内蒙古农牧交错区草地植被 指数及其对气候的响应

魏 学

(内蒙古赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000)

20世纪以来，全球气候正在经历以变暖为主要特征的显著变化，近百年来，全球地表温度上升了(0.6±0.2) ℃，并且近50年全球气候变暖的程度相当于近100年的2倍[1-2]。全球气候变化使气候要素的空间格局发生变化，导致一些区域极端气候事件频发，生态系统功能退化，植物多样性减少等生态环境问题日益突出，尤其是那些气候条件依赖性强的农牧业耦合系统区和生态脆弱区[3]。赤峰地区属于半干旱气候区，生态环境极其脆弱，是内蒙古典型的农牧结合区域，由于特殊的地理位置和气候条件，成为了我国北方重要的农牧业生产基地和生态屏障[4]。该区域植被类型复杂多样，农田、草地和林地并存，植被生长对气候条件敏感性和依赖性强[5]，因此定量分析该区域草地植被变化趋势与气候因子的关系，对于促进当地草地生态系统保护和恢复具有重要意义。

归一化植被指数(NDVI)是反映地表植被性状的重要指标，由于其数据资料的连续性和客观性，常用来定量分析草地的植被覆盖度变化[6]。近年来，很多学者针对草地植被变化与气候因子的关系做了大量研究，气温和降水被认为是黄河源区高寒草地NDVI增加的极显著影响因子[7]，新疆伊犁河谷植被指数与气温和降水具有显著相关关系[8]，牧草快速生长期(6、7月)降水量对科尔沁草甸草地植被覆盖度具有显著影响[9]，其影响程度大于年降水量。从以上研究可以看出，植被变化与气候因子具有明显的相关性，但不同区域的相关程度各异。目前，国内学者关于内蒙古农牧交错区气候生产力的研究证实，植被气候生产力与气温、降水存在显著的相关关系[5]，但有关该区域植被覆盖度变化的研究国内尚未见相关报道。本研究在区域尺度上以赤峰地区为例，利用2001-2017年牧草生长季(5-9月)EOS/MODIS归一化植被指数(NDVI)16 d合成产品，结合同期气温、降水观测数据，分析内蒙古农牧交错区草地植被变化趋势与气候因子(气温、降水)的关系，以期为合理利用气候资源和维护农牧交错区草地生态系统稳定提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古东部的赤峰地区，地处41°17′-45°24′ N，116°21′-120°58′ E，气候类型为中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温为6.2 ℃，≥10 ℃活动积温为2 880 ℃·d；年均降水量391 mm，年均蒸发量1 878 mm，约为年降水量的5倍[5]；无霜期155 d；土壤类型以沙壤土为主，总土地面积90 021 km2，天然草地面积约占64%，是耕地面积的6倍[4]。该区域是一个以农业为主，半农半牧的典型的农牧交错地区，草地类型以典型草原为主，主要分布在克什克腾旗、林西县、巴林右旗、巴林左旗、阿鲁科尔沁旗、翁牛特旗6个旗(县)。赤峰地区天然牧草在每年5月上旬返青，9月下旬枯黄，因此确定5-9月为赤峰地区天然牧草生长季，10月到翌年4月为非生长期，本研究主要分析天然牧草生长季草地NDVI变化趋势与气候因子(气温、降水)的关系。

1.2 资料来源

气候资料：选择覆盖赤峰地区的气象站点2001-2017年每年5-9月逐日平均气温、降水量资料，通过计算得到生长季平均气温、降水量。

遥感数据：来源于美国MODIS Terra 2001-2017年每年5-9月16 d植被指数合成产品，空间分辨率为250 m(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)。1∶100万土地利用数据来源于吴传钧主编的土地利用图集[10]。

1.3 研究方法

将每年5-9月植被指数产品分别采用最大合成法(maximum value composite syntheses，MVC)计算获得逐年生长季NDVI最大值(NDVImax，记为NDVI)，用来代表当年的植被生长状况。

将NDVI每个栅格17年时间序列值进行一元线性回归模拟直线斜率，表示2001-2017年NDVI的变化速率，公式如下：

(1)

式中:Yi代表第j年的NDVI值，n代表分析时间长度(17年)，b是NDVI的线性拟合斜率，如果b>0，说明植被指数呈增加趋势，反之则表现为减少趋势。

计算NDVI、气温、降水量变异系数(CV)，分析植被和气候因子变化的稳定性。

(2)

利用SPSS 21.0进行5-9月气候因子(气温、降水)与NDVI变化率的显著性检验和相关分析。

2 结果与分析

2.1 NDVI时空变化特征分析

2.1.1NDVI空间变化特征 NDVI变化率可以定量描述植被变化的方向和速度，结合1∶100万植被类型数据中分离出草地空间分布矢量数据，从图1可以看出，研究区70%的区域草地植被指数存在显著变化(P<0.05)，30%的区域无显著变化，其中呈显著增加趋势的区域面积占草地面积比例(占47%)是呈显著减少趋势面积(占23%)的2倍多，说明赤峰地区近17年来草地植被覆盖度整体呈增加趋势。

在赤峰地区所辖12个旗县(区)中，只有巴林右旗、巴林左旗、林西县植被总体呈退化趋势，3个旗县植被减少趋势面积分别占该旗县草地面积的54%、49%和38%(表1)；其余9个旗县(区)植被总体呈增加趋势，敖汉旗、宁城县、喀喇沁旗植被增加趋势面积占该旗(县)草地面积的88%、84%、81%，植被增加比较明显。

图1 研究区NDVI变化率和天然草地空间分布Fig. 1 Spatial distribution of NDVI slope and natural grassland in the research area

NDVI变化率≤-0.05表示显著减少(P<0.05)，NDVI变化率≤0.05且NDVI变化率>-0.05表示无显著变化，NDVI变化率>0.05表示显著增加(P<0.05)。下同。

NDVI slope ≤ -0.05 means a significant reduction at the 0.05 level; NDVI slope ≤ 0.05 or NDVI slope > -0.05 mean no significant change; NDVI slope > 0.05 means a significant increase at the 0.05 level; similarly for the following figures and table.

表1 2001-2017年研究区NDVI变化趋势统计表Table 1 Change trends of NDVI in the research area from 2001 to 2017

2.1.2NDVI时间变化特征 近17年研究区天然草地NDVI平均值随年份增加呈显著(P<0.05)上升趋势，年变化速率为0.002 0，2017年(0.636 0)与2001年(0.588 5)相比增加了0.047 5(图2)。NDVI平均值随月份呈先增后减的单峰态变化趋势，5月和9月分别是牧草返青期和黄枯期，NDVI平均值仅为0.286 1和0.379 9，显著低于其他月份(P<0.05)，7、8月分别达到0.759 4、0.726 2，均显著高于其他月份，而二者之间无显著差异(P>0.05)。

2.2 NDVI及气候因子空间稳定性分析

利用公式(2)分别计算研究区草地NDVI、气温和降水量的变异系数，分析三个要素变化趋势的稳定性。可以看出，NDVI、气温和降水量空间变异系数的年际变化呈显著降低趋势(P<0.05)，说明近17年来，赤峰地区天然草地NDVI、气温和降水量空间离散程度均呈逐年减小趋势，植被和气候因子空间变化趋于稳定。两个气候因子中，降水量空间变异相对较大，变化幅度具有明显波动，而气温的空间变异相对较小，变化相对稳定。因此，赤峰地区天然草地植被变化主要受降水量的变化所致。

2.3 NDVI平均值与气候因子关系

研究区草地NDVI与5-9月降水量和平均气温相关系数分别为0.730和0.384，与前者呈极显著相关关系(P<0.01)，与后者无显著相关关系(P>0.05)(表2)。其中，6月、7月和8月降水量与NDVI呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数分别为0.724、0.789和0.782，5月、9月降水量与NDVI呈显著正相关关系(P<0.05)，而逐月平均气温与NDVI无显著相关关系。说明降水量是天然草地NDVI显著正向因子，而热量条件的促进作用并不显著。原因是赤峰地区处在干旱地区，气温升高虽然能够为牧草生长提供充足热量，但同时也加大了地表蒸发，导致干旱加重。而自然降水是天然草地唯一水分来源，充足的降水有利于增加土壤湿度和牧草生长，从而增加牧草多样性和草地牧草覆盖度。

图2 研究区NDVI平均值变化趋势Fig. 2 Changes of climate factors during growing seasons in the research area

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

图3 研究区NDVI和气候因子空间变异系数变化趋势Fig. 3 Changes of spatial variability coefficients of NDVI and climate factors in the research area

因子Factor5-9月May to September5月May6月June7月July8月August9月September降水量Precipitation0.730**0.609*0.724**0.789**0.782**0.454*气温Temperature0.3840.3490.3240.3190.3280.254

*和**分别表示显著(P<0.05)和极显著相关(P<0.01)。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

3 讨论

近年来，很多学者针对干旱区和农牧交错区植被变化趋势的研究表明，西北干旱区[11]、甘南地区[12]、新疆维吾尔自治区[13]、内蒙古锡林郭勒盟[14]植被覆盖度和稳定性呈明显增加趋势，本研究发现，近17年来赤峰地区天然草地NDVI以0.002 0·a-1的速度逐年增加，植被变化空间稳定性增加，生态环境状况好转，与上述研究结果一致。

在北方干旱草原区，天然牧草整个生长发育过程呈现单峰态变化，5月牧草开始返青，NDVI进入快速增长阶段，7-8月是牧草生长的高峰期草层高度最高，NDVI达到最大且变化相对稳定，9-10月进入黄枯期，NDVI逐渐降低，牧草整个生长过程结束[15-16]。本研究发现天然草地NDVI呈现单峰型变化，返青期和黄枯期NDVI值显著低于其他月份，7月达到峰值0.759 4，且与8月份无显著差异，这与前人研究结果一致。

秦大河[1]、丁一汇等[2]在《气候变化国家评估报告》中指出，全球气候变暖必然导致气候格局发生变化，异常高温、极端降水事件的频繁发生，使得一些地区气候类型发生改变，呈现“旱涝转换”或“旱涝并存”的特点，尤其在干旱区，植被与降水的关系变得更加密切。有研究认为[3,15]，北方典型农牧交错区热量充足，大气降水是天然牧草生长发育需水的唯一来源，因此，牧草生长高度和种类多样性主要取决于自然降水条件。赵志平等[7]研究发现，黄河源区高寒草地NDVI与降水量呈极显著正相关关系，与气温具有显著正相关关系。渠翠平等[9]研究了科尔沁草甸草原NDVI与气候因子的关系，得出NDVI与6-7月降水量具有极显著正相关关系。王涛和杨梅焕[17]研究发现，2000-2015年榆林地区植被覆盖度呈逐年线性增加的趋势，植被覆盖度与气温呈负相关关系，与降水呈正相关关系。本研究表明，研究区天然草地NDVI与5-9月降水量具有极显著正相关关系，与气温具有不显著正相关关系。逐月降水量与NDVI均达到显著正相关(P<0.05)，6-8月降水量对NDVI影响达到极显著水平，相关系数分别为0.724、0.789、0.782，而逐月气温与NDVI无显著相关关系，相关系数为0.254(9月)～0.349(5月)。说明在内蒙古农牧交错区，降水量对天然草地植被覆盖度影响比气温更显著，其中6-8月降水量对草地植被覆盖度增加具有显著促进效应，返青期(5月)热量条件比其他时段更重要，这与以往研究结论相一致。