蒙古高原植被稳定性对陆地水储量与气温和降水的响应分析

林新昊，何民华，曾桂香，史秦哲

（1.中原科技学院 土木建筑工程学院，郑州 450008；2.交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心，广州 510220；3.华北水利水电大学 土木与交通学院，郑州 450000；4.西安中交环境工程有限公司，西安 710000）

0 引 言

【研究意义】近百年来全球气候变暖，极端天气事件表现出频率增加、强度加剧、持续时间延长的趋势，人类社会发展与生态环境受到显著影响[1-2]。植被是陆地生态系统最重要的组分之一，具有连接大气、土壤和水文等生态要素的作用，气候变化与生态系统之间响应关系已成为全球生态变化研究热点。蒙古高原地处欧亚大陆中部干旱半干旱气候带，生态环境极为脆弱，是我国北方最重要的绿色生态屏障，对全球气候变化极为敏感[3]。监测和量化蒙古高原植被生态系统以及分析其对陆地水储量和气象要素变化响应的机制是至关重要的，对指导蒙古高原生态环境建设具有重要意义。

【研究进展】然而，在分析蒙古高原生态系统稳定性之前，有2 个关键问题需要解决。首先如何用定量的方法描述生态系统稳定性。“生态系统稳定性”是一个具有多种不同含义的概念。最常见的解释是生态系统遭受压力或扰动后恢复到扰动前的能力[4]。Orians 等[5]定义了稳定性的7 个不同方面：恒定性、持久性、惯性、弹性、振幅、周期稳定性和轨迹稳定性。本研究关注其中最重要的2 个性质：惯性和弹性，分别表示生态系统抵抗扰动的能力和受到扰动后恢复到之前结构或功能的能力。Webster 等[6]将上述2 个术语定义为抵抗力和恢复力，以通过气候异常时刻植被响应的量级来量化。恢复力可以通过受到压力胁迫后恢复到正常状态所需的时间来量化。在各种研究方法中，De 等[7]提出的自相关模型可以同时计算生态系统抵抗力和恢复力，该模型考虑了标准化的短期气候异常和植被遗留或记忆效应。因此，本文应用自回归模型来量化植被生态系统稳定性。第二个问题是如何涵盖蒙古高原总的植被生态系统可用性水指标（包括降水、地表径流、土壤水分和地下水）的空间异质性和时间变异性。干旱或半干旱区降水稀少，地下水和地表径流也是该地区生态系统重要的甚至是主要的供水来源。大量的研究已经表明植被对水分条件的响应主要依靠降水和土壤水分[8-9]。Papagiannopoulo 等[10]通过对降水和土壤水分共同作用下植被对水分条件响应进行了综合研究，表明水分是植被变化的主要驱动力。降水是地表水的主要来源，是探讨水分条件对植被绿度影响最常用的指标。然而，降水只能提供关于地表水条件的间接信息[11]。相比之下，土壤水分可以被植被直接利用，而且与植物的生理变化关系更大。然而，土壤水分大规模调查与监测仍然受到根系区土壤水分检测准确性的制约，而来自地表模型的估计往往具有很高的不确定性[12]。卫星观测为全球水资源动态监测提供了一种可行的方法。2002 年3 月，美国宇航局和德国航空航天中心（DLR）发射了重力恢复和气候实验系统（GRACE），GRACE 卫星提供了陆地总的水储量月变化的全球估计。陆地水储量距平（TWSA）数据反映了地表水、土壤水分、地下水、冰雪融水和生物水等垂直综合蓄水量的变化，已广泛应用于地下水变化、干旱对生态系统影响等水文生态研究领域[13-15]。蒙古高原地处干旱、半干旱地区，降水相对稀少，分析植被稳定性对环境变化的响应必须考虑总的可用性水指标变化，而不仅仅是降水的变化。本文利用GIMMSNDVI数据、气温和降水数据，同时将TWSA引入自回归模型应用于蒙古高原植被稳定性对短期环境要素变化的响应分析。【切入点】以往对蒙古高原植被生态系统与TWSA的研究涉及较少。【拟解决的关键问题】因此，基于GIMMSNDVI数据，本文将气温、降水和陆地水储量（TWSA）作为变量引入自回归模型，其目标是：①研究蒙古高原植被对陆地水储量和气象要素变化的响应。②分析不同植被类型的生态系统恢复力和抵抗力空间分布格局以及影响因素。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

蒙古高原位于欧亚大陆腹地，主要由蒙古国和中国内蒙古自治区组成，总面积为2.74×106km2，位于87°40′—112°15′N，37°46′—53°08′E 之间。蒙古高原属于温带大陆性气候，从西向东由干旱区向半干旱区过度，因其地域广阔，深居内陆，气候类型复杂且多样。年平均降水量约为200 mm，最低气温可达-45 ℃，最高气温可达35 ℃，年平均气温极差很大。平均海拔1 580 m，地势自西向东逐渐降低。蒙古高原有三大生物群落：森林、草地和荒漠，其地理特殊性在于横跨森林、草地和荒地沙漠带，成为研究不同类型植被生态系统对环境要素响应研究的理想地带。如图1所示，森林主要分布在东部山区和西北部山区。受气候、地形影响，草地植被自东向西由草甸草原、典型草原、荒漠草原过渡。草原植被类型丰富，以典型草原、草甸草原和荒漠草原植被为主，几乎占整个地区的1/2[16]。农业植被主要分布在东部和南部平原地区。

1.2 数据源及预处理

1.2.1 GIMMSNDVI

本研究采用了2002—2015 年生长季（每年4—10 月）GIMMS（Global inventory modeling and mapping studies）AVHRR（Advanced very high resolution radiometer）NDVI数据。尽管有更高空间分辨率的成像光谱辐射仪（MODIS）归一化植被指数产品，分辨率为1 km，本文仍然使用AVHRRNDVI3 g产品，因为其是最常用的产品数据，在捕获植被变化时与MODISNDVI有相当的精度[17]。此数据集对云、太阳高度角、仪器视场角、气溶胶的影响进行了校正，保证了数据质量。本研究将多年平均生长期内（4—10 月）NDVI<0.1 的像素作为非植被像素并剔除。最后使用ArcGIS 中的重采样工具，利用Biliner 方法将NDVI数据被重新调整以匹配GRACE 的空间分辨率。

1.2.2 GRACETWSA

TWSA数据来自3 个独立中心（喷气推进实验室、德克萨斯大学空间研究中心和德国研究中心）的release-5球谐产品。网格GRACE数据集可以从GRACE Tellus 网站（http://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/）免费下载。3 种产品均使用历史均值作为基线。在生成这些数据时，对观测到的重力场异常应用逐次滤波（包括去条纹高斯滤波和60 阶滤波），以消除某些球谐系数与高阶球谐系数随机误差之间的相关性所引起的系统误差。在这些操作之后，GRACE 数据的分辨率（最初在300 km 左右）在全球范围内被平滑到1°。GRACE 数据具有粗空间分辨率的缺点，本文参考Wan等[18]基于模型的降尺度方法对GRACE数据进行处理，最后得到连续的、精细的陆地水储量时间序列数据，TWSA的空间分辨率最终被处理为0.25°。

1.2.3 土地利用覆盖数据

本文利用MCD12Q1 土地利用数据识别蒙古高原不同的土地利用类型。数据集可以从网站（http://glef.umd.edu/data/lc/）上免费获取。MCD12Q1土地利用类型数据定义了12 种不同的使用类别。根据研究需求，将相似的植被类型合并，整合成6 种主要类型，由此产生的土地利用类型有森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原、荒漠沙地和农田。

1.2.4 气象站点数据

气象数据来自2002—2015 年蒙古高原172 个站点降水和气温日数据，包括内蒙古自治区115 个站点和蒙古国57 个气象站点。然后将月平均降水数据进行克里金插值，获得整个研究区降水和气温栅格数据，空间分辨率为0.25°。

1.3 研究方法

1.3.1 相关分析法

本文利用Pearson 相关分析法研究蒙古高原植被NDVI与陆地水储量和气象要素的相关性。相关性系数R＞0，则二者呈正相关关系。R＜0，则二者呈负相关关系。R=0，则二者不存在线性相关关系。

1.3.2 自回归模型

本次研究关注植被对短期环境变化的稳定性响应，长期趋势和季节成分都被去除。首先，从月观测值中减去长期月平均值，计算NDVI和环境因子的月距平值。其次，如果有异常时间序列，则从异常时间序列中减去长期线性趋势。最后，通过z-score标准化去除非趋势异常的季节性。自回归模型是参照De 等[7]的方法建立的，但本文引入了TWSA，计算式为：

式中：Yt为t时刻植被NDVI；Yt-1为t-1 时刻植被NDVI；TWSAt为t时刻TWSA；PREt为t时刻降水；TAt为t时刻温度；εt为t时刻残差。

表1 植被稳定性度量指标的意义Table 1 Significance of vegetation stability measurement index

通过自回归模型可以计算得到生态系统稳定性的各个度量指标α、β、γ和δ。α表示生态系统的恢复力稳定性，α绝对值越大，当前的NDVI异常值与之前的NDVI异常值有较强的相关性，生态系统的恢复力稳定性越低，表明植被恢复的越缓慢，反之亦然。β、γ和δ表示NDVI异常对TWSA、降水和气温的抵抗力稳定性。β、γ和δ绝对值越大，植被对环境变量变化的响应越敏感，植被抵抗力稳定性越弱，反之亦然。自回归模型应用于蒙古高原中所有像素点可以得到表征生态系统恢复力稳定性和抵抗力稳定性的度量指标（α、β、γ和δ），去除系数不显著的预测变量（P>0.05）。

2 结果与分析

2.1 相关性分析

图2为蒙古高原植被NDVI与前一时期植被NDVI及其TWSA、降水和气温的相关性空间分布图，图2（a）显示了植被NDVI与前一时期的NDVI的相关性空间分布图，NDVI与前一时期的NDVI的相关性可以表征植被的遗留效应和记忆效应。可以发现，整个蒙古高原的植被生长中观察到中度或强烈的记忆效应，R值的分布范围为0.04～0.62之间，95%的区域通过90%的显著性检验（P>0.05）。图2（b）显示了NDVI与TWSA的相关性空间分布图，植被NDVI与TWSA的相关系数介于-0.21～0.61之间，植被NDVI与TWSA呈正相关的面积占总面积的75%，主要分布在蒙古高原中部典型草原和荒漠草原区域；呈负相关的面积占总面积的25%，主要分布在研究区的南部地区和西北部地区，呈现出蒙古高原外围区域相关性低于蒙古高原内部区域的特点。对TWSA与植被NDVI的相关性系数进行了显著性T检验，由图2（b）可知，TWSA的相关系数有68%通过P<0.05水平的检验，显著正相关区域主要分布在研究区的中部腹部区域的典型草原区和荒漠草原区，表明这些区域的水储量变化会显著影响植被生长。主要原因是此区域的植被类型主要是稀疏的灌丛和草地，降水稀少，所以植被主要利用土壤水分和地下水，TWSA对此区域的植被是至关重要的。显著负相关区域主要分布在内蒙古地区南部和蒙古高原的西北部地区，在内蒙古地区南部这些地区自然环境恶劣，植被覆盖率低，生态环境脆弱，加上强烈的人为扰动使此区域的地下水资源严重缩减，从而导致陆地水储量急剧下降。所以这些地区TWSA与植被NDVI呈显著负相关与人类活动有关。蒙古高原的西北部地区地势较高，地势的起伏成为影响TWSA与植被NDVI相关性的主要因素。图2（c）为NDVI与降水和气温的相关性空间分布图，由图2（c）、图2（d）可以发现，植被NDVI与降水的相关系数介于0.26～0.86之间，植被NDVI与温度的相关系数介于0.25～0.94之间。降水和气温对整个区域的植被生长影响比较广泛，降水和气温的变化会显著影响研究区植被生长。

图2 蒙古高原生长季NDVI 与前一时期的NDVI、TWSA、降水和气温相关性的空间分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in growth season and NDVI, TWSA, precipitation and temperature in the previous period on Mongolian Plateau

2.2 蒙古高原生态系统稳定性的空间分布

图3 为蒙古高原生长季植被恢复力稳定性和抵抗力稳定性的空间分布图（图中不显著区域（P>0.05）的植被像素用灰色表示），图3（a）显示了植被的恢复力稳定性的空间分布，植被几乎在整个蒙古高原显示出强烈的恢复力稳定性，几乎所有类型植被像素都显示出较强的恢复力稳定性，其中恢复力稳定性较强的区域分布在蒙古高原东北部、北部以及内蒙古中部。图3（b）显示了对TWSA抵抗力稳定性空间分布，研究区大多数区域都表现出对TWSA抵抗力稳定性不显著，仅有33.1%的植被像素表现出对TWSA显著的抵抗力稳定性，植被抵抗力稳定性显著区域主要分布在蒙古高原中部、东部以及西北部的典型草原和荒漠草原区。图3（c）显示了对降水抵抗力稳定性空间分布，蒙古高原东北部大兴安岭森林区对降水的抵抗力稳定性指标值最小，此区域植被对降水的变化具有较强的抵抗力稳定性。图3（d）显示了对气温抵抗力稳定性空间分布，蒙古高原东北部大兴安岭森林区对降水的抵抗力稳定性指标值最大，此区域植被对气温的变化具有较弱的抵抗力稳定性。而在蒙古高原中部的荒漠草原区对降水的抵抗力稳定性指标值最小，此区域植被对气温的变化具有较强的抵抗力稳定性。

图3 蒙古高原生长季α、β、γ 和δ 的空间分布Fig.3 Mongolian Plateau growth season spatial distribution of α, β, γ and δ

图4 为蒙古高原生长季不同植被类型的恢复力稳定性和抵抗力稳定性统计。森林和草甸草原区表现出较强的恢复力稳定性（图4（a））。除荒漠草原外，其他植被类型都表现出较强的对TWSA的抵抗力稳定性（图4（b））。森林和草甸草原区表现出较强的对降水的抵抗力稳定性（图4（c））。荒漠草原和典型草原区表现出较强的对温度的抵抗力稳定性（图4（d））。

图4 蒙古高原生长季不同类型植被的恢复力稳定性和抵抗力稳定性统计Fig.4 Statistical chart of resilience stability and resistance stability of different types of vegetation in the growth season of Mongolian Plateau

2.3 生态系统稳定性的影响因素分析

图5 为蒙古高原平均生长期植被NDVI、TWSA与恢复力稳定性指标、抵抗力稳定性指标的回归分析（图中蓝色曲线表示所有土地覆盖数据的回归线），植被恢复力指标在植被稀疏地区较高，随着平均生长期NDVI的增加呈幂函数递减（R2=0.587，图5（a））。植被恢复力指标与平均生长季TWSA没有发现显著相关性（图5（b））。植被稀疏地区植被抵抗力稳定性指标较高，随着平均生长期NDVI的增加呈幂函数递减（R2=0.223，图5（c））。植被抵抗力指标与平均生长季的TWSA没有显著相关性（图5（d））。

图5 蒙古高原平均生长期NDVI、TWSA 与恢复力稳定性指标、抵抗力稳定性指标的相关性Fig.5 The correlation between the average growth period NDVI, TWSA and the resilience stability index and the resistance stability index on the Mongolian Plateau

3 讨 论

本文基于NDVI和TWSA遥感数据以及气温和降水数据研究蒙古高原植被稳定性对TWSA和气温降水变化的响应，对植被NDVI与水热条件响应研究进行补充，旨在提高对大尺度植被生态系统对环境要素响应的理解。之前关于蒙古高原植被与环境要素之间响应关系的研究多集中于气温和降水[19-22]，对TWSA研究较少，没有考虑到其他可用水指标的影响，这可能会在半干旱和干旱生态系统估计中产生偏差。陆地水储量可以为植被的生长和发育提供良好的水分和能量来源，对植被生理变化的许多过程及反馈都有着显著的影响，尤其在干旱半干旱地区。在分析旱地植被生长时非直接降水源具有重要作用，干旱半干旱地区降雨稀少，维持植被生长的水源主要来自土壤水、地下水和冰雪融水，这些非直接降水源对植被的生长是至关重要的[23]。研究表明，在蒙古高原的部分地区，植被NDVI对TWSA的敏感性高于对降水的敏感性。研究结果证实了TWSA作为研究植被绿度对水文响应指标的基本可行性。气温和降水对植被生态系统影响更为广泛，而在某些特定的区域TWSA提供了更直接的信息，可以更好地解释植被的变化，是研究植被变化对陆地水分状况影响的理想指标，有助于提高对局部地区植被对可用水指标响应机制以及碳循环的认识[24]。然而，本研究仅对TWSA与生长季植被NDVI关系进行了初步研究，还需要对一些特定领域进行更深入的研究。

由于恢复力是衡量生态系统恢复到其正常状态的能力，因此，生态系统从受干扰到恢复之前状态的恢复能力成为植被恢复力空间格局的决定因素。在降水较多的地区，土壤水分在较短时间内被补充的概率较大，生态系统植被恢复能力较强。对于炎热干燥地区，高温会抑制植被生长，导致这些地区的植被恢复力普遍较低。TWSA反映了土地中存储的所有类型的水，因此TWSA中的异常变化可能来自总的水储量中的任何组分（如地表水、土壤水和地下水），但是不能很好地反映以降水为特征的短期补水速率的空间变化。不同的根系特征也决定了不同的水分利用策略，这可以有效解释灌丛与草地和农田相比对降水敏感性的不同[25]。地下水的缺乏会影响根系比较大的植被却对短根植物没有影响。草本植物的根系较浅，因此，其对降水更敏感，甚至对半干旱或干旱地区严重干旱后的小型再润湿事件也更敏感，这与Bai 等[19]研究一致，中亚地区干旱半干旱地区也出现了同样的结果。

本文研究结果为研究存在大规模人类活动干扰的蒙古高原地区植被与水关系提供了新的视角。大规模稳定性度量可以支持生态管理。一方面，由于水储量对植被生长非常重要，所以水储量的变化可以预示未来此区域植被的状态。蒙古高原大部分区域的TWSA均呈下降趋势[14]，表明该地区存在植被退化的威胁。监测和分析水储量变化的驱动因素以及提前预防这种状况对研究区生态系统保护是至关重要的。考虑到陆地水储量在蒙古高原特定区域对植被生长具有重要作用，减少当地的水消耗对于防止干旱和半干旱生态系统走向不可逆状态并实现其可持续发展具有重要意义。其中，农业（特别是灌溉农业）高度依赖人类对水、能量和养分的投入，可显著改变水可用性的空间格局。从这个角度看，在干旱半干旱地区发展灌溉农业应高度谨慎，改变传统灌溉方式以及提高水资源利用率可能缓解水分胁迫后的自然生态系统。另一方面，植被稳定性的制图可以识别出高度脆弱的区域（图3），有助于识别和标记这些热点区域，为管理决策提供基础数据。本文利用自回归模型，在明确考虑短期水储量异常的情况下，量化植被的抵抗力和恢复力指标。该方法有助于识别短期水储量和气温降水异常引起的生态系统脆弱区域，从而为植被生态系统管理和决策服务，并能更好地了解影响植被生态系统变化的环境因素。

4 结 论

1）2002—2015 年蒙古高原生长季植被NDVI与TWSA的相关系数介于-0.21～0.61 之间，呈正相关的面积占总面积的75%，主要分布在蒙古高原的中部典型草原区和荒漠草原区；呈负相关的面积占总面积的25%，主要分布在研究区的南部地区和西北部地区。TWSA的相关系数有61%通过P<0.05 水平的检验，显著相关区域主要分布在研究区腹部的典型草原和荒漠草原区域。

2）2002—2015 年蒙古高原99.2%的植被像素显示出强烈的恢复力稳定性，而35.1%的植被像素表现出对TWSA显著的抵抗力稳定性，植被抵抗力稳定性显著区域主要分布在典型草原和荒漠草原；林地、草甸草原和典型草原都表现出较强的恢复力稳定性。

3）植被恢复力指标在植被稀疏地区较高，随着生长期NDVI的增加呈幂函数递减。植被稀疏地区植被抵抗力稳定性指标较高，随着生长期NDVI的增加呈幂函数递减。蒙古高原东北部大兴安岭森林区对降水的变化具有较强的抵抗力稳定性，蒙古高原中部的荒漠草原区对气温具有较强的抵抗力稳定性。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）