锡林郭勒草原蒸散发月季动态及相关因子分析
2017-09-15张巧凤刘桂香于红博包玉海
张巧凤, 刘桂香, 于红博, 玉 山, 包玉海
(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特 010022; 2.中国农业科学院草原研究所, 呼和浩特 010010; 3.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室, 呼和浩特 010022; 4.内蒙古防灾减灾与生态安全监测实验室, 呼和浩特 010022)
锡林郭勒草原蒸散发月季动态及相关因子分析
张巧凤1,2,3,4, 刘桂香2, 于红博1,3, 玉 山1,3, 包玉海1,3
(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特 010022; 2.中国农业科学院草原研究所, 呼和浩特 010010; 3.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室, 呼和浩特 010022; 4.内蒙古防灾减灾与生态安全监测实验室, 呼和浩特 010022)
蒸散发(Evapotranspiration，ET)的时空动态对理解水热对植被的影响具有重要作用。利用MODIS MOD16 A2和MOD13 A3月产品数据及气象数据，通过回归分析和相关分析等方法，研究了锡林郭勒草原不同类型草地近15年(2000—2014年)的ET月季动态及相关因子。结果表明：3—10月的ET均表现出草甸草原>典型草原和沙地植被>荒漠草原，1—2月和11—12月的ET均表现出草甸草原<典型草原和沙地植被<荒漠草原。荒漠草原11月ET最大，其余各类草原均在7月达到最大值；各类草原的最小ET均为5月。各类草原3—5月和10月的ET均为下降趋势，而1月、6月、7月和12月的ET均为上升趋势。春季、夏季和秋季的ET均表现出草甸草原>典型草原和沙地植被>荒漠草原，而冬季的ET表现出草甸草原<典型草原和沙地植被<荒漠草原。荒漠草原冬季ET最大，其余各类草原的ET均在夏季达到最大值。各类草原春季和秋季的ET均为下降趋势，而夏季和冬季的ET均为上升趋势。Pearson相关分析表明3—10月及春季、夏季和秋季的ET与NDVI和降水量显著正相关，与平均气温显著负相关(p<0.05)；相反，1—2月、11—12月及冬季的ET与降水量负相关，而与平均气温显著正相关(p<0.05)。
锡林郭勒草原; 蒸散发; 植被指数; 气象要素; 相关分析
锡林郭勒草原是干旱半干旱温带草原的典型区，草原面积巨大，草地类型多样，饲用植物资源丰富，是我国北方地区重要的生态屏障和畜牧业生产基地之一。20世纪50年代以来，由于气候变化和人类活动的影响导致草地退化严重[1-3]，锡林郭勒草原的生态环境变化及对气候变化的响应一直是众多专家学者关注和研究的热点[4-6]，利用遥感数据的研究主要集中在以NDVI为基础的植被覆盖度、草原面积和产草量估算等方面[7-10]，研究表明，NDVI主要受降水量影响，二者正相关系数高达0.83以上，降水作为该区的主要水分补给源对植被的生长至关重要[11-12]，而蒸散发(Evapotranspiration，ET)作为地表能量平衡和水量平衡的分量，全球陆地大约60%的降水都会以ET的形式返回到大气中[13]，也是该区水分流失的主要途径。ET过程的同时消耗大约60%的地表净辐射能量[14]，伴随的潜热具有降温作用，ET也可以影响降水，是气候系统中的核心过程和连接水热循环的纽带[15]。因此，清楚地认识ET的时空动态，对理解水热对草地生态系统的影响具有重要意义。
目前，遥感技术被认为是区域尺度上估算ET最可行的方法[16-17]，具有较好的时效性和区域性特点。美国航空航天局(NASA)的MODIS全球ET产品MOD16，提供了较高时空分辨率的ET数据集，已在国内得到了较为广泛的应用[18-20]，但在锡林郭勒草原的应用较少。本文在前期年尺度ET动态研究的基础上[21]，利用MOD16A2月尺度(1—12月)数据，计算相应季尺度ET，结合同期的气象数据和生长季NDVI，研究锡林郭勒草原不同类型草地近15 a(2000—2014年)月季尺度的ET时空动态，以及ET与NDVI和水热因子的相关性，以期为更好地理解该区的水热分配对植被的影响提供科学依据。
1 研究地区与数据来源
1.1 研究区概况
锡林郭勒草原位于中国北方的内蒙古自治区中部，111°09′—120°01′E，41°35′—46°46′N。地势北低南高，东、南部为大兴安岭和阴山山脉延伸余脉的交错地段，西、北部地势较平坦，为高原草地。锡林郭勒草原属于中温带干旱半干旱大陆性气候；年平均气温0～4℃，最高气温在7月份，平均为22℃；年降水量200～360 mm，由东南向西北递减，降水量主要集中在6—9月；年日照时数为2 800～3 200 h，4—9月太阳辐射约占全年的60%左右；该研究区生长季气温适宜，光照充足，是中国北方重要的生态屏障和畜牧业生产基地，也是我国最大的草原生态系统类型的自然保护区。根据1∶100万内蒙古自治区植被类型图矢量化结果，锡林郭勒草原植被类型主要分为四大类，即草甸草原、典型草原、荒漠草原和沙地植被[11-12,22-23]。
1.2 数据来源与处理
MODIS遥感数据来源于美国航空航天局(NASA)，时间跨度为2000—2014年，数据产品为MOD16A2(ET)和MOD13 A3(NDVI)，时间分辨率均为月尺度(1—12月)，空间分辨率均为1 km。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网和内蒙古气象局，锡林郭勒盟界内共15个地面气象站2000—2014年的月尺度(1—12月)平均气温和降水量。
利用MRT(MODISRe-projectionTools)对遥感数据进行格式和投影转换，把HDF格式转换为TIFF格式，将SIN地图投影转为WGS84椭球的AlbersEqualArea投影，同时完成影像的拼接。用3—5月、6—8月、9—11月、12月至翌年2月分别表示春季、夏季、秋季和冬季，季尺度ET用相应各月的ET求和，生长季(3—11月)尺度NDVI用相应各月的NDVI求平均，季尺度气象数据用相应各月的数据计算。利用锡林郭勒盟界线和各类草原类型界线裁剪各尺度的ET和NDVI影像，利用气象站点提取影像对应位置的ET值和NDVI值。在此基础上分析月季节尺度的ET动态及其与NDVI和水热因子的相关性。
用Envi 4.7，ArcGIS 10.1和Excel 2007处理数据和制图，SAS 9.1进行相关分析和显著性检验，α均为0.05水平，p<0.05为显著，p>0.05为不显著。
2 结果与分析
2.1 锡林郭勒草原ET月动态分析
锡林郭勒草原近15 a各月平均ET(附图5)表明，3—10月由东北部和东南延线向西南部递减，东北部(草甸草原)最大、中部大部分地区(典型草原和沙地植被)次之，而西南部(荒漠草原)ET最小；11月—翌年2月由东北部向西南部递增，东北部(草甸草原)最小、中部大部分地区(典型草原和沙地植被)次之，而西南部(荒漠草原)ET最大。
3—10月的ET均表现出草甸草原>典型草原和沙地植被>荒漠草原，1月、2月、11月和12月的ET均表现出草甸草原<典型草原和沙地植被<荒漠草原，锡林郭勒草原各月的ET均与典型草原和沙地植被接近(表1)，t检验表明，典型草原、沙地植被和锡林郭勒草原的ET没有显著差异(p>0.05)。
锡林郭勒草原1—12月的ET在10.37～30.28 mm之间变化，各月平均为18.19 mm，7月ET最高、其次为8月，5月最低、其次为4月，6月最接近各月平均值。草甸草原1—12月的ET在11.68～50.94 mm之间变化，各月平均为22.69 mm，7月ET最高、其次为8月，5月最低、其次为1月，3月最接近各月平均值。典型草原1—12月的ET在9.94～26.92 mm之间变化，各月平均17.57 mm，7月ET最高、其次为8月，5月最低、其次为4月，2月最接近各月平均值。沙地植被1—12月的ET在10.09～23.14 mm之间变化，各月平均17.14 mm，7月ET最高、
其次为8月，5月最低、其次为4月，12月最接近各月平均值。荒漠草原1—12月的ET在5.54～21.64 mm之间变化，各月平均为12.09 mm，11月ET最高、其次为2月，5月最低、其次为6月，10月最接近各月平均值(表1)。近15 a各类草原各月的ET均为波动变化趋势，将各月的ET平均值与年份进行线性回归分析表明其变化趋势均未达到显著水平(p>0.05)(表2)。
表1 2000-2014年各类草原各月ET的平均值
表2 各类草原各月ET的变化趋势
总体而言，近15 a锡林郭勒草原、草甸草原、典型草原和沙地植被的ET均在7月达到最大值、其次为8月；而荒漠草原1月、2月、11月和12月的ET均比其他各月的ET大，且11月ET最大、其次为2月；各类草原的最小ET均出现在5月。近15 a各类草原3—5月和10月的ET均为下降趋势，而1月、6月、7月和12月的ET均为上升趋势。
2.2 锡林郭勒草原ET季节动态分析
近15 a各季平均ET的空间分布(附图6)表明，春季、夏季和秋季的ET由东北部向西南部递减，夏季明显表现为东北部(草甸草原)最大、中部大部分地区(典型草原和沙地植被)次之，而西南部(荒漠草原)ET最小；春季和秋季明显表现为东部大于西部，东部大部分地区的ET为40～80 mm，而西部的ET则小于40 mm；冬季ET则由东北部向西南部递增，东部草甸草原区的ET小于40 mm，西部大部分地区的ET40～80 mm。
各类草原各季的ET均表现为相近的波动变化趋势，除沙地植被在2003年春季和2010年秋季ET较大外，其余春季、夏季和秋季的ET均表现为草甸草原>典型草原和沙地植被>荒漠草原；冬季的ET为荒漠草原>典型草原和沙地植被>草甸草原；四个季节中整个锡林郭勒草原的ET均与典型草原和沙地植被的ET接近(图1)。
春季，草甸草原的ET在50 mm上下波动，平均51.02 mm；典型草原、沙地植被及整个锡林郭勒草原的ET在40 mm上下波动，平均ET分别为43.02 mm，42.07 mm和43.04 mm；荒漠草原在30 mm上下波动，平均为28.58 mm。各类草原的波动变化趋势相近，均在2001年、2003年、2010年和2013年呈现明显的波峰，而在2002年、2006年、2009年呈现明显的波谷(图1)。线性回归分析表明，各类草原的ET均呈波动下降趋势(p>0.05)。
夏季，草甸草原的ET在120 mm上下波动，平均124.86 mm；典型草原、沙地植被及整个锡林郭勒草原的ET在60 mm上下波动，平均ET分别为68.70 mm，61.22 mm和76.52 mm；荒漠草原在20 mm上下波动，平均为20.07 mm。各类草原的波动变化趋势相近，均在2003年、2008年和2012年呈现明显的波峰，而在2007年和2009年呈现明显的波谷(图1)。线性回归分析表明，各类草原的ET均呈波动上升趋势(p>0.05)。
秋季，草甸草原的ET在60 mm上下波动，平均56.02 mm；典型草原、沙地植被及整个锡林郭勒草原的ET在50 mm上下波动，平均ET分别为50.53 mm，50.53 mm和50.68 mm；荒漠草原在40 mm上下波动，平均为40.61 mm。各类草原的波动变化趋势相近，均在2003年和2008年呈现明显的波峰，而在2005年和2007年呈现明显的波谷(图1)。线性回归分析表明，各类草原的ET均呈波动下降趋势(p>0.05)。
冬季，草甸草原的ET在40 mm上下波动，平均40.52 mm；典型草原、沙地植被及整个锡林郭勒草原的ET在50 mm上下波动，平均ET分别为48.83 mm，52.19 mm和48.19 mm；荒漠草原在55 mm上下波动，平均56.00 mm。各类草原的波动变化趋势相同，均在2001年和2003年呈现明显的大波峰、2006年和2011年呈现小波峰，而在2002年和2012年呈现明显的大波谷、2004年和2010年呈现小波谷(图1)。线性回归分析表明，各类草原的ET均呈波动上升趋势(p>0.05)。
总体而言，锡林郭勒草原的平均ET表现为夏季>秋季>冬季>春季，分别占全年ET的35%，23%，22%和20%；草甸草原的平均ET表现为夏季>秋季>春季>冬季，分别占全年ET的46%，20%，19%和15%；典型草原的平均ET表现为夏季>秋季>冬季>春季，分别占全年ET的33%，24%，23%和20%；沙地植被的平均ET表现为夏季>冬季和秋季>春季，分别占全年ET的30%，25%，25%和20%；荒漠草原的平均ET表现为冬季>秋季>春季>夏季，分别占全年ET的39%，28%，20%和14%。
2.3 锡林郭勒草原ET与NDVI和水热因子的相关性分析
利用锡林郭勒盟界内的15个气象站点，提取2000—2014年每年月季尺度的ET和生长季NDVI值，结合相应月季尺度的气象数据，形成225个样本的相关分析数据集，通过Pearson相关分析表明3—10月及春季、夏季和秋季的ET与NDVI和降水量均为显著正相关(p<0.05)，而与平均气温均为显著负相关(p<0.05)，说明3—10月及春季、夏季和秋季的NDVI和降水量越大ET越高，而平均气温越高ET越小。相反，1—2月、11—12月及冬季的ET与降水量显著负相关(p<0.05)，而与平均气温显著正相关(p<0.05)且相关系数较高，说明1—2月、11—12月及冬季的降水量越大ET越小，而平均气温越高ET越大(表3)。
图1四季各类草原的ET变化
表3 ET与NDVI和水热的月季相关系数
注：*p<0.05。
3 讨论与结论
本研究表明，近15 a锡林郭勒草原3—10月及春季、夏季和秋季的ET均表现出草甸草原>典型草原和沙地植被>荒漠草原，而1—2月和11—12月及冬季的ET均表现出草甸草原<典型草原和沙地植被<荒漠草原的规律。这与相关文献[22-23]记录的蒸发量由东向西递增的变化趋势不尽相同，尤其是草原植被的主要生长季3—10月的ET与文献记录相反，作者在文章[21]中详细分析了锡林郭勒草原年蒸散发量与文献记录相反的可能原因。另外，本文通过进一步分析其相关因子可知，3—10月及春季、夏季和秋季的ET与NDVI和降水量显著正相关，与平均气温显著负相关；相反，1—2月、11—12月及冬季的ET与降水量负相关，而与平均气温显著正相关，其中NDVI或植被覆盖度越大ET越高的规律与相关文献一致[24-29]，ET与NDVI显著正相关的结论与宋文献[27]和倪猛[29]等的研究结果一致。
气候条件决定了锡林郭勒草原的降水量由东向西逐渐减少，而平均气温由东向西逐渐增加；锡林郭勒草原生长季NDVI或植被覆盖度的变化趋势为草甸草原>典型草原和沙地植被>荒漠草原[11-12]，即生长季植被长势由东向西递减。因此，导致生长季(春季、夏季、秋季及3—10月)和冬季(1—2月、11—12月)蒸散发空间变化趋势相反的原因可能是：
(1) 生长季(春季、夏季、秋季及3—10月)蒸散发量主要是植物的蒸腾作用贡献大，降水量越大、植被长势越好NDVI值越高、植物蒸腾量越高，降水量大和植物蒸腾量高导致气温相对降低，所以生长季蒸散发和平均气温呈负相关；因此生长季(春季、夏季、秋季及3—10月)的蒸散发量由东向西递减。
(2) 冬季(1—2月、11—12月)锡林郭勒草原植被枯萎、植物蒸腾基本停止；冬季的降水是以降雪的形式出现，因此冬季的蒸散发量主要是土壤蒸发和雪的蒸发；由于冬季气温较低，降雪基本以固态的形式覆盖地面，雪对地面的覆盖阻碍了土壤的蒸发，积雪越厚土壤蒸发越小；锡林郭勒草原冬季降雪由东向西递减，西部降雪对土壤的覆盖度相对低于东部，因此西部土壤蒸发的可能性大于东部；西南部气温高东北部气温低，气温越高积雪由固态变为气态的量越大，冬季气温和蒸散发呈显著正相关；因此冬季(1—2月、11—12月)的蒸散发由东向西递增。由以上分析可以推断，锡林郭勒草原西部年降水量低于东部，西部冬季蒸发量大于东部，是导致西部荒漠草原生长季植被缺水干旱的主要原因。
本研究表明，锡林郭勒草原、草甸草原、典型草原和沙地植被的ET均在7月及夏季达到最大值，而荒漠草原11月及冬季最大；各类草原的最小ET均为5月。各类草原3—5月和10月及春季和秋季的ET均为下降趋势，而6—7月和12月至翌年1月及夏季和冬季的ET均为上升趋势，但变化趋势均不显著(p>0.05)。
锡林郭勒草原属于干旱半干旱气候区，降水作为该区的主要水分补给源对植被的生长至关重要，而ET作为该区水分流失的主要途径，其时空动态对植被的生长具有重要意义。对降水量本来就很低的荒漠草原而言，其1—2月、11—12月及冬季的ET大于3—10月的植被生长季，冬季水分流失较多会进一步加剧春季干旱，对春季植被的返青和正常生长不利。3—5月尤其5月是锡林郭勒草原返青的重要时期，而各类草原3—5月的ET均为下降趋势且以5月ET最小，根据其与水热因子的相关性可知，其原因极可能是春季气温升高降水减少导致，因此预防春旱对锡林郭勒草原尤其是荒漠草原的返青和正常生长具有重要意义。
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MonthlyandSeasonalDynamicsofETinXilingolSteppeandRelatedFactorsAnalysis
ZHANG Qiaofeng1,2,3,4, LIU Guixiang2, YU Hongbo1,3, YU Shan1,3, BAO Yuhai1,3
(1.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China; 2.InstituteofGrasslandResearchofChineseAcademyofAgriculturalSciences,Hohhot010010,China; 3.InnerMongoliaKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographyInformationSystem,Hohhot010022,China; 4.InnerMongoliaLaboratoryofDisasterPreventionandReductionandEcologicalSafetyMonitoring,Hohhot010022,China)
Spatiotemporal dynamic of evapotranspiration (ET) plays an important role in understanding the impact of water and heat on vegetation. In the present study, MODIS MOD16A2 and MOD13A3 monthly data and meteorological data were employed to analyze the spatiotemporal dynamics of monthly and seasonal ET in different types of grasslands in recent 15 years (from 2000 to 2014) in Xilingol steppe and the correlation between ET and related factors by means of regression analysis and correlation analysis. The results showed that ET decreased from east to west in Xilingol steppe and in the sequence: meadow steppe>typical steppe and sandy vegetation>desert steppe from March to October. In contrast, ET increased from east to west in Xilingol steppe and in the order: meadow steppe Xilingol grassland; ET; NDVI; meteorological factors; correlation analysis 2016-10-01 ：2016-10-18 中国农业科学院创新工程“草原非生物灾害防灾减灾团队”(CAAS-ASTIP-IGR2015-04);国家科技支撑计划子课题(2013BAK05B01);国家自然科学基金(71263033); 内蒙古科技计划项目“阿尔山森林灾害监测预警与应急管理系统研究” 张巧凤(1978—),女,内蒙古土左旗人,讲师,博士,主要从事3S应用和草原生态环境监测与风险评估研究。E-mail:zqf2099@163.com 刘桂香(1962—),女,内蒙古乌兰察布人,研究员,博士,主要从事草原生态环境监测评价和草原非生物灾害监测评估研究。 E-mail:liugx804@163.com S812 ：A ：1005-3409(2017)03-0164-06
