基于相對降水利用率的內蒙古風蝕區沙漠化研究

泉濤 王靜璞 黨文碩 劉新秋 沈瑞華

摘要 以MODIS NDVI數據和降水量站點數據為基礎，計算內蒙古風蝕區2001—2018年的相對降水利用率（RUEr），通過分析RUEr的時間變化、空間分布及變異系數，綜合評價內蒙古風蝕區18年間的沙漠化演變情況。結果表明，18年間內蒙古風蝕區內的RUEr呈現出微弱的下降趨勢，沙漠化程度加劇;空間分布上，62.98%的地區為正斜率，植被呈恢復狀態，降水為影響沙漠化的主導因素;37.02%的地區為負斜率，植被出現退化現象，人類活動為影響沙漠化的主導因素。研究區內89.09%的地區為輕度沙漠化，重度沙漠化地區集中在內蒙古西北部，中度沙漠化和非沙漠化地區在研究區內零星分布。18年間內蒙古風蝕區的沙漠化變異程度較大，87.91%的地區表現為脆弱到非常脆弱，僅有12.09%的地區表現為穩定到非常穩定。

關鍵詞 沙漠化;相對降水利用率;時空變化;內蒙古風蝕區

中圖分類號 X144文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）08-0072-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.019

開放科學（資源服務）標識碼（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，由于全球變暖和人類對環境的過度干預，沙漠化成為一個影響全球的環境問題[1]。內蒙古自治區面積廣大，氣候干旱多風沙，易造成水土流失，加之近年來經濟的快速發展帶來過度放牧、資源開采不合理等問題，使內蒙古成為我國沙漠化形勢最嚴峻、治理任務最艱巨的地區之一[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價沙漠化的一個重要指標。遙感技術可以快速準確地獲取地面植被信息，加之全天候、多角度、大范圍的優勢，其在土地沙漠化監測中的應用已經非常普遍[4]。近年來，許多學者從不同角度對內蒙古沙漠化進行了研究，其中大多分析了內蒙古地區的荒漠化指數、濕潤指數、植被指數、植被覆蓋度和降水利用率等指標的時空變化特征，并與氣候因子、地形因子等進行了相關性分析[5-8]。

降水利用率（rainfall utilization efficiency，RUE）是凈初級生產力（net primary productivity，NPP）與降水量的比值，用來反映植被生長與耗水特性之間的關系，同時干旱、半干旱地區的植被生產力與降水量具有密切的關系，因此，RUE的變化對干旱、半干旱地區荒漠草原生態系統的健康具有顯著的指示作用，能科學地反映沙漠化的演變特征[8-12]。該研究利用2001—2018年生長季4—10月的MODIS NDVI數據和氣象站點逐日降水量數據，通過計算各年相對降水利用率來反演內蒙古風蝕區的沙漠化演變情況，科學評價內蒙古風蝕區的生態環境，以期為內蒙古風蝕區沙漠化監測預警及治理工作提供數據及理論支持。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區（37°24′～53°23′N，97°12′～126°04′E）是我國北部重要的生態屏障，緯度偏高，經度范圍跨度較大（圖1），自東向西表現出極強的經度地帶性，植被類型相應表現為溫帶森林、溫帶草原和溫帶荒漠。為更加科學準確地研究內蒙古沙漠化的演變特征，該研究將內蒙古境內的無土壤風蝕發生的溫帶森林區去除，將剩余易發生風蝕的溫帶草原區、溫帶荒漠區作為研究區，綜合研究該區域的土地沙漠化演變情況。

內蒙古風蝕區約占全國面積的1/10，是氣候變化的敏感脆弱區，也是易發生沙漠化的典型地區[13]。該區地勢較高，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。主要氣候類型為溫帶大陸性氣候，冬春漫長，干寒多風沙;夏季短促，雨熱同期，日照充足，風能資源豐富。在脆弱的自然環境和以畜牧業為主的國民經濟影響下，該區土地沙漠化的形勢較為嚴峻。

1.2 數據源及預處理 該研究采用的遙感影像選自NASA/MODIS系列數據的MOD13Q1植被指數數據集（來源：https：//modis.gsfc.nasa.gov），下載了2001—2018年生長季4—10月覆蓋內蒙古風蝕區的6個瓦片（h25v03、h25v04、h25v05、h26v04、h26v05、h27v04）的影像，共 1 428 景。利用MRT（MODIS reprojection tool）對同期數據進行拼接、投影，并提取出各年NDVI數據。在ENVI軟件中利用最大值合成法計算各年各像元的NDVI最大值，作為計算RUE的基礎數據。采用的氣象數據為中國地面氣候資料日值數據集（V3.0）中的降水量數據（來源：http：//data.cma.cn）。利用Excel軟件篩選出內蒙古風蝕區及周邊共80個氣象站點的數據，計算出各年生長季的月平均降水量，并在ArcGIS軟件中進行克里金插值，得到2001—2018年生長季內蒙古風蝕區空間分辨率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 相對降水利用率。姬盼盼等[14]研究表明，在干旱、半干旱地區NDVI對NPP的作用相對較強;林志東等[15]研究指出在自然狀態下NDVI與NPP的相關系數較高。因此該研究用NDVI替代NPP與降水量（P）求商來計算RUE，計算公式如下：

RUE=NDVIP（1）

由于RUE在數學意義上僅反映2個指數的比值關系，因此當研究大范圍地區沙漠化演變情況時，在降水量較少的干旱地區，會出現2個指數均較低但RUE值反而高的現象，故對研究區內RUE數據進行頻率統計，以[5%，95%]為置信區間，分別求出各年潛在降水利用率最值RUEmin和RUEmax，進而計算研究區各年的相對降水利用率（RUEr），計算公式如下：

RUEr=RUE-RUEminRUEmax-RUEmin（2）

RUEr在一定程度上消除了降水帶來的影響，其值反映了該地區內自然植被的相對狀態。同時，年平均相對降水利用率RUEmer可反映該土地長期的生產能力，年極大相對降水利用率RUEexr可反映該土地受到破壞后的恢復彈力，且潛在RUE的最值是根據RUE的概率分布的5%和95%分位數確定的，RUEr的計算結果會超出0～1的范圍，因此可根據RUEr的數值來評價土地生產力[16]，計算公式如下：

RUEmer=1nni=1xi（3）

RUEexr=xt（4）

式中，n為年份總數，即n為18;xi為第i年的RUEr;xt為2001—2018年NDVI值最大的年份對應的RUEr。

1.3.2 趨勢分析方法。

用一元線性回歸方程的斜率slope來分析RUEr的年際變化趨勢，以此來分析內蒙古風蝕區沙漠化的年際變化特征。若slope>0，說明RUEr呈增加趨勢，植被呈恢復狀態，沙漠化形勢轉好;slope=0，說明RUEr保持不變;slope<0，說明RUEr呈下降趨勢，植被呈退化狀態，沙漠化形勢加劇。計算公式如下：

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

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

1.3.3 變異系數。

變異系數（CV）是反映一組單個觀測數中各觀測量變化程度的統計量，也是反映時間和空間變異程度的重要指標，數值越大說明其變異程度越大。為進一步分析研究區沙漠化發展的穩定程度，該研究計算了研究區內RUEr的變異系數，并將其劃分為非常穩定（CV≤0.15）、穩定（0.150.45）共4個等級。計算公式如下：

CV=ni=1（xi-）2n-1（6）

式中，n為年份總數，即n為18;xi為第i年的RUEr;為RUEmer。

2 結果與分析

2.1 內蒙古風蝕區沙漠化程度時間變化特征

由內蒙古風蝕區2001—2018年生長季月平均降水量年際變化趨勢（圖2）可知，18年間內蒙古風蝕區內降水量呈增加趨勢。研究區內生長季月平均降水量的平均值為379.64 mm，最大值出現在2018年，為509.18 mm，最低值出現在2005年，為294.64 mm。從生長季月平均降水量的距平值變化來看，2001、2004、2005、2006、2007、2009、2010、2011、2015年呈現出負距平，其余年份均呈現出正距平。

由于降水量存在很大的年際變化，僅計算年際比例不足以達到沙漠化監測的預期效果，因此以時間為自變量，RUEr為因變量，對時間序列RUEr進行線性回歸分析，其回歸斜率主要取決于NDVI與降水量的相關性，斜率為正，表明植被正在恢復，斜率為負，表明植被正在退化，以此來監測長期以來植被對降水的響應。

從內蒙古風蝕區2001—2018年相對降水利用率的回歸斜率及生長季月平均降水量的空間分布（圖3）可看出，研究區內RUEr的回歸斜率具有明顯的空間差異性，大致表現為由東部向西部逐漸遞增，其值在-0.15～0.26，平均為-0.01，表現為微弱的下降趨勢，說明植被有退化現象，沙漠化形勢在日趨加重，需予以重視。從RUEr時空趨勢來看，全區內大部分地區RUEr呈增加趨勢，面積為62.02萬km2，占全區面積的62.98%，集中分布在內蒙古中西部地區;該地區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日照時間更可達3 400 h以上，多風沙天氣，降水稀少，地表徑流不發育，因此降水是影響該地區沙漠化的主導因素。此外，還有37.02%的地區RUEr呈下降趨勢，面積為36.46萬km2，主要分布在東部大興安嶺周圍地區以及中部的河套平原地區，前者植被類型主要為溫帶草原，季風性氣候

顯著，降水較中西部地區明顯增多，后者為經濟發展迅速的城市地區，因此降水對沙漠化的影響作用減弱，人類活動成為導致植被退化、加劇沙漠化的主導因素。

2.2 內蒙古風蝕區沙漠化程度空間分布特征

由內蒙古風蝕區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以及河套平原地區為RUEmer值較高的地區，具有較好的生產能力，東部的呼倫貝爾草原、科爾沁草原次之，西部阿拉善盟地區為RUEmer值較低的地區，部分地區不具備生產能力;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，具備較好的恢復彈力，而中部地區屬于較低區域，恢復彈力較差。

沙漠化作為土地退化的一種形式，其發展程度可以通過土地生產力的評價結果來反演。根據李春娥等[16-17]的研究，對研究區的土地生產力進行等級劃分，并通過土地生產力的評價結果來劃分出不同等級的沙漠化程度（圖5）：①當RUEmer和RUEexr均小于0時，表明該區域既沒有生產能力，又不具備恢復彈力，屬于重度沙漠化地區。該類土地面積為1.72萬km2，占全區面積的1.75%，主要集中在內蒙古西北部與蒙古國接壤的戈壁地帶，該地區長期處于低植被覆蓋狀態，生態環境惡劣。

②當RUEmer<0且 0

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

2.3 內蒙古風蝕區沙漠化穩定性分析

為進一步研究內蒙古風蝕區內沙漠化的演變情況，分析其穩定程度，該研究逐像元計算了研究區內RUEr的變異系數CV，并進行等級劃分，結果表明，研究區內RUEr的變異程度較大（圖6）。

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

穩定地區和脆弱地區面積分別為9.97萬、25.99萬km2，分別占全區面積的10.13%、26.39%，兩者交錯分布于內蒙古風蝕區的東部地區，該地區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，植被覆蓋度相對較高，加之近年來退耕還草的落實與普及，該地區沙漠化形勢有了一定的控制。

非常脆弱地區占據研究區大部分地區，再次表明研究區內土地沙漠化形勢嚴峻，這類地區面積為60.58萬km2，占全區面積的61.51%，主要分布在中西部溫帶荒漠區，主要有巴丹吉林沙漠、庫布齊沙漠、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地等，該地區植被覆蓋較低，沙漠化形勢嚴峻，但RUEr有增加趨勢。此外，還有少數分布在東部的呼倫貝爾沙地和科爾沁沙地，該地區雖然植被覆蓋較高，但RUEr有下降趨勢，需要引起重視，及時采取措施。

整體而言，內蒙古風蝕區18年間有87.91%的地區RUEr變化較大，表現為脆弱到非常脆弱，僅有12.09%的地區表現為穩定到非常穩定。

3 結論

該研究通過計算內蒙古風蝕區2001—2018年生長季4—10月的相對降水利用率，分析其時間變化、空間分布及變異系數，綜合評價了

18年間內蒙古風蝕區的沙漠化演變情況，得出以下結論：

（1）整體上內蒙古風蝕區沙漠化呈現出微弱的加重趨勢，其空間分布上具有地域差異性，中西部地區RUEr的斜率為正，植被呈恢復狀態，降水為影響沙漠化的主導因素;東部地區斜率為負，植被出現退化現象，人類活動為影響沙漠化的主導因素。

（2）從沙漠化程度空間分布來看，研究區內89.09%的地區為輕度沙漠化，重度沙漠化地區集中在內蒙古西北部，中度沙漠化和非沙漠化地區在研究區內零星分布。

（3）18年間內蒙古風蝕區的沙漠化變異程度較大，87.91% 的地區表現為脆弱到非常脆弱，僅有12.09%的地區表現為穩定到非常穩定。

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