干旱對(duì)錫林郭勒草原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

小紅 王永芳 , 郭恩亮 , 包玉海 ,4 康堯 美麗

1 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022

2 內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古高原災(zāi)害與生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010022

3 蒙古高原氣候變化與區(qū)域響應(yīng)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010022

4 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010022

1 引言

氣象學(xué)中將干旱定義為長(zhǎng)期無(wú)雨或少雨的氣象過(guò)程（邱文君,2013），主要表現(xiàn)為降雨減少、溫度升高。干旱作為最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，具有波及區(qū)域廣、治理難度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。在全球氣候變暖背景下，世界范圍內(nèi)干旱發(fā)生的強(qiáng)度和頻率呈上升態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)干旱面積在過(guò)去60 年中明顯增加，造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的1.10%（金磊和王永芳,2020），特別是在水資源相對(duì)短缺的北方地區(qū)，頻繁的干旱事件對(duì)植被的生長(zhǎng)發(fā)育，人類(lèi)的生存、生產(chǎn)造成了極大的威脅。

植被在全球物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的過(guò)程中起著關(guān)鍵作用（顧錫羚等,2021），干旱不僅直接影響植物的光合作用，還會(huì)通過(guò)其他形式間接影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能（史曉亮等,2020）。當(dāng)前，干旱被認(rèn)定為草原生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要?dú)夂蜃兓L(fēng)險(xiǎn)（Walter et al.,2011）。凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指單位時(shí)間、單位面積內(nèi)綠色植物所積累的有機(jī)物數(shù)量（Li et al.,2021），它能夠反映植被生產(chǎn)效率、評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)平衡地表碳循環(huán)有重要作用（李王軼樸等,2022）。有關(guān)研究表明，內(nèi)蒙古草地NPP 受干旱的影響較為明顯，其空間分布與年均降水分布具有空間一致性（康振山等,2021）；劉丹丹（2018）開(kāi)展錫林河流域NPP 現(xiàn)狀及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，得出該區(qū)NPP 主要受水分的影響；楊思遙等（2018）通過(guò)對(duì)華北地區(qū)植被對(duì)不同尺度干旱指數(shù)的響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)草原地區(qū)對(duì)干旱響應(yīng)最為敏感，其N(xiāo)PP受干旱影響較大。以上研究均證實(shí)草原植被易受干旱的影響，且NPP 是研究草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的理想指標(biāo)。

草原在陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，地處內(nèi)蒙古中部的錫林郭勒草原屬于典型的溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)，其草原類(lèi)型十分豐富，是我國(guó)重要的畜牧業(yè)基地以及綠色生態(tài)屏障。然而，該區(qū)地處干旱半干旱區(qū)，區(qū)域環(huán)境脆弱、降水變化明顯、對(duì)全球氣候和環(huán)境變化敏感（任涵玉等,2021）。干旱的發(fā)生會(huì)影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成不利影響。當(dāng)前圍繞錫林郭勒草原開(kāi)展的相關(guān)研究中干旱時(shí)間尺度與植被類(lèi)型均較為單一，不同程度干旱對(duì)NPP 的影響及不同植被類(lèi)型NPP 對(duì)干旱的響應(yīng)關(guān)系研究仍需深入細(xì)化（董曉宇等,2020;王爽等,2021）。因此，本文基于2000～2020 年MODIS NPP 數(shù)據(jù)以及研究區(qū)15 個(gè)氣象站點(diǎn)逐月降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)，分析NPP 與干旱時(shí)空變化特征，探討（不同程度）干旱對(duì)（不同植被類(lèi)型）NPP 造成的影響，以期為干旱半干旱區(qū)草原生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，地處（41°57′N(xiāo)～46°77′N(xiāo)，111°14′E～119°98′E），總面積約20.26×104km2。地勢(shì)南高北低，主要以高平原為主體，東部和南部地區(qū)多低山丘陵，西部和北部較平坦，海拔高度在743～1906 m（圖1）。氣候類(lèi)型為溫帶干旱半干旱大陸性氣候，主要特點(diǎn)為干旱、寒冷、多風(fēng)，年均氣溫約2.5°C；年降水量約200～300 mm，并由東南向西北遞減；研究區(qū)內(nèi)自東到西分布著草甸草原、典型草原、荒漠草原；土壤分布呈水平地帶性，以栗鈣土為主。

圖1 錫林郭勒草原植被類(lèi)型及氣象站點(diǎn)分布（左上角為研究區(qū)數(shù)字高程模型DEM）Fig.1 Vegetation types and meteorological station distribution in Xilingol grassland (the top left corner is the DEM map of the study area)

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn[2022-01-20]），包括錫林郭勒草原15 個(gè)氣象站點(diǎn)2000～2020 年的逐月降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)，用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）值。當(dāng)樣點(diǎn)與插值點(diǎn)的距離越近，其實(shí)測(cè)值對(duì)插值點(diǎn)的影響越大。研究表明在空間距離較近的氣象觀測(cè)中，反距離加權(quán)插值法插值精度最高（艾葳等,2019）。因此，本文利用ArcGIS 軟件中反距離加權(quán)插值工具對(duì)SPEI進(jìn)行插值，空間分辨率為500 m。此外，本文選用12 個(gè)月尺度的SPEI 值分析該區(qū)干旱時(shí)空變化特征。

2.2.2 NPP 數(shù)據(jù)

植被指數(shù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的MOD17A3 NPP 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為500 m，選擇時(shí)間序列與SPEI 一致。經(jīng)MTR 和ArcGIS 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、投影、轉(zhuǎn)換等處理，并利用研究區(qū)邊界數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行掩膜提取，最終獲取錫林郭勒草原2000～2020 年的MODIS NPP 柵格數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

2.3.1 SPEI 計(jì)算方法

SPEI 是表征氣候干旱狀況的指標(biāo)，是在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index,SPI）的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了潛在蒸散量和降水量的影響，具有多時(shí)間尺度特征，能夠精確刻畫(huà)出干旱事件的影響范圍和強(qiáng)度（王林和陳文,2014;Li et al.,2020b）。且已有研究表明，SPEI 在錫林郭勒草原干旱監(jiān)測(cè)及相關(guān)研究中具有較好的適用性（馬景釗和郝璐,2021）。其計(jì)算方法如下：

第一步，計(jì)算潛在蒸散量（E）：

其中，Ti為月平均溫度；A為常數(shù)，

H為年熱量指數(shù)，

第二步，計(jì)算逐月降水與蒸散的差值：

其中，Di為降水與蒸散的差值；Pi為月降水量；Ei月蒸散量。

第三步，由于原始數(shù)據(jù)序列中可能存在負(fù)值，因此采用3 個(gè)參數(shù)的Log-logistic 概率分布對(duì)Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化，計(jì)算每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI 指數(shù)：

其中，Γ為階乘函數(shù)，w0、w1、w2為數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩，

式中，N為參與計(jì)算的月份個(gè)數(shù)，ws為概率加權(quán)矩，s=0，1，2。

最后對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

當(dāng)累積概率P≤0.5時(shí)：

其中，常數(shù)c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308（張欽等,2019）。

本文將干旱程度劃分為5 個(gè)等級(jí)（謝南茜等,2023），SPEI 值越低表示干旱情況越嚴(yán)重，反之則越濕潤(rùn)（表1）。根據(jù)上述5 個(gè)等級(jí)，進(jìn)一步計(jì)算2000～2020 年逐年不同干旱等級(jí)的像元數(shù)，得到不同干旱等級(jí)的面積覆蓋率。該方法能夠較好的體現(xiàn)同一程度干旱造成的平均影響及影響范圍。

表1 SPEI 指數(shù)對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)Table 1 Drought levels corresponding to the SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)

2.3.2 Theil-Sen 趨勢(shì)分析與Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)

本文對(duì)研究區(qū)2000～2020 年SPEI 進(jìn)行Theil-Sen 趨勢(shì)分析，并獲取趨勢(shì)值 β的空間分布。當(dāng)β＞0時(shí)，SPEI 呈增加趨勢(shì)，干旱狀況逐漸緩解；當(dāng) β＜0時(shí)，SPEI 具有降低趨勢(shì)，干旱狀況也隨之加劇。由于 β基本上不存在絕對(duì)等于0 的區(qū)域，因此本研究將 -0.001＜β＜0.001的范圍劃分為穩(wěn)定不變的區(qū)間。文中NPP 的變化利用Theil-Sen 趨勢(shì)分析與線(xiàn)性趨勢(shì)進(jìn)行衡量。采用變化趨勢(shì)的百分比衡量NPP 變化。NPP 變化趨勢(shì)的百分比定義為2000～2020 年NPP 的線(xiàn)性趨勢(shì)除以多年平均值（張?jiān)婂?2022）。百分比為正值時(shí)，表明植被NPP 呈上升趨勢(shì)，反之則呈下降趨勢(shì)。變化趨勢(shì)百分比的絕對(duì)值越大說(shuō)明研究期間NPP 的相對(duì)變化越大。

由于Theil-Sen 趨勢(shì)分析只能反映某一時(shí)期內(nèi)變量增加或減小的趨勢(shì)，而對(duì)該趨勢(shì)是否顯著的描述不足，因此需要與Mann-Kendall（MK）檢驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)。該方法不要求數(shù)據(jù)服從一定的分布，不受少數(shù)異常值的干擾，檢驗(yàn)結(jié)果可靠（蔡博峰和于嶸,2009）。將MK 檢驗(yàn)在0.05 置信水平上的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果劃分為顯著（|Zc|≥1.96）和非顯著（|Zc|＜1.96）（康堯等,2021）。本文根據(jù)Theil-Sen 趨勢(shì)分析和MK 檢驗(yàn)方法，將SPEI和NPP 的變化趨勢(shì)與顯著性的耦合結(jié)果劃分為5種類(lèi)型：顯著增加、非顯著增加、穩(wěn)定不變、非顯著減少、顯著減少，并計(jì)算各類(lèi)型所占面積比。

2.3.3 相關(guān)分析

基于像元的NPP 與SPEI 相關(guān)系數(shù)計(jì)算如下：

其中，R為x、y變量的相關(guān)系數(shù)，xi為第i年的NPP，yi為 第i年 的SPEI，為 多年 NPP 的均值，為 多年SPEI 的均值，本研究中n=21。

相關(guān)系數(shù)介于[－1，1] 之間，數(shù)值越大說(shuō)明相關(guān)性越強(qiáng)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)介于－1～0 時(shí)，表明變量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；相關(guān)系數(shù)介于0～1 時(shí)，則存在正相關(guān)關(guān)系；相關(guān)系數(shù)為0 時(shí)，說(shuō)明不存在相關(guān)性。結(jié)合顯著性檢驗(yàn)，將相關(guān)性劃分為4 類(lèi)，即顯著正相關(guān)（R＞0，P＜0.05）、非顯著正相關(guān)（R＞0，P≥0.05 ）、非顯著負(fù)相關(guān)（R＜0，P≥0.05）、顯著負(fù)相關(guān)（R＜0，P＜0.05）。

3 結(jié)果與分析

3.1 錫林郭勒草原氣溫與降水時(shí)空變化分析

本文對(duì)錫林郭勒草原年平均氣溫及年降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，近20年錫林郭勒草原年均氣溫整體呈非顯著上升趨勢(shì)（圖2a），速率為0.03°C a-1，多年均值為3.52°C。最低值出現(xiàn)在2012 年，為1.81°C，且在2012～2014 年間氣溫急劇上升，在2014 年達(dá)到最高值4.68°C。從空間上看（圖3a），96.81% 地區(qū)的氣溫呈非顯著上升趨勢(shì)；0.25%地區(qū)的氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，主要分布在正藍(lán)旗南部的典型草原區(qū)；年均氣溫呈穩(wěn)定不變的地區(qū)占2.94%，主要分布在阿巴嘎旗西北部和東烏珠穆沁旗東南部，植被類(lèi)型以典型草原和草甸草原為主。

圖2 2000～2020 年錫林郭勒草原年平均（a）氣溫與（b）降水量時(shí)間變化Fig.2 Temporal variation feature of (a) temperature and (b) precipitation in Xilingol grassland from 2000 to 2020

圖3 2000～2020 年錫林郭勒草原（a）氣溫與（b）降水變化趨勢(shì)空間分布（其中餅圖表明不同變化趨勢(shì)所占的面積比）Fig.3 Spatial variation trend of (a) temperature and (b) precipitation in Xilingol grassland from 2000 to 2020 (the pie chart shows the area ratio of different changing trends)

從圖2b 可以看出，錫林郭勒草原年降水量呈顯著上升趨勢(shì)，速率為2.98 mm a-1。年降水量多年均值為263.73 mm，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2012 年和2005 年。從不同變化類(lèi)型看出（圖3b），降水量呈非顯著增加的面積占比最大，為68.71%，主要分布在研究區(qū)中部、西部和南部地區(qū)；其次是年降水量顯著增加的地區(qū)，面積占比為30.99%，主要分布在二連浩特市、錫林浩特市中部、西烏珠穆沁旗和東烏珠穆沁旗東部；呈非顯著減少和穩(wěn)定不變的面積占比分別為0.26%和0.04%，主要分布在蘇尼特右旗南部和正鑲白旗南部的典型草原區(qū)?？傮w而言，錫林郭勒草原近20 年呈暖濕化趨勢(shì)，年降水量的增加趨勢(shì)較年均氣溫更為顯著。

3.2 錫林郭勒草原干旱時(shí)空變化分析

3.2.1 SPEI 時(shí)間變化特征

為了詳述2000～2020 年錫林郭勒草原干旱的時(shí)間變化特征，本文以12 個(gè)月尺度的SPEI 為基礎(chǔ)，分析不同植被類(lèi)型區(qū)多年平均SPEI 變化特征。由圖4 可以看出，錫林郭勒草原區(qū)域SPEI 均值呈非顯著增加趨勢(shì)，速率為0.02 a-1，表明研究區(qū)氣候整體呈濕潤(rùn)趨勢(shì)。主要由于近20 年來(lái)錫林郭勒地區(qū)降水量呈顯著增加趨勢(shì)，降水強(qiáng)度和持續(xù)性的增加對(duì)干旱具有緩解作用（吳英杰等,2020;任晉媛等,2021）。根據(jù)SPEI 均值，年尺度干旱以輕旱和中旱為主，如2000 年、2002 年、2009 年、2011 年、2014 年處于輕旱狀態(tài)，2001 年、2005 年、2007 年處于中旱狀態(tài)。不同植被類(lèi)型區(qū)SPEI 值波動(dòng)較大，但均呈上升趨勢(shì)，表明不同植被類(lèi)型區(qū)氣候存在不同程度的濕潤(rùn)趨勢(shì)。其中草甸草原區(qū)SPEI 以0.05 a-1的速率上升，濕潤(rùn)趨勢(shì)最顯著，充足的水分條件有利于植被的生長(zhǎng)發(fā)育；其次是森林區(qū)和典型草原區(qū)，SPEI 上升速率為0.04 a-1，亦呈濕潤(rùn)趨勢(shì)；戈壁荒漠和荒漠草原區(qū)SPEI 增加較少，上升速率為0.02 a-1，干旱略微緩解但不顯著，與草甸草原和森林相比水分條件相對(duì)較差。

圖4 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域不同植被類(lèi)型SPEI 時(shí)間變化：（a）全區(qū)域平均；（b）草甸草原；（c）典型草原；（d）森林：（e）荒漠草原；（f）戈壁荒漠Fig.4 Temporal variation of SPEI in different vegetation types in Xilingol grassland from 2000 to 2020: (a) Average;(b) meadow grassland;(c) typical steppe;(d) forest;(e) desert steppe;(f) gobi desert

3.2.2 SPEI 空間變化特征

從圖5 可以看出，SPEI 趨勢(shì)變化的分布整體呈明顯的干濕度地帶性，由東北向西南遞減。從不同變化類(lèi)型來(lái)看，SPEI 非顯著增加的面積占比最大，為73.91%（表2），除東部和西南部地區(qū)外在研究區(qū)廣泛分布，其植被類(lèi)型以典型草原為主；其次是顯著增加的區(qū)域，占22.52%，主要分布在西烏珠穆沁旗和東烏珠穆沁旗，植被類(lèi)型以草甸草原為主。表明典型草原和草甸草原區(qū)濕潤(rùn)趨勢(shì)明顯，這可能與降水量呈顯著增加趨勢(shì)及區(qū)域植被覆蓋度高，水土保持能力強(qiáng)有關(guān)；SPEI 非顯著減少的面積為2.75%，主要分布在蘇尼特右旗中南部的荒漠草原和典型草原區(qū)以及正鑲白旗中部；該區(qū)降水量和氣溫均呈增加趨勢(shì)、但該區(qū)荒漠草原面積較大，植被稀疏，水分條件較差，干旱敏感性和旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高（張巧鳳,2016）；面積占比最小的是保持穩(wěn)定不變的區(qū)域，為0.82%，主要分布于蘇尼特右旗、正鑲白旗部分地區(qū)，植被類(lèi)型為典型草原和荒漠草原。由于該區(qū)氣溫和降水變化趨勢(shì)不顯著，且存在降水呈非顯著增加和減少情況并存，因此SPEI 呈穩(wěn)定不變的趨勢(shì)。綜上所述，錫林郭勒草原氣候整體呈濕潤(rùn)趨勢(shì)，研究區(qū)氣溫變化空間差異較小，而降水量變化呈現(xiàn)出顯著性差異，干旱的變化趨勢(shì)空間格局與降水量較為一致，因此本文認(rèn)為降水量是主導(dǎo)該區(qū)干濕狀況變化的因子。

表2 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域SPEI 不同變化類(lèi)型面積及占比統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistic of area and proportion of different variation types of SPEI in Xilingol grassland from 2000 to 2020

圖5 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域SPEI 空間變化趨勢(shì)Fig.5 SPEI spatial variation trend in Xilingol grassland from 2000 to 2020

3.3 錫林郭勒草原NPP 時(shí)空變化分析

3.3.1 NPP 時(shí)間變化特征

錫林郭勒草原2000～2020 年NPP 變化趨勢(shì)如圖6 所示。NPP 多年均值為186.85 gC m-2a-1，上升趨勢(shì)百分比為1.70%，表明研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著上升趨勢(shì)。NPP 在2012 年達(dá)到峰值237.49 gC m-2a-1，高于多年均值27.10%，最低值139.77 gC m-2a-1出現(xiàn)在2000 年，比多年均值低25.20%。從不同植被類(lèi)型看出，戈壁荒漠區(qū)NPP增加趨勢(shì)最為明顯，上升趨勢(shì)百分比為1.77%，均值為95.00 gC m-2a-1；其次是典型草原區(qū)，上升趨勢(shì)百分比為1.73%，均值為308.48 gC m-2a-1；森林區(qū)和荒漠草原區(qū)上升趨勢(shì)百分比均為1.70%，均值分別為332.37 gC m-2a-1和88.66 gC m-2a-1；草甸草原區(qū)均值為308.48 gC m-2a-1，上升趨勢(shì)百分比為1.56%，變化最為緩慢。綜合以上結(jié)果可知，不同植被類(lèi)型NPP 均呈顯著增加趨勢(shì)，但變化幅度存在差異。

3.3.2 NPP 空間變化特征

從圖7 和表3 可以看出，NPP 呈顯著增加的區(qū)域占比為76.67%，主要集中在錫林郭勒盟西北部、中部、東部，包括了多種植被類(lèi)型區(qū)；其次是NPP 非顯著增加的區(qū)域，占比為20.71%，主要分布于錫林郭勒盟西南部、中部及北部，以荒漠草原和典型草原區(qū)為主。以上數(shù)據(jù)反映出研究區(qū)97.38%的地區(qū)植被NPP 增加，且與SPEI 空間變化趨勢(shì)（圖5）較為一致，說(shuō)明氣候濕潤(rùn)化趨勢(shì)使得區(qū)域植被向好發(fā)展；NPP 穩(wěn)定不變的區(qū)域占2.21%，主要分布在研究區(qū)西部和東北部，植被類(lèi)型為荒漠草原和典型草原；NPP 非顯著減少的面積占0.32%，分布較為零散，主要在研究區(qū)中南部和東部；NPP 顯著減少的面積占0.08%，集中在研究區(qū)東部，與西烏珠穆沁旗白音華礦區(qū)和東烏珠穆沁旗賀斯格烏拉露天礦區(qū)較近，表明這些地區(qū)植被退化較嚴(yán)重，與人類(lèi)對(duì)草原的不合理開(kāi)發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致的植被穩(wěn)定性降低有關(guān)（阿榮等,2019）。

表3 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域NPP 不同變化類(lèi)型面積及占比統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistic of area and proportion of different variation types of NPP in Xilingol grassland from 2000 to 2020

圖7 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域NPP 空間變化趨勢(shì)Fig.7 NPP spatial variation trend in Xilingol grassland from 2000 to 2020

3.4 干旱對(duì)錫林郭勒草原NPP 的影響研究

3.4.1 SPEI 與NPP 相關(guān)分析

為了揭示干旱與NPP 之間的關(guān)系，計(jì)算2000～2020 年平均SPEI 與NPP 之間逐像元相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示92.19%的地區(qū)通過(guò)0.05 置信水平上的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明干旱對(duì)錫林郭勒草原NPP 的影響較大。由圖8 可以看出，SPEI 與NPP 之間正、負(fù)相關(guān)性并存，其中SPEI 與NPP 之間呈顯著正相關(guān)的面積占比為92.17%，主要分布在研究區(qū)中部、東部及西南部；呈非顯著正相關(guān)的面積占比為7.71%，主要分布于錫林郭勒盟中南部和西北部。說(shuō)明大部分處于正相關(guān)地區(qū)的NPP 隨著干旱的緩解在增加，即氣候越濕潤(rùn)植被生長(zhǎng)情況越好；SPE I 與NPP 呈非顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的面積占比分別為0.10%和0.01%，集中分布在研究區(qū)東部邊緣地區(qū)；這是由于NPP 還受氣候因子外其他因素的影響，如農(nóng)業(yè)活動(dòng)、區(qū)域工業(yè)化、植被本身的穩(wěn)定性等（駱艷和張松林,2019），且處于負(fù)相關(guān)地區(qū)的植被大部分呈現(xiàn)出退化趨勢(shì)。

3.4.2 干旱對(duì)不同植被類(lèi)型NPP 的影響

通過(guò)柵格尺度的統(tǒng)計(jì)分析，得到了不同植被類(lèi)型區(qū)SPEI 和NPP 之間的散點(diǎn)圖（圖9）。結(jié)果顯示，研究區(qū)整體及不同植被類(lèi)型區(qū)的SPEI 與NPP均呈顯著正相關(guān)，NPP 值隨著SPEI 值的增加呈上升趨勢(shì)，表明植被凈初級(jí)生產(chǎn)力隨干旱的緩解得到提升。但干旱對(duì)不同植被類(lèi)型區(qū)NPP 的影響存在差異，其相關(guān)性高低依次為森林＜草甸草原＜荒漠草原＜戈壁荒漠＜典型草原。結(jié)果表明典型草原對(duì)干旱的響應(yīng)最為敏感。主要是由于干旱的緩解能夠減少典型草原植物水分的蒸騰和損失，有利于提高植物水分利用效率和植被覆蓋度，使牧草產(chǎn)量增加（李茜若等,2015）。戈壁荒漠和荒漠草原對(duì)干旱的敏感性較高，相較于其他植被類(lèi)型，戈壁荒漠和荒漠草原生長(zhǎng)的地區(qū)更為干旱，水分對(duì)植被生長(zhǎng)的限制作用強(qiáng)（馬蓉等,2023）。因此，當(dāng)干旱緩解時(shí)適宜的水分條件使得植物生長(zhǎng)恢復(fù)迅速。相反，草甸草原具有較高的恢復(fù)力穩(wěn)定性，NPP 可以迅速恢復(fù)到干旱前的狀態(tài)，因而可以避免干旱對(duì)其生產(chǎn)力的嚴(yán)重影響（Shinoda et al.,2010）。森林根系較深、持水能力相對(duì)較好，因此具有更高的抗旱穩(wěn)定性（Thiery et al.,2017）。

圖9 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域不同植被類(lèi)型SPEI 和NPP 的線(xiàn)性擬合：（a）全區(qū)域平均；（b）草甸草原；（c）典型草原；（d）森林；（e）荒漠草原；（f）戈壁荒漠Fig.9 Linear fitting of drought and NPP of different vegetation types in Xilingol grassland from 2000 to 2020: (a) Average;(b) meadow grassland;(c) typical steppe;(d) forest;(e) desert steppe;(f) gobi desert

3.4.3 不同程度干旱對(duì)NPP 的影響

根據(jù)錫林郭勒草原年際干旱特征發(fā)現(xiàn)，近20年來(lái)除2012 年、2018 年外，其他年份均出現(xiàn)了不同程度的干旱現(xiàn)象，以輕旱和中旱為主，重旱發(fā)生頻率較低。由不同程度干旱發(fā)生面積與NPP 之間的相關(guān)性結(jié)果（圖10）看出，輕旱、中旱和重旱的面積覆蓋率與NPP 均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，NPP 隨干旱面積的增加呈減少趨勢(shì)，其損失率依次為2.47 gC m-2a-110a-1、2.79 gC m-2a-110a-1和40.33 gC m-2a-110a-1。通過(guò)不同程度干旱對(duì)NPP 的影響發(fā)現(xiàn)，未發(fā)生干旱地區(qū)的年均NPP 為197.63 gC m-2a-1，而發(fā)生輕旱、中旱和重旱地區(qū)的年均NPP 分別為177.81 gC m-2a-1、169.67 gC m-2a-1和130.89 gC m-2a-1，相比未發(fā)生干旱地區(qū)的NPP 分別減少了約10.03%、14.15%、33.77%。值得注意的是，2017 年研究區(qū)7.44%地區(qū)發(fā)生特旱，與特旱對(duì)應(yīng)的NPP 均值為112.54 gC m-2a-1，較未發(fā)生干旱區(qū)的NPP 均值減少約43.06%。因在研究時(shí)間段內(nèi)特旱僅在2017 年發(fā)生，因此本文未得到特旱對(duì)NPP的多年影響情況。但上述數(shù)據(jù)可以在一定程度上說(shuō)明特旱對(duì)植被NPP 的不利影響?？傮w而言，不同程度干旱對(duì)植被生產(chǎn)力均有負(fù)向影響，NPP 隨著干旱強(qiáng)度和范圍的增加而減少。

圖10 2000～2020 年錫林郭勒草原區(qū)域不同程度干旱面積覆蓋率與NPP 的相關(guān)關(guān)系：（a）無(wú)旱；（b）輕旱；（c）中旱；（d）重旱Fig.10 Correlation between different degree of drought area ratio and NPP in Xilingol grassland from 2000 to 2020: (a) No drought;(b) mild dought;(c) moderate drought;(d) severe drought

4 討論

通過(guò)分析2000～2020 年錫林郭勒草原12 個(gè)月尺度的SPEI 時(shí)空變化特征發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)整體呈濕潤(rùn)趨勢(shì)，空間上SPEI 由東北向西南遞減，中部到西部地區(qū)存在干旱趨勢(shì)。謝岷等（2022）認(rèn)為近年來(lái)內(nèi)蒙古大部分地區(qū)干旱有所緩解，逐步進(jìn)入濕潤(rùn)期；張璐等（2020）研究表明，錫林郭勒地區(qū)干旱情況呈緩解趨勢(shì)，東部地區(qū)變化趨勢(shì)強(qiáng)于西部，與本文研究結(jié)果大致相同。從NPP 的變化特征發(fā)現(xiàn)，NPP 呈上升趨勢(shì)，在空間上由東北向西南遞減，與SPEI 分布特征相吻合，該結(jié)論與烏尼圖等（2020）和湯曾偉等（2018）的研究結(jié)果一致。

研究結(jié)果顯示錫林郭勒草原SPEI 與NPP 時(shí)空變化特征具有趨同效應(yīng)，SPEI 與NPP 呈顯著正相關(guān)關(guān)系地區(qū)面積占比高達(dá)92.17%，NPP 隨干旱的緩解而增加，這與穆少杰等（2013）和龍慧靈等（2010）的研究結(jié)果較為一致；其次，本研究發(fā)現(xiàn)干旱對(duì)不同植被類(lèi)型NPP 的影響有所差異：典型草原、戈壁荒漠和荒漠草原對(duì)干旱的敏感性較高，草甸草原和森林區(qū)對(duì)干旱的敏感性較低。已有研究表明，相比草原地區(qū)，林地對(duì)干旱的抵抗力較強(qiáng)，植被生產(chǎn)力受干旱的影響較小（Wu et al.,2022）；而在草原植被中，典型草原對(duì)干旱的敏感性最高，其次是荒漠草原（白慶坤和阿拉騰圖婭,2022）。相比于水分相對(duì)充足的草甸草原，典型草原、荒漠草原和戈壁荒漠區(qū)的植被生長(zhǎng)更容易受水分條件的限制（張清雨等,2013;Lei et al.,2020），因此，其植被NPP 的變化對(duì)干旱變化的敏感性相對(duì)高。此外，本文發(fā)現(xiàn)NPP 隨著干旱強(qiáng)度和范圍的增加而減少。已有研究表明，干旱強(qiáng)度對(duì)植被生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，干旱越嚴(yán)重，對(duì)植被生長(zhǎng)的脅迫作用越強(qiáng)（馬梓策,2022），在長(zhǎng)期和嚴(yán)重干旱條件中植被NPP 下降更為顯著（Li et al.,2020a）。

本文存在一些不足之處，有待進(jìn)一步完善。由于選用了MOD17A3 NPP 年值產(chǎn)品數(shù)據(jù)，因此僅開(kāi)展了年尺度干旱對(duì)NPP 的影響研究。然而，不同時(shí)間尺度干旱對(duì)NPP 的影響存在一定差異（Kreyling et al.,2008;Sun et al.,2016）。因此，未來(lái)將結(jié)合CASA 模型等獲取不同時(shí)間尺度的NPP數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化；同時(shí)，本文僅考慮了氣候因子，事實(shí)上不能排除其他環(huán)境因子、人類(lèi)活動(dòng)及植物本身的耐旱性等對(duì)NPP 產(chǎn)生的影響，因此，今后的工作中需要考慮多種因素，獲得更加客觀的研究結(jié)果。

5 結(jié)論

本文基于2000～2020 年氣象數(shù)據(jù)和NPP 數(shù)據(jù)，分析干旱與NPP 的時(shí)空變化特征基礎(chǔ)上，探討了干旱對(duì)錫林郭勒草原NPP 的影響，得出以下結(jié)論：

（1）近20 年錫林郭勒草原整體呈暖濕化趨勢(shì)。不同植被類(lèi)型區(qū)SPEI 均呈上升趨勢(shì)，干旱情況整體緩解，SPEI 自東北向西南遞減，濕潤(rùn)趨勢(shì)分布在全區(qū)域96.43%的范圍，具有空間一致性。

（2）NPP 多年均值為186.85 gC m-2a-1，全區(qū)域97.38%的地區(qū)NPP 呈增加趨勢(shì)，植被狀況整體好轉(zhuǎn)，局部地區(qū)有所退化，但其整體空間分布特征與SPEI 基本一致。

（3）NPP 與SPEI 呈正相關(guān)關(guān)系區(qū)域占比高達(dá)99.88%，說(shuō)明干旱對(duì)NPP 的正向影響較大；SPEI 與不同植被類(lèi)型NPP 均呈顯著正相關(guān)，其中相關(guān)性最大的是典型草原，最小的是森林。

（4）不同程度干旱對(duì)植被NPP 均有負(fù)向影響，NPP 的減少幅度隨干旱強(qiáng)度和影響范圍的增加而上升。