内蒙古荒漠草原植被对气候响应的滞后性研究

滑永春，高润宏，敖 敦

(内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

草原是内陆半干旱到半湿润气候条件下特有的一种生态系统类型，不仅为人类提供生产、生活原料，还是支撑与维持地球生命的支持系统，维持生命的物质循环与水循环，维持生物物种与遗传多样性、净化环境、维持大气化学平衡与稳定[1-4]。荒漠草原是草原区向荒漠区过渡的旱生化草原生态系统，在内蒙古约占草原总面积的10.7%[5-6]，该地区干旱少雨，属于典型的生态脆弱带，稳定性差，极易遭到破坏，对全球变化的响应十分的敏感[7-9]。

草原植被驱动机制研究一直受到广泛关注[10]。归一化植被指数(NDVI)是目前公认的作为区域或全球植被覆盖度及植被生长状态的最佳指示因子[11-12]。研究结果表明，NDVI与气候因子有着显著的相关关系[13-15]。同时,植被对气候因子响应存在着明显的滞后性，植被生长除了受当时的气候因子影响外，前一段时间的气候条件的累积效应对植被的生长也产生很大的影响，并且不同地区植被对气象因子的响应时段不尽相同[16-19]。辽宁省生长季植被从滞后期的时间长短看，植被生长对气温的变化最为敏感，其次是降水量，而对日照响应相对缓慢[20]。1982-2000 年内蒙古地区植被 NDVI 与降水有很好的相关性，降水对植被的生长影响很大[21-22]。2001-2010年内蒙古草原植被覆盖度在年际水平上主要受降雨影响，月植被覆盖度对降雨量的响应存在时滞效应[23-24]。

目前关于气候对草地生长的影响研究，主要集中在降水方面。针对气温，尤其是太阳辐射对草地的生长研究比较少。同时研究的时间跨度比较小且缺少对空间分布的描述。基于以上原因，利用长时间序列(1982-2015年)GIMMS NDVI3g、ERA5降水、气温、太阳辐射数据，对内蒙古荒漠草原NDVI对降水、气温、太阳辐射的滞后性进行研究，探讨荒漠草原植被对不同气候因子的响应和时滞的差异性，以期揭示荒漠草原生长的规律特征及其气候驱动机制。

1 研究区概况

内蒙古荒漠草原位于37°-46°N，105°-115°E，总面积约为11.2万km2，占全区草地总面积的10.68%。主要分布在阴山北麓和西鄂尔多斯，是内蒙古干旱区代表性的植被类型之一，面积辽阔，占据了乌兰察布高原大部及西鄂尔多斯。与荒漠带紧邻，在典型草原和草原化荒漠之间呈带状由东北向西南分布。该区为典型的温带大陆性气候，干旱少雨。年均气温为4.79℃， 最低气温在1 月份，均温为-14.65℃，最高气温7月份，均温达22.32℃。平均年降水量为217 mm，且年内分布不均匀，主要集中在6-8月。草原植被类型主要为戈壁针茅(Stipatianschanicavar.gobica)草原、石生针茅(Stipatianschanicavar.klemenzii)草原、沙生针茅(Stipacaucasicasubsp.glareosa)草原和短花针茅(Stipabreviflora)草原组成的草原群落。

2 数据与研究方法

2.1 数据获取及预处理

2.1.1 NDVI数据 植被指数数据为美国宇航局(NASA)最新提供的第3代NDVI数据集 (GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，该数据集时间跨度为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Matlab对1982-2015年覆盖内蒙古草地的GIMMS NDVI3g数据进行格式转换、图像镶嵌、图像裁剪、Albers等面积投转换等处理，形成涵盖内蒙古草地的月度DNVI时空数据集。

2.1.2 气象数据 选用的气象再分析资料为ECMWF公开的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°。选用覆盖内蒙古草地1982-2015年1-12月0.125°的ECMWF-ERA5气象模式2 m气温、降水、太阳总辐射数据。使用Matlab对数据进行格式转换、年度合成、图像裁剪、Albers 等面积投转换、重采样等处理。

2.1.3 荒漠草原数据 荒漠草原类型数据是在中科院植物所2000年制作的1∶100万全国植被类型数据基础上，完成对内蒙古地区荒漠草原范围的提取。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数字化产品。

图1 内蒙古荒漠草原空间分布Fig.1 Spatial distribution of desert steppe in Inner Mongolia

2.2 相关性分析

利用皮尔逊(Pearson)相关系数分析降水与草地NDVI的相关性。计算公式如下：

(1)

相关系数的检验采用t检验法，统计量计算公式如下：

(2)

式中，n为样本数，n=34。

2.3 滞后性分析

利用滞后相关系数分析内蒙古荒漠草原NDVI对气候响应滞后期，表达式如下：

R=max{|R0,R1,R2,……Rn-1,Rn|}

(3)

式中，R为滞后相关系数，n为样本量。R0,R1,R2,……,Rn分别为NDVI与当前月、前推1个月，2个月至前推n个月的滞后系数。若R=Rn,则NDVI对该气候因子变化响应的滞后期为n月。

选取1982-2015年间，34 a草地生长季(4-9月)的NDVI与月降水、太阳总辐射、气温数据，根据式(3)分别计算4-9月NDVI与1-9月气候因子的相关系数，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 草地的NDVI年内生长变化规律

图2给出了1982-2015年荒漠草原类型月平均NDVI的变化趋势。由图2可知，荒漠草原NDVI变化呈现单峰生长规律。草原植被从4月底到5月快速生长，到8月NDVI值达到最大，9月就开始衰退，到11月彻底枯黄。荒漠草原由于受自然条件和降水的影响，NDVI值一直变化不太明显(0.105～2.210)，但也表现出了一定季节性规律。

图2 内蒙古地区荒漠草地NDVI年内变化Fig.2 NDVI annual variation of desert grassland in Inner Mongolia

3.2 气候因子年内变化规律

图3给出了1982-2015年荒漠草原月平均降水、气温、太阳总辐射的变化趋势，降水、气温、太阳总辐射年内变化都是单峰型。由图3a可知，荒漠草原从1月开始降水量逐渐增加，到8月份达到最大，降水量为53.40 mm，9-12月份开始逐渐下降；由图3b可知荒漠草原气温也是从1月份开始逐渐增加，到7月份气温达到最大值22.75℃，之后开始快速下降；从图3c得出，月太阳总辐射量也是前7个月逐渐递增，到7月份达到最大值860.18 MJ/m2，之后开始快速下降。

注：a降水、b气温、c太阳总辐射。

3.3 荒漠草原降水滞后时间及空间分布

由表1可知，荒漠草原9月份NDVI与1-9月的降水相关性最高的是8月份，其平均相关系数为0.433。由此可得，9月份NDVI与8月份降水有很好的相关性，9月份NDVI对应降水滞后时间为1个月。其中，通过P<0.1显著性检验的面积占整个荒漠草原面积的63.30%，结合图4显著相关空间分布主要集中在锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗，包头，巴彦淖尔的乌拉特中旗、乌拉特后旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等地区；8月份NDVI与1-8月的降水相关性最高的月份是7月份，其平均相关系数为0.480。8月份的滞后时间为也是1个月。其中，通过P<0.1显著相关的区域占整个草原面积的81.47%，结合图4可知，除了阿拉善左旗、鄂托克前旗，显著相关地区几乎覆盖了整个荒漠草原；7月份NDVI与1-7月的降水相关性最高的月份是6月份，其平均相关系数为0.513。7月份的滞后时间也是1个月左右。其中，通过P<0.1显著相关的区域占整个草原面积的93.00%。相关系数和面积占比是所有月份里面最高的，几乎覆盖荒漠草原整个地区；6月份NDVI与1-6月的降水相关性最高的月份是5月份，其平均相关系数是0.486。6月份的滞后时间为1个月。其中，通过P<0.1显著相关的面积占整个草原面积的88.86%，显著相关的区域除了乌拉特前旗和部分乌拉特后旗，覆盖了剩下整个荒漠草原；5月份NDVI与1-5月的降水相关性最高的月份是4月份，其平均相关系数是0.408，5月份的滞后时间也是1个月。显著相关的区域主要分布在锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等地区；4月份NDVI与1-4月的降水显著性不明显，且1-3月平均相关系数为负，4月份正好是草地返青季，由此可见降水并不是草地返青的主导气候因子，导致4月份草地的生长可能还受其他气候因子控制。

表1 荒漠草原生长季(4-9月)NDVI与1-9月降水的相关统计Table 1 Correlation between NDVI and precipitation in desert steppe growing season from April to September

注：X-Y：X为当月NDVI,Y为当月及前推两月降水量。

3.4 荒漠草原气温滞后时间及空间分布

由表2可知，荒漠草原9月份NDVI与1-9月的气温相关性最高的是8月份，其平均相关系数为-0.348，成负相关关系。原因可能是气温升高加速了地表蒸散发，使得水分加速流失，抑制了植被的生长，从而使得NDVI 减小。由此可得，9月份NDVI对应气温滞后时间为1个月。其中，通过P<0.1显著性检验的面积占整个荒漠草原面积的26.17%。结合图5显著相关空间分布主要集中在锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗等地区；8月份NDVI与1-8月的气温相关性最高的月份是8月，其平均相关系数为-0.302，也是负值，说明8月份的高温对植被生长起到抑制作用。8月份气温滞后时间为是0个月。其中，通过P<0.1显著相关的区域占整个草原面积的13.51%，显著相关的面积比较小，说明气温和植被NDVI的关系不是太显著，气温不是影响DNVI变化的主导因子。结合图4可知，显著相关地区主要位于锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗；7月份NDVI与1-7月的气温相关性最高的月份是6月份，其平均相关系数为-0.360，高温对植被生长也起到了抑制作用。7月份的气温滞后时间也是1个月。其中，通过P<0.1显著相关的区域占整个草原面积的24.19%。覆盖地区主要包括锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗和包头的部分地区；6月份NDVI与1-6月的气温相关性最高的月份是6月份，其平均相关系数是-0.326，高温不利于植被的生长，6月份的气温滞后时间为0个月。其中，通过P<0.1显著相关的面积占整个草原面积的25.39%，显著相关的区域覆盖了锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗，包头和巴彦淖尔的乌拉特中旗等部分地区。5月份NDVI与1-5月的气温相关性最高的月份是4月份，其平均相关系数是0.373，相关系数值为正值，结合图2可知5月份草原NDVI是增长最快的月份，4-5月气温不断地升高，为草地的返青提供了有利的条件。5月份的滞后时间为1个月。显著相关的区域主要分布于锡林郭勒盟的苏尼特左旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等地区；4月份NDVI与1-4月的气温相关性最高的月份是4月份，其平均相关系数是0.362，相比同期降水与NDVI相关系数更显著，由此可见，4月份不断升高的气温是草地返青的重要主导因子。4月份的滞后时间为0。显著相关的区域主要分布于锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，巴彦淖尔的乌拉特中旗、乌拉特后旗等地区。总的来看气温和植被NDVI的关系相比降水来说不太显著，气温不是影响DNVI变化的主导因子。气温对草原NDVI的滞后时间为0～1个月。

表2 荒漠草原生长季(4-9月)NDVI与1-9月气温的相关统计Table 2 Correlation statistics of NDVI and air temperature from January to September in desert steppe growing season

注：X-Y：X为当月NDVI,Y为当月及前推2月气温。

3.5 荒漠草原太阳辐射滞后时间及空间分布

表3是整个草原植被生长季(4-9月)NDVI与1-9月平均太阳辐射的相关统计。由表3可知荒漠草原9月份NDVI与1-9月的太阳辐射相关性最高的是8月份，其平均相关系数为-0.393，成负相关关系。和气温一样，过强的太阳辐射抑制了植被的生长，使得NDVI 减小。由此可得，9月份太阳辐射滞后时间为1个月。其中，通过P<0.1显著性检验的面积占整个荒漠草原面积的41.02%，其值比气温占比要大，说明太阳辐射因子比气温因子对NDVI的影响更大。结合图6显著相关空间分布主要集中在锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗，包头，巴彦淖尔的乌拉特中旗等地区；8月份NDVI与1-8月的太阳辐射相关性最高的月份是7月，其平均相关系数为-0.398，也是负值，说明8月份的过高的太阳辐射对植被生长也起到抑制作用。8月份太阳辐射滞后时间为是1个月。其中，通过P<0.1显著相关的区域占整个草原面积的57.92%。结合图5可知，显著相关地区主要位于锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，以及乌兰察布盟的四子王旗，包头，巴彦淖尔的乌拉特中旗、乌拉特后旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等部分地区；7月份NDVI与1-7月的太阳辐射相关性最高的月份是6月份，其平均相关系数为-0.382，说明高强度的太阳辐射对草地的生长不利。7月份的太阳辐射滞后时间也是1个月。其中，通过P<0.1显著相关的区域占整个草原面积的52.62%。覆盖地区主要包括锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，以及乌兰察布盟的四子王旗，包头，巴彦淖尔的乌拉特中旗、乌拉特后旗等地区；6月份NDVI与1-6月的太阳辐射相关性最高的是5月份，其平均相关系数是-0.400，强太阳辐射也不利于植被的生长，6月份的太阳辐射滞后时间为1个月。其中，通过P<0.1显著相关的面积占整个草原面积的53.32%，显著相关的区域覆盖了锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，以及乌兰察布盟的四子王旗，包头，巴彦淖尔的乌拉特中旗、乌拉特后旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等地区；5月份NDVI与1-5月的太阳辐射相关性最高的月份是4月份，其平均相关系数是0.338，相关系数值为正值，说明5月太阳辐射强度是有利于植被的返青。5月份的滞后时间为1个月。显著相关的面积比较小，表明4月份太阳辐射与5月份NDVI 显著关系不是太强，零星分布于锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗，包头，巴彦淖尔的乌拉特中旗、乌拉特后旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等地区；4月份NDVI与1-4月的太阳辐射显著性不明显，太阳辐射不是主导草地返青的主导因子。

4 结论与讨论

4.1 讨论

荒漠草原NDVI 对气候因子的响应存在一定的滞后性，且不同学者研究结论差异比较大[25]。张颖等[26]研究发现三江源地区荒漠草原受降水影响较大，在月尺度上草地覆盖度对气温表现出明显的滞后效应，而降水滞后效应不明显；李晓兵等[27]认为内蒙古荒漠草原分布区夏季的降水对当年植被生长的影响最明显；王举凤等[18]认为内蒙古荒漠草原植被覆盖度对降水量存在明显的 1～2个月滞后和累积效应，且表现出越干旱的草原类型滞后效应越明显的特征，荒漠草原植被对降水量变化更加敏感；王雨晴等[23]认为内蒙古荒漠草原的月NDVI对降水、温度存在1～2个月滞后效应，且降水对NDVI 的影响大于温度；刘成林等[28]通过气象站点资料收集方式研究发现二连浩特、苏尼特左旗、朱日和荒漠草原NDVI对降水滞后时间都为 64 d以上，那仁宝力格和多伦滞后48 d；李霞等[29]也是通过气象站数据研究荒漠草原气候因子时滞效应，结果发现NDVI对降水滞后时间1个月，气温的滞后时间不明显。草原NDVI与当月的气温相关关系最强，且气温在植被生长季前期与NDVI成正相关，中后期成负相关关系，这个结论与本文的研究基本一致。由此可见，目前绝大多数研究主要集中在水热滞后性方面，而本研究发现太阳辐射对荒漠草原植被NDVI影响要大于气温的影响，且与气温对NDVI响应比较类似，也是在植被生长季前期与NDVI成正相关，中后期成负相关关系，滞后时间为1个月。NDVI与降水的相关最强，滞后也是1个月。NDVI与气温的相关关系在三者中最弱，滞后约0～1个月。总的来看，以上结论有的和本研究一致，有的不同，主要原因可能是研究区域不一致，也可能是数据、研究方法不同造成的。

表3 荒漠草原生长季(4-9月)NDVI与1-9月太阳辐射的相关统计Table 3 Correlation statistics of NDVI and solar radiation from January to September in desert steppe growing season

注：X-Y：X为当月NDVI,Y为当月及前推2月太阳辐射。

本文在研究内蒙古荒漠草原对将气候因子的滞后性时，使用的是34 a(1982-2015)跨度的栅格数据，实现了逐栅格像元分析，并进行了空间分布格局的研究。气候因子包含了降水、气温、太阳辐射，比较全面地研究了气候因子对荒漠草原NDVI变化影响和时间滞后的问题。但也存在栅格数据的分辨率比较低，GIMMS NDVI数据分辨率为8 km，而ECMWF-ERA5气象数据可以达到12 km多。影响植被生长的因子众多，本研究仅探讨了气候因子与 NDVI的相关关系，如土壤、地形等其他非气候因子对 NDVI的影响未考虑进去，这些都有待下一步的研究和改进。

4.2 结论

利用1982-2015年的GIMMS 月度NDVI、ECMWF-ERA5月度降水、气温、太阳辐射数据，对内蒙古地区荒漠草原NDVI的气候因子滞后性进行研究。

荒漠草原NDVI、降水、气温、太阳总辐射年内变化都是单峰型。草原到8月NDVI值达到最大，NDVI值(0.105～2.210)年内变化不太明显；降水8月份达到最大，降水量为53.40 mm；气温7月份达到最大值22.75℃；太阳总辐射也是7月份达到最大值860.18 MJ/m2。

荒漠草原生长季植被的 NDVI与降水的滞后性分析表明，5-9月NDVI与降水相关关系比较显著，滞后时间为1个月，显著相关的区域主要分布在锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗，鄂尔多斯的杭锦旗、鄂托克旗等地区。4月份NDVI与1-4月的降水不显著，降水不是草地返青的主导气候因子。

荒漠草原生长季植被的 NDVI与气温的滞后性分析表明，6-9月份草原NDVI与气温成负相关，滞后时间为0～1个月。显著相关的区域主要位于锡林郭勒盟的苏尼特左旗、苏尼特右旗，乌兰察布盟的四子王旗等地区；4-5月份草原NDVI与气温成正相关，升高的气温有利于草原植被的生长，该季气温的回升是导致植被返青的主要因子。

荒漠草原生长季植被的 NDVI与太阳辐射的滞后性分析表明，6-9月份草原NDVI与太阳辐射成负相关，过强的太阳辐射，不利植被的生长，滞后时间为1个月。5月份草原NDVI与太阳辐射成正相关，说明太阳辐射强度有利植被生长，滞后时间为1个月；4月份NDVI与1-4月的太阳辐射关系不显著。