锡林郭勒盟2000-2019年土地荒漠化及对气候因子的响应

特力格尔 那仁满都拉 郭恩亮 布仁吉日嘎拉 王世亮 娜仁夫

摘 要：荒漠化是目前全球面临的一项严峻生态环境问题，中国也是受到荒漠化侵扰的国家之一。其形成原因复杂，具有地区性，气候因素往往在这一地区荒漠化形成中具有主导作用。本文以锡林郭勒盟2000-2019年生长季MODIS-NDVI数据作为遥感数据来源，结合锡林郭勒盟地区及周边气象站点的降水、气温等气象数据，通过森式斜率及Mann-Kendall趋势检验法进行显著性检验，研究2000年以来研究区荒漠化与气象因子相关关系。结果表明：锡林郭勒盟2000-2019年间，显著增大的面积为36322km2，占总面积的11.22%;不显著增大的面积为178863km2，占总面积的55.24%;稳定的面积为80763km2，占总面积的24.94%;不显著减少的面积与显著减少的面积占比分别为8.37%与0.23%。可知，不显著增大的面积较大，显著减少的面积较小。在20年间内蒙古NDVI在该区域内呈现增大的趋势，植被覆盖面积增大，荒漠化的面积在整体上是减少的趋势。植被覆盖度变化受气温降水的影响较大，其中降水的影响较气温的影响较为显著，因此降水是内蒙古地区植被生长的限制因素。

关键词：荒漠化;气象因子;NDVI;锡林郭勒盟

中图分类号：S157.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）01-0042-06

1 引言

荒漠化是困扰世界的一项全球性问题，涉及环境及社会经济发展[1]，目前全球已受荒漠化影响及将受荒漠化影响的土地面积已达35%，且以6万km2/年的速度扩张，亚洲地区也已经达到34%。荒漠化不仅表现在对生态环境的破坏，同时还对当地社会和经济发展造成负面影响，而生态环境脆弱的荒漠化区域往往是深度贫困区[2，3]。我国已在1994年、1999年、2004年、2009年及2014年组织人员开展了荒漠化监测。根据第五次《中国荒漠化和沙化状况公报》，截至2014年，我国27.20%的国土面积已被荒漠化土地所占领。

内蒙古自治区荒漠化土地面积广阔，全区近60%的土地为荒漠化土地[4]。其中风蚀荒漠占荒漠化土地面积的90%，且集中在以砂壤土、壤砂土、砂土等土壤质地集中的草原区[5]。土地利用程度和利用方式是影响内蒙古荒漠化发展的一个重要因素。近一个世纪以来内蒙古荒漠化发展尤为迅速[6]，这与人类经济活动范围扩大、强度增加、导致内蒙古地区农牧交错带不断北移，原有土地利用类型改变及植被覆盖度减少有着极为密切的关系。锡林郭勒盟荒漠化不仅对本区经济社会环境产生重大影响，还危及京津地区生态安全[7，8]。该区南部的浑善达克位于京津地区上风口，是重要的东亚沙尘源地之一[9]。

锡林郭勒盟位于东亚季风区向非季风区过渡区域，同时属于农牧交错地带，生态环境脆弱，受气候变化与人类活动影响较为敏感[9]。在全球气候呈现“干者越干，湿者越湿”变化趋势下，地区呈现暖干化趋势[10]，这势必会对研究区荒漠化演变产生驱动作用。目前对该盟荒漠化发展驱动力的研究主要以人为因素为主，对自然因子特别是气象因子的研究还存在不足之处。本文鉴于荒漠化成因具有一定的地区性[11]，对锡林郭勒盟荒漠化成因研究应符合实际情况，选择对研究区荒漠化成因具有主导作用的因子进行研究。研究结果可以为之后荒漠化治理提供科学依据，解决荒漠化成因不清难以形成有效治理的难题。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

锡林郭勒盟（115°13′E～117°06′E，43°02′N～44°52′N），跨两个纬度和两个经度，全盟土地面积26.26万平方公里，占内蒙古自治区面积的17.2%。锡林郭勒盟大部属于西北干旱区，只有东南少部分属于东部季风区，是生态环境脆弱敏感地区。位于研究区南端的浑善达克沙地是距京津唐最近的沙尘源。年均温0～3℃，且日温差及年温差较大，年均降水量较少且时空分布不均匀。年均降水量为295mm，且降水多集中在7、8、9三个月份，并由南至北逐渐减少。年平均相对湿度60%以下，蒸发量1500～2700mm之间[12]。受水熱条件的影响，锡林郭勒草原以典型草原为主体，自东向西由草甸草原向荒漠化草原逐渐演变。典型草原区植被总盖度20%～40%，总高度30～50cm，生产量800～1000kg/km2。地区地带性土壤为具有较高生产力的栗钙土或暗栗钙土。

2.2 数据来源与处理

2.2.1 NDVI数据

本文使用的NDVI数据为Terra卫星的MOD 13A2产品（来源于https：//ladsweb.Modaps.eosdis.nasa.gov/search/），时间和空间分辨率分别为16d和1km。且采用最大值合成法（Maximum ValueComposite， MVC），获得逐月和逐年的NDVI数据。

2.2.2 气象数据

本文所用的气象数据主要为研究区及周边24个气象站点逐日气象数据，源于中国气象科学数据共享服务网站和锡林郭勒盟气象局。将2000—2019年的锡林郭勒盟境内气象站点的数据进行整理，并采用克里金法，对气象数据进行空间插值，从而获取与NDVI数据统一投影和像元大小的降水和气温栅格数据。本文探讨气温降水对荒漠化的影响。

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

植被覆盖指数（Vegetation Index， VI）是在利用遥感技术进行荒漠化监测中的一种替代指标，是一种基于波段间比值运算提取植被的算法。NDVI（ Normalized Differ ence Vegetation Index）归一化植被指数在监测植被生长状态，农业干旱等方面具有良好特性[13]。其计算公式为：

NDVI=（NIR-RED）/（NIR+RED）。

其基本原理如下：假定一像元为混合像元，则该像元信息：

S=S1+S2   （1）

式中：S表示像元信息，S1表示土壤部分提供的信息，S2表示植被部分所提供的信息。

植被覆盖度为该像元被植被面积所覆盖区域占整个像元的比例，土壤覆蓋面积所占比例则为1-植被覆盖度。如果一个像元为纯像元，则表明该像元信息仅由植被或土壤所贡献。

S1=（1-Fv）·Ssoil  （2）

S2=Fv·Sveg  （3）

S=（1-Fv）·Ssoil+Fv·Sveg  （4）

式中：Fv为植被覆盖度，Sveg为纯植被覆盖像元信息，Ssoil为纯土壤覆盖像元信息。

植被覆盖度利用像元二分模型来进行估算。根据式子S=（1-Fv）·Ssoil+Fv·Sveg可推知：假定一像元NDVI值由土壤和植被两部分提供，其中纯土壤像元NDVI值记为NDVIsoil，纯植被像元NDVI值记为NDVIveg，则植被覆盖度

Fv=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）  （5）

因此，可通过遥感信息对植被覆盖度信息进行估算，进而通过遥感反演对荒漠化面积进行监测。

2.3.2 Mann-Kendall趋势检验法

通过Sens趋势分析和Mann-Kendall检验，分析了内蒙古地区不同植被类的平均和逐像元的年际NDVI的变化。Mann-Kendall（简写M-K）趋势检验法是一种非参数趋势检验法。该方法适合于非正态分布的气象数据的非线性趋势检验。假定x1，x2，…，xn为时间序列变量，n为时间序列的长度，M-K法定义了统计量S：

其中，

sgn（xj-xi）=+1， if（xj-xi）>00，  if（xj-xi）=0-1， if（xj-xi）<0

式中：xj、xi分别为j、i年的相应测量值，且j>i。

式中：Z为一个正态分布的统计量;Var（S）为方差。在给定的a置信水平上，如果|Z|≥Z1-a/2，则拒绝原假设，即在a置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。其变化趋势的大小用Sen's斜率表示，计算如下：

若斜率>0，表示呈上升趋势;若斜率<0，表示呈下降趋势。

2.3.3 荒漠化等级划分

根据《关于中国三北地区荒漠化分类分级及参考指正表的修订》，将锡林郭勒盟地区荒漠分为未荒漠化、轻度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化和极重度荒漠化五类[14]。锡林郭勒盟属中国北方典型干旱半干旱区，风蚀荒漠分布面积广阔，因此研究区荒漠化划分指标依据干旱-半干旱区风蚀荒漠化等级进行划分（表1）。

3 研究区荒漠化现状分析

3.1 锡林郭勒盟植被覆盖度空间分布

利用ArcGIS的重分类工具对Mann–Kendall检验结果进行重分类，后进行栅格计算得到研究区NDVI变化的空间分布图（图2）。从图2可知，2000-2019年间锡林郭勒盟植被覆盖度显著增大的区域位于东部地区与西南地区，西部地区的植被覆盖度变化在空间上呈现稳定或不显著增大，北部较稳定南部有较改善的趋势。

从表2可知，锡林郭勒盟2000-2019年间，显著增大的面积为36322km2，占总面积的11.22%;不显著增大的面积为178863km2，占总面积的55.24%;稳定的面积为80763km2，占总面积的24.94%;不显著减少的面积与显著减少的面积占比分别为8.37%与0.23%。从以上结果可知，不显著增大的面积较大，显著减少的面积较小，两者之间相差178105km2;增大和减少的面积差为18722km2。因此在20年间（2000-2019年）内蒙古NDVI在该区域内呈现增大的趋势，植被覆盖面积增大，荒漠化的面积在整体上是减少的趋势。

3.2 锡林郭勒盟荒漠化面积动态分布

根据研究区荒漠化划分标准，将2000年-2019年研究区植被生长季NDVI最大值提取遥感图像进行重分类，分类统计及变化趋势结果如表3和图3所示。统计结果表明，极度荒漠化、重度荒漠化月中度荒漠化均呈现减少的趋势，且极度荒漠化的面积减少的速率较其他荒漠化面积变化速率较大。而轻度荒漠化与未荒漠化的面积呈现增加趋势。

结果表示，多年平均植被覆盖度与多年平均降水呈现线性正相关关系，且R2为0.6038，通过了显著性检验，为显著关系。与多年平均气温的关系为，R2=0.3741的对数负相关关系，随着气温的升高，研究区植被覆盖呈现减少的趋势。可知，研究区2000-2019年的植被覆盖度的变化与降水的相关性较高，与气温的相关性较低。综上所述，锡林郭勒盟地区的植被覆盖度的变化受气温降水的影响较大，因此气候因素会对土地荒漠化的影响较大，其中降水的影响较气温的影响较为显著。这与中国北方的植被生产力主要受降水的限制结果一致[15]。

3.3 荒漠化对气候因素的响应

首先，在研究区内用ArcGIS软件的随机生成点的工具形成10000个随机点，后提取该点对应的多年平均植被覆盖度，降水与气温的数据。其次，利用数据统计与处理软件Excel与SPSS，对降水与气温数据对植被覆盖度影响的相关关系分析。最后基于锡林郭勒盟2000-2019年平均植被覆盖度与降水、气温的，确定气候因素（气温、降水）对植被覆盖度的影响关系，从而得到气候对研究区土地荒漠化的影响。

结果表示，多年平均植被覆盖度与多年平均降水呈现线性正相关关系，且R2为0.6038，通过了显著性检验，为显著关系。与多年平均气温的关系为，R2=0.3741的对数负相关关系，随着气温的升高，研究区植被覆盖呈现减少的趋势。可知，研究区2000-2019年的植被覆盖度的变化与降水的相关性较高，与气温的相关性较低。综上所述，锡林郭勒盟地区的植被覆盖度的变化受气温降水的影响较大，因此气候因素会对土地荒漠化的影响较大，其中降水的影响较气温的影响较为显著，因此降水是内蒙古地区植被生长的限制因素。

4 讨论与结论

4.1 讨论

全面，适宜的监测与评价指标体系是当前荒漠化研究中的热点，是荒漠化监测及治理工作高效开展的关键[16]。目前，对荒漠化监测研究主要集中在荒漠化监测手段、体系、评价标准等方面。针对荒漠化监测体系，评价标准的研究目前已较为成熟。荒漠化评价标准经历了诸多变化，我国早期荒漠化评价标准为荒漠化指征综合評价，目前已发展到现在基于遥感植被指数的定量化评价[17]。荒漠化评价指标体系研究在我国亦已开展多年，现在主要从反映荒漠化监测所需的信息要素和生态地理指标的科学技术体系及影响荒漠化的人为因素两个方面入手[18]。以荒漠化监测手段作为荒漠化监测研究的切入点，在我国研究较少，存在一定空白。赵媛媛等人从荒漠化监测常用的地面调查与遥感监测作为切入点，详细综述荒漠化监测及评价指标体系[16]。

目前，对于荒漠化驱动力的研究主要以自然因素与人为因素两个方面为主。大量研究结果表明，我国北方现代化风蚀荒漠化的主要驱动力是以经济因素为导向的人类活动，大约94.5%风蚀荒漠化土地是由于人类活动所导致[19]。李香云等人认为人类活动对荒漠化区域生态环境具有显著的负面影响[20]。自然因素也是导致荒漠化产生发展的一个主要因素，对驱动荒漠化形成的自然因素的研究主要集中在气候、地质及土壤方面。刘虎俊等人对内蒙古锡林郭勒盟及蒙古国苏赫巴托尔省荒漠化自然成因从气候，土壤方面进行分析[21]，刘连成等人对内蒙古东部地区沙质荒漠化成因从气候、土壤与植被、地质方面入手[22]。

我国荒漠化监测防治评价标准、体系起步较晚，2008年4月全国防沙治沙标准化技术委员会的成立正式标志我国监测防治标准化工作步入正常发展轨道[23]。同时由于我国荒漠化面积较大，荒漠化区域不同导致我国荒漠化评价标志具有区域性，尚未形成统一的评价体系[17]。荒漠化驱动力研究受到荒漠化区域性不同及荒漠化类型不同的影响，各荒漠区荒漠化驱动力存在差别，因此现代荒漠化成因研究应该考虑到地域性影响[11]。

4.2 结论

结果表明，锡林郭勒盟2000-2019年间，显著增大的面积为36322km2，占总面积的11.22%;不显著增大的面积为178863km2，占总面积的55.24%;稳定的面积为80763km2，占总面积的24.94%;不显著减少的面积与显著减少的面积占比分别为8.37%与0.23%。从以上结果可知，不显著增大的面积较大，显著减少的面积较小，两者之间相差178105km2;增大和减少的面积差为18722km2。因此在20年间（2000-2019年）内蒙古NDVI在该区域内呈现增大的趋势，植被覆盖面积增大，荒漠化的面积在整体上是减少的趋势。

多年平均植被覆盖度与多年平均降水呈现线性正相关关系，且R2为0.6038，通过了显著性检验，为显著关系。与多年平均气温的关系为R2=0.3741的对数负相关关系，随着气温的升高，研究区植被覆盖呈现减少的趋势。可知，研究区2000-2019年的植被覆盖度的变化与降水的相关性较高，与气温的相关性较低。综上所述，锡林郭勒盟地区的植被覆盖度的变化受气温降水的影响较大，因此气候因素会对土地荒漠化的影响较大，其中降水的影响较气温的影响较为显著，因此降水是内蒙古地区植被生长的限制因素。

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