2000-2014年浑善达克沙地植被覆盖变化研究
2016-02-23元志辉包刚银山雷军包玉海萨楚拉
元志辉，包刚，银山，雷军,3，包玉海，萨楚拉
(1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，
内蒙古 呼和浩特 010022；3.北京师范大学资源学院，北京 100875)
2000-2014年浑善达克沙地植被覆盖变化研究
元志辉1,2，包刚2*，银山1，雷军1,3，包玉海2，萨楚拉1,2
(1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，
内蒙古 呼和浩特 010022；3.北京师范大学资源学院，北京 100875)
摘要：基于2000-2014年间植被生长季(4-10月)的MODIS NDVI数据反演浑善达克沙地地区植被覆盖变化，结合2000-2013年该地区周边11个气象站点的气温和降水数据，分别从年际变化和月变化角度分析该地区植被覆盖变化对气候变化的响应。研究表明，浑善达克沙地植被NDVI，不论是植被生长季平均值，还是其各月份值都呈上升趋势。研究区植被覆盖度的显著增加是气候和人为因素综合作用的结果, 一定程度上反映了生态恢复重建措施的有效性，但其植被NDVI年际变化趋势与降水量的关系更密切，其相关系数达到0.75，是驱动植被覆盖年际波动的最直接因素。在空间分布上，研究区的南部、中部和北部边缘区域的植被覆盖增加趋势较明显，而中部和西部部分区域未发生明显的趋势性变化。从月变化来看，4月草地植被变化受气温变化影响较明显；5-8月与前一月降水变化关系密切，说明植被生长对降水变化具有一定的滞后性。从沙地类型植被覆盖年际变化趋势看，所有类型都呈增加态势，增加态势最大的类型是移动沙地，最小的是固定沙地。
关键词：浑善达克沙地；NDVI；植被覆盖变化；气候
生态系统退化、恢复、合理开发和保护的研究正日益受到全社会关注[1]。特别是我国北方沙漠化土地的退化过程、恢复机理和整治技术的研究，近几年更是受到了国家和各专业部门的重视和支持[2]。本文研究区浑善达克沙地地处中国北方荒漠化地区中部，是荒漠化最严重的地区之一，也是典型的草原荒漠化地区[3]。该沙地处于半干旱草原地带，气候恶劣、土壤基质不稳定、植被盖度较低，生态系统十分脆弱。同时，浑善达克沙地位于京津地区天气系统的上游，距北京正北的直线距离为180 km，是京津地区北方生态屏障的重要部分，也是影响京津地区北路沙尘暴的必经之地和沙尘源区之一。其生态系统状况关系到内地广大区域的生态环境和社会经济的可持续发展。为改善生态环境，国家先后在该地区出台了 “三北防护林”、“退耕还林工程”、“ 京津风沙源治理工程”和“围封禁牧”等生态恢复政策[4]。
气候作为人类赖以生存的自然环境的重要组成部分，它的任何变化都会对自然生态系统以及社会经济系统产生重要影响。因此，认识沙地地区气候变化对沙地植被的影响，对于指导沙地生态保护与建设具有重要的意义[5]。在此之前许多专家研究过人类活动对沙漠化的影响，而从气候成因方面研究的较少，但生态环境的演变是特定气候变化的反映。本文仅从气候成因方面，探讨气候要素的变化如温度和降水对浑善达克沙地沙漠化演变的影响，旨在为沙地环境改善效益评估等方面提供可靠的背景分析资料。
植被是陆地生态系统的主体，在一定程度上能代表土地覆盖变化，在全球气候变化研究中起着指示器的作用[6]。因此，掌握陆地植被覆盖度年际间的变化规律，探讨气候因素的驱动作用，对调节生态过程、评价陆地生态系统的环境质量具有重要的理论和实际意义[7]。而基于遥感影像反演的植被覆盖信息具有时间尺度长、覆盖范围广、数据获取方便、空间分辨率高等优点[8]，在较大时空尺度的相关研究中已得到广泛应用[9]。作为植被覆盖变化的重要指标，归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)，尤其MODIS NDVI数据因其空间分辨率较高和数据质量的进一步提高(相对于GIMMS NDVI)，被广泛应用于区域至全球尺度的植被覆盖变化监测[3]、植被生产力模拟[10]、土地荒漠化监测[11]等很多研究领域。本研究以2000-2014年MODIS NDVI数据作为植被覆盖变化的主要指标，结合研究区气温、降水量数据和浑善达克沙地的分类数据，在不同沙地尺度上分别开展浑善达克沙地植被覆盖年际、月际变化时空格局及其与区域气候变化的关系研究，更好地探讨气候要素变化对植被生长不同阶段的影响机制。
1材料与方法
1.1研究区概况
浑善达克沙地主体位于内蒙古锡林郭勒盟中西部的南部，大致位于111°40′-117°30′ E，41°50′-43°50′ N，沿东西向横亘于内蒙古高原的东部，紧贴燕山丘陵的北麓，东西长约400多km，南北最宽处为120多km， 加上周围的缓冲地带总面积达5.3×104km2[12]，在中国的沙漠/沙地中位居第七，跨越了内蒙古克什克腾旗、锡林浩特市、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗和多伦县等9个旗县(市)[13]，部分进河北省境内。按照图1研究区的面积统计，在浑善达克沙地主要有5种沙地类型，其中固定沙地占29.23%，半固定占29.52%，移动和半移动沙地分别占15.23%和23.27%，盐碱地占2.55%，且研究区内几乎没有戈壁沙地类型(表1)。
浑善达克沙地镶嵌于典型草原地带之中，海拔1100～1300 m，地势由南向北缓降，地面起伏不大，由于沙地孔隙充分吸收降水和拦截源于南部山地的地表水和地下潜流的补给，因而其潜水储量丰富，沙地中散布着众多大小不等的湖沼洼地[14]。沙地地处温带半干旱气候区，年降水量140～400 mm，自西向东递增，年平均气温为1.3~5.1℃，年平均风速为3.2~5.5 m/s，年蒸发量为1643.2~2969.3 mm[5]。土壤以发育在砂性母岩上的风沙土为主，主要建群植物有榆(Ulmuspumila)、褐沙蒿(Artemisiaintramongolica)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)等[12]。
盐碱地： 地表盐碱聚集、植被稀少，只能生长强耐盐碱植物的土地。面积约有 0.10×104km2。 Saline-alkali land：salinity accumulation, sparse vegetation, and the land where only salt-tolerant plants can grow stronger, area of 0.10×104km2.
1.2数据来源及预处理
本研究采用NASA免费提供的覆盖内蒙古浑善达克沙地地区的MOD13Q1 L3级产品，该数据时间尺度为2000-2014年，时间分辨率为16 d，空间分别率为250 m。由于锡林郭勒盟大部分地区的植被在冬季几乎停止生长或被积雪覆盖等原因，在此每年选取第97~305天间的数据，即4-10月份的数据，研究生长季(4-10月)的植被变化及其对气候因子的响应特征。将16 d的MODIS-NDVI数据，采用最大合成法 (MVC)[15]得到月NDVI数据，并利用研究区剪取覆盖2000-2014年逐月NDVI的栅格图像。根据以往研究方法[16]，将每年生长季内14期(4-10月)NDVI数据进行平均计算，用来表征该年植被生长平均状况，分别生成2000-2014年的年平均NDVI数据集[17]，用于分析植被覆盖变化趋势。
气象数据采用中国气象科学数据共享服务网 (http://cdc.cma.gov.cn) 提供的2000-2014年的浑善达克周边的11个气象站点的月降水量和月平均温度资料。浑善达克沙地是一个东西狭长, 南北较窄的区域, 沙区中心无气象观测站点, 只在周边地区有 11个相邻的气象观测站。根据各气象站点的经纬度信息，采用ArcGIS的Geostatistical Analyst模块对气象数据进行Kriging空间插值，获取与NDVI数据投影相同、像元大小一致的气象数据栅格图像。通过数据掩膜，获取浑善达克地区月降水量和月平均温度的栅格图像[7]。
浑善达克沙地界线及范围数据来自于Yang等[18]的研究结果(图1)，研究区涉及的行政区界线来自1∶400万国家基础地理信息系统数据库。浑善达克沙漠及土地沙漠化分类图来自寒区旱区科学数据中心的中国1∶10万沙漠(沙地)分布数据。研究中的沙漠化分类在2000-2014年没有发生改变，这是一种合理的假设，许多研究已经证实这种情况[19]。
1.3研究方法
本文应用一元线性回归分析法分析 2000-2014年研究区植被覆盖的整体变化趋势，单个像元多年回归方程中趋势线斜率即为年际变化率。利用植被覆盖度序列和时间序列(年份) 的相关关系来判断覆盖度年际间变化的显著性，斜率为负表示植被覆盖度下降，反之则表示植被覆盖度上升[20]。以相关系数的P值来表达其变化的显著与否[21]， 根据检验结果将变化趋势分为如下5个等级：极显著减少(b<0，P<0.01)；显著减少(b<0，0.01
(1)
式中，b为趋势斜率，n为监测时间段的年数，NDVIi为第i年的年平均NDVI。
利用以下公式(2)和(3)分别计算过去15年间年平均NDVI的标准差和变异系数，以此来反映研究区域内各沙地类型植被覆盖绝对变异量和相对波动程度[22]。
(2)
(3)
根据已有的NDVI、降雨量和温度数据，分别在年和月尺度上计算基于像元的植被覆盖与降雨量、温度之间的偏相关系数，分析植被覆盖和气候因子的关系、标准差和变异系数，并获得其相应图像，以表达植被覆盖变化的空间分布趋势及其显著与否[24]和波动程度的空间格局[21]。
地理系统是一种多要素的复杂巨系统，特别是在多要素所构成的地理系统中，其中一个要素的变化必然影响到其他各要素的变化，偏相关分析可解决这个问题。偏相关分析是指当两个变量同时与第3个变量相关时，将第3个变量的影响剔除，只分析另外两个变量之间相关程度的过程[7]。
(4)
2结果与分析
2.1浑善达克沙地植被覆盖空间格局
图2展示了浑善达克沙地2000-2014年植被NDVI平均值空间分布特征。研究区15年平均植被NDVI(The multi-year mean normalized difference vegetation index，简称YMNDVI)自西北向东南逐渐增大，低值区主要分布在苏尼特右旗东部，即研究区的北部区域，值一般低于0.2。而高值区主要分布在正蓝旗、多伦县、克什克腾旗和河北境内，即研究区的东南部区域，YMNDVI值高于0.4。从图3可以看出，整个研究区范围内15年平均NDVI不同沙地的分布情况，固定和半固定沙地的植被覆盖明显比移动和半移动沙地好。植被更差的是盐碱地，YMNDVI值小于0.2占其中绝大部分。
图2 浑善达克沙地15年平均NDVI空间分布特征Fig.2 Spatial pattern of 15-year mean NDVIin the Otindag sandy land
图3 浑善达克沙地植被NDVI统计结果Fig.3 Area statistics for graded vegetation NDVIin the Otindag sandy land
2.2浑善达克沙地植被覆盖总体变化趋势
图4和表2给出了研究区2000年至2014年的年平均NDVI值、由线性回归得到的拟合率、标准差和变异系数。在整个研究区范围内，15年间浑善达克沙地植被NDVI呈增加趋势(斜率为0.0045)，表明研究区植被覆盖度趋于好转态势，但增加趋势并不显著(P>0.05)。NDVI值2001年最差，为0.329；2012年最好，为0.498；15年平均值为0.423。从NDVI平均值的变异系数和标准差来看，15年来研究区植被覆盖年际波动较大。这与穆少杰等[7]研究结果一致，表明荒漠草原和草原化荒漠植被年际波动较强，抗干扰能力较差。由于研究区内不同沙地植物资源和植物群落的丰富度和集中程度的不同，其植被覆盖度及其变化趋势具有一定的差异。总体上，固定沙地的植被覆盖度为最高，其15年平均NDVI为0.496，其次为半固定沙地，NDVI值为0.404。而移动沙地和盐碱地的植被覆盖度较低，NDVI分别为0.343和0.249。
在年际变化上，过去15年间移动沙地、盐碱地和半移动沙地的植被覆盖度呈增加趋势最高的前3位(0.0065*,0.0054和0.0045)，而半固定沙地和固定沙地虽然也呈增加趋势，但线性拟合率较低(0.0041和0.0038)。这表明生态工程实施以来，各核心区植被覆盖变化趋势不均匀，固沙率越低生态恢复越明显。说明还有必要做好整体规划，加强自然植被的保护管理和开发工作，为各类动植物生存和繁衍提供必要条件。NDVI年际波动以盐碱地>移动沙地>半移动沙地>半固定沙地>固定沙地的顺序依次降低，变异系数分别为21.36%，14.80%，13.72%，13.33%和11.65%，表明固沙率越低生态越脆弱，植被越不稳定。这可能与各沙地类型不同优势植物群落对气候和人为活动的响应强度不同有密切关系。
2.3浑善达克沙地植被覆盖空间变化趋势
逐像元的年平均NDVI线性拟合分析结果显示(图5a和图6a)，2000-2014年间，研究区74.5%的面积植被呈上升趋势。这表明通过实施生态工程研究区大多地区的植被得到了改善，特别是约占8%地区的植被NDVI呈显著增加趋势(P<0.05)(图6b)，主要集中在研究区东南角和零星分布在中部和东部边缘地区(图5b)。而仅有13.2%的地区植被呈下降趋势，主要分布在研究区中部和东北部(固定沙地和盐碱地的部分区域)，同时下降趋势比较显著。除此以外的研究区西部和中部的部分地区(12.3%)的NDVI没有出现较明显的变化趋势，其线性拟合率主要处于-0.001~0.001之间。同时可以看出固定沙地和半固定沙地呈下降趋势，面积占其总面积比率相对于其他类型比较高。这可能是气候变化和生态恢复工程共同作用。
图4 浑善达克沙地植被15年NDVI年际变化Fig.4 The interannual variation of NDVI in different sand dunes from 2000 to 2014 A: 移动沙地Shifting sand dunes; B: 半移动沙地Semi-shifting sand dunes; C: 半固定沙地Semi-fixed sand dunes; D: 固定沙地Fixed sand dunes; E: 盐碱地Saline-alkali land; F: 整个研究区Entire study area.
项目Item移动沙地Shiftingsanddunes半移动沙地Semi-shiftingsanddunes半固定沙地Semi-fixedsanddunes固定沙地Fixedsanddunes盐碱地Saline-alkaliland整个研究区Entirestudyarea平均值15-year’mean0.3430.3800.4040.4960.2490.423标准差SD0.0510.0520.0540.0580.0530.053变异系数CV(%)14.8013.7213.3311.6521.3612.59线性拟合率Linearfitting0.0065*0.00450.00410.00380.00540.0045
*代表变化趋势通过0.05的显著性水平。“*” indicate significantly correlation at the level of 0.05.
从研究区域内2000-2014年的年度NDVI标准差(图5c)和变异系数(图5d)上来看，研究区西部和西北部植被NDVI标准差和变异系数较大，表明这些区域植被过去15年间无论从质量上还是相对于自身的承受能力上，受到的外界干扰最大，植被状况(生产力、覆盖度等)波动明显。主要由于这些地区草原植被生产力较高，地形平坦，开发利用成本低，因此人口和牲畜压力较大，受人为活动干扰强烈[22]。东部地区的标准差和变异系数较小，表明植被状况稳定，受外界干扰较小， 由于该类型草原自然生境好，生态保持能力强，因此年季间植被状况稳定，但不排除局部地区已被开垦为农田，造成年平均NDVI稳定的情况，同时也可能与研究区北部植被覆盖度极为稀疏有关(NDVI在0.1附近波动)(图2)，外界因素的平常变化不会对较高植被覆盖度产生剧烈影响，而在西部相对低植被覆盖区则产生较大影响。研究区中部的标准差较小，变异系数相对稍高，表明尽管温性荒漠在质量上变化不大，但是相对自身的承受能力上不容小视，特别是在研究区的中西部分地区，尤为严重。这说明，尽管研究区均属于沙地或典型草原，但其植被覆盖度的变化对环境因素的响应特征具有较大差异，典型草原植被覆盖度的变化对环境因素的响应可能存在着临界值。
图5 2000-2014年浑善达克沙地植被覆盖空间分布Fig.5 Spatial distribution of annual average NDVI in Otindag sandy land during 2000-2014 a: 年平均NDVI时空变化(×10-2/a)Trend (×10-2/a) in NDVI; b: 变化趋势的显著性水平Significance level; c: 标准差Standard deviation; d: 变异系数Coefficients of variability (%).
图6 2000-2014年浑善达克沙地年平均NDVI线性拟合率(a)及其显著性水平(b)的面积百分比Fig.6 Area ratio of NDVI trend (a)and significance level(b) during 2000-2014 in Otindag sandy landA:本沙地类型面积百分比Percentages in this type of sandy land; B:全部沙地面积百分比Percentages in the total sandy land area.
2.4浑善达克沙地气候波动及其对植被覆盖变化的影响
图7 2000-2013年浑善达克沙地NDVI、降水量和温度的变化趋势Fig.7 Interannual variation of NDVI， precipitationand temperature during 2000-2013in the Otindag sandy land
浑善达克沙地年降水量140～400 mm自西向东递增， 年平均气温为1.3~5.1℃。近14年来，研究区生长季总降水量波动范围一般在207.9~365.5 mm之间，没有发生较明显的趋势性变化，但其波动与NDVI的波动保持高度的一致性，如降水量较高的年份2003，2006，2008，2012与NDVI相对高值年份相对应，而较低的年份2001，2005，2007，2009，2013与同年NDVI低值相对应，表明尽管各类生态恢复工程对建立浑善达克沙地植被恢复影响很大[25]，这种空间分布与时间推移规律显然与中国长期开展的“三北”防护林工程、21世纪初启动实施的退耕还林还草、京津风沙源区治理、草原三牧(禁牧、轮牧、休牧)及建立自然保护区等生态保护和植被恢复工程密切相关[26]。但降水量的增减是其区域植被覆盖改变的另一个主要原因(图7)。植被覆盖度的年内变化与气象因子关系密切。很多相关研究表明， 植被覆盖度的年内变化与降雨具有很好的相关性， 尤其与生长季的降水具有很好的正相关性[27]。NDVI与降水量之间的相关分析得出，两者相关系数为0.75(P=0.01)。而14年来生长季平均温度变化较平稳，基本在14.4℃(2003年)~15.8℃(2001年)之间波动。NDVI与温度之间的相关系数达到-0.58，通过了0.05的显著性水平，与降水量的作用相反，温度对研究区植被生长产生了显著的限制作用。这可能是生长季平均温度的升高加快蒸散发而导致干旱加剧和植被可利用水量减少，从而影响植被覆盖度的增加[28]。特别是在降水量相对匮乏的荒漠草原地区，当降水量比常年稀少时较高的温度对植被生长的抑制作用更加明显[29]。NDVI与温度和降水量的相关关系说明了在全球气候变暖大背景下，浑善达克沙地降水量的增加和温度在一定程度地下降都对研究区植被生长具有明显的促进作用，也对物种多样性的保护、风沙治理和生态恢复有深远影响。
生长季平均NDVI与降水量(图8a)和温度(图8c)之间逐像元相关分析进一步证实了在整个研究区范围内降水量是决定植被覆盖变化的最主要气候因子，表明降雨量是影响该区域内植被生长主要气候因子，研究区内大部分地区植被覆盖度与年降雨量呈正相关。但降水量对植被覆盖变化的作用(相关系数的大小)因区域而异，总体上在研究区西部、北部、中部和东北区域相关系数达到0.5以上(图8a)，并通过了0.05，甚至0.01的显著性水平(图8b)，表明降水量对草原化荒漠地区植被的影响强度在一定程度上超过人类活动的局部影响。而在东南部NDVI与降水量的相关性相对弱(<0.3)，也不显著。图9a展示了不同等级相关系数的面积比例(像元比例)，几乎所有像元(98.5%)的NDVI与降水量之间的相关系数都为正值，其中相关系数值0.5以上的面积最大，达到75.5%。与此相反，约77.4%的像元NDVI与温度之间呈负相关(图9b)，同样相关系数-0.3~0之间的面积最大，达到72.3%。高负相关(<-0.5)区域主要分布在研究区西部(图8c)，通过0.05的显著性水平(图8d)。但与降水相比，通过0.01显著性水平的像元较少(图8d和图9c)。说明浑善达克沙地植被覆盖度总体上与降雨量的相关性更高。不同地区植被生长对降雨量和温度的响应有显著的空间差异。
2.5浑善达克沙地植被覆盖月变化与气候要素变化的关系
植被覆盖的年内变化与气象因子关系密切。很多相关研究表明，植被覆盖度的年内变化与温度和降雨具有很好的相关性， 尤其与生长季(6-8月)[30-31]。科学评估全球气候变化背景下，植被对气候的响应方式和强度，如春季生长季提前与否、夏季植被活动强度加强与否、秋季生长季延长与否[17]等具有重要意义，加之植被覆盖度能够有效减少土壤侵蚀[32-33]， 对水土保持和保障京津地区的生态环境安全也具有重要意义。同时大幅度地增加植被覆盖度有利于提高草地生态系统土壤保持功能，促进生态系统服务的维持与发挥[34]。而降水和气温变化具有时间尺度上的差异性，仅仅通过植被与气候要素年均值在年际变化尺度上的关系，不能充分说明该地区植被变化主要受降水因素的影响。以下从研究区植被生长季期间植被与气候要素月变化的关系进行分析。以2000-2013年植被覆盖与气候因子不同月份多年平均值为基础，计算一年内各月的降雨量、均温与相应的各月植被覆盖度之间的偏相关系数。通过分析生长季期间气温和降水月变化与植被生长的关系，能更好地揭示植被生长不同时期与哪个气候要素的关系更为密切。
从研究区生长季各月份NDVI、降水量、温度(图10a)的变化趋势及NDVI与气象因子的相关关系(图10b)来看，浑善达克沙地生长季所有月份的NDVI在过去13年间都呈增加趋势，最大值出现在7月(斜率为0.0032)，最小值出现在5月(斜率为0.0001)，表明研究区植被生长季春季提前、夏季增强和秋季推迟趋势都较明显[35]，同时也说明夏季这几个月植被受降水的影响较为明显[36]。从生长期各月份温度和降水的变化趋势看(图10a)，2000-2013年间除5和8月份外，其他月份的降水量均呈增加趋势，特别是6和7月份更加明显。而温度除5、8和10月份外也都呈下降趋势。这表明研究区气候夏季潮湿化趋势明显。这可能是由于该区域温度和降雨不同期，降雨量较大的季节温度偏低，限制植被生长，因此出现植被生长与降雨量呈负相关而主要受温度控制的现象。这表明荒漠区植被盖度对降雨和温度的敏感性都很强，只有在适当的雨热组合条件下，才有利于植被的生长。
图9 植被覆盖与气候关系的面积比统计Fig.9 Area of statistics of the relationship between vegetation and climate a: NDVI与降水量的逐像元相关系数面积比统计Correlation coefficient between NDVI and precipitation; b: NDVI与温度的逐像元相关系数面积比统计Statistics of correlation coefficient between NDVI and temperature; c: NDVI与降水量和温度显著性水平Statistics of significance level between NDVI and precipitation and temperature.
图10 生长季各月份NDVI、降水量、温度的变化趋势(a)及NDVI与气象因子的相关关系(b)Fig.10 Monthly trend in NDVI, precipitation, temperature (a) and their correlation (b)
从NDVI与气候因子的相关关系(图10b)看，所有月份都与NDVI呈正相关，表明大多月份降水量的增加对研究区植被的生长具有明显的促进作用，5，7和9月份的降水量尤为重要。而温度除4，5和10月份外，其他各月份都与NDVI呈负相关，表明在研究区只有生长季开始和结束月份的温度的增高对植被有一定的促进作用，而其他月份都有明显的抑制作用。这可能在该区域，降雨量的增加意味着温度的降低，从而抑制植被生长，也可能与在降雨量未达到年内最高值的月份，较高的温度会增加蒸发从而减少植被可利用水量，因此在一定程度上影响了植被盖度的增加[37]，整体来看，植被对气温变化的滞后效应不明显，而对降水变化表现出明显的滞后性。
3讨论
此前，许多学者利用相关分析研究了浑善达克沙地植被覆盖变化及其与气候因子的关系。穆少杰等[7]认为从年际水平看，在荒漠生态区主要受降水量影响，同时认为2000年后，在内蒙古实施的一系列生态恢复工程加大了对植被盖度时空演变产生的巨大影响。严恩萍等[38]认为2000-2012年间京津风沙重点治理区植被覆盖总体呈显著上升趋势(R2=0.7045)，年均增速达0.0108/a，植被恢复效果显著,改善区域约占总面积的98.92%，退化区域仅占总面积的0.70%，其中得到改善且通过显著性检验(P=0.10)的区域约占总面积的94. 31%。包刚等[3]认为荒漠植被呈增加趋势，这显然与荒漠植被分布区近10年间降水量的增加和温度的减少有关，温度的减少会降低土壤水分的蒸发以及降雨量的增加将进一步增加土壤水分，促进了该地区植被的生长。本文对浑善达克沙地植被生长和气候因子的相互关系进行了探讨，分析得出近15年浑善达克沙地生态明显恢复，与许多研究结果类似，如殷贺等[39]认为降水因子与荒漠区植被恢复有着密切的联系，降水量高的年份，荒漠植被生长状况较好。张戈丽等[40]认为仅4月植被生长与全年年际变化相关性显著(R=0.4726),说明4月植被生长与气温变化关系最为密切。张宏斌等[21]认为2000-2008年温性荒漠草原大部分地区植被状况趋于恢复改善，恢复面积达到78.94%，同时认为温性荒漠标准差较小，变异系数相对较高，并且认为2008年是最近9年植被状况最好的一年。
本研究在考虑从年际变化和月变化角度分析植被变化对气候变化的响应同时，还考虑了整个研究区从空间和不同沙丘类型上表征植被对气候响应的区域差异。通过将年生长季平均NDVI与年降水量、年平均气温进行偏相关分析，探讨处于研究区NDVI变化与气候因子关系，研究发现浑善达克沙地绝大部分地区植被生长与平均温度呈负相关但相关性不显著，其中研究区中南部地区NDVI 与温度呈正相关；研究区大部分地区NDVI与年降水呈正相关且相关性显著，仅东都地区相关性不显著，可以初步认为非气候因素是引起浑善达克沙地 NDVI 增加的重要原因。
本研究还发现4月、5月和10月温度的增高对研究区植被有一定的促进作用。近15年内，总体上2012年是植被状态最好的一年。近15年研究区年降水量与植被盖度相关性的面积明显大于平均气温与植被盖度相关性的面积。研究表明固沙率越低生态越脆弱，植被越不稳定，但其生态恢复越明显。除了气候变化对浑善达克沙地植被覆盖的影响外，人类活动也对该地区植被覆盖变化起到了很大作用，综合考虑这两种因素对解释植被恢复的原因更有说服力。因此，在今后的研究中，探讨人类活动在浑善达克沙地植被覆盖时空演变中相对贡献的量化评定更有必要。
4结论
本研究利用2000-2014年的MODIS NDVI数据和气象数据，较系统地分析了浑善达克沙地植被覆盖度的年际、月际变化特征及其与区域气候变化的关系，明确了退耕还林等生态工程建立后的近15年的生态环境状况。同时，结合该沙地各种沙地类型空间分布数据，分析了各类型的植被覆盖年际变化特征及其差异。研究结果对了解浑善达克从2000年到最近年份的自然环境变化趋势，相关措施实施效果提供重要依据。经过研究得出了如下结论。
1)在整个沙地范围内，尽管15年来研究区植被覆盖变化的年际波动较大，但其植被平均NDVI总体上呈增加趋势，表明最近15年间其植被覆盖度趋于明显好转的态势，同时也说明21世纪初中国开始实施的退耕还林还草禁牧休牧轮牧等生态保护和环境改善工程取得了明显效果。从各沙地类型角度看，多年平均植被覆盖以YMNDVI>0.4的面积为参考，固定沙地>半固定沙地>半移动沙地>移动沙地>盐碱地的顺序依次降低。在年际变化趋势上，各个沙地类型植被覆盖度都呈增加态势，从增加的明显程度上看，以移动沙地>盐碱地>半移动沙地>半固定沙地>固定沙地的顺序依次降低。
2)从植被覆盖变化的空间分布上看，占研究区74.5%的地区植被覆盖呈增加趋势，其中有15.93%的面积出现显著响应，主要分布在研究区的北部、中部和南部边缘区域。而研究区中西部的部分地区(12.3%)的NDVI没有出现明显的趋势性变化。从植被覆盖变化的波动性分析看，研究区的西部和西北部植被NDVI标准差和变异系数较大，受外界干扰显著，而中部和东部植被覆盖受外界因素的响应较弱。
3)由于浑善达克沙地处于典型的干旱半干旱气候带，在年际尺度其植被覆盖受降水量的影响极为明显，NDVI与降水量的相关系数达到0.75(P=0.01)，是导致植被覆盖改变的最直接和重要原因。相反，温度对研究区植被生长产生了显著的抑制作用，两者相关系数达到-0.58。在月际尺度上，4月草地植被变化受气温变化影响较明显；5-8月与前一月降水变化关系密切，说明植被生长对降水变化具有一定的滞后性。
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*Vegetation changes in Otindag sand country during 2000-2014
YUAN Zhi-Hui1,2， BAO Gang2*， YIN Shan1， LEI Jun1,3， BAO Yu-Hai2， SA Chu-La1，2
1.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot010022,China; 2.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformationSystemofInnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot010022,China; 3.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China
Abstract:MODIS NDVI collected during the growing season (from April to October) from 2000 to 2014 were adopted and integrated in this study to extract the time series characteristics of vegetation dynamics in Otindag sand country. The response of vegetation changes to climate data including temperature and precipitation recorded at fifteen meteorological stations were analyzed during 2000 to 2013 using annual and monthly time scales. The results revealed that regardless of the time scale (monthly or annual), the NDVI tended to increase over the 15-year observation period a result of climate and human activity Ecological restoration, indicating that ecological restoration work has produced benefits. The annual NDVI was correlated with precipitation (r=0.75), indicating that precipitation was the dominant factor in vegetation dynamics. With respect to spatial pattern, the NDVI in southern, central and northern fringe regions of the study area tended to increase but no obvious trends were observed in the central and some western areas of the region. Correlation between monthly average NDVI and climatic factors during the growing season showed that the response of vegetation change to temperature in April and May was strong, indicating that temperature was important in the early stages of the growing season. Correlation between NDVI and precipitation of the previous month were strongest from May to August revealing a hysteresis response of plant growth to rainfall. Shifting sand dunes showed the largest increase in NDVI while the smallest increase occurred in fixed sand dunes.
Key words:Otindag sandy land; NDVI; vegetation coverage changes; climate
*通信作者Corresponding author. E-mail: baogang@imnu.edu.cn
作者简介：元志辉(1988-)，男，内蒙古乌兰察布人，在读硕士。E-mail: 498805579@qq.com
基金项目：内蒙古自治区自然基金(2013ZD084)，国家自然科学基金(41301456)和内蒙古师范大学重大项目培育专项项目(2013ZDPY0)资助。
*收稿日期：2015-06-25；改回日期：2015-08-19
DOI：10.11686/cyxb2015319
http://cyxb.lzu.edu.cn
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