近15年呼伦贝尔沙质草原植被覆盖变化对气候因子的响应

2018-07-30张惜伟汪季吴领弟丁延龙阿如汗

草地学报 2018年1期

张惜伟，汪季，高永，吴领弟，丁延龙，宝成，阿如汗

( 1. 内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019; 2.内蒙古师范大学地理科学院，内蒙古呼和浩特 010022； 3. 陈巴尔虎旗林业局，内蒙古呼伦贝尔 021500)

草原沙化已成为当前全球重要的生态环境与社会经济问题，威胁着人类的生存与发展[1]。呼伦贝尔草原集中分布于我国呼伦贝尔市中西部区域，受气候变化和人类活动的影响，该区大面积土地在近几十年陆续出现沙化现象，并迅速扩展，由沙质草原向沙地演化[2-3]，目前该地区已形成并保存有大量不同规模、形态和发展阶段的风蚀坑[4]。风蚀坑是沙质草原沙带或沙丘地形成发展的起始形态，也是草地生态系统中的主要地表过程之一，其形成直接影响植被等其它地表过程，并导致沙质草原地区的景观格局复杂化和异质性增强。保护沙质草原区植被和地表土层不受破坏是防止风蚀坑发生发展的关键。

植被覆盖度被认为是表征生态环境变化的敏感指标[5]，目前多采用归一化植被指数 (normalized difference vegetation Index，NDVI) 来表征区域地表植被覆盖状况[6]。地表植被覆盖状况主要受气候因子与人为活动的双重影响，目前相关研究一致认为地表植被与气温、降水条件等气候因子紧密相关[7-13]。马玉玲等[14]依据草原植被图提取NDVI指数，并测算其与区域气象数据的相关性，分析呼伦贝尔沙地草原植被变化与气候变暖的关系；李云鹏等[15]基于遥感数据和实地调查得出降水和气温变化是导致呼伦贝尔草原退化面积迅速增加的主要原因；张戈丽等[16]基于1981-2009年的近30年遥感和同期气象站点数据，从年际、季节、月份等角度分析了呼伦贝尔草原植被生长与各气候因子间的变化关系。可见，气温与降水对植被生长都有影响，但哪个因子的影响更为显著，不同学者观点不同[16-19]。

基于降水和气温变化具有时间分配不均的特点，从年际变化、季节变化角度分析能够更充分体现气候因子变化对植被不同生长阶段的影响，本研究采用近15年的呼伦贝尔沙质草原地区MODIS NDVI数据，反演了研究区植被覆盖状况，同时结合该区6个气象站点的气象数据，从年际间、季节变化等角度探讨了气温、降水等变化对植被生长不同阶段的影响机制，为该区防沙治沙工作提供科学参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

呼伦贝尔沙质草原处于呼伦贝尔草原腹地，其地理坐标在118°22′～121°02′ E，48°48′～50°12′ N间。呼伦贝尔沙质草原所属鄂温克族自治旗、陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、满洲里市、海拉尔区等6个旗(市、区)，沙质草原东部为大兴安岭西麓丘陵漫岗，西部至呼伦湖和克鲁伦河，南与蒙古国相连，北达海拉尔河北岸(图1)。沙地土地总面积835.9 万hm2，其中沙化土地总面积为130.5 万hm2，有明显沙化趋势的土地面积110.6 万hm2[20]，主要有3条沙带，呈不规则分布于呼伦贝尔草原的核心区域[2]。

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of study area

呼伦贝尔沙质草原属中温带半干旱草原气候，年降水量280～400 mm，干冷多风，全年主风向为西南风和西风；海拔600～800 m，以呼伦湖为最低，海拔545 m。区内土壤以风沙土为主，主要集中在沙化带及其外围沙质草原，土壤肥力水平低。沙质草原天然地带性优势植物主要为羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncriatatum)、糙隐子草(Cleistogenessquarvosa)等。沙米(Agriophyllumpungens)、猪毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)等季节性一年生植物呈单一群落分布，构成半干旱草原区沙化草地特有植被景观[21]。

1.2 数据来源与处理

1.2.1MODIS数据分析本研究采用中国科学院计算机网络信息中心供下载的MOD13Q1(250 m分辨率；植被指数16 d合成)产品，该数据来源于美国国家航空与航天局(NASA)。由MODIS中国区产品行列号分布图，确定研究区范围包括3个行列号，即 h25v03、h25v04和h26v04。考虑研究区内大多数植被在冬季几乎停止生长或被积雪覆盖的因素，选取每年4-10月份植被生长季的MODIS数据，即第113～289 d的数据的逐月对应情况(表1)，其中4月只选后半月、10月只选前半月各一组影像数据。应用MODIS Reprojection Tools(MRT)软件对下载数据进行预处理[22]。

对于处理好的MODIS NDVI数据，采用最大合成法MVC (maximum value composites, MVC)获取月最大NDVI值，该方法可以进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰[23-24]。分别采用公式 (1) 和公式 (2) 计算，其中NDVI1和 NDVI2在此表示属于该月份的2 d (或1 d) NDVI 值。公式为：

MNDVIi=Max(NDVI1,NDVI2)

(1)

同样采用MVC方法，获取季节最大NDVI值，公式为：

SNDVIiMax=Max(MNDVI1,MNDVI2,…MNDVI3) (2)

对每年的植被生长季(4-9月份)，即春、夏、秋季NDVI值进行求均值，生成近15年逐年年均 NDVI值，公式为：

YNDVIiMax=Average(SNDVI1,SNDVI2,…SNDVI3)

(3)

1.2.2数据分析本研究选取2000-2015年间，研究区所属6个气象站点的月平均温度和降水量等气象数据，该数据主要来源于中国气象数据网的中国地面气候资料月值数据集[25]和内蒙古气象局信息中心。对其月值数据求逐年平均，作为整个研究区的季、年均温度和降水量数据。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆盖变化与气候因子线性回归分析采用最小二乘法拟合NDVI、温度、降水量随时间的变化速率，可采用一次线性方程表示，即公式(4)，并采用相关系数进行显著性检验。

y=at+b,t=1,2,…,n(n50)

(4)

1.3.2植被覆盖变化对气候因子的响应分析地理系统是一个开放的系统，它表现出受各种外界因子的影响而随时间不断变化的动态特性，而各个外界因子之间又是相互影响而变化，这个问题可采用偏相关分析方法解决。偏相关分析是指当两个变量同时与第三个变量相关时，将第三个变量的影响剔除，只分析另外两个变量之间相关程度的过程[17-19,26-27]。计算公式为：

(5)

式中，rxy·z为变量z固定后变量x与y的偏相关系数；rxy为变量x与变量y的相关系数；ryz为变量y与变量z的相关系数；rxz为变量x与变量z的相关系数。

其中，相关系数计算公式[17-19,26-27]为：

(6)

偏相关系数的显著性检验，采用t检验法，其统计量计算公式[26-27]为：

(7)

式中，r12,34...m为偏相关系数；n为样本数；m为自变量个数。查t分布表，可得出不同显著水平上的临界值ta，若t>ta，则表示偏相关显著；反之，t

2 结果与分析

2.1 NDVI空间格局特征

从2015年的年均NDVI分布区域看(图3)，NDVI值介于0.35～0.5的面积最大，占沙质草原总面积的43.45%；NDVI值介于0.5～0.65和>0.65范围，分别占比23.6%和12.36%，主要集中分布于呼伦贝尔沙质草原的东北部、东南部，具体在陈巴尔虎旗的东北部区域、鄂温克旗的中东部区域及新巴尔虎左旗的东南部区域，该区域属呼伦贝尔地区中部，与东部林区接壤，是草地向林地的过渡地带，植被覆盖状况较好；NDVI值介于0.2～0.35的范围占比为17.59%，主要分布于呼伦贝尔沙质草原西部新巴尔虎右旗的大部分区域、毗邻新巴尔虎右旗的新巴尔虎左旗西部区域，以及陈巴尔虎旗中部的沙带区域，这些区域沙化状况相对严重，导致植被覆盖状况较差；而NDVI值<0.2范围的面积最小，仅约占沙地总面积的3%，主要是湖泊水域等。

2.2 沙质草原植被覆盖年际变化对气候因子的响应

2.2.1植被覆盖年际变化特征由公式(4)获取呼伦贝尔沙质草原不同年份的年均NDVI值。可知，各年年均NDVI值均在0.40以上，该区植被覆盖状况良好；近15年的年均NDVI值呈波动上升变化趋势(图3)，说明该区植被呈逐年波动改善趋势，尤其是2010年后，植被覆盖状况呈显著改善趋势。

图2 NDVI空间格局特征Fig.2 Spatial pattern of NDVI inHulun Buir grassland

图3 2000-2015年NDVI年际变化Fig.3 Variation of annual NDVI among 2000-2015

2.2.2植被覆盖年际变化对气候因子的响应呼伦贝尔沙质草原区年均温和降水量变化状况(图4)：2000-2006年期间的年均温呈小幅波动的平稳提升趋势；2007-2015年间，年均温呈先下降又上升的趋势，其中2009-2013年间的年均温持续处于零下摄氏度状态。降水量年际变化趋势，呈小幅波动平稳上升趋势，尤以2010年后表现明显，持续走高，到2013年出现拐点，年均降水量达400 mm以上，是降水丰年。

对2000-2015 年的年均NDVI值与温度、降水量作相关和偏相关分析(表2)，检验研究区植被覆盖年际变化与气候因子之间的相关性。结果表明，年均NDVI值和降水量的关系极显著，相关系数、偏相关系数均在0.700左右(P<0.01)；而年均NDVI值与温度的相关分析结果均未达到显著。说明该区植被覆盖的年际变化与降水量关系较温度更为密切。但降水量和温度变化具有时间尺度上的差异性，仅通过植被与气候因子的年均值在年际变化尺度上的关系，还不能充分说明该区植被覆盖变化主要受降水因子的影响。因此，需要进行生长季期间研究区植被与气候因子的季节变化关系分析。

图4 2000-2015年年均温和降水变化Fig.4 Variations of annualindicate temperature and precipitation among 2000-2015

表2 2000-2015年NDVI与温度、降水量的相关系数Table 2 Correlation coefficients between NDVI and climatic elements among 2000-2015

注：**为在0.01水平(双侧)上显著相关，下同

Note：** indicates significantly difference at the 0.01 level (bilateral), the same as below

2.3 沙质草原植被覆盖季节变化对气候因子的响应

2.3.1植被覆盖季节变化特征由公式(3)获取研究区各年的各季节NDVI值。冬季植被休眠，因而仅分析春季、夏季和秋季植被覆盖的年际变化趋势。2000-2015年，研究区不同季节植被覆盖变化整体呈不显著增加趋势(图5)，其中夏季的NDVI值自2010年后，呈显著提高趋势；春季植被覆盖变化较为明显，NDVI波动幅度较大；而有些年份表现出春、秋两季的NDVI值变化趋势相反的现象，其相关系数为-0.152，相关性较弱，这可能与植被生长期提前或延长有关。

图5 2000-2015年NDVI的春季、夏季和秋季变化Fig.5 Variations of NDVI of different seasons among 2000-2015

2.3.2植被覆盖季节变化对气候因子的响应研究区春季秋季气温变化趋势较一致，均呈平稳波动趋势，而夏季均温呈不显著降低趋势；降水量变化，尤其是夏季降水量变化，存在一定的差异(图6，图7)。具体看，三个季节气温均趋于平稳，夏季均温集中在20℃上下，自2010年后，气温呈不显著降低趋势；春季、秋季均温集中分布于-2～5℃之间，变化不显著；与全年平均气温的年际变化相比，春季、夏季气温的变化趋势与全年变化趋势有较显著的一致性，其相关系数分别为0.533和0.443(P<0.05)。三个季节降水变化趋势则不一致，夏季降水自2010年后，呈波动增加趋势，变化较显著；春季、秋季降水则趋于平稳，波动不明显；与全年平均降水年际变化相比，夏季降水的变化趋势与全年变化趋势较一致，其相关系数为0.955，在0.01水平上达到显著。因此，春季、秋季气温和降水呈不显著波动趋势；自2010年后，夏季气温呈不显著降低趋势，夏季降水则呈显著波动增加趋势。

图6 2000-2015年季节气温变化Fig.6 Variations of season indicate temperature among 2000-2015

图7 2000-2015年季节降水量变化Fig.7 Variations of season precipitation among 2000-2015

对表征不同季节植被覆盖状况的季节NDVI值与温度、降水量分别作相关和偏相关分析 (表3)可知，不同季节植被对气候因子变化的响应不同。春季植被生长与降水量关系显著，相关系数、偏相关系数均接近0.700(P<0.01)；夏季植被生长，尽管受温度影响很大，但受降水量变化影响比温度更显著，从0.714的相关系数可以看出；秋季植被生长与降水量和温度的变化关系皆不显著，但受温度的影响相对大一些。

3 讨论

3.1 呼伦贝尔沙质草原植被覆盖状况年际间、季节变化

近15年的年均NDVI值呈不显著上升趋势、夏季NDVI值自2010年后的波动上升趋势皆说明该区植被呈逐年波动改善趋势。随着“三北”防护林体系建设等林业生态工程，以及退牧还草工程、草原沙化防治工程等一批防沙治沙、植被恢复工程的全面实施[28]，研究区以国家重点治沙工程带动进行防沙治沙综合治理等有效性从年均NDVI值的变化趋势得到验证。根据2015年的年均NDVI(生长季)空间格局看，高植被覆盖指数主要分布于呼伦贝尔沙质草原的东北部、东南部区域，而中西部区域分布的沙带特征，及其西部、西南部区域的重沙化地带性分布特征显著，说明呼伦贝尔草原虽然处于干旱、半干旱地段，但大部分地区植被覆盖状况良好，该区域生态保护和植被恢复工程的效果显著。

3.2 呼伦贝尔沙质草原植被覆盖变化的气候因子

总体上，研究区的植被覆盖状况主要呈现东高西低的分布格局，此研究结果与彭飞等[22]研究结论一致，反映出北部的海拉尔沙带及其研究区的西南部相对于其他区域，草原退化严重的现象。导致植被覆盖变化的因素一般分为自然因素和人类活动因素，其中气温和降水是最主要的两个自然因素[29-30]。地处半干旱草原气候的研究区，植被覆盖的年际变化与降水关系较气温更为密切，降水是驱动沙质草原植被覆盖状况年际变化的主要因素，这一结论与张戈丽等[16]、穆少杰等[27]和梁艳等[10]得出降水是驱动草地植被年际变化的主要因素的研究结果一致。研究区植被生长在不同季节对水热条件变化的敏感性不同，春季、夏季植被生长对降水变化的敏感性较气温变化高，这与张戈丽等[16]得出春季植被变化受气温变化的影响较其他季节明显，但不显著的研究结果不一致，是因为研究时点的不同所致。张戈丽等[16]研究时点截止到2006年，该时点内，春季和夏季的气温均呈波动性逐年上升的趋势，降水状况是春季上升，夏季逐年下降的趋势。而本研究的时点是2000-2015年，根据收集的气象数据得出自2010年之后的夏季气温变化趋势是不显著降低，夏季降水量是逐年显著增加，可知，2010年后研究区的气候变化趋势有所改变。这种改变正有利于处于半干旱地带的研究区夏季植被的生长，与本研究得出的夏季MODIS NDVI数据自2010年后呈波动性增长趋势的结论相一致，进而也验证了本研究区引用气象数据的准确性。