锡林郭勒草原植被覆盖度时空动态与影响因素分析
2017-04-19张圣微刘廷玺
张圣微 张 睿 刘廷玺 徐 冉 张 鹏
(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室， 呼和浩特 010018)
锡林郭勒草原植被覆盖度时空动态与影响因素分析
张圣微1,2张 睿1刘廷玺1,2徐 冉1张 鹏1
(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室， 呼和浩特 010018)
以MODIS地表辐射率数据对内蒙古自治区锡林郭勒草地进行研究，分析了2001—2013年生长季(4—10月份)草甸草原、典型草原、沙地草原和荒漠草原4种草地类型植被覆盖度(fv)的时空变化特征，用变异系数(Cv)衡量各类草原fv的变化程度，并结合气象和放牧数据分析气候变化和人类活动(放牧)对草地fv的影响。结果表明，在不同年份各类型草原fv均表现为由东向西递减的规律，同类型草原年际间fv呈不显著波动变化。研究区多年fv的Cv结果表明有78.66%地区属脆弱和很脆弱水平，其中典型草原和沙地草原属脆弱级别，而荒漠草原属很脆弱级别，只有草甸草原属稳定级别。降水量对fv的影响较大，呈显著正相关关系；而温度对fv的影响较小，呈不显著负相关关系；牲畜养殖数量对fv影响较大，锡林郭勒盟草原的适宜综合牲畜养殖数量为39只/km2(以标准羊计)。
锡林郭勒草原； 植被覆盖度； 时空动态； 气侯变化； 人类活动； 牲畜数量
引言
锡林郭勒草原是中国北方干旱-半干旱草原的典型区。20世纪50年代以来，由于气候干暖化和人类不合理的土地利用活动，该区生态环境严重退化，退化草地、撂荒耕地成为中国华北地区扬沙和沙尘暴的主要源地之一[1]。许多研究者利用遥感手段揭示该地区草地退化的整体状况，赵冰茹等[1]以2002年4—10月份TERRA/MODIS 1B数据结合地面实测数据，分析锡林郭勒盟各类型草地在其生长期内各个旬度植被指数的变化。王海梅等[2]利用AVHRR和MODIS数据估算的归一化植被指数(NDVI)分析2002—2007年该地区草原植被变化趋势，发现草原整体呈现退化趋势且覆盖度自东向西依次递减的空间分布规律。邢旗等[3]利用2002—2003年MODIS数据通过NDVI分级分析草原生长期植被指数空间变化特征，并进行了牧草长势的对比。司亚辉等[4]利用2002—2006年 MODIS 数据将NDVI做差值运算分析草地长势变化情况。张圣微等[5]利用MODIS数据计算NDVI，分析了锡林郭勒草原不同类型草地2003—2012年生长季(4—10月份)植被状况时空特征和变化情况，总体表现为由东北向西南递减的规律，且不同年度间相同类型草原空间变化基本一致。也有许多学者[6-7]利用MODIS-NDVI数据，分析了气象因子与植被生态变化特征的关系，不同时期降水量和气温在一定范围内变化时，植被的的生态状况会呈现出不同的趋势。国外有些学者[8]也利用MODIS-NDVI数据分析了草原多年植被长势的空间分布变化，分析了气候变化和人类活动对草原生态环境的影响。
然而，对于生态系统研究而言植被覆盖度(fv)是更为常用也更为重要的指标[9-10]，许多研究者注意到NDVI和fv之间有很高的相关性，并建立了许多利用NDVI估算fv的模型，其中像元二分模型应用最为广泛[11-12]。吴春波等[13]用NDVI对鄱阳湖地区2003年的植被覆盖度进行了估算，通过实地考察的方式对估算结果进行了验证。李琳等[14]对怀柔区 1992—2004年植被覆盖度进行了监测，并对植被覆盖变化情况进行了统计分析。刘广峰等[15]采用ETM+数据，在NDVI的基础上提取了毛乌素沙地的植被指数，用当地实测数据精度检验，验证了以 NDVI为基础的像元二分模型很适合用在沙漠地区的植被指数提取。马娜等[16]应用中国环境与灾害监测预报小卫星数据及美国陆地卫星数据，计算内蒙古锡林郭勒盟正蓝旗的植被覆盖度空间分布数据，并结合研究区其他权威土地覆盖和土地利用数据评价了2000—2009年间区域植被覆盖度动态变化过程。
本文利用2001—2013年(生长季为4—10月份)的MODIS-NDVI数据计算内蒙古锡林郭勒盟草地fv，对锡林郭勒草原4种草原类型[1]多年时空变化和变异系数(Cv)进行分析，同时结合降水量、温度和牲畜养殖数量数据分析其对fv的影响因素，以期为草地退化、生态健康和区域生态水文研究提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
锡林郭勒草原位于内蒙古自治区锡林郭勒盟境内，地处115°13′～117°06′E、43°02′～44°52′N，是以高平原为主体，兼有多种地貌的地区。锡林郭勒盟属于中温带半干旱大陆性气候。大部分地区年降水量200～300 mm，自东向西递减。锡林郭勒盟拥有18万km2可利用草场，牲畜饲养规模近8 a稳定在700万头(只)以上。区内生态环境具有草原生物群落的基本特征，能全面反映内蒙古草原生态系统的结构和过程，研究区内分布有草甸草原、典型草原、沙地草原和荒漠草原4种代表性草地类型，如图1所示。
图1 研究区位置、草地类型及气象站点分布Fig.1 Location of Xilingol steppe, grassland types and distribution of meteorological stations
1.2 数据源及处理
数据源为2001—2013年MODIS地表反射率产品(MOD09A1)[17]，数据下载自美国NASA的EOS数据中心。根据研究区分布的9个气象站的数据获得2001—2013年的降水量和气温，放牧数据从胡敏谦主编《内蒙古统计年鉴(2001—2013年)》统计的锡林郭勒各旗县年末牲畜养殖数量中摘录得到。
利用MRT(MODIS reprojection tools) 将下载的MOD09A1数据进行格式转换和投影转换，把HDF格式转换为Tiff格式，将SIN地图投影转换为Albers_Equal_Area投影，同时完成图像的空间拼接和重采样。利用MOD09A1数据中红光和红外光波段求得NDVI，并对各月的NDVI数据求平均，再利用内蒙古锡林郭勒盟草原类型分区图(图1)剪取锡林郭勒盟2001—2013年逐月NDVI的栅格图像。最后对研究区生长季(4—10月份)进行平均，得到内蒙古地区各年植被生长季NDVI分布情况，进而得到fv分布情况。具体计算如下：
用MOD09A1数据的第1、2波段反射率数据计算得到研究区NDVI
(1)
图2 锡林郭勒草原2001—2013各年fv空间分布图Fig.2 Spatial distributions of fv in Xilingol steppe from 2001 to 2013
式中ρred——红光波段反射率(对应MOD09A1的第1波段)
ρnir——近红外波段反射率(对应MOD09A1的第2波段)
利用生长季NDVI计算fv
(2)
式中Vmin——生长季NDVI最小值Vmax——生长季NDVI最大值
利用研究期内fv的多年平均值和标准差求其变异系数
(3)
式中Sfv——研究期内fv多年各个像素点标准差
2 结果与分析
2.1 锡林郭勒草原fv空间变化特征
图2为研究区2001—2013年fv空间分布图，可以看出锡林郭勒盟多年fv的空间分布基本一致，从西向东植被覆盖度在逐渐增大，总体呈现东高西低的趋势。2012年整个锡林郭勒草原植被覆盖度最大，植被最好，说明2012年的水文、气温等一系列因素都很适合植被生长，该年植被长势最好。如按照各草地类型划分可以看出，对于草甸草原，各年情况比较稳定，与其他类型草原相比植被覆盖度最高。各年相对比可以看出2008、2012、2013年的植被覆盖度相对较高，2007年相对较差；对于典型草原，整体没有草甸草原覆盖度高，其中2008年和2012年相对较高；对于沙地草原，2008年和2012年相对较好，2002年和2013年次之；对于荒漠草原，在2009年的植被空间分布及fv在研究年份里最好，2001、2004、2005年的植被覆盖度相对较低，2005年最差。13 a总体来看fv的空间分布，整个锡林郭勒盟的植被覆盖度有所提高，逐渐向好的趋势发展。
2.2 各类草原fv年度变化特征
4种草原类型草地植被覆盖度年度变化如图3所示。从图3可以看出草甸草原和典型草原的变化趋势相对一致，而沙地草原和荒漠草原的变化趋势相对一致。2001—2013年草甸草原fv年度变化整体呈上升趋势。其中2007年最小，2013年最大，fv平均变化范围为0.48～0.68，均值为0.59。2007年的生长季平均值为0.48，为近10 a最低值。草甸草原主要群落有贝加尔针茅(Stipabaicalensis)+日阴苔草(Carexpediformis)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)+羊草(Leymuschinense)等，大都属于多年生草本植物，非常适应在该地区生长，故比其他草地类型的植被覆盖度高。
图3 2001—2013年各类草原植被覆盖度变化曲线Fig.3 Interannual variation curves of fv in different grassland types from 2001 to 2013
典型草原fv年度变化整体有上升趋势。2002年最小，2013年最大，fv平均变化范围为0.29～0.42，均值为0.34。沙地草原fv年度变化整体波动较大，2002年最小，2012年最大，fv平均变化范围0.19～0.39，均值为0.31。典型草原和沙地草原的草原群系有所区别，典型草原主要群落有大针茅(Stipagrandis)+羊草(Leymuschinense)+糙隐子草(Cleistogenessongorica)、大针茅(Stipagrandis)+日阴苔草(Carexpediformis)和羊草(Leymuschinense)+大针茅(Stipagrandis)+糙隐子草(Cleistogenessongorica)等[18]。沙地草原主要包括小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)+沙竹(Psammochoavillosa)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)和冷蒿(Artemisiafrigida)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)等灌木及半灌木群种的群落[19]。灌木和半灌木群落多存在于沙地，故fv较小。
荒漠草原fv年度变化整体波动很大，2001年最小，2012年最大，fv平均变化范围为0.09～0.24，均值为0.14。植被多以上述旱生及超生灌丛和禾草为主，主要为小针茅(Stipaklement)+无芒隐子草(Cleistogenessongorica)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)、沙葱(Alliumsemenovii)+小针茅(Stipaklement)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)+沙葱(Alliumsemenovii)+小针茅(Stipaklement)等群落，地表植被覆盖度小。
2.3 锡林郭勒草原2001—2013年植被覆盖度变异系数
为了进一步分析研究区多年草原植被变化情况，分析其脆弱程度，通过多年fv求得逐个像元的变异系数(Cv)，如图4所示。整体的植被覆盖度年际变异程度较大，变异系数范围为0.07～0.51。从图4a可以看出，变异系数的平均值最大为荒漠草原的0.34，最小为草甸草原的0.19。通过Cv可以判断研究区草原稳定程度，一般分4个级别：非常稳定(Cv≤0.1)、稳定(0.1
2.4 植被覆盖度的影响因素
2.4.1 气候因素
利用锡林郭勒盟境内9个气象站点2001—2013年的年降水量与年均气温，结合各年fv建立关系图。从图5a可以看出，降水量多集中在100～300 mm之间，fv与降水量呈正线性相关，决定系数为0.283 6(P=0.001)。从图5b可以看出，fv与气温呈负线性相关，决定系数为0.118 7(P=0.16)。说明降水量对植被覆盖的影响比气温大，相关性较为显著，植被的生长对降水比气温要敏感的多。随着降水量的不断增多，植被覆盖度在不断增加，然而植被覆盖度随着气温的上升在不断减小，这说明降水量增多对植被覆盖度的增加有促进作用，而温度升高则可能导致蒸腾量增大对植被生长有抑制作用[20-21]。
图4 各草原类型覆盖度2001—2013年变异系数及空间分布图Fig.4 Variation coefficient of different types of grassland and its spatial distribution during 2001—2013
图5 降水量、气温与fv的相关关系Fig.5 Correlation of fv and precipitation and temperature
2.4.2 人为因素
由于锡林郭勒草原的人类活动主要以放牧为主，因此牲畜养殖数量与fv的关系可以反映人为因素对草地覆盖度的影响。牲畜养殖数量主要包括羊与大牲畜数量，但大牲畜和羊不能以同等食量比较，因此在此以1头大牲畜的食量为5只标准羊计算[22]。以综合牲畜养殖数量作为评定与fv关系的指数，并将各旗县的综合放牧数与该旗县的面积相除得到单位面积的综合放牧数，后续提到的综合牲畜数量均为每平方千米的载畜量，锡林郭勒盟及各草地类型代表旗县研究期内的综合放牧数见表1，由表1可知，全盟多年综合放牧数为39只/km2(以下均以标准羊计)，各旗县年际波动不大，但旗县间差异较大，其中多伦县综合放牧数最多，多年平均为142只/km2，苏尼特左旗最少为27只/km2。
对于锡林郭勒盟的4种草地类型分别以草地类型所在旗县为代表，其中草甸草原以东乌珠穆沁旗为例，典型草原以锡林浩特为例，荒漠草原以苏尼特左旗为例，沙地草原以正蓝旗为例。
图6为整个锡林郭勒盟和4种草地类型fv与各年牲畜数量的关系。从图6a可以看出，当牲畜数量小于39只/km2左右时，fv与牲畜数量的关系呈正相关，说明fv不但没有受到放牧的影响，反而适当放牧会促进草地生长。而当牲畜数量大于39只/km2时，fv与牲畜数量的关系呈负相关，说明大于该临界值的放牧行为会降低草地覆盖度。因此，对于锡林郭勒盟而言39只/km2为适宜的放牧牲畜数量。
但对于不同的草地类型而言该值有所不同，从图6b和表1可以看出草甸草原区(东乌珠穆沁旗)的牲畜数量控制在56只/km2较为适宜，这样植被覆盖度会处于一个最佳稳定状态。而既有草甸草原也有典型草原的西乌旗和多伦的适宜牲畜数量则分别为72只/km2和100只/km2。典型草原(锡林浩特市)的fv与牲畜数量关系总体呈负相关关系，随着牲畜数量的增长，植被覆盖度有所下降，说明典型草原的牲畜数量已经超过了适宜放牧数。因此，以锡林浩特市为例的典型草原，应尽量减少放牧，牲畜数量控制在50只/km2以内。从图6c可以看出，以苏尼特左旗为例的荒漠草原各年综合牲畜数量与fv虽然总体上没有明显的相关关系，但是在25～30只/km2间二者呈现负相关，说明对于荒漠草原而言25只/km2已经超过了其适宜放牧强度应尽量减少。从图6d和表1可以看出对沙地草原(正蓝旗)而言其各年综合牲畜数量为4种草原类型中最多的，且与fv的关系表现为阶段变化，当牲畜数量小于90只/km2左右时，fv与牲畜数量呈正相关，而当牲畜数量超过90只/km2时，fv随牲畜数量的增多而减少，说明90只/km2为较适宜的放牧强度，同样为沙地草原的正镶白旗，其情况与正蓝旗类似但适宜的综合牲畜数为75只/km2。
表1 各旗县2001—2013年单位面积的放牧数(以标准羊计)Tab.1 Livestock number of all counties in Xilingol from 2001 to 2013 (standard sheeps/km2) 只/km2
图6 fv与锡林郭勒盟及不同草地类型代表区牲畜数量关系Fig.6 Correlations of fv and livestock number of Xilingol and different grassland types
但是由于放牧数据是以旗县为单位，其边界无法与草地类型边界重合。因此，对于一些包含不同草地类型的旗县而言，其适宜综合牲畜数不仅受到草地类型的影响，还受到当地其他经济活动，如旅游业、采矿业和当地经济导向的影响。如：近年来以东乌旗和西乌旗大规模发展旅游业，牲畜数量在逐渐减少，而以沙地草原为主的正蓝旗和正镶白旗虽然其草地覆盖率低，但其经济主要依赖于畜牧业，使得其综合放牧数较高。
3 结论
(1)锡林郭勒盟草原13 a植被覆盖度总体呈现带状递变、自东向西依次递减的空间分布规律。
(2)锡林郭勒草原不同草原类型多年变异程度不尽相同，但生态整体上呈现为比较脆弱。
(3)从各年的气象数据和牲畜数量与植被覆盖度的关系得知降水会显著促使植被覆盖度的增长，而气温的升高则会不显著的抑制植被覆盖度。锡林郭勒盟草原整体上单位面积的综合牲畜数量不宜超过39只/km2(以标准羊计)，这与政府规定30～60亩10只羊即25～50只/km2(以标准羊计)较符合，但从本文的结果看各类型草原的代表区都存在过度放牧情况，而且各种草地类型应区别对待，尤其是沙地草原和荒漠草原应尽量减少放牧数。
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Dynamics of Fractional Vegetation Cover and Its Influence Factors in Xilingol Steppe
ZHANG Shengwei1,2ZHANG Rui1LIU Tingxi1,2XU Ran1ZHANG Peng1
(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China2.KeyLaboratoryofWaterResourceProtectionandUtilizationinInnerMongolia,Huhhot010018,China)
The fractional vegetation cover (fv) is one of the important indicators to reflect the health of grassland ecosystem. However,fvis influenced by both natural factors such as temperature and precipitation, and human activities such as grazing. Thefvestimated by MODIS surface reflectance product (MOD09) was used to analyze the grassland variation in Xilingol steppe. There are four different types grassland in Xilingol steppe, which are temperate meadow, typical steppe, sand steppe and desert steppe. The temporal and spatial variations of those four different types grassland were analyzed in growth seasons (April to October) from 2001 to 2013 byfv. The coefficient of variation (Cv) was used to indicate the changing degree offvduring the study period. Moreover, the climate and livestock data were combined to analyze the effects of climate change and human activities on grassland variations. The results indicated that the spatial distributions offvin different years were similar, which were decreased from east to west. However, the interannual variations of the same type of grassland had no significant fluctuations. The yearlyCvvariations indicated that 78.66% of the study area was in fragile and very fragile level. The typical steppe and sand steppe were in fragile level, and the desert steppe was in very fragile level, but the temperate meadow was in stabile level. The effect of precipitation onfvwas positive and in very significant level. On the contrary, the influence of temperature onfvwas negative and not significant. The livestock number had significant effect onfv, and the suitable livestock number should be 39 standard sheeps/km2in Xilingol steppe.
Xilingol steppe; fractional vegetation cover; temporal and spatial variation; climate change; human activities; livestock number
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.032
2016-07-14
2016-08-24
国家自然科学基金项目(51569017、51269014、51139002)、教育部创新团队发展计划项目(IRT13069)、中国博士后科学基金项目(2015M572630XB)和内蒙古自然科学基金项目(2015MS0514)
张圣微(1979—)，男，副教授，博士，主要从事草地和荒漠生态水文及定量遥感研究，E-mail: zsw_imau@163.com
刘廷玺(1966—)，男，教授，博士生导师，主要从事荒漠化地区水文水资源研究，E-mail: txliu1966@163.com
P9
A
1000-1298(2017)03-0253-08
