錫林郭勒草原植被覆蓋度時空動態與影響因素分析
2017-04-19 09:09:34張圣微劉廷璽
農業機械學報 2017年3期
張圣微 張 睿 劉廷璽 徐 冉 張 鵬
(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室， 呼和浩特 010018)
錫林郭勒草原植被覆蓋度時空動態與影響因素分析
張圣微1,2張 睿1劉廷璽1,2徐 冉1張 鵬1
(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室， 呼和浩特 010018)
以MODIS地表輻射率數據對內蒙古自治區錫林郭勒草地進行研究，分析了2001—2013年生長季(4—10月份)草甸草原、典型草原、沙地草原和荒漠草原4種草地類型植被覆蓋度(fv)的時空變化特征，用變異系數(Cv)衡量各類草原fv的變化程度，并結合氣象和放牧數據分析氣候變化和人類活動(放牧)對草地fv的影響。結果表明，在不同年份各類型草原fv均表現為由東向西遞減的規律，同類型草原年際間fv呈不顯著波動變化。研究區多年fv的Cv結果表明有78.66%地區屬脆弱和很脆弱水平，其中典型草原和沙地草原屬脆弱級別，而荒漠草原屬很脆弱級別，只有草甸草原屬穩定級別。降水量對fv的影響較大，呈顯著正相關關系；而溫度對fv的影響較小，呈不顯著負相關關系；牲畜養殖數量對fv影響較大，錫林郭勒盟草原的適宜綜合牲畜養殖數量為39只/km2(以標準羊計)。
錫林郭勒草原； 植被覆蓋度； 時空動態； 氣侯變化； 人類活動； 牲畜數量
引言
錫林郭勒草原是中國北方干旱-半干旱草原的典型區。20世紀50年代以來，由于氣候干暖化和人類不合理的土地利用活動，該區生態環境嚴重退化，退化草地、撂荒耕地成為中國華北地區揚沙和沙塵暴的主要源地之一[1]。許多研究者利用遙感手段揭示該地區草地退化的整體狀況，趙冰茹等[1]以2002年4—10月份TERRA/MODIS 1B數據結合地面實測數據，分析錫林郭勒盟各類型草地在其生長期內各個旬度植被指數的變化。王海梅等[2]利用AVHRR和MODIS數據估算的歸一化植被指數(NDVI)分析2002—2007年該地區草原植被變化趨勢，發現草原整體呈現退化趨勢且覆蓋度自東向西依次遞減的空間分布規律。邢旗等[3]利用2002—2003年MODIS數據通過NDVI分級分析草原生長期植被指數空間變化特征，并進行了牧草長勢的對比。司亞輝等[4]利用2002—2006年 MODIS 數據將NDVI做差值運算分析草地長勢變化情況。張圣微等[5]利用MODIS數據計算NDVI，分析了錫林郭勒草原不同類型草地2003—2012年生長季(4—10月份)植被狀況時空特征和變化情況，總體表現為由東北向西南遞減的規律，且不同年度間相同類型草原空間變化基本一致。也有許多學者[6-7]利用MODIS-NDVI數據，分析了氣象因子與植被生態變化特征的關系，不同時期降水量和氣溫在一定范圍內變化時，植被的的生態狀況會呈現出不同的趨勢。國外有些學者[8]也利用MODIS-NDVI數據分析了草原多年植被長勢的空間分布變化，分析了氣候變化和人類活動對草原生態環境的影響。
然而，對于生態系統研究而言植被覆蓋度(fv)是更為常用也更為重要的指標[9-10]，許多研究者注意到NDVI和fv之間有很高的相關性，并建立了許多利用NDVI估算fv的模型，其中像元二分模型應用最為廣泛[11-12]。吳春波等[13]用NDVI對鄱陽湖地區2003年的植被覆蓋度進行了估算，通過實地考察的方式對估算結果進行了驗證。李琳等[14]對懷柔區 1992—2004年植被覆蓋度進行了監測，并對植被覆蓋變化情況進行了統計分析。劉廣峰等[15]采用ETM+數據，在NDVI的基礎上提取了毛烏素沙地的植被指數，用當地實測數據精度檢驗，驗證了以 NDVI為基礎的像元二分模型很適合用在沙漠地區的植被指數提取。馬娜等[16]應用中國環境與災害監測預報小衛星數據及美國陸地衛星數據，計算內蒙古錫林郭勒盟正藍旗的植被覆蓋度空間分布數據，并結合研究區其他權威土地覆蓋和土地利用數據評價了2000—2009年間區域植被覆蓋度動態變化過程。
本文利用2001—2013年(生長季為4—10月份)的MODIS-NDVI數據計算內蒙古錫林郭勒盟草地fv，對錫林郭勒草原4種草原類型[1]多年時空變化和變異系數(Cv)進行分析，同時結合降水量、溫度和牲畜養殖數量數據分析其對fv的影響因素，以期為草地退化、生態健康和區域生態水文研究提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究區概況
錫林郭勒草原位于內蒙古自治區錫林郭勒盟境內，地處115°13′～117°06′E、43°02′～44°52′N，是以高平原為主體，兼有多種地貌的地區。錫林郭勒盟屬于中溫帶半干旱大陸性氣候。大部分地區年降水量200～300 mm，自東向西遞減。錫林郭勒盟擁有18萬km2可利用草場，牲畜飼養規模近8 a穩定在700萬頭(只)以上。區內生態環境具有草原生物群落的基本特征，能全面反映內蒙古草原生態系統的結構和過程，研究區內分布有草甸草原、典型草原、沙地草原和荒漠草原4種代表性草地類型，如圖1所示。
圖1 研究區位置、草地類型及氣象站點分布Fig.1 Location of Xilingol steppe, grassland types and distribution of meteorological stations
1.2 數據源及處理
數據源為2001—2013年MODIS地表反射率產品(MOD09A1)[17]，數據下載自美國NASA的EOS數據中心。根據研究區分布的9個氣象站的數據獲得2001—2013年的降水量和氣溫，放牧數據從胡敏謙主編《內蒙古統計年鑒(2001—2013年)》統計的錫林郭勒各旗縣年末牲畜養殖數量中摘錄得到。
利用MRT(MODIS reprojection tools) 將下載的MOD09A1數據進行格式轉換和投影轉換，把HDF格式轉換為Tiff格式，將SIN地圖投影轉換為Albers_Equal_Area投影，同時完成圖像的空間拼接和重采樣。利用MOD09A1數據中紅光和紅外光波段求得NDVI，并對各月的NDVI數據求平均，再利用內蒙古錫林郭勒盟草原類型分區圖(圖1)剪取錫林郭勒盟2001—2013年逐月NDVI的柵格圖像。最后對研究區生長季(4—10月份)進行平均，得到內蒙古地區各年植被生長季NDVI分布情況，進而得到fv分布情況。具體計算如下：
用MOD09A1數據的第1、2波段反射率數據計算得到研究區NDVI
(1)
圖2 錫林郭勒草原2001—2013各年fv空間分布圖Fig.2 Spatial distributions of fv in Xilingol steppe from 2001 to 2013
式中ρred——紅光波段反射率(對應MOD09A1的第1波段)
ρnir——近紅外波段反射率(對應MOD09A1的第2波段)
利用生長季NDVI計算fv
(2)
式中Vmin——生長季NDVI最小值Vmax——生長季NDVI最大值
利用研究期內fv的多年平均值和標準差求其變異系數
(3)
式中Sfv——研究期內fv多年各個像素點標準差
2 結果與分析
2.1 錫林郭勒草原fv空間變化特征
圖2為研究區2001—2013年fv空間分布圖，可以看出錫林郭勒盟多年fv的空間分布基本一致，從西向東植被覆蓋度在逐漸增大，總體呈現東高西低的趨勢。2012年整個錫林郭勒草原植被覆蓋度最大，植被最好，說明2012年的水文、氣溫等一系列因素都很適合植被生長，該年植被長勢最好。如按照各草地類型劃分可以看出，對于草甸草原，各年情況比較穩定，與其他類型草原相比植被覆蓋度最高。各年相對比可以看出2008、2012、2013年的植被覆蓋度相對較高，2007年相對較差；對于典型草原，整體沒有草甸草原覆蓋度高，其中2008年和2012年相對較高；對于沙地草原，2008年和2012年相對較好，2002年和2013年次之；對于荒漠草原，在2009年的植被空間分布及fv在研究年份里最好，2001、2004、2005年的植被覆蓋度相對較低，2005年最差。13 a總體來看fv的空間分布，整個錫林郭勒盟的植被覆蓋度有所提高，逐漸向好的趨勢發展。
2.2 各類草原fv年度變化特征
4種草原類型草地植被覆蓋度年度變化如圖3所示。從圖3可以看出草甸草原和典型草原的變化趨勢相對一致，而沙地草原和荒漠草原的變化趨勢相對一致。2001—2013年草甸草原fv年度變化整體呈上升趨勢。其中2007年最小，2013年最大，fv平均變化范圍為0.48～0.68，均值為0.59。2007年的生長季平均值為0.48，為近10 a最低值。草甸草原主要群落有貝加爾針茅(Stipabaicalensis)+日陰苔草(Carexpediformis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)+羊草(Leymuschinense)等，大都屬于多年生草本植物，非常適應在該地區生長，故比其他草地類型的植被覆蓋度高。
圖3 2001—2013年各類草原植被覆蓋度變化曲線Fig.3 Interannual variation curves of fv in different grassland types from 2001 to 2013
典型草原fv年度變化整體有上升趨勢。2002年最小，2013年最大，fv平均變化范圍為0.29～0.42，均值為0.34。沙地草原fv年度變化整體波動較大，2002年最小，2012年最大，fv平均變化范圍0.19～0.39，均值為0.31。典型草原和沙地草原的草原群系有所區別，典型草原主要群落有大針茅(Stipagrandis)+羊草(Leymuschinense)+糙隱子草(Cleistogenessongorica)、大針茅(Stipagrandis)+日陰苔草(Carexpediformis)和羊草(Leymuschinense)+大針茅(Stipagrandis)+糙隱子草(Cleistogenessongorica)等[18]。沙地草原主要包括小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)+沙竹(Psammochoavillosa)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)和冷蒿(Artemisiafrigida)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)等灌木及半灌木群種的群落[19]。灌木和半灌木群落多存在于沙地，故fv較小。
荒漠草原fv年度變化整體波動很大，2001年最小，2012年最大，fv平均變化范圍為0.09～0.24，均值為0.14。植被多以上述旱生及超生灌叢和禾草為主，主要為小針茅(Stipaklement)+無芒隱子草(Cleistogenessongorica)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)、沙蔥(Alliumsemenovii)+小針茅(Stipaklement)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)+沙蔥(Alliumsemenovii)+小針茅(Stipaklement)等群落，地表植被覆蓋度小。
2.3 錫林郭勒草原2001—2013年植被覆蓋度變異系數
為了進一步分析研究區多年草原植被變化情況，分析其脆弱程度，通過多年fv求得逐個像元的變異系數(Cv)，如圖4所示。整體的植被覆蓋度年際變異程度較大，變異系數范圍為0.07～0.51。從圖4a可以看出，變異系數的平均值最大為荒漠草原的0.34，最小為草甸草原的0.19。通過Cv可以判斷研究區草原穩定程度，一般分4個級別：非常穩定(Cv≤0.1)、穩定(0.1
2.4 植被覆蓋度的影響因素
2.4.1 氣候因素
利用錫林郭勒盟境內9個氣象站點2001—2013年的年降水量與年均氣溫，結合各年fv建立關系圖。從圖5a可以看出，降水量多集中在100～300 mm之間，fv與降水量呈正線性相關，決定系數為0.283 6(P=0.001)。從圖5b可以看出，fv與氣溫呈負線性相關，決定系數為0.118 7(P=0.16)。說明降水量對植被覆蓋的影響比氣溫大，相關性較為顯著，植被的生長對降水比氣溫要敏感的多。隨著降水量的不斷增多，植被覆蓋度在不斷增加，然而植被覆蓋度隨著氣溫的上升在不斷減小，這說明降水量增多對植被覆蓋度的增加有促進作用，而溫度升高則可能導致蒸騰量增大對植被生長有抑制作用[20-21]。
圖4 各草原類型覆蓋度2001—2013年變異系數及空間分布圖Fig.4 Variation coefficient of different types of grassland and its spatial distribution during 2001—2013
圖5 降水量、氣溫與fv的相關關系Fig.5 Correlation of fv and precipitation and temperature
2.4.2 人為因素
由于錫林郭勒草原的人類活動主要以放牧為主，因此牲畜養殖數量與fv的關系可以反映人為因素對草地覆蓋度的影響。牲畜養殖數量主要包括羊與大牲畜數量，但大牲畜和羊不能以同等食量比較，因此在此以1頭大牲畜的食量為5只標準羊計算[22]。以綜合牲畜養殖數量作為評定與fv關系的指數，并將各旗縣的綜合放牧數與該旗縣的面積相除得到單位面積的綜合放牧數，后續提到的綜合牲畜數量均為每平方千米的載畜量，錫林郭勒盟及各草地類型代表旗縣研究期內的綜合放牧數見表1，由表1可知，全盟多年綜合放牧數為39只/km2(以下均以標準羊計)，各旗縣年際波動不大，但旗縣間差異較大，其中多倫縣綜合放牧數最多，多年平均為142只/km2，蘇尼特左旗最少為27只/km2。
對于錫林郭勒盟的4種草地類型分別以草地類型所在旗縣為代表，其中草甸草原以東烏珠穆沁旗為例，典型草原以錫林浩特為例，荒漠草原以蘇尼特左旗為例，沙地草原以正藍旗為例。
圖6為整個錫林郭勒盟和4種草地類型fv與各年牲畜數量的關系。從圖6a可以看出，當牲畜數量小于39只/km2左右時，fv與牲畜數量的關系呈正相關，說明fv不但沒有受到放牧的影響，反而適當放牧會促進草地生長。而當牲畜數量大于39只/km2時，fv與牲畜數量的關系呈負相關，說明大于該臨界值的放牧行為會降低草地覆蓋度。因此，對于錫林郭勒盟而言39只/km2為適宜的放牧牲畜數量。
但對于不同的草地類型而言該值有所不同，從圖6b和表1可以看出草甸草原區(東烏珠穆沁旗)的牲畜數量控制在56只/km2較為適宜，這樣植被覆蓋度會處于一個最佳穩定狀態。而既有草甸草原也有典型草原的西烏旗和多倫的適宜牲畜數量則分別為72只/km2和100只/km2。典型草原(錫林浩特市)的fv與牲畜數量關系總體呈負相關關系，隨著牲畜數量的增長，植被覆蓋度有所下降，說明典型草原的牲畜數量已經超過了適宜放牧數。因此，以錫林浩特市為例的典型草原，應盡量減少放牧，牲畜數量控制在50只/km2以內。從圖6c可以看出，以蘇尼特左旗為例的荒漠草原各年綜合牲畜數量與fv雖然總體上沒有明顯的相關關系，但是在25～30只/km2間二者呈現負相關，說明對于荒漠草原而言25只/km2已經超過了其適宜放牧強度應盡量減少。從圖6d和表1可以看出對沙地草原(正藍旗)而言其各年綜合牲畜數量為4種草原類型中最多的，且與fv的關系表現為階段變化，當牲畜數量小于90只/km2左右時，fv與牲畜數量呈正相關，而當牲畜數量超過90只/km2時，fv隨牲畜數量的增多而減少，說明90只/km2為較適宜的放牧強度，同樣為沙地草原的正鑲白旗，其情況與正藍旗類似但適宜的綜合牲畜數為75只/km2。
表1 各旗縣2001—2013年單位面積的放牧數(以標準羊計)Tab.1 Livestock number of all counties in Xilingol from 2001 to 2013 (standard sheeps/km2) 只/km2
圖6 fv與錫林郭勒盟及不同草地類型代表區牲畜數量關系Fig.6 Correlations of fv and livestock number of Xilingol and different grassland types
但是由于放牧數據是以旗縣為單位，其邊界無法與草地類型邊界重合。因此，對于一些包含不同草地類型的旗縣而言，其適宜綜合牲畜數不僅受到草地類型的影響，還受到當地其他經濟活動，如旅游業、采礦業和當地經濟導向的影響。如：近年來以東烏旗和西烏旗大規模發展旅游業，牲畜數量在逐漸減少，而以沙地草原為主的正藍旗和正鑲白旗雖然其草地覆蓋率低，但其經濟主要依賴于畜牧業，使得其綜合放牧數較高。
3 結論
(1)錫林郭勒盟草原13 a植被覆蓋度總體呈現帶狀遞變、自東向西依次遞減的空間分布規律。
(2)錫林郭勒草原不同草原類型多年變異程度不盡相同，但生態整體上呈現為比較脆弱。
(3)從各年的氣象數據和牲畜數量與植被覆蓋度的關系得知降水會顯著促使植被覆蓋度的增長，而氣溫的升高則會不顯著的抑制植被覆蓋度。錫林郭勒盟草原整體上單位面積的綜合牲畜數量不宜超過39只/km2(以標準羊計)，這與政府規定30～60畝10只羊即25～50只/km2(以標準羊計)較符合，但從本文的結果看各類型草原的代表區都存在過度放牧情況，而且各種草地類型應區別對待，尤其是沙地草原和荒漠草原應盡量減少放牧數。
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Dynamics of Fractional Vegetation Cover and Its Influence Factors in Xilingol Steppe
ZHANG Shengwei1,2ZHANG Rui1LIU Tingxi1,2XU Ran1ZHANG Peng1
(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China2.KeyLaboratoryofWaterResourceProtectionandUtilizationinInnerMongolia,Huhhot010018,China)
The fractional vegetation cover (fv) is one of the important indicators to reflect the health of grassland ecosystem. However,fvis influenced by both natural factors such as temperature and precipitation, and human activities such as grazing. Thefvestimated by MODIS surface reflectance product (MOD09) was used to analyze the grassland variation in Xilingol steppe. There are four different types grassland in Xilingol steppe, which are temperate meadow, typical steppe, sand steppe and desert steppe. The temporal and spatial variations of those four different types grassland were analyzed in growth seasons (April to October) from 2001 to 2013 byfv. The coefficient of variation (Cv) was used to indicate the changing degree offvduring the study period. Moreover, the climate and livestock data were combined to analyze the effects of climate change and human activities on grassland variations. The results indicated that the spatial distributions offvin different years were similar, which were decreased from east to west. However, the interannual variations of the same type of grassland had no significant fluctuations. The yearlyCvvariations indicated that 78.66% of the study area was in fragile and very fragile level. The typical steppe and sand steppe were in fragile level, and the desert steppe was in very fragile level, but the temperate meadow was in stabile level. The effect of precipitation onfvwas positive and in very significant level. On the contrary, the influence of temperature onfvwas negative and not significant. The livestock number had significant effect onfv, and the suitable livestock number should be 39 standard sheeps/km2in Xilingol steppe.
Xilingol steppe; fractional vegetation cover; temporal and spatial variation; climate change; human activities; livestock number
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.032
2016-07-14
2016-08-24
國家自然科學基金項目(51569017、51269014、51139002)、教育部創新團隊發展計劃項目(IRT13069)、中國博士后科學基金項目(2015M572630XB)和內蒙古自然科學基金項目(2015MS0514)
張圣微(1979—)，男，副教授，博士，主要從事草地和荒漠生態水文及定量遙感研究，E-mail: zsw_imau@163.com
劉廷璽(1966—)，男，教授，博士生導師，主要從事荒漠化地區水文水資源研究，E-mail: txliu1966@163.com
P9
A
1000-1298(2017)03-0253-08
