岳勝如等

摘要：內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，氣候影響下的植被覆蓋度變化和氣象驅(qū)動(dòng)力是該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的主導(dǎo)因子?；谶b感MOD13 A2獲取內(nèi)蒙古中部2000-2012年歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)近13年內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度變化，并對(duì)與植被生長(zhǎng)相關(guān)的氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，2000-2012年內(nèi)蒙古中部平均植被覆蓋度在波動(dòng)中呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，平均每年增長(zhǎng)1.29個(gè)百分點(diǎn)；覆蓋度變化與年降雨量和7、8月降雨量呈極顯著正相關(guān)，與7、8月平均溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與年均溫度、風(fēng)速相關(guān)程度低。

關(guān)鍵詞：遙感；植被覆蓋度；氣象因子；農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）07-1574-04

植被覆蓋度是指觀測(cè)區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占地表總面積的比例，是反映植被數(shù)量的重要參數(shù)，也是描述生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)。內(nèi)蒙古自治區(qū)作為我國(guó)北部重要的生態(tài)屏障，擁有全國(guó)最大的草原和林區(qū)。近年來，受全球氣候變化的影響，天氣災(zāi)害、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、農(nóng)業(yè)生物災(zāi)害呈頻發(fā)趨勢(shì)。農(nóng)牧業(yè)主要依賴自然條件再生產(chǎn)的物質(zhì)生產(chǎn)元素，受天氣氣候條件影響很大，某種程度上，氣象條件成為決定農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)豐歉的重要因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在植被遙感覆蓋度監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)因子上做了大量的研究工作。苗正紅等[1]基于MODIS NDVI對(duì)吉林省植被覆蓋度動(dòng)態(tài)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)；韓佶興[2]對(duì)2000-2010年?yáng)|北亞地區(qū)植被覆蓋度變化進(jìn)行了研究；劉超[3]對(duì)內(nèi)蒙古阿拉善東南部地區(qū)20年來植被覆蓋度及生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了研究；鄧慧平[4]將降雨看作是草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主導(dǎo)因子，建立了松嫩草原生產(chǎn)力模型。對(duì)于農(nóng)牧交錯(cuò)、生態(tài)系統(tǒng)脆弱的內(nèi)蒙古中部區(qū)域，研究其植被覆蓋度變化和氣象驅(qū)動(dòng)力對(duì)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，以生態(tài)比較脆弱的內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯(cuò)帶為研究區(qū)，基于多年MODIS遙感數(shù)據(jù)來分析該區(qū)域植被覆蓋度變化，并對(duì)植被生長(zhǎng)相關(guān)的氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（圖1）位于東經(jīng)104°52′-124°11′，北緯37°23′-46°59′，包括除呼倫貝爾盟、阿拉善盟外的內(nèi)蒙古其余盟市，總面積65.15萬(wàn)km2。以高原為主，高原的外沿分布著河套平原和遼嫩平原，平均海拔1 000 m，年均降雨量300 mm，年平均氣溫4.8 ℃，以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳌?nèi)蒙古中部為農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的交錯(cuò)區(qū)，河套平原和遼嫩平原為主要農(nóng)耕區(qū)，大部為草原，從東到西依次為草甸草原、典型草原、荒漠草原，植被覆蓋度也隨之降低，呈現(xiàn)明顯的條帶性分布。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。查詢獲得近13年來東烏珠穆沁等18個(gè)研究區(qū)域內(nèi)氣象站的年降雨量、年平均氣溫、年平均風(fēng)速、每年7、8月降雨量、7、8月平均氣溫及平均風(fēng)速。

2.2 植被指數(shù)數(shù)據(jù)

本研究采用美國(guó)航空航天局（NASA）提供的MOD13 A2 1 km 16 d合成的歸一化植被指數(shù)（NDVI）遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。NDVI在植被研究中得到廣泛應(yīng)用，它是植被生長(zhǎng)狀態(tài)和分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性關(guān)系。試驗(yàn)表明當(dāng)植被覆蓋度低于15%時(shí)，能區(qū)分土壤背景和植被；當(dāng)植被覆蓋度為25%～80%時(shí)，NDVI隨植被覆蓋度增加呈線性關(guān)系；植被覆蓋度大于80%時(shí)，監(jiān)測(cè)能力逐步下降。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度監(jiān)測(cè)結(jié)果

利用像元二分法原理將歸一化植被指數(shù)（NDVI）轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度。像元二分法是假定地物只由全植被覆蓋的純植被和無(wú)植被覆蓋的裸土組成，像元光譜信息也由這兩部分線性組合而成，它們各自面積在像元中的比例即各自權(quán)重，其中純植被所占比例即是該像元的植被覆蓋度。該模型具有普遍性意義，經(jīng)過驗(yàn)證后可以應(yīng)用于其他地區(qū)，是通用的植被覆蓋度算法，轉(zhuǎn)化公式為：

fv=■ （1）

式中，fv為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為裸土NDVI，NDVIveg為完全植被覆蓋NDVI。對(duì)于多數(shù)裸土表面，NDVIsoil值理論上為0，但由于受眾多因素影響，其值在-0.1～0.2之間變化[5]；同時(shí)NDVIveg也會(huì)隨植被類型和時(shí)空變化而改變，通常需要借助經(jīng)驗(yàn)來判斷。本研究借鑒前人研究成果確定NDVI累積頻率5%為NDVIsoil值，累積頻率95%為NDVIveg值，處理得2000-2012年覆蓋度及其變化監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2。

根據(jù)水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí)，即﹤30%（低植被覆蓋）、30%～45%（中低植被覆蓋）、45%～60%（中等植被覆蓋）、60%～75%（中高植被覆蓋）、≥75%（高植被覆蓋），對(duì)2000-2012年內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各等級(jí)面積監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

以2003年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》中植被群落特征的總覆蓋度為指標(biāo)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2012年較2000年，植被覆蓋度下降區(qū)域占研究區(qū)域面積的2.72%，38.76%的區(qū)域植被覆蓋度穩(wěn)定，而58.52%的區(qū)域呈不同程度增長(zhǎng)，詳細(xì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2。

植被覆蓋度下降地區(qū)主要分布在蘇尼特左旗北部、東烏珠穆沁旗東北部、通遼東部和呼和浩特市周邊。對(duì)年均植被覆蓋度進(jìn)行分析得出其變化趨勢(shì)見圖3，從圖3可以看出植被覆蓋度由2000年的40.67%上升到2012年的56.15%，除2001年有小幅度下降外，2002年到2007年植被覆蓋度基本穩(wěn)定；2008年較前幾年出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，不過2009年出現(xiàn)大幅下降，接下來的3年呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，且2011年達(dá)到近13年平均水平，2012年則出現(xiàn)近年來新的植被覆蓋度峰值。總體而言，除2008、2009年植被覆蓋度出現(xiàn)較大波動(dòng)以外，2000-2012年內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度水平呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，每年增長(zhǎng)1.29個(gè)百分點(diǎn)。endprint

3.2 氣象驅(qū)動(dòng)因子分析

作為草原生態(tài)變化的重要外在因素，氣候因子與植被關(guān)系的確定及預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)內(nèi)蒙古中部植被影響具有重要意義。降雨是草原水分的重要來源，在草地的生長(zhǎng)和演替中發(fā)揮重要作用；溫度作為比較活躍的氣候因子，對(duì)蒸發(fā)、降雨、空氣濕度有著重要作用，對(duì)植被生長(zhǎng)的各個(gè)階段均有重要影響；風(fēng)速是研究?jī)?nèi)蒙古中部植被覆蓋度不可缺少的氣候因子。研究表明，不同草場(chǎng)的風(fēng)蝕率都隨著風(fēng)速的增加而增加，風(fēng)速小于12 m/s時(shí)各草場(chǎng)的風(fēng)蝕率較小，且增長(zhǎng)較為緩慢，當(dāng)風(fēng)速由12 m/s增加到16 m/s時(shí)，風(fēng)蝕率有明顯增長(zhǎng)，當(dāng)風(fēng)速超過16 m/s，風(fēng)蝕率仍增長(zhǎng)，但速率較為緩慢[6]。

利用ArcGIS軟件對(duì)獲取的點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行距離權(quán)倒數(shù)（IDW）插值處理，得到與遙感數(shù)據(jù)相匹配的空間數(shù)據(jù)，2000-2012年年降雨量、年均溫度、年均風(fēng)速、7～8月降雨量、平均溫度和風(fēng)速的空間數(shù)據(jù)如圖4。

在處理得到氣象插值數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用最小二乘法CORREL函數(shù)分別計(jì)算年降雨量、年均溫度、年均風(fēng)速、7～8月降雨量、平均溫度和風(fēng)速與植被覆蓋度的相關(guān)系數(shù)。CORREL計(jì)算公式：

rxy=■ （2）

式中，n為變量個(gè)數(shù)，xi、yi為變量，rxy為相關(guān)系數(shù)。分析結(jié)果見表3。由表3可知，7、8月降雨量之和與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)最大，為0.861 9。夏季溫度高、蒸發(fā)量大，水分在植被生長(zhǎng)中的作用尤為突出，因此，7、8月降雨量之和與植被覆蓋度關(guān)系最為密切。年降雨量與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)為0.813 9，其與植被覆蓋度呈高度相關(guān)。7、8月平均氣溫與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)為-0.574 0，兩者中度負(fù)相關(guān)。從植物生理特點(diǎn)分析，溫度升高、蒸發(fā)量增加，植物氣孔關(guān)閉，對(duì)植物的生長(zhǎng)呈抑制作用。年均氣溫、風(fēng)速及7、8月平均風(fēng)速與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)較低，且呈負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

通過遙感監(jiān)測(cè)分析內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度和氣象驅(qū)動(dòng)因子，得到結(jié)論如下：

1）2012年較2000年，只有蘇尼特左旗北部、東烏珠穆沁旗東北部、通遼東部和呼和浩特市周邊植被覆蓋度下降，其中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，呼和浩特市周邊地區(qū)植被覆蓋度下降的主要原因是城市的開發(fā)建設(shè)占用了大量的耕地、草地。

2）內(nèi)蒙古中部地區(qū)2012年較2000年，植被覆蓋度下降區(qū)域僅占研究區(qū)域面積的2.72%，38.76%的區(qū)域植被覆蓋度基本穩(wěn)定，而58.52%的區(qū)域呈不同程度增長(zhǎng)，植被覆蓋度在波動(dòng)中呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)1.29個(gè)百分點(diǎn)。

3）年降雨量和7、8月降雨量與植被覆蓋度呈極顯著正相關(guān)，且夏季7、8月降雨量對(duì)植被覆蓋度影響最大。7、8月平均溫度與植被覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，即溫度升高對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。年均溫度、風(fēng)速對(duì)內(nèi)蒙古中部植被覆蓋度的影響不大，呈負(fù)相關(guān)，但不顯著。

植被覆蓋度監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期、大范圍的過程，應(yīng)在生態(tài)敏感區(qū)域設(shè)置常年采樣區(qū)，對(duì)植被覆蓋度變化進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。在植被覆蓋度氣象驅(qū)動(dòng)因子分析基礎(chǔ)上，結(jié)合社會(huì)、人文等綜合因素，更好地揭示植被變化的內(nèi)在原因。

參考文獻(xiàn)：

[1] 苗正紅，劉志明，王宗明，等.基于MODIS NDVI的吉林省植被覆蓋度遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012，25（3）：387-393.

[2] 韓佶興.2000-2011年?yáng)|北亞地區(qū)植被覆蓋度變化研究[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院，2012.

[3] 劉 超.內(nèi)蒙古阿拉善東南部地區(qū)近二十年來植被覆蓋度及生態(tài)環(huán)境研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013.

[4] 鄧慧平.全球氣候變化對(duì)松嫩平原土壤水分和生產(chǎn)力影響研究[J].草地學(xué)報(bào)，1998，6（2）：147-152.

[5] CARLSON T N，RIPLEY D A.On the relation between NDVI， fractional vegetation cover，and leaf area index[J]. Remote Sensing of Environment，1997，62（3）：241-252.

[6] 烏 蘭，烏蘭巴特爾，李云鵬.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)牧業(yè)氣象服務(wù)體系研究[M].北京：氣象出版社，2009.endprint