曲学斌 王彦平 高绍鑫 张煦明 辛孝飞 敖孟奇

（1.呼伦贝尔市气象局，内蒙古呼伦贝尔 021008；2.呼伦贝尔市农牧局，内蒙古呼伦贝尔 021008）

引言

植被是陆地生态系统的核心组成部分，参与了生态系统平衡、水循环和能量循环过程，是生态环境质量变化的综合体现［1］。随着卫星遥感技术的快速发展，利用遥感数据与植被生物量的关系建立起的植被长势［2］、植被覆盖度［3］等指广泛应用于植被变化监测与研究之中。其中归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）以其计算简便、对植被生物特征敏感等优势广泛应用［4］。李思楠等［5］分析了孟加拉国博多河流域的植被NDVI变化，为中国“一带一路”区域发展在生态方面建设的合作提供了重要参考。宗加权等［6］利用NDVI对中国生态状况的分析评价表明，中国森林和草原生态系统整体呈向好趋势，而荒漠、水体和湿地生态状况变差。于静等［7］分析了科尔沁草原NDVI变化及对气候的响应，表明降水是驱动该地区植被变化的主要因素。徐佳等［8］利用NDVI分析了鄂尔多斯神东矿区植被恢复情况，证明沉陷区治理工程已帮助当地生态环境显著改善。

呼伦贝尔地区是中国北方重要的生态屏障之一，境内拥有中国保存较完好、面积最大的原始森林—大兴安岭森林和世界四大天然草原之一的呼伦贝尔草原［9］。近年来呼伦贝尔开展了大兴安岭天然林保护工程、呼伦湖综合治理工程等多项生态保护工程，同时也遭遇了2015—2017年、2019—2020年的连续区域性干旱［10］，生态环境敏感而脆弱。本文通过分析呼伦贝尔历年植被NDVI变化及其受气候影响情况，探讨该区域植被动态变化规律，以期为该地区生态系统的保护工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

呼伦贝尔地区位于内蒙古自治区东北部（115°31′～126°04′E，47°05′～53°20′N），西部、北部分别与蒙古国、俄罗斯接壤，南部与兴安盟相连，东部以嫩江为界与黑龙江省为邻，总面积为2.53×105km2。大兴安岭以东北—西南走向横贯境内，构成呼伦贝尔的林区，以东为依托松嫩平原边缘耕地的农业经济区，以西为林草过渡带形成的农牧综合经济带和呼伦贝尔草原［11］（图1）。呼伦贝尔地区的年平均气温为-1～3℃，年平均降水量为300～500 mm，总体气候呈现冬季寒冷漫长、夏季温凉短促、春季干燥风大、秋季气温骤降的特点［12］。

图1 呼伦贝尔地区地表覆盖及气象站分布Fig.1 Spatial distribution of surface cover and weather stations in Hulun Buir region

1.2 资料来源与预处理

NDVI采用美国国家航空航天局提供的2000—2020年MOD13Q1数据集，空间分辨率为250 m，是通过最大值合成法获得的16 d植被产品［13］。使用MRT软件对数据进行投影、拼接和格式转换，统一采用双线性（Bilinear）重采样方式和兰勃特投影（Lambert Azimuthal）方式处理，投影的中央经纬度设置为50°N、120°E。气象数据采用气象部门提供的当地16个气象站2000—2020年5—9月生长季逐月降水量和气温。地表覆盖采用国家基础地理信息中心全球30 m地表覆盖数据，由于呼伦贝尔地区地表覆盖主要由耕地（占13.4%）、森林（占42.1%）和草原（占41.0%）组成，因此分地表类型的分析也以此3种地表为主。

结合呼伦贝尔地区每年的植被生长季，利用ArcGIS软件对每年5月中旬至9月上旬NDVI取平均作为每年生长季平均NDVI，以每年5—9月平均气温和累计降水量作为生长季平均气温和降水量，利用反距离权重法对每年生长季平均气温和降水量进行空间插值、数据统计与制图。利用Matlab软件对NDVI变化趋势、稳定性及其与气候的相关性进行计算。

1.3 分析方法

生长季平均NDVI变化趋势分析采用Sen趋势分析法和M-K显著性检验，Sen是一种非参数统计的斜率估计方法，其计算公式为

式（1）中，S为NDVI变化趋势；median为数据序列中位数运算符号；i，j为NDVI的年份，NDVIi和NDVIj分别表示第i，j年对应的NDVI值。当S＞0时，说明NDVI呈增长趋势，反之则为下降趋势。由于Sen趋势分析法无法体现变化趋势的显著程度，因此常与M-K显著性检验结合使用，其计算公式为

式（2）中，Z为M-K的标准检验统计量，M和Var（M）分别为

式（3）—式（4）中，N为研究期NDVI总序列数，sign为关于NDVIj-NDVIi的分段函数，其算法为

在给定的显著性水平α下，当｜Z｜＞Z（1-α）／2时，表明变化趋势显著，即当｜Z｜值大于1.943或2.518时，分别表示通过了95%（显著增加／减少）或99%（极显著增加／减少）的显著性检验。李晶等［14］研究表明，Sen结合M-K的分析方法较一元线性回归方法对植被改善和退化反映更为敏感，具有受异常值影响小、不需要数据服从某种特定分布等诸多优势。

生长季平均NDVI变化稳定性使用变异系数C进行分析，其数值越大表明NDVI受干扰程度越大，越不稳定，反之则表明植被整体稳定，计算公式为

长期依赖程度及未来趋势研究使用R／S方法计算的Hurst指数进行分析［15］。首先将生长季平均NDVI序列分割为长度为n的A个相邻且不重叠的子序列Ma，子序列中的元素记作mk，a，因此第k个子序列的累计均值偏差Yk，a、标准差Sk，Ma和极差Rk，Ma分别为

式（7）～式（9）中，ˉXa为第k个子序列中生长季平均NDVI的数学期望值，max和min分别为数据序列最大值和最小值的运算符号。每个子序列的重新标度极差与A个序列的平均重新标度极差的关系为

Mandelbrot等［16］证明（R／S）n与n的关系为

式（11）中，b为线性相关的截距，H为Hurst指数。H取值范围为0～1。若H＜0.5，表示NDVI时间序列具有反持续性；若H＝0.5，表示NDVI时间序列为互相独立的随机序列；若H＞0.5，表明NDVI时间序列具有长期相关性，过程具有持续性。Hurst指数可以根据时间序列数据预测未来变化趋势，是定量表达时间序列信息长期依赖性的有效方法［17］。

本研究以生长季平均NDVI与生长季平均气温、降水以年为单位进行相关性分析（IGSC），相比于生长季内的相关性分析（WGSC），该分析不受数据量多少影响，分析结论的可信度更高，相关性分析采用Pearson相关系数法［18-19］，其计算公式为

式（12）中，r为NDVI与气温、降水的相关系数，并结合相关系数显著性表，确定达到显著（P＜0.05）和极显著（P＜0.01）的区域，xi和ˉx分别表示第i年生长季的平均气温、降水量和研究期内xi的均值。

2 结果分析

2.1 NDVI时空分布

呼伦贝尔地区多年生长季平均NDVI为0.63，其中耕地的多年生长季平均NDVI为0.59，森林平均为0.76，草原平均为0.53，见图2a。NDVI＜0.4的区域主要位于新右旗、新左旗的典型草原和呼伦贝尔沙带地区；0.4≤NDVI＜0.5的区域主要位于陈旗西部和鄂温克旗西部的草甸草原区；0.5≤NDVI＜0.6的区域主要位于大兴安岭两麓的耕地、耕地间草原和大兴安岭的林间草原区域；NDVI＞0.6的区域主要位于大兴安岭林区，其中大兴安岭东南麓由于水热条件相对较好，NDVI普遍为0.7以上。不同地表类型的生长季平均NDVI的变化如图2b所示，均呈现出森林＞耕地＞草原，总体来看呼伦贝尔的NDVI在2000—2007年存在明显波动，2007—2014年持续增加，2015年后耕地、草原又呈现明显波动，而森林NDVI从缓慢略增逐渐转为缓慢略降。

图2 2000—2020年呼伦贝尔地区生长季NDVI多年平均值空间分布（a）和主要地表类型生长季NDVI平均值变化（b）Fig.2 Spatial distribution of multi-year average of NDVI（a）and an annual average of NDVI for major surface types（b）in Hulun Buir region from 2000 to 2020

2.2 NDVI变化趋势

呼伦贝尔地区生长季NDVI的Sen变化趋势和M-K检验结果如图3所示，生长季NDVI的平均年变化倾向率为0.028／10 a，其中耕地的平均年倾向率为0.047／10 a，森林为0.023／10 a，草原为0.030／10 a，NDVI均呈现增加趋势。显著性检验表明，生长季NDVI呈增加趋势的面积占比达到全市总面积的91.0%，其中非显著增加的占比最大（44.5%），主要集中在呼伦贝尔草原区，其次为极显著增加（28.7%），主要集中在大兴安岭森林大部及岭西耕地，而显著增加区常位于极显著增加和非显著增加的边缘过渡区。NDVI呈减少趋势的面积占全市总面积的9.0%，其中非显著减少的占比最大（8.5%），主要集中在陈旗中部草原、额尔古纳市北部森林等地，在鄂温克旗、新右旗、新左旗等地也有零散分布。显著减少和极显著减少区零散分布在海拉尔区等人口聚集区和大兴安岭森林的火烧迹地区域，面积占比较小。

图3 2000—2020年呼伦贝尔地区生长季NDVI的Sen变化趋势（a）和M-K检验（b）空间分布Fig.3 Spatial distributions of Sen change trend（a）and M-K test（b）of NDVI in Hulun Buir region from 2000 to 2020

呼伦贝尔地区生长季NDVI的平均变异系数为0.08，其中耕地为0.09，森林为0.05，草原为0.12，参考秦格霞等［20］对中国北方草原NDVI变异系数的等级划分标准，将呼伦贝尔地区NDVI变异系数划分为5个等级，不同等级的空间分布如图4a。其中变化稳定区（C＜0.05）占全市总面积的29.3%，主要位于大兴安岭中部森林，低波动区（0.05≤C＜0.10）占42.8%，主要位于大兴安岭两麓森林和耕地区，较低波动区（0.10≤C＜0.15）占14.4%，主要位于呼伦贝尔草原东部和扎兰屯市、阿荣旗东南部耕地，较高波动区和高波动区（C≥0.15）共占全市总面积的13.5%，主要位于呼伦贝尔草原西部，其中新右旗的高波动区域面积占全旗总面积的91.8%，是呼伦贝尔地区NDVI波动最明显的区域。

图4 2000—2020年呼伦贝尔地区生长季NDVI的变异系数（a）和Hurst指数（b）Fig.4 Spatial distributions of coefficient of variation（a）and Hurst index（b）of NDVI in Hulun Buir region from 2000 to 2020

呼伦贝尔地区生长季NDVI的Hurst指数均值为0.46，即在未来一段时间NDVI的变化趋势与2000—2020年的变化趋势整体相反，空间分布如图4b，其中反持续性显著（H＜0.4）的区域占20.4%，主要位于新右旗草原区，同时在莫旗和大兴安岭森林区域东侧等地也有分布，持续性显著（H＞0.6）的区域仅占5%，主要位于鄂温克旗中部等草原区，非显著的反持续性和持续性的面积占比分别为46.7%和27.9%，由于2000—2020年生长季NDVI主要呈增加趋势，而未来呈反持续性即呈减少趋势，因此在未来一段时间内呼伦贝尔地区生长季NDVI呈减少趋势的可能性较大，对生态环境保护工作较为不利。

2.3 NDVI变化对气候的响应

2000—2020年呼伦贝尔地区生长季年气温、年降水量及年平均NDVI变化见图5a和图5b，该地区生长季平均气温为16.3℃，线性变化的倾向率为-0.10℃／10 a，未通过显著性检验，生长季平均降水量为337.8 mm，线性变化的倾向率为83.8 mm／10 a，通过0.01水平的显著性检验。呼伦贝尔地区NDVI与气温的平均相关系数为0.04，其中耕地的相关系数为-0.02，森林的为0.16，草原的为-0.09，显著和极显著正相关的区域占20.3%，主要分布在大兴安岭中北部森林地区，显著和极显著负相关的区域占11.2%，主要位于鄂温克旗、陈旗中部、新右旗南部、新左旗南部的草原区域（图5c）。呼伦贝尔地区生长季NDVI与降水的平均相关系数为0.65，其中耕地的相关系数为0.20，森林的为0.03，草原的为0.26，显著和极显著正相关的区域占41.4%，主要分布在呼伦贝尔草原和大兴安岭两麓的耕地区，显著和极显著负相关的区域占2.4%，零星分布在大兴安岭北部森林（图5d）。由于森林植被的抗旱能力较强，降水变化对其生长的影响有限，而大兴安岭中北部处于寒温带，植被生长季较短，热量条件对该区域森林植被生长的胁迫作用明显。大兴安岭两麓的耕地与草原常遭受干旱灾害，受降水胁迫明显，同时由于呼伦贝尔地区雨热同期，降水偏少常与气温偏高同时出现，因此该区域年平均NDVI与降水呈正相关的同时，与气温存在负相关关系。

图5 2000—2020年呼伦贝尔地区生长季气温（a）、降水（b）及NDVI变化，气温（c）和降水（d）与NDVI的相关性分布Fig.5 Variations of changes in temperature（a），precipitation（b）and NDVI，spatial distributions of correlations of NDVI with temperature（c）and precipitation（d）in Hulun Buir region from 2000 to 2020

3 结论与讨论

（1）2000—2020年呼伦贝尔地区多年生长季NDVI平均为0.63，平均年变化倾向率为0.028／10 a，大部分地区的NDVI以增加趋势为主，其中显著和极显著增加的区域主要分布在大兴安岭森林大部及岭西耕地区。

（2）2000—2020年呼伦贝尔地区生长季NDVI平均变异系数为0.08，NDVI整体变化相对稳定，高波动和较高波动区主要位于呼伦贝尔草原西部，新右旗是呼伦贝尔地区NDVI波动最明显的区域。Hurst指数表明呼伦贝尔地区生长季NDVI变化趋势大部分呈反持续性，结合NDVI变化趋势，未来NDVI的变化主要呈下降趋势。

（3）呼伦贝尔地区生长季NDVI与气温呈正相关的区域主要位于大兴安岭森林，呈负相关的区域主要位于呼伦贝尔草原和耕地，达到显著和极显著的区域为31.5%。呼伦贝尔大部分地区的NDVI与降水呈正相关，其中呼伦贝尔草原和大兴安岭两麓的耕地区达到显著或极显著正相关。大兴安岭中北部森林主要受温度胁迫，而耕地与草原区主要受降水胁迫，受雨热同期影响，降水减少会造成阴雨天减少，气温偏高，因此在耕地、草原区与降水呈正相关的同时也多与气温呈负相关。

（4）研究期内呼伦贝尔地区的植被长势整体呈增加趋势，生态环境向好的方向发展，但存在两方面不容忽视的问题：一是呼伦贝尔草原西部等地的植被长势波动较大，部分区域的生态环境仍较为脆弱；二是Hurst指数分析的植被长势未来呈反持续性的下降趋势，对未来生态环境保护与治理工作不利。建议重点加强农牧水旱灾害的防范能力：开展草原生态保护修复治理项目，做好重点生态区的退耕还林还草工作，增加水源涵养能力；加大力度加强黑土地保护工作，大力建设“旱能灌、涝能排”的高标准农田，保障粮食生产安全；同时提高人工影响天气作业能力，科学开发利用空中云水资源，减轻干旱灾害对农牧业生产的影响。在提高防范能力的同时，还应加强生态环境的日常监测，密切关注生态环境的变化趋势，帮助政府科学、及时进行决策，保障生态环境稳定、健康、可持续发展。