锡林郭勒盟草地变化监测及驱动力分析

赵汝冰 ,肖如林 ,万华伟 ,刘慧明 ,高 帅 ,刘思含 ,付 卓 ,檀 畅 ,闻瑞红 ,唐浩竣 ,4 (1.中国

矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083；2.环境保护部卫星环境应用中心,北京 100094；3.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101；4.中国人民大学环境学院,北京 100872)

草地是地球上的主要生态系统之一,占全球陆地生态系统总面积的 16.4%,是维护陆地生态系统的天然屏障[1].我国草地资源相对较多,但从全国草地资源及其利用的变化情况来看,我国草地资源退化现象严重.据统计,我国20世纪70年代退化草地面积达草地总面积的10%,80年代占30%,而90年代已达到50%[2].

开展长时间序列的生态系统宏观格局、质量等监测与评估,分析区域生态系统的演变情况,并挖掘其中潜在驱动力,可为区域生态保护监管、各项生态工程规划和成效评估、政策制定等提供科学支撑.不少学者应用遥感和地理信息技术对草地资源及其变化情况展开了研究[3-10],在锡林郭勒盟也开展了很多工作[11-18].但这些工作在变化分析的对象上,或仅侧重于基于生态系统类型或土地利用类型之上的生态系统格局变化,或仅侧重NDVI等质量变化,很少兼顾;在变化的驱动力上,仅侧重人类活动因素或气候因素,综合性的考虑比较少;在驱动力的分析方法上,大多数是基于统计单元或几个离散点的长时间序列折线图的简单对比析,基于长时间序列的地理数据集之间的定量化的地统计分析较少.本文利用锡林郭勒盟长时间序列(2000～2013年)的 MODIS数据反演的 NDVI产品,开展了该区域草地的变化情况监测与分析,同时结合土地利用数据、气象数据及人口、牧业等人类活动数据,利用地理相关分析等地统计分析方法,开展了锡林郭勒盟草地变化的驱动因素挖掘,为遏制锡林郭勒盟草地退化、促进锡林郭勒地区土地资源的合理利用和生态保护提供依据.

1 研究区域和数据来源

1.1 研究区域概况

如图1所示,锡林郭勒盟位于中国的正北方,内蒙古自治区的中部,是中国北方干旱－半干旱草原的典型区,也是我国三大天然草原之一.但是长期以来,由于气候变化和人类不合理的土地利用活动,草地遭遇破坏和退化,严重影响了当地草原畜牧业的发展和农牧民生活水平的提高,而且退化草地、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[19].2000年之后,中央和地方政府先后启动了京津风沙源区治理工程、退牧还草等重大生态建设项目和生态保护政策.

1.2 数据来源

1.2.1 遥感影像数据 采用NASA免费分发的(https：//reverb.echo.nasa.gov/reverb)MODIS 影像数据(MOD09A1).原始影像为 HDF格式,坐标系为正旋投影,其中 1～7波段分辨率为 500m.主要选取覆盖本研究区域的 2000～2013年间的每年第89～273d各24景影像,时间范围处于4～9月的生长季,合计共336景.

1.2.2 土地利用数据 土地利用空间分布数据来源于“全国生态环境十年变化(2000～2010年)遥感调查评估”项目的成果数据,主要包含2000、2005、2010 3期(由于土地利用数据获取困难,同时考虑到土地利用变化相对缓慢,所以本研究所采用的土地利用数据最新只到 2010年),坐标系为Albers圆锥等面积投影,分辨率为30m.

1.2.3 气象数据 基于中国气象科学数据共享网(http：//cdc.cma.gov.cn/)发布的气象地面站点数据,并利用ArcGIS克吕金插值转换为栅格数据.

1.2.4 人口、牲畜存栏、GDP等数据 主要来源于《内蒙古统计年鉴》历年资料.考虑到相关数据以及人类活动环境影响具有一定的延迟效应特征,所以主要选用了 2001～2012年的相关数据进行分析.

实际处理分析时,将相关的遥感影像、气象数据,都统一到土地利用数据的Alberts圆锥等面积投影坐标系下进行计算处理.

1.3 研究方法

NDVI 是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子之一[20],在许多应用中被用以反映植被状况,尤其是对于锡林郭勒这种以草地生态系统为主的相对均一(草地生态系统中各种植被之间的差异比森林生态系统中各种植被间的差异相对要小)的区域,因而在草地生态系统方面也有很多应用[4,14,16],并显示出与草地状况有很好的关系[21].

但鉴于MODIS发布的NDVI产品是16d的最大值合成产品,时间分辨率不足,尤其对于锡林郭勒这种北方生长季相对较短的区域难以很好适用.因此采用2000～2013年MODIS发布的8d合成的反射率数据(MOD09A1),并提取研究区逐年的NDVI的年最大值,利用地理相关分析方法,分析了锡林郭勒盟草地变化情况,并从土地利用、气象条件、人类活动等多方面开展草地退化驱动力分析,具体如下：

1.3.1 提取 NDVI年最大值 利用 2000～2013年生长季期间(4～9月)的 MODIS反射率数据(MOD09A1)提取了 2000～2013年研究区各位置逐年的 NDVI年最大值.NDVI年最大值通常代表该位置植被一年之中最好的状态,比较适合用于草地长时间序列的年际变化(尤其是退化)特征分析.此外NDVI年最大值相对于NDVI年平均值也可以消除云雾等天气影响(因为有云的区域 NDVI通常较低,用年最大值的方法可以将这些异常值直接滤掉;而用年平均值的方法,异常值则会参与计算,从而影响分析结果).

NDVI年最大值计算公式如下：

式中：ρ1、 ρ2为MOD09A1中红波段、近红外波段的表观反射率;i为草地生长季期间的MOD09A1(第 89d～第 273d)影像景数.

1.3.2 变化显著性分析 为了分析 2000～2013年间NDVI年最大值的变化趋势,以时间(以年为单位)为自变量、以各年度NDVI的年最大值为因变量逐像元进行一元线性回归分析,回归表达式为：

式中：y为NDVI年最大值;x为年序号.

斜率b的计算方法[22]如下：

式中：i为年序号(i=1,2,3,……14);n为时间长度(n=14);NDVIi为基于像元的 NDVI年最大值.NDVIi随着时间的变化斜率反映了草地状况的变化方向,斜率为正值表示草地状况随着时间呈变好趋势,负值表示随着时间呈变差趋势,0表示没有变化.采用 T检验对斜率b进行显著性检验,根据 NDVI年最大值变化的显著性水平,生成2000～2013年NDVI年最大值变化图层.

1.3.3 相关分析 为了分析 2000～2013年间草地变化与气候等因素之间的相关性关系,分别以气温和降水变化为自变量,以 NDVI年最大值变化为因变量逐像元进行一元线性回归分析,原理同 1.3.2.分析 NDVI年最大值发生变化的区域,NDVI年最大值与同时期气温和降水的偏相关系数及显著性水平.同时鉴于人类活动的分布数据不便于像气象数据那样转换成区域连续分布的栅格数据,为了分析草地变化与人口、畜牧等人类活动的相关性,主要采用了同一区域基于时间轴的草地变化趋势与人类活动变化趋势的比对分析方法.

2 结果和分析

2.1 锡林郭勒盟草地变化

2.1.1 NDVI变化时空格局 2000 ～2013年锡林郭勒盟草原 NDVI年最大值的空间分布格局如图2所示.

从图2中可以看出,2000～2013年,锡林郭勒盟的 NDVI年最大值具有较好的空间一致性,从东北向西南逐渐减小,标志着锡林郭勒盟东北部草地质量较好,而西南部草地质量不佳.

苏尼特左旗和右旗的 NDVI年最大值一般在 0.3以下,而东北部的东乌珠穆沁旗的 NDVI年最大值一般超过0.4.对不同范围内的NDVI年最大值进行统计发现,2000～2013年间,锡林郭勒盟的 NDVI年最大值一般集中在 0.2～0.5之间,除2012年外,NDVI年最大值在0.2～0.5的像元面积均超过50%,说明2000～2013年间,锡林郭勒盟草地的生长状况总体比较一致.

图2 2000～2013年锡林郭勒盟NDVI年最大值的空间分布格局Fig.2 The spatial distribution of annual NDVI maximum in Xilingol League from 2000 to 2013

2.1.2 NDVI变化显著性分析 以锡林郭勒盟地区 NDVI年最大值的变化趋势来分析近 14a锡林郭勒盟草地状况的变化.根据 NDVI年最大值变化的显著性水平,将研究区草地变化状况分为极显著减少/增加(0＜P＜0.01)、显著减少/增加(0.01＜P＜0.05)以及微弱减少/增加(0.05＜P＜0.1)6个主要的变化状况,而对于P＞0.1的区域,则认为近14a间,该区域草地状况没有明显的变化规律,结果如图3所示.

图3 2000～2013年锡林郭勒NDVI年最大值变化趋势Fig.3 Change trends of annual NDVI maximum in Xilingol League from 2000 to 2013

从总体上看,2000～2013年间,锡林郭勒盟草地状况发生变化的区域仅占研究区草地面积的4.04%,其中以显著增加和微弱增加趋势为主,二者分别占草地NDVI变化区域面积的35.25%、49.56%,而11.26%的区域呈现极显著的增加趋势,草地 NDVI年最大值减小的区域集中在苏尼特左旗东南部、锡林浩特市中部以及西乌珠穆沁旗东北部,但变化区域较少,仅占变化面积的3.93%,说明 2000～2013年间锡林郭勒盟草地质量总体上得到改善.这与杭玉玲等提出的 2000～2010年锡林郭勒草原植被状况总体趋向好转的结论一致[16],可能是由于 2000年之后生态保护与恢复工程的实施,锡林郭勒草原退化态势有所遏制和缓解.

2.2 锡林郭勒盟草地变化的驱动力分析

2.2.1 土地利用变化驱动力分析 根据收集获取的土地利用数据,以研究区边界为基础,提取锡林郭勒盟2000、2005和2010年3期土地利用空间分布栅格数据,并转成矢量数据,然后分析研究区 2000～2010年土地利用类型变化.锡林郭勒盟

2000、2005和 2010年土地利用类型空间格局如图4所示,各种土地利用类型的分布面积如表1所示.

图4 2000、2005和2010年锡林郭勒盟土地利用类型空间格局Fig.4 Spatial distribution of the land use of Xilingol League in 2000, 2005 and 2010

从表1中可以看出,2000年、2005年和2010年,草地的面积占锡林郭勒盟辖区面积的 89%以上.从时间变化看,2000～2010年间,锡林郭勒盟各种土地利用类型的变化均不显著,除草地、荒漠和裸地外,其余土地利用类型呈现微弱的持续增加,但增加面积不显著.2000～2005年间,锡林郭勒盟草地的面积有微弱的增加趋势,增加面积为112km2,但2005～2010年,草地面积又出现减少的趋势,减少面积超过 2000～2005年间的增加面积,为 422km2.因此,从总体上看,2000～2010年间,锡林郭勒盟草地的面积总体上是减少的,减少面积为 310km2.另外,锡林郭勒盟荒漠和裸地的面积也有所减少,转变为其他土地类型.

为具体分析最近 10a锡林郭勒盟草原的变化,研究了 2000～2005年、2000～2010年间研究区其他用地类型的增加造成草原面积减少的空 间格局和比例分布,结果如图5所示.

表1 2000～2010年锡林郭勒盟土地利用类型面积统计Table 1 Statistics of land use in Xilingol League from 2000 to 2010

图5 2000～2005年和2000～2010年锡林郭勒盟草原变化的空间格局Fig.5 Changes of grasslands in Xilingol League from 2000 to 2005 and from 2000 to 2010

从图5中可以看出,2000～2010年锡林郭勒盟草原面积减少的区域主要集中在锡林郭勒西南部,即苏尼特左旗、阿巴嘎旗、正镶白旗和正蓝旗的接壤区域,从土地利用类型转换状况看,2000～2005年,锡林郭勒盟草原减少的主要原因是草原向森林的转移,占草原减少面积的75.95%,而 2000～2010年间,城镇用地的扩张是草原面积减少的主要原因,从草原转移而来的城镇用地面积占草原减少面积的 47.23%,其次为草原向森林用地类型的转移,占草原减少面积的24.5%.

2.2.2 气候驱动分析 为了分析锡林郭勒盟草地状况变化的驱动因素,重点选取了气温和降水2个气象指标;同时考虑到年平均气温和累积降水量代表的累积性气象指标相对于年极值气温(最大、最小气温)和极值降水量(最大、最小降水量)代表的瞬时气象指标对植被1a内的整体生长状况影响更大,因此采用了基于生长季的月平均气温与月累积降水量 2个参数得到年平均气温与年累积降水量的逐年数据,裁剪得到研究区域范围内的 2000～2013年气温和降水量资料,对2000～2013年该地区草地植被生长季期间(4～10月)的年均温度和年累积降水量的变化状况做了分析,结果如图6所示.

从图6可以看出,近14a间,锡林郭勒盟草地区域气温的变化趋势在-0.072～0.009℃/a之间,变化幅度不大,且因地区存在显著差异.锡林郭勒盟中部和西南部地区,草地植被生长季气温均呈现下降趋势,而东北部和东南部区域气温的增加趋势比较明显.整个区域的降水均呈增加的趋势,且从西南向东北,降水增加的幅度逐渐增大,降水增加最显著的地区分布在东乌珠穆沁旗的东北地区,降水增幅达到10mm/a以上.

图6 2000～2013年锡林郭勒盟区域生长季的逐年平均温度和年累积降水量变化趋势Fig.6 Change trends of annual temperature and precipitation in Xilingol League from 2000 to 2013

为了具体分析近 14a锡林郭勒盟气候变化对草地质量产生的影响,我们研究了在草地NDVI年最大值发生变化的区域,草地 NDVI年最大值与同时期气温和降水的偏相关系数及显著性水平,结果如图7、图8所示.

从图7中可以看出,气温与草地NDVI年最大值的偏相关系数以负数为主,说明锡林郭勒盟地区气温的升高抑制草地植被生长,气温的降低反而对草地植被生长有利,但绝大部分地区二者没有明显的偏相关关系(P＞0.1),仅在苏尼特右旗东南部表现出显著的负相关关系(0＜P＜0.1).这与杭玉玲等[16]研究结果一致,这可能是因为较高的温度会加快蒸散发而导致干旱加剧和植被可利用水量减少,在一定程度上影响植被覆盖度的增加[23].

图7 2000～2013年锡林郭勒盟区域生长季NDVI年最大值与年均气温的偏相关分析Fig.7 Partial correlation analysis between annual NDVI maximum and annual mean temperature in Xilingol League from 2000 to 2013

从图8中可以看出,降水与草地NDVI年最大值的偏相关系数以正数为主,降水的变化对草地植被的生长影响比较明显,二者的偏相关系数在大部分地区达到显著水平(P＜0.1).这与王强等

[24]研究结果相一致,属于干旱或半干旱区的锡林郭勒地区,降水是影响植被生长变化的主要限制性因素.尤其是在阿巴嘎旗和东乌珠穆沁旗的部分草地变化比较明显的地区,草地 NDVI年最大值与降水的偏相关系数达到极显著水平(P＜0.01).

图8 2000～2013年锡林郭勒盟区域生长季NDVI年最大值与年累积降水量的偏相关分析Fig.8 Partial correlation analysis between annual NDVI maximum and annual cumulative precipitation in Xilingol League from 2000 to 2013

2.2.3 人类活动的驱动分析 结合图3、图6、图7、图8的结果发现,2000～2013年,在苏尼特左旗东南部、锡林浩特市中部以及西乌珠穆沁旗东北部等草地退化比较严重的地区,气温和降水的变化对草地 NDVI年最大值的变化均没有显著影响(P＞0.1).因此,为了进一步探讨锡林郭勒盟部分地区草地退化原因,将锡林郭勒盟矿区分布数据与图3进行叠加,并对矿区周围地区进行缓冲区分析,结果如图9所示.

通过分析得知,除苏尼特左旗东南部外,锡林浩特市、西乌珠穆沁旗辖区内的草地退化区域皆分布在矿区 8km 的缓冲区范围内,尤其是西乌珠穆沁旗辖区内,矿区内部的草地出现了严重退化.

为了寻找苏尼特左旗东南部草地出现极显著退化的原因,根据 2001～2012年的《内蒙古统计年鉴》资料,研究分析了 2001～2012年苏尼特左旗辖区内人口、农作物播种面积、年末牲畜存栏数以及3次产业GDP的时间变化特征,结果如图10所示.

图9 锡林郭勒盟矿区周围草地变化状况Fig.9 Changes of grasslands around mining areas in Xilingol League

分析图10可知,2001～2012年间,苏尼特左旗人口数量呈持续增加态势,但增加幅度不大,12a间,增加人口数量仅为 1500人左右;从农作物播种面积看,2002年有一个激增,之后在波动中逐渐增加,2008年之后,苏尼特左旗农作物播种面积又逐渐减少,2010年左右又恢复到 2001年的水平,但近 2a农作物播种面积又有增加的趋势;随着苏尼特左旗社会经济的发展,2001～2012年,年末牲畜存栏数从 2001年的 90万头下降到2012年的60万头左右,放牧活动减弱;而第二产业和第三产业在苏尼特左旗经济发展中的比重逐渐增加,尤其是 2004年之后,第二产业产值均超过全旗GDP产值的60%以上,其中又以工业占据绝对优势.根据以上分析,近 14a,苏尼特左旗人口的增加、第二产业和第三产业的发展以及耕地面积的不断扩大,造成乱垦现象严重,大量的草地被开垦为耕地、工业用地,使得草地出现极显著退化现象.

图10 2001～2012年苏尼特左旗社会经济统计指标变化趋势Fig.10 Change trends of social and economic indicators in Sonid Left Banner from 2001 to 2012

3 结论

3.1 2000～2013年近 14a间,锡林郭勒盟草地NDVI年最大值具有较好的空间一致性,除2012年外,有一半以上区域的 NDVI年最大值在 0.2～0.5之间.且从东北向西南逐渐减小,表明锡林郭勒盟东北部草地质量较好,而西南部草地质量不佳.

3.2 2000～2013年间锡林郭勒盟的草地质量总体上得到改善,约 4.04%有变化.这有变化的区域中,大部分属于显著或微弱增加,仅有约 3.93%的变化区域属于退化比较明显,它们主要集中在辖区从东北向西南的中部地区,尤以苏尼特左旗东南部、锡林浩特市中部以及西乌珠穆沁旗东北部退化严重.

3.3 研究区域草地变化与气温的相关性不显著,而与降水和人类活动的相关性显著.绝大部分地区 NDVI年最大值与气温二者没有明显的偏相关关系(P＞0.1),仅在苏尼特右旗东南部表现出显著的负相关关系(0＜P＜0.1);大部分地区的 NDVI年最大值与降水的偏相关系数达到显著水平(P＜0.1),尤其是在阿巴嘎旗和东乌珠穆沁旗的部分草地变化比较明显的地区,草地 NDVI年最大值与降水的偏相关系数达到极显著水平(P＜0.01).

3.4 在草地退化比较严重的苏尼特左旗东南部、锡林浩特市中部以及西乌珠穆沁旗东北部地区,气温和降水的变化对草地NDVI年最大值的变化均没有显著影响(P＞0.1),除苏尼特左旗东南部外,锡林浩特市、西乌珠穆沁旗辖区内的草地退化区域皆分布在矿区8km的缓冲距离内,尤其是西乌珠穆沁旗辖区内,矿区内部的草地出现了严重退化.

[1] 卢满意.锡林郭勒草原退化影响因素分析及可持续利用对策研究 [D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学, 2012.

[2] 王 堃.草地植被恢复与重建 [M]. 北京：化学工业出版社,2004：15-18.

[3] 骆成凤,许长军,游浩妍,等.2000～2010年青海湖流域草地退化状况时空分析 [J]. 生态学报, 2013,14：4450-4459.

[4] 曹旭娟,干珠扎布,梁 艳,等.基于 NDVI的藏北地区草地退化时空分布特征分析 [J]. 草业学报, 2016,3：1-8.

[5] 邵景安,芦清水,张小咏.近 30年青海三江源西部干旱区草地退化特征的遥感分析 [J]. 自然资源学报, 2008,4：643-656.

[6] 姜立鹏,覃志豪,谢 雯.基于单时相MODIS数据的草地退化遥感监测研究 [J]. 中国草地学报, 2007,1：39-43.

[7] 张清雨,吴绍洪,赵东升,等.30年来内蒙古草地退化时空变化研究(英文) [J]. Agricultural Science & Technology, 2013,4：676-683.

[8] Gutman G, Ignatov A. The derivation of the green vegetation fraction from NOAA/AVHRR data for use in numerical weather prediction models [J]. International Journal of Remote Sensing,1998,19(8)：1533-1543.

[9] Jeyaseelan A, Roy P, Young S. Persistent changes in NDVI between 1982 and 2003 over India using AVHRR GIMMS(Global Inventory Modeling and Mapping Studies) data [J].International Journal of Remote Sensing, 2007,28：4927-4946.

[10] Zhao X, Tan K, Zhao S, et al. Changing climate affects vegetation growth in the arid region of the northwestern China [J]. Journal of Arid Environments, 2011,75：946-952.

[11] 张慧芳.锡林郭勒草原退化现状及成因分析 [J]. 内蒙古统计,2010,(6)：13-14.

[12] 胡云峰,艳 燕,于国茂,等,1975～2009年锡林郭勒盟生态系统宏观格局及其动态变化 [J]. 地理科学, 2012,32(9)：1125-1130.

[13] 徐广才,康慕谊,李亚飞.锡林郭勒盟土地利用变化及驱动力分析 [J]. 资源科学, 2011,33(4)：690-697.

[14] 王 颖,张科利,李 峰.基于10年MODIS数据的锡林郭勒盟草原植被覆盖度变化监测 [J]. 干旱区资源与环境, 2012,26(9)：165-169.

[15] 曹 鑫,辜智慧,陈 晋,等.基于遥感的草原退化人为因素影响趋势分析 [J]. 植物生态学报, 2006,30(2)：268-277.

[16] 杭玉玲,包 刚,包玉海,等.2000～2010年锡林郭勒草原植被覆盖时空变化格局及其气候响应 [J]. 草地学报, 2014,22(6)：1194-1204.

[17] 曹立国,刘普幸,张克新,等.锡林郭勒盟草地对气候变化的响应及其空间差异分析 [J]. 干旱区研究, 2011,5：789-794.

[18] Thwaites R, Lacy T D, Li Y H, et al. Property rights, social change, and grassland degradation in Xilingol Biosphere Reserve,Inner Mongolia, China [J]. Society & Natural Resources, 1998,11(4)：319-338.

[19] 叶笃正,丑纪范,刘纪远,等.关于我国华北沙尘天气的成因与治理对策 [J]. 地理学报, 2000,55(5)：513-521.

[20] 孙家抦.遥感原理与应用(第三版) [M]. 武汉：武汉大学出版社,2013：53-54.

[21] Myneni R B, Hall F G, Sellers P J, et al. The interpretation of spectral vegetation indexes [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1995,33：481-486.

[22] 王化儒,王天明,葛剑平.基于MODIS NDVI的东北虎分布区植被变化趋势 [J]. 应用生态学报, 2012,10：2821-2828.

[23] Piao S, Fang J, Zhou L, et al. Inter annual variations of monthly and seasonal normalized difference vegetation index (NDVI) in China from 1982 to 1999 [J]. Journal of Geophysical Research,2003,108(14)：4401.

[24] 王 强,张 勃,戴声佩,等.三北防护林工程区植被覆盖变化与影响因子分析 [J]. 中国环境科学, 2012,32(7)：1302-1308.