荒漠草原植被動態變化及其與水熱的響應關系

郝偉罡，李錦榮，郭建英，申 軍，張 生

(1.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古呼和浩特 010020;2.內蒙古水土保持工作站，內蒙古呼和浩特 010018;3.內蒙古農業大學，內蒙古呼和浩特 010018;4.謝菲爾德大學建筑系，英國 謝菲爾德 S13JD，UK)

氣候條件是一個極其重要的生態因子，直接影響植被的分布與變化。植被既是氣候變化的直接響應者，又對氣候變化產生一定的反饋作用，可在區域尺度上緩減或促進氣候變化的幅度。因此，關于植被覆蓋動態變化及其與氣候因子的響應關系，已成為全球變化研究中的熱點問題和重要內容之一[1-4]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)是通過遙感數據提取信息后用圖像反映地表植被狀況的指標，能夠較為精確地反映地表植被覆蓋度、生物量的動態變化過程。因此，NDVI在區域、各大陸乃至全球的大尺度上的植被類型分類，植被動態監測，土地覆被/利用分類及其變化，水、旱等自然災害監測，植被物候期監測，農作物長勢監測等不同方面，目前已經得到廣泛應用，效果良好[5-9]。 MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer)數據從2000年開始獲取數據，其空間分辨率(250m)比SPOT-VG、TAVHRR、TM遙感數據等相對差一些，但其時間序列完整，在研究不同時空尺度下植被覆蓋的演化格局、驅動機制、植被動態監測、植被變化與氣候要素的響應規律等方面，具有廣闊的應用前景[10-15]。

荒漠草原的年降水量小于200 mm，其氣候條件惡劣，干燥，少雨，是我國生態環境極為脆弱的主要區域之一。特別是地處內蒙古達爾罕茂明安聯合旗(簡稱達茂旗)的荒漠草原，隨著人類不合理的放牧和開墾以及礦物開采，草原荒漠化進程加劇，且關于該地區植被動態變化以及NDVI值與氣候因子相互關系的研究比較欠缺。因此，筆者采用遙感數據和氣象資料相結合的方法，系統分析達茂旗地區植被覆蓋度的動態變化及其與降水量、氣溫的相互關系，以期對當地及其周邊類似地區的草地生產與經濟社會的可持續發展提供一定的指導。

1 研究區概況

達茂旗位于內蒙古自治區中部地區、陰山北麓的烏蘭察布高平原地帶，東與烏蘭察布市的四子王旗相連，西與巴彥淖爾盟烏拉特中旗為鄰，北面為蒙古國南部的戈壁地帶，南為呼和浩特市的武川縣及包頭市固陽縣，為草原向荒漠草原過渡的典型地帶，生態環境極其脆弱，土壤侵蝕以風蝕為主，伴有季節性的水蝕。地理坐標為北緯41°20'～42°47'，東經109°16'～ 111°25'，南北寬約 160 km，東西跨度約150 km，全旗地域遼闊，土地總面積達18177 km2;氣候類型為中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為259 mm，多年平均氣溫為3.5℃;風向主要以西北風為主，多年平均風速為4.3 m/s，多年平均大風日數為22～27d，沙塵暴日數為10～15d;在長期的自然和人為因素的綜合干擾下，草地風蝕沙化，水土流失加重，土地鹽漬化加劇，草場生產力持續減退，草地荒漠化程度日趨嚴重，生態環境進一步惡化[16]。

2 數據來源及分析

2.1 數據來源及處理

遙感數據來源于美國的MODIS數據，該遙感數據為16 d最大值合成植被指數的(MOD13A1)數據產品[14-15]，遙感數據的空間分辨率為250 m，由于研究區冬季寒冷、多雪，地表在整個冬季大部分時間有殘留積雪，導致冬季NDVI值與實際植被狀況會存在較大偏差。因此，研究選取遙感數據的時間序列為2000—2010年每年的5—9月份。采用MRT軟件對MODIS數據產品進行數據處理，獲取不同年際及其年內不同月份的NDVI數據;最后利用MVC(model view controller)法將2000—2010年期間每年5—9月份5期的NDVI數據進行最大值合成，獲取年內的最大NDVI值，代表當年該地區植被生長最好的情況，然后將2000—2010年各年的最大化NDVI值進行加和平均，作為整個研究區當年的NDVI值，最后通過對比分析研究區植被年際間的動態變化[14-18]。氣象數據為達茂旗百靈廟氣象站多年實測的數據。

2.2 數據分析

運用趨勢、相關等多元統計方法，分析研究區NDVI值年際、年內變化與氣溫、降水量之間的線性回歸關系，反映該地區植被的NDVI變化與主要氣候因子之間的反饋機制。

3 結果與分析

3.1 NDVI年內變化規律

通過逐象元計算達茂旗荒漠草原2000—2010年生長季5—9月各月的平均NDVI值，結果見圖1。由圖1可知，達茂旗荒漠草原的NDVI值年內變化在草地植被生長期內均呈單峰型，NDVI值的年最大值一般出現在8月份。在年際變化方面，不同年度NDVI值的年內最大值和生長季(5—9月份)平均值的差別較大，而年際間NDVI值平均相差較小，變異系數為0.92%。荒漠草原在4月下旬解凍后，5月上旬開始返青，NDVI值在6月上旬開始明顯增大，之后迅速增加，至7月下旬時達到一個較高的值，而后在8月上旬緩慢增加并達到峰值，然后在9月上旬草地植被開始枯黃，NDVI值迅速下降。

圖1 達茂旗荒漠草原NDVI值年內變化

3.2 NDVI值的年際變化

圖2 達茂旗荒漠草原NDVI值年際變化

2000—2010年達茂旗荒漠草原NDVI值年際變化見圖2。由圖2可知，達茂旗NDVI值從2000—2010年呈整體降低的趨勢，多年平均NDVI最大值為0.32，出現在2004年，最小為2009年的0.19，相差波動程度強，沒有明顯的線性關系，說明荒漠草原的抗干擾能力差，草地呈現出退化的趨勢。

3.3 NDVI值與氣候因子年際變化之間的關系

從圖3、圖4可見，達茂旗的年降水量主要集中在5—8月份，占全年總降水量的70%以上，且年際間變化較大，呈現減少的趨勢;有效積溫也集中在5—8月份，年際間變化較小，呈微弱的增加趨勢。因此，用7—8月份NDVI的平均值，代表年內植被生長狀況;同時考慮NDVI值與氣候因子存在滯后現象，用5—8月各月份溫度、降水量的累計值代表當年的氣候特征，分析研究區植被與氣候因子年際間的變化趨勢。圖5的結果表明，溫度對牧草生長發育的影響主要表現在7、8月份，氣溫高，熱量條件好，加之該季節降水相對較多，有利于草原植被的快速生長，但也因蒸散耗水增大，對草地產生一定的負面影響;降水量與NDVI值呈顯著正相關，相關系數為0.893。由此可見，在達茂旗荒漠草原地區植被的年際波動受雨水多少的影響極為明顯，但氣溫也是一個主要的干擾因素。

圖3 達茂旗荒漠草原2000—2010年平均氣溫與降水量年內變化

圖4 達茂旗荒漠草原2000—2010年有效積溫與降水量年際變化

圖5 達茂旗荒漠草原區7—8月平均NDVI與5—8月氣候相關圖

4 結語

降水量和氣溫變化是限制達茂旗荒漠草原植被生長的主要氣候因素，因此，通過長時間序列對比分析植被變化與氣溫、降水量變化的相互關系，可以探索研究區草地植被環境變化的主要誘導因素。2000—2010年達茂旗地區的降水呈減少的趨勢，年平均降水量比10年前減少約22%，溫度呈現微弱的增加趨勢，但時間序列長度相對較短，還需進一步跟蹤監測研究。

植被生長的季節變化會造成NDVI值的季節性增大和減少;同樣，時間序列年平均NDVI值也反映出植被生長的年際變化。2000—2010年達茂旗荒漠草原植被活動的波動性較大，整體上呈現出退化的趨勢。影響NDVI值年內變化最顯著的氣候因子是有效積溫和降水量，降水量是影響NDVI值年際波動的主要因素，降水量越大，草原植被的長勢越明顯。如2004年降水量為319 mm，其NDVI值為0.32，是2009年(降水量僅為112 mm)NDVI值的1.7倍，降水量與NDVI值呈現顯著的相關性。綜合分析降水量和氣溫資料表明:達茂旗地區氣候2000—2010年的變化趨勢比較小，但總體在向暖干化方向發展。如這種趨勢持續發展，將不利于當地植被生長和生態環境的改善。因此，應加強該地區草原的治理保護工作，制定科學高效的利用制度。

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