1990—2010年间我国北方农牧交错带植被覆盖度变化归因

代希波,高守杰,郭光毅,李朋泽,王新生

(湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062)

1990—2010年间我国北方农牧交错带植被覆盖度变化归因

代希波,高守杰,郭光毅,李朋泽,王新生

(湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062)

以我国北方传统农牧交错带为研究区,以植被归一化指数(NDVI)表征地表植被覆盖度,对土地利用数据和降水量、气温等气象数据两大类影响因子进行相关性分析.研究发现:1990—2010年该地区主要土地利用类型发生了显著的相互转化,但占优势的仍是草地、耕地和林地,土地利用和景观结构未发生重大变化.研究期间,北方农牧交错带耕地、林地和未利用土地植被覆盖度均有所增加,草地植被覆盖度有所减少.植被覆盖度与年均降水量呈极显著相关性,1990—2010年农牧交错带降水呈减少趋势,植被覆盖度上升趋势明显.植被覆盖度与同期年均气温数据也呈现一定的正相关性,1990—2010年农牧交错带气温变化属于升温趋势,植被覆盖度上升趋势明显.研究表明北方农牧交错带植被覆盖度变化是在全球气候变化和人类活动的双重影响下发生的,土地利用变化和降水、气温气象数据两种因素对植被覆盖度的影响具有明显的地域性特征,土地利用变化因子的影响由于受政策和人类活动的参与而正逐渐占据着主导地位,而气候条件中,气温升高对植被覆盖度具有一定的正相关性,降水量因子在径流量充沛地区影响作用较弱,但在水源缺乏,人类活动干预较少农牧交错带西北地区仍然有着重要的影响作用.

农牧交错带;植被覆盖度;土地利用变化(LUCC);气候倾向率

0 引言

农牧交错带是空间上种植业与草地畜牧业交错并存、时间上两者又相互重叠的农牧生态过渡区域[1].1953年,赵松乔最早提出我国北方农牧交错带,将400 mm年降水量等值线作为划定农区和牧区的分界线,并认为在农区和牧区之间存在着一条沿东北西南向分布的农牧交错带[2].我国北方农牧交错区域属于典型的农牧交错带,位于干旱半干旱地区,在农业和牧业两个区域生态系统相互作用过程中有“缓冲作用”,是生态环境的一条过渡带和生态安全的重要屏障带[3-5].北方农牧交错带同时也是对全球变化反应敏感的生态过渡带.植被覆盖度指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比,是衡量地表植被数量的重要指标.农牧交错带内植被覆盖度及景观结构在时间和空间上变化较快,对于区域内土地利用和气候变化均有着重要的影响[6].

本文中以土地利用和气候变化为背景,根据北方农牧交错带的NDVI指数、土地利用和气象数据资料,分析1990—2010年该地区地表植被覆盖度变化情况,研究气象要素、土地利用要素对地表植被覆盖度变化所起的作用,在不同的时空尺度上揭示影响北方农牧交错带植被覆盖度变化的主导因子.研究有助于深入理解土地利用和气候变化对北方农牧交错带景观结构和植被覆盖的影响,植被覆盖变化是生态环境变化的直接结果,获取地表植被覆盖及其变化信息对于揭示全球变化影响下的区域生态系统响应特征、探讨响应的驱动因子及评价区域生态环境质量具有重要意义[7].

1 研究区、数据资料与方法

1.1研究区概况近年来,对我国北方传统农牧交错带一直没有统一的边界划定,本文中基于参考文献[8-10]研究的农牧交错带作为标准.研究的北方农牧交错带(34.2°N～53.3°N,102.7°E～123.5°E)位于内蒙古高原东南边缘和黄土高原北部,包括:大致从大兴安岭东麓经辽河上游,阴山山脉、鄂尔多斯高原、祁连山东段至青藏高原东南边缘,交错带宽处可达400 km,窄处仅为50 km,总面积约80.9万km2.所覆盖行政区域包括内蒙古、黑龙江、吉林、河北、北京、山西、陕西、甘肃、宁夏9个省(自治区),南北纵跨19个纬度,东西横跨21个经度,该区域属于典型的温带半干旱大陆性季风气候,干旱少雨,大部分地区的海拔在1 000 m以上.植被覆盖类型自东向西由森林草原带过渡到典型草原带和荒漠草原带[7].

图1 我国北方农牧交错带区位分布概况

1.2数据处理与分析论文探究土地利用和气候变化对农牧交错带植被覆盖度变化的影响,研究所采用的数据包括研究区1990—2010年土地利用数据,气象数据(降水量和温度)和植被NDVI指数数据.所有数据均制作成1 km×1 km分辨率栅格数据,并统一采用Krasovsky_1940_Albers投影坐标,中央经线为105°E,双标准纬线为25°N和47°N.

1.2.1 气象数据 农牧交错带气象数据来源于国家气象信息中心,由多个气象站点数据在考虑地形高程差异的条件下使用ANUSPLIN软件进行空间插值,包括研究区1990—2010年年均降水量和气温数据.对气象要素资料进行趋势分析时,一维时间序列一般采用线性倾向估计方法[11],用xi表示样本量为n的某一气候变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi和ti之间的一元线性回归方程:

(1)

其中a为回归常数,b为回归系数.a,b可用最小二乘法进行估计:

(2)

(3)

回归系数b即可视为该气象要素变化的倾向值,b的符号表示气候变量x的趋势倾向.b的符号为正,即b>0时,说明随时间t的增加气候变量x呈上升趋势;当b<0时则反之.b值的大小反映了上升或下降的速率,即表示该气候要素上升或下降的倾向程度.

图2 1990—2010年研究区年降水量和气温的年际变化

从研究区1990—2010年降水和温度年际变化曲线(图2)和年际变化倾向率(图3)可以看出,北方农牧交错带近20年来全区年平均降水量为389.6 mm,其变化趋势表现为波动性减少,2010年降水量较1990年相比减少了约123 mm,且在东北部地区减少倾向趋势显著,年变化倾向率在-4.5 mm左右,西南地区减少趋势较小,且局部地区降水呈现一定程度增加的趋势.北方农牧交错带近20年平均气温为3.84 ℃,呈现波动性上升趋势,且全区均表现为升温趋势,2010年平均气温较1990年相比升高了约0.5 ℃,中西部地区上升趋势最为显著,气温年变化倾向率多在0.06 ℃附近,东北大部及西部部分地区升温趋势较缓.通过以上分析发现,1990—2010年北方农牧交错带区域降水量减少,气温增高,整体气候条件干暖化趋势比较明显.

1.2.2 土地利用数据 土地利用数据(LUCC)来自中国科学院资源与环境科学数据中心,1990年和2010年两期数据[12,6].该数据是由Landsat MSS/TM影像和HJ-1(环境一号卫星)影像等经过遥感解译所得,并参考刘纪远提出的土地利用分类体系,将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用土地6个一级类.

1.2.3 植被覆盖度数据 归一化植被指数(NDVI)可以很好地反映地表植被覆盖状况.本研究所采用的1990—2000年NDVI数据由美国的NOAA(national oceanic and atmospheric administration)气象卫星监测所得,该数据的空间分辨率为8 km×8 km,其时间分辨率为旬.2000—2010年NDVI则来源于SPOT-VEGETATION逐旬NDVI数据,研究利用最大值合成法MVC(maximum value composites)来获取研究区1990—2010年的年最大NDVI和最小NDVI,进而采用均值法,分别统计区域内所有像元的年最大NDVI和最小NDVI的平均值.

图3 1990—2010年研究区降水和气温变化倾向率

植被覆盖度数据是反映地表植被覆盖情况的重要指标,地表植被覆盖度信息提取模型的原理是在对光谱信号进行分析的基础上,通过建立植被归一化指数(NDVI)与植被覆盖度的转换关系直接提取植被覆盖度信息[7].

(4)

式中,f为植被覆盖度,NDVImax和NDVImin分别为研究区整个生长季植被NDVI的最大值和最小值,NDVIo即为当前植被NDVI值.根据式(4)可以建立植被覆盖度与NDVI指数间的转换关系.由此即可获得1990年和2010年北方农牧交错带植被覆盖度情况(图4),根据植被覆盖特征及研究区地面定位监测数据,将北方农牧交错带的植被分为5种覆盖度类型:低盖度植被(f≤30%);中低盖度植被(30%75%).

图4 1990年、2010年北方农牧交错带植被覆盖度分布情况

a.1990年植被覆盖度情况;b.2010年植被覆盖度情况;c.1990—2010年覆盖度变化分布.

1990—2010年间,北方农牧交错带的植被覆盖发生了明显变化,但仍以中盖度、中高盖度和高盖度植被为主(表1),低盖度、中盖度和中高盖度植被面积有所减少,减幅分别为-47.5%、-10.1%和-19.1%,低盖度减幅最大;而中低盖度和高盖度植被面积有所增加,其中高盖度增幅最大(84.6%).

表1 1990—2010年北方农牧交错带植被覆盖度面积变化

表2 1990—2010年北方农牧交错带植被覆盖度变化趋势

根据植被覆盖度的变化幅度,将研究区植被覆盖度变化划分为5种类型(表2):快速降低区(-10%以下),一般降低区(-10%～0),基本稳定区(0～10%),一般升高区(10%～20%),快速升高区(20%以上).从图4可以看出,北方农牧交错带大部分地区植被覆盖度主要呈升高趋势,覆盖度升高区比例占73.6%,说明我国北方农牧交错带植被覆盖在逐渐增加和生态环境不断转好;在交错带西北沿线局部地区存在一些快速降低区和一般降低区.

2 植被覆盖度变化归因

2.1土地利用类型变化对植被覆盖度变化的影响根据两期土地利用数据,借助ArcGIS软件制作两期土地利用转移矩阵(表3).

表3 1990—2010年北方农牧交错带土地利用类型转移矩阵 km2

不同土地利用类型的植被覆盖度变化趋势和程度各不相同,1990—2010年间,北方农牧交错带耕地、林地和未利用土地植被覆盖度均有所增加,建设用地和水域类型面积较小,且两种类型下的植被覆盖度精确度较低,故没有考虑.由表3可以看出,1990—2010年该地区主要土地利用类型发生了显著的相互转化,但占优势的仍是草地、耕地和林地,土地利用和景观结构未发生重大变化.研究期间,草地面积有所减少,耕地、林地和未利用用地面积增加.其中,草地面积减少最多,减少4.54万km2,有1.5万km2转化为耕地,约2万km2转化为林地,另外还有1.1万km2退化成未利用土地,植被覆盖度减少了近11.4%;耕地和林地是面积增加最多的土地类型,在研究区人口增加,农业种植需求增大及农业政策的带动作用下,研究区耕地利用类型种植效率和利用率有所增加,同时受人力灌溉等科技因素影响,农牧交错带耕地类型植被覆盖度增加显著,植被覆盖度增加了8.3%,2005年以来,由于北方林地保护政策的实施,农牧交错带林地面积有所增加,植被覆盖度增加近12.3%;建设用地面积增加也比较显著,研究区人口增长的作用明显;未利用土地在所有土地利用类型中增加比例最大,大量草地退化成未利用土地,导致研究区未利用土地类型的植被日渐稠密,植被覆盖度升高了近16.8%.

通过以上分析发现:研究区的土地利用变化受人为干扰极大,土地利用变化对土地覆盖变化的影响体现了人类活动对生态系统的直接影响.

2.2气候变化对植被覆盖度变化的影响根据1990—2010年气象数据,将北方农牧交错带年降水变化倾向率划分为降水减少区(降水倾向率小于-2.0 mm),降水稳定区(降水倾向率在-2.0 mm到2.0 mm之间);研究区温度变化主要为升温趋势(气温变化倾向率8×10-3到7.5×10-2之间);植被覆盖度变化划分为覆盖度减少区(覆盖度变化小于-10%),覆盖度稳定区(覆盖度变化在-10%到10%之间),覆盖度增加区(覆盖度变化大于10%).1990—2010年北方农牧交错带年均降水量变化、年均气温变化与植被覆盖度变化的相关性如图5.植被覆盖度与年均降水量呈极显著相关性,降水稳定-植被覆盖度稳定区主要分布在研究区中西部,且所占比例最大,占研究区总面积的30%;降水稳定-覆盖度增加区主要分布在研究区西南部地区,所占比例为23%;降水减少-覆盖度稳定区也占有较大比例(28%),主要分布在研究区西北部,大兴安岭西麓地区,该地区降水减少但当地退耕还林、退耕还牧政策效果显著,植被覆盖度基本保持稳定;降水减少-覆盖度减少区覆盖度增加区和降水稳定-覆盖度减少区等所占比例较小,主要在内蒙古同河北交界地区有零星分布.

图5 1990—2010年北方农牧交错带年均降水量变化(左)、年均气温变化(右)与植被覆盖度变化的相关性空间分布

研究区的植被覆盖度与同期年均气温数据也呈现一定的正相关性,农牧交错带1990—2010年气温变化属于升温趋势,在升温趋势下植被覆盖度稳定区所占比例最大(58%),在空间上气温升高,植被覆盖度升高的区域主要分布于研究区东南沿线,占研究区总面积的34%;温度升高植被覆盖度减少的区域所占面积最少,仅有8%,主要分布在河北同内蒙古交界地区.植被覆盖度变化受多因素影响和制约,除降水和温度条件外其他气候要素对其均有一定程度的影响,很多区域尺度上的研究基于的气候变化的背景都是降雨量减少,温度上升,却可能得出不同的结论,气候变化对植被覆盖变化的影响机制是复杂的,还值得更进一步去研究.

3 结论

1990—2010年中国北方农牧交错带的植被覆盖度总体呈增加趋势,主要受降水量、气温等气候条件和土地利用类型变化条件的影响,气候变化反映了研究区主要的外在自然驱动力的改变,而土地利用变化则体现了人类活动对生态系统的直接影响.在温度显著升高、降水明显减少的大气背景下,研究区西北部地区植被覆盖度有所减少,但东部地区及农牧交错带整体植被覆盖度却呈现增加的趋势.这表明温度的升高有利于植被的生长,而降水因素主要对干旱地区植被覆盖度影响较大,年降水量的减少导致干旱地区植被覆盖度减少,但对地表径流量充足的地区影响并不明显.土地利用类型变化受人为因素干扰极大,由于受当地生态保护政策的影响,研究区低覆盖度草场主要转为耕地、林地以及未利用土地类型,在耕地、林地受人为保护及未利用土地植被自由生长等因素作用下农牧交错带地区植被覆盖度主要呈现出增加趋势.

北方农牧交错带植被覆盖度变化是在全球气候变化和人类活动的双重影响下发生的,土地利用变化和降水、气温气象数据两种因素对植被覆盖度的影响具有明显的地域性特征,土地利用变化因子的影响由于受政策和人类活动的参与而正逐渐占据着主导地位,而气候条件中,气温升高对植被覆盖度具有一定的正相关性,降水量因子在径流量充沛地区影响作用较弱,但在水源缺乏、人类活动干预较少的农牧交错带西北地区仍然有着重要的影响作用.

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(责任编辑 游俊)

Theattributionofvariationoftheplantcoveragedegreeintheagricultural-animalregionofnorthernChinaduring1990—2010

DAI Xibo,GAO Shoujie,GUO Guangyi,LI Pengze,WANG Xinsheng

(School of Resources and Environmental Science, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Agricultural-animal region of northern China is one of sensitive reaction of the ecological transition zone type; its change of vegetation coverage is influenced and intervened by many factors. This paper analyzed two group of factors(land use data and meteorological data such as amount of precipitation and temperature) based on NDVI representing vegetation fraction in agricultural-animal region of northern China. This study found that: the main type of land use in this area had dramatically transformation in 1990—2010, but the dominant was cropland, grassland and woodland, land use and landscape structure changed very little. During the study, cropland、woodland and unused land vegetation coverage had a rise, grassland vegetation coverage decreased less. Vegetation coverage were extremely significant correlation with annual rainfall, precipitation of the agricultural-animal region presented decreasing tread in 1990—2010, vegetation coverage raised significantly. Vegetation coverage and over the same period the average annual temperature data over the same period also presented certain positive correlation, in agricultural-animal region, temperature change belonged to the warming trend in 1990—2010, vegetation coverage raised significantly. The research results showed the change of vegetation coverage in northern agricultural-animal region occurred in the dual influence of global climate change and human activities, the change of land use and meteorological data such as amount of precipitation and temperature had obvious regional characteristics, the influence of change of land use had the leading role gradually because of the policy and the participation of human activity, but in climatic conditions, temperature rise had a certain positive correlation according to vegetation coverage, precipitation factor effected on the weaker in runoff energy region, but it also had important effect on water shortage, less intervention of human activity especially in agricultural-animal region of northwest territories.

agricultural-animal region; plant coverage degree; land use and land cover change; climate trend rate

2013-10-22

代希波(1987-),男,硕士生,E-mail:784648563@qq.com;王新生,通信作者,博士,教授,E-mail:wxs818@hubu.edu.cn

1000-2375(2014)05-0389-06

Q948;P96

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.001