内蒙古植被稳定性及其影响因素分析

特力格尔，那仁满都拉，郭恩亮，阿如娜，康 尧，娜仁夫

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院，呼和浩特 010022； 2.内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室，呼和浩特 010022； 3.包头市蒙古族中学，内蒙古 包头 014000)

1 研究背景

植被作为生态系统的重要组成部分，强烈影响着大气与土壤之间的能量传递[1]，植被覆盖度是衡量生态环境权重的重要指标，对气候非常敏感，是气候变化的重要指示器[2]。植被时空变化是气候变化、土地利用及人为活动等共同影响的结果[3]。植被类型决定陆地生态系统，具有明显的年际变化特点，从而促使陆地生态系统时空尺度上发生变化，而气候变化作为陆地生态系统的主要驱动因子，决定地表植被的生存和分布的特点[4]。

内蒙古自治区(简称“内蒙古”)位于我国北方， 地处典型温带干旱、 半干旱地区， 植被类型主要以草原和森林为主， 生态系统极其脆弱， 对气候变化较敏感[5-6]， 一旦遭到破坏难以恢复[7-8]。 近年来， 全球气候变化、 超载过牧、 资源开采等不合理利用等影响因素导致生态环境退化严重， 严重威胁国家生态安全[9]。 内蒙古地区生态环境的退化随着退耕(牧)还林(草)及其他政策的实施， 生态系统明显好转[10-12]。 因此， 一方面评估植被恢复效果及未来发展方向显得十分重要； 另一方面， 研究内蒙古地区植被稳定性， 为内蒙古未来植被建设以及科学利用土地资源具有重要意义。

遥感影像覆盖面积广，能快速循环获取地表信息，已被广泛应用于区域尺度植被覆盖变化的动态监测研究[13]，成为研究植被时空变化的重要手段。其中归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)遥感影像被广泛地用于植被覆盖时空分布及驱动因素研究中[14-15]。王小霞等[16]结合气象数据和2000—2017年MODIS NDVI数据，发现干旱指数(Palmer drought severity index，PDSI)是驱动东北森林NDVI变化的主要因素。Sha等[8]采用累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法，识别内蒙古植被枯黄期及其时空变化特征，并分析不同植被类型枯黄期对气候因子和NDVI的响应特征。尽管前人做了大量关于植被NDVI与气候变化关系的研究，但目前对内蒙古地区植被稳定性及其影响因素的研究较少。

因此，本文基于2000—2019年的MOD13A2 NDVI数据集、气象数据和植被类型数据，通过自回归模型、趋势分析与地理空间分析法，以对气候因素敏感的草原与森林区为例研究植被覆盖变化、不同类型植被的稳定性与影响因素，以期为内蒙古地区生态文明建设提供理论与实证依据。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

内蒙古(37°24′N—53°23′N，97°12′E—126°04′E)，地处中国干旱半干旱区，面积约118.3万km2，是中国第三大省区[17]。属温带大陆性季风气候，降水主要集中在6—8月份，年降水量为50～450 mm，从西南部戈壁荒漠区的<100 mm逐渐增加到东北森林区的>400 mm，温度的空间分布特征与降水相反[18]。按照降雨量和温度的梯度变化，植被类型沿东北—西南一线依次为森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原与戈壁荒漠[19]。土地利用以草地、耕地以及林地为主，是中国重要的畜牧业区。

2.2 数据来源与预处理

2.2.1 内蒙古植被类型数据

内蒙古地区植被类型数据来自数字化的1∶100万的内蒙古植被分类图。对矢量格式的植被数据进行合并分类等预处理，得到空间分辨率与温度和降水数据相匹配的植被数据,并将内蒙古分为9种土地类型区，分别为森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原、农业植被、灌丛、沙地植被、戈壁荒漠及水域，如图1所示。

图1 内蒙古土地类型分布Fig.1 Land cover types in Inner Mongolia

2.2.2 气象数据

本文气象数据从中国气象科学数据共享网(http:∥cdc.cma.gov.cn/)得到2000年1月—2019年12月的气温和降水数据，包括内蒙古45个气象站点的数据。

2.2.3 NDVI数据集

本文使用的NDVI数据为Terra卫星的MOD13A2产品(来源于https:∥ladsweb.Modaps.eosdis.nasa.gov/search/)，时间和空间分辨率分别为16 d和1 km。且采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)，获得逐月和逐年的NDVI数据。

2.3 研究方法

2.3.1 Mann-Kendall趋势检验法

通过Sen’s趋势分析和Mann-Kendall(简写M-K)检验，分析了内蒙古地区不同土地类型的平均NDVI变化和逐像元的年际NDVI变化。M-K趋势检验法是一种非参数趋势检验法,适用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法定义了正态分布统计量S为：

(1)

(2)

式中：xj、xi分别为j、i年的相应测量值；n为时间序列长度，对于所有的i

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18 ,

(3)

(4)

式中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，计算公式为

(5)

若斜率>0，表示呈上升趋势；若斜率<0，表示呈下降趋势。

2.3.2 自回归模型

自回归模型是参照De Keersmaecker等[20](2015年)的方法建立的，本文利用降水量代替了标准的降水-蒸散指数，其表达式为

NDVIt=α·NDVIt-1+β·PREt+γ·TAt+εt。(6)

式中：t表示年份；PREt表示降水的稳定性；TAt表示气温的稳定性；α、β、γ均为生态系统稳定性指数，其字符解释见表1；εt表示残差。α表示生态系统具有恢复能力，当α较大时，当前的NDVI与之前的NDVI存在较强的相关性、生态系统的恢复能力较低时，表示植被恢复慢。而β、γ分别表示NDVI对降水和气温变化的抗性，植被对环境变量变化的响应敏感，植被的抗性越小。

表1 自回归模型中系数的解释

将包含3个预测变量的自回归模型应用于内蒙古地区的所有像素点，滤除系数不显著的预测变量(p>0.05，p值是当原假设为真时，更极端的样本观察结果出现的概率)，仅使用保留变量重新拟合自回归模型。并应用偏相关分析法来确定影响植被生长的主要因素。在比较不同植被覆盖的植被稳定性时，本文首先进行方差分析，然后采用“post hoc”检验。

3 结果与分析

3.1 内蒙古地区NDVI时空变化特征

3.1.1 内蒙古地区NDVI时间变化

由统计结果可知，各植被类型NDVI值均呈显著上升趋势，其中森林、草甸草原呈极显著(p<0.01)上升，荒漠草原呈显著上升，典型草原为不显著上升，变化情况如表2与图2所示。

表2 2000—2019年NDVI年际变化Table 2 Interannual variation of NDVI from2000 to 2019

图2 不同植被类型NDVI变化Fig.2 NDVI changes of different vegetation types

根据式M-K趋势检验计算的NDVI变化通过显著性检验的Sen’s斜率表明：斜率从小到大为荒漠草原、森林植被和草甸草原，斜率为正，表明植被覆盖是改善的趋势，草甸草原的改善较快。

3.1.2 内蒙古地区NDVI空间变化

利用最大值合成法得到的内蒙古地区逐年NDVI图像(2000—2019年)，计算整个内蒙古地区NDVI平均值(见图3(a)),结果表明2000—2019年内蒙古年均NDVI值从0.086增加至0.836。位于东北地区的森林植被和草甸草原的多年平均NDVI较大，植被覆盖度较高；西部戈壁荒漠和荒漠草原区的多年平均NDVI值较低，植被覆盖度较低。该分布规律与穆少杰等[21]的内蒙古植被覆盖度在空间上呈现东高西低的分布规律一致。

利用ArcGIS的重分类工具对M-K检验结果进行重分类，后进行栅格计算得到研究区NDVI变化的趋势与空间分布,如图3(b)、图3(c)所示。由图3(b)、图3(c)可知，2000—2019年间，内蒙古地区NDVI增大面积占总面积的65.9%，NDVI稳定的面积占29.6%，NDVI减少的面积占4.5%，NDVI整体上呈增加的趋势。其中显著增大的区域位于东部森林区与中西部较干旱地区，中部地区的NDVI变化在空间上呈现稳定或不显著增大，西部的戈壁荒漠区呈现稳定状态。

图3 2000—2019年内蒙古地区多年平均NDVI分布及其空间变化与趋势Fig.3 Distribution of annual average NDVI,spatialchange and trend in Inner Mongolia from 2000 to 2019

从表3可知，内蒙古地区NDVI空间变化均值为0.003 2、森林0.002、草甸草原0.002 6，典型草原0.003 3，植被覆盖总体上表现出改善的趋势。趋势斜率最大为典型草原0.127 5，最小为草甸草原-0.049 0，即植被改善最明显的区域位于典型草原，退化最严重区域位于草甸草原。从不同植被类型NDVI空间变化面积可知，内蒙古地区在2000—2019年间，显著增大的面积占总面积的34.46%，不显著增大的面积占31.44%，稳定面积占29.60%，不显著减少面积与显著减少面积分别占4.06%与0.44%。即NDVI显著增大的面积较大，显著减少的面积较小，近20 a内蒙古NDVI呈大面积增大的趋势。其中森林、草甸草原与荒漠草原区显著增大的面积占比最大，典型草原不显著增大的面积占比最大。

表3 2000—2019年NDVI空间变化趋势统计Table 3 Statistics of NDVI spatial change trend from 2000 to 2019

3.2 植被稳定性

本文植被的稳定性包括植被弹性与抗性。 统计历年数据可知， 2000—2019年森林区的平均降水量为301 mm， 平均气温为4 ℃； 草甸草原的平均降水量为395 mm， 平均气温为1 ℃； 典型草原平均可降水量为295 mm， 平均气温为3 ℃； 荒漠草原平均降水量为221 mm， 平均气温为7 ℃。 基于气温、 降水的多年平均值分析可知草甸草原多年平均降水量最多、 平均气温较低， 荒漠草原与此相反(图4)。

图4 不同植被类型2000—2019年平均气温和平均降水Fig.4 Average temperature and average precipitationof different vegetation types from 2000 to 2019

基于自回归模型分析的植被的弹性和抗性结果(图5(a))可知，植被的弹性指标α在东北森林区(0.50±0.1)和草甸草原区(0.48±0.1)较小、植被弹性较大；西部荒漠草原α较大(0.73±0.1)，植被弹性较小，这意味着植被从先前的干扰中缓慢恢复，而中部典型草原(0.56±0.1)表现出中度弹性。此外，大约30%和35%的植被像素对降水和气温抗性显著(图5(b)和图5(c))，尤其位于西部荒漠草原区(图5(b))β值较小，对降水抗性较大。在所有植被类型中，戈壁荒漠的β值最低(0.002 3±0.000 2)，对降水变化的抗性最大，其次是荒漠草原(0.005 4±0.000 2)，典型草原的β值最高(0.001 4±0.000 2)，对降水变化的抗性最小，容易受降水的影响。东部森林和草甸草原区(图5(c))γ值较大，对气温变化抗性较小，荒漠草原和戈壁荒漠区γ值小，对气温变化的抗性较大。

图5 不同类型植被稳定性指标分布Fig.5 Distribution of stability index of different types of vegetation

3.3 植被稳定性影响因素分析

通过回归分析2000—2019年平均NDVI、降水与气温对应的植被弹性关系，确定不同类型植被弹性和植被抗性的影响因素(图6)。结果表示:α与多年平均NDVI呈显著负相关关系，随着多年平均NDVI的增加呈对数递减(R2=0.72)，植被稀疏区α较高；α随年平均降水增加呈对数递减(R2=0.60)、随平均气温增加呈线性递增(R2=0.51)，与降水显著负相关、与气温呈显著正相关。具体来说，森林区植被弹性指数与多年平均NDVI、年平均降水的一元回归趋势线的拟合度较差，与年平均气温拟合度较高；草甸草原植被弹性指数与多年平均NDVI、年平均气温与降水的一元回归趋势线的拟合度较好；典型草原植被弹性指数与年平均降水的拟合度高，而荒漠草原植被弹性指数与多年平均NDVI的拟合度较高，验证了弹性低，依赖性较大的地区一般位于半干旱地区[20]。

图6 植被稳定性影响因素的弹性指标对比Fig.6 Comparison of elastic indexes of influencingfactors of vegetation stability

综上所述，内蒙古地区不同植被类型的植被弹性随气候因素变化而变化，且与降水量的拟合度较高，受降水影响较大，因此降水是内蒙古地区植被生长的限制因素，这与中国北方的植被生产力主要受降水的限制结果一致[22]。

4 讨 论

内蒙古自治区位于我国北方，草原植被类型丰富，是北方生态安全的屏障。从本文NDVI时空变化研究可知，2000—2019年近20 a内蒙古地区大面积NDVI呈增加趋势，其中森林、草甸草原与荒漠草原区显著增大的面积占比最大，典型草原不显著增大的面积占比最大。随着全气候变化对生态系统的稳定产生重要的影响，而气温、降水等因素的变化对生态系统球的影响是不可控的[23-24]。

基于本文植被稳定性影响因素分析可知，植被弹性值α与降水呈显著负相关，表示降水多的地区，植被稳定性较高，降水少的地区植被稳定性较低，整体植被稳定性对降水的依赖性较强；α与温度呈显著正相关，年平均温度较高的植被类型地区的α值较高，植被稳定性较低，对气温变化较为敏感。典型草原对应的β较其他植被类型高，对降水的抗性较低。研究区森林植被区多年平均降水量多、气温较低，森林植被γ较其他植被类型大，对气候依赖性较强。以上的研究结果通过对气温、降水抗性指标，补充说明了前人提出的干旱缺水对植物生长有着重要的影响，气候变暖背景下，气温升高可增加地表蒸发散，由此带来的干旱频率增加可能会成为影响植被活动的观点[14, 16,25]，但是对于植被稳定性的人为影响机制未能系统性的分析。

已有研究指出除了气候因素外的影响内蒙古生态环境的人类活动主要有人工造林、农田扩张、过度放牧等[14]。内蒙古在20世纪80年代初实行“私有私养”，草场使用权长期归国家和集体，造成短期内牲畜数量迅速增加，引发“公地悲剧”[26]。地方政府开始通过“双权一制”将草地使用权转让给家庭，私人草地面积内家庭可以放牧的最大牲畜数量随着草场利用方式发生改变[27-29]，放牧方式的转变带来了牧民超载放牧、草原生态环境持续恶化、植被稳定性降低等诸多弊端[30-31]。

综上所述，基于本文未对植被稳定性进行气候和人为因素结合分析的不足，将会在之后的研究当中对内蒙古地区植被稳定性的人为因素影响进行定量分析，并与气候因素的影响进行耦合，为内蒙古地区生态可持续发展与相关政策的实施提供实证和理论依据。

5 结 论

本研究基于内蒙古植被类型与NDVI数据，分析内蒙古不同植被类型植被弹性与抗性的空间分布及其影响因素。结果表明：

(1)内蒙古地区各植被类型在2000—2019年间的NDVI值均呈上升趋势，NDVI增大的面积所占比例在60%以上，其次是NDVI稳定的面积约占30%，而减小的面积占比不到10%。其中森林、草甸草原与荒漠草原的大部分区域的NDVI显著增大，而典型草原大部分区域的NDVI增大不显著。

(2)内蒙古地区森林、草甸草原区弹性指标(α=0.5)与中部典型草原区弹性指标(α=0.56)较西部荒漠草原为主的植被类型区的弹性指标(α=0.7)小，其植被从先前的干扰中恢复快，依赖性较低，稳定性较好。荒漠草原的抗性指标(β=0.000 5、γ=0.002)值最小，对降水和气温抗性大，稳定性较强；典型草原抗性指标β值最高(0.001 4)，对降水的抗性较小；森林植被抗性指标γ值最大(0.024)，对气温抗性较小。

(3)荒漠草原植被弹性指数与多年平均NDVI的拟合度较高，表明植被弹性低，依赖性较大的地区一般位于半干旱地区。影响因素分析结果显示，内蒙古地区植被弹性指数与年均降水表现出较高的拟合度，表明植被稳定性受降水影响较大，降水是内蒙古地区植被生长的限制因素。