降水对内蒙古草原植被生长的影响1)

滑永春 萨如拉 包文学

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010019)

草地生态系统具有防风、固沙、保土、调节气候、净化空气、涵养水源等生态功能，是自然生态系统的重要组成部分[1-3]。内蒙古草地约占全国草地总面积的1/4，对维系生态平衡、区域发展具有重要的意义[4]。

归一化植被指数(NDVI)作为全球或区域植被覆盖度及植被生长状态的最佳指示因子之一，归一化植被指数与气候因子存在显著的相关关系[5-8]。植被指数的变化不仅受当时的气候因子影响，也受前一时段气候条件的累积效应的影响，并且不同地区气象因子对植被的影响的时段不同[9-12]。Yang et al.[13]研究发现，春季和夏季累积降水量与归一化植被指数呈现正相关关系；Nezlina et al.[8]研究发现，中亚地区植物对降水的适应时间有所不同，适应较快地区时滞期为0～2个月，较慢地区为3～4月；Lamchin et al.[14]在其研究中发现，温度是中国东北部和中部归一化植被指数变化的主要驱动力，但有一定的滞后效应；史丹丹等[15]研究发现，黄河源地区温度和降水对植被生长的时滞时间分别为16和32 d；田义超等[16]认为北部湾沿海地区归一化植被指数对气温的时滞时间为0～50 d，降水的时滞时间60～90 d；曹永强等[17]研究发现，辽宁省气温、降水量和日照时对归一化植被指数的平均滞后时间分别为0.73、1.19和1.64个月；穆少杰等[18]认为内蒙古草原植被覆盖度在年际水平上主要受降水影响，降水量对月植被覆盖度影响存在时滞效应；刘成林等[12]认为锡林郭勒草原生长对降水存在明显的滞后，一般在50～60 d，不同类型的草原滞后时间不同，但无明显差异。

降水是陆地生态系统水分的直接来源，对于草地植被生长具有重要的作用，也是引起草地植被动态变化的关键因素[19-22]。明确干旱、半干旱地区植被生长和降水滞后性的关系，不仅可以了解降水对植被影响的季节性变化规律，也可以预测植被未来变化的趋势，对研究区域植被变化及驱动力具有重要的意义[23]。目前多数研究主要关注降水与归一化植被指数的关系，对其空间分布格局的描述比较少[24]。因此，本文利用长时间序列(1982—2015年)归一化植被指数数据集(GIMMS NDVI3g)、气象再分析数据(ERA5)的降水数据，开展内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原的归一化植被指数对降水滞后性的研究，探讨不同类型草原植被对降水时滞及空间分布格局的差异性。

1 研究区概况

内蒙古位于我国北部地区(37°24′～53°23′N，97°12′～126°4′E)，地处欧亚大陆内部。由东北向西呈长条形分布。气候以温带大陆性季风气候为主。温度-5～10 ℃(年均气温8 ℃)，自东向西递增；降水量35～530 mm，自东南向西北递减。内蒙古草地约占全区土地总面积的60%，占全国草地总面积的1/4以上。内蒙古草原类型基本可以划分为草甸草原、典型草原和荒漠草原(见图1)。其中，草甸草原主要草类有贝加尔针茅(StipabaicalensisRoshev)、羊草(Leymuschinensis)和杂草类等；典型草原主要草类有大针茅(Stipagrandis)、克氏针茅(Krylovneedlegrass)和羊草等为主；荒漠草原主要草类为小针茅(Stipaklemenziiroshev)、沙生针茅(Stipaglareosa)和短花针茅(Stipabrevifloragriseb)等草类组成。

图1 内蒙古草原空间分布

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

植被指数数据的来源及处理：植被指数数据为美国宇航局(NASA)最新提供的第3代归一化植被指数数据集(GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)。数据集时间跨度为1982—2015年，时间分辨率为15 d，空间分辨率为8 km。经过几何精校正、辐射校正、大气校正、图像增强等预处理，使用软件Matlab对1982—2015年覆盖内蒙古草地的植被指数数据进行格式转换、图像镶嵌、图像裁剪、Albers面积投影转换等处理，形成涵盖内蒙古草地的月度归一化植被指数时空数据集。

降水数据的来源与处理：选用的气象再分析资料为欧洲天气预报中心(ECMWF)公开的全球气候监测(ERA5)数据(http://apps.ecmwf.int/datasets/)。ERA5是迄今最强大的全球气候监测数据集，与之前的ERA-Interim产品相比，ERA5具有更高的时空分辨率(时间分辨率为逐小时，空间分辨率高达0.125°)。本文选用ECMWF-ERA5数据集中，1982—2015年1—12月覆盖内蒙古草地的降水数据。使用软件Matlab对数据进行格式转换、年度合成、图像裁剪、Albers面积投影转换、重采样等处理。

草原类型数据来源与处理：草原类型数据来源于中科院植物所2000年制作的1∶1 000 000的全国植被类型数据(http://www.resdc.cn)。通过草原类型数据对内蒙古地区的草甸草原、典型草原和荒漠草原数据的提取，并对草原图进行投影转换、栅格化等处理，获得投影和分辨率与遥感数据一致的数字化产品。

2.2 相关性分析

本文利用皮尔逊(Pearson)相关系数分析降水与草地归一化植被指数的相关性。计算公式如下：

相关系数的检验采用t检验法，统计量计算公式如下：

式中：n为样本数(n=34)。

2.3 滞后相关系数

本文利用滞后相关系数[18]分析内蒙古草地归一化植被指数对气候适应的滞后期，数学表达式如下：R=max{R0,R1,R2,…，Rn-1,Rn}。式中：R为滞后相关系数，n为样本量。R0、R1、R2、…、Rn分别为归一化植被指数与当前月、前1个月、前2个月至前推n个月的滞后系数。若R=Rn,则归一化植被指数对该气候因子变化适应的滞后期为n个月。本文选取1982—2015年草地生长季(4—9月)的归一化植被指数与月降水数据，根据公式分别计算4—9月份归一化植被指数与1—9月份降水的相关系数，选取最大值对应的前推时间作为相应的滞后期。

3 结果与分析

3.1 年内降水的变化规律

由图2可知，年降水的变化趋势均呈单峰型，草甸草原和典型草原7月份降水量达到最大值，草甸草原、典型草原的降水量最大值分别为118.88、92.38 mm。荒漠草原降水量8月份达到最大值，降水量为53.40 mm。草甸草原、典型草原、荒漠草原的年降水量分别为477.39、391.52、247.41 mm。

图2 不同草原类型年内降水动态变化

3.2 草地的归一化植被指数年内各月份的变化规律

由图3可知，草甸草原、典型草原和荒漠草原的归一化植被指数都呈现单峰变化规律，草甸草原、典型草原和荒漠草原的年均归一化植被指数分别为0.33、0.23、0.14。草甸草原4月初开始逐渐返青，归一化植被指数持续增长，直到7月底到8月初归一化植被指数值达到最大。9月份牧草开始枯黄,归一化植被指数下降。典型草原的归一化植被指数值介于草甸草原与荒漠草原之间，牧草生长规律与草甸草原基本一致。荒漠草原由于受自然条件和降水的影响，生长季5—9月份，归一化植被指数值变化不显著，但也表现出季节性的变化规律。

图3 内蒙古地区不同草地NDVI年内动态变化

3.3 整个草原对降水滞后时间及其空间分布

由表1、表2可知，9月份NDVI与1—9月份的降水相关性最高的是7月份，平均相关系数为0.413，与降水显著相关的草原面积占整个草原面积的52.49%，说明9月份草原植被生长对降水的滞后时间为2个月左右。由图4可知，与降水显著相关的空间分布主要集中在锡林郭勒盟的北部地区、呼伦贝尔的东部地区、乌兰察布的四子王旗、包头和巴彦淖尔盟的北部地区等地区。

图4 9月份NDVI与1—9月份降水相关关系分布

表1 草原生长季(4—9月)的NDVI与1—9月份降水的相关性

表2 草原生长季(4—9月)的NDVI与1—9月份降水相关的草原面积占草原总面积的比例

8月份NDVI与1—8月份的降水相关性最高的月份是7月份，平均相关系数高达0.444，与降水显著相关的区域占整个草原面积的60.77%，8月份草原植被生长对降水的滞后时间为1个月左右。由图5可知，与降水显著相关的空间分布主要位于整个锡林郭勒盟、呼伦贝尔的东部地区、乌兰察布的四子王旗、包头和巴彦淖尔盟的北部地区以及鄂尔多斯的鄂托克旗、杭锦旗等地区。

图5 8月份NDVI与1—8月份降水相关关系分布

7月份NDVI与1—7月份的降水相关性最高的月份是6月份，平均相关系数高达0.443，与降水显著相关的区域占整个草原面积的68.45%，7月份草原植被生长对降水的滞后时间1个月左右。由图6可知，与降水显著相关的空间分布主要集中在整个锡林郭勒盟、通辽和赤峰的北部地区、呼伦贝尔的东部地区、乌兰察布的四子王旗、包头和巴彦淖尔盟的北部地区，以及鄂尔多斯市的鄂托克前旗、鄂托克旗、杭锦旗、东胜、达拉特旗等地区。

图6 7月份NDVI与1—7月份降水相关关系分布

6月份NDVI与1—6月份的降水相关性最高的是5月份，平均相关系数为0.427，与降水显著相关的区域占整个草原面积的68.45%，6月份草原植被生长对降水的滞后时间在1个月左右。由图7可知，与5月份降水显著相关的区域主要是锡林郭勒盟的北部地区、呼伦贝尔的东部地区、乌兰察布的四子王旗、包头和巴彦淖尔盟的北部地区等地区。

图7 6月份NDVI与1—6月份降水相关关系分布

5月份NDVI与1—5月份的降水相关性最高的是4月份，平均相关系数是0.385，5月份草原植被生长对降水的滞后时间也是1个月左右。由图8可知，与4月份降水显著相关的区域主要是锡林郭勒盟的北部地区、乌兰察布的四子王旗、包头以及鄂尔多斯的鄂托克旗、杭锦旗等地区。

图8 5月份NDVI与1—5月份降水相关关系分布

4月份NDVI与1—4月份的降水没有明显的相关性，且平均相关系数为负，4月份正好是牧草返青季，由此可见降水并不是牧草返青的关键气候因子，导致4月份牧草的生长受其它因子控制(如温度)。由图9可知，与1—4月份降显著相关区域主要集中在呼伦贝尔市的东部、呼和浩特市包头等地区。

由此可知，整个草原对降水滞后时间约为1～2个月，通过P<0.05显著相关的面积占整个草原面积的一半以上，可知，空间上主要分布在锡林郭勒盟、呼伦贝尔东部、巴彦淖尔和乌兰察布北部以及包头等草原地区。

3.4 不同类型草原植被对降水适应的滞后性差异

由表3～8可知，草甸草原、典型草原9月份NDVI与7月份的降水显著相关性最高，降水滞后时间为2个月。而荒漠草原9月份NDVI与8月份的降水显著相关性最高，降水滞后时间为1个月。降水和滞后月份草原NDVI相关系数和面积的比例由大到小的顺序为：荒漠草原、典型草原、草甸草原。这个结论与降水量大小的顺序相反，也是牧草对降水的需求程度的客观反映。草甸草原、典型草原和荒漠草原8月份的NDVI与7月份的降水显著相关性最高，对降水滞后时间为1个月左右；降水和NDVI相关系数和面积占比由大到小的顺序为：荒漠草原、草甸草原、典型草原。各类型草原7月份NDVI与6月份的降水显著相关性最高，对降水滞后时间1个月左右；各类型草原7月份NDVI与6月份的降水的相关系数和面积占比也是所有月份最高；荒漠草原相关系数高达0.513，面积占比达到了整个荒漠草原的93.00%，说明了6月份降水对牧草生长的重要性；降水和NDVI相关系数和面积占比由大到小的顺序为：荒漠草原、典型草原、草甸草原。各种草原类型5-6月份NDVI与前一月的降水相关系数和面积占比均最大，对降水的滞后时间也是1个月；降水和NDVI相关系数和面积占比由大到小的顺序为：荒漠草原、典型草原、草甸草原。草甸草原和典型草原4月份NDVI与1～4月份的降水相关关系值都为负，没有明显的滞后性。

表5 典型草原生长季(4—9月)NDVI与1—9月份降水的相关性

表6 典型草原生长季(4—9月)的NDVI与1—9月份降水相关的草原面积占草原总面积的比例

表7 荒漠草原生长季(4—9月)NDVI与1—9月降水的相关性

表8 荒漠草原生长季(4—9月)的NDVI与1—9月份降水相关的草原面积占草原总面积的比例

4 结论与讨论

本文利用1982—015年的植被指数和降水数据，对内蒙古地区的草甸草原、典型草原和荒漠草原等3种草原的NDVI的降水滞后性进行分析，主要结论为：(1)草甸草原、典型草原、荒漠草原NDVI和年内降水变化都呈现单峰型，NDVI值和年降水量从大到小排列顺序为草甸草原、典型草原、荒漠草原；(2)生长季草原植被的NDVI与降水存在显著的相关性，不同的月份滞后时间上也略有不同。9月份草原植被生长对降水的滞后时间为2个月，5—8月份草原植被生长对降水的滞后时间为1个月左右，4月份草原植被生长对降水滞后性不明显，6—7月份的降水对草原植被的生长最为关键。(3)滞后月份降水和NDVI相关系数和面积占比由大到小的顺序为：荒漠草原、典型草原、草甸草原，这个结论与降水量排序正好相反，也是草地对降水需求程度的客观反映。

总体看，植被在生长过程中各月NDVI对降水的滞后时间不尽相同。3种草原类型滞后相关系数均是4月份为最低，然后逐渐增大，7月份达到最大值，随后逐渐降低。这个规律与草原植被的生长规律基本一致，4—5月份草原植被处于返青期，植被刚开始生长，滞后相关系数也比较小；随着植被不断生长，对降水的需求也越来越大，滞后相关关系也逐渐增大，在最大降水7月份，相关系数达到了最大值；到9月份草原植被生长处于停滞状态，植被开始枯黄，相关系数也开始下降。

草原植被NDVI对降水适应存在一定的滞后效应，有关学者们从年度、季度、月度等不同时间尺度进行了研究。陈效逑等[25]发现降水是影响内蒙古典型草原植被覆盖度年际变化的主要气候因子，且滞后时间约15 d，同期气温对草原植被覆盖度年际变化的影响不大；李晓兵等[26]认为内蒙古草甸草原上一年冬天、春天的降水对NDVI的生长有重要的作用，典型草原、荒漠草原的降水对当年植被生长的影响最明显；刘成林等[12]发现锡林郭勒草原降水滞后时间50～60 d，4月份NDVI与前期降水量关系不显著，与本文结论基本一致。张清雨等[27]以群落取样的方式研究内蒙草地NDVI对降水的滞后效应，发现草原NDVI对降水存在1～2个月的滞后时间。研究发现NDVI对降水滞后性不仅与草原类型有关，还和所处月份有关。草甸草原、典型草原9月份NDVI滞后时间为2个月，荒漠草原9月份NDVI滞后时间为1个月，出现这些现象的原因是荒漠草原8月份的降水略微高于7月份，其他草地7月份降水最高。荒漠草原地区干旱少雨，蒸发量远大于降水量，降水对植被生长持续作用时间短，5～8月份滞后时间为1个月。4月份NDVI与当月和前期降水关系不明显。总的来看，虽然研究结论不尽一致，但多数研究表明降水对草原NDVI滞后时间约为1～2个月。