2020—2023年呼倫貝爾草原植被指數(shù)時(shí)空變化及其對(duì)氣候的響應(yīng)

摘 要：基于2020—2023年MODIS NDVI數(shù)據(jù)與同期的氣象數(shù)據(jù)，采用Theil-Sen Median趨勢(shì)法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、變異系數(shù)法和Hurst指數(shù)法，對(duì)內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季植被指數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，并結(jié)合氣溫、降水量數(shù)據(jù)進(jìn)一步探究歸一化植被指數(shù)（NDVI）對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：①2000—2023年，呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季NDVI均值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，空間上呈現(xiàn)東高西低的分布格局；②植被穩(wěn)定性低，波動(dòng)性較大，未來(lái)變化趨勢(shì)以反持續(xù)性顯著為主，即未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)NDVI呈減少趨勢(shì)；③草甸草原與典型草原的NDVI雖然均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但典型草原植被穩(wěn)定性偏低，而草甸草原植被穩(wěn)定性相對(duì)較高；在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，草甸草原和典型草原NDVI都將呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；④呼倫貝爾草原NDVI變化受降水的影響顯著，降水增多是改善與提升植被生長(zhǎng)狀況的主要驅(qū)動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：呼倫貝爾草原；NDVI；時(shí)空變化；氣候因子

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948.112 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）15-111-7

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.15.024

0 引言

草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［1］，具有豐富的生物多樣性，對(duì)干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響。然而，近年來(lái)氣溫升高、降水模式改變和極端天氣增加，對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的壓力。一方面，氣候變化導(dǎo)致草原植物的生長(zhǎng)受到限制，草地覆蓋度減少，生物多樣性受到影響［2］。另一方面，極端降水事件可能造成洪澇災(zāi)害，對(duì)草地根系造成損害，導(dǎo)致草地退化［3］。因此，不同時(shí)期的氣候變化和波動(dòng)均會(huì)對(duì)草原的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成潛在影響，而植被生長(zhǎng)狀態(tài)作為一種“指示器”，有助于分析氣候變化［4-5］。

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)研究者進(jìn)行了NDVI時(shí)空變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究［6］。孟夢(mèng)等［7］對(duì)1982—2012年GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)和同時(shí)期氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)相較于氣溫，降水對(duì)內(nèi)蒙古NDVI的影響更大。吳運(yùn)力等［8］利用MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和植被類(lèi)型數(shù)據(jù)，分析了2000—2020年內(nèi)蒙古高原不同植被類(lèi)型NDVI的變化特征及其與氣象因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同植被類(lèi)型的NDVI和整個(gè)區(qū)域的NDVI均與降水量顯著相關(guān)，高原全區(qū)NDVI的變化主要受水熱共同影響。張清雨等［9］對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI的研究結(jié)果顯示，NDVI與降水量顯著相關(guān)。但內(nèi)蒙古東西狹長(zhǎng)，跨越了濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、半干旱及干旱等多種氣候帶［10］，這一地理特性賦予了該地區(qū)豐富的植被多樣性，植被變化也展現(xiàn)出顯著的地域性特征和多種驅(qū)動(dòng)因素之間的復(fù)雜差異。

呼倫貝爾草原的總面積為997.3萬(wàn)hm2，是世界四大草原之一，也是我國(guó)保存最完好的草原之一［11］。其以草甸草原和典型草原為主要植被類(lèi)型，構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，在溫帶半干旱區(qū)域草原生態(tài)系統(tǒng)中具有顯著代表性［12］。目前，已有研究者對(duì)呼倫貝爾地區(qū)植被變化進(jìn)行了相關(guān)研究。曲學(xué)斌等［13］對(duì)2000—2020年MODIS NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)呼倫貝爾大部分地區(qū)植被覆蓋變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。胡志超等［14］采用一元線(xiàn)性回歸趨勢(shì)分析植被覆蓋度的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)2000—2013年植被覆蓋度總體平穩(wěn)并呈上升趨勢(shì)。娜仁夫［15］構(gòu)建了1982—2015年呼倫貝爾草原牧業(yè)四旗歸一化GIMMS NDVI3g.v1植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，即通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的定量分析來(lái)揭示植被覆蓋的變化趨勢(shì)及其影響因素，發(fā)現(xiàn)在34 a內(nèi)，呼倫貝爾草原牧業(yè)四旗植被與降水量具有同向變化趨勢(shì)，且同期植被與氣溫具有反向變化趨勢(shì)。

但以上相關(guān)研究并未對(duì)呼倫貝爾草原植被類(lèi)型區(qū)進(jìn)行針對(duì)性分析，目前對(duì)不同類(lèi)型區(qū)植被變化穩(wěn)定性和未來(lái)變化趨向性方面的研究更少。因此，筆者利用2000—2023年MODIS NDVI數(shù)據(jù)集和同期氣溫、降水柵格數(shù)據(jù)，對(duì)呼倫貝爾草原不同草原類(lèi)型進(jìn)行NDVI時(shí)空變化趨勢(shì)、穩(wěn)定性和持續(xù)性、氣候響應(yīng)研究，為提高對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的認(rèn)識(shí)、制定合理的草地保護(hù)與管理策略、深入了解植被生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡和耦合機(jī)制、應(yīng)對(duì)氣候變化在資源管理中的應(yīng)用具有重要的實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部（北緯47°5′～51°54′、東經(jīng)115°31′～121°30′）。冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季短暫而涼爽［16］。呼倫貝爾草原年降水量普遍偏低，年均降水量為295.25 mm［17］，大部分降水集中在夏季（尤其6—8月），降水為該地區(qū)植物生長(zhǎng)提供了關(guān)鍵補(bǔ)給。由于氣候的特殊性，該地區(qū)植被類(lèi)型以草原為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA（http：//modis.gsfc.nasa.gov/）的MOD13Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。呼倫貝爾草原植被返青期出現(xiàn)在4月中旬至5月下旬［18］，枯黃期出現(xiàn)在9月至10月下旬［19］。為獲取2000—2023年植被生長(zhǎng)季（5—9月）影像，采用最大值合成法提取逐年NDVI值，再利用MODIS Reprojection Tool軟件對(duì)影像進(jìn)行拼接、投影、格式轉(zhuǎn)換等批處理。氣溫、降水的柵格數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km×1 km。利用ArcGIS10.8軟件對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，隨后進(jìn)行投影變更，最終完成分辨率的重采樣，使數(shù)據(jù)空間分辨率與NDVI數(shù)據(jù)集一致。

2.2 研究方法

2.2.1 Theil-Sen Median傾斜度分析及Mann-Kendall檢驗(yàn)

2.2.2 變異系數(shù)分析

2.2.3 Hurst指數(shù)分析

2.2.4 相關(guān)性分析

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI的空間分布特征

呼倫貝爾草原植被NDVI呈現(xiàn)東高西低的空間分布格局（如圖1）。近24 a的NDVI年平均值為0.65，典型草原的NDVI年平均值為0.54，草甸草原的NDVI年平均值為0.79。生長(zhǎng)季NDVI植被覆被很低區(qū)域（NDVI值0.100～0.270）占研究區(qū)總面積的比例不足1%，植被覆被較低區(qū)域（NDVI值0.270～0.396）占研究區(qū)總面積的2.7%，植被覆被中等區(qū)域（NDVI值0.396～0.506）占研究區(qū)總面積的18.1%，植被覆被較高區(qū)域（NDVI值0.506～0.702）占研究區(qū)總面積的34.6%，植被覆被高區(qū)域（NDVI值0.702～0.919）占研究區(qū)總面積的41.9%。植被覆被較高及以上區(qū)域（NDVI值0.506～0.919）超過(guò)研究區(qū)總面積的2/3，主要分布在研究區(qū)東部?？傮w來(lái)說(shuō)，研究區(qū)多年平均NDVI呈現(xiàn)由東部向西部遞減的趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好。

3.2 NDVI年際變化特征及趨勢(shì)分析

2000—2023年呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季NDVI變化起伏不定，其中最小值出現(xiàn)在2004年，最大值出現(xiàn)在2021年。線(xiàn)性增長(zhǎng)速率為0.034/10 a，R2=0.227 6，草原植被覆蓋整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，向好的方向發(fā)展（如圖2）。

分不同植被類(lèi)型區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，草甸草原和典型草原均呈波動(dòng)型緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)（R2分別為0.134 1、0.229 9），線(xiàn)性增長(zhǎng)速率分別為0.016/10 a和0.048/10 a。

3.3 NDVI空間變化趨勢(shì)分析

2000—2023年呼倫貝爾草原NDVI變化傾向率為-0.382/10 a～0.290/10 a，空間差異較明顯（如圖3）。檢驗(yàn)結(jié)果中，無(wú)顯著變化區(qū)域占總面積的53.7%，占比最高，在呼倫貝爾草原全域均有分布；顯著增加的區(qū)域面積占比約為20.3%，微顯著增加的區(qū)域面積占比為12.7%，極顯著增加的區(qū)域面積占比為11.4%，顯著和極顯著增加的區(qū)域分布在西部邊境地區(qū)、呼倫湖東部地區(qū)；剩余減少趨勢(shì)面積占比不足1%，主要分布在河谷、低洼地。呼倫貝爾草原NDVI變化整體表現(xiàn)為從東部草甸草原到西部典型草原逐漸增加。

3.4 NDVI穩(wěn)定性分析

呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季NDVI的平均變異系數(shù)為0.13，其中典型草原的平均變異系數(shù)為0.18，草甸草原的平均變異系數(shù)為0.07。中低穩(wěn)定性植被的面積約占研究區(qū)總面積的29.8%；高穩(wěn)定性植被的面積占研究區(qū)總面積的23.2%，主要分布在研究區(qū)的東部邊緣地區(qū)；低穩(wěn)定性植被面積占研究區(qū)總面積的20.8%，主要集中在研究區(qū)的西部地區(qū)；中高穩(wěn)定性、中等穩(wěn)定性植被面積分別占研究區(qū)總面積的17.7%和8.5%，分布在研究區(qū)的中部偏東部地區(qū)（如圖4）。整體來(lái)看，呼倫貝爾草原區(qū)域波動(dòng)性高，穩(wěn)定性低。

分不同植被類(lèi)型區(qū)發(fā)現(xiàn)，典型草原NDVI的平均變異系數(shù)為0.18，中低穩(wěn)定性和低穩(wěn)定性植被面積占比較大，分別為31.9%和37.8%，中等穩(wěn)定性植被面積占總面積的20.2%，高穩(wěn)定性植被面積占總面積的6.6%，中高穩(wěn)定性植被面積占總面積的3.5%。由此表明，典型草原穩(wěn)定性偏低，波動(dòng)性較高。草甸草原NDVI的平均變異系數(shù)為0.07，高穩(wěn)定性和中高穩(wěn)定性植被面積之和約占總面積的2/3，表明草甸草原穩(wěn)定性高，波動(dòng)性低。

3.5 NDVI持續(xù)性分析

從以上分析結(jié)果來(lái)看，呼倫貝爾草原NDVI值雖有增加趨勢(shì)，但波動(dòng)性很高，穩(wěn)定性差，今后的NDVI變化趨勢(shì)不明確。因此，為更好地了解未來(lái)的植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，需要進(jìn)一步分析植被NDVI的持續(xù)性。研究結(jié)果（如圖5）表明，反持續(xù)性顯著（0.1≤Hlt;0.4）的區(qū)域占研究區(qū)面積的47.8%，非顯著反持續(xù)性（0.4≤Hlt;0.5）的區(qū)域占研究區(qū)面積的40.1%，持續(xù)性顯著（0.6lt;H≤1）的區(qū)域和非顯著持續(xù)性（0.5lt;H≤0.6）的區(qū)域分別占研究區(qū)面積的1.4%和10.6%。從結(jié)果來(lái)看，呼倫貝爾草原未來(lái)呈反持續(xù)性占比區(qū)域達(dá)到87.9%，未來(lái)的變化傾向與過(guò)去24 a NDVI值增加的趨勢(shì)相反，在接下來(lái)的時(shí)間范圍內(nèi)，NDVI值很有可能會(huì)呈下降趨勢(shì)。

在不同草原類(lèi)型中，典型草原反持續(xù)性顯著（0.1≤Hlt;0.4）的區(qū)域占比最大，占總面積的56.3%；非顯著反持續(xù)性（0.4≤Hlt;0.5）的區(qū)域占總面積的37.7%，其余不足10%。草甸草原中占比最大的是非顯著反持續(xù)性（0.4≤Hlt;0.5）區(qū)域，占比為43.3%；其次是反持續(xù)性顯著（0.1≤Hlt;0.4）區(qū)域，占比為37.5%。與典型草原相比，草甸草原的非顯著持續(xù)性（0.5lt;H≤0.6）的區(qū)域占比較大，為16.68%。

整體來(lái)看，從東部草甸草原到西部典型草原Hurst指數(shù)逐漸遞減，逐漸呈現(xiàn)顯著性。在接下來(lái)的時(shí)間范圍內(nèi)，呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季植被NDVI大概率會(huì)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，可能會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、土地、碳循環(huán)、農(nóng)業(yè)、水資源管理和生物多樣性等方面產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.6 研究區(qū)NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)

呼倫貝爾草原NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.864～0.841，有11.65%的正相關(guān)區(qū)域和88.35%的負(fù)相關(guān)區(qū)域［如圖6（a）］。負(fù)相關(guān)作用區(qū)域從東向西貫穿整個(gè)區(qū)域，而正相關(guān)作用的區(qū)域在研究區(qū)西北部，沿國(guó)界分布。整體上，呼倫貝爾草原與氣溫呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.669～0.869，空間上有96.3%的正相關(guān)區(qū)域和3.7%的負(fù)相關(guān)區(qū)域［如圖6（b）］。正相關(guān)區(qū)域集中分布在呼倫貝爾草原中部、北部和西部，負(fù)相關(guān)區(qū)域分布在呼倫貝爾草原西北部和東北部。由此表明，呼倫貝爾草原NDVI與降水之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，且降水量的增加是促進(jìn)該地區(qū)植被生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

在不同植被類(lèi)型區(qū)中，典型草原NDVI與溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.747～0.667。正相關(guān)像元占比為8.4%，主要集中分布在呼倫貝爾草原北部邊境線(xiàn)一帶；而負(fù)相關(guān)像元占比則為91.6%，主要分布在典型草原的東部（如圖7）。典型草原NDVI與氣溫呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.669～0.872，空間上有98.03%的區(qū)域呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，幾乎遍布了整個(gè)區(qū)域。由此可見(jiàn)，典型草原的植被長(zhǎng)勢(shì)雖與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在大部分區(qū)域這種關(guān)系并不顯著，而與降水之間的關(guān)系則呈顯著正相關(guān)，且具有普遍性。

草甸草原NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.773～0.619，正相關(guān)區(qū)域面積占比為13.17%，主要集中分布在草甸草原西部；負(fù)相關(guān)區(qū)域面積占比為86.83%，主要集中分布在草甸草原東部（如圖8）。從呼倫貝爾草甸草原西部到中東部，草甸草原整體上隨著氣溫升高植被長(zhǎng)勢(shì)呈下降趨勢(shì)，并且這種負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著的區(qū)域比典型草原的更大、更明顯。NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.676～0.844，正相關(guān)區(qū)域面積占比為95.05%，集中分布在草甸草原區(qū)的中西部；負(fù)相關(guān)區(qū)域面積只占4.95%，呈零星分布。這說(shuō)明草甸草原的植被生長(zhǎng)情況與氣溫和降水都有關(guān)系，氣溫上升抑制植被生長(zhǎng)，降水增加促進(jìn)植被生長(zhǎng)，NDVI受降水的影響更大。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

①呼倫貝爾草原植被多年生長(zhǎng)季NDVI均值在空間上呈現(xiàn)東高西低的分布格局，2020—2023年呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，以無(wú)顯著變化為主，植被穩(wěn)定性低，波動(dòng)性較高；從今后的變化趨向來(lái)看，呼倫貝爾草原未來(lái)時(shí)間序列變化以反持續(xù)性為主，即未來(lái)一段時(shí)間研究區(qū)的NDVI呈下降趨勢(shì)。

②2020—2023年，呼倫貝爾草甸草原和典型草原NDVI均呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)；典型草原植被穩(wěn)定性偏低，而草甸草原植被穩(wěn)定性高；在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，這2種類(lèi)型草原的NDVI都將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

③在氣候方面，相較于氣溫，草甸草原和典型草原植被的生長(zhǎng)狀況受降水的影響更為明顯，區(qū)域降水增加是促進(jìn)NDVI增加的主要驅(qū)動(dòng)力。氣溫變化對(duì)典型草原植被長(zhǎng)勢(shì)的影響不明顯，但對(duì)草甸草原的植被生長(zhǎng)有一定的抑制作用。

4.2 討論

2000—2023年，呼倫貝爾草原NDVI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)有向好發(fā)展的趨勢(shì)。由分析得到，呼倫貝爾草原的植被長(zhǎng)勢(shì)波動(dòng)性較高，穩(wěn)定性較差，意味著這些地區(qū)的植被生長(zhǎng)不夠穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)容易受到干擾及破壞，需要人們加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。持續(xù)性分析結(jié)果顯示，呼倫貝爾草原未來(lái)的植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)預(yù)計(jì)將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從目前向好、持續(xù)改善的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N減退或下降的發(fā)展軌跡，這會(huì)對(duì)未來(lái)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作帶來(lái)負(fù)面影響。因此，需要采取相應(yīng)措施來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，以保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境。

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