內(nèi)蒙古不同類(lèi)型草原光合植被覆蓋度對(duì)降水變化的響應(yīng)

王舉鳳,何 亮,陸紹娟,呂 渡,黃 濤,曹 琦,張曉萍,劉寶元

西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在調(diào)節(jié)氣候、保持水土、改良土壤和維持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。植被覆蓋度及其變化深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的植被生產(chǎn)能力、土壤理化性質(zhì)、產(chǎn)匯流過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)功能,從而影響著土壤流失等地表物質(zhì)的傳輸和平衡,是土壤侵蝕評(píng)價(jià)中的重要影響因素[1]。內(nèi)蒙古地區(qū)位于中國(guó)北方,氣候主要為干旱、半干旱和半濕潤(rùn)區(qū),是我國(guó)北方草地的主體部分和重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地,生態(tài)環(huán)境脆弱,土地退化嚴(yán)重[2]。研究?jī)?nèi)蒙古不同類(lèi)型草地植被在年、季、月等尺度上對(duì)降水的響應(yīng)和敏感程度,有助于揭示草地覆蓋變化影響因素,提高區(qū)域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)效率。

很多研究結(jié)果認(rèn)為,近年來(lái)內(nèi)蒙古植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)[3],但不同地區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)表現(xiàn)不同。如彭飛等[4]、李林葉等[5]發(fā)現(xiàn)2000年后的15年中呼倫貝爾草原植被覆蓋度整體下降；焦全軍等[6]、張圣微等[7]認(rèn)為,錫林郭勒草原植被覆蓋2001—2014年總體呈增加趨勢(shì),不同年份各類(lèi)型草原植被覆蓋度表現(xiàn)為由東向西遞減的規(guī)律；而希拉穆仁草原近年來(lái)則處于中度退化狀態(tài)[8]。在植被覆蓋度對(duì)降水的響應(yīng)方面,大量研究結(jié)果認(rèn)為,降水是影響植被變化最主要的自然因素,是制約中國(guó)北方溫帶草原植被生長(zhǎng)的根本原因。孫艷玲等[9]、張清雨等[10]認(rèn)為,1982—2000年內(nèi)蒙古地區(qū)植被 NDVI與降水有很好的相關(guān)性,植被受降水的影響較大。許旭等[11]、穆少杰等[3]認(rèn)為,2001—2010年內(nèi)蒙古草原生態(tài)區(qū)植被覆蓋度在年際水平上主要受降雨影響,月植被覆蓋度對(duì)降雨量的響應(yīng)存在時(shí)滯效應(yīng)。上述研究均從植被生態(tài)角度,探討了植被覆蓋度的變化及降水對(duì)植被生長(zhǎng)的一般影響,而對(duì)不同類(lèi)型草原植被覆蓋度的多年變化狀態(tài),對(duì)降水量變化的敏感程度和定量關(guān)系,植被覆蓋度對(duì)不同時(shí)段降水量的響應(yīng)過(guò)程和密切程度,最佳模擬式等等問(wèn)題還有待研究。

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是植被的葉、莖、枝的垂直投影面積占地面總面積的比例,是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)[12]。地表植被按照功能屬性可以分為綠色光合植被(Photosynthetic Vegetation,PV)和非光合植被(Non-photosynthetic Vegetation,NPV)。在以往像元二分模型基礎(chǔ)上,Guerschman等[13]在2009年提出了像元三分模型,將光合植被(PV)、非光合植被(NPV)和裸土(BS)作為混合像元的3種組分進(jìn)行線性分離,經(jīng)過(guò)澳大利亞稀樹(shù)草原區(qū)域的驗(yàn)證、評(píng)估和改進(jìn),推出了基于MODIS數(shù)據(jù)(MCD43A4,MOD09A1)的全球產(chǎn)品[13]。在我國(guó)北方草原地區(qū)的應(yīng)用[14- 16]表明,像元三分模型中的PV覆蓋度精度可以達(dá)到91.2%,而NPV、BS的反演還存在很大不確定性。

本文將使用該數(shù)據(jù)集的光合植被(PV)數(shù)據(jù)部分,深入分析內(nèi)蒙古不同類(lèi)型草原年、月植被覆蓋度變化,及其對(duì)不同時(shí)間尺度降水量的響應(yīng)過(guò)程和特征,為區(qū)域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)和樣地選擇

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國(guó)的北部邊疆,由東北向西南斜伸,總面積118.3萬(wàn)km2。其地貌以蒙古高原為主體,主要包括由呼倫貝爾、錫林郭勒、巴彥淖爾—阿拉善及鄂爾多斯等高平原,平均海拔1000 m左右。以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?平均降水量50—450 mm,平均氣溫- 3.7—11.2 ℃。地帶性土壤的分布從東部的黑土,向西依次為暗棕壤、黑鈣土、栗鈣土、棕壤土、黑壚土、灰鈣土、風(fēng)沙土和灰棕漠土。按照降雨量和溫度的梯度變化,植被類(lèi)型沿東北西南一線依次為森林、草原和荒漠[17]。隨氣候條件的地帶性差異形成了草原植被的3個(gè)亞類(lèi)型,即草甸草原、典型草原和荒漠草原。

本文結(jié)合中國(guó)植被圖和Google Earth以?xún)?nèi)蒙古3種草原類(lèi)型,即呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗的草甸草原區(qū)、錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗的典型草原區(qū)、包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗的荒漠草原區(qū)為研究對(duì)象,各草原類(lèi)型區(qū)分別選取3個(gè)代表性研究樣地,每個(gè)樣地均包括9個(gè)像元,即每個(gè)草原區(qū)的樣地面積均為6.75 km2,取像元均值作為該類(lèi)型草原的月、年植被覆蓋度值。草原類(lèi)型的分區(qū)由《中華人民共和國(guó)植被圖1∶100萬(wàn)》[18]提供。研究區(qū)和樣地位置如圖1所示,基本情況特征和降水組合方式如表1。

圖1 研究區(qū)位置及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of the study area and meteorological stations

表1 研究樣地位置與基本情況特征

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用MODIS產(chǎn)品(MCD43A4,MOD09A1,2002—2016年),使用線性分離方法將每個(gè)像元分為PV、NPV和BS 3種組分[13],得到空間分辨率為500 m的月植被覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)集[13]。分析該數(shù)據(jù)集中的PV覆蓋度(fPV)部分并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量檢查。采用6—9月生長(zhǎng)季fPV值的平均值來(lái)表征內(nèi)蒙古不同類(lèi)型草原年植被覆蓋度。

同期降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cam.gov.cn)。分別選取距離研究樣點(diǎn)最近的3個(gè)氣象站,即海拉爾、西烏珠穆沁旗、希拉穆仁的日降水?dāng)?shù)據(jù),年降水量是指1—12月的月降水量之和。

2.2 分析方法

(1)變化趨勢(shì)

為研究植被覆蓋度和降水量的變化趨勢(shì),對(duì)數(shù)據(jù)和年份之間進(jìn)行線性回歸,計(jì)算其擬合斜率b和相關(guān)系數(shù)r[19]。如果斜率大于零,說(shuō)明要素變化趨于上升趨勢(shì),反之則說(shuō)明要素變化趨于下降。如果r值通過(guò)0.05的顯著性水平(P<0.05),則認(rèn)為要素呈顯著增加或顯著下降趨勢(shì)。

(1)

(2)

式中,b為斜率；xi為第i年的降水量(植被覆蓋度)；ti為第i年份,在2002—2016間取值；n為研究時(shí)間段,取15。

(2)相關(guān)性分析

植被覆蓋度與降水量之間相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 光合植被覆蓋度f(wàn)PV和降水量的年際變化特征

內(nèi)蒙古草原生長(zhǎng)季2002—2016年多年平均植被覆蓋度,以草甸草原樣地最高,為46.5%,其次為典型草原,為36.3%,最低為荒漠草原22.4%。對(duì)3個(gè)草原區(qū)fPV時(shí)間序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),草甸草原fPV隨年際變化呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),年變化斜率為0.29%/a,而典型草原和荒漠草原fPV呈不顯著下降趨勢(shì),年變化斜率分別為-0.04%/a和-0.21%/a,如圖2所示。

2002—2016年3個(gè)草原區(qū)多年平均降水量分別為341.0、299.7、295.4 mm,降水量隨年際變化都呈現(xiàn)不顯著波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中海拉爾的年降水量增長(zhǎng)速率最大,年變化斜率為8.5 mm/a,希拉穆仁的降水量上升趨勢(shì)最弱,年變化斜率為2.0 mm/a,西烏珠穆沁旗的年降水量變化居中,為6.1 mm/a。

圖2 三類(lèi)草原區(qū)2002—2016年fPV和年降水量的變化Fig.2 Annual fPV and precipitation in the research sites of three steppes from 2002 to 2016

3.2 光合植被覆蓋度f(wàn)PV和降水量的年內(nèi)變化特征

圖3是各草原區(qū)樣地月均植被覆蓋度變化曲線(源數(shù)據(jù)缺少11、12月和1月數(shù)據(jù))。受季風(fēng)氣候影響,各草原區(qū)月均植被覆蓋度均表現(xiàn)出2—3月份最低,3—7月持續(xù)上升,7月均達(dá)到植被覆蓋度峰值,分別為61.4%、50.2%、25.0%。草甸草原和典型草原植被覆蓋度在7—10月呈現(xiàn)快速下降過(guò)程,而荒漠草原7—9月植被覆蓋度緩慢降低,10月份植被均處于荒蕪狀態(tài),fPV值小于10%。

從3類(lèi)草原區(qū)的多年月平均降水曲線(圖4)明顯看出,降水量最大的月份均為7月份,草甸草原區(qū)的海拉爾站7月降水量(96.4 mm)明顯大于典型草原區(qū)的西烏珠穆沁旗站降水量(70.7 mm)和荒漠草原區(qū)的希拉穆仁站降水量(66.8 mm)。3類(lèi)草原的夏季(6、7、8月)降水占全年的比例分別為63.5%、61.7%、60.0%左右。3類(lèi)草原區(qū)月均降水量的分布格局與月植被覆蓋度的分布十分相似。

圖3 2002—2016年月均fPVFig.3 Mean monthly fPV from 2002 to 2016

圖4 2002—2016年月均降水量變化Fig.4 Mean monthly precipitation from 2002 to 2016

3.3 月植被覆蓋度f(wàn)PV對(duì)降水的響應(yīng)

對(duì)3類(lèi)草原區(qū)月植被覆蓋度值與月降水量進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算生長(zhǎng)季逐月fPV與當(dāng)月和前幾月降水的相關(guān)系數(shù),探討月降水量對(duì)月植被生長(zhǎng)影響的滯后效應(yīng),前期累積降水量對(duì)月植被生長(zhǎng)的影響程度,如表2、表3所示。

從月植被覆蓋度與逐月降水的相關(guān)系數(shù)(表2)可知,內(nèi)蒙古3種類(lèi)型草原在6—9月的當(dāng)月植被覆蓋度與前一個(gè)月、當(dāng)月降水量關(guān)系最為密切；5月植被覆蓋度受降水的影響,僅在荒漠草原與5月降水達(dá)到顯著相關(guān),在草甸草原和典型草原不顯著。表2還可以看出,3類(lèi)草原月植被覆蓋度對(duì)月降水量的響應(yīng)均存在滯后效應(yīng),尤其1—2個(gè)月的滯后效應(yīng)最明顯,且表現(xiàn)出越干旱的草原類(lèi)型滯后效應(yīng)越明顯的特征。

表2 月植被覆蓋度f(wàn)PV 與逐月降水的Pearson相關(guān)(R)

表3 月植被覆蓋度f(wàn)PV 與累積降水的Pearson相關(guān)(R)

從月植被覆蓋度f(wàn)PV與前期累積降水量的相關(guān)系數(shù)(表3)看出,內(nèi)蒙古草原月累積降水對(duì)植被的作用在各月間以及不同類(lèi)型草原區(qū)差異較大。5月植被覆蓋度受累積降水的影響在各類(lèi)型草原均不顯著,整體以6至10月的植被覆蓋度與月累積降水相關(guān)性較好,表現(xiàn)為越干旱的地區(qū)越受更長(zhǎng)時(shí)間的前期降水影響的特征。總體上,草甸草原植被覆蓋度與當(dāng)月+前1個(gè)月、當(dāng)月+前2個(gè)月降水量最密切,典型草原植被覆蓋度與當(dāng)月+前2個(gè)月、當(dāng)月+前3個(gè)月降水量最密切,荒漠草原植被覆蓋度與當(dāng)月+前3個(gè)月、當(dāng)月+前4個(gè)月降水量最密切。

從草原類(lèi)型來(lái)看,草甸草原和典型草原植被覆蓋度與累積降水相關(guān)性高的月份主要是6、7、8月；荒漠草原在6至10月植被覆蓋度與累積降水相關(guān)性整體都較好,同時(shí),荒漠草原植被覆蓋度與累積降水的相關(guān)性較草甸草原和典型草原顯著,因?yàn)榛哪菰瓍^(qū)降水量低,植被對(duì)降水更加敏感。

總的來(lái)看,5月的植被覆蓋度和降水量,除了典型草原與前第2個(gè)月的降水量、荒漠草原植被覆蓋度與當(dāng)月降水量為顯著相關(guān)外,其余均無(wú)顯著相關(guān),受累積降水量的影響在各類(lèi)型草原也均不顯著。說(shuō)明研究區(qū)5月份植被覆蓋度開(kāi)始增加,與當(dāng)月降水量、前期各月降水量、累積降水量關(guān)系不明顯,但有草原類(lèi)型越干旱,受前期降水量、累積降水量影響越大的趨勢(shì)；內(nèi)蒙古草原6—9月生長(zhǎng)季植被對(duì)降水的響應(yīng)較為強(qiáng)烈。

3.4 年植被覆蓋度f(wàn)PV對(duì)降水的響應(yīng)

用生長(zhǎng)季6—9月植被覆蓋度均值(fPV)代表年植被覆蓋度,探討年植被覆蓋度與生長(zhǎng)季各月、不同月累積降水量間的響應(yīng)密切程度,以及回歸關(guān)系(表4)；年植被覆蓋度與當(dāng)年、年不同時(shí)段降水量間的響應(yīng)密切程度,及其回歸關(guān)系,如當(dāng)年降水量、生長(zhǎng)季(6—9月)降水量、前期(11—5月)降水量,結(jié)果如表5。

表4 年植被覆蓋度與生長(zhǎng)季各月降水量間的一元和多元回歸

從年植被覆蓋度(6—9月植被覆蓋度均值,fPV)與生長(zhǎng)季各月(6—9月)降水量間的響應(yīng)程度來(lái)看(表4),單月降水因子對(duì)草甸草原和典型草原植被覆蓋度主要是與7月降水量相關(guān)性最好,7、8月降水對(duì)荒漠草原植被影響最大,其相關(guān)系數(shù)為顯著程度。將生長(zhǎng)季降水量進(jìn)行逐月累積后發(fā)現(xiàn),3類(lèi)草原年植被覆蓋度與生長(zhǎng)季各月組合降水的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到顯著甚至極顯著,總體上與6—8月總降水量最相關(guān)。從年植被覆蓋度與生長(zhǎng)季各月降水量間的多元關(guān)系來(lái)看,隨著月份的增加,3類(lèi)草原年植被覆蓋度與各月的關(guān)系也越密切,與6、7、8、9月的多元關(guān)系最優(yōu),其方程決定系數(shù)分別為0.746、0.407、0.818。說(shuō)明3類(lèi)草原年植被覆蓋度與整個(gè)生長(zhǎng)季降水都相關(guān),尤其是6—8月的總降水量的影響最顯著。

表5 年植被覆蓋度與年降水量間的一元和多元回歸

將年植被覆蓋度與當(dāng)年降水量、生長(zhǎng)季(6—9月)降水量、前期降水量(前一年11月至當(dāng)年5月)、前一年降水量等要素進(jìn)行回歸(表5),發(fā)現(xiàn)年植被覆蓋度與當(dāng)年降水量、生長(zhǎng)季降水量的關(guān)系都達(dá)到極顯著相關(guān)。內(nèi)蒙古草原為長(zhǎng)冬短夏,冬季開(kāi)始時(shí)間從當(dāng)年10月初到次年4月底,持續(xù)7個(gè)月時(shí)間,夏季為7月底到8月初的半月時(shí)間。表5中進(jìn)行了植被覆蓋度與前期降水(與冬季時(shí)間幾乎一致)的相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)不同草原類(lèi)型年植被覆蓋度與冬季降水量均為正相關(guān)關(guān)系,但在草甸草原和典型草原均不顯著,說(shuō)明在草甸草原區(qū)和典型草原區(qū)冬季降水量可以促進(jìn)植被覆蓋度的增加,但作用不顯著。而對(duì)較干旱的荒漠草原植被覆蓋度起到顯著促進(jìn)作用。將各時(shí)段降水因素與年植被覆蓋度進(jìn)行回歸分析結(jié)果顯示,草甸草原和典型草原植被覆蓋度均與當(dāng)年、前期降水的回歸效果最好,而荒漠草原植被與生長(zhǎng)季、前期降水?dāng)M合結(jié)果最優(yōu)。

總體上,內(nèi)蒙古3種類(lèi)型草原年植被覆蓋度對(duì)降水量的響應(yīng)均表現(xiàn)出在年、季、月尺度上分別受當(dāng)年降水量、生長(zhǎng)季降水量以及6、7、8月份降水量顯著影響的特征。

4 討論

從樣地光合植被覆蓋度以及降水年際變化趨勢(shì)可以看出(圖2),不同類(lèi)型草原區(qū)植被覆蓋度與降水量均具有很好的相關(guān)關(guān)系,fPV值變化曲線都與降水量變化曲線波動(dòng)情況基本一致,也發(fā)現(xiàn)某些年份植被覆蓋度并不能與降水量很好地吻合,可能是草原植被覆蓋度對(duì)降水存在一定滯后效應(yīng)或相對(duì)于降水的變化而言植被結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定。

對(duì)3個(gè)草原多年fPV月平均值與多年月平均降水量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：草原區(qū)月植被覆蓋度對(duì)降水量的響應(yīng)存在時(shí)滯效應(yīng),這與穆少杰、張戈麗等人[3,20]研究結(jié)果基本一致。不管是在年尺度還是月尺度上,相比草甸草原區(qū)和典型草原區(qū),荒漠草原植被覆蓋度對(duì)降水更加敏感,這與許旭研究結(jié)果一致[11]。

本文對(duì)植被覆蓋度與降水的相關(guān)性做了分析,比較細(xì)致地探討了植被覆蓋度受不同時(shí)間降水影響的規(guī)律。以往文獻(xiàn)[21- 22]很多都認(rèn)為年際尺度上,植被覆蓋度主要受降水影響,而月季尺度上,植被受溫度和降水綜合因素影響大于單因子的影響。作為重要的氣象因素,溫度對(duì)于植被的影響不容忽視,但經(jīng)過(guò)分析,內(nèi)蒙古3種類(lèi)型草原的5—10月逐月植被覆蓋度,與前期月均溫,年植被覆蓋度與生長(zhǎng)季、非生長(zhǎng)季的均溫在多數(shù)情況下關(guān)系不大。也就是說(shuō),對(duì)于內(nèi)蒙古草原植被,降水量對(duì)植被覆蓋度起著決定性的作用[23- 24]。這與孟夢(mèng)[25]研究結(jié)果較吻合,她認(rèn)為內(nèi)蒙古NDVI與氣溫和降水之間的關(guān)系表現(xiàn)出空間差異,17.6%的面積與降水顯著相關(guān),僅有 0.4%的區(qū)域與氣溫顯著相關(guān),降水對(duì) NDVI的影響比氣溫更為顯著。因此,本文以降水量作為主要?dú)庀笠蛩?分析了其對(duì)植被覆蓋度的影響。

文中重點(diǎn)研究了光合植被覆蓋度對(duì)降水的定量響應(yīng)關(guān)系,可為土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中消除降水波動(dòng)的影響提供理論依據(jù)和具體算法。在地表覆蓋對(duì)土壤侵蝕的影響中,非光合植被覆蓋度也起著重要作用,需要進(jìn)一步研究。總植被覆蓋度(光合植被覆蓋度+非光合植被覆蓋度)需要根據(jù)具體研究區(qū)不同地物特征的光譜反射機(jī)理出發(fā)改進(jìn)像元三分模型,增強(qiáng)非光合植被覆蓋度反映地物信息的準(zhǔn)確程度,進(jìn)一步定量化光合植被覆蓋度、非光合植被覆蓋度和裸土以及三者的交互作用,為區(qū)域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供依據(jù)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古3種草原類(lèi)型2002—2016年間的光合植被覆蓋度和同期降水進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論：

(1)2002—2016年間草甸草原、典型草原和荒漠草原多年平均光合植被覆蓋度f(wàn)PV分別為46.5%、36.3%和22.4%；草甸草原fPV隨時(shí)間變化呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(斜率為0.29%/a),典型草原和荒漠草原fPV呈不顯著下降趨勢(shì)(斜率分別為-0.04%/a和-0.21%/a)。

(2)2002—2016年3個(gè)草原區(qū)多年平均降水量分別為341.0、299.7、295.4 mm,降水量隨年際變化都呈現(xiàn)不顯著波動(dòng)上升趨勢(shì),年內(nèi)降水差異較大。

(3)內(nèi)蒙古草原的月植被覆蓋度對(duì)月降水量存在明顯的1—2個(gè)月滯后效應(yīng)和顯著的累積效應(yīng),且表現(xiàn)出越干旱的草原類(lèi)型滯后效應(yīng)越明顯的特征；相比草甸草原和典型草原,荒漠草原植被對(duì)降水量變化更加敏感。

(4)3類(lèi)草原年植被覆蓋度對(duì)降水量的響應(yīng),均表現(xiàn)出在年、季、月尺度上分別受當(dāng)年降水量、生長(zhǎng)季降水量以及6、7、8月份降水量顯著影響的特征；3類(lèi)草原年植被覆蓋度與生長(zhǎng)季降水線性擬合結(jié)果都較好。