荒漠草原植被动态变化及其与水热的响应关系

郝伟罡，李锦荣，郭建英，申 军，张 生

(1.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020;2.内蒙古水土保持工作站，内蒙古呼和浩特 010018;3.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010018;4.谢菲尔德大学建筑系，英国 谢菲尔德 S13JD，UK)

气候条件是一个极其重要的生态因子，直接影响植被的分布与变化。植被既是气候变化的直接响应者，又对气候变化产生一定的反馈作用，可在区域尺度上缓减或促进气候变化的幅度。因此，关于植被覆盖动态变化及其与气候因子的响应关系，已成为全球变化研究中的热点问题和重要内容之一[1-4]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)是通过遥感数据提取信息后用图像反映地表植被状况的指标，能够较为精确地反映地表植被覆盖度、生物量的动态变化过程。因此，NDVI在区域、各大陆乃至全球的大尺度上的植被类型分类，植被动态监测，土地覆被/利用分类及其变化，水、旱等自然灾害监测，植被物候期监测，农作物长势监测等不同方面，目前已经得到广泛应用，效果良好[5-9]。 MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer)数据从2000年开始获取数据，其空间分辨率(250m)比SPOT-VG、TAVHRR、TM遥感数据等相对差一些，但其时间序列完整，在研究不同时空尺度下植被覆盖的演化格局、驱动机制、植被动态监测、植被变化与气候要素的响应规律等方面，具有广阔的应用前景[10-15]。

荒漠草原的年降水量小于200 mm，其气候条件恶劣，干燥，少雨，是我国生态环境极为脆弱的主要区域之一。特别是地处内蒙古达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)的荒漠草原，随着人类不合理的放牧和开垦以及矿物开采，草原荒漠化进程加剧，且关于该地区植被动态变化以及NDVI值与气候因子相互关系的研究比较欠缺。因此，笔者采用遥感数据和气象资料相结合的方法，系统分析达茂旗地区植被覆盖度的动态变化及其与降水量、气温的相互关系，以期对当地及其周边类似地区的草地生产与经济社会的可持续发展提供一定的指导。

1 研究区概况

达茂旗位于内蒙古自治区中部地区、阴山北麓的乌兰察布高平原地带，东与乌兰察布市的四子王旗相连，西与巴彦淖尔盟乌拉特中旗为邻，北面为蒙古国南部的戈壁地带，南为呼和浩特市的武川县及包头市固阳县，为草原向荒漠草原过渡的典型地带，生态环境极其脆弱，土壤侵蚀以风蚀为主，伴有季节性的水蚀。地理坐标为北纬41°20'～42°47'，东经109°16'～ 111°25'，南北宽约 160 km，东西跨度约150 km，全旗地域辽阔，土地总面积达18177 km2;气候类型为中温带半干旱大陆性气候，多年平均降水量为259 mm，多年平均气温为3.5℃;风向主要以西北风为主，多年平均风速为4.3 m/s，多年平均大风日数为22～27d，沙尘暴日数为10～15d;在长期的自然和人为因素的综合干扰下，草地风蚀沙化，水土流失加重，土地盐渍化加剧，草场生产力持续减退，草地荒漠化程度日趋严重，生态环境进一步恶化[16]。

2 数据来源及分析

2.1 数据来源及处理

遥感数据来源于美国的MODIS数据，该遥感数据为16 d最大值合成植被指数的(MOD13A1)数据产品[14-15]，遥感数据的空间分辨率为250 m，由于研究区冬季寒冷、多雪，地表在整个冬季大部分时间有残留积雪，导致冬季NDVI值与实际植被状况会存在较大偏差。因此，研究选取遥感数据的时间序列为2000—2010年每年的5—9月份。采用MRT软件对MODIS数据产品进行数据处理，获取不同年际及其年内不同月份的NDVI数据;最后利用MVC(model view controller)法将2000—2010年期间每年5—9月份5期的NDVI数据进行最大值合成，获取年内的最大NDVI值，代表当年该地区植被生长最好的情况，然后将2000—2010年各年的最大化NDVI值进行加和平均，作为整个研究区当年的NDVI值，最后通过对比分析研究区植被年际间的动态变化[14-18]。气象数据为达茂旗百灵庙气象站多年实测的数据。

2.2 数据分析

运用趋势、相关等多元统计方法，分析研究区NDVI值年际、年内变化与气温、降水量之间的线性回归关系，反映该地区植被的NDVI变化与主要气候因子之间的反馈机制。

3 结果与分析

3.1 NDVI年内变化规律

通过逐象元计算达茂旗荒漠草原2000—2010年生长季5—9月各月的平均NDVI值，结果见图1。由图1可知，达茂旗荒漠草原的NDVI值年内变化在草地植被生长期内均呈单峰型，NDVI值的年最大值一般出现在8月份。在年际变化方面，不同年度NDVI值的年内最大值和生长季(5—9月份)平均值的差别较大，而年际间NDVI值平均相差较小，变异系数为0.92%。荒漠草原在4月下旬解冻后，5月上旬开始返青，NDVI值在6月上旬开始明显增大，之后迅速增加，至7月下旬时达到一个较高的值，而后在8月上旬缓慢增加并达到峰值，然后在9月上旬草地植被开始枯黄，NDVI值迅速下降。

图1 达茂旗荒漠草原NDVI值年内变化

3.2 NDVI值的年际变化

图2 达茂旗荒漠草原NDVI值年际变化

2000—2010年达茂旗荒漠草原NDVI值年际变化见图2。由图2可知，达茂旗NDVI值从2000—2010年呈整体降低的趋势，多年平均NDVI最大值为0.32，出现在2004年，最小为2009年的0.19，相差波动程度强，没有明显的线性关系，说明荒漠草原的抗干扰能力差，草地呈现出退化的趋势。

3.3 NDVI值与气候因子年际变化之间的关系

从图3、图4可见，达茂旗的年降水量主要集中在5—8月份，占全年总降水量的70%以上，且年际间变化较大，呈现减少的趋势;有效积温也集中在5—8月份，年际间变化较小，呈微弱的增加趋势。因此，用7—8月份NDVI的平均值，代表年内植被生长状况;同时考虑NDVI值与气候因子存在滞后现象，用5—8月各月份温度、降水量的累计值代表当年的气候特征，分析研究区植被与气候因子年际间的变化趋势。图5的结果表明，温度对牧草生长发育的影响主要表现在7、8月份，气温高，热量条件好，加之该季节降水相对较多，有利于草原植被的快速生长，但也因蒸散耗水增大，对草地产生一定的负面影响;降水量与NDVI值呈显著正相关，相关系数为0.893。由此可见，在达茂旗荒漠草原地区植被的年际波动受雨水多少的影响极为明显，但气温也是一个主要的干扰因素。

图3 达茂旗荒漠草原2000—2010年平均气温与降水量年内变化

图4 达茂旗荒漠草原2000—2010年有效积温与降水量年际变化

图5 达茂旗荒漠草原区7—8月平均NDVI与5—8月气候相关图

4 结语

降水量和气温变化是限制达茂旗荒漠草原植被生长的主要气候因素，因此，通过长时间序列对比分析植被变化与气温、降水量变化的相互关系，可以探索研究区草地植被环境变化的主要诱导因素。2000—2010年达茂旗地区的降水呈减少的趋势，年平均降水量比10年前减少约22%，温度呈现微弱的增加趋势，但时间序列长度相对较短，还需进一步跟踪监测研究。

植被生长的季节变化会造成NDVI值的季节性增大和减少;同样，时间序列年平均NDVI值也反映出植被生长的年际变化。2000—2010年达茂旗荒漠草原植被活动的波动性较大，整体上呈现出退化的趋势。影响NDVI值年内变化最显著的气候因子是有效积温和降水量，降水量是影响NDVI值年际波动的主要因素，降水量越大，草原植被的长势越明显。如2004年降水量为319 mm，其NDVI值为0.32，是2009年(降水量仅为112 mm)NDVI值的1.7倍，降水量与NDVI值呈现显著的相关性。综合分析降水量和气温资料表明:达茂旗地区气候2000—2010年的变化趋势比较小，但总体在向暖干化方向发展。如这种趋势持续发展，将不利于当地植被生长和生态环境的改善。因此，应加强该地区草原的治理保护工作，制定科学高效的利用制度。

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