近15年锡林郭勒盟植被变化时空特征及其对气候的响应

贾若楠，杜鑫，李强子，王红岩†

（1.重庆师范大学地理与旅游学院，400047，重庆；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，100101，北京）

近15年锡林郭勒盟植被变化时空特征及其对气候的响应

贾若楠1，2，杜鑫2，李强子2，王红岩2†

（1.重庆师范大学地理与旅游学院，400047，重庆；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，100101，北京）

全球变化背景下，植被动态变化及其与气候的关系研究，是当前国际社会十分关注的科学问题。研究植被NDVI时空变化特征及其对气候的响应，对调节生态过程、改善生态环境质量具有重要的理论和实际意义。基于锡林郭勒盟2001—2015年MODISNDVI数据及该地区气温、降水数据，利用Sen斜率估计与Mann Kendall统计检验、相关分析等方法，探讨了其植被时空变化特征及其对气候因子的响应。结果表明：1）锡林郭勒盟2001—2015年平均植被NDVI呈波动上升趋势，其变化过程出现了2次较明显的波动，2个波峰分别出现在2003和2012年，其中2008年植被NDVI出现了1次明显的增加。2）锡林郭勒盟NDVI大体呈现出“东高西低”的空间分布特征，变化趋势总体表现为上升，具体为先下降后上升；空间分布上，太仆寺旗、多伦县增加趋势显著，西部苏尼特左旗、二连浩特市下降趋势明显；草原类型上，显著上升面积从大到小依次为草甸草原、典型草原和荒漠草原。3）NDVI出现峰值的年份与同年降水量波峰相对应，但区域植被变化对气候因子的响应及其相关关系因季节和植被类型而异。植被状况改善与降水量关系密切，只有结合区域气候要素，开展相关生态工程，才能充分发挥生态保护的效益。

植被变化；时空特征；气候响应；锡林郭勒盟

近些年，在全球气候变化和不合理的人类活动综合影响下，典型草原土地退化现象成为我国北方草原地区面临的主要生态环境问题之一，严重制约着当地人民生活水平的提高及地区经济的可持续发展。植被作为全球生态系统和气候系统的重要组成部分［1］，在一定程度上可以反映土地覆被变化，同时在气候变化研究中，具有“指示器”作用；因此，分析植被变化规律，并探讨其对气候的响应，对调节生态过程、改善生态环境质量具有重要的理论和实际意义［1-2］。

遥感数据因其在时间和空间上的连续性，被认为是区域尺度上进行长时间序列植被动态变化研究最有效的数据源［3］。而遥感数据所提供的植被指数产品中，归一化植被指数因监测范围广、灵敏度高，且考虑到地形、植被冠层等的干扰误差，能减弱大气所产生的噪声的影响，被广泛应用于研究植被覆盖问题［4］。内蒙古锡林郭勒盟作为我国北方典型的干旱-半干旱草原区，气候恶劣、土壤基质不稳定、植被覆盖度低，生态系统十分脆弱。同时，该区地处京津地区天气系统上游，是京津地区的主要沙尘源之一，其生态环境状况直接关系到京津地区生态环境状况及社会经济的可持续发展［5］。一些学者以京津风沙源典型区域和县级行政单元为研究对象，分析研究区植被动态变化［1-2，4-9］。王颖等［6］基于10年MODIS数据，研究2000—2009年8月锡林郭勒盟草原植被的时空变化特征，结果表明，草原植被总体为上升趋势；而李政海等［10］通过野外调查和遥感数据分析表明，锡林郭勒草原退化现象十分严重，退化面积近64％，草地质量严重下降。可以看出，前人对于该区域植被状况的研究结果存在一定的差异，因此，锡林郭勒盟植被变化趋势仍待全面调查。

基于上述认识，在“格局—过程—趋势”思想的指导下，笔者以最大值合成的月NDVI数据为基础，选取年平均NDVI值及生长季（5—9月）累计NDVI值，采用时间序列分析法，同时综合MVC、SG滤波、Sen+Mann-Kendall法、相关分析［11］等方法，从不同区域、不同草原类型和不同季节，分析了锡林郭勒盟植被覆盖的时空变化特征，并就其对气候因子的响应进行了研究，以期为系列生态工程效果评估及草场资源的合理利用提供科学依据［6］。

1 研究区概况

锡林郭勒盟位于内蒙古自治区中部，地处我国正北方（E 115°13′～117°06′，N 43°02′～44°52′）。北与蒙古国相接，南邻河北省，占内蒙古自治区总面积的17.2％。地形以高平原为主，地势南高北低，东、南部多低山丘陵，西、北部地形相对平坦。气候属中温带半干旱-干旱大陆性季风气候，具有寒冷、风大、干旱少雨的气候特点［12］，年降水量200～350 mm，从东南向西北递减。辖区内锡林郭勒草原拥有丰富的自然资源，草原类型齐全，自西向东依此为荒漠草原、典型草原和草甸草原，其中天然草地占总面积的97.2％，是我国内蒙古大草原的重要组成部分［6］。

2 数据与方法

2.1 数据来源

使用MODIS（MOD13Q1）数据由ftp：∥ladsweb. nascom.nasa.gov网址下载，空间分辨率250m，时间分辨率16 d。研究区域锡林郭勒盟覆盖h25v04，h26v04的2个区域，数据选择的时间跨度为15 a（2001—2015年），共计690景数据，以此来构建NDVI长时间序列数据。

气象数据来源于中国科学院青藏高原研究所开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集［13］。选取其中的气温和降水2个要素数据，该数据集考虑了高程因素对气候因子空间变化的影响，相对应单纯的站点数据精度更高［14］。

2.2 数据的预处理

利用MRT（MODIS Reprojection Tools）批处理，完成MODIS数据集的拼接、投影转换及16 d NDVI数据的提取。虽然MODIS13Q1产品纠正了分子和气溶胶散射等的影响，但仍存在噪声点和异常值，需要对其进行时间序列重构。目前，用于时间序列重构的方法主要有4大类［15］：阈值法、基于滤波函数的平滑法、函数拟合法及综合法。阈值法主要为最佳指数斜率提取法［16］。通常的滤波函数平滑法主要有S-G滤波法［17］、中值迭代滤波法［18］。函数拟合法中应用较多的主要有傅里叶变换法［19］、谐波分析法［20］。Bian等［21］将Savitzky-Golay（S-G）滤波方法与中值迭代滤波法、傅里叶变换法进行比较。结果表明，基于S-G滤波的时间序列重构方法重构后的NDVI时间序列，在直观及像元的时间序列曲线上，均取得了较好的效果，对提高该数据产品质量有很大帮助；因此，本文选用S-G滤波方法重构MODISNDVI时间序列影像，重构后的数据利用最大值合成法（MVC）合成每月NDVI数据，并以此为基础，进一步计算研究区2001—2015年年平均NDVI值、生长季（5—9月）累计NDVI值、春季（4、5月）、夏季（6—8月）、秋季（9、10月）平均NDVI值。

气象数据以时间序列NDVI数据为标准，通过投影转换、重采样及裁剪等预处理，获得与NDVI像元大小一致的2001—2015年月平均气温和月降水总量栅格图。

2.3 研究方法

基于S-G滤波及最大值合成法处理的月NDVI数据，计算各种表征植被变化的统计值，从不同旗（县）、不同草原类型和不同季节等方面，采用Sen+ Mann-Kendall法，对植被时空变化趋势及其显著性进行多角度分析，同时采用相关分析法，分析植被NDVI与气候因子的相关性。

2.3.1 趋势分析 采用非参数化趋势度（Sen）来计算研究区NDVI的变化趋势，相比利用线性回归斜率法分析植被指标变化率，其要求时间序列数据符合正态分布，而Sen斜率估计法，则不需要序列符合一定的分布，同时通过计算序列中的中值，还可减少噪声的干扰，对测量误差和离群数据有很好的规避能力。目前Sen方法以其良好的抗噪性和对数据分布无要求性，广泛应用于区域植被变化趋势分析中。

Sen趋势度β计算公式［22］为

式中：xi和xj分别为第i年和第j年的植被指标值。Median为中位数函数。使用趋势度β来判断时间序列趋势的升降。当β＞0时，时间序列呈上升的趋势，反之呈下降的趋势。

2.3.2 Mann-Kendall统计检验法 由于Sen趋势度是一个非归一化的参数，只能表示植被变化趋势的大小，本身不可进行显著性判断，而Mann-Kendall方法本身对序列分布无要求，且对异常值不敏感；因此，选择结合Mann-Kendall统计检验法，对变化趋势的显著性进行统计检验。

Mann-Kendall统计检验法［22］计算过程：对于一个序列xt=｛x1，x2，…，xn｝，先确定xi与xj的大小关系（设为τ），由公式（2）和（3）计算：

检验统计量Z的计算公式为

n是序列的长度，m为序列中结（序列中重复出现的数据组）的个数，ti为结的宽度（第i组重复数据组中重复数据的个数）。在给定显著性水平下，当|Z|≤Z1-α/2时，则趋势不显著，反之则认为趋势显著。当Z的绝对值≥1.28，1.64，2.32时，分别通过了置信度90％，95％，99％的显著性检验。

2.3.3 相关分析法 采用相关分析法，进行植被覆盖变化对气候因子的响应分析，分析植被覆盖变化与气候因子的相关程度。其计算公式［14］如下：

式中：rxy为2个变量的相关程度，x、y分别为进行相关分析的2个变量。

3 结果分析

3.1 植被覆盖时空变化特征

3.1.1 时间变化特征 首先利用2种表征植被变化的指标，来研究锡林郭勒盟2001—2015年植被时间变化特征见图1。分析表明，2种指标均呈增加趋势，表明近15年，研究区整体植被状况在好转。同时，2种植被指标的峰值出现在2003、2008和2012年，而谷值均出现在2001、2007和2009年。虽然植被状况整体呈增加趋势，但是没有出现显著增加的趋势。这与杭玉玲等［9］的研究结果一致，其研究发现2003和2008年的NDVI与降水量的波峰相对应，而2001，2007和2009年NDVI波谷与同年降水量波谷相对应，其认为降水量的增加，可能是锡林郭勒草原植被改善的其中一个原因。

图1 2001—2015年锡林郭勒盟2种植被指标的年际变化Fig.1 Interannual variability of two vegetation in dices in Xilin Gol League during 2001- 2015

图2 2001—2015年各草原类型及各季节NDVI时间变化趋势Fig.2 Temporal variation of NDVIof different grass land types and each season during 2001- 2015

考虑到2种植被指标所反映出的研究区植被变化趋势基本一致，选用其中的年平均NDVI指标，进一步分析研究区、不同植被类型及不同季节的植被活动变化情况（图2）。季节变化分析表明，3个季节NDVI均呈上升趋势，春季上升速率最快，以平均每年0.004 5的速率增加，其次为夏季以0.003 4/a的速率增加，上升速率最慢的为秋季。同时，3个季节年际波动都很大；但是由于夏季是植被生长最茂盛的季节，夏季NDVI的年际变化与年NDVI变化存在很强的一致性。从不同草原类型变化趋势看，研究区3种草原类型NDVI均呈上升趋势，增长速率从高到低依次为：草甸草原＞典型草原＞荒漠草原。说明研究区植被覆盖状况较好的草甸草原区域，植被好转趋势最为明显，这可能与该区域较其他区域更丰富的降水量有关［23］。

3.1.2 空间变化特征

图3 2001—2015年锡林郭勒盟年平均NDVI均值（a）、生长季累计NDVI均值（b）空间分布Fig.3 Spatial distribution of the average annualmean NDVIvalue（a），accumulated NDVI value in growing season（b）during 2001- 2015 in Xilin Gol League

图4 2001—2015年锡林郭勒盟草地类型NDVI像元统计Fig.4 NDVI frequency distribution of different grassland types during 2001- 2015 in Xilin Gol League

图5 2001—2015年（a），2001—2007年（b），2009—2015年（c）各阶段植被NDVI变化及显著性空间分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation NDVI change and significance in the year of2001- 2015（a），2001- 2007（b），2009- 2015（c）

1）空间分布特征。从2种植被指标空间分布图（图3）可以看出，两者所反映出的研究区NDVI空间分布特征大体一致，均表现为“东高西低”的分布特征。低值区主要分布在西部苏尼特左旗和苏尼特右旗，平均NDVI值仅为0.2，而高值区主要分布在北部的东乌珠穆沁旗，NDVI值在0.5～0.6之间。这与该区自西向东分别为荒漠草原、典型草原、草甸草原的草原类型分布基本一致。对3种草原类型，在不同NDVI范围的像元个数统计（图4）发现：草甸草原的NDVI集中在0.2～0.5；典型草原NDVI分布范围最广、频度分布的波峰最宽，范围在0.1～0.6；荒漠草原NDVI值最低，分布集中在0.1～0.3。

2）空间变化趋势特征。由于锡林郭勒盟2001—2015年NDVI时间变化特征表现为2个明显的波动期，本文将整个变化过程分为2个阶段，2001—2007年为第1阶段，2009—2015年为第2阶段。基于Sen斜率估计法及Mann-Kendall统计检验，将变化趋势分为极显著下降（Z≤-2.32）、显著下降（-2.32＜Z≤-1.64）、不显著下降（-1.64＜Z≤-1.28）、不显著上升（1.28≤Z＜1.64）、显著上升（1.64≤Z＜2.32）、极显著上升（Z≥2.32）6个等级，分析研究区总体及各阶段NDVI空间变化特征（图5）。

结合图5和表1可知，研究区植被变化以不显著上升为主（58.32％），其次为显著上升（18.48％），累计占区域面积的76.8％，说明研究区植被状况整体好转；但是在第1阶段，NDVI上升区域仅为13.43％，主要分布在中部典型草原区（阿巴嘎市）和南部农牧交错区（太仆寺旗），其余区域植被覆盖状况呈下降趋势，尤其是东部草甸草原区（西乌珠穆沁旗）。到第2阶段，植被NDVI上升区域明显增加，达到60.40％，主要分布在东部草甸草原区（东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗东侧）及中、南部典型草原区（锡林浩特市和多伦县），植被覆盖状况较之前明显改善。总体上，近15年来，锡林郭勒盟植被变化具有中、南部增加，西部下降的特征。

由表2各阶段不同草原类型变化趋势分析可知，2001—2015年，所有草原类型均以不显著上升为主。具体表现为：第1阶段，各草原类型均以不显著下降为主；第2阶段，除荒漠草原仍是以不显著下降（73.78％）为主，典型草原和草甸草原分别以不显著上升（40.12％）和显著上升（41.67％）为主。结果表明，植被整体状况的改善开始于第2阶段，虽然2000年开始该区域进行了一系列的生态保护和恢复工程，但其效益还是存在明显的滞后期。

表1 各阶段不同变化趋势像元数及比例Tab.1 Numbers and proportion of vegetation change types in different stages

表2 各阶段不同草原类型植被变化趋势统计Tab.2 Change trend of vegetation under different types of grassland in different stages％

3.2 植被变化对气候的响应

3.2.1 气候因子变化趋势 气候变化会导致区域气温和降水格局发生变化，进而对植被造成显著影响［11］，由于2015年数据缺少，故仅统计2001—2014年气温及降水数据。结果（图6）显示：2001—2014年锡林郭勒盟，气温总体呈轻微下降趋势，而降水量则呈缓慢增加态势。2003、2008和2012年植被NDVI较周围年份偏高的，同期降水量也处于峰值，气温则较之前有所下降；因此，较多的降水和适宜的温度，可能是这些年份植被指数出现高值的原因之一。

图6 2001—2014年锡林郭勒盟年平均气温和年降水量的年际变化Fig.6 Interannual variability ofmean annual temperature and precipitation in Xilin Gol League during 2001- 2014

3.2.2 气候因子和植被变化的响应关系 植被生长对水热条件的改变存在一定的滞后性，年际尺度上的相关性会掩盖部分信息［24］；因此，本文从月尺度分析锡林郭勒盟植被NDVI与气温、降水的相关关系。同时由于不同季节，植被生长所需水热条件不同，进一步对各季节植被NDVI与气温、降水的相关性进行分析。

气温方面（表3和图7），锡林郭勒盟植被NDVI与当月气温具有明显的正相关性，且高相关性分布在东部和南部。前1个月气温与NDVI的相关性依旧很高，但局部地区相关系数减小，尤其是与中部典型草原区域相关性较弱。NDVI与前2个月气温的相关性，除中、东部的典型草原和草甸草原区有所下降，其余区域未有明显变化。到前3个月时，仅西部和南部NDVI与气温存在较弱相关性。综上所述，随着时间的向前推移，植被NDVI与气温的相关性越弱，而气温对覆盖状况好的草甸草原作用期短，基本不存在滞后时间；其次为典型草原，存在1～2个月的滞后时间；荒漠草原对气温的响应时间最长，约3个月。

降水方面（表3和图8），NDVI与当月降水的相关性很强，除西南部和东部部分地区相关系数较低外，其余大多数区域相关系数在0.7以上。与前1个月的相关性上，整体相关系数减小，中部和东北部地区下降较为明显。与前2个月和前3个月的相关性较弱，全盟大部分区域相关系数在0.1以下。分析表明，研究区植被变化与降水量存在较强的联系，这与中国北方区域的研究结果一致［24］，且植被覆盖状况较差的中、西部地区与降水的相关性较植被状况较好的东部地区要高。从降水的作用期来看，研究区大部分区域仅0～1个月，而西部局部地区相对较长一些，为1～2个月。

表3 不同草原类型不同时间、季节NDVI与气候因子的相关关系Tab.3 Correlation coefficients between different stages，seasonal NDVIand climate factors for different types of grassland

从表3来看，气温方面除荒漠草原外，其他区域的NDVI与春季、夏季气温均呈负相关，与秋季气温呈正相关，表明夏季气温的升高，可能对植被生长起到了一定的限制作用，而秋季气温的升高，对植被生长起到了促进作用。3种草原类型中，夏季气温对荒漠草原影响最大，负相关性最强，其次为典型草原，对草甸草原影响最小。这可能是由于夏季较高的温度会加快蒸发，而导致干旱加剧和植被可利用水量的减少，影响植被生长，尤其对降水量较少的区域抑制作用更强［25］。降水方面，在各个季节，各草原类型NDVI与降水的相关性均强于气温，说明降水量是影响该区域植被变化最直接的因素。其中，春季和夏季降水量对植被影响较大，尤其是荒漠草原和典型草原区域。

图7 月NDVI与当月（a）、前1个月（b）、前2个月（c）、前3个月（d）气温的相关系数空间分布Fig.7 Spatial distribution of correlation coefficients between monthly NDVI and the temperature in the current month（a），the preceding 1 month（b），the preceding 2 months（c），and the preceding 3 months（d）

图8 月NDVI与当月（a）、前1个月（b）、前2个月（c）、前3个月（d）降水的相关系数空间分布Fig.8 Spatial distribution of correlation coefficients betweenmonthly NDVIand the precipitation in the current month（a），the preceding 1 month（b），the preceding 2 months（c），and the preceding 3 months（d）

4 结论与讨论

1）锡林郭勒盟2001—2015年平均植被覆盖呈波动上升趋势，其变化趋势出现2次波动，波峰为2003、2008和2012年，与同年降水量波峰相对应，表明降水量的增加，是锡林郭勒盟植被改善的一个主要原因。

2）锡林郭勒盟植被NDVI具有明显的区域差异，整体表现为出“东高西低”的分布特征，这与该区域自西向东分别为荒漠草原、典型草原、草甸草原的草原类型分布相一致。高值集中在南部的太仆寺旗及多伦县、东部的东乌珠穆沁旗。低值区为西部二连浩特市和苏尼特右旗。

3）近15年，该区域NDVI变化整体呈现上升趋势。其中，14.58％的区域呈现出下降趋势，85.42％的区域为上升趋势，但是这种变化不是线性增加，而是分为2个阶段，先降后升。显著上升和显著下降的区域都集中在东部草甸草原区域，而西部地区植被变化波动较小，植被覆盖度与植被稳定性在空间上表现出明显的负相关。

4）研究区整体植被变化与降水量关系密切，但是由于不同草原类型所处的地理位置和气候条件的空间差异，其对气候因子的响应因季节和植被类型而异，对气温和降水的响应期依次为草甸草原＜典型草原＜荒漠草原，春季和夏季NDVI与降水相关性最强，夏季和春季气温与植被NDVI呈负相关。

近年来，随着京津风沙治理二期工程的规划、实施，锡林郭勒盟植被覆盖状况有所好转，对保障京津生态安全具有举足轻重的作用。本文借助年平均NDVI值及生长季累计NDVI值，从全盟尺度、县（旗）尺度及草原类型尺度，分析了区域植被变化的时空特征，并结合已有的植被对气温和降水的响应研究成果，以月为单位，揭示了植被对气候因子的响应格局，从不同区域和不同植被类型，多角度认识植被对气温和降水的响应规律。分析表明，研究区植被状况改善与降水量关系密切，退耕还林、风沙治理等生态措施虽然对植被生长有一定的促进作用，但是还是必须有充足的降水，才能保证植被覆盖度的增加［9］；因此，只有结合区域气候要素，开展相关生态工程，才能充分发挥生态保护的效益。

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Spatiotem poral characteristics of vegetation variation in Xilin Gol League in recent 15 years and its response to climate

Jia Ruonan1，2，Du Xin2，Li Qiangzi2，Wang Hongyan2

（1.College of Geography＆amp;Tourism，Chongqing Normal University，400047，Chongqing，China；2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing，China）

［Background］Under the background of global change，vegetation dynamics and research on its relationship with climate is one of the focuses of the current international scientific problems.The study on the trend of vegetation coverage and response to climate is of great significance for global research，furthermore，it also benefits to global ecological processes and global ecological environment.［Methods］The annual and seasonal change trends of vegetation coverage were examined by employing MODIS-NDVI datasets in Xilin Gol League from 2001 to 2010，and then using Sen+Mann-Kendall model to analyze the significant level of the vegetation change further.In the end，based on the region of the meteorological data，mainly including the local temperature and precipitation，and using correlation analysis，the patterns of spatiotemporal variation of vegetation and its response to climate in Xilin GolLeague during the period 2001—2015 was investigated.［Results］1）The average vegetation NDVI showed a trend of greater volatility during 2001 to 2015 in the studied area，the change trend of process presented two waves，and the two higher values appeared in 2003 and 2012，of which 2008 vegetation NDVI appeared a temporary rise.Meanwhile，this highly correlated with the precipitation peak，it suggested that the increase of precipitation was amain reason of Xilin Gol League area vegetation to be improved.2）The NDVI generally presented the distribution characteristics of“high in west and low in east”，and this kind of distribution characteristics were consistent with the distribution of grassland type，from west to east in the order of desert grassland＞typical steppe＞meadow steppe.In terms of temporal characteristics，the overall trend was in rise，in detail，the trend was first rising after falling. The spatial distribution showed that NDVI increased significantly in southern and declined significantly in western.Significant increase in size for the grassland types was in the order of meadow steppe＞typical steppe＞desert grassland.3）The peaks of NDVI were corresponding to the peaks of precipitation，but because of space differences in geographical location and climate conditions，the correlation between vegetation change and climate were different in each season and vegetation type，the vegetation variations weremostly influenced by precipitation in spring and summer，while it was controlled by temperature in autumn.［Conclusions］The improvement of vegetation conditions in the studied area was closely associated with precipitation，although ecological measures like returning farming to forest benefited to the growing of vegetation，plenty of rain fallmay guarantee the increase of vegetation coverage.Thus，only comprehending regional climate condition may play maximum function in ecological engineering.

vegetation change；spatiotemporal characteristics；response to climate；Xilin Gol League

K903

A

1672-3007（2016）05-0047-10

10.16843/j.sswc.2016.05.007

2016- 05- 26

2016- 09- 06

项目名称：国家自然科学基金青年科学基金“基于遥感的典型草原荒漠化及驱动机制的定量评价研究”（41501467）

贾若楠（1991—），女，硕士研究生。主要研究方向：植被遥感、生态遥感和农业遥感。E-mail：15701574384@ 163.com

†通信作者简介：王红岩（1986—），女，博士，助理研究员。主要研究方向：生态遥感、荒漠化遥感和农业遥感。E-mail：wanghy @radi.ac.cn