近15年呼倫貝爾沙質草原植被覆蓋變化對氣候因子的響應

張惜偉， 汪季， 高 永， 吳領弟， 丁延龍， 寶 成，阿如汗

( 1. 內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010019; 2.內蒙古師范大學 地理科學院，內蒙古 呼和浩特 010022； 3. 陳巴爾虎旗林業局，內蒙古 呼倫貝爾 021500)

草原沙化已成為當前全球重要的生態環境與社會經濟問題，威脅著人類的生存與發展[1]。呼倫貝爾草原集中分布于我國呼倫貝爾市中西部區域，受氣候變化和人類活動的影響，該區大面積土地在近幾十年陸續出現沙化現象，并迅速擴展，由沙質草原向沙地演化[2-3]，目前該地區已形成并保存有大量不同規模、形態和發展階段的風蝕坑[4]。風蝕坑是沙質草原沙帶或沙丘地形成發展的起始形態，也是草地生態系統中的主要地表過程之一，其形成直接影響植被等其它地表過程，并導致沙質草原地區的景觀格局復雜化和異質性增強。保護沙質草原區植被和地表土層不受破壞是防止風蝕坑發生發展的關鍵。

植被覆蓋度被認為是表征生態環境變化的敏感指標[5]，目前多采用歸一化植被指數 (normalized difference vegetation Index，NDVI) 來表征區域地表植被覆蓋狀況[6]。地表植被覆蓋狀況主要受氣候因子與人為活動的雙重影響，目前相關研究一致認為地表植被與氣溫、降水條件等氣候因子緊密相關[7-13]。馬玉玲等[14]依據草原植被圖提取NDVI指數，并測算其與區域氣象數據的相關性，分析呼倫貝爾沙地草原植被變化與氣候變暖的關系；李云鵬等[15]基于遙感數據和實地調查得出降水和氣溫變化是導致呼倫貝爾草原退化面積迅速增加的主要原因；張戈麗等[16]基于1981-2009年的近30年遙感和同期氣象站點數據，從年際、季節、月份等角度分析了呼倫貝爾草原植被生長與各氣候因子間的變化關系。可見，氣溫與降水對植被生長都有影響，但哪個因子的影響更為顯著，不同學者觀點不同[16-19]。

基于降水和氣溫變化具有時間分配不均的特點，從年際變化、季節變化角度分析能夠更充分體現氣候因子變化對植被不同生長階段的影響，本研究采用近15年的呼倫貝爾沙質草原地區MODIS NDVI數據，反演了研究區植被覆蓋狀況，同時結合該區6個氣象站點的氣象數據，從年際間、季節變化等角度探討了氣溫、降水等變化對植被生長不同階段的影響機制，為該區防沙治沙工作提供科學參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

呼倫貝爾沙質草原處于呼倫貝爾草原腹地，其地理坐標在118°22′～121°02′ E，48°48′～50°12′ N間。呼倫貝爾沙質草原所屬鄂溫克族自治旗、陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、滿洲里市、海拉爾區等6個旗(市、區)，沙質草原東部為大興安嶺西麓丘陵漫崗，西部至呼倫湖和克魯倫河，南與蒙古國相連，北達海拉爾河北岸(圖1)。沙地土地總面積835.9 萬hm2，其中沙化土地總面積為130.5 萬hm2，有明顯沙化趨勢的土地面積110.6 萬hm2[20]，主要有3條沙帶，呈不規則分布于呼倫貝爾草原的核心區域[2]。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Sketch map of study area

呼倫貝爾沙質草原屬中溫帶半干旱草原氣候，年降水量280～400 mm，干冷多風，全年主風向為西南風和西風；海拔600～800 m，以呼倫湖為最低，海拔545 m。區內土壤以風沙土為主，主要集中在沙化帶及其外圍沙質草原，土壤肥力水平低。沙質草原天然地帶性優勢植物主要為羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncriatatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarvosa)等。沙米(Agriophyllumpungens)、豬毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)等季節性一年生植物呈單一群落分布，構成半干旱草原區沙化草地特有植被景觀[21]。

1.2 數據來源與處理

1.2.1MODIS數據分析 本研究采用中國科學院計算機網絡信息中心供下載的MOD13Q1(250 m分辨率；植被指數16 d合成)產品，該數據來源于美國國家航空與航天局(NASA)。由MODIS中國區產品行列號分布圖，確定研究區范圍包括3個行列號，即 h25v03、h25v04和h26v04。考慮研究區內大多數植被在冬季幾乎停止生長或被積雪覆蓋的因素，選取每年4-10月份植被生長季的MODIS數據，即第113～289 d的數據的逐月對應情況(表1)，其中4月只選后半月、10月只選前半月各一組影像數據。應用MODIS Reprojection Tools(MRT)軟件對下載數據進行預處理[22]。

對于處理好的MODIS NDVI數據，采用最大合成法MVC (maximum value composites, MVC)獲取月最大NDVI值，該方法可以進一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾[23-24]。分別采用公式 (1) 和公式 (2) 計算，其中NDVI1和 NDVI2在此表示屬于該月份的2 d (或1 d) NDVI 值。公式為：

MNDVIi=Max(NDVI1,NDVI2)

(1)

同樣采用MVC方法，獲取季節最大NDVI值，公式為：

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

對每年的植被生長季(4-9月份)，即春、夏、秋季NDVI值進行求均值，生成近15年逐年年均 NDVI值，公式為：

YNDVIiMax=Average(SNDVI1,SNDVI2,…SNDVI3)

(3)

1.2.2數據分析 本研究選取2000-2015年間，研究區所屬6個氣象站點的月平均溫度和降水量等氣象數據，該數據主要來源于中國氣象數據網的中國地面氣候資料月值數據集[25]和內蒙古氣象局信息中心。對其月值數據求逐年平均，作為整個研究區的季、年均溫度和降水量數據。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋變化與氣候因子線性回歸分析 采用最小二乘法擬合NDVI、溫度、降水量隨時間的變化速率，可采用一次線性方程表示，即公式(4)，并采用相關系數進行顯著性檢驗。

y=at+b,t=1,2,…,n(n50)

(4)

1.3.2植被覆蓋變化對氣候因子的響應分析 地理系統是一個開放的系統，它表現出受各種外界因子的影響而隨時間不斷變化的動態特性，而各個外界因子之間又是相互影響而變化，這個問題可采用偏相關分析方法解決。偏相關分析是指當兩個變量同時與第三個變量相關時，將第三個變量的影響剔除，只分析另外兩個變量之間相關程度的過程[17-19,26-27]。計算公式為：

(5)

式中，rxy·z為變量z固定后變量x與y的偏相關系數；rxy為變量x與變量y的相關系數；ryz為變量y與變量z的相關系數；rxz為變量x與變量z的相關系數。

其中，相關系數計算公式[17-19,26-27]為：

(6)

偏相關系數的顯著性檢驗，采用t檢驗法，其統計量計算公式[26-27]為：

(7)

式中，r12,34...m為偏相關系數；n為樣本數；m為自變量個數。查t分布表，可得出不同顯著水平上的臨界值ta，若t>ta，則表示偏相關顯著；反之，t

2 結果與分析

2.1 NDVI空間格局特征

從2015年的年均NDVI分布區域看(圖3)，NDVI值介于0.35～0.5的面積最大，占沙質草原總面積的43.45%；NDVI值介于0.5～0.65和>0.65范圍，分別占比23.6%和12.36%，主要集中分布于呼倫貝爾沙質草原的東北部、東南部，具體在陳巴爾虎旗的東北部區域、鄂溫克旗的中東部區域及新巴爾虎左旗的東南部區域，該區域屬呼倫貝爾地區中部，與東部林區接壤，是草地向林地的過渡地帶，植被覆蓋狀況較好；NDVI值介于0.2～0.35的范圍占比為17.59%，主要分布于呼倫貝爾沙質草原西部新巴爾虎右旗的大部分區域、毗鄰新巴爾虎右旗的新巴爾虎左旗西部區域，以及陳巴爾虎旗中部的沙帶區域，這些區域沙化狀況相對嚴重，導致植被覆蓋狀況較差；而NDVI值<0.2范圍的面積最小，僅約占沙地總面積的3%，主要是湖泊水域等。

2.2 沙質草原植被覆蓋年際變化對氣候因子的響應

2.2.1植被覆蓋年際變化特征 由公式(4)獲取呼倫貝爾沙質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，該區植被覆蓋狀況良好；近15年的年均NDVI值呈波動上升變化趨勢(圖3)，說明該區植被呈逐年波動改善趨勢，尤其是2010年后，植被覆蓋狀況呈顯著改善趨勢。

圖2 NDVI空間格局特征Fig.2 Spatial pattern of NDVI inHulun Buir grassland

圖3 2000-2015年NDVI年際變化Fig.3 Variation of annual NDVI among 2000-2015

2.2.2植被覆蓋年際變化對氣候因子的響應 呼倫貝爾沙質草原區年均溫和降水量變化狀況(圖4)：2000-2006年期間的年均溫呈小幅波動的平穩提升趨勢；2007-2015年間，年均溫呈先下降又上升的趨勢，其中2009-2013年間的年均溫持續處于零下攝氏度狀態。降水量年際變化趨勢，呈小幅波動平穩上升趨勢，尤以2010年后表現明顯，持續走高，到2013年出現拐點，年均降水量達400 mm以上，是降水豐年。

對2000-2015 年的年均NDVI值與溫度、降水量作相關和偏相關分析(表2)，檢驗研究區植被覆蓋年際變化與氣候因子之間的相關性。結果表明，年均NDVI值和降水量的關系極顯著，相關系數、偏相關系數均在0.700左右(P<0.01)；而年均NDVI值與溫度的相關分析結果均未達到顯著。說明該區植被覆蓋的年際變化與降水量關系較溫度更為密切。但降水量和溫度變化具有時間尺度上的差異性，僅通過植被與氣候因子的年均值在年際變化尺度上的關系，還不能充分說明該區植被覆蓋變化主要受降水因子的影響。因此，需要進行生長季期間研究區植被與氣候因子的季節變化關系分析。

圖4 2000-2015年年均溫和降水變化Fig.4 Variations of annualindicate temperature and precipitation among 2000-2015

表2 2000-2015年NDVI與溫度、降水量的相關系數Table 2 Correlation coefficients between NDVI and climatic elements among 2000-2015

注：**為在0.01水平(雙側)上顯著相關，下同

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

2.3 沙質草原植被覆蓋季節變化對氣候因子的響應

2.3.1植被覆蓋季節變化特征 由公式(3)獲取研究區各年的各季節NDVI值。冬季植被休眠，因而僅分析春季、夏季和秋季植被覆蓋的年際變化趨勢。2000-2015年，研究區不同季節植被覆蓋變化整體呈不顯著增加趨勢(圖5)，其中夏季的NDVI值自2010年后，呈顯著提高趨勢；春季植被覆蓋變化較為明顯，NDVI波動幅度較大；而有些年份表現出春、秋兩季的NDVI值變化趨勢相反的現象，其相關系數為-0.152，相關性較弱，這可能與植被生長期提前或延長有關。

圖5 2000-2015年NDVI的春季、夏季和秋季變化Fig.5 Variations of NDVI of different seasons among 2000-2015

2.3.2植被覆蓋季節變化對氣候因子的響應 研究區春季秋季氣溫變化趨勢較一致，均呈平穩波動趨勢，而夏季均溫呈不顯著降低趨勢；降水量變化，尤其是夏季降水量變化，存在一定的差異(圖6，圖7)。具體看，三個季節氣溫均趨于平穩，夏季均溫集中在20℃上下，自2010年后，氣溫呈不顯著降低趨勢；春季、秋季均溫集中分布于-2～5℃之間，變化不顯著；與全年平均氣溫的年際變化相比，春季、夏季氣溫的變化趨勢與全年變化趨勢有較顯著的一致性，其相關系數分別為0.533和0.443(P<0.05)。三個季節降水變化趨勢則不一致，夏季降水自2010年后，呈波動增加趨勢，變化較顯著；春季、秋季降水則趨于平穩，波動不明顯；與全年平均降水年際變化相比，夏季降水的變化趨勢與全年變化趨勢較一致，其相關系數為0.955，在0.01水平上達到顯著。因此，春季、秋季氣溫和降水呈不顯著波動趨勢；自2010年后，夏季氣溫呈不顯著降低趨勢，夏季降水則呈顯著波動增加趨勢。

圖6 2000-2015年季節氣溫變化Fig.6 Variations of season indicate temperature among 2000-2015

圖7 2000-2015年季節降水量變化Fig.7 Variations of season precipitation among 2000-2015

對表征不同季節植被覆蓋狀況的季節NDVI值與溫度、降水量分別作相關和偏相關分析 (表3)可知，不同季節植被對氣候因子變化的響應不同。春季植被生長與降水量關系顯著，相關系數、偏相關系數均接近0.700(P<0.01)；夏季植被生長，盡管受溫度影響很大，但受降水量變化影響比溫度更顯著，從0.714的相關系數可以看出；秋季植被生長與降水量和溫度的變化關系皆不顯著，但受溫度的影響相對大一些。

3 討論

3.1 呼倫貝爾沙質草原植被覆蓋狀況年際間、季節變化

近15年的年均NDVI值呈不顯著上升趨勢、夏季NDVI值自2010年后的波動上升趨勢皆說明該區植被呈逐年波動改善趨勢。隨著“三北”防護林體系建設等林業生態工程，以及退牧還草工程、草原沙化防治工程等一批防沙治沙、植被恢復工程的全面實施[28]，研究區以國家重點治沙工程帶動進行防沙治沙綜合治理等有效性從年均NDVI值的變化趨勢得到驗證。根據2015年的年均NDVI(生長季)空間格局看，高植被覆蓋指數主要分布于呼倫貝爾沙質草原的東北部、東南部區域，而中西部區域分布的沙帶特征，及其西部、西南部區域的重沙化地帶性分布特征顯著，說明呼倫貝爾草原雖然處于干旱、半干旱地段，但大部分地區植被覆蓋狀況良好，該區域生態保護和植被恢復工程的效果顯著。

3.2 呼倫貝爾沙質草原植被覆蓋變化的氣候因子

總體上，研究區的植被覆蓋狀況主要呈現東高西低的分布格局，此研究結果與彭飛等[22]研究結論一致，反映出北部的海拉爾沙帶及其研究區的西南部相對于其他區域，草原退化嚴重的現象。導致植被覆蓋變化的因素一般分為自然因素和人類活動因素，其中氣溫和降水是最主要的兩個自然因素[29-30]。地處半干旱草原氣候的研究區，植被覆蓋的年際變化與降水關系較氣溫更為密切，降水是驅動沙質草原植被覆蓋狀況年際變化的主要因素，這一結論與張戈麗等[16]、穆少杰等[27]和梁艷等[10]得出降水是驅動草地植被年際變化的主要因素的研究結果一致。研究區植被生長在不同季節對水熱條件變化的敏感性不同，春季、夏季植被生長對降水變化的敏感性較氣溫變化高，這與張戈麗等[16]得出春季植被變化受氣溫變化的影響較其他季節明顯，但不顯著的研究結果不一致，是因為研究時點的不同所致。張戈麗等[16]研究時點截止到2006年，該時點內，春季和夏季的氣溫均呈波動性逐年上升的趨勢，降水狀況是春季上升，夏季逐年下降的趨勢。而本研究的時點是2000-2015年，根據收集的氣象數據得出自2010年之后的夏季氣溫變化趨勢是不顯著降低，夏季降水量是逐年顯著增加，可知，2010年后研究區的氣候變化趨勢有所改變。這種改變正有利于處于半干旱地帶的研究區夏季植被的生長，與本研究得出的夏季MODIS NDVI數據自2010年后呈波動性增長趨勢的結論相一致，進而也驗證了本研究區引用氣象數據的準確性。

4 結論

呼倫貝爾沙質草原地區的NDVI主要呈現東高西低的空間分布格局，北部的海拉爾沙帶及其研究區的西南部相對于其他區域，有草原退化嚴重的現象。植被覆蓋較好區域主要集中在東部，如陳巴爾虎旗的東北部、鄂溫克旗的中東部及新巴爾虎左旗的東南區域。

近15年間，植被覆蓋狀況呈逐年波動改善趨勢，尤其自2010年后呈顯著改善趨勢；研究區各季節植被覆蓋變化整體呈不顯著增加的趨勢，其中夏季的NDVI值自2010年后，呈顯著提高趨勢，與年均NDVI值的變化趨勢一致。

呼倫貝爾沙質草原區2000-2009年間的年均溫呈小幅波動的平穩提升趨勢，降水則呈不顯著降低趨勢；而自2010年后，二者的變化趨勢正好相反，年均降水量呈顯著增加趨勢。夏季氣溫呈不顯著降低、降水量則呈顯著波動增加的年際變化趨勢，均有利于植被生長。

降水是植被覆蓋狀況最主要的影響因子；氣溫對植被覆蓋的影響也很大。從年際變化看，該區植被覆蓋的年際變化與降水關系較氣溫更為密切；從季節變化看，植被生長于春季與降水相關性顯著，于夏季受降水變化影響更突出，于秋季受降水、氣溫變化影響不明顯。