内蒙古西部沙区气候变化及其植被响应

王维坤，胡月宏，田松妮，刘东伟，2，3*

（1.内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 010021；2.蒙古高原生态学与资源利用教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010021；3.内蒙古自治区河流与湖泊生态重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010021）

气候变化威胁着全世界多数地区人类社会的福祉[1]，成为人们日益关注的重点问题。全球变暖被越来越多的人认同，气候变化已由科学问题转变为不可忽略的社会问题[2]。IPCC 第五次评估报告指出全球增温趋势明显[3]，发现近百年增温已有0.85 ℃，高于第一次报告中的0.45 ℃。全球发生热浪、极端高温的频率可能会增加[4]。同时，中国近些年来气温增加趋势显著[5]，西部地区变暖程度尤为显著[6]，西北干旱区极端高温也呈增加趋势[7]。有研究表明，过去50 a 内全国降水呈轻微增加趋势[8]，在西北地区降水也呈增加趋势[8]。通过对内蒙古降水类型的分析得出，春季降水在内蒙古东部偏多[9]。

归一化植被指数（NDVI）可以有效反映植被的动态变化[10]。1982—1999 年间全国范围内NDVI有显著的增加趋势[11]，2001—2018 年西北地区植被生长整体向好转，但空间差异明显[11]。新疆NDVI表现出北疆大于南疆、山区大于平原，也体现出空间差异[12]。气候变化对近40 a 植被指数的增加产生了重要的影响[12]。多数研究气候因子对NDVI的影响得出[13-15]，降水与NDVI大部分呈正相关。而对于气温与NDVI相关性的研究中，李芳等[14]认为沙漠植被受到气温升高影响，其生长季NDVI增加，呈现正相关。陈燕丽等[16]则认为在其研究区内，NDVI与气温呈负相关，孟丹等[17]通过研究京津冀地区也得到同样的结果。可见，植被响应在不同区域内存在显著差异。

内蒙古西部沙区是我国的生态环境脆弱区，对气候变化的响应敏感，即便是微弱的气候变化，也可对该区域的生态环境产生影响[17]。本研究利用格点化的中国区域逐日观测资料（CN05.1）和中国1 km植被指数（NDVI）空间分布数据集，通过计算分析气候、植被变化特征以及其相关性，以期揭示内蒙古西部沙区气候植被变化规律及其之间的关系，为内蒙古西部沙区应对气候及其可持续发展政策的制定提供参考。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

内蒙古西部的沙漠和沙地较集中的分布在阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市和鄂尔多斯市四盟市。本研究中的内蒙古西部沙区即以上四盟市的分布范围，总面积约为42×104km2，约占整个内蒙古自治区的1/3（图1）。内蒙古西部沙区气候干旱，属于典型的大陆性气候，四季气候特征明显，昼夜温差大。年均气温5.8～7.9 ℃，年均降水量170.3～280.3 mm。

1.2 数据来源

气象数据主要利用格点化的中国区域逐日观测资料（CN05.1）以及位于研究区内23 个气象站点观测数据。CN05.1 是由吴佳等[18]使用国家气象信息中心2 400 余个国家级台站，通过插值建立的一套分辨率为0.25°×0.25°的逐日观测数据，时间序列为1961—2018 年，数据来源于中国气象数据共享网。内蒙古西部沙区气象站点偏少，利用CN05.1 格点化观测数据可以较好体现研究区的气候变化特征，且数据集已应用于水文气象模拟中[19]。研究选取时间序列为1969—2018 年，主要包括月平均气温和月降水量，研究区气象站点分布见图1。NDVI数据利用年度以及生长季中国1 km 植被指数（NDVI）空间分布数据集，数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所[20]，时间序列为1998—2018 年。

图1 内蒙古西部沙区及气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 一元线性拟合法xi代表气象要素，本研究中为气温和降水量。ti为时间，构建xi和ti之间的一元线性回归方程。

式中，b为常数，a为回归系数。通常以回归系数的10 倍作为气候倾向率[21]。

1.3.2 Mann-Kendall 突变检验

Mann-Kendall 突变检验作为一种非参数检验，其检验结果与过程不会受到个别异常值的干扰。MK突变检验被广泛用于降水、温度、蒸发等气象因素的长时间序列[22]。通常利用以下公式计算统计量Z值：

其中，

式中，xj和xi为时间序列数据，n为数据个数。当Z的绝对值＞1.65 时，表示趋势通过了90%的置信水平检验，即变化趋势显著。

1.3.3 Theil-Sen 线性趋势

利用Sen 趋势分析研究区气候因子空间变化规律。这种方法对离散数据以及测量误差不敏感，常被用于长时间序列数据的趋势分析[23]。

式中，xj和xi为气候因素，j和i为时间，当β＞0 时，则表示气候因素呈增长趋势；当β＜0 表示气候因素呈减少趋势。

1.3.4 偏相关分析

偏相关分析公式如下：

式中，rab,c为控制变量c，a与b的偏相关系数，rab、rac、rbc为两因子之间的相关系数，a为NDVI值，b、c为气候因素。

2 结果与分析

2.1 年际气候时空变化特征

1969—2018年内蒙古西部沙区的年均气温降水趋势及突变检验见图2。内蒙古西部沙区年均气温呈现出显著增温趋势（p＜0.05）（图2a）。内蒙古西部沙区年均气温为7.5 ℃，年均气温线性倾向率为0.447 ℃·（10 a）-1。内蒙古西部沙区平均气温整体波动不大，在1987、1998 年出现较为明显的波峰，在1983、2012 年出现波谷。1998—2018 年平均气温为8.2 ℃，这21 a 平均气温高于50 a 平均气温。在1998 年温度达到最高，为8.9 ℃，21 a 间最低温度为7.3 ℃，出现在2012 年。内蒙古西部沙区年降水量总体呈上升趋势（p=0.292）（图2b）。50 a 内年均降水为234 mm，降水倾向率为4.533 mm·（10 a）-1。其中，1998—2018 年降水量在2012 年最多，为333 mm，在2005 年最少，为158 mm。21 a 平均降水239 mm，降水量波动多幅度小。

图2c 为气温MK 突变检验曲线，在显著水平0.05 下，Ua=±1.96。在UF曲线中，1973 年以后该地区平均气温有增加趋势，在1989 年左右这种趋势超过了显著性水平，即在1998—2018 年内蒙古西部沙区气温上升十分显著。UF和UB在1990 年左右有一个位于置信区间外交点，说明内蒙古西部沙区的气温发生显著突变。由图2d 可知，UF曲线在1971—1976 年为负，即降水在此时段有减少趋势。而在1971 年之前以及1976 年之后UF曲线均为正值，尤其在1998 年之后UF曲线均为正，降水在这个时间段是增加的。但UF曲线在研究时段均＜0.05显著性水平，变化不显著。UF和UB曲线约有3 个交点位于置信区间内，分别在1976、1979、2017 年左右，即发生突变，但由于交点未超过显著水平，故突变不显著。

图2 1969—2018 年内蒙古西部沙区年均气温（a）、降水（b）趋势及气温（c）、降水（d）突变检验

为了更加直观研究气候因子空间变化特征，对气温降水进行逐像元分析，空间分布见图3。内蒙古西部沙区四个盟市年际气温均有增加趋势，空间异质性明显（图3a）。其中，巴彦淖尔市气温倾向率＞0.547 ℃·（10 a）-1，是四个盟市中气温增长最快的一个。鄂尔多斯北部、乌海及阿拉善东南部气温倾向率＞0.524 ℃·（10 a）-1。阿拉善中部及鄂尔多斯部分在0.476～0.503 ℃·（10 a）-1。鄂尔多斯东南部和阿拉善小部分区域气温增长率最低，为0.423 ℃·（10 a）-1。

由图3b 可知，研究区内降水空间异质性明显。50 a 来降水量大部分呈增长趋势，仅在巴彦淖尔市中部、鄂尔多斯西北部分以及阿拉善小部分地区呈下降趋势，倾向率最低为-1.278 mm·（10 a）-1。在阿拉善大部分地区、巴彦淖尔部分降水倾向率在0.690～2.531 mm·（10 a）-1，属于降水增加不明显地区。而在鄂尔多斯东南部以及阿拉善中南部降水倾向率＞2.531 mm·（10 a）-1，最高可达6.201 mm·（10 a）-1，是研究区内降水增加最为明显的区域。

图3 1969—2018 年内蒙古西部沙区年际气温（a）、降水（b）倾向率空间分布

2.2 年际NDVI 时空变化特征

1998—2018年研究区年际NDVI变化趋势、空间分布及突变检验见图4。研究区21 aNDVI总体呈显著增加趋势（p＜0.05）（图4a）。NDVI在2012 年达到最大值，为0.211，在2001 年最小，为0.146，平均值为0.169，其变化率为0.01·（10 a）-1。对1998—2018 年内蒙古西部沙区NDVI数据进行逐像元分析，由图4b 可知研究区内NDVI大部分呈减少趋势，NDVI变化率为正的像元占总体的37.29%，主要分布在研究区东南部即鄂尔多斯、巴彦淖尔东南以及阿拉善部分区域。NDVI变化率为负的像元占总面积的51.49%，分布在阿拉善大部分地区以及巴彦淖尔西北部。

对已得出的NDVI线性趋势图进行MK 检验，得出图4c。NDVI在研究区西部大致呈现显著减少，显著减少占比28.81%。中部变化不显著，其占比48.38%，其中增加不显著占20.94%，减少不显著占27.44%。研究区NDVI显著增加占比为22.81%，分布在研究区东部，尤其在东南部显著增加，以及阿拉善中部、东南部NDVI存在部分显著增加。综上可得，NDVI变化规律由西到东大致为显著减少到不显著变化再到显著增加，这与降水变化空间分布一致。

图4 1998—2018 年内蒙古西部沙区年际NDVI 变化趋势（a）、空间分布（b）及突变检验（c）

2.3 生长季气候变化与NDVI 相关性

生长季数据选取3—11 月（春、夏、秋三季），1998—2018 年内蒙古西部沙区生长季平均NDVI与气温降水趋势见图5a 和5b。21 a 生长季NDVI平均上升趋势显著（p＜0.05），增长率为0.03·（10 a）-1，在2018 年NDVI值达到最高，为0.299，1999 年最低，为0.195，平均值为0.233。生长季降水呈增加趋势（p=0.183），降水倾向率为19.702 mm·（10 a）-1，在2012 年降水量最多，为296 mm，2005 年最少，为146 mm。生长季气温呈增加趋势（p=0.169），气温倾向率为0.193 ℃·（10 a）-1，在2018 年气温最高达14.4 ℃，在2003 年气温最低为13.1 ℃。

图5 1998—2018 年内蒙古西部沙区生长季NDVI 与降水气温趋势及相关性（a、c 为降水，b、d 为气温）

对NDVI分别与气温、降水进行一元线性拟合，得出图5c、5d。NDVI随着降水的增加而显著增加（p＜0.05），随着气温增加而增加（p=0.091）。生长季NDVI与降水的相关系数为0.598，相关性显著，与气温的相关系数为0.379。在研究区内NDVI与降水的相关系数大于与气温的相关系数，即生长季降水对NDVI的影响大于气温对NDVI的影响。

对研究区1998—2018 年生长季的NDVI与气温降水进行逐像元分析，进一步对相关性进行显著性检验。NDVI与降水的偏相关系数分布在-0.780～0.813，平均值为0.056（图6a）。其中正相关分布区域占总面积的55.35%，负相关分布区域占44.96%。降水与NDVI显著偏相关（p＜0.05）占总面积的50.62%（图6c）。其中通过显著性检验（p＜0.05）的正相关占比27.78%，主要分布在鄂尔多斯、巴彦淖尔大部分以及阿拉善东部，通过显著性检验（p＜0.05）的负相关占比22.84%，分布在阿拉善的西部。由图6b 可知，NDVI与气温的偏相关系数为-0.602～0.536，平均值为-0.081。其中正相关分布区域占比33.33%，负相关区域占比66.67%。由图6d 可知，气温与NDVI偏相关通过显著性检验（p＜0.05）占总面积比重为4.48%。其中正相关占比仅为1.39%，散落分布在阿拉善东南部、巴彦淖尔中部以及鄂尔多斯中南部。负相关占比3.09%，集中分布在阿拉善中部及周边地区，巴彦淖尔也有少量分布。

图6 1998—2018 年内蒙古西部沙区生长季NDVI与气候因子偏相关及显著性检验（a、c 为降水，b、d 为气温）

3 结论与讨论

3.1 讨论

内蒙古西部沙区气候呈现暖湿型，与陈阳等[24]得出暖干、暖湿型关系在内蒙古西部出现一致。气温在1990 年左右发生一次显著突变，与周莹等[25]得出的内蒙古气温在1981—1993 年发生突变一致。气候变暖会导致干旱问题凸显，干旱是全球关注的一个严重生态问题，它会对作物产生不良影响[26]，气候变暖还会对植物多样性造成影响[27]。人类活动通过改变大气和地表特性破坏地球能量平衡，是导致气候重大变化的原因之一[28]。同时，气溶胶通过吸收太阳辐射而加热大气，增加云滴蒸发，成为气候变暖的重要因子之一[29]。在沙漠环境中气候变化会影响生态环境和人类健康，有研究通过分析沙漠生态系统，建立DECON 解决了过去观测技术过时以及观测数据不足的问题[30]。及时分析气候变化特征，可以为气候变化敏感区提供应对策略。为更好了解沙漠气象，研究沙漠环境中沙尘暴颗粒大小及沉积物通量的垂直分布特征具有十分重要意义[30]。本文对研究区50 a气候因子变化特征做出详细分析，但其变化的原因及影响还需进一步探索。

内蒙古西部沙区年际NDVI呈现显著增加趋势与郭金停等[30]对2000—2015 年内蒙古NDVI变化研究结论一致。年际变化主要在鄂尔多斯、巴彦淖尔东南部分以及阿拉善局部呈现增长趋势，其中鄂尔多斯NDVI呈增长趋势与郭金停[30]、李晓光等[31]研究结论一致，这些区域NDVI的改善与降水倾向率增加的区域基本一致。NDVI的增加除了得益于降水的增加，还有诸多人为因素，比如鄂尔多斯加强生态建设，大量的植树造林，使得NDVI呈现显著增加趋势。也有学者通过研究豫西山脉发现NDVI会受到坡度的影响且与坡向无关[29]。探索NDVI变化趋势，对减少研究区内生态系统脆弱性具有重要意义，进一步可制定响应对策来减少荒漠化的增加。

内蒙古西部沙区生长季气温、降水与NDVI都呈正相关，且降水对NDVI的影响大于气温对NDVI的影响。NDVI增长主要受到降水的影响，而分布在阿拉善西部NDVI减少的原因可能是人类活动。有研究得出[32]，人类活动对咸海盆地多年生长季的NDVI变化影响显著。马格[33]通过研究鄂尔多斯市NDVI变化的影响因子，得出2000 年初NDVI受到自然因素的影响大于人为因素，而到了2005 年人为因素的影响则大于自然因素。这说明，对NDVI影响的研究除了需通过对气候因子分析，还应分析人为因素。研究区内开展人工植树造林等一些生态保护工作，植被状况得到改善。说明内蒙古西部沙区植被变化除了一定程度上受到气候变化的影响，人类活动也对NDVI的变化起着不可忽略的作用。本研究仅在气候因素方面探究了其对NDVI的偏相关性，没有考虑人为因素，人类活动对NDVI的影响还需进一步研究探索。

3.2 结论

利用内蒙古西部沙区1969—2018 年格点化的中国区域逐日观测资料（CN05.1）以及23 个气象站的气温降水数据，得出50 a 平均气温降水时空变化特征。利用年际中国1 km 植被指数（NDVI）空间分布数据集得出21 aNDVI时空变化特征。最后利用格点化的中国区域逐日观测资料（CN05.1）和生长季中国1 km 植被指数（NDVI）空间分布数据集计算偏相关系数，得出气候因子对NDVI的影响。

（1）内蒙古西部沙区50 a 年际平均气温以0.447 ℃·（10 a）-1的倾向率显著增加（p＜0.05），1990年左右发生一次显著突变，增温在1989 年之后变得十分显著。年际平均降水以4.533 mm·（10 a）-1的倾向率增加（p=0.292），发生三次突变，分别在1976、1979、2017 年左右。气温、降水变化空间异质性明显，整个研究区内气温均呈增长趋势，其中巴彦淖尔、阿拉善东南部增长速率最高，降水量大部分呈增长趋势。因此，在时空分布上向暖湿型变化。

（2）内蒙古西部沙区21 aNDVI以0.01·（10 a）-1的速率显著增加（p＜0.05）。巴彦淖尔南部、鄂尔多斯以及阿拉善东南部NDVI增加最为显著。NDVI变化由西部到东部大致呈“显著减少—不显著变化显著增加”的分布趋势，与降水一致。NDVI在时间分布上显著向好发展，空间分布上东南部显著向好发展，NDVI总体向好发展。

（3）内蒙古西部沙区21 a 生长季NDVI以0.03（10 a）-1的速率显著增加（p＜0.05）。NDVI与降水的偏相关系数（0.598）大于与气温的偏相关系数（0.379）。空间分布上，NDVI与降水显著正相关（p＜0.05）占比27.78%，大于负相关占比22.84%。其中，正相关主要分布在鄂尔多斯、巴彦淖尔大部分以及阿拉善东部，说明这些区域NDVI增长主要受到降水增加的影响。NDVI与气温的显著偏相关（p＜0.05）占比不到5%，气温对NDVI影响不大。降水在时空分布上对NDVI的影响大于气温对NDVI的影响。