锡林郭勒盟不同草原类型EVI的时空变化及其对气候的响应

田志秀，张安兵，王贺封，曹 媛，范倩倩

（1. 河北工程大学地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038；2. 河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

植被是土壤、大气和水分的自然“纽带”，影响着地气系统的能量平衡，在全球变化研究中充当“指示器”的作用[1]。草地植被对气候变化的响应较敏感，草原生态系统是最为脆弱的开放性系统，极易受自然环境的影响和人为活动的破坏[2]。近年来许多学者对草原植被时空分布及气候变化进行了深入的探讨和研究[3-9]。多位研究者认为不同地区植被变化状况存在显著差异，内蒙古地区植被NDVI总体上呈轻微上升趋势，但空间差异显著，在内蒙古中东部地区植被呈显著增加，在西部地区植被NDVI主要呈减少趋势[3]；青海省植被NDVI整体呈从西北到东南的增加趋势，在柴达木盆地周边和青南牧区西北部等植被NDVI较低，在祁连山东部、东部农业区和青南牧区东南部等植被NDVI较高[4]；但伊犁河谷地区草场和青藏高原西北地区NDVI却呈退化趋势[5-6]。相关研究表明植被长势状况同区域气候具有高度相关性，气温、降水是影响植被长势的重要因子，该对因子对植被的时空分布及其变化具有重要影响[7-9]。

在植被覆盖变化研究中，归一化植被指数(nor malized difference vegetation index, NDVI)是植被活动和生产力的最佳指示因子，已被广泛应用于植被生产力估测、旱情监测、荒漠化监测和生态环境监测等方面[10-12]；NDVI也存在一定的局限性，如NDVI值在植被生长旺盛期容易达到饱和，在相同的空间分辨率下，NDVI的取值范围、标准差与变异系数均低于EVI[13-14]。MODIS/EVI(enhanced vegetation index, EVI)是对 AVHRR/NDVI的继承和改进，更能反映研究区域内植被空间差异[15]，在未来有较好的发展前景；但当前基于EVI指数对植被动态变化的研究相对较少。此外，一些学者运用时间序列谐波分析法 (harmonic analysis of NDVI time-series, HANTS)平滑处理原始数据，即把时间波谱数据分解成许多不同频率的正弦、余弦曲线，选取并叠加反映时间序列特征的曲线，重构时间序列数据，以达到定量监测植被动态变化的目 的[16-17]。 如 刘 倩 楠 等[18]基 于 MODIS/ NDVI数据，采用最大值合成和HANTS法进行降噪处理与数据重构，评估重庆市的植被生长动态变化。包刚等[19]利用HANTS方法平滑处理GIMMS/NDVI数据，分析蒙古高原1982-2006年植被覆盖的时空动态。杨强等[20]运用HANTS法，构建锡林郭勒盟2000-2013年MODIS/EVI的植被覆盖度数据集，分析该地区植被覆盖度的时空变化。时间序列谐波分析法多基于全年的NDVI或者EVI数据，并未尝试采用此方法对月数据进行去云降噪处理，以获得更加合理的数据。另外，对草原植被变化特征以及气候响应关系的研究更多是基于不同用地类型或者基于整体植被变化进行，很少从不同草原类型的角度来探究。

锡林郭勒草原处于欧亚大陆草原带的中部，草原面积占总土地面积的97.2%，是内蒙古草原的主体，也是距京、津、唐最近的草原牧区。其草原类型多样，自西向东依次为荒漠化草原、沙地草原、典型草原和草甸草原。锡林郭勒草原不仅是我国北方干旱半干旱温带草原的典型区，更是我国内陆广大区域的重要生态屏障[21-22]。以锡林格勒草原为研究对象来探讨其植被时空特征及对气候的响应具有重要的理论和现实意义。因此，本研究选取锡林郭勒盟2000-2014年5-9月MODIS EVI遥感产品作为主要数据源，经HANTS方法滤波去除异常值后，采用趋势线分析法来探索植被的时空变化情况；在此基础上，结合同期的气象数据资料，并依据中国科学院植物研究所制定的不同草原植被类型的标准，探究锡林郭勒盟不同草原类型植被的时空变化规律及与气温、降水、平均相对湿度、平均风速、日照时数等气象因子的响应关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

锡林郭勒盟位于内蒙古自治区中部，地处(111°09′-119°58′ E，41°35′-46°46′ N)，面积约200 000 km2，是一个以高平原为主体，兼有多种地貌的地区。地势南高北低，东、南部多低山丘陵，盆地错落其间，西、北部地形平坦，零星分布一些低山丘陵和熔岩台地，为高原牧场，海拔在 800～1 800 m(图 1)。该地区属北部温带大陆性季风气候，其主要气候特点是寒冷、降水少、风沙大，年平均降水量为295 mm，且降水分布不均匀，多集中在7-9月；年平均气温0～3 ℃，1月气温最低，平均-20 ℃，7月气温最高，平均21 ℃；年日照总时数为 2 800～3 200 h。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 数据来源

采用的MODIS/EVI数据产品来源于美国国家航空航天局NASA的EOS/MODIS数据(https://MODIS.gsfc.nasnasa.gov/)，时间分辨率为 16 d，空间分辨率为250 m，数据选择时间为2000-2014年的生长季(5-9月)，每年9期(5-8月每月2期，9月1期)，共计135期，以此来构建EVI长时间序列数据。

根据中国科学院植物研究所制定的标准(比例尺为1∶100万)，在已有的锡林郭勒盟植被类型数据的基础上，将植被类型整合为10类(低地盐化草甸、改良草地、高寒草原类、温性草甸草原类、温性草原化荒漠类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性荒漠类、温性山地草甸类、沼泽类)，得到锡林郭勒不同植被矢量图层(图2)。

图1 锡林郭勒盟地理位置及气象站点分区图Figure 1 Location of study area and distribution of meteorological stations in Xilin Gol League

图2 锡林郭勒盟植被类型图Figure 2 The grassland class in Xilin Gol League

研究区及周边共有15个气象站点，气象数据来源于中国气象局气象数据中心的内蒙古地面气候资料月值数据集(http://data.cma.cn/data/cdcindex/cid/6d1b5efbdcbf9a58.html)，选取与遥感数据时间尺度相对应的月平均气温、降水量、平均相对湿度、平均风速、日照时数等气象要素数据。

1.2.2 数据处理

首先对下载的2000-2014年MOD13Q1数据，采用 MRT (MODIS Reprojection Tools)进行批量拼接、投影转换和格式转换，并基于研究区行政边界矢量数据，利用ARCGIS软件完成遥感数据的裁剪；对时间分辨率为16 d的两期EVI数据(除9月仅含一期的EVI数据取最大值外)，采用最大值合成法，合成为MODIS/EVI在生长季的EVI数据集，得到月EVI值。其次，采用时间序列谐波分析法，对研究区原始遥感数据进行平滑处理，获取生长季MODIS/EVI数据集。最后，对生长季MODIS/EVI数据集进行最大值合成为2000-2014年际MODIS/EVI数据集，求得年EVI值。

基于上述数据处理，对研究区2000-2014年生长季MODIS/EVI的栅格图像进行掩膜提取，得到研究区2000-2014年生长季不同类型植被的MODIS/EVI数据。

另外，利用ARCGIS软件对研究区2000-2014年(5-9月)15个气象站点各要素(降水量、平均风速、平均温度、平均相对湿度、日照时数)进行克里格插值、重采样、裁剪，获得研究区的气象要素栅格数据，为与2000-2014年生长季不同类型植被的MODIS/EVI相关性分析做好数据准备。

1.3 研究方法

1.3.1 时间序列谐波分析法

时间序列谐波分析法是进行定量监测植被动态变化的物候分析方法[15]，其计算公式如下：

式中：A0为谐波的余项，等于序列的平均值；Aj为各谐波的振幅；为各谐波的频率，N为序列的长度；θj为各谐波的初相位，n为谐波的个数，等于N-1[18]。

1.3.2 趋势线分析法

趋势线分析方法可以模拟每个栅格的变化趋势[10]，反映不同时期植被覆盖变化的空间特征。依据孙小龙等[23]划分植被变化等级标准，本文将其定义7个变化等级：重度退化趋势、中度退化趋势、轻度退化趋势、无明显变化趋势、轻度改善趋势、中度改善趋势和明显改善趋势。趋势线分析法计算公式：

式中：n为监测时间段的累计年数；MEVIi为第i年EVI最大值；θslope为变化趋势倾向值；若 θslope＞0，则植被EVI在n年间的变化趋势增加；若θslope＜0，则植被EVI在n年间的变化趋势减小。

2 结果

2.1 HANTS 处理结果

2.1.1 HANTS 降噪处理

以锡林郭勒2000-2002年5-9月时间序列曲线为例，草原植被1年的生长周期中包含3个生长阶段：5月植被生长，7、8月份植被最为茂盛，9月份植被衰落。图3为锡林郭勒EVI在HANTS滤波前后的时间序列光谱曲线，平滑前的光谱曲线粗糙、不平滑，存在突然增长或下降的异常值；HANTS处理后，剔除了原始EVI图像上受云干扰的点或偏离量超过阈值的最大点，利用剩余的采样点重新生成拟合曲线，曲线平滑规则，它表现出明显的3个波峰、2个波谷，基本符合草原植被在2000-2002年间的生长状况。

以上分析表明，经HANTS方法降噪处理后较好地反映了植被生长周期，为此，本研究对各类型草原植被的时间序列EVI数据进行平滑处理。

以温性荒漠草原类和沼泽类为例，温性荒漠草原类EVI值在2000年7月达到第一个峰值，8月降低，但在9月份增加到最大值，且2009年9月EVI值比 6月份还高 (图 4)；沼泽类 EVI值在 2001、2005、2010、2013、2014年 5月 EVI值高于6月，且6月EVI值最低，同往年NDVI均值数据相比，上述EVI值均表现出一定异常。而且各草原类型EVI值的月际变化比较剧烈并伴随EVI值异常现象，难以用于时间序列的数据分析。通过HANTS滤波处理后(图4)重建的各类型草原植被时间序列EVI值不仅保持了原有周期性规律特征，而且曲线平滑规则，符合草原植被的生长状况，说明HANTS滤波有效地去除了EVI异常值，达到降噪目的，同时更加清晰地反映草原植被的物候特征。

2.1.2 HANTS 处理相关性检验

对研究区各草原类型的MODIS/EVI值同HANTS处理后的MODIS/EVI值进行相关性检验，结果表明，低地盐化草甸类的相关性极强，相关系数为0.904；沼泽类的相关性较强，相关系数为0.711。总体上，各草原类型EVI值同HANTS处理后的EVI值均呈现极显著正相关关系(P＜0.01)，表明植被EVI数据在HANTS方法处理后，不仅保留了原始植被的物候信息，同时有效剔除噪声等信息的干扰，为后续得出各草原类型EVI时空变化特征及其与气候因子响应的分析结果的可靠性提供了数据基础。

图3 2000-2002 年锡林郭勒 EVI的时间序列曲线Figure 3 Time series curves of EVI in Xilin Gol League across 2000-2002

图4 2000-2014 年 5-9 月不同类型植被 EVI的时间序列Figure 4 Time series of EVI with different vegetation types from May to September in 2000-2014 in Xilin Gol

2.2 锡林郭勒盟草原 EVI的时间变化特征

2000-2014年锡林郭勒盟各草原类型EVI值表现出明显的周期性(图4)，从5月开始增长，7、8月份达到最大值。但值域范围各异，其中低地盐化草甸类的EVI值最大，而高寒草原类植被的EVI值最小。

为进一步研究锡林郭勒盟不同类型植被EVI值在时间上的变化趋势，对锡林郭勒盟10种类型植被在2000-2014年生长季的EVI值进行趋势线分析(图5)。温性草原化荒漠类、温性山地草甸类呈微弱的降低趋势，沼泽类表现出明显的下降趋势；低地盐化草甸、高寒草原类、温性草甸草原类、温性荒漠草原类、温性荒漠类等植被呈微弱的上升趋势，改良草地、温性草原类为明显的增加趋势。总体上，锡林郭勒植被呈改善趋势。

2.3 锡林郭勒盟草原 EVI的空间变化特征

研究区植被覆盖的空间变化情况如图6所示。大部分研究区域的植被无明显变化趋势，植被状况保持稳定，研究区中部、东乌珠穆沁旗北部区域的植被呈改善趋势，东南部、东部的西乌珠穆沁旗地区的植被呈退化趋势。

图5 2000-2014年锡林郭勒盟不同类型植被EVI的时间变化趋势Figure 5 The change trend of EVI with different vegetation types in Xilin Gol

进一步统计表明(表1)，植被退化的面积占研究区总面积的10.12%，植被覆盖无明显变化的面积约占72.95%，植被呈改善趋势的面积约占16.93%，其中，轻度改善、轻度退化面积百分比分别为16.75%、9.99%，明显改善和重度退化的区域面积较小，分别占总面积的0.01%、0.02%。总体来看，锡林郭勒植被状况在保持相对稳定的同时逐渐趋于改善，植被重度退化的区域现象不明显。

图6 2000-2014年锡林郭勒盟草原EVI的空间变化趋势Figure 6 The spatial trend of EVI change from 2000 to 2014 in Xilin Gol

表1 2000-2014 年锡林郭勒草原 EVI线性倾向结果Table 1 The linear trend result of EVI in Xilin Gol Grassland during 2000-2014

进一步对研究区域不同类型植被的空间变化进行分析得到图7，统计各植被EVI变化趋势面积(表2)及面积百分比(表3)。首先，位于锡林郭勒盟大部分区域、南部部分地区、二连浩特和苏尼特左旗、东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗、西部、中部和南部、西南部、二连浩特和苏尼特左旗等区域的低地盐化草甸、改良草地、高寒草原类、温性草甸草原类、温性草原化荒漠类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性荒漠类(图7)等植被呈无明显变化趋势的面积所占百分比分别为48.63%、77.96%、97.9%、43.21%、93.15%、55.20%、84.58%和77.14%。其次，锡林郭勒高寒草原类、温性草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性荒漠类等植被呈改善趋势的面积分别约占2.1%、36.75%、31.31%、8.72%和22.86%，表明其植被状况在保持相对稳定的同时逐渐趋于改善。再次，低地盐化草甸类、改良草地、温性草原化荒漠类植被呈退化趋势的面积分别约占28.17%、12.31%和3.58%，显示其在保持相对稳定的同时逐渐趋于退化。最后，位于西乌珠穆沁旗东部的温性山地草甸类和东乌珠穆沁旗中部的沼泽类植被呈轻度退化趋势，面积所占百分比分别为60.16%和56.11%，且植被重度退化的区域现象不明显。

2.4 气象因子与 EVI 的相关分析

对2000-2014年5-9月锡林郭勒盟10种植被类型EVI和降水量、平均风速、平均温度、平均相对湿度和日照时数进行相关性分析(表4)表明，10种植被类型EVI与平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数正相关，与平均风速负相关，说明10种植被类型EVI主要受平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数的正向调控，但会受平均风速的制约。低地盐化草甸类、改良草地、温性草原类、温性荒漠草原类EVI与气象因子的相关性较高，高寒草原类EVI与气象因子的相关性较低。

3 讨论与结论

本研究对HANTS降噪后的2000-2014年生长季月度最大EVI数据集，划分更为详细的10个不同草原类型的EVI数据，探讨锡林郭勒盟植被时空变化特征以及不同草原类型EVI值与平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数和平均风速等气候因子的关系。研究表明：

1)HANTS滤波后的锡林郭勒盟植被EVI数据集，在保留了原始EVI时间序列数据的物候信息的同时，有效地去除异常值，达到降噪目的。

图7 2000-2014年锡林郭勒盟草原不同类型植被EVI的空间变化趋势Figure 7 The spatial change trend of EVI with different vegetation types from 2000 to 2014 in Xilin Gol

表2 锡林郭勒草原2000-2014年不同类型植被变化趋势的面积统计Table 2 The area’s statistic results of vegetation change trends with different vegetation types EVI value in Xilin Gol during 2000-2014 km2

表3 锡林郭勒草原2000-2014年不同类型植被变化趋势的面积所占百分比Table 3 The area percentage of statistic results in vegetation change trends with different vegetation types EVI value in Xilin Gol during 2000-2014%

2)在时间上，2000-2014年锡林郭勒盟各草原类型EVI值呈现出明显的周期性，且值域范围各异，其中低地盐化草甸类的EVI值最大，高寒草原类植被的EVI值最小；沼泽类表现出明显的下降趋势，改良草地、温性草原类呈现出增加趋势，其他类型均表现出微弱的上升或下降趋势。在空间上，锡林郭勒盟大部分区域的植被无明显变化，中部和东北部地区有所改善。位于中部、南部、西南部、二连浩特、苏尼特左旗、东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗等区域的温性草原类、温性荒漠草原类、温性草甸草原类、高寒草原类、温性荒漠类等植被呈现出缓慢改善的变化，而位于西乌珠穆沁旗东部的温性山地草甸类和东乌珠穆沁旗中部的沼泽类植被呈轻度退化趋势，植被重度退化的区域现象不明显。整体来看，锡林郭勒植被呈现改善趋势，这与一些学者利用NDVI指数研究该区域草原植被时空变化结果基本相符[21-23]。

表4 锡林郭勒各草原类型EVI与相应气象因子的相关系数Table 4 The coefficients between different vegetation and corresponding meteorological factors in Xilin Gol

3)从EVI与气候因素的相关分析来看，平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数是促进锡林郭勒植被生长的重要因素，平均风速制约锡林郭勒植被的生长。已有研究也表明平均气温和降水量是影响锡林郭勒植被生长的重要因素[24-26]。此外，本研究显示不同类型植被对气候因子的响应程度存在差异，低地盐化草甸类、改良草地、温性草原类、温性荒漠草原类EVI与气象因子相关性较高，受气候变化影响较大；高寒草原类EVI与气象因子相关性较低，受气候变化影响较小。

已有研究如张圣微等[22]指出，锡林郭勒NDVI变化与平均降水量正相关，与平均气温相关性不明显；而于海达等[27]研究则表明锡林郭勒植被的不同生长时期，驱动因子不同；在植被生长前期草原植被长势与温度正相关，在生长中期，长势与温度负相关，而到生长后期，植被与温度正相关；杭玉玲等[24]指出，温度和降水量对研究区植被生长的影响作用及大小因地区和季节而异。本研究也基于月尺度分析发现锡林郭勒草原EVI与平均气温、降水量显著正相关，与后两位学者研究结果基本保持一致。本研究与张圣微等研究结果存在差异，其原因可能是：1)时间尺度不同，相关研究基于年尺度分析植被对气温的响应，而本研究基于月尺度的时间序列数据，清晰地反映出年内植被与气温的关系；2)研究方法不同，相关研究没有对遥感数据进行滤波处理，时间序列数据波动很大，曲线季节变化趋势不明显，不利于趋势分析和信息提取；本研究则采用HANTS方法，消除了太阳高度角、观测角度、云、水汽、气溶胶等多种因素的干扰，使得研究结果合理化。另外，植被变化是一个受诸多因素作用的复杂过程，本研究重点探讨的是气象因子对草原植被的影响，下一步将研究自然环境变化与人类活动对植被变化的综合影响，为实现锡林郭勒盟植被保护、植被恢复建设工作提供充分的科学依据。