西鄂尔多斯地区植被NDVI 时空变化及其对气温和降水的响应

刘雅洁，郭金停，2，王铁娟，2

（1.内蒙古师范大学 生命科学与技术学院，内蒙古 呼和浩特 010022；

2.内蒙古自治区高等学校蒙古高原生物多样性保护与可持续利用重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022）

近年来，全球环境正以气候变暖为标志发生着巨大变化［1］，伴随人类活动的干扰，该地区植被生长也受到影响。因此，探究植被覆盖度对于气候变化的响应对研究全球气候变化规律具有重要意义［2］。归一化植被指数（NDVI）是检测植被生长与植被覆盖度的一个标准，在监测全球或区域植被变化以及生态环境变化中是最有效的指标［3］。以往的研究表明，在全球尺度上，降水与气温是 影响植被覆盖度的主要因子［4］。有学者对全国范围内植被NDVI 进行研究，结果表明气温和降水是影响 中国NDVI 变化的主要因素，青藏和云贵高原地区主要受气温影响，降水为主导因素的区域主要分布在西北、东北、华南等地区［5-6］；并且从西北到东南，NDVI 的变化与气候变化（气温、降水）的相关系数逐渐增加［7］。郑艺等［8］对于全球干旱区植被变化的研究结果显示，降水是影响干旱区植被变化的主要因素，主要表现在对干旱和半干旱区植被的影响上。逯金鑫等［9］对于黄土高原植被覆盖时空动态的研究更进一步表明，黄土高原NDVI 变化趋势与降水有较强相关性，甚至降水是决定春季所有植被类型覆盖变化的最直接因素。

西鄂尔多斯地区具有独特的地形地貌和古地理环境，是许多珍稀动植物特别是古老残遗物种的现存“避难所”［10］。该地区现存很多第三纪以来的珍稀物种，对研究植物生物学特征、植物区系地理、生物多样性、地理环境演变等具有重要价值，因此受到国内外众多学者的广泛关注。此外，该地区还是我国生态环境脆弱区［11］，位于中国北方生态环境脆弱带上，即使是很微弱的变化，也可对该地区造成影响，是全球气候变化最敏感的地区之一［12-13］。本研究选取位于西鄂尔多斯的三个地区，利用2000—2020 年的MODIS 数据和气象站点数据，对研究区植被生长季（4—10 月）NDVI 的时空变化特征以及与气候因子（温度，降水）的相关性进行研究，探究主要气候因子的变化趋势及植被覆盖变化的响应，旨在为适时制定和完善濒危物种和生态系统的保护策略提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于106°41′～109°16′E，38°18′～40°52′N，总面积4.16 万km2，包括内蒙古自治区鄂尔多斯市的鄂托克旗（研究区东南部）、杭锦旗（研究区北部）和乌海市（研究区西部）。地处草原与荒漠之间的过渡地带，主要植被类型为荒漠草原和草原化荒漠（北部为库布齐沙漠）（图1）。气候为典型的温带大陆性气候，干燥少雨，大风多沙，季度更替明显，光照资源丰富，年日照时数可达3 200 h，年平均气 温6.4～9.6 ℃，年 降 水 量150～350 mm，年 蒸 发 量 为3 000 mm 左右。

1.2 数据来源与处理

本文采用空间分辨率为250 m 的MODIS NDVI 数据集进行，该数据集来自美国地质调查局（U.S.Geological Survey）MODIS 陆地产品组，并采用最大合成法（MVC）对数据进行处理，最后得到植被指数产品（MOD13Q1）。为避免冬季降雪对归一化植被指数（NDVI）的影响，本文选取西鄂尔多斯地区2000—2020 年生长季（4—10 月）植被NDVI 数据进行分析研究。

气象数据来源于中国气象数据网（http：//date.cma.cn/），获取西鄂尔多斯地区及其附近气象站点的2000—2020 年4—10 月的平均气温和总降水量，将两个参数利用ArcGIS 软件进行空间克里金插值，之后采用重采样方法得到与NDVI 同空间分辨率的数据。

1.3 研究方法

1.3.1 植被NDVI 时空变化特征研究方法 利用2000—2020 年的生长季植被NDVI 数据与植被类型图（图1）结合，来研究NDVI 的分布情况与特征。在整个研究区尺度上，利用普通最小二乘回归分析方法计算NDVI 和气候因子年际变化趋势［14］，回归模型的公式为

图1 西鄂尔多斯植被类型分布示意图Fig.1 Distribution of vegetation types in west Ordos

式（1）-（2）中，y表示NDVI，a代表研究区的年平均NDVI 年际变化趋势，t是时间，b是截距，ε是随机误差。yˉ代表2000—2020 年来NDVI 的平均水平，是时间的平均值。

利用趋势线分析法模拟NDVI 在空间像元尺度上的趋势变化，进一步分析2000—2020 年间研究区植被NDVI 的变化趋势［15］，其计算公式为

其中，Si为空间某像元斜率，即NDVI 的变化趋势，为第i年生长季植被NDVI 的平均值。一般来说，Si＞0，表示上升趋势，反之表示下降。

1.3.2 重心迁移模型 重心最初起源于物理学［16］，后来被众多学者用来计算城市发展、经济变化、土地利用、人类活动强度等方面的重心变化情况［17-20］。本文引入重心迁移模型对2000—2020 年生长季植被NDVI 的重心进行计算［21］，并绘制重心迁移图。其计算公式为

其中，X，Y分别表示植被NDVI 的经纬度坐标，Ni表示为第i年平均NDVI，xi，yi表明第i个平面空间单元的坐标值。

使用重心迁移距离公式计算不同年份植被NDVI 重心距年均（21 a）植被NDVI 重心的迁移距离［22］，公式为

其中，C为常数，值为111.111，xi，yi分别表示第i年植被NDVI 重心的经纬度坐标，xk，yk表示年均植被NDVI 重心的经纬度坐标。

1.3.3 植被与气候的偏相关分析 运用相关系数［23］计算NDVI 与气温和降水将之间的关系，公式为

其中，rxy表示x和y的相关系数，xi和yi表示第i年x和y的值，和表示两个要素样本值的平均值。

2 结果分析

2.1 西鄂尔多斯植被生长季NDVI 空间分布特征

近21 a 西鄂尔多斯地区生长季植被平均NDVI 空间分布如图2 所示。由图2 可知，2000—2020 年 西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI 值整体不高，并呈现从西北到东南逐渐增加。其中NDVI 值在0.1 以下占整个研究区面积的7.88%，主要位于研究区北部杭锦旗境内的库布齐沙漠。NDVI 值大部分在0.1～0.2 之间，占总研究区的59.16%，主要植被类型为荒漠草原和草原化荒漠。NDVI 值在0.2～0.3 之间的区域占整个研究区的30.49%，主要位于研究区的东南部，大部分处于鄂托克旗境内的草原区。NDVI 值大于0.3 的地区零星分布于整个研究区内，仅占2.47%。

2.2 西鄂尔多斯植被生长季NDVI 时空动态变化特征分析

在时间尺度上，2000—2020 年研究区生长季植被NDVI 变化趋势如图3 所示。从图3 可知，植被NDVI 值呈波动性显著上升（P<0.01），从2000 年的0.133，增加到2020 年的0.207，平均每年增长0.003 5，最低值出现在2001 年（0.127），最高值出现在2018 年（0.222），模拟的回归方程呈线性模型，y=0.0033x-6.4289（R2=0.663 7）。

在空间像元尺度上，研究区生长季植被NDVI 的变化（图4）有98.61%（Si>0）的区域呈增加趋势，显著性变化显示（图5），呈现显著增加的区域占整个研究区的80.28%（P<0.05），其中极显著的区域占66.72%（P<0.01），分布在除中部外的大部分地区，其中北部的库布齐沙漠和东南部的荒漠草原均在此范围。NDVI 呈减小趋势的区域占研究区总面积的1.39%（Si<0）（图4），有0.33% 的区域NDVI 显著降低（P<0.05），其中0.19%的区域极显著降低（P<0.01），主要零星分布于研究区西、北部边界（图5）。

图2 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被平均NDVI 空间分布Fig.2 Spatial distribution of average NDVI of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

图3 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被平均NDVI 的年际变化Fig.3 Inter annual variation of mean NDVI of vegetation in west Ordos in the growing season from 2000 to 2020

图4 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI 变化趋势Fig.4 NDVI changing trends of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

2.3 西鄂尔多斯植被生长季NDVI 重心迁移

植被NDVI 重心可以反映植被在空间演变过程中的分布特征及导向性，统计逐年以及21 a 年均NDVI重心（图6），发现研究区植被NDVI 重心主要集中在鄂托克旗。

图5 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI 变化显著性Fig.5 Significance of NDVI variation of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

图6 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI 重心位置及其分布Fig.6 Location of NDVI center of gravity of vegetation and its distribution in the growing season in west Ordos from 2000 to 2020

以21 a 年均植被NDVI 重心为原点，计算逐年植被NDVI 重心到原点的偏移角度（图6）以及距离，第一象限植被NDVI 重心分布相对最多，表明21 a 来植被NDVI 在研究区东北区域增加的数量高于其他区域；第二象限与第三象限植被NDVI 重心分布数量相近，其中西北区域植被NDVI 重心分布较为分散（第二象限），而西南区域各点分布较为集中（第三象限）；若将第一、第二象限的植被NDVI 重心看作一个整体，第三、第四象限看作一个整体，两者相比较则发现北部区域的植被NDVI 的增加数量大于南部（图7）。从图7可知，2004 年、2006 年、2009 年、2020 年与原点距离较近，表明在这4 个年份中植被NDVI 重心各区域变化相差较小；而2000 年、2001 年、2002 年、2014 年这4 a 相较于原点距离较远，表明这几个年份中植被NDVI重心在所处方位增加较为明显。

为更加深入分析植被在空间的分布情况及变化规律，利用重心模型在不同时间尺度下分析西鄂尔多斯地区植被NDVI 重心的迁移轨迹（图8）。在3 a 时间尺度下，2003—2005 年相对于2000—2002 年植被NDVI的重心向东南方向移动且移动距离最大，表明在该段时间内东南方向的植被增量大于西北方向；2006—2008 年植被NDVI 重心相对于2003—2005 年向西北方向移动；与2006—2008 年相比，2009—2011 年植被NDVI 重心向东南方向移动；2012—2014 年与2009—2011 年相比植被NDVI 重心向东北方向移动；2015—2017 年植被NDVI 重心向西北方向移动且移动距离最小；2018—2020 年植被NDVI 重心又向西南方向移动。在5 a 时间尺度下，植被NDVI 重心先向东南方向移动且移动距离较大但偏转角度不大，之后继续向东南方向移动但偏转角度增加，最后向西南方向移动且移动距离最短。总体上看，2000—2020 年研究区植被NDVI 重心无论在3 a 还是5 a 时间尺度上均向东南方向偏移，表明东南方向的植被覆盖增长程度更为明显，主要在鄂托克旗北部。

图7 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI 重心位置及其分布Fig.7 Location of NDVI center of gravity of vegetation and its distribution in the growing season in west Ordos from 2000 to 2020

图8 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI 重心迁移轨迹Fig.8 Trajectory of NDVI center of gravity migration of vegetation in the west Ordos region during the growing season from 2000 to 2020

2.4 植被NDVI 变化的气候因子驱动力分析

2.4.1 时间尺度NDVI 与气温、降水的关系 2000—2020 年研究区生长季的总降水量呈增加趋势（图9），但变化并不显著（P>0.05），最高值为318.71 mm（2018 年），最低值为149.85 mm（2005 年），多年平均降水量为226.06 mm；气温总体变化幅度不大，甚至呈降低趋势，变动范围在16.52～17.77 ℃之间，最高值出现在2005 年，最低值在2020 年，平均温度为17.15 ℃。结合植被NDVI 变化趋势来看（图3），NDVI 与降水量的变化趋势基本一致。对植被NDVI 与气温、降水进行偏相关分析，结果显示（表1），NDVI 的变化与降水呈极显著正相关关系（P<0.01），而与气温无显著相关关系，说明降水是影响研究区植被覆盖度变化的主要因子。

表1 时间尺度上生长季植被NDVI 与气候因子的相关性Tab.1 Correlation between vegetation NDVI in growing season and climate factors on time scales

2.4.2 空间尺度植被NDVI 与气温、降水的关系 在空间尺度上，研究区2000—2020 年间仅有0.05% 地区的NDVI 与气温呈显著正相关（P<0.05），1.04% 地区与气温呈现显著负相关（P<0.05），其中0.06%地区呈极显著负相关（P<0.01），而相关不显著区域占比高达98.92%（图10）。在整个研究区内，植被NDVI 变化与降水因子呈显著正相关的区域占54.51%（P<0.05），其中极显著相关的区域占30.88%（P<0.01），分布在研究区的西南半部，主要是鄂托克旗和乌海市，对降水的响应强烈，随降水的增加，植被NDVI显著增加（图11）。

图9 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季总降水量、生长季平均气温的年际变化Fig.9 Inter -annual variation of total growing season precipitation and average growing season temperature in west Ordos region from 2000 to 2020

图10 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI与温度相关性的空间分布Fig.10 Spatial distribution of correlation between NDVI of vegetation in west Ordos region and temperature during the growing season from 2000 to 2020

图11 2000—2020 年西鄂尔多斯地区生长季植被NDVI与降水相关性的空间分布Fig.11 Spatial distribution of correlation between NDVI of vegetation during the growing season and precipitation in west Ordos region from 2000 to 2020

3 讨论

最早在19 世纪就有学者以气候与植被生长的相关性为根基，提出了气候与植被的关系［24-25］，而在众多气候因子中降水与温度对植被的影响是非常显著的［26-27］。在寒冷的高纬度地带植被主要受温度影响，例如东北地区植被NDVI 与降水和温度都有显著相关关系，并且受到温度的影响一般高于降水［28-30］；在干旱和半干旱地区，植被受降水的影响更为强烈，例如黄晗等［31］对于黄土高原植被覆盖动态变化进行研究，表明降水对于植被NDVI 的影响大于温度的影响［31］，草原区相关的研究也显示相同的结果［12，32］。本研究区处于干旱半干旱地区，以荒漠草原和草原化荒漠植被为主，在临近区域的研究中，额尔敦格日乐等［33］研究了2001—2013 年西鄂尔多斯国家级自然保护区植被覆盖变化，表明降水是植被NDVI 增加的主要影响因子，而温度则呈现显著负相关关系；苗旭等［2］研究了2000—2020 年鄂尔多斯整个地区植被覆盖的变化，在气候因子中，降水起着主要作用。本研究中，2 a 来植被NDVI 与降水呈显著正相关，而与气温呈不显著负相关。不过在不同区域有一定的差异性，研究区的54.51% 的地区与降水呈显著正相关，主要分布在鄂托克旗和乌海市，呈不显著相关区域占比也较大，达45.45%。主要原因是研究区位于草原与荒漠间的过渡地带，处于半干旱与干旱地区，该区域主要以耐旱植物为主，对水分变化更为敏感［34］，由图3 和图9 可知，研究区植被覆盖的变化与降水变化的趋势一致。21 a 间研究区气温略有下降，但整体变化不显著，并且植被覆盖与气温相关不显著区域高达98.92%，因而NDVI 与温度没有显著相关关系。

研究区植被NDVI 值整体不高，主要与植被类型相关，荒漠草原和草原化荒漠占据大部分区域，并且研究区北部还有库布齐沙漠。从时间变化来看，2000—2020 年研究区80.28% 的区域植被NDVI 呈显著上升（P<0.05），其中极显著的区域占66.72%，重心迁移显示研究区东南部增加更为明显，集中在鄂托克旗北部。这与苗旭等［2］对整个鄂尔多斯地区的研究结果重心主要集中在鄂托克旗东北向具有一致性。

植被NDVI 显著增加除了与同期降水的增加有关外，也与近年来研究区推进生态建设，成立生态保护机构，加大植被的保护与恢复力度等相关［35-37］，尤其是杭锦旗，境内分布着库布齐沙漠，21 a 来植被NDVI 呈极显著增加（图5 北部），但与降水和气温均没有显著相关性（图10-11 相对应区域），说明植被覆盖度的增加主要受人类活动的影响，这与库布齐沙漠的治理密不可分。根据杨智博［38］对库布齐沙漠及周边地区的研究，2000—2021 年间，库布齐沙漠沙漠化总面积由15 187.04 km² 缩减到7 226.90 km²，其中林地面积由1 813.15 km2增加到5 342.4 km2，增长了194.65%，耕地和草地面积增加幅度也比较明显，分别增长了54.79% 和26.52%，与本研究结果相印证。研究区东南部NDVI 的变化也与人类活动有着密切的关系，由图5 可以看出部分的NDVI 增加显著，但相应区域与气候因子的相关性不明显（图10-11），该区域位于鄂托克旗东南。在2000 年草地资源普查结果显示，鄂托克旗天然草原退化达到78.9%［39］，之后由于实行退牧还草工程，京津风沙源治理、草原生态保护补助奖励机制等一批国家重点生态建设，植被得以恢复，因而这部分NDVI 的增加受人类活动影响更大。

4 结论

西鄂尔多斯地区植被NDVI 值整体不高，北部库布齐沙漠地区的NDVI 多在0.1 以下；由西北的草原化荒漠到东南的荒漠草原，NDVI 逐渐增加，变化范围在0.1～0.3 之间。

2000—2020 年，西鄂尔多斯地区植被NDVI 呈现波动性上升，80.28% 的区域增加显著，分布在除研究区中部外的大部分地区，尤其是北部的库布齐沙漠及周边地区、东南部的荒漠草原地区。无论在3 a 还是5 a 时间尺度上，植被NDVI 重心均向东南方向偏移，表明该区域植被覆盖增加更为明显。

近21 a 来西鄂尔多斯地区植被NDVI 变化受降水影响极为显著，偏相关系数为0.623（P<0.01），受气温变化的影响不明显（r＝-0.185，P>0.05），表明降水是影响研究区植被覆盖变化的主要气候因子。空间像元尺度上进一步反映出NDVI 与降水呈显著正相关的区域占54.51%，主要在研究区的西南半部的乌海市与鄂托克旗，而仅有0.05% 的区域与气温呈现显著正相关（P<0.05）。