，以0.000 9的速率下降(p<0.01)。其中在2007年、2010年、2013年TVDI的值明顯高于其他年份，TVDI值分別為0.774 2，0.779 3，0.762 2，根據(jù)干旱等級(jí)劃分其屬于重旱年份。在2004年、2015年TVDI低于周圍其他年份，總體波動(dòng)程度較小，TVDI基本在0.75附近上下波動(dòng)。不同季節(jié)TVDI的變化特征各不相同：冬季干旱程度最大，均值基本集中在0.9～0.95，屬特旱等級(jí)，即地表植物出現(xiàn)干枯死亡現(xiàn)象，其波動(dòng)性較??；夏季為干旱程度最小的季節(jié)，TVDI值介于0.5～0.6，屬中旱等級(jí)，其在2003年、2010年出現(xiàn)突變點(diǎn)，從中旱等級(jí)變?yōu)橹睾档燃?jí)；秋季和春季的TVDI趨勢(shì)曲線與全年TVDI趨勢(shì)曲線較為相近。冬季TVDI的增加速率為四季最小(減少速率為每年0.000 07，R2=0.002)，呈不顯著的減小趨勢(shì)，其在2003年、2010年并未出現(xiàn)突變點(diǎn)；春季TVDI呈不顯著的減小趨勢(shì)，減小速率為每年0.000 5，R2=0.008 8；秋季TVDI的減小速率為每年0.001 3，R2為0.037 2，在2010年的TVDI異常增大，大于常年；夏季TVDI的減小速率最大(增長速率為每年0.001 8，R2=0.101 5)，變化較為明顯?？傮w而言，內(nèi)蒙古地區(qū)的TVDI均呈現(xiàn)出不顯著的減小趨勢(shì)(圖2)。

圖2 內(nèi)蒙古TVDI的年際變化趨勢(shì)

20 a間內(nèi)蒙古TVDI的空間分布情況(圖3)發(fā)現(xiàn)TVDI呈現(xiàn)出從西南向東北逐漸減小的空間分布規(guī)律，即干旱程度在逐漸降低。TVDI最大值區(qū)域主要為阿拉善盟，基本在0.86以上，屬于特旱等級(jí)。TVDI最小值集中在呼倫貝爾市，TVDI基本集中在0.57以下，屬于輕旱等級(jí)。結(jié)合圖1的草地類型圖和DEM可以發(fā)現(xiàn)在TVDI值較低的地區(qū)海拔較低，土地利用類型主要為林地覆蓋區(qū)域，而在海拔較高的西北部地區(qū)，土地利用類型主要為草地，TVDI值較高。從年際變化上來看，2007年、2010年的TVDI屬于特旱的面積明顯大于其他年份，整個(gè)地區(qū)的TVDI較其他年份基本呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，尤其在興安盟和錫林郭勒盟地區(qū)，TVDI增加最為明顯。干旱程度較小的主要為2012年、2013年、2018—2020年，TVDI除在阿拉善盟地區(qū)表現(xiàn)為特旱，其他地區(qū)均為輕旱或中旱。

圖3 2001-2020年內(nèi)蒙古TVDI空間分布

2.2 干旱的空間變化趨勢(shì)

從全年來看變化趨勢(shì)空間分布來看(圖4)，內(nèi)蒙古20 a間整體以減小趨勢(shì)為主(p<0.01)，減小速率集中在-2.5～0.0，空間分布上呈現(xiàn)出從西南向東北差異，西南部主要以增加趨勢(shì)(主要分布在阿拉善盟中部)，從中部地區(qū)向西部地區(qū)TVDI的減小速率在逐漸增大。從不同季節(jié)變化趨勢(shì)空間分布來看，內(nèi)蒙古20 a間春季TVDI以減小趨勢(shì)為主(p<0.05)，每年減小速率集中在-2.5～-0.5，占內(nèi)蒙古總面積的81.76%。TVDI呈顯著增加趨勢(shì)的區(qū)域集中在阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市和鄂爾多斯市的部分地區(qū)，年增加速率集中在0～1.5，占內(nèi)蒙古總面積的13.89%，TVDI呈顯著減小的區(qū)域集中在興安盟和呼倫貝爾市。夏季TVDI變化速率以顯著的減小趨勢(shì)為主，呈顯著增加的區(qū)域主要集中在阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市、鄂爾多斯市和通遼市。秋季58.99%的像元表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，尤其在錫林郭勒盟以西地區(qū)，呈顯著增加趨勢(shì)；在錫林郭勒盟以東地區(qū)，TVDI以顯著減小趨勢(shì)為主，減小速率集中在-0.5以下。20 a間內(nèi)蒙古冬季TVDI大部分像元上表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，但在干旱程度較低的呼倫貝爾市的TVDI呈顯著的增加趨勢(shì)，增加速率高達(dá)1.5以上，而在其他地區(qū)以減小趨勢(shì)為主。

為進(jìn)一步探討不同土地利用下內(nèi)蒙古地區(qū)的TVDI變化趨勢(shì)特征，統(tǒng)計(jì)土地利用下各個(gè)季節(jié)在不同變化速率等級(jí)下的像元百分比，發(fā)現(xiàn)不同土地利用下的TVDI的變化趨勢(shì)差異性較大(圖4)。從全年來看，5種土地利用類型的TVDI均以年變化速率為-2.5～0.0為主，但草地覆蓋區(qū)域的TVDI呈增加趨勢(shì)的面積明顯大于其他土地利用類型。林地的覆蓋區(qū)域的TVDI呈增加趨勢(shì)的像元占比為5.63%。從不同季節(jié)來看，春季、夏季的像元統(tǒng)計(jì)數(shù)除濕地外，與全年的較為相近，夏季在濕地區(qū)域主要以增加趨勢(shì)為主；秋季的草地覆蓋區(qū)域的TVDI以增加趨勢(shì)為主的像元數(shù)明顯多于全年的和其他三季的，但不同土地利用覆蓋區(qū)域的差異較大；冬季整個(gè)內(nèi)蒙古區(qū)域均以增加趨勢(shì)為主，即土壤水分明顯在減少，但不同土地利用類型的像元數(shù)的差異較大。冬季TVDI在草地、農(nóng)用地、建設(shè)用地和濕地覆蓋區(qū)域以減小為主，但在林地區(qū)域以顯著增加趨勢(shì)為主。

圖4 2001-2020年內(nèi)蒙古TVDI季節(jié)變化趨勢(shì)及不同土地利用類型TVDI變化趨勢(shì)

2.3 干旱變化的持續(xù)性分析

利用內(nèi)蒙古20 a的TVDI計(jì)算Hurst指數(shù)，獲得內(nèi)蒙古年際、各個(gè)季節(jié)變化持續(xù)性空間分布(圖5)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古TVDI未來變化趨勢(shì)具有Hurst現(xiàn)象。從全年來看，Hurst指數(shù)空間分布來看，Hurst均值為0.394 2，即未來一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)蒙古TVDI變化趨勢(shì)與2001—2020年的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為相反趨勢(shì)，結(jié)合前面趨勢(shì)分析結(jié)果表明未來一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)蒙古大部分區(qū)域的TVDI將呈增大趨勢(shì)。從不同季節(jié)來看，春季Hurst集中在0.5以下的像元占比為93.12%，結(jié)合趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古地區(qū)的TVDI在未來一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)持續(xù)增大，且這種增加趨勢(shì)較為明顯；夏季TVDI的Hurst均值為0.421 2，結(jié)合趨勢(shì)分析表明未來夏季TVDI在一段時(shí)間內(nèi)大部分像元數(shù)將呈增大趨勢(shì)，但增大趨勢(shì)不明顯，呈較小區(qū)域的零星分布在阿拉善盟地區(qū)；秋季的Hurst均值為0.455 2，大部分像元數(shù)的變化趨勢(shì)與過去20 a的變化趨勢(shì)相反，即未來一段時(shí)間秋季TVDI將呈減小趨勢(shì)，尤其在錫林郭勒盟以西的地區(qū)，表現(xiàn)為減小趨勢(shì)較為明顯；冬季的Hurst為0.487 9，未來一段時(shí)間的持續(xù)狀態(tài)與過去20 a在大面積上呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)，即大面積表現(xiàn)為變旱趨勢(shì)?？傮w而言，不同季節(jié)之間未來的變化趨勢(shì)均與過去的趨勢(shì)存在一定的關(guān)系。

統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)、不同土地利用覆蓋區(qū)域的Hurst指數(shù)均值發(fā)現(xiàn)(圖5)：全年、春季草地覆蓋區(qū)域的Hurst集中在0.3～0.4的區(qū)域占比較大，其次為夏季>秋季>冬季，即未來一段時(shí)間全年和春季的變旱程度較其他3個(gè)季節(jié)明顯。林地覆蓋區(qū)域Hurst<0.3的占比明顯高于草地，即未來一段時(shí)間的持續(xù)狀態(tài)與過去相反的趨勢(shì)較大，但秋季、冬季的與過去呈相反趨勢(shì)的強(qiáng)度明顯較春、夏、全年小很多。農(nóng)用地、建筑用地和濕地的Hurst指數(shù)在不同等級(jí)中的占比較為接近，秋冬兩季與過去呈相反狀態(tài)明顯小于春、夏和全年。

2.4 干旱對(duì)氣溫、降水、蒸散發(fā)變化的響應(yīng)格局

采用偏相關(guān)分析法對(duì)TVDI和不同季節(jié)降水、溫度和蒸散發(fā)量分析發(fā)現(xiàn)(圖6)：在控制氣溫的條件下TVDI與降水之間的關(guān)系為正負(fù)相關(guān)并存。就全年尺度來看，主要以負(fù)相關(guān)為主，即降水量增多，TVDI增加，僅在烏海市的最南部零星分布正相關(guān)關(guān)心的像元。春季TVDI與降水之間的關(guān)系以負(fù)相關(guān)為主(即降水量增加，TVDI降低)，占總面積的86.23%，相關(guān)系數(shù)主要集中在-0.6～0.0。TVDI與降水呈正相關(guān)關(guān)系的集中在烏海市、包頭市、烏蘭察布市和赤峰市，相關(guān)系數(shù)在0.1以上；夏季TVDI與降水的偏相關(guān)關(guān)系以負(fù)相關(guān)為主，即TVDI隨降水的增多而減小，尤其在內(nèi)蒙古高原地帶，相關(guān)性較高。在烏海市和通遼市零星分布有呈正相關(guān)的像元。秋季TVDI與降水主要以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主，尤其在興安盟和呼倫貝爾市，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.4以下，相關(guān)性極高，而在錫林郭勒盟以西的內(nèi)蒙古區(qū)其他市，降水與TVDI主要以正相關(guān)關(guān)系為主。冬季TVDI與降水呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)的占比分別為49.72%，50.28%，在內(nèi)蒙古高原和呼倫貝爾市林地覆蓋區(qū)域以極顯著正相關(guān)關(guān)系為主，但在阿拉善盟以西的地區(qū)，TVDI與降水主要與以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主。

圖5 2001-2020年內(nèi)蒙古不同季節(jié)Hurst指數(shù)空間分布及不同土地利用類型TVDI變化趨勢(shì)

在控制降水的條件下TVDI與氣溫之間的相關(guān)關(guān)系也為正負(fù)相關(guān)并存。全年氣溫與TVDI以負(fù)相關(guān)為主，即溫度升高，TVDI降低，空間差異較大。春季TVDI與氣溫以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主，即溫度升高會(huì)導(dǎo)致TVDI減小，但在阿拉善盟最西地區(qū)，以極顯著正相關(guān)關(guān)系為主；夏、秋季兩季TVDI與氣溫的相關(guān)性在空間分布上較為一致，主要以正相關(guān)關(guān)系為主，但在興安盟地區(qū)TVDI與氣溫表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。冬季TVDI與氣溫表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，正相關(guān)系數(shù)在0.2以上，相關(guān)性極高。

通過相關(guān)分析計(jì)算得到TVDI與蒸散發(fā)(ET)的空間分布，發(fā)現(xiàn)ET與TVDI在全年尺度主要以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主。春季ET與TVDI表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性極高；夏季TVDI與ET的相關(guān)性存在明顯的地帶性，從西南向東北相關(guān)性從正相關(guān)逐漸過渡為負(fù)相關(guān)，尤其在水資源較為豐富的興安盟地區(qū)的負(fù)相關(guān)關(guān)系較為顯著；秋季TVDI與ET的相關(guān)性在空間分布上表現(xiàn)較為一致；冬季TVDI與ET在大面積上表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，及ET的增加會(huì)導(dǎo)致內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱程度加大。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

隨著全球氣候變暖、蒸散發(fā)增強(qiáng)的內(nèi)蒙古的干旱化問題引起來廣泛關(guān)注。為了遏制生態(tài)環(huán)境惡化，自1998年起，目前我國已經(jīng)開展了一系列生態(tài)工程(如2000年的天然林保護(hù)工程、草原生態(tài)建設(shè)與保護(hù)工程、退耕還林還草、防風(fēng)固沙等多項(xiàng)工程改善內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境建設(shè)。在這一系列的工程實(shí)施下，內(nèi)蒙古的生態(tài)環(huán)境得到很好地改善，尤其是夏季的干旱程度明顯得到防治，明顯比未實(shí)施這一系列工程之前的干旱防治能力強(qiáng)很多[6]。但在實(shí)施水利工程、退耕還草政策實(shí)行之初，沒有考慮到地區(qū)的氣候、水文等自然因素，土地利用面積的大幅度變化使內(nèi)蒙古部分地區(qū)土壤蒸發(fā)量加大，從而造成土地干旱程度增加，土壤干燥化現(xiàn)象受到普遍關(guān)注。本文通過研究2001—2020年內(nèi)蒙古干旱，發(fā)現(xiàn)近20 a整體表現(xiàn)為干旱減輕趨，呈現(xiàn)出西部主要以增加趨勢(shì)(主要分布在阿拉善盟中部)，東部地區(qū)TVDI以減少速率為主，這一結(jié)論與程偉等[17]研究結(jié)果一致，但與那音太[7]基于SPI指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古東部和中部干旱程度增加，西部干旱程度減小的結(jié)論存在矛盾。究其原因一方面可能是因?yàn)槭褂玫牟煌珊翟u(píng)價(jià)指標(biāo)、同一指標(biāo)的干旱等級(jí)劃分依據(jù)和研究的時(shí)間段不同導(dǎo)致結(jié)論相反，如那音太[7]選擇的是以氣象站點(diǎn)資料的SPEI指數(shù)分析內(nèi)蒙古的干旱時(shí)空特征，可能存在難以精確描述大區(qū)域尺度或氣象站點(diǎn)很少的區(qū)域的干旱情況，而本研究使用的TVDI指數(shù)評(píng)估干旱程度是基于植被覆蓋度和地表溫度建立的指標(biāo)，因此使結(jié)果存在差異。因此，不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)內(nèi)蒙古干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果存在差異，如本文的TVDI指數(shù)只考慮到了植被覆蓋度和地表溫度兩個(gè)因素，其他如局部地形因子、土壤條件和不同土地利用覆蓋(如城鎮(zhèn)用地存在不能保持水分，NDVI指數(shù)偏低，進(jìn)而導(dǎo)致TVDI值偏高的問題)等影響干旱狀況發(fā)生的因子沒有考慮。而SPEI指數(shù)是基于氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)建立，沒有考慮到地表溫度和植被覆蓋情況。因此，在后期的研究中，因綜合分析水文干旱指標(biāo)、農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)和土壤干旱指標(biāo)與TVDI的關(guān)系，并針對(duì)不同的土地利用類型選擇合適的指標(biāo)監(jiān)測(cè)干旱程度。

圖6 2001-2020年內(nèi)蒙古TVDI與氣溫、降水、ET偏相關(guān)系數(shù)空間分布

本研究發(fā)現(xiàn)2003年、2010年內(nèi)蒙古出現(xiàn)大面積的干旱加重，據(jù)報(bào)道2010年夏季內(nèi)蒙古降水量為1961年以來最少、氣溫為1961年以來最高，異常的高溫少雨使內(nèi)蒙古出現(xiàn)大面積的干旱，這一報(bào)道為本文研究提供了支持[26]。

但在未來一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)蒙古干旱將以增加趨勢(shì)變化，未來一段時(shí)間內(nèi)阿拉善盟部分區(qū)域的干旱程度有所緩解。蒸散發(fā)與TVDI從年尺度看，以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主，但不同季節(jié)差異性較大。春季和冬季ET與TVDI表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系；夏季TVDI與ET從西南向東北相關(guān)性從正相關(guān)逐漸過渡為負(fù)相關(guān)，尤其在水資源較為豐富的興安盟地區(qū)的負(fù)相關(guān)關(guān)系較為顯著；秋季TVDI與ET的相關(guān)性在空間分布上表現(xiàn)較為一致，以負(fù)相關(guān)為主。春冬季節(jié)ET與TVDI呈顯著正相關(guān)關(guān)系，究其原因可能一方面是因?yàn)樵诖憾竟?jié)內(nèi)蒙古地區(qū)降水較少，地表水源涵養(yǎng)量較少，較大的蒸發(fā)會(huì)使地表干旱程度進(jìn)一部加大。另一方面可能是因?yàn)閮?nèi)蒙古位于東亞夏季風(fēng)影響區(qū)域邊緣，其東南部降水量嚴(yán)重受到夏季風(fēng)的制約，有研究[27]表明自20世紀(jì)70年代以來，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度總體表現(xiàn)為顯著減弱趨勢(shì)，導(dǎo)致內(nèi)蒙古、南部干旱呈不顯著增加趨勢(shì)；也可能是因?yàn)槿驓夂蜃兣?，?dǎo)致植被蒸騰作用加快，蒸散發(fā)增加，使土壤水分減少，抑制了植被(尤其是草地)的生長，使草地退化現(xiàn)象出現(xiàn)導(dǎo)致干旱程度加深。

3.2 結(jié) 論

(1) TVDI整體呈現(xiàn)出以呼倫貝爾市的TVDI值較小，基本集中在0.57以下，屬輕旱等級(jí)，阿拉善盟和烏海市的TVDI基本在0.86以上，屬特旱等級(jí)。

(2) TVDI以每年0.000 9的速率不顯著變小。春季81.76%的面積上TVDI呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，減小速率為每年0.5～2.5，夏季TVDI變化趨勢(shì)以顯著減小趨勢(shì)為主；秋季58.99%的像元上表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；冬季TVDI大部分像元上表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

(3) 內(nèi)蒙古未來一段時(shí)間內(nèi)TVDI可能呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。春、夏兩季未來一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)蒙古大部分區(qū)域的TVDI將呈增加趨勢(shì)，秋季未來一段時(shí)間內(nèi)TVDI將呈減小趨勢(shì)，未來一段時(shí)間冬季TVDI將呈增加趨勢(shì)。

(4) TVDI與降水和氣溫以負(fù)相關(guān)為主，即降水量增多、氣溫上升，TVDI減小。春、夏、秋季TVDI與降水以負(fù)相關(guān)為主，冬季TVDI與降水、氣溫以正相關(guān)為主。ET與TVDI的相關(guān)性存在顯著的季節(jié)差異，春、冬季ET與TVDI表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，夏季TVDI與ET從西南向東北相關(guān)性從正相關(guān)逐漸過渡為負(fù)相關(guān)，尤其在水資源較為豐富的興安盟地區(qū)的負(fù)相關(guān)關(guān)系較為顯著；秋季TVDI與ET的相關(guān)性在空間分布上表現(xiàn)較為一致，以負(fù)相關(guān)為主。