渾善達(dá)克沙地植被葉面積指數(shù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素分析

［摘要］葉面積指數(shù)代表生態(tài)系統(tǒng)的能量與活動(dòng)性，一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。本文通過對(duì)渾善達(dá)克沙地植被葉面積指數(shù)長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征研究及其變化的驅(qū)動(dòng)因素分析，結(jié)果表明總體上渾善達(dá)克沙地植被葉面積指數(shù)在空間上呈現(xiàn)出東部高、西部低的分布特征，東南地區(qū)LAI較高，植被改善的區(qū)域也主要集中在渾善達(dá)克東南部，西部地區(qū)植被改善不明顯，年平均LAI呈現(xiàn)波動(dòng)性上升趨勢(shì)，地下水埋深、可用水量對(duì)葉面積指數(shù)影響較大，其次為土壤類型和土壤有機(jī)質(zhì)，水資源狀況與土壤特征的交互作用對(duì)于葉面積指數(shù)的影響增強(qiáng)，說明未來渾善達(dá)克沙地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)應(yīng)更加注重水資源保護(hù)與合理利用和對(duì)土壤資源的保護(hù)。

［關(guān)鍵詞］渾善達(dá)克沙地；葉面積指數(shù)；時(shí)空動(dòng)態(tài)變化；影響因素；地理探測(cè)器

葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，簡(jiǎn)稱LAI）是表示植被利用光能狀況和冠層結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)，指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)，通常被定義為單位面積地表上葉片總面積的比例，與植被的密度、結(jié)構(gòu)、樹木的生物學(xué)特性和環(huán)境條件有關(guān)[1]，是植被冠層物質(zhì)與能量交換的定量描述，反映生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)和新陳代謝能力，代表生態(tài)系統(tǒng)的能量與活動(dòng)性，在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估中發(fā)揮重要意義。

渾善達(dá)克沙地是內(nèi)蒙古四大沙地之一，位于我國(guó)四大草原錫林郭勒草原腹地。歷史上該區(qū)域水草豐美，是重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地[2]。由于區(qū)域人口不斷增加，特別是多年來超載放牧、不合理開采利用水、土、礦等自然資源，生態(tài)系統(tǒng)遭到極大破壞，土地沙化、荒漠化問題逐漸凸顯[3]。同時(shí)，該區(qū)域位于京津風(fēng)沙源重點(diǎn)地帶，是全國(guó)25個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)之一，也是內(nèi)蒙古牢記“國(guó)之大者”，要堅(jiān)決打贏的“三大標(biāo)志性戰(zhàn)役”主戰(zhàn)場(chǎng)，渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)健康與否直接影響著“京津冀”乃至全國(guó)的生態(tài)安全[4]。

本文借助于地理信息系統(tǒng)空間分析方法[5]，對(duì)2000～2020年渾善達(dá)克沙地植被葉面積指數(shù)進(jìn)行空間可視化，分析研究植被葉面積指數(shù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及主要影響因素，為未來渾善達(dá)克沙地生態(tài)保護(hù)修復(fù)方向和措施提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟南部，面積3.2×104 km2，與首都北京直線距離為180 km，東西長(zhǎng)約470 km，南北寬約10～100 km，行政區(qū)劃涉及錫林郭勒盟和赤峰市2個(gè)盟市、9個(gè)旗縣[6]。

過去幾十年里該地區(qū)由于氣候變化、過度放牧和農(nóng)田開墾等，土地沙漠化嚴(yán)重，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況不僅關(guān)系到本地生態(tài)安全及居民福祉，同時(shí)也關(guān)系到京津冀乃至全國(guó)更廣大區(qū)域的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。為改善生態(tài)環(huán)境，內(nèi)蒙古認(rèn)真貫徹落實(shí)國(guó)家政策部署，先后在渾善達(dá)克沙地實(shí)施了“三北防護(hù)林”“退耕還林還草工程”“京津風(fēng)沙源治理工程”和“圍封禁牧”等生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程[7]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中渾善達(dá)克沙地多期植被葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)使用MODIS LAI產(chǎn)品，產(chǎn)品時(shí)間分辨率為8天，空間分辨率為250 m。多年降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，借助ArcGIS10.8 插值獲取年均降水量的空間分布。蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于MODIS下載網(wǎng)站。土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。地下水?dāng)?shù)據(jù)來源于收集水利部門在研究區(qū)周邊110個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井地下水水位計(jì)算埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化處理。

2.2 植被調(diào)查

參照群落調(diào)查相關(guān)技術(shù)規(guī)范，采用空間代替時(shí)間序列的方法，結(jié)合遙感影像資料，2021年7～9月對(duì)渾善達(dá)克沙地范圍內(nèi)不同沙地類型植被進(jìn)行野外驗(yàn)證調(diào)查，本著盡可能涵蓋沙地不同放牧干擾強(qiáng)度、植被類型、氣候與土壤條件等因素的原則確定31個(gè)調(diào)查點(diǎn)位，分別在流動(dòng)沙地、半固定沙地、固定沙地、草地、林地等不同生境進(jìn)行樣地布設(shè)。記錄的樣方信息包括樣方的經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、生境類型、土壤類型、典型植被。草本植物樣方大小為1 m×1 m，記錄樣方內(nèi)植物名稱、植物數(shù)量、植物蓋度、植物高度；灌木樣方大小5 m×5 m，記錄樣方內(nèi)植物冠幅、高度、個(gè)體數(shù)；喬木樣方大小10 m×10 m，記錄樣方內(nèi)樹種個(gè)體數(shù)、樹高、胸徑、冠幅、枝下高。同時(shí)利用GPS，記錄外業(yè)樣方布設(shè)航跡及各樣方經(jīng)緯度坐標(biāo)和海拔。

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)解譯分析、“三調(diào)”成果及野外實(shí)地調(diào)研驗(yàn)證，對(duì)每一種植被類型及分布展開調(diào)查，共包括17個(gè)一級(jí)類，49個(gè)二級(jí)類，總面積31686.11km2。

2.3 主要研究方法

植被、土壤和地下水特性是沙地景觀生態(tài)應(yīng)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的直觀反映，干旱半干旱地區(qū)植被、土壤和可用水對(duì)全球變化更敏感，因此本文采用研究區(qū)沙地植被、土壤、地下水和可用水?dāng)?shù)據(jù)作為對(duì)LAI變化驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，基于遙感產(chǎn)品和野外實(shí)地調(diào)研，分析渾善達(dá)克沙地植被、土壤和可用水時(shí)空特征，并采用地理探測(cè)器分析主要驅(qū)動(dòng)因素及影響特征?？捎盟捎盟科胶夥ㄟM(jìn)行計(jì)算，因沙地土壤下滲能力強(qiáng)，徑流量較小，可忽略不計(jì)，因此采用降水量與蒸散發(fā)的差值來表示可用水資源量。

本文采用地理探測(cè)器分析渾善達(dá)克沙地植被葉面積指數(shù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素。地理探測(cè)器是由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所王勁峰研究員團(tuán)隊(duì)在《Geographical Detectors-Based Health Risk Assessmentand its Application in the Neural Tube Defects Study of the Heshun Region， China》一文中首次提出的，解決了中國(guó)山西省和順縣新生兒神經(jīng)管畸形的地理環(huán)境影響發(fā)病因子分析，為環(huán)境健康研究提供了新方法[8]。目前，地理探測(cè)器已成為主流地理分析模型，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響因子分析、植被變化驅(qū)動(dòng)力分析等領(lǐng)域。同時(shí)地理探測(cè)器可以判斷兩因子是否存在交互作用，以及交互作用的強(qiáng)弱、方向、線性還是非線性關(guān)系等。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 LAI 時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2000～2020年渾善達(dá)克沙地植被LAI時(shí)空動(dòng)態(tài)變化空間分析顯示，渾善達(dá)克沙地植被LAI總體上呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征，其中多倫縣、克什克騰旗、正鑲白旗、錫林浩特市等地區(qū)LAI較高，蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、鑲黃旗和阿巴嘎旗等地區(qū)LAI較低。同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，LAI呈現(xiàn)出波動(dòng)性增加的變化趨勢(shì)，LAI植被改善的區(qū)域主要集中在渾善達(dá)克東南部，西部地區(qū)植被改善不明顯。

通過繪制渾善達(dá)克沙地2000～2020年平均LAI直方圖（圖1）分析表明，分別在2003、2006、2013年達(dá)到一定的峰值，并在2013年達(dá)到最大值，在2001、2005、2010、2017年達(dá)到相對(duì)谷值，并在2010年達(dá)到最低值，即在2000～2017年LAI值的波動(dòng)性較大，而在2018～2020年的時(shí)段內(nèi)，年平均LAI值處于高位平衡狀態(tài)，總體來看，從2000～2020年，渾善達(dá)克沙地年平均LAI呈現(xiàn)波動(dòng)性上升趨勢(shì)，說明渾善達(dá)克沙地的植被狀況呈現(xiàn)總體好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，生態(tài)修復(fù)工程取得了一定的效果。

3.2 LAI 動(dòng)態(tài)變化的影響因素識(shí)別

通過地理探測(cè)器對(duì)葉面積指數(shù)驅(qū)動(dòng)因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，解釋度越大則表示該影響因子是影響葉面積指數(shù)的主要因素，如表1所示。從葉面積指數(shù)驅(qū)動(dòng)因子的解釋度結(jié)果來看，主導(dǎo)因子為地下水埋深和可用水量，解釋度分別為0.496和0.391。從解釋度的排序結(jié)果來看：地下水埋深（0.496）gt;可利用水量（0.391）gt;土壤質(zhì)地（0.337）gt;土壤有機(jī)碳（0.070）gt;植被類型（0.054），從評(píng)價(jià)結(jié)果來看，地下水埋深是影響葉面積指數(shù)空間分布最主要的因素，其次是可用水量和土壤質(zhì)地。

交互探測(cè)可以用于識(shí)別兩因子之間的交互作用，即評(píng)估因子間共同作用時(shí)是否會(huì)增加或減弱對(duì)因變量的解釋力，或者這些因子是否相互獨(dú)立。因子間的交互作用類型共有五類：非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強(qiáng)、獨(dú)立和非線性增強(qiáng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)因子交互探測(cè)結(jié)果（圖2），植被類型X1、土壤質(zhì)地型X2、土壤有機(jī)碳X3、地下水埋深X4和可利用水量X5對(duì)于葉面積指數(shù)影響多存在雙因子增強(qiáng)現(xiàn)象，即兩因素相互作用時(shí)會(huì)增強(qiáng)對(duì)葉面積指數(shù)的解釋力，土壤質(zhì)地與地下水埋深和可利用水的交互作用強(qiáng)度較大，其次是土壤有機(jī)碳與地下水埋深和可利用水的相互作用強(qiáng)度。

4 討論

（1）渾善達(dá)克沙地植被LAI總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這與多年來該區(qū)域?qū)嵤┑纳鷳B(tài)保護(hù)與修復(fù)工程密切相關(guān)，但由于區(qū)域年度降水量、蒸散發(fā)、地下水等水約束條件和人類活動(dòng)的不穩(wěn)定動(dòng)態(tài)變化特征，導(dǎo)致LAI時(shí)間上呈現(xiàn)波動(dòng)性變化特征。

（2）水資源約束是影響渾善達(dá)克沙地植被LAI狀況的主要因素，首先是地下水埋深，其次是可用水和土壤質(zhì)地特征。因此保護(hù)和恢復(fù)地下水是未來該區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的重點(diǎn)策略方向。

（3）該區(qū)域植被類型多年來未發(fā)生較大變化，植被類型對(duì)LAI的影響較小，因此未來在恢復(fù)植被類型方面應(yīng)尊重自然、順應(yīng)自然規(guī)律，選擇當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物種，避免引入外來物種和其他高耗水草種、樹種。

（4）水資源條件與土壤特征的交互作用對(duì)渾善達(dá)克沙地植被LAI影響增強(qiáng)，表明未來該區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程中，在保護(hù)水資源的同時(shí)還要注意保護(hù)土壤資源，避免人類活動(dòng)或工程活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)赝寥罈l件的影響和破壞。

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