錫林郭勒盟2000-2019年土地荒漠化及對氣候因子的響應

特力格爾 那仁滿都拉 郭恩亮 布仁吉日嘎拉 王世亮 娜仁夫

摘 要：荒漠化是目前全球面臨的一項嚴峻生態(tài)環(huán)境問題，中國也是受到荒漠化侵擾的國家之一。其形成原因復雜，具有地區(qū)性，氣候因素往往在這一地區(qū)荒漠化形成中具有主導作用。本文以錫林郭勒盟2000-2019年生長季MODIS-NDVI數據作為遙感數據來源，結合錫林郭勒盟地區(qū)及周邊氣象站點的降水、氣溫等氣象數據，通過森式斜率及Mann-Kendall趨勢檢驗法進行顯著性檢驗，研究2000年以來研究區(qū)荒漠化與氣象因子相關關系。結果表明：錫林郭勒盟2000-2019年間，顯著增大的面積為36322km2，占總面積的11.22%;不顯著增大的面積為178863km2，占總面積的55.24%;穩(wěn)定的面積為80763km2，占總面積的24.94%;不顯著減少的面積與顯著減少的面積占比分別為8.37%與0.23%。可知，不顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小。在20年間內蒙古NDVI在該區(qū)域內呈現增大的趨勢，植被覆蓋面積增大，荒漠化的面積在整體上是減少的趨勢。植被覆蓋度變化受氣溫降水的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著，因此降水是內蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。

關鍵詞：荒漠化;氣象因子;NDVI;錫林郭勒盟

中圖分類號：S157.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）01-0042-06

1 引言

荒漠化是困擾世界的一項全球性問題，涉及環(huán)境及社會經濟發(fā)展[1]，目前全球已受荒漠化影響及將受荒漠化影響的土地面積已達35%，且以6萬km2/年的速度擴張，亞洲地區(qū)也已經達到34%。荒漠化不僅表現在對生態(tài)環(huán)境的破壞，同時還對當地社會和經濟發(fā)展造成負面影響，而生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠化區(qū)域往往是深度貧困區(qū)[2，3]。我國已在1994年、1999年、2004年、2009年及2014年組織人員開展了荒漠化監(jiān)測。根據第五次《中國荒漠化和沙化狀況公報》，截至2014年，我國27.20%的國土面積已被荒漠化土地所占領。

內蒙古自治區(qū)荒漠化土地面積廣闊，全區(qū)近60%的土地為荒漠化土地[4]。其中風蝕荒漠占荒漠化土地面積的90%，且集中在以砂壤土、壤砂土、砂土等土壤質地集中的草原區(qū)[5]。土地利用程度和利用方式是影響內蒙古荒漠化發(fā)展的一個重要因素。近一個世紀以來內蒙古荒漠化發(fā)展尤為迅速[6]，這與人類經濟活動范圍擴大、強度增加、導致內蒙古地區(qū)農牧交錯帶不斷北移，原有土地利用類型改變及植被覆蓋度減少有著極為密切的關系。錫林郭勒盟荒漠化不僅對本區(qū)經濟社會環(huán)境產生重大影響，還危及京津地區(qū)生態(tài)安全[7，8]。該區(qū)南部的渾善達克位于京津地區(qū)上風口，是重要的東亞沙塵源地之一[9]。

錫林郭勒盟位于東亞季風區(qū)向非季風區(qū)過渡區(qū)域，同時屬于農牧交錯地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，受氣候變化與人類活動影響較為敏感[9]。在全球氣候呈現“干者越干，濕者越濕”變化趨勢下，地區(qū)呈現暖干化趨勢[10]，這勢必會對研究區(qū)荒漠化演變產生驅動作用。目前對該盟荒漠化發(fā)展驅動力的研究主要以人為因素為主，對自然因子特別是氣象因子的研究還存在不足之處。本文鑒于荒漠化成因具有一定的地區(qū)性[11]，對錫林郭勒盟荒漠化成因研究應符合實際情況，選擇對研究區(qū)荒漠化成因具有主導作用的因子進行研究。研究結果可以為之后荒漠化治理提供科學依據，解決荒漠化成因不清難以形成有效治理的難題。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟（115°13′E～117°06′E，43°02′N～44°52′N），跨兩個緯度和兩個經度，全盟土地面積26.26萬平方公里，占內蒙古自治區(qū)面積的17.2%。錫林郭勒盟大部屬于西北干旱區(qū)，只有東南少部分屬于東部季風區(qū)，是生態(tài)環(huán)境脆弱敏感地區(qū)。位于研究區(qū)南端的渾善達克沙地是距京津唐最近的沙塵源。年均溫0～3℃，且日溫差及年溫差較大，年均降水量較少且時空分布不均勻。年均降水量為295mm，且降水多集中在7、8、9三個月份，并由南至北逐漸減少。年平均相對濕度60%以下，蒸發(fā)量1500～2700mm之間[12]。受水熱條件的影響，錫林郭勒草原以典型草原為主體，自東向西由草甸草原向荒漠化草原逐漸演變。典型草原區(qū)植被總蓋度20%～40%，總高度30～50cm，生產量800～1000kg/km2。地區(qū)地帶性土壤為具有較高生產力的栗鈣土或暗栗鈣土。

2.2 數據來源與處理

2.2.1 NDVI數據

本文使用的NDVI數據為Terra衛(wèi)星的MOD 13A2產品（來源于https：//ladsweb.Modaps.eosdis.nasa.gov/search/），時間和空間分辨率分別為16d和1km。且采用最大值合成法（Maximum ValueComposite， MVC），獲得逐月和逐年的NDVI數據。

2.2.2 氣象數據

本文所用的氣象數據主要為研究區(qū)及周邊24個氣象站點逐日氣象數據，源于中國氣象科學數據共享服務網站和錫林郭勒盟氣象局。將2000—2019年的錫林郭勒盟境內氣象站點的數據進行整理，并采用克里金法，對氣象數據進行空間插值，從而獲取與NDVI數據統(tǒng)一投影和像元大小的降水和氣溫柵格數據。本文探討氣溫降水對荒漠化的影響。

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

植被覆蓋指數（Vegetation Index， VI）是在利用遙感技術進行荒漠化監(jiān)測中的一種替代指標，是一種基于波段間比值運算提取植被的算法。NDVI（ Normalized Differ ence Vegetation Index）歸一化植被指數在監(jiān)測植被生長狀態(tài)，農業(yè)干旱等方面具有良好特性[13]。其計算公式為：

NDVI=（NIR-RED）/（NIR+RED）。

其基本原理如下：假定一像元為混合像元，則該像元信息：

S=S1+S2? ?（1）

式中：S表示像元信息，S1表示土壤部分提供的信息，S2表示植被部分所提供的信息。

植被覆蓋度為該像元被植被面積所覆蓋區(qū)域占整個像元的比例，土壤覆蓋面積所占比例則為1-植被覆蓋度。如果一個像元為純像元，則表明該像元信息僅由植被或土壤所貢獻。

S1=（1-Fv）·Ssoil? （2）

S2=Fv·Sveg? （3）

S=（1-Fv）·Ssoil+Fv·Sveg? （4）

式中：Fv為植被覆蓋度，Sveg為純植被覆蓋像元信息，Ssoil為純土壤覆蓋像元信息。

植被覆蓋度利用像元二分模型來進行估算。根據式子S=（1-Fv）·Ssoil+Fv·Sveg可推知：假定一像元NDVI值由土壤和植被兩部分提供，其中純土壤像元NDVI值記為NDVIsoil，純植被像元NDVI值記為NDVIveg，則植被覆蓋度

Fv=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）? （5）

因此，可通過遙感信息對植被覆蓋度信息進行估算，進而通過遙感反演對荒漠化面積進行監(jiān)測。

2.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗法

通過Sens趨勢分析和Mann-Kendall檢驗，分析了內蒙古地區(qū)不同植被類的平均和逐像元的年際NDVI的變化。Mann-Kendall（簡寫M-K）趨勢檢驗法是一種非參數趨勢檢驗法。該方法適合于非正態(tài)分布的氣象數據的非線性趨勢檢驗。假定x1，x2，…，xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，M-K法定義了統(tǒng)計量S：

其中，

sgn（xj-xi）=+1， if（xj-xi）>00，? if（xj-xi）=0-1， if（xj-xi）<0

式中：xj、xi分別為j、i年的相應測量值，且j>i。

式中：Z為一個正態(tài)分布的統(tǒng)計量;Var（S）為方差。在給定的a置信水平上，如果|Z|≥Z1-a/2，則拒絕原假設，即在a置信水平上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。其變化趨勢的大小用Sen's斜率表示，計算如下：

若斜率>0，表示呈上升趨勢;若斜率<0，表示呈下降趨勢。

2.3.3 荒漠化等級劃分

根據《關于中國三北地區(qū)荒漠化分類分級及參考指正表的修訂》，將錫林郭勒盟地區(qū)荒漠分為未荒漠化、輕度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化和極重度荒漠化五類[14]。錫林郭勒盟屬中國北方典型干旱半干旱區(qū)，風蝕荒漠分布面積廣闊，因此研究區(qū)荒漠化劃分指標依據干旱-半干旱區(qū)風蝕荒漠化等級進行劃分（表1）。

3 研究區(qū)荒漠化現狀分析

3.1 錫林郭勒盟植被覆蓋度空間分布

利用ArcGIS的重分類工具對Mann–Kendall檢驗結果進行重分類，后進行柵格計算得到研究區(qū)NDVI變化的空間分布圖（圖2）。從圖2可知，2000-2019年間錫林郭勒盟植被覆蓋度顯著增大的區(qū)域位于東部地區(qū)與西南地區(qū)，西部地區(qū)的植被覆蓋度變化在空間上呈現穩(wěn)定或不顯著增大，北部較穩(wěn)定南部有較改善的趨勢。

從表2可知，錫林郭勒盟2000-2019年間，顯著增大的面積為36322km2，占總面積的11.22%;不顯著增大的面積為178863km2，占總面積的55.24%;穩(wěn)定的面積為80763km2，占總面積的24.94%;不顯著減少的面積與顯著減少的面積占比分別為8.37%與0.23%。從以上結果可知，不顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小，兩者之間相差178105km2;增大和減少的面積差為18722km2。因此在20年間（2000-2019年）內蒙古NDVI在該區(qū)域內呈現增大的趨勢，植被覆蓋面積增大，荒漠化的面積在整體上是減少的趨勢。

3.2 錫林郭勒盟荒漠化面積動態(tài)分布

根據研究區(qū)荒漠化劃分標準，將2000年-2019年研究區(qū)植被生長季NDVI最大值提取遙感圖像進行重分類，分類統(tǒng)計及變化趨勢結果如表3和圖3所示。統(tǒng)計結果表明，極度荒漠化、重度荒漠化月中度荒漠化均呈現減少的趨勢，且極度荒漠化的面積減少的速率較其他荒漠化面積變化速率較大。而輕度荒漠化與未荒漠化的面積呈現增加趨勢。

結果表示，多年平均植被覆蓋度與多年平均降水呈現線性正相關關系，且R2為0.6038，通過了顯著性檢驗，為顯著關系。與多年平均氣溫的關系為，R2=0.3741的對數負相關關系，隨著氣溫的升高，研究區(qū)植被覆蓋呈現減少的趨勢。可知，研究區(qū)2000-2019年的植被覆蓋度的變化與降水的相關性較高，與氣溫的相關性較低。綜上所述，錫林郭勒盟地區(qū)的植被覆蓋度的變化受氣溫降水的影響較大，因此氣候因素會對土地荒漠化的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著。這與中國北方的植被生產力主要受降水的限制結果一致[15]。

3.3 荒漠化對氣候因素的響應

首先，在研究區(qū)內用ArcGIS軟件的隨機生成點的工具形成10000個隨機點，后提取該點對應的多年平均植被覆蓋度，降水與氣溫的數據。其次，利用數據統(tǒng)計與處理軟件Excel與SPSS，對降水與氣溫數據對植被覆蓋度影響的相關關系分析。最后基于錫林郭勒盟2000-2019年平均植被覆蓋度與降水、氣溫的，確定氣候因素（氣溫、降水）對植被覆蓋度的影響關系，從而得到氣候對研究區(qū)土地荒漠化的影響。

結果表示，多年平均植被覆蓋度與多年平均降水呈現線性正相關關系，且R2為0.6038，通過了顯著性檢驗，為顯著關系。與多年平均氣溫的關系為，R2=0.3741的對數負相關關系，隨著氣溫的升高，研究區(qū)植被覆蓋呈現減少的趨勢。可知，研究區(qū)2000-2019年的植被覆蓋度的變化與降水的相關性較高，與氣溫的相關性較低。綜上所述，錫林郭勒盟地區(qū)的植被覆蓋度的變化受氣溫降水的影響較大，因此氣候因素會對土地荒漠化的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著，因此降水是內蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。

4 討論與結論

4.1 討論

全面，適宜的監(jiān)測與評價指標體系是當前荒漠化研究中的熱點，是荒漠化監(jiān)測及治理工作高效開展的關鍵[16]。目前，對荒漠化監(jiān)測研究主要集中在荒漠化監(jiān)測手段、體系、評價標準等方面。針對荒漠化監(jiān)測體系，評價標準的研究目前已較為成熟。荒漠化評價標準經歷了諸多變化，我國早期荒漠化評價標準為荒漠化指征綜合評價，目前已發(fā)展到現在基于遙感植被指數的定量化評價[17]。荒漠化評價指標體系研究在我國亦已開展多年，現在主要從反映荒漠化監(jiān)測所需的信息要素和生態(tài)地理指標的科學技術體系及影響荒漠化的人為因素兩個方面入手[18]。以荒漠化監(jiān)測手段作為荒漠化監(jiān)測研究的切入點，在我國研究較少，存在一定空白。趙媛媛等人從荒漠化監(jiān)測常用的地面調查與遙感監(jiān)測作為切入點，詳細綜述荒漠化監(jiān)測及評價指標體系[16]。

目前，對于荒漠化驅動力的研究主要以自然因素與人為因素兩個方面為主。大量研究結果表明，我國北方現代化風蝕荒漠化的主要驅動力是以經濟因素為導向的人類活動，大約94.5%風蝕荒漠化土地是由于人類活動所導致[19]。李香云等人認為人類活動對荒漠化區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有顯著的負面影響[20]。自然因素也是導致荒漠化產生發(fā)展的一個主要因素，對驅動荒漠化形成的自然因素的研究主要集中在氣候、地質及土壤方面。劉虎俊等人對內蒙古錫林郭勒盟及蒙古國蘇赫巴托爾省荒漠化自然成因從氣候，土壤方面進行分析[21]，劉連成等人對內蒙古東部地區(qū)沙質荒漠化成因從氣候、土壤與植被、地質方面入手[22]。

我國荒漠化監(jiān)測防治評價標準、體系起步較晚，2008年4月全國防沙治沙標準化技術委員會的成立正式標志我國監(jiān)測防治標準化工作步入正常發(fā)展軌道[23]。同時由于我國荒漠化面積較大，荒漠化區(qū)域不同導致我國荒漠化評價標志具有區(qū)域性，尚未形成統(tǒng)一的評價體系[17]。荒漠化驅動力研究受到荒漠化區(qū)域性不同及荒漠化類型不同的影響，各荒漠區(qū)荒漠化驅動力存在差別，因此現代荒漠化成因研究應該考慮到地域性影響[11]。

4.2 結論

結果表明，錫林郭勒盟2000-2019年間，顯著增大的面積為36322km2，占總面積的11.22%;不顯著增大的面積為178863km2，占總面積的55.24%;穩(wěn)定的面積為80763km2，占總面積的24.94%;不顯著減少的面積與顯著減少的面積占比分別為8.37%與0.23%。從以上結果可知，不顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小，兩者之間相差178105km2;增大和減少的面積差為18722km2。因此在20年間（2000-2019年）內蒙古NDVI在該區(qū)域內呈現增大的趨勢，植被覆蓋面積增大，荒漠化的面積在整體上是減少的趨勢。

多年平均植被覆蓋度與多年平均降水呈現線性正相關關系，且R2為0.6038，通過了顯著性檢驗，為顯著關系。與多年平均氣溫的關系為R2=0.3741的對數負相關關系，隨著氣溫的升高，研究區(qū)植被覆蓋呈現減少的趨勢。可知，研究區(qū)2000-2019年的植被覆蓋度的變化與降水的相關性較高，與氣溫的相關性較低。綜上所述，錫林郭勒盟地區(qū)的植被覆蓋度的變化受氣溫降水的影響較大，因此氣候因素會對土地荒漠化的影響較大，其中降水的影響較氣溫的影響較為顯著，因此降水是內蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。

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