近50年内蒙古潜在植被地理格局时空特征分析

王大为,赵 军,尹 东,韩 涛,李丽丽

(1．中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州 730020；2．西北区域气候中心,甘肃 兰州 730020； 3．西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070)

植被空间格局分布与变化是由水热条件等非生物因素决定的，并受立地地形条件的影响。植被变化对环境变化的响应非常敏感，具有明显的动态和演变的特点[1-3]。潜在自然植被是假定在没有人为干扰的情况下现有环境条件中 (如气候、土壤、水分条件，包括人类改造后的条件)立地存在的植被[4]。潜在自然植被与植被现状没有必然联系，而是一种与它所处立地达到某种平衡的演替终态，一旦人类的干扰停止后即可达到演替顶极[5]。在当前全球气候变化剧烈，特别是原生植被大面积消失的情况下，研究潜在植被时空动态变化的规律对揭示植被在演替过程中主要特征的变化过程有着重要的现实意义[6]。

潜在植被的时空动态变化是认识原生植被动态进化特性的重要理论基础，能够揭示原生植被发生的地学特征。在国外，主要通过气候[7-8]、地形因子[9]以及土壤性质[10]对不同尺度上植物群落与非生物因子之间的关系进行研究。在国内，学者们主要是用改进后的传统模型来研究植物群落分布格局，以及运用RS手段反演流域内植被群落格局[5,11-13]。随着GIS手段的发展与应用，许多学者都以任继周提出的草原分类法为依据[14-22]，对中国以及全球范围内的植被潜在分布格局进行了模拟与分析。但从地理角度运用综合顺序分类方法研究潜在植被格局，揭示原生植被分布格局演替规律的报道相对较少[16-19]，而将潜在植被类型按照以类组为划分依据的分类研究尚处于探索阶段[20-22]。鉴于此，本研究以综合顺序分类法理论为指导，用内蒙古自治区1960-2009年逐日气温、降水量数据对潜在植被进行模拟反演，定量分析内蒙古近50 a来潜在植被地理格局的时空动态变化特征，确定研究区内潜在植被的类组及空间结构特征，以期为潜在植被地理空间格局变化趋势的研究提供依据，以及为原生植被动态格局变化的研究提供理论基础。

1 研究方法

1.1研究区域概况 内蒙古地处37°24′～53°23′ N、97°12′～126°04′ E，位于由西北内陆干旱、半干旱气候向东南沿海湿润、半湿润季风气候的过渡带。全区年平均气温-5～10 ℃，年平均降水量35～530 mm，主要土壤类型为典型栗钙土和暗栗钙土。受温度和水分条件的综合影响，该区植被从东到西依次为森林、森林草原、典型草原、荒漠草原、草原化荒漠和典型荒漠，主要表现为近经向的空间分异特征[23]。多样的水热组合类型为潜在植被地理格局时空动态性变化提供了前提条件。

1.2数据来源与整理 本研究所需的内蒙古自治区及其周边94个气象台站(图1)1960-2009年逐日的平均气温、降水量，以及各气象台站的地名、经度、纬度和海拔数据来源于国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。内蒙古地区1 km×1 km DEM数据的海拔数据来自美国地质调查局(USGS)，其边界依据国家基础地理信息中心发布的1∶400万中国行政区划。

植被类型的建立是由长时间的环境因素作用形成的，因此，从潜在植被时空变化分析的角度考虑，将50 a数据平均分为两期(1960-1984年为第一期，1985-2009年为第二期)计算25 a平均气候数据以模拟一段时期内潜在植被的平均分布状态。为尽量保证数据的准确性，在将逐日气象数据整理为逐年≥0 ℃年积温和年降水量的过程中，除剔除了异常的日气候数据外，还剔除了一年中数据少于360 d的气象台站；在计算平均多年气候数据时，分别将各期中记录少于20 a的气象台站剔除，使得台站的气候数据均以20 a以上平均值为准，确保数据时间段内的一致性。

图1 内蒙古及其周边气象台站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Inner Mongolia and its surroundings

1.3研究方法

1.3.1综合顺序分类法理论模型 综合顺序分类法全称为气候-土地-植物综合顺序分类法，其基本分类单元——类，是以生物气候指标为依据，将具有同一地带性农业生物气候特征的植被划分为相同的类。在具体分类中，以生物气候——≥0 ℃年积温(∑θ)和湿润度(K)——为量化指标，将热量带和湿润度以不同组合进行类的划分[24-25]。

综合顺序分类法在划分了所有56个类的基础上，根据使用习惯进一步把它们归并为16个类组，使其更具概括性，以体现类在形成和特征上的规律性以及空间上的宏观性[23]。

1.3.2植被反演方法 考虑到下垫面性质对积温分布影响的复杂性和研究区域的地理特征，本研究选择分区后基于DEM修正的IDW插值方法对研究区积温数据进行空间化模拟[24]，采用Kriging插值法对年降水量进行空间化处理。

DEM分区模型[26]：

式中，c为分区的数量，n为样本数，μij为样本Xj隶属于区Ci的隶属度，Vi为第i区的中心，m为权重系数，d2(Xj，Vi)为样本Xi到区中心Vi的欧式距离的平方。在具体的分区中，通过使Jm最小，将气象数据集划分为c个不同的分区。

基于分区修正的插值模型[27]：

根据综合顺序分类法的湿润度模型，可得到研究区湿润度数据[24-25]：

K=R/0.1∑θ.

式中，K为湿润度；R为年降水量；∑θ为≥0 ℃年积温；0.1为模型调整系数。

对≥0 ℃年积温与湿润度进行分级[24-25]，利用综合顺序分类法的植被评定模型[24-25]对内蒙古区域内划分潜在植被类型，通过空间叠合分析，得到内蒙古自治区前后两期的潜在植被类型图，并分析内蒙古潜在植被空间分布以及动态变化特征。

2 结果与分析

2.1潜在植被类型地理分布格局 内蒙古地区东西跨度大，植被分布呈现明显的经向地带性特征，除大兴安岭地区有森林植被外，其它区域以荒漠和草原为主。依据综合顺序分类法植被评定模型[24-25]，内蒙古共划分出16种潜在植被类型，可归为6个类组(表1，图2)。

内蒙古自治区潜在植被类型以暖温极干暖温带荒漠类(ⅣA)、微温干旱温带半荒漠类(ⅢB)、微温微干温带典型草原类(ⅢC)、微温微润草甸草原类(ⅢD)和寒温潮湿寒温性针叶林类(ⅡF)为主(图2)。其中，ⅢB分布区域最广，主要分布在巴丹吉林、腾格里沙漠南部、鄂尔多斯高原中部、乌兰察布高原西部、锡林郭勒高原北部及呼伦贝尔高原西部；ⅢC次之，主要分布在鄂尔多斯高原东部、乌兰察布高原南部、锡林郭勒高原东南部、呼伦贝尔高原中部以及西辽河平原以西区域；寒温微干山地草原类(ⅡC)分布最少，主要分布在锡林郭勒高原北部。在大兴安岭两侧，由于海拔的变化，潜在植被呈现明显的垂直地带性，植被类型由高到低依次为寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类(ⅠF)、寒温潮湿寒温性针叶林类(ⅡF)、微温潮湿针叶阔叶混交林类(ⅢF)、寒温湿润山地草甸类(ⅡE)、微温湿润森林草原、落叶阔叶林类(ⅢE)、微温微润草甸草原类(ⅢD)和微温微干温带典型草原类(ⅢC)。东坡由于降水充足，潜在植被类型出现微温潮湿针叶阔叶混交林类(ⅢF)，而西坡降水相对东坡较少，因此，寒温湿润山地草甸类(ⅡE)分布较多，没有出现ⅢF类型。

表1 内蒙古草原类型及所属类组[22,24-25]Table1 Potential vegetation grassland types and its group of Inner Mongolia[22,24-25]

2.2潜在植被类型面积的变化 在内蒙古自治区，受气候变化的影响，潜在植被类型之间发生了复杂的演替过程，其转化主要表现在地理分布区域和面积增减上。根据潜在植被类型变化转移矩阵(表2)可以看到，过去50 a间，各潜在植被类型的面积发生了不同程度的演变。

图2 内蒙古1960-1984年(a)和1985-2009年(b)潜在植被类型分布及演替Fig.2 Distribution and succession of potential vegetation class of Inner Mongolia during 1960-1984(a) and 1985-2009(b)

表2 内蒙古潜在植被类型前后两期面积转移变化Table 2 Potential vegetation class area transfer changes two phases km2

总体来看(图3)，在近50 a内蒙古潜在植被类型演替中除半荒漠和斯太普面积增加外，其余类组面积均呈减少趋势。其中冷荒漠在各类组中面积减少比例最小，比前25 a减少了1.09%；半荒漠面积增加最大，比前25 a增加了17.55%，但除ⅣB外另两类潜在植被面积均有减少；斯太普面积比例只增加了1.74%，与半荒漠类似，除ⅣC外另两类潜在植被面积均有减少；温带湿润草地面积比例减少了7.20%，除ⅢE外其余潜在植被面积均有减少；温带森林面积比例减少了22.07%，除ⅡF外其余潜在植被面积均有增加，但ⅣD、ⅢF在该类组中面积比例较小，因此，整体仍呈较少趋势；由于冻原高山草地类组中只有ⅠF一种潜在植被类型，该类组面积的变化趋势与ⅠF相同，减少了70.16%，在近50 a内蒙古潜在植被类组中面积减少比例最大。

从类的演替看，面积变化较小的类按面积从小到大依次为ⅢB(8.27%)、ⅢD(11.05%)、ⅢC(14.52%)、ⅢE(17.60%)、ⅢF(22.48%)、ⅡE(25.26%)和ⅡF(29.32%)。分布面积比例减少了70%以上的有ⅡC(减少99.62%)、ⅡD(91.59%)、ⅡB(75.82%)和ⅠF(70.16%)，其中面积减小比例最大的ⅡC发生在锡林郭勒高原北部；分布面积比例增加较大的有ⅣD(增加233.67倍)、ⅣC(96.01倍)和ⅣB(5.51倍)，其中分布在西辽河平原东南部的ⅣD面积扩张最大。上述面积比例增减较多的类型，其面积和仅占研究区总面积的0.28%，说明面积较小的类对气候变化的反应比较敏感，该类植被在研究区内并不稳定。冷荒漠(ⅢA、ⅣA)面积占研究区总面积的15.84%，面积变化比例分别达到58.37%和59.34%。由ⅢA向ⅣA变化了近一半的面积(表2)，说明在内蒙古西北地区受气温上升的影响，使得在冷荒漠类组内部发生了变化，虽然两类的面积变化明显，但仍然属于同一类组。

图3 内蒙古近50 a潜在植被类型面积变化Fig.3 Change of area of potential vegetation class in 50 years of Inner Mongolia

2.3潜在植被类型地理格局的演变 利用ArcGIS软件提取前后两期各植被类型重心的位置，定量分析潜在植被类型地理格局的变化程度，计算差值(后期减前期)后绘制在四象限图上(图4)。从潜在植被类型地理时空格局动态变化与发展方向来看(图2)，发生明显植被演替的区域主要集中在巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙漠、鄂尔多斯高原南部以及西辽河平原地区；从演替方向上来说，增多的潜在植被类型不断地由西北向东南延伸，而减少的类型则多向东北方向收缩(图4)，这是在内陆气候发生暖干变化后潜在植被做出的适应性调整。

从各类型来看(图2，图4)，ⅢA由中央戈壁和巴丹吉林沙漠中部向西退缩；ⅣA以阿拉善高原为中心向南扩张。ⅡB在狼山山顶和贺兰山山顶向西南退缩；ⅢB在腾格里沙漠中部、后套平原和鄂尔多斯高原东部减少，而在鄂尔多斯高原南部、锡林郭勒高原东部和呼伦贝尔高原东部有所增加，整体向东北退缩迁移；ⅣB在阿拉善高原西部、腾格里沙漠中部、后套平原和鄂尔多斯高原东部向东南扩散。ⅡC在锡林郭勒高原北部向东北退缩；ⅢC在鄂尔多斯高原中部、锡林郭勒高原西北部、呼伦贝尔高原西部和西辽河平原中部减少，而在鄂尔多斯高原东部、锡林郭勒高原东南部和呼伦贝尔高原东部增加，整体向西北退缩迁移；ⅣC在毛乌素沙地南部、土默川平原南部和西辽河平原中部向东北扩张。整体来看，在近50 a潜在植被演替过程中，冷荒漠向南微弱移动，半荒漠向东扩张，斯太普向东南移动并发生微弱的扩张。

图4 各潜在植被类型重心移动分布Fig.4 The offset of distribution center of potential vegetation class

ⅡD在呼伦贝尔高原北部和大兴安岭西南部分布向中心收缩，并向西南移动；ⅢD整体向东北退缩，并且在大兴安岭两侧向高海拔地区收缩移动；ⅡE沿山体向高海拔地区收缩并向东北迁移；ⅢE在大兴安岭两侧向高海拔地区扩张并向东北迁移。ⅣD在西辽河平原西南部向北扩张；ⅡF在大兴安岭高海拔地区向北收缩；ⅢF在大兴安岭东南部向高海拔地区收缩并向北迁移。ⅠF在大兴安岭北部高海拔地区向东北退缩。整体来看，在近50 a中，温带湿润草地、温带森林和冻原高山草地均向高纬度、高海拔地区退缩。

ⅣC、ⅡD的重心发生移动较大，这是由于ⅣC增加面积较大，而ⅡD减少面积很大，且增加或减少的区域分布不均造成的。虽然ⅡC和ⅣD的面积变化是研究区内潜在植被中最大的，但由于其变化范围均围绕原来的分布区域而产生变化，因此，这两种类型的重心移动均不大。

3 讨论与结论

内蒙古自治区境内潜在植被类型以荒漠和草原为主，隶属16类，归为6个类组。经模拟反演发现，以森林和草甸为主的植被类型主要集中在大兴安岭和阴山山地，而以草原和荒漠为主的旱生植被主要分布在内蒙古高平原地区，这与陈效逑和王恒[28]对内蒙古植被带和植被覆盖度的时空变化研究结论一致。

气温、降水量等气候综合指标限制了植物的分布，这些限制因素的变化会改变植被的分布范围[29]。张强等[30]研究发现中国西北地区近50 a的气候不断向暖干化方向发展，本研究经模拟反演发现，内蒙古西北部植被类型的暖干化较东部明显强烈。近50 a各潜在植被类型自身面积发生变化的同时，不同潜在植被类型之间也有明显的演替。受立地气候变干和气温升高的综合影响，冷荒漠、温带湿润草地、温带森林和冻原高山草地的面积呈减少趋势，除冷荒漠向南微弱移动外，其他3类组向高纬度、高海拔地区退缩。由于该4类植被面积减少，研究区内半荒漠和斯太普面积呈增加趋势，半荒漠向东显著扩张，增加的面积主要由呼伦贝尔高原的斯太普面积减少形成；斯太普自西北向东南移动并微弱扩张，增加的面积主要来自内蒙古东南部减少的温带湿润草地面积，这主要是受立地气候变干的影响造成的。高平原和山前平原地区的潜在植被类型沿经向演替，而大兴安岭和阴山山地地区的潜在植被类型沿海拔演替。综上所述，在内蒙古区域近50 a的气候演变中，立地气候向暖、干变化。

植被类型的分布格局不仅是对立地气候的响应，更是对地形地貌做出的适应性策略。类组是对综合顺序分类法所划分的植被类型的习惯用法的归并，主要体现了生产条件和特性的相近性[22]。本研究通过类组的方法将复杂的植被类型概括、系统化，能够更直观地解释复杂的植被变迁过程，便于定量分析近50 a来内蒙古植被类型地理格局的变化。但是，潜在植被类型的演替发生受不同气候因子影响，不同演替阶段所受的影响程度也不同，因此还需要进一步的分析与研究。

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