内蒙古荒漠草原东部植被指标动态变化及其与气候变化的关系

焦越佳， 张佳雨， 黄馨慧， 刘风山， 孙振元， 钱永强*

(1. 中国林业科学研究院生态保护与修复研究所/国家林业和草原局草原研究中心， 北京 100091； 2. 内蒙古苏尼特右旗林业和草原局， 内蒙古 锡林郭勒盟 011200)

目前，大多数研究认为气候变化和人为活动共同导致我国草原退化，但气候变化是主要的驱动因素[1]。有研究表明，草原生产力受气候因素的影响大于人为活动的影响[2]，气候变化对其增加的贡献率高达80%以上。荒漠草原是干旱半干旱区主要的生态系统类型之一，是荒漠与典型草原间的旱生化缓冲地带。荒漠草原地理位置的独特、区域气候的波动和生态特点的严酷，使得其对气候变化敏感[3-4]。因此，有必要研究荒漠草原植被结构变化与气候变化的关系，进一步明确草原退化的非生物影响因素及其影响程度，从而为荒漠草原退化修复提供参考。

气候变化如何影响草原植被变化并使得草原生态系统演化目前尚未形成统一的说法[5]。植被在全球陆地生态系统中起着重要作用，是响应气候变化最敏感的组分，可作为气候变化的指示器[6]。李英年[7]认为，未来气候暖干化会导致草地覆盖度、生物量下降，优质牧草减少甚至消失，最后生态系统整体退化。李京蓉[8]对高寒草甸植物进行长期增温发现，植被群落生物量有增长趋势，这可能是由于气温升高会延长植物的生长期，使植物积累更多的生物量。Tang等人[9]对荒漠草原进行研究发现，在降雨量不变的条件下，升温可以对植被生长产生正向促进作用，倘若温度持续升高，最终会引起草原植被的退化。Xu[10]通过对内蒙古草原植被群落的研究，认为其稳定性与年降雨量呈显著正相关关系。而崔超[11]认为，降水量的升高不会对草地植物群落稳定性造成显著影响。得到不同结论可能是由于草地类型、空间尺度大小和试验持续时间长短不同。草原植被对草原气候变化具有很强的敏感性，从时间跨度的变化中呈现与草地气候变化的关系与趋势。草原地上生物量作为保障草原生态系统的物质基础，是反映草地服务功能的重要指标[12]；覆盖度是用来描述草地表面植被覆盖比例的指标[13]；群落高度是用来描述植被垂直高度变化的指标，最能直接反映放牧对植被的干扰[14]。因此，分析草原植被动态变化与气候变化的相关性，探明植被对关键气候因子变化的响应机制，对明确草原退化的根本驱动力，制定草原保护与修复治理策略具有重要意义。

内蒙古位于我国华北地区，85%以上的地区属于干旱半干旱区[15]，苏尼特右旗整体位于内蒙古荒漠草原东部，是我国纬度最高的荒漠草原区。随着全球气候变化，干旱事件发生的频率和强度不断增强[16]，近几十年的几次极端连续干旱对该地区草地生态系统的退化产生了不容忽视的影响[17-19]。基于此，本研究拟以苏尼特右旗荒漠草原为研究区域，利用10年间(2003—2013年)该地区草原植被指标时空动态变化，结合气象统计数据，分析植被动态变化规律及其与气候变化的关系，为探明荒漠草原退化影响因素及作用机制、提高草原生态系统的功能与服务价值以及推动草原植被资源合理利用与可持续发展奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

苏尼特右旗(111°08′～114°16′ E，41°55～43°39′ N)全旗辖3个苏木3个镇，63个嘎查村，总面积2.23万km2，平均海拔高度为1 000～1 400 m，平均气温为4.3℃，最高气温38.7℃，最低气温-38.8℃，无霜期130 d；年降水量平均为170～190 mm，蒸发量平均为2 384 mm，平均日照时数为3 231.8 h。

1.2 样地设置

根据全旗草原类型特点共设36个样地(图1)，111个样方，其中33个草本样地、1个工程样地和2个灌木样地。2003—2013年每年8月份调查各样地植被盖度、高度、草产量。草本及工程样方大小为1 m×1 m，灌木样方大小为10 m×10 m。采用GPS卫星定位仪准确记录测定位置坐标，并记录样地及周围环境特征。

图1 苏尼特右旗草场植被监测点位分布图Fig.1 Distribution map of grassland vegetation monitoring points in Sunite Right Banner

1.3 气象数据

2003—2013年的气象监测数据来源于苏尼特右旗气象局，将每年的日均数据转换成对应年份的月均数据和年均数据。

1.4 测定方法

1.4.1覆盖度观测 采用针刺法[20]。样方内从植被的上方垂直下插，如果针与植物接触，即算作一次“有”，如没有接触则算“无”不划记。最后计算划记的次数，用百分数表示，即为覆盖度。

1.4.2高度测定 测量样方内所有植物的生殖枝(开花、结实的枝条)和营养枝(禾草、莎草植物的叶片，其他植物不开花结实的枝条)的自然高度，最后统计全部植株的平均高度。

1.4.3产草量测定 采用直接收割法。将样方内所有地上生物量收获，称量鲜重后，65℃烘干称量干重。对灌木和高大草本植物样方生物量采用标准株丛法测定，剪取样方内某一灌木或高大草本标准株当年枝条并称重，将标准株的重量分别乘以各自的株丛数得出样方内该灌木及高大草本的地上生物量。

1.5 植被指标与气候因子相关性分析

选取以下9个常用模型，构建与筛选4个植被指标与气候因子的回归模型。

1.6 数据分析

采用Excel 2019进行数据整理，用一元线性回归法对草地植被及气候因子年际变化做趋势特征分析用平均值和标准误表示气候年内变化；采用SPSS 26.0进行统计分析，用Pearson相关分析法对草地植被指标和气候因子之间的相关系数进行分析，用逐步回归分析法对草地植被指标与气候因子之间的关系，构建最佳回归模型。采用Excel 2019和SPSS 26.0制图。

2 结果与分析

2.1 草地植被年际动态变化

2003—2013年间植被高度、覆盖度、鲜草产量以及干草产量整体均呈上升趋势(图2)。10年植被平均高度为12.55 cm，其中2003年植被高度最大，为18.00 cm，2005年最低，为8.00 cm(图2A)；10年植被平均覆盖度为15.36%，其中在2012年植被覆盖度达到最大，为23.00%，2005年最低为8.00%(图2B)；10年植被平均鲜草产量为813.56 kg·ha-1，其中在2012年最高，为1660.35 kg·ha-1，2005年最低，为466.80 kg·ha-1(图2C)；10年植被平均干草产量为275.52 kg·ha-1，其中在2012年达到最高，为734.1 kg·ha-1，2005，2006年最低，为135 kg·ha-1(图2D)。

图2 草地植被年际动态变化Fig.2 Interannual dynamic change of grassland vegetation

2.2 气候动态变化

2.2.1气温变化 苏尼特右旗不同月份平均气温变化较大，从11月至次年3月平均气温均低于0℃，一年中1月平均气温最低，为-15.8℃，7月平均气温最高，为23.9℃。全年气温变化明显，以低温气候为主，在一定程度上会影响草原植被的生长(图3A)。

气温倾向率显示，苏尼特右旗年平均气温的变化表现为增大—减小—增大—减小的“震荡波动”趋势，根据气温距平来看，大部分在负距平以下波动。2009年以前气温变化波动较小，2010年开始波动增大。10年间的平均气温为5.81℃，2010年气温达到最大值7.86℃，随后开始下降，2012年气温达到最小值4.08℃(图3B)。

图3 气温年内(A)及年际(B)变化(2003—2013年)Fig.3 Intra-annual (A) and inter-annual (B) variation of temperature(2003—2013)

2.2.2降水量变化 苏尼特右旗年内降水分配呈单峰型，降水主要集中在夏季(6月—8月)，降水达到102 mm，占全年降水量的58.29%。春季(3月—5月)降水量仅为31.8 mm，仅占全年降水量的18.17%。全年2月降水量最小，仅为1.7 mm，7月降水量最大为37.3 mm(图4A)。10年间平均降水量为175.0 mm，年际间呈明显的震荡，介于76～261 mm之间，降水量变化倾向率为-2.5 mm·a-1，变化也表现为增大—减小—增大—减小的趋势，年际变化整体呈明显下降趋势(图4B)。

根据降水距平百分率(R%)来进行降水量等级划分，-50%

图4 降水量年内(A)及年际(B)变化(2003—2013年)Fig.4 Intra-annual (A) and inter-annual (B) variation of precipitation(2003—2013)

2.3 植被变化与气候变化的时滞效应

苏尼特右旗荒漠草原返青较晚，每年的4月下旬开始返青，自从牧草返青后，水热因子就开始影响牧草生长。5月份的牧草生物量较低，6—7月是牧草的快速生长期，高度、覆盖度以及草产量增长幅度大，8月份均达到全年最大值。9月份以后枝叶开始枯落，高度、覆盖度以及草产量下降。10月份地上部分开始枯死，并被降雪覆盖。由2003—2013年气温年变化(图3)和降水量年变化(图4)可知，温度和降水均在7月份达到峰值，而高度、覆盖度以及草产量在8月份达到全年最大值，比水热因子滞后一个月，植物生长呈现“时滞”效应。说明一定时期内的草地生物量的形成是水热因子与植物相互作用的结果。作为荒漠草原植物主要生长期，夏季的水热条件变化是影响牧草生长的重要因素之一。因此，应当关注当季水热因子及其累积效应对植被带来的影响。

草地植被的高度、覆盖度、鲜草产量、干草产量大部分与降水量呈正相关关系，与气温呈负相关关系，表明随着气温的降低，降水量的升高，植被高度、覆盖度、鲜草产量、干草产量表现为逐渐增大的趋势。其中，植被高度与6月平均气温呈极显著负相关关系(P<0.01)，与6—7月累计平均气温以及6—8月累计平均气温之间均呈显著负相关关系(P<0.05)(表1)，与6月降水量及6—7月累计降水量呈显著正相关关系(P<0.05)。覆盖度与6月降水量呈极显著正相关关系(P<0.01)。鲜草产量与6月降水量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与6月平均气温呈显著负相关关系(P<0.05)。干草产量与6月降水量呈极显著正相关关系(P<0.01)。综上可知，植物覆盖度、高度、草产量等指标与8月气温及降水量相关性最弱，与6月份的水热因子相关性最高(表1)，气温和降水量均存在时滞效应，其中降水量对植被生长影响更大。

表1 年最大植被监测指标与气候相关性和时滞性分析①Table 1 Correlation and time lag between annual maximum vegetation monitoring index and climate

2.4 植被指标与气候因子回归模型

2.4.1回归模型的选择 由表2、表4、表5可知，植被高度、植被鲜草产量、植被干草产量与气候因子的回归拟合以二项式模型最优，相关系数均最高。由表3可知，植被覆盖度与气候因子的回归拟合以幂指数模型最优。综上可知，植被指标与气候因子存在显著相关关系(P<0.05)，通过对比协方差系数R2的大小，可得植被指标与气候因子间最适回归模型。

表2 植被高度与6月气温回归拟合Table 2 Regression fitting of vegetation height and temperature in June

表3 植被覆盖度与6月降水量回归拟合Table 3 Regression fitting of vegetation coverage and precipitation in June

表4 植被鲜草产量与6月降水量回归拟合Table 4 Regression fitting of vegetation fresh grass yield and precipitation in June

表5 植被干草产量与6月降水量回归拟合Table 5 Regression fitting of vegetation hay yield and precipitation in June

对植被指标与水热因子拟合(图5)可知，草地植被高度随6月气温升高呈递减趋势，生长季内气温越高，草地生长受到抑制；气温下降，蒸发量随之降低，草地生长状况好转(图5A)。草地植被覆盖度随6月降水量增加呈递增趋势，降水量升高，干旱情况得到一定缓解，草地生长状况好转，植被覆盖度增加(图5B)。草地植被鲜草和干草产量随6月降水量增加，呈递增趋势(图5C，图5D)。

图5 植被指标与6月水热因子的回归分析Fig.5 Regression analysis of vegetation index and temperature and precipitation in June

3 讨论

本研究中，2003—2013年间降水少、较干旱的年份分别为2005，2007，2009，2011年，这与道日娜等[21]、康振山等[22]对内蒙古草原干旱研究结果吻合；年均温和年降水量总体呈下降趋势，这与韩芳等[23]、陈辰等[24]人的研究结果相似，气候整体呈现出“冷干化”的趋势。

苏尼特右旗荒漠草原年最大植被高度、覆盖度、草产量均呈上升趋势，这与巴图娜存等[25]、乌日汗等[26]的研究结果一致。内蒙古草原分布广泛，在地理位置、气候条件方面存在较大的空间差异[27]。本研究区的位置靠荒漠草原东部，与锡林郭勒典型草原相邻，相比于中西部荒漠草原核心区，降水量相对较多，适合草地生长[22]。

草原植物的生长动态是其与环境互作的直接反映[28]，随着全球极端气候频发，温度和降水等水热因子在时空上的变化对草原植被的影响进一步凸显，草原植被对气候变化的响应已成为研究热点。研究区草原植被高度、覆盖度、草产量与气温呈负相关关系，与降水量呈正相关关系。这说明植被快速生长期的降雨量对植被生长有重要的促进作用，而植被生长中期气温升高会加速植物的蒸腾作用和地表的蒸散，进而抑制草原植被的生长[29-30]。降水对荒漠草原植被生长的贡献大于气温，这与大部分学者观点一致[31-34]。对于半干旱地区的植被，生长旺盛期时气温已经很高，夏季气温对植被的生长影响较小，荒漠草原降雨量较少，水分条件是植被生长的主要限制因子。植被高度、覆盖度、草产量与6月降水量呈显著的正相关关系(P<0.05)，即存在两个月的时滞，说明在干旱较严重的区域，气候会对植被产生较强的滞后影响，这与Orangeville等[35]、Peng等[36]研究结果一致。

植被变化除受气候因子影响外，还受放牧、开垦等人类活动的影响，准确评估各因素对草原植被的影响，对于了解草地退化的机理和控制退化的草地至关重要[37]。在以后的研究中可以进一步研究人为因素对草原植被变化的影响，并将地表实测法与遥感等3S技术结合，将观测尺度延长，以便于准确高效的测定植被指标，开展荒漠草原监测及相关研究。

4 结论

本文对苏尼特右旗荒漠草原2003—2013年植被动态变化进行了研究，结合该地区10年气候变化数据，分析了全旗草原植被对气候因子中温度和降水的响应，构建了回归模型。结果表明，苏尼特右旗的年均气温和年降水量总体呈下降趋势，气候整体呈现出“冷干化”的趋势。全旗荒漠草原年最大植被高度、覆盖度、草产量均上升，草地植被有改善趋势，且该区域草地植被的高度、覆盖度、鲜草产量、干草产量与降水量呈正相关关系，与气温呈负相关关系，与水热因子存在两个月的时滞。相较于气温，降水对苏尼特右旗荒漠草原影响更大。