內蒙古生態(tài)屏障區(qū)植被覆蓋變化及降水、氣溫對其的影響1)

胡屾 胡娟娟 鄭曄施 康樂 毛學剛

(國家林業(yè)和草原局華東調查規(guī)劃院,杭州,310001) (東北林業(yè)大學)

植被是覆蓋地表的植物群落的總稱,如喬木、灌木、竹林、草地等,它具備凈化大氣、涵養(yǎng)水源、調節(jié)氣候、水土保持等作用[1]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,既是全球氣候變化的承擔者、反饋者,也是評估荒漠化、植物生長狀況的最有效指標[2-4]。通過植被覆蓋度可以有效監(jiān)測地表植被狀況的變化[5],從而對陸地植被質量和植被群落生長進行評價[6]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,氣候是決定地球植被類型和分布的主要驅動因素。同時,植被也是該地區(qū)氣候特征的反應和表征,兩者之間有著密不可分的聯(lián)系[7]。因此,植被與氣候之間的互相作用關系對于研究氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的關系具有重要的現(xiàn)實意義,現(xiàn)在已成為全球變化研究的主要內容之一[8]。

植被覆蓋度獲取方式主要包括地面測量、遙感監(jiān)測以及兩者的結合[9-10]。近年來,遙感監(jiān)測技術在各個領域已經得到了廣泛的應用,也為眾多學者在植被覆蓋度的監(jiān)測方面提供了巨大的幫助。目前已經定義了40余種植被指數(shù)類型,如垂直植被指數(shù)(PVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、土壤調節(jié)植被指數(shù)(SAVI)等[11]。目前應用最廣泛的一種植被指數(shù)是歸一化植被指數(shù)(NDVI),也被稱為標準化植被指數(shù)。歸一化植被指數(shù)通過測量近紅外(植被強烈反射)與紅光(植被吸收)之間的差異來量化植被,從而反映植物量、植被覆蓋及生長活力等[12]。近年來,國內外有大量學者利用歸一化植被指數(shù)的數(shù)據開展了一系列研究,主要集中于3個方面:①通過時間序列分析歸一化植被指數(shù)的變化規(guī)律[13-14];②通過分析氣象因子對歸一化植被指數(shù)的影響[15-16];③通過分析土地利用類型對歸一化植被指數(shù)的影響[17-18]。Md et al.[19]通過研究孟加拉國巴爾古納地區(qū)1990—2017年歸一化植被指數(shù)和土地覆蓋數(shù)據中紅樹林植被變化,研究結果表明,紅樹林植被覆蓋率有先升高再降低再升高的過程,并且最后一次升高是機構為了保護紅樹林而種植。楊艷萍等[20]利用2000—2018年的歸一化植被指數(shù)數(shù)據,研究了廣西植被歸一化植被指數(shù)時空變化特征,并分析了不同土地利用類型時,歸一化植被指數(shù)與氣候因子的關系,結果表明,2000—2018年廣西植被歸一化植被指數(shù)呈增加趨勢,氣溫、降水量對植被歸一化植被指數(shù)產生正向影響;不同土地利用類型時,氣候對植被歸一化植被指數(shù)的影響是不同的。潘耀等[21]對青藏高原腹地的黃河源地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題進行研究,認為生境質量和歸一化植被指數(shù)總體空間分布一致,而且歸一化植被指數(shù)的變化主導著區(qū)域生境質量的變化。Esau et al.[22]通過分析2000—2014年間28個城市及周邊歸一化植被指數(shù)變化趨勢,研究表明城市化破壞了發(fā)達地區(qū)及其周圍5～10 km的植被覆蓋,新開發(fā)地區(qū)歸一化植被指數(shù)減少的幅度最大,而舊地區(qū)的植被覆蓋率有所恢復,并在逐漸加快。

由于內蒙古自治區(qū)幅員遼闊,地跨華北、東北、西北三區(qū),植被覆蓋類型豐富,四季分明,并且沙漠、草原、森林都具有重要的科研價值,隨著全球氣候的變化,內蒙古地區(qū)的降水量、氣溫等受到影響。因此,對研究區(qū)近幾年的植被進行長時間序列的時空分析具有重要的意義,可以為氣象、農業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)的研究提供一定的基礎和思路。本研究以內蒙古自治區(qū)為研究區(qū),利用2010—2019年SPOT-VGT歸一化植被指數(shù)數(shù)據、CRU TS氣候數(shù)據集、GlobeLand30(30 m全球地表覆蓋數(shù)據)地表覆蓋數(shù)據,采用斜率分析法、相關分析法,分析10 a來植被覆蓋的年際變化及其與降水量、氣溫的相關性。

1 研究區(qū)概況

內蒙古自治區(qū)位于中國的北部邊疆(地理坐標:東經97°12′～126°4′、北緯37°24′～53°23′),由東北向西南斜伸,呈狹長形,東西長約2 400 km,南北最大跨度1 700多km,是中國北方重要生態(tài)屏障。內蒙古自治區(qū)總面積為118.3萬km2,占中國土地面積的12.3%。地貌以高原為主,大部分地區(qū)海拔在1 000 m以上,氣候以溫帶大陸性氣候為主,夏季氣溫在25 ℃左右,冬季中西部最低氣溫低于-20 ℃,東部林區(qū)最低氣溫低于-50 ℃。其植被類型主要有針葉林、落葉闊葉林、草原、荒漠植被等,其中以草原植被為主要植被類型。東部的大興安嶺擁有豐富的森林植物及草甸、沼澤與水生植物。中部的陰山山脈及西部的賀蘭山不但兼有森林和草原植物,而且還有草甸、沼澤植物。廣大的高平原和平原地區(qū)則以草原與荒漠旱生型植物為主,只含有少數(shù)的草甸植物與鹽生植物[23]。內蒙古自治區(qū)地域遼闊,土壤種類較多,土壤帶基本呈東北-西南方向排列,最東為黑土壤地帶,最西為風沙土地帶和灰棕漠土地帶。其中黑土壤的自然肥力最高,結構和水分條件良好,易于耕作,適宜發(fā)展農業(yè)[24]。

2 研究方法

本研究采用植被的歸一化植被指數(shù)數(shù)據表征植被覆蓋,歸一化植被指數(shù)采用的是SPOT-VGT歸一化植被指數(shù)數(shù)據產品,空間分辨率為1 km,時間序列為2010—2019年。該數(shù)據產品采用紅色、近紅外、短波紅外、藍色4個波段,預處理包括大氣校正、幾何校正、輻射校正等方法。該數(shù)據是在旬數(shù)據基礎上采用最大值合成法,生成中國地區(qū)月度的歸一化植被指數(shù)數(shù)據,其目的是減少大氣、太陽高度角、云層遮擋等影響。該數(shù)據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據中心(https://www.resdc.cn)。本研究采用均值法對各月數(shù)據集進行處理,獲得歸一化植被指數(shù)的多年月平均、季平均、年平均數(shù)據集。氣象數(shù)據(氣溫、降水量)來源于英國國家大氣科學中心(NCAS)制作的CRU TS氣候數(shù)據集,時間序列為2010—2019年。地表覆蓋數(shù)據通過全球30 m地表覆蓋(GlobeLand30)數(shù)據集(www.webmap.cn)獲取,采用國際地圈生物圈計劃(IGBP)土地覆蓋定義的17類,包括11類自然植被分類、3類土地利用和土地鑲嵌以及3類無植生土地分類繪制。本研究根據土地覆蓋類型進行統(tǒng)一整理和截取,將研究區(qū)劃分為耕地、林地、草地3類。以上數(shù)據集均通過格式轉換、掩膜提取、剪裁等預處理,最終制作成內蒙古自治區(qū)的歸一化植被指數(shù)、氣候、土地利用數(shù)據集。

植被覆蓋分區(qū):采用等間距重分類方法,將研究區(qū)內年最大歸一化植被指數(shù)劃分為6個等級,進行植被覆蓋時空變化研究(表1)[25]。

表1 植被覆蓋分區(qū)及分類標準

植被覆蓋趨勢分析:本研究利用趨勢分析(一元線性回歸),分析2010—2019年研究區(qū)植被的歸一化植被指數(shù)變化趨勢(公式1)。為準確分析研究區(qū)內植被變化狀況,參考已有研究[26-28],將Slope值分為5個等級[29](表2)。

表2 趨勢分析(一元線性回歸)的植被覆蓋變化分類標準

(1)

式中:趨勢分析(一元線性回歸)為歸一化植被指數(shù)的變化趨勢;xk為第k年歸一化植被指數(shù)的平均值;k為研究時間段內的年數(shù)(1～n);Slope>0表示植被覆蓋呈增加趨勢,Slope<0表示植被覆蓋呈減少趨勢,Slope=0則表示植被覆蓋并無明顯變化。

相關分析、偏相關分析:本研究采用Pearson相關分析(公式2),對像元歸一化植被指數(shù)與氣候因子(氣溫、降水量)進行單氣候因子相關性分析。若R>0,則表示兩者呈正相關;若R<0則表示兩者呈負相關;若R=0,則表示兩者不存在線性相關關系。

(2)

不考慮未利用要素的影響,單獨研究兩要素之間相關程度的方法為偏相關分析(公式3),可以控制未利用氣候因子,分別研究歸一化植被指數(shù)與降水量、氣溫的偏相關系數(shù)。

(3)

式中:Rxyz為固定變量z后,變量x與變量y偏相關系數(shù),其取值范圍為[-1,1],Rxyz>0表明兩個變量呈正相關,Rxyz<0表明兩個變量呈負相關,Rxyz=0表明兩個變量不存在線性相關性。

3 結果與分析

3.1 植被歸一化植被指數(shù)的時間變化

10 a來,研究區(qū)植被歸一化植被指數(shù)的年平均值變化整體呈上升趨勢(圖1),時間上大致分為4個階段,第一階段為快速上升期(2010—2012年),增長率為11.0%;第二階段為緩慢下降期(2012—2016年),下降率為9.7%;第三階段為快速上升期(2016—2018年),增長率為10.5%;第四階段為快速下降期(2018年),下降率為6.1%。

圖1 研究區(qū)植被的歸一化植被指數(shù)平均值年級變化趨勢

3.2 植被歸一化植被指數(shù)的空間分布

研究區(qū)植被歸一化植被指數(shù)空間分布差異明顯,其整體呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征(圖2)。植被的歸一化植被指數(shù)高值區(qū)主要分布在呼倫貝爾市、興安盟、通遼市,其中呼倫貝爾市的歸一化植被指數(shù)值最高(0.793,表3)。歸一化植被指數(shù)低值區(qū)主要分布在阿拉善盟、烏海市、巴彥淖爾市,該區(qū)域分布三大沙漠,植被覆蓋率低,因此歸一化植被指數(shù)值相對較低,其中阿拉善盟歸一化植被指數(shù)值最低(0.096)。由于歸一化植被指數(shù)主要集中在[0,0.2]、(0.8,1.0]這2個區(qū)間內,所以將其劃分為[0,0.2]、(0.2,0.5]、(0.5,0.8]、(0.8,1.0]這4個范圍,其中[0,0.2]占研究區(qū)面積的25.64%,(0.2,0.5]占研究區(qū)面積的25.42%,(0.5,0.8]占研究區(qū)面積的29.14%,(0.8,1.0]占研究區(qū)面積的19.8%(圖3)。

圖2 研究區(qū)植被的歸一化植被指數(shù)空間分布

圖3 年度歸一化植被指數(shù)的趨勢分析(一元線性回歸)空間分布

表3 2010—2019年研究區(qū)各地市的歸一化植被指數(shù)

3.3 植被歸一化植被指數(shù)的變化趨勢空間格局

根據研究區(qū)植被歸一化植被指數(shù)空間變化趨勢的實際情況(圖4),對其變化斜率進行重分類,并統(tǒng)計得到植被歸一化植被指數(shù)不同變化趨勢類型的像元數(shù)及其占比(表4,研究區(qū)共1 140 662個像元數(shù),每個像元數(shù)代表面積約為1.04 km2)。2010—2019年,明顯退化中退化面積最大的年份為2013—2014年,歸一化植被指數(shù)的明顯退化像元數(shù)所占比例達40.59%,主要分布于中部及西部地區(qū);輕度退化中退化面積最大的年份也為2013—2014年,歸一化植被指數(shù)的輕度退化像元數(shù)所占比例為19.17%,主要分布于阿拉善盟、巴彥淖爾市;保持穩(wěn)定面積最大的年份為2014—2015年,歸一化植被指數(shù)的保持穩(wěn)定像元數(shù)所占比例為32.98%,主要分布于阿拉善盟、巴彥淖爾市西部、呼倫貝爾市東部;輕度改善面積最大的年份為2011—2012年,歸一化植被指數(shù)的輕度改善像元數(shù)所占比例為15.58%,主要分布于興安盟、通遼市、阿拉善盟;明顯改善面積最大的年份為2011—2012年,歸一化植被指數(shù)的輕度改善像元數(shù)所占比例為15.58%,主要分布于除阿拉善盟西北部、呼倫貝爾市以外的區(qū)域。

圖4 研究區(qū)2010—2019年氣候因子空間分布

表4 2010—2019年研究區(qū)植被覆蓋趨勢分析結果

總體來看,內蒙古植被的歸一化植被指數(shù)整體呈穩(wěn)定趨勢,其中0.12%的國土區(qū)域面積明顯退化,5.19%的區(qū)域面積輕度退化,退化區(qū)域主要集中在呼倫貝爾市西部、錫林郭勒盟中部地區(qū);11.23%的區(qū)域面積輕度改善,0.28%的區(qū)域面積明顯改善,改善區(qū)域主要分布在興安盟、通遼市西北地區(qū)、赤峰市東北地區(qū)、烏蘭察布市、呼和浩特市、鄂爾多斯市東北地區(qū)。

根據歸一化植被指數(shù)年際變化Slope值分析,相對穩(wěn)定的區(qū)域為阿拉善盟和呼倫貝爾市的中、東部地區(qū),由于沙化土地占阿拉善盟總面積的40%以上,年均氣溫、降水量對其影響較弱,且植被分布較少,致使歸一化植被指數(shù)年際變化不大[30];呼倫貝爾市的中部為大興安嶺林區(qū),植被及氣候較為穩(wěn)定,東部是以種植業(yè)為主的農業(yè)經濟區(qū),有澆水、灌溉等人為活動,土壤水分獲取穩(wěn)定,歸一化植被指數(shù)變化微弱。波動較為劇烈的區(qū)域是內蒙古中部地區(qū)、呼倫貝爾市西部,這些地區(qū)均以草原分布為主,對氣溫、降水量的變化較為敏感,尤其是降水量,有研究表明降水量對植被的生長作用是氣溫的1.9倍[31]。

3.4 植被覆蓋與氣溫、降水量的關系

2010—2019年研究區(qū)年平均氣溫4.3 ℃,其中,2017年氣溫最高(5.0 ℃),2012年氣溫最低(3.2 ℃)。2010—2019年研究區(qū)年平均降水量為240～356 mm,其中,2012年降水量最高(355.22 mm),2017年降水量最低(240.59 mm)。通過構建氣溫、降水量的空間分布圖(圖5),可以看出,阿拉善盟、烏海市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市年平均氣溫相對較高,年均氣溫8.4 ℃,內蒙古東部氣溫最低,尤其是呼倫貝爾市,年平均氣溫-1.1 ℃;研究區(qū)降水量由西向東逐漸增加,呼倫貝爾市東部、興安盟降水量最高(437.59 mm),阿拉善盟降水量最低(100.01 mm)。

圖5 年尺度歸一化植被指數(shù)與氣候因子相關性

研究區(qū)植被的歸一化植被指數(shù)與氣溫主要呈正相關,單相關系數(shù)為-0.216,偏相關系數(shù)為0.152;與降水量呈顯著正相關,單相關系數(shù)為0.764(P<0.01),偏相關系數(shù)為0.757(P<0.05)。表明在年際變化尺度上,降水量對研究區(qū)整體區(qū)域的歸一化植被指數(shù)的影響比氣溫更大(圖5)。

圖6為2010—2019年研究區(qū)像元尺度的歸一化植被指數(shù)與氣溫、降水量的相關性空間分布。歸一化植被指數(shù)與氣溫、降水量呈正相關的面積分別為497 700、734 500 hm2,占研究區(qū)總面積的42.07%、62.09%。歸一化植被指數(shù)與氣溫、降水量呈負相關的面積分別為685 300、448 500hm2,占研究區(qū)總面積的57.93%、37.91%。因此,歸一化植被指數(shù)與降水量的正相關性更強,絕大部分區(qū)域與降水量呈正相關關系,說明降水量是影響研究區(qū)歸一化植被指數(shù)的主要因素,負相關區(qū)域主要分布于阿拉善盟、呼倫貝爾市的東部;歸一化植被指數(shù)與氣溫的負相關性更強,正相關區(qū)域主要分布在內蒙古的東部地區(qū),包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市。

圖6 2010—2019年研究區(qū)植被歸一化植被指數(shù)與氣候因子的相關性空間分布

結合氣候因子分析,歸一化植被指數(shù)受降水量、氣溫變化影響顯著[32-34],2012—2016年在氣溫大幅升高而降水量大幅降低的同時,植被歸一化植被指數(shù)持續(xù)降低,是持續(xù)的高溫和降水量的減少打破了內蒙古地區(qū)蒸發(fā)量與降水量之間的平衡狀態(tài),使蒸發(fā)量變大,導致低降水量地區(qū)更加干旱,抑制植被的生長[35]。2016—2019年氣溫在高位震蕩,但幅度并不大,降水量和植被歸一化植被指數(shù)卻在大幅升高,此時適宜的水熱效應(降水量多、氣溫穩(wěn)定)有利于植被的生長,致使歸一化植被指數(shù)值升高。

3.5 不同土地利用類型與氣溫、降水量的關系

圖7、表5為2010—2019年研究區(qū)土地利用分布和轉移。2010—2019年耕地、草地所占比例有所增加,林地所占比例有所減少。耕地比例從9.93%增加到9.95%,草地比例從46.03%增加到46.06%,林地比例從14.45%下降到14.43%。

圖7 研究區(qū)2010年、2019年土地利用狀況分布

表5 研究區(qū)2010年、2019年土地利用結果

氣候因子對不同土地利用類型的歸一化植被指數(shù)的影響是不同的。對耕地、林地、草地植被的歸一化植被指數(shù)與氣溫、降水量進行檢驗(表6)。耕地植被的歸一化植被指數(shù)與降水量呈顯著正相關(單相關性),草地植被的歸一化植被指數(shù)與降水量呈顯著正相關(單相關性、偏相關性),降水量對林地植被的歸一化植被指數(shù)影響較小;林地植被的歸一化植被指數(shù)與氣溫呈顯著正相關(單相關性、偏相關性),氣溫對耕地、草地植被的歸一化植被指數(shù)影響較小。

表6 不同土地利用類型時歸一化植被指數(shù)與氣候因子的相關系數(shù)

土地利用的變化主要表現(xiàn)為耕地、草地面積的上升,林地面積下降。耕地面積增加主要與土地復墾、黃河內蒙古段沿岸耕地面積增加、對低產田進行改造等活動有關;草地面積增加主要與沙地的治理、退耕還草及各種類型自然保護地的管護成效有關,對草場的保護起到了很大的作用。林地對于氣溫、草地對于降水量在偏相關系數(shù)方面均呈顯著正相關,這是因為林地植被根系發(fā)達,在吸收、維持水分方面具有較強的調節(jié)能力,所以對于氣溫更加敏感,而草原區(qū)水資源短缺,土壤滲透性強且地表蒸發(fā)量大,氣溫對植被的影響不如降水量敏感[36-37]。

4 結論

2010—2019年內蒙古自治區(qū)研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,但空間差異明顯,呈現(xiàn)東高西低的區(qū)域分布特征;植被覆蓋明顯退化、明顯改善面積最大的年份分別為2013—2014年、2011—2012年,主要集中于內蒙古中部地區(qū);阿拉善盟、呼倫貝爾市東部是內蒙古植被歸一化植被指數(shù)相對穩(wěn)定的區(qū)域;內蒙古自治區(qū)在不同土地利用類型時,降水量與林地、草地的歸一化植被指數(shù)呈正相關,氣溫對林地的影響較為強烈。