內(nèi)蒙古西部沙區(qū)氣候變化及其植被響應(yīng)

王維坤，胡月宏，田松妮，劉東偉，2，3*

（1.內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2.蒙古高原生態(tài)學與資源利用教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)河流與湖泊生態(tài)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

氣候變化威脅著全世界多數(shù)地區(qū)人類社會的福祉[1]，成為人們?nèi)找骊P(guān)注的重點問題。全球變暖被越來越多的人認同，氣候變化已由科學問題轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢珊雎缘纳鐣栴}[2]。IPCC 第五次評估報告指出全球增溫趨勢明顯[3]，發(fā)現(xiàn)近百年增溫已有0.85 ℃，高于第一次報告中的0.45 ℃。全球發(fā)生熱浪、極端高溫的頻率可能會增加[4]。同時，中國近些年來氣溫增加趨勢顯著[5]，西部地區(qū)變暖程度尤為顯著[6]，西北干旱區(qū)極端高溫也呈增加趨勢[7]。有研究表明，過去50 a 內(nèi)全國降水呈輕微增加趨勢[8]，在西北地區(qū)降水也呈增加趨勢[8]。通過對內(nèi)蒙古降水類型的分析得出，春季降水在內(nèi)蒙古東部偏多[9]。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）可以有效反映植被的動態(tài)變化[10]。1982—1999 年間全國范圍內(nèi)NDVI有顯著的增加趨勢[11]，2001—2018 年西北地區(qū)植被生長整體向好轉(zhuǎn)，但空間差異明顯[11]。新疆NDVI表現(xiàn)出北疆大于南疆、山區(qū)大于平原，也體現(xiàn)出空間差異[12]。氣候變化對近40 a 植被指數(shù)的增加產(chǎn)生了重要的影響[12]。多數(shù)研究氣候因子對NDVI的影響得出[13-15]，降水與NDVI大部分呈正相關(guān)。而對于氣溫與NDVI相關(guān)性的研究中，李芳等[14]認為沙漠植被受到氣溫升高影響，其生長季NDVI增加，呈現(xiàn)正相關(guān)。陳燕麗等[16]則認為在其研究區(qū)內(nèi)，NDVI與氣溫呈負相關(guān)，孟丹等[17]通過研究京津冀地區(qū)也得到同樣的結(jié)果?？梢?，植被響應(yīng)在不同區(qū)域內(nèi)存在顯著差異。

內(nèi)蒙古西部沙區(qū)是我國的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，對氣候變化的響應(yīng)敏感，即便是微弱的氣候變化，也可對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[17]。本研究利用格點化的中國區(qū)域逐日觀測資料（CN05.1）和中國1 km植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集，通過計算分析氣候、植被變化特征以及其相關(guān)性，以期揭示內(nèi)蒙古西部沙區(qū)氣候植被變化規(guī)律及其之間的關(guān)系，為內(nèi)蒙古西部沙區(qū)應(yīng)對氣候及其可持續(xù)發(fā)展政策的制定提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古西部的沙漠和沙地較集中的分布在阿拉善盟、烏海市、巴彥淖爾市和鄂爾多斯市四盟市。本研究中的內(nèi)蒙古西部沙區(qū)即以上四盟市的分布范圍，總面積約為42×104km2，約占整個內(nèi)蒙古自治區(qū)的1/3（圖1）。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)氣候干旱，屬于典型的大陸性氣候，四季氣候特征明顯，晝夜溫差大。年均氣溫5.8～7.9 ℃，年均降水量170.3～280.3 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)主要利用格點化的中國區(qū)域逐日觀測資料（CN05.1）以及位于研究區(qū)內(nèi)23 個氣象站點觀測數(shù)據(jù)。CN05.1 是由吳佳等[18]使用國家氣象信息中心2 400 余個國家級臺站，通過插值建立的一套分辨率為0.25°×0.25°的逐日觀測數(shù)據(jù)，時間序列為1961—2018 年，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)氣象站點偏少，利用CN05.1 格點化觀測數(shù)據(jù)可以較好體現(xiàn)研究區(qū)的氣候變化特征，且數(shù)據(jù)集已應(yīng)用于水文氣象模擬中[19]。研究選取時間序列為1969—2018 年，主要包括月平均氣溫和月降水量，研究區(qū)氣象站點分布見圖1。NDVI數(shù)據(jù)利用年度以及生長季中國1 km 植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理科學與資源研究所[20]，時間序列為1998—2018 年。

圖1 內(nèi)蒙古西部沙區(qū)及氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 一元線性擬合法xi代表氣象要素，本研究中為氣溫和降水量。ti為時間，構(gòu)建xi和ti之間的一元線性回歸方程。

式中，b為常數(shù)，a為回歸系數(shù)。通常以回歸系數(shù)的10 倍作為氣候傾向率[21]。

1.3.2 Mann-Kendall 突變檢驗

Mann-Kendall 突變檢驗作為一種非參數(shù)檢驗，其檢驗結(jié)果與過程不會受到個別異常值的干擾。MK突變檢驗被廣泛用于降水、溫度、蒸發(fā)等氣象因素的長時間序列[22]。通常利用以下公式計算統(tǒng)計量Z值：

其中，

式中，xj和xi為時間序列數(shù)據(jù)，n為數(shù)據(jù)個數(shù)。當Z的絕對值＞1.65 時，表示趨勢通過了90%的置信水平檢驗，即變化趨勢顯著。

1.3.3 Theil-Sen 線性趨勢

利用Sen 趨勢分析研究區(qū)氣候因子空間變化規(guī)律。這種方法對離散數(shù)據(jù)以及測量誤差不敏感，常被用于長時間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析[23]。

式中，xj和xi為氣候因素，j和i為時間，當β＞0 時，則表示氣候因素呈增長趨勢；當β＜0 表示氣候因素呈減少趨勢。

1.3.4 偏相關(guān)分析

偏相關(guān)分析公式如下：

式中，rab,c為控制變量c，a與b的偏相關(guān)系數(shù)，rab、rac、rbc為兩因子之間的相關(guān)系數(shù)，a為NDVI值，b、c為氣候因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際氣候時空變化特征

1969—2018年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)的年均氣溫降水趨勢及突變檢驗見圖2。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年均氣溫呈現(xiàn)出顯著增溫趨勢（p＜0.05）（圖2a）。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年均氣溫為7.5 ℃，年均氣溫線性傾向率為0.447 ℃·（10 a）-1。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)平均氣溫整體波動不大，在1987、1998 年出現(xiàn)較為明顯的波峰，在1983、2012 年出現(xiàn)波谷。1998—2018 年平均氣溫為8.2 ℃，這21 a 平均氣溫高于50 a 平均氣溫。在1998 年溫度達到最高，為8.9 ℃，21 a 間最低溫度為7.3 ℃，出現(xiàn)在2012 年。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年降水量總體呈上升趨勢（p=0.292）（圖2b）。50 a 內(nèi)年均降水為234 mm，降水傾向率為4.533 mm·（10 a）-1。其中，1998—2018 年降水量在2012 年最多，為333 mm，在2005 年最少，為158 mm。21 a 平均降水239 mm，降水量波動多幅度小。

圖2c 為氣溫MK 突變檢驗曲線，在顯著水平0.05 下，Ua=±1.96。在UF曲線中，1973 年以后該地區(qū)平均氣溫有增加趨勢，在1989 年左右這種趨勢超過了顯著性水平，即在1998—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)氣溫上升十分顯著。UF和UB在1990 年左右有一個位于置信區(qū)間外交點，說明內(nèi)蒙古西部沙區(qū)的氣溫發(fā)生顯著突變。由圖2d 可知，UF曲線在1971—1976 年為負，即降水在此時段有減少趨勢。而在1971 年之前以及1976 年之后UF曲線均為正值，尤其在1998 年之后UF曲線均為正，降水在這個時間段是增加的。但UF曲線在研究時段均＜0.05顯著性水平，變化不顯著。UF和UB曲線約有3 個交點位于置信區(qū)間內(nèi)，分別在1976、1979、2017 年左右，即發(fā)生突變，但由于交點未超過顯著水平，故突變不顯著。

圖2 1969—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年均氣溫（a）、降水（b）趨勢及氣溫（c）、降水（d）突變檢驗

為了更加直觀研究氣候因子空間變化特征，對氣溫降水進行逐像元分析，空間分布見圖3。內(nèi)蒙古西部沙區(qū)四個盟市年際氣溫均有增加趨勢，空間異質(zhì)性明顯（圖3a）。其中，巴彥淖爾市氣溫傾向率＞0.547 ℃·（10 a）-1，是四個盟市中氣溫增長最快的一個。鄂爾多斯北部、烏海及阿拉善東南部氣溫傾向率＞0.524 ℃·（10 a）-1。阿拉善中部及鄂爾多斯部分在0.476～0.503 ℃·（10 a）-1。鄂爾多斯東南部和阿拉善小部分區(qū)域氣溫增長率最低，為0.423 ℃·（10 a）-1。

由圖3b 可知，研究區(qū)內(nèi)降水空間異質(zhì)性明顯。50 a 來降水量大部分呈增長趨勢，僅在巴彥淖爾市中部、鄂爾多斯西北部分以及阿拉善小部分地區(qū)呈下降趨勢，傾向率最低為-1.278 mm·（10 a）-1。在阿拉善大部分地區(qū)、巴彥淖爾部分降水傾向率在0.690～2.531 mm·（10 a）-1，屬于降水增加不明顯地區(qū)。而在鄂爾多斯東南部以及阿拉善中南部降水傾向率＞2.531 mm·（10 a）-1，最高可達6.201 mm·（10 a）-1，是研究區(qū)內(nèi)降水增加最為明顯的區(qū)域。

圖3 1969—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年際氣溫（a）、降水（b）傾向率空間分布

2.2 年際NDVI 時空變化特征

1998—2018年研究區(qū)年際NDVI變化趨勢、空間分布及突變檢驗見圖4。研究區(qū)21 aNDVI總體呈顯著增加趨勢（p＜0.05）（圖4a）。NDVI在2012 年達到最大值，為0.211，在2001 年最小，為0.146，平均值為0.169，其變化率為0.01·（10 a）-1。對1998—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)NDVI數(shù)據(jù)進行逐像元分析，由圖4b 可知研究區(qū)內(nèi)NDVI大部分呈減少趨勢，NDVI變化率為正的像元占總體的37.29%，主要分布在研究區(qū)東南部即鄂爾多斯、巴彥淖爾東南以及阿拉善部分區(qū)域。NDVI變化率為負的像元占總面積的51.49%，分布在阿拉善大部分地區(qū)以及巴彥淖爾西北部。

對已得出的NDVI線性趨勢圖進行MK 檢驗，得出圖4c。NDVI在研究區(qū)西部大致呈現(xiàn)顯著減少，顯著減少占比28.81%。中部變化不顯著，其占比48.38%，其中增加不顯著占20.94%，減少不顯著占27.44%。研究區(qū)NDVI顯著增加占比為22.81%，分布在研究區(qū)東部，尤其在東南部顯著增加，以及阿拉善中部、東南部NDVI存在部分顯著增加。綜上可得，NDVI變化規(guī)律由西到東大致為顯著減少到不顯著變化再到顯著增加，這與降水變化空間分布一致。

圖4 1998—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年際NDVI 變化趨勢（a）、空間分布（b）及突變檢驗（c）

2.3 生長季氣候變化與NDVI 相關(guān)性

生長季數(shù)據(jù)選取3—11 月（春、夏、秋三季），1998—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)生長季平均NDVI與氣溫降水趨勢見圖5a 和5b。21 a 生長季NDVI平均上升趨勢顯著（p＜0.05），增長率為0.03·（10 a）-1，在2018 年NDVI值達到最高，為0.299，1999 年最低，為0.195，平均值為0.233。生長季降水呈增加趨勢（p=0.183），降水傾向率為19.702 mm·（10 a）-1，在2012 年降水量最多，為296 mm，2005 年最少，為146 mm。生長季氣溫呈增加趨勢（p=0.169），氣溫傾向率為0.193 ℃·（10 a）-1，在2018 年氣溫最高達14.4 ℃，在2003 年氣溫最低為13.1 ℃。

圖5 1998—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)生長季NDVI 與降水氣溫趨勢及相關(guān)性（a、c 為降水，b、d 為氣溫）

對NDVI分別與氣溫、降水進行一元線性擬合，得出圖5c、5d。NDVI隨著降水的增加而顯著增加（p＜0.05），隨著氣溫增加而增加（p=0.091）。生長季NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為0.598，相關(guān)性顯著，與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.379。在研究區(qū)內(nèi)NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)大于與氣溫的相關(guān)系數(shù)，即生長季降水對NDVI的影響大于氣溫對NDVI的影響。

對研究區(qū)1998—2018 年生長季的NDVI與氣溫降水進行逐像元分析，進一步對相關(guān)性進行顯著性檢驗。NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)分布在-0.780～0.813，平均值為0.056（圖6a）。其中正相關(guān)分布區(qū)域占總面積的55.35%，負相關(guān)分布區(qū)域占44.96%。降水與NDVI顯著偏相關(guān)（p＜0.05）占總面積的50.62%（圖6c）。其中通過顯著性檢驗（p＜0.05）的正相關(guān)占比27.78%，主要分布在鄂爾多斯、巴彥淖爾大部分以及阿拉善東部，通過顯著性檢驗（p＜0.05）的負相關(guān)占比22.84%，分布在阿拉善的西部。由圖6b 可知，NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為-0.602～0.536，平均值為-0.081。其中正相關(guān)分布區(qū)域占比33.33%，負相關(guān)區(qū)域占比66.67%。由圖6d 可知，氣溫與NDVI偏相關(guān)通過顯著性檢驗（p＜0.05）占總面積比重為4.48%。其中正相關(guān)占比僅為1.39%，散落分布在阿拉善東南部、巴彥淖爾中部以及鄂爾多斯中南部。負相關(guān)占比3.09%，集中分布在阿拉善中部及周邊地區(qū)，巴彥淖爾也有少量分布。

圖6 1998—2018 年內(nèi)蒙古西部沙區(qū)生長季NDVI與氣候因子偏相關(guān)及顯著性檢驗（a、c 為降水，b、d 為氣溫）

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

內(nèi)蒙古西部沙區(qū)氣候呈現(xiàn)暖濕型，與陳陽等[24]得出暖干、暖濕型關(guān)系在內(nèi)蒙古西部出現(xiàn)一致。氣溫在1990 年左右發(fā)生一次顯著突變，與周瑩等[25]得出的內(nèi)蒙古氣溫在1981—1993 年發(fā)生突變一致。氣候變暖會導致干旱問題凸顯，干旱是全球關(guān)注的一個嚴重生態(tài)問題，它會對作物產(chǎn)生不良影響[26]，氣候變暖還會對植物多樣性造成影響[27]。人類活動通過改變大氣和地表特性破壞地球能量平衡，是導致氣候重大變化的原因之一[28]。同時，氣溶膠通過吸收太陽輻射而加熱大氣，增加云滴蒸發(fā)，成為氣候變暖的重要因子之一[29]。在沙漠環(huán)境中氣候變化會影響生態(tài)環(huán)境和人類健康，有研究通過分析沙漠生態(tài)系統(tǒng)，建立DECON 解決了過去觀測技術(shù)過時以及觀測數(shù)據(jù)不足的問題[30]。及時分析氣候變化特征，可以為氣候變化敏感區(qū)提供應(yīng)對策略。為更好了解沙漠氣象，研究沙漠環(huán)境中沙塵暴顆粒大小及沉積物通量的垂直分布特征具有十分重要意義[30]。本文對研究區(qū)50 a氣候因子變化特征做出詳細分析，但其變化的原因及影響還需進一步探索。

內(nèi)蒙古西部沙區(qū)年際NDVI呈現(xiàn)顯著增加趨勢與郭金停等[30]對2000—2015 年內(nèi)蒙古NDVI變化研究結(jié)論一致。年際變化主要在鄂爾多斯、巴彥淖爾東南部分以及阿拉善局部呈現(xiàn)增長趨勢，其中鄂爾多斯NDVI呈增長趨勢與郭金停[30]、李曉光等[31]研究結(jié)論一致，這些區(qū)域NDVI的改善與降水傾向率增加的區(qū)域基本一致。NDVI的增加除了得益于降水的增加，還有諸多人為因素，比如鄂爾多斯加強生態(tài)建設(shè)，大量的植樹造林，使得NDVI呈現(xiàn)顯著增加趨勢。也有學者通過研究豫西山脈發(fā)現(xiàn)NDVI會受到坡度的影響且與坡向無關(guān)[29]。探索NDVI變化趨勢，對減少研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性具有重要意義，進一步可制定響應(yīng)對策來減少荒漠化的增加。

內(nèi)蒙古西部沙區(qū)生長季氣溫、降水與NDVI都呈正相關(guān)，且降水對NDVI的影響大于氣溫對NDVI的影響。NDVI增長主要受到降水的影響，而分布在阿拉善西部NDVI減少的原因可能是人類活動。有研究得出[32]，人類活動對咸海盆地多年生長季的NDVI變化影響顯著。馬格[33]通過研究鄂爾多斯市NDVI變化的影響因子，得出2000 年初NDVI受到自然因素的影響大于人為因素，而到了2005 年人為因素的影響則大于自然因素。這說明，對NDVI影響的研究除了需通過對氣候因子分析，還應(yīng)分析人為因素。研究區(qū)內(nèi)開展人工植樹造林等一些生態(tài)保護工作，植被狀況得到改善。說明內(nèi)蒙古西部沙區(qū)植被變化除了一定程度上受到氣候變化的影響，人類活動也對NDVI的變化起著不可忽略的作用。本研究僅在氣候因素方面探究了其對NDVI的偏相關(guān)性，沒有考慮人為因素，人類活動對NDVI的影響還需進一步研究探索。

3.2 結(jié)論

利用內(nèi)蒙古西部沙區(qū)1969—2018 年格點化的中國區(qū)域逐日觀測資料（CN05.1）以及23 個氣象站的氣溫降水數(shù)據(jù)，得出50 a 平均氣溫降水時空變化特征。利用年際中國1 km 植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集得出21 aNDVI時空變化特征。最后利用格點化的中國區(qū)域逐日觀測資料（CN05.1）和生長季中國1 km 植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集計算偏相關(guān)系數(shù)，得出氣候因子對NDVI的影響。

（1）內(nèi)蒙古西部沙區(qū)50 a 年際平均氣溫以0.447 ℃·（10 a）-1的傾向率顯著增加（p＜0.05），1990年左右發(fā)生一次顯著突變，增溫在1989 年之后變得十分顯著。年際平均降水以4.533 mm·（10 a）-1的傾向率增加（p=0.292），發(fā)生三次突變，分別在1976、1979、2017 年左右。氣溫、降水變化空間異質(zhì)性明顯，整個研究區(qū)內(nèi)氣溫均呈增長趨勢，其中巴彥淖爾、阿拉善東南部增長速率最高，降水量大部分呈增長趨勢。因此，在時空分布上向暖濕型變化。

（2）內(nèi)蒙古西部沙區(qū)21 aNDVI以0.01·（10 a）-1的速率顯著增加（p＜0.05）。巴彥淖爾南部、鄂爾多斯以及阿拉善東南部NDVI增加最為顯著。NDVI變化由西部到東部大致呈“顯著減少—不顯著變化顯著增加”的分布趨勢，與降水一致。NDVI在時間分布上顯著向好發(fā)展，空間分布上東南部顯著向好發(fā)展，NDVI總體向好發(fā)展。

（3）內(nèi)蒙古西部沙區(qū)21 a 生長季NDVI以0.03（10 a）-1的速率顯著增加（p＜0.05）。NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)（0.598）大于與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)（0.379）?？臻g分布上，NDVI與降水顯著正相關(guān)（p＜0.05）占比27.78%，大于負相關(guān)占比22.84%。其中，正相關(guān)主要分布在鄂爾多斯、巴彥淖爾大部分以及阿拉善東部，說明這些區(qū)域NDVI增長主要受到降水增加的影響。NDVI與氣溫的顯著偏相關(guān)（p＜0.05）占比不到5%，氣溫對NDVI影響不大。降水在時空分布上對NDVI的影響大于氣溫對NDVI的影響。