基于相對(duì)降水利用率的內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化研究

泉濤 王靜璞 黨文碩 劉新秋 沈瑞華

摘要 以MODIS NDVI數(shù)據(jù)和降水量站點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)2001—2018年的相對(duì)降水利用率（RUEr），通過(guò)分析RUEr的時(shí)間變化、空間分布及變異系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)18年間的沙漠化演變情況。結(jié)果表明，18年間內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)內(nèi)的RUEr呈現(xiàn)出微弱的下降趨勢(shì)，沙漠化程度加劇;空間分布上，62.98%的地區(qū)為正斜率，植被呈恢復(fù)狀態(tài)，降水為影響沙漠化的主導(dǎo)因素;37.02%的地區(qū)為負(fù)斜率，植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，人類活動(dòng)為影響沙漠化的主導(dǎo)因素。研究區(qū)內(nèi)89.09%的地區(qū)為輕度沙漠化，重度沙漠化地區(qū)集中在內(nèi)蒙古西北部，中度沙漠化和非沙漠化地區(qū)在研究區(qū)內(nèi)零星分布。18年間內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的沙漠化變異程度較大，87.91%的地區(qū)表現(xiàn)為脆弱到非常脆弱，僅有12.09%的地區(qū)表現(xiàn)為穩(wěn)定到非常穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 沙漠化;相對(duì)降水利用率;時(shí)空變化;內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)

中圖分類號(hào) X144文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）08-0072-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.019

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on the Desertification in Wind Erosion Area of Inner Mongolia Based on RUEr

QUAN Tao，WANG Jing-pu，DANG Wen-shuo et al （School of Resources and Environmental Engineering，Ludong University，Yantai，Shandong 264025）

Abstract Based on MODIS NDVI data and precipitation station data，this paper calculated the relative rainfall utilization efficiency （RUEr） in the wind erosion area of Inner Mongolia from 2001 to 2018.By analyzing the temporal variation，spatial distribution and coefficient of variation of RUEr，the evolution of desertification in the wind erosion area of Inner Mongolia in the past 18 years was evaluated comprehensively.The results showed that during the past 18 years，the RUEr in the wind erosion area of Inner Mongolia had shown a weak downward trend，which means the degree of desertification had increased.In terms of spatial distribution，62.98% of the study areas had a positive slope，vegetation was in a recovery state，precipitation was the leading factor affecting desertification，37.02% of the study areas had a negative slope，vegetation was in a degraded state，human activity was the leading factor affecting desertification.89.09% of the study areas were light desertification.The areas with heavy desertification were concentrated in the northwest of Inner Mongolia，while the areas with moderate and no desertification are scattered in the study areas.In the past 18 years，the degree of desertification variation in the wind erosion area of Inner Mongolia was relatively large，87.91% of the study areas were fragile to very fragile，and only 12.09% of the study areas were stable to very stable.

Key words Desertification;Relative rainfall utilization efficiency;Spatial-temporal variation;Wind erosion area of Inner Mongolia

近年來(lái)，由于全球變暖和人類對(duì)環(huán)境的過(guò)度干預(yù)，沙漠化成為一個(gè)影響全球的環(huán)境問(wèn)題[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)面積廣大，氣候干旱多風(fēng)沙，易造成水土流失，加之近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)過(guò)度放牧、資源開采不合理等問(wèn)題，使內(nèi)蒙古成為我國(guó)沙漠化形勢(shì)最嚴(yán)峻、治理任務(wù)最艱巨的地區(qū)之一[2-3]。

植被破壞是沙漠化最為顯著的特征之一，因此植被信息成為評(píng)價(jià)沙漠化的一個(gè)重要指標(biāo)。遙感技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地獲取地面植被信息，加之全天候、多角度、大范圍的優(yōu)勢(shì)，其在土地沙漠化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍[4]。近年來(lái)，許多學(xué)者從不同角度對(duì)內(nèi)蒙古沙漠化進(jìn)行了研究，其中大多分析了內(nèi)蒙古地區(qū)的荒漠化指數(shù)、濕潤(rùn)指數(shù)、植被指數(shù)、植被覆蓋度和降水利用率等指標(biāo)的時(shí)空變化特征，并與氣候因子、地形因子等進(jìn)行了相關(guān)性分析[5-8]。

降水利用率（rainfall utilization efficiency，RUE）是凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）與降水量的比值，用來(lái)反映植被生長(zhǎng)與耗水特性之間的關(guān)系，同時(shí)干旱、半干旱地區(qū)的植被生產(chǎn)力與降水量具有密切的關(guān)系，因此，RUE的變化對(duì)干旱、半干旱地區(qū)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的健康具有顯著的指示作用，能科學(xué)地反映沙漠化的演變特征[8-12]。該研究利用2001—2018年生長(zhǎng)季4—10月的MODIS NDVI數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)逐日降水量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算各年相對(duì)降水利用率來(lái)反演內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的沙漠化演變情況，科學(xué)評(píng)價(jià)內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的生態(tài)環(huán)境，以期為內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化監(jiān)測(cè)預(yù)警及治理工作提供數(shù)據(jù)及理論支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)（37°24′～53°23′N，97°12′～126°04′E）是我國(guó)北部重要的生態(tài)屏障，緯度偏高，經(jīng)度范圍跨度較大（圖1），自東向西表現(xiàn)出極強(qiáng)的經(jīng)度地帶性，植被類型相應(yīng)表現(xiàn)為溫帶森林、溫帶草原和溫帶荒漠。為更加科學(xué)準(zhǔn)確地研究?jī)?nèi)蒙古沙漠化的演變特征，該研究將內(nèi)蒙古境內(nèi)的無(wú)土壤風(fēng)蝕發(fā)生的溫帶森林區(qū)去除，將剩余易發(fā)生風(fēng)蝕的溫帶草原區(qū)、溫帶荒漠區(qū)作為研究區(qū)，綜合研究該區(qū)域的土地沙漠化演變情況。

內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)約占全國(guó)面積的1/10，是氣候變化的敏感脆弱區(qū)，也是易發(fā)生沙漠化的典型地區(qū)[13]。該區(qū)地勢(shì)較高，平均海拔在1 000 m左右，有大小河流千余條，大小湖泊近千個(gè)。主要?dú)夂蝾愋蜑闇貛Т箨懶詺夂颍郝L(zhǎng)，干寒多風(fēng)沙;夏季短促，雨熱同期，日照充足，風(fēng)能資源豐富。在脆弱的自然環(huán)境和以畜牧業(yè)為主的國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響下，該區(qū)土地沙漠化的形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理 該研究采用的遙感影像選自NASA/MODIS系列數(shù)據(jù)的MOD13Q1植被指數(shù)數(shù)據(jù)集（來(lái)源：https：//modis.gsfc.nasa.gov），下載了2001—2018年生長(zhǎng)季4—10月覆蓋內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的6個(gè)瓦片（h25v03、h25v04、h25v05、h26v04、h26v05、h27v04）的影像，共 1 428 景。利用MRT（MODIS reprojection tool）對(duì)同期數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影，并提取出各年NDVI數(shù)據(jù)。在ENVI軟件中利用最大值合成法計(jì)算各年各像元的NDVI最大值，作為計(jì)算RUE的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用的氣象數(shù)據(jù)為中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）中的降水量數(shù)據(jù)（來(lái)源：http：//data.cma.cn）。利用Excel軟件篩選出內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)及周邊共80個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出各年生長(zhǎng)季的月平均降水量，并在ArcGIS軟件中進(jìn)行克里金插值，得到2001—2018年生長(zhǎng)季內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)空間分辨率250 m（與遙感影像保持一致）的月平均降水量的柵格圖像。

1.3 研究方法

1.3.1 相對(duì)降水利用率。姬盼盼等[14]研究表明，在干旱、半干旱地區(qū)NDVI對(duì)NPP的作用相對(duì)較強(qiáng);林志東等[15]研究指出在自然狀態(tài)下NDVI與NPP的相關(guān)系數(shù)較高。因此該研究用NDVI替代NPP與降水量（P）求商來(lái)計(jì)算RUE，計(jì)算公式如下：

RUE=NDVIP（1）

由于RUE在數(shù)學(xué)意義上僅反映2個(gè)指數(shù)的比值關(guān)系，因此當(dāng)研究大范圍地區(qū)沙漠化演變情況時(shí)，在降水量較少的干旱地區(qū)，會(huì)出現(xiàn)2個(gè)指數(shù)均較低但RUE值反而高的現(xiàn)象，故對(duì)研究區(qū)內(nèi)RUE數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，以[5%，95%]為置信區(qū)間，分別求出各年潛在降水利用率最值RUEmin和RUEmax，進(jìn)而計(jì)算研究區(qū)各年的相對(duì)降水利用率（RUEr），計(jì)算公式如下：

RUEr=RUE-RUEminRUEmax-RUEmin（2）

RUEr在一定程度上消除了降水帶來(lái)的影響，其值反映了該地區(qū)內(nèi)自然植被的相對(duì)狀態(tài)。同時(shí)，年平均相對(duì)降水利用率RUEmer可反映該土地長(zhǎng)期的生產(chǎn)能力，年極大相對(duì)降水利用率RUEexr可反映該土地受到破壞后的恢復(fù)彈力，且潛在RUE的最值是根據(jù)RUE的概率分布的5%和95%分位數(shù)確定的，RUEr的計(jì)算結(jié)果會(huì)超出0～1的范圍，因此可根據(jù)RUEr的數(shù)值來(lái)評(píng)價(jià)土地生產(chǎn)力[16]，計(jì)算公式如下：

RUEmer=1nni=1xi（3）

RUEexr=xt（4）

式中，n為年份總數(shù)，即n為18;xi為第i年的RUEr;xt為2001—2018年NDVI值最大的年份對(duì)應(yīng)的RUEr。

1.3.2 趨勢(shì)分析方法。

用一元線性回歸方程的斜率slope來(lái)分析RUEr的年際變化趨勢(shì)，以此來(lái)分析內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化的年際變化特征。若slope>0，說(shuō)明RUEr呈增加趨勢(shì)，植被呈恢復(fù)狀態(tài)，沙漠化形勢(shì)轉(zhuǎn)好;slope=0，說(shuō)明RUEr保持不變;slope<0，說(shuō)明RUEr呈下降趨勢(shì)，植被呈退化狀態(tài)，沙漠化形勢(shì)加劇。計(jì)算公式如下：

slope=n×ni=1（i×xi）-ni=1ini=1xin×ni=1i2-（ni=1i）2（5）

式中，n為年份總數(shù)，即n為18;i為1～18的年序號(hào);xi為第i年的RUEr。

1.3.3 變異系數(shù)。

變異系數(shù)（CV）是反映一組單個(gè)觀測(cè)數(shù)中各觀測(cè)量變化程度的統(tǒng)計(jì)量，也是反映時(shí)間和空間變異程度的重要指標(biāo)，數(shù)值越大說(shuō)明其變異程度越大。為進(jìn)一步分析研究區(qū)沙漠化發(fā)展的穩(wěn)定程度，該研究計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)RUEr的變異系數(shù)，并將其劃分為非常穩(wěn)定（CV≤0.15）、穩(wěn)定（0.150.45）共4個(gè)等級(jí)。計(jì)算公式如下：

CV=ni=1（xi-）2n-1（6）

式中，n為年份總數(shù)，即n為18;xi為第i年的RUEr;為RUEmer。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化程度時(shí)間變化特征

由內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)2001—2018年生長(zhǎng)季月平均降水量年際變化趨勢(shì)（圖2）可知，18年間內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)內(nèi)降水量呈增加趨勢(shì)。研究區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)季月平均降水量的平均值為379.64 mm，最大值出現(xiàn)在2018年，為509.18 mm，最低值出現(xiàn)在2005年，為294.64 mm。從生長(zhǎng)季月平均降水量的距平值變化來(lái)看，2001、2004、2005、2006、2007、2009、2010、2011、2015年呈現(xiàn)出負(fù)距平，其余年份均呈現(xiàn)出正距平。

由于降水量存在很大的年際變化，僅計(jì)算年際比例不足以達(dá)到沙漠化監(jiān)測(cè)的預(yù)期效果，因此以時(shí)間為自變量，RUEr為因變量，對(duì)時(shí)間序列RUEr進(jìn)行線性回歸分析，其回歸斜率主要取決于NDVI與降水量的相關(guān)性，斜率為正，表明植被正在恢復(fù)，斜率為負(fù)，表明植被正在退化，以此來(lái)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)植被對(duì)降水的響應(yīng)。

從內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)2001—2018年相對(duì)降水利用率的回歸斜率及生長(zhǎng)季月平均降水量的空間分布（圖3）可看出，研究區(qū)內(nèi)RUEr的回歸斜率具有明顯的空間差異性，大致表現(xiàn)為由東部向西部逐漸遞增，其值在-0.15～0.26，平均為-0.01，表現(xiàn)為微弱的下降趨勢(shì)，說(shuō)明植被有退化現(xiàn)象，沙漠化形勢(shì)在日趨加重，需予以重視。從RUEr時(shí)空趨勢(shì)來(lái)看，全區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)RUEr呈增加趨勢(shì)，面積為62.02萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的62.98%，集中分布在內(nèi)蒙古中西部地區(qū);該地區(qū)植被類型主要為溫帶草原及溫帶荒漠，大陸性氣候顯著，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，氣溫日較差及年較差較大，日照充足，阿拉善高原的西部地區(qū)日照時(shí)間更可達(dá)3 400 h以上，多風(fēng)沙天氣，降水稀少，地表徑流不發(fā)育，因此降水是影響該地區(qū)沙漠化的主導(dǎo)因素。此外，還有37.02%的地區(qū)RUEr呈下降趨勢(shì)，面積為36.46萬(wàn)km2，主要分布在東部大興安嶺周圍地區(qū)以及中部的河套平原地區(qū)，前者植被類型主要為溫帶草原，季風(fēng)性氣候

顯著，降水較中西部地區(qū)明顯增多，后者為經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的城市地區(qū)，因此降水對(duì)沙漠化的影響作用減弱，人類活動(dòng)成為導(dǎo)致植被退化、加劇沙漠化的主導(dǎo)因素。

2.2 內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化程度空間分布特征

由內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)2001—2018年RUEmer和RUEexr空間分布（圖4）可知，2001—2018年大興安嶺周圍地區(qū)以及河套平原地區(qū)為RUEmer值較高的地區(qū)，具有較好的生產(chǎn)能力，東部的呼倫貝爾草原、科爾沁草原次之，西部阿拉善盟地區(qū)為RUEmer值較低的地區(qū)，部分地區(qū)不具備生產(chǎn)能力;RUEexr值與RUEmer值的分布大致相同，其差異在于呼倫貝爾草原、科爾沁草原屬于較高地區(qū)，具備較好的恢復(fù)彈力，而中部地區(qū)屬于較低區(qū)域，恢復(fù)彈力較差。

沙漠化作為土地退化的一種形式，其發(fā)展程度可以通過(guò)土地生產(chǎn)力的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)反演。根據(jù)李春娥等[16-17]的研究，對(duì)研究區(qū)的土地生產(chǎn)力進(jìn)行等級(jí)劃分，并通過(guò)土地生產(chǎn)力的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)劃分出不同等級(jí)的沙漠化程度（圖5）：①當(dāng)RUEmer和RUEexr均小于0時(shí)，表明該區(qū)域既沒有生產(chǎn)能力，又不具備恢復(fù)彈力，屬于重度沙漠化地區(qū)。該類土地面積為1.72萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的1.75%，主要集中在內(nèi)蒙古西北部與蒙古國(guó)接壤的戈壁地帶，該地區(qū)長(zhǎng)期處于低植被覆蓋狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境惡劣。

②當(dāng)RUEmer<0且 0

④當(dāng)RUEmer>1或RUEexr>1時(shí)，表示該區(qū)域具備較好的生產(chǎn)能力或恢復(fù)彈力，屬于非沙漠化地區(qū)。該類土地面積為5.99萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的6.08%，零星分布于研究區(qū)。

2.3 內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步研究?jī)?nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)內(nèi)沙漠化的演變情況，分析其穩(wěn)定程度，該研究逐像元計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)RUEr的變異系數(shù)CV，并進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)RUEr的變異程度較大（圖6）。

非常穩(wěn)定地區(qū)面積為1.94萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的1.97%，其分布與重度沙漠化地區(qū)大致相同，主要為內(nèi)蒙古西部植被覆蓋度極低、不具備生產(chǎn)能力的戈壁地區(qū)。

穩(wěn)定地區(qū)和脆弱地區(qū)面積分別為9.97萬(wàn)、25.99萬(wàn)km2，分別占全區(qū)面積的10.13%、26.39%，兩者交錯(cuò)分布于內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的東部地區(qū)，該地區(qū)主要植被類型為溫帶草原，錫林郭勒草原、烏蘭察布草原等分布于此，植被覆蓋度相對(duì)較高，加之近年來(lái)退耕還草的落實(shí)與普及，該地區(qū)沙漠化形勢(shì)有了一定的控制。

非常脆弱地區(qū)占據(jù)研究區(qū)大部分地區(qū)，再次表明研究區(qū)內(nèi)土地沙漠化形勢(shì)嚴(yán)峻，這類地區(qū)面積為60.58萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的61.51%，主要分布在中西部溫帶荒漠區(qū)，主要有巴丹吉林沙漠、庫(kù)布齊沙漠、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地等，該地區(qū)植被覆蓋較低，沙漠化形勢(shì)嚴(yán)峻，但RUEr有增加趨勢(shì)。此外，還有少數(shù)分布在東部的呼倫貝爾沙地和科爾沁沙地，該地區(qū)雖然植被覆蓋較高，但RUEr有下降趨勢(shì)，需要引起重視，及時(shí)采取措施。

整體而言，內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)18年間有87.91%的地區(qū)RUEr變化較大，表現(xiàn)為脆弱到非常脆弱，僅有12.09%的地區(qū)表現(xiàn)為穩(wěn)定到非常穩(wěn)定。

3 結(jié)論

該研究通過(guò)計(jì)算內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)2001—2018年生長(zhǎng)季4—10月的相對(duì)降水利用率，分析其時(shí)間變化、空間分布及變異系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)了

18年間內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的沙漠化演變情況，得出以下結(jié)論：

（1）整體上內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)沙漠化呈現(xiàn)出微弱的加重趨勢(shì)，其空間分布上具有地域差異性，中西部地區(qū)RUEr的斜率為正，植被呈恢復(fù)狀態(tài)，降水為影響沙漠化的主導(dǎo)因素;東部地區(qū)斜率為負(fù)，植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，人類活動(dòng)為影響沙漠化的主導(dǎo)因素。

（2）從沙漠化程度空間分布來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)89.09%的地區(qū)為輕度沙漠化，重度沙漠化地區(qū)集中在內(nèi)蒙古西北部，中度沙漠化和非沙漠化地區(qū)在研究區(qū)內(nèi)零星分布。

（3）18年間內(nèi)蒙古風(fēng)蝕區(qū)的沙漠化變異程度較大，87.91% 的地區(qū)表現(xiàn)為脆弱到非常脆弱，僅有12.09%的地區(qū)表現(xiàn)為穩(wěn)定到非常穩(wěn)定。

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