内蒙古生态屏障区植被覆盖变化及降水、气温对其的影响1)

胡屾 胡娟娟 郑晔施 康乐 毛学刚

(国家林业和草原局华东调查规划院,杭州,310001) (东北林业大学)

植被是覆盖地表的植物群落的总称,如乔木、灌木、竹林、草地等,它具备净化大气、涵养水源、调节气候、水土保持等作用[1]。植被是陆地生态系统的重要组成部分,既是全球气候变化的承担者、反馈者,也是评估荒漠化、植物生长状况的最有效指标[2-4]。通过植被覆盖度可以有效监测地表植被状况的变化[5],从而对陆地植被质量和植被群落生长进行评价[6]。在陆地生态系统中,气候是决定地球植被类型和分布的主要驱动因素。同时,植被也是该地区气候特征的反应和表征,两者之间有着密不可分的联系[7]。因此,植被与气候之间的互相作用关系对于研究气候变化与陆地生态系统之间的关系具有重要的现实意义,现在已成为全球变化研究的主要内容之一[8]。

植被覆盖度获取方式主要包括地面测量、遥感监测以及两者的结合[9-10]。近年来,遥感监测技术在各个领域已经得到了广泛的应用,也为众多学者在植被覆盖度的监测方面提供了巨大的帮助。目前已经定义了40余种植被指数类型,如垂直植被指数(PVI)、归一化植被指数(NDVI)、土壤调节植被指数(SAVI)等[11]。目前应用最广泛的一种植被指数是归一化植被指数(NDVI),也被称为标准化植被指数。归一化植被指数通过测量近红外(植被强烈反射)与红光(植被吸收)之间的差异来量化植被,从而反映植物量、植被覆盖及生长活力等[12]。近年来,国内外有大量学者利用归一化植被指数的数据开展了一系列研究,主要集中于3个方面:①通过时间序列分析归一化植被指数的变化规律[13-14];②通过分析气象因子对归一化植被指数的影响[15-16];③通过分析土地利用类型对归一化植被指数的影响[17-18]。Md et al.[19]通过研究孟加拉国巴尔古纳地区1990—2017年归一化植被指数和土地覆盖数据中红树林植被变化,研究结果表明,红树林植被覆盖率有先升高再降低再升高的过程,并且最后一次升高是机构为了保护红树林而种植。杨艳萍等[20]利用2000—2018年的归一化植被指数数据,研究了广西植被归一化植被指数时空变化特征,并分析了不同土地利用类型时,归一化植被指数与气候因子的关系,结果表明,2000—2018年广西植被归一化植被指数呈增加趋势,气温、降水量对植被归一化植被指数产生正向影响;不同土地利用类型时,气候对植被归一化植被指数的影响是不同的。潘耀等[21]对青藏高原腹地的黄河源地区生态环境脆弱、生态系统退化等问题进行研究,认为生境质量和归一化植被指数总体空间分布一致,而且归一化植被指数的变化主导着区域生境质量的变化。Esau et al.[22]通过分析2000—2014年间28个城市及周边归一化植被指数变化趋势,研究表明城市化破坏了发达地区及其周围5～10 km的植被覆盖,新开发地区归一化植被指数减少的幅度最大,而旧地区的植被覆盖率有所恢复,并在逐渐加快。

由于内蒙古自治区幅员辽阔,地跨华北、东北、西北三区,植被覆盖类型丰富,四季分明,并且沙漠、草原、森林都具有重要的科研价值,随着全球气候的变化,内蒙古地区的降水量、气温等受到影响。因此,对研究区近几年的植被进行长时间序列的时空分析具有重要的意义,可以为气象、农业、生态系统的研究提供一定的基础和思路。本研究以内蒙古自治区为研究区,利用2010—2019年SPOT-VGT归一化植被指数数据、CRU TS气候数据集、GlobeLand30(30 m全球地表覆盖数据)地表覆盖数据,采用斜率分析法、相关分析法,分析10 a来植被覆盖的年际变化及其与降水量、气温的相关性。

1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国的北部边疆(地理坐标:东经97°12′～126°4′、北纬37°24′～53°23′),由东北向西南斜伸,呈狭长形,东西长约2 400 km,南北最大跨度1 700多km,是中国北方重要生态屏障。内蒙古自治区总面积为118.3万km2,占中国土地面积的12.3%。地貌以高原为主,大部分地区海拔在1 000 m以上,气候以温带大陆性气候为主,夏季气温在25 ℃左右,冬季中西部最低气温低于-20 ℃,东部林区最低气温低于-50 ℃。其植被类型主要有针叶林、落叶阔叶林、草原、荒漠植被等,其中以草原植被为主要植被类型。东部的大兴安岭拥有丰富的森林植物及草甸、沼泽与水生植物。中部的阴山山脉及西部的贺兰山不但兼有森林和草原植物,而且还有草甸、沼泽植物。广大的高平原和平原地区则以草原与荒漠旱生型植物为主,只含有少数的草甸植物与盐生植物[23]。内蒙古自治区地域辽阔,土壤种类较多,土壤带基本呈东北-西南方向排列,最东为黑土壤地带,最西为风沙土地带和灰棕漠土地带。其中黑土壤的自然肥力最高,结构和水分条件良好,易于耕作,适宜发展农业[24]。

2 研究方法

本研究采用植被的归一化植被指数数据表征植被覆盖,归一化植被指数采用的是SPOT-VGT归一化植被指数数据产品,空间分辨率为1 km,时间序列为2010—2019年。该数据产品采用红色、近红外、短波红外、蓝色4个波段,预处理包括大气校正、几何校正、辐射校正等方法。该数据是在旬数据基础上采用最大值合成法,生成中国地区月度的归一化植被指数数据,其目的是减少大气、太阳高度角、云层遮挡等影响。该数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn)。本研究采用均值法对各月数据集进行处理,获得归一化植被指数的多年月平均、季平均、年平均数据集。气象数据(气温、降水量)来源于英国国家大气科学中心(NCAS)制作的CRU TS气候数据集,时间序列为2010—2019年。地表覆盖数据通过全球30 m地表覆盖(GlobeLand30)数据集(www.webmap.cn)获取,采用国际地圈生物圈计划(IGBP)土地覆盖定义的17类,包括11类自然植被分类、3类土地利用和土地镶嵌以及3类无植生土地分类绘制。本研究根据土地覆盖类型进行统一整理和截取,将研究区划分为耕地、林地、草地3类。以上数据集均通过格式转换、掩膜提取、剪裁等预处理,最终制作成内蒙古自治区的归一化植被指数、气候、土地利用数据集。

植被覆盖分区:采用等间距重分类方法,将研究区内年最大归一化植被指数划分为6个等级,进行植被覆盖时空变化研究(表1)[25]。

表1 植被覆盖分区及分类标准

植被覆盖趋势分析:本研究利用趋势分析(一元线性回归),分析2010—2019年研究区植被的归一化植被指数变化趋势(公式1)。为准确分析研究区内植被变化状况,参考已有研究[26-28],将Slope值分为5个等级[29](表2)。

表2 趋势分析(一元线性回归)的植被覆盖变化分类标准

(1)

式中:趋势分析(一元线性回归)为归一化植被指数的变化趋势;xk为第k年归一化植被指数的平均值;k为研究时间段内的年数(1～n);Slope>0表示植被覆盖呈增加趋势,Slope<0表示植被覆盖呈减少趋势,Slope=0则表示植被覆盖并无明显变化。

相关分析、偏相关分析:本研究采用Pearson相关分析(公式2),对像元归一化植被指数与气候因子(气温、降水量)进行单气候因子相关性分析。若R>0,则表示两者呈正相关;若R<0则表示两者呈负相关;若R=0,则表示两者不存在线性相关关系。

(2)

不考虑未利用要素的影响,单独研究两要素之间相关程度的方法为偏相关分析(公式3),可以控制未利用气候因子,分别研究归一化植被指数与降水量、气温的偏相关系数。

(3)

式中:Rxyz为固定变量z后,变量x与变量y偏相关系数,其取值范围为[-1,1],Rxyz>0表明两个变量呈正相关,Rxyz<0表明两个变量呈负相关,Rxyz=0表明两个变量不存在线性相关性。

3 结果与分析

3.1 植被归一化植被指数的时间变化

10 a来,研究区植被归一化植被指数的年平均值变化整体呈上升趋势(图1),时间上大致分为4个阶段,第一阶段为快速上升期(2010—2012年),增长率为11.0%;第二阶段为缓慢下降期(2012—2016年),下降率为9.7%;第三阶段为快速上升期(2016—2018年),增长率为10.5%;第四阶段为快速下降期(2018年),下降率为6.1%。

图1 研究区植被的归一化植被指数平均值年级变化趋势

3.2 植被归一化植被指数的空间分布

研究区植被归一化植被指数空间分布差异明显,其整体呈现“东高西低”的分布特征(图2)。植被的归一化植被指数高值区主要分布在呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市,其中呼伦贝尔市的归一化植被指数值最高(0.793,表3)。归一化植被指数低值区主要分布在阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市,该区域分布三大沙漠,植被覆盖率低,因此归一化植被指数值相对较低,其中阿拉善盟归一化植被指数值最低(0.096)。由于归一化植被指数主要集中在[0,0.2]、(0.8,1.0]这2个区间内,所以将其划分为[0,0.2]、(0.2,0.5]、(0.5,0.8]、(0.8,1.0]这4个范围,其中[0,0.2]占研究区面积的25.64%,(0.2,0.5]占研究区面积的25.42%,(0.5,0.8]占研究区面积的29.14%,(0.8,1.0]占研究区面积的19.8%(图3)。

图2 研究区植被的归一化植被指数空间分布

图3 年度归一化植被指数的趋势分析(一元线性回归)空间分布

表3 2010—2019年研究区各地市的归一化植被指数

3.3 植被归一化植被指数的变化趋势空间格局

根据研究区植被归一化植被指数空间变化趋势的实际情况(图4),对其变化斜率进行重分类,并统计得到植被归一化植被指数不同变化趋势类型的像元数及其占比(表4,研究区共1 140 662个像元数,每个像元数代表面积约为1.04 km2)。2010—2019年,明显退化中退化面积最大的年份为2013—2014年,归一化植被指数的明显退化像元数所占比例达40.59%,主要分布于中部及西部地区;轻度退化中退化面积最大的年份也为2013—2014年,归一化植被指数的轻度退化像元数所占比例为19.17%,主要分布于阿拉善盟、巴彦淖尔市;保持稳定面积最大的年份为2014—2015年,归一化植被指数的保持稳定像元数所占比例为32.98%,主要分布于阿拉善盟、巴彦淖尔市西部、呼伦贝尔市东部;轻度改善面积最大的年份为2011—2012年,归一化植被指数的轻度改善像元数所占比例为15.58%,主要分布于兴安盟、通辽市、阿拉善盟;明显改善面积最大的年份为2011—2012年,归一化植被指数的轻度改善像元数所占比例为15.58%,主要分布于除阿拉善盟西北部、呼伦贝尔市以外的区域。

图4 研究区2010—2019年气候因子空间分布

表4 2010—2019年研究区植被覆盖趋势分析结果

总体来看,内蒙古植被的归一化植被指数整体呈稳定趋势,其中0.12%的国土区域面积明显退化,5.19%的区域面积轻度退化,退化区域主要集中在呼伦贝尔市西部、锡林郭勒盟中部地区;11.23%的区域面积轻度改善,0.28%的区域面积明显改善,改善区域主要分布在兴安盟、通辽市西北地区、赤峰市东北地区、乌兰察布市、呼和浩特市、鄂尔多斯市东北地区。

根据归一化植被指数年际变化Slope值分析,相对稳定的区域为阿拉善盟和呼伦贝尔市的中、东部地区,由于沙化土地占阿拉善盟总面积的40%以上,年均气温、降水量对其影响较弱,且植被分布较少,致使归一化植被指数年际变化不大[30];呼伦贝尔市的中部为大兴安岭林区,植被及气候较为稳定,东部是以种植业为主的农业经济区,有浇水、灌溉等人为活动,土壤水分获取稳定,归一化植被指数变化微弱。波动较为剧烈的区域是内蒙古中部地区、呼伦贝尔市西部,这些地区均以草原分布为主,对气温、降水量的变化较为敏感,尤其是降水量,有研究表明降水量对植被的生长作用是气温的1.9倍[31]。

3.4 植被覆盖与气温、降水量的关系

2010—2019年研究区年平均气温4.3 ℃,其中,2017年气温最高(5.0 ℃),2012年气温最低(3.2 ℃)。2010—2019年研究区年平均降水量为240～356 mm,其中,2012年降水量最高(355.22 mm),2017年降水量最低(240.59 mm)。通过构建气温、降水量的空间分布图(图5),可以看出,阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市年平均气温相对较高,年均气温8.4 ℃,内蒙古东部气温最低,尤其是呼伦贝尔市,年平均气温-1.1 ℃;研究区降水量由西向东逐渐增加,呼伦贝尔市东部、兴安盟降水量最高(437.59 mm),阿拉善盟降水量最低(100.01 mm)。

图5 年尺度归一化植被指数与气候因子相关性

研究区植被的归一化植被指数与气温主要呈正相关,单相关系数为-0.216,偏相关系数为0.152;与降水量呈显著正相关,单相关系数为0.764(P<0.01),偏相关系数为0.757(P<0.05)。表明在年际变化尺度上,降水量对研究区整体区域的归一化植被指数的影响比气温更大(图5)。

图6为2010—2019年研究区像元尺度的归一化植被指数与气温、降水量的相关性空间分布。归一化植被指数与气温、降水量呈正相关的面积分别为497 700、734 500 hm2,占研究区总面积的42.07%、62.09%。归一化植被指数与气温、降水量呈负相关的面积分别为685 300、448 500hm2,占研究区总面积的57.93%、37.91%。因此,归一化植被指数与降水量的正相关性更强,绝大部分区域与降水量呈正相关关系,说明降水量是影响研究区归一化植被指数的主要因素,负相关区域主要分布于阿拉善盟、呼伦贝尔市的东部;归一化植被指数与气温的负相关性更强,正相关区域主要分布在内蒙古的东部地区,包括呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市。

图6 2010—2019年研究区植被归一化植被指数与气候因子的相关性空间分布

结合气候因子分析,归一化植被指数受降水量、气温变化影响显著[32-34],2012—2016年在气温大幅升高而降水量大幅降低的同时,植被归一化植被指数持续降低,是持续的高温和降水量的减少打破了内蒙古地区蒸发量与降水量之间的平衡状态,使蒸发量变大,导致低降水量地区更加干旱,抑制植被的生长[35]。2016—2019年气温在高位震荡,但幅度并不大,降水量和植被归一化植被指数却在大幅升高,此时适宜的水热效应(降水量多、气温稳定)有利于植被的生长,致使归一化植被指数值升高。

3.5 不同土地利用类型与气温、降水量的关系

图7、表5为2010—2019年研究区土地利用分布和转移。2010—2019年耕地、草地所占比例有所增加,林地所占比例有所减少。耕地比例从9.93%增加到9.95%,草地比例从46.03%增加到46.06%,林地比例从14.45%下降到14.43%。

图7 研究区2010年、2019年土地利用状况分布

表5 研究区2010年、2019年土地利用结果

气候因子对不同土地利用类型的归一化植被指数的影响是不同的。对耕地、林地、草地植被的归一化植被指数与气温、降水量进行检验(表6)。耕地植被的归一化植被指数与降水量呈显著正相关(单相关性),草地植被的归一化植被指数与降水量呈显著正相关(单相关性、偏相关性),降水量对林地植被的归一化植被指数影响较小;林地植被的归一化植被指数与气温呈显著正相关(单相关性、偏相关性),气温对耕地、草地植被的归一化植被指数影响较小。

表6 不同土地利用类型时归一化植被指数与气候因子的相关系数

土地利用的变化主要表现为耕地、草地面积的上升,林地面积下降。耕地面积增加主要与土地复垦、黄河内蒙古段沿岸耕地面积增加、对低产田进行改造等活动有关;草地面积增加主要与沙地的治理、退耕还草及各种类型自然保护地的管护成效有关,对草场的保护起到了很大的作用。林地对于气温、草地对于降水量在偏相关系数方面均呈显著正相关,这是因为林地植被根系发达,在吸收、维持水分方面具有较强的调节能力,所以对于气温更加敏感,而草原区水资源短缺,土壤渗透性强且地表蒸发量大,气温对植被的影响不如降水量敏感[36-37]。

4 结论

2010—2019年内蒙古自治区研究区的归一化植被指数呈现上升趋势,但空间差异明显,呈现东高西低的区域分布特征;植被覆盖明显退化、明显改善面积最大的年份分别为2013—2014年、2011—2012年,主要集中于内蒙古中部地区;阿拉善盟、呼伦贝尔市东部是内蒙古植被归一化植被指数相对稳定的区域;内蒙古自治区在不同土地利用类型时,降水量与林地、草地的归一化植被指数呈正相关,气温对林地的影响较为强烈。