額爾敦格日樂(lè), 包 剛, 包玉龍, 杭玉玲, 布仁吉日嘎拉

(1.呼和浩特民族學(xué)院 管理系, 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010022;3.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特 010022; 4.內(nèi)蒙古大學(xué) 蒙古學(xué)學(xué)院 周邊國(guó)家研究所, 呼和浩特 010021)

?

2001-2013年西鄂爾多斯國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋變化

額爾敦格日樂(lè)1, 包 剛2,3, 包玉龍2,3, 杭玉玲2,3, 布仁吉日嘎拉4

(1.呼和浩特民族學(xué)院 管理系, 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010022;3.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特 010022; 4.內(nèi)蒙古大學(xué) 蒙古學(xué)學(xué)院 周邊國(guó)家研究所, 呼和浩特 010021)

利用2001—2013年生長(zhǎng)季(4—10月)MODIS NDVI數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合線性趨勢(shì)分析法、變率分析法和相關(guān)分析法等方法，開展西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋年際、月際變化趨勢(shì)及其與區(qū)域氣候變化的關(guān)系研究。研究表明：西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被NDVI，無(wú)論是在生長(zhǎng)季平均值(0.001 5 NDVI/a)，還是各月份值都呈增加趨勢(shì)。盡管通過(guò)建立自然保護(hù)區(qū)能夠促使生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展，但其植被覆蓋年際變化趨勢(shì)主要受降水量的控制，年總降水量與NDVI的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.66，是植被覆蓋年際波動(dòng)的最直接因素。在空間分布上，研究區(qū)南部、東部和北部邊緣區(qū)域的植被覆蓋增加趨勢(shì)較明顯，而中部和北部部分區(qū)域未發(fā)生明顯的趨勢(shì)性變化。變率分析表明，植被覆蓋變化年際波動(dòng)明顯，說(shuō)明研究區(qū)植被變化受外界抗干擾能力較弱，特別是南部區(qū)域。從自然保護(hù)區(qū)各核心區(qū)植被覆蓋年際變化趨勢(shì)看，伊克布拉格草原化荒漠生態(tài)系統(tǒng)核心區(qū)和棋盤井半日花核心區(qū)的植被覆蓋度呈增加態(tài)勢(shì)，而蒙西珍稀植物群落核心區(qū)和阿爾巴斯生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶核心區(qū)呈下降趨勢(shì)。

西鄂爾多斯; 自然保護(hù)區(qū); 植被覆蓋變化; NDVI; 區(qū)域氣候

自1872年美國(guó)建立了世界第一個(gè)自然保護(hù)區(qū)——黃石國(guó)家公園(Yellowstone National Park)以來(lái)，自然保護(hù)區(qū)經(jīng)歷了140多年的發(fā)展歷程[1]，成為全球生態(tài)保育的基石，對(duì)珍稀瀕危野生動(dòng)植物、自然生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護(hù)等起到極為重要和關(guān)鍵的作用[2-4]。在我國(guó)，截止2011年，已建立各類自然保護(hù)區(qū)2 588個(gè)，其中國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)335個(gè)[2]，無(wú)論是在自然保護(hù)區(qū)的種類及其對(duì)我國(guó)特有物種的保護(hù)，還是在自然保護(hù)區(qū)管理?xiàng)l例與法規(guī)的完善等方面得到全面的發(fā)展，取得了巨大的成效[5]。植被及其格局作為基本生境和生態(tài)系統(tǒng)功能賴以實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)，不僅本身就是自然保護(hù)區(qū)主要的保護(hù)對(duì)象，也為各類動(dòng)植物的生存和保護(hù)提供重要場(chǎng)所[3,6]。對(duì)自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，特別是保護(hù)措施實(shí)施以來(lái)的變化監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)自然保護(hù)區(qū)保護(hù)效果和生態(tài)安全評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容[3,7-9]。另外，因自然保護(hù)區(qū)從保護(hù)措施實(shí)施以來(lái)受人類活動(dòng)的影響極小，對(duì)其植被覆蓋變化及其與氣候變化的關(guān)系研究，能為開展氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響評(píng)估提供最理想的場(chǎng)所，也為全球變化研究提供重要參考依據(jù)[10]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)西部桌子山、崗德格爾山和鄂爾多斯市鄂托克旗西部為中心的荒漠、草原化荒漠區(qū)域集中分布著四合木(Tetranenamongolica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、綿刺(Potaniniamongolica)和半日花(Helianthemumsongaricum)等國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物，學(xué)術(shù)界稱之為“西鄂爾多斯珍稀植物”，并于1994年被列為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)[11-12]，為西北干旱地區(qū)古地理環(huán)境、植物群系、生物進(jìn)化、生態(tài)系統(tǒng)演變等研究和保護(hù)起到了重要作用[13]。然而，由于該區(qū)域毗鄰內(nèi)蒙古西部重要的工業(yè)城市烏海市，且自然保護(hù)區(qū)本身正處于開采煤炭資源而舉世聞名的鄂爾多斯市境內(nèi)，其自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題不容樂(lè)觀，加之受黃河西岸烏蘭布和沙漠和全球范圍內(nèi)氣候的暖干化發(fā)展等的影響[14]，近幾十年來(lái)，本區(qū)域地表風(fēng)蝕、覆沙等已呈明顯加重之勢(shì)[15]。對(duì)其植被覆蓋變化趨勢(shì)及其與區(qū)域氣候變化關(guān)系的研究是自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境變化調(diào)查的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。通過(guò)掌握植被覆蓋變化的總體發(fā)展趨勢(shì)和空間格局，不僅可以直接明確從自然保護(hù)區(qū)建立以來(lái)的環(huán)境變化趨勢(shì)，也為進(jìn)一步采取相關(guān)措施提供重要依據(jù)。本研究以2001—2013年MODIS NDVI數(shù)據(jù)作為植被覆蓋變化的主要指標(biāo)，結(jié)合研究區(qū)氣溫和降水量數(shù)據(jù)，開展西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋年際、月際變化時(shí)空格局及其與區(qū)域氣候變化的關(guān)系研究，為掌握從自然保護(hù)區(qū)建立以來(lái)植被演化趨勢(shì)和自然保護(hù)區(qū)環(huán)境改善效益評(píng)估等方面提供重要科學(xué)依據(jù)和信息支持。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

西鄂爾多斯國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地跨鄂爾多斯市鄂托克前旗和烏海市兩個(gè)行政區(qū)，是鄂爾多斯高原向黃河谷地過(guò)渡的區(qū)域(106°42′—107°44′E，39°13′—40°11′N)。保護(hù)區(qū)屬典型的暖溫帶大陸性氣候，自然條件惡劣，年平均氣溫7.8～8.1℃，年平均降水量162～272 mm，年蒸發(fā)量2 470～3 480 mm，約為降水量的20倍。保護(hù)區(qū)占地面積約為5 558.9 km2，東北為鄂爾多斯高原的西部邊緣，南部、西部為桌子山山地，北部與烏蘭布和沙漠的東北邊緣隔河相望，南北長(zhǎng)約105 km，東西寬約86 km[11,13,15]。自然地理景觀以草原化荒漠和荒漠化草原為主，由于邊緣效應(yīng)及古地理等原因，在保護(hù)區(qū)集中分布著國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物四合木、沙冬青、綿刺和半日花等多種古老的第三紀(jì)孑遺植物[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有高等植物335種、分屬188屬65科，其中單種屬128屬，占總屬64.3%，特有種、殘遺種和其他珍稀瀕危植物72種，占總種數(shù)21.7%[13]。根據(jù)保護(hù)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況、野生生物資源的豐富度和原始性、珍稀瀕危物種分布集中程度等條件，在保護(hù)區(qū)內(nèi)目前設(shè)有4個(gè)核心區(qū)，分別為伊克布拉格草原化荒漠生態(tài)系統(tǒng)核心區(qū)(核心區(qū)1)、蒙西珍稀植物群落核心區(qū)(核心區(qū)2)、阿爾巴斯生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶核心區(qū)(核心區(qū)3)和棋盤井半日花核心區(qū)(核心區(qū)4)，面積分別為189.1，125.3，361.7和78.7 km2。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究使用的植被遙感數(shù)據(jù)為2001—2013年MODIS NDVI產(chǎn)品MOD13Q1，是NASA MODIS陸地產(chǎn)品組開發(fā)的16 d最大合成Terra/MODIS NDVI數(shù)據(jù)集，空間分辨率為250 m?？紤]到研究區(qū)植被在冬季停止光合作用和受積雪覆蓋等的影響，在此每年選取4—10月份的NDVI開展生長(zhǎng)季植被覆蓋變化特征及其與氣候變化的關(guān)系研究。通過(guò)對(duì)每月兩景NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成(Maximum Value Composites，MVC)[16]和研究區(qū)界線來(lái)裁剪等，獲得覆蓋2001—2013年的月NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。根據(jù)前人研究方法，將每年生長(zhǎng)季內(nèi)7期(4—10月)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，用來(lái)表征該年植被生長(zhǎng)平均狀況，分別生成2001—2013年的年平均NDVI數(shù)據(jù)集[17-18]，用于分析植被覆蓋變化趨勢(shì)。

氣候資料來(lái)自于由內(nèi)蒙古48個(gè)氣象臺(tái)站插值獲得的柵格化氣溫和降水量數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度、時(shí)間分辨率、空間分辨率和投影方式都與NDVI數(shù)據(jù)完全一致，由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取。氣象數(shù)據(jù)主要用于觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)氣候?qū)ρ芯繀^(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)的影響研究。

自然保護(hù)區(qū)界線及自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)范圍數(shù)據(jù)來(lái)自于額爾敦格日樂(lè)研究結(jié)果[19]，主要由當(dāng)?shù)刈匀槐Ｗo(hù)區(qū)管理局提供。

1.3研究方法

為反映研究區(qū)植被覆蓋的整體變化趨勢(shì)，首先對(duì)每年年平均NDVI、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)在自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行空間平均，獲得逐年NDVI、氣溫和降水序列。采用線性趨勢(shì)分析方法，即NDVI、溫度和降水序列與年份之間分別進(jìn)行線性回歸分析，見公式(1)，以斜率來(lái)表達(dá)變化速率，以相關(guān)系數(shù)的p值來(lái)表達(dá)其變化的顯著與否(p<0.05表示顯著增加或下降)[18,20]。同樣的方法將應(yīng)用于4個(gè)核心區(qū)范圍內(nèi)，分別分析各核心區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)。

(1)

為了分析整個(gè)研究區(qū)范圍和4個(gè)核心區(qū)NDVI在2001—2013年穩(wěn)定程度，在此利用公式(2)—(3)分別計(jì)算過(guò)去13年間年平均NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，分別分析各區(qū)域植被覆蓋絕對(duì)變異量和相對(duì)波動(dòng)程度[20-21]。

(2)

(3)

式中：S——標(biāo)準(zhǔn)差；n——研究時(shí)間長(zhǎng)度，這里取13；Cv——變異系數(shù)。

將上述研究方法拓展到像元尺度上，獲得逐像元的年平均NDVI的變化速率(斜率)及其顯著性p值圖像、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)圖像，以表達(dá)植被覆蓋變化的空間分布趨勢(shì)及其顯著與否[22]和波動(dòng)程度的空間格局[20]。

為反映溫度和降水的年際波動(dòng)對(duì)研究區(qū)植被覆蓋變化的影響，年平均NDVI與對(duì)應(yīng)溫度和降水之間分別進(jìn)行線性回歸分析，在區(qū)域尺度和像素尺度上分別獲得NDVI與氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)及其顯著性p值，以表達(dá)植被變化與氣候因子的總體相關(guān)性和空間相關(guān)模式[23]。同時(shí)分析生長(zhǎng)季各月份NDVI、溫度和降水的變化趨勢(shì)及NDVI與氣候因子的逐月相關(guān)系數(shù)，深入探討高時(shí)間分辨率植被覆蓋變化特征。

2　結(jié)果與分析

2.1西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋空間格局

如附圖4所示，研究區(qū)多年平均植被NDVI由東南向西北逐漸減小，低值區(qū)主要分布在鄂托克旗阿爾巴斯蘇木北部，即與烏蘭布和沙漠東北邊緣相連的荒漠區(qū)域，值一般低于0.14。而高值區(qū)主要分布在鄂托克旗新召蘇木境內(nèi)，NDVI值高于0.2。整個(gè)自然保護(hù)范圍內(nèi)植被覆蓋度較低，其中值介于0～0.12的像元數(shù)所占比例為16.2%，0.12～0.16像元比例為35.6%，0.16～0.2像元比例為32.3%，大于0.2像元比例為15.9%。

2.2西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋總體變化趨勢(shì)

如表1所示，在整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)，13年間西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被NDVI呈增加趨勢(shì)(0.001 5 NDVI/a)，表明研究區(qū)植被覆蓋度趨于好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，但增加趨勢(shì)并不顯著(p>0.05)。NDVI值2001年最差，為0.127；2002年最好，為0.187；13 a平均值為0.161。從NDVI平均值的變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，13年來(lái)研究區(qū)植被覆蓋年際波動(dòng)較大。這與張宏斌等[20]研究結(jié)果一致，表明荒漠草原和草原化荒漠植被年際波動(dòng)較強(qiáng)，抗干擾能力較差。由于保護(hù)區(qū)內(nèi)不同核心區(qū)植物資源和瀕危植物群落的豐富度和集中程度的不同，其植被覆蓋度及其變化趨勢(shì)具有一定的差異?？傮w上，阿爾巴斯生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶核心區(qū)(核心區(qū)3)的植被覆蓋度為最高，其13 a平均NDVI為0.191，其次為棋盤井半日花核心區(qū)(核心區(qū)4)，NDVI值為0.144。而伊克布拉格草原化荒漠生態(tài)系統(tǒng)核心區(qū)(核心區(qū)1)和蒙西珍稀植物群落核心區(qū)(核心區(qū)2)的植被覆蓋度較低，NDVI分別為0.119，0.109。

在年際變化上，過(guò)去13年間核心區(qū)1和核心區(qū)4的植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)(0.001 4，0.003 8 NDVI/a)，而核心區(qū)2和核心區(qū)3保持較平穩(wěn)或略有下降的態(tài)勢(shì)(-0.000 2，0.000 4 NDVI/a)。這表明自然保護(hù)區(qū)實(shí)施以來(lái)，各核心區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)不均勻，還有必要做好整體規(guī)劃，加強(qiáng)自然植被的保護(hù)管理和開發(fā)工作，為各類動(dòng)植物生存和繁衍提供必要條件。NDVI年際波動(dòng)以核心區(qū)4>核心區(qū)3>核心區(qū)1>核心區(qū)2的順序依次降低，變異系數(shù)分別為16.6%，12.6%，11.4%和8.4%，表明核心區(qū)4植被覆蓋度抗干擾能力最差，而核心區(qū)2為最強(qiáng)。這可能與各核心區(qū)不同優(yōu)勢(shì)植物群落對(duì)氣候和人為活動(dòng)的響應(yīng)強(qiáng)度不同有密切關(guān)系。

表1西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被NDVI年際變化趨勢(shì)

項(xiàng)目核心區(qū)1核心區(qū)2核心區(qū)3核心區(qū)44個(gè)核心區(qū)平均值整個(gè)研究區(qū)2001年0.0980.0990.1520.1010.1130.1272002年0.1270.0990.2400.1590.1560.1872003年0.1110.1060.1920.1360.1360.1532004年0.1120.1280.1890.1350.1410.1592005年0.1040.1270.1510.1120.1240.1312006年0.1030.1080.1890.1160.1290.1522007年0.1400.1120.2110.1580.1550.1842008年0.1430.1050.2010.1640.1530.1782009年0.1270.1130.1970.1560.1480.1652010年0.1200.1150.2010.1690.1510.1672011年0.1130.1060.1730.1350.1320.1442012年0.1340.1040.2180.1900.1610.1862013年0.1170.1010.1730.1520.1360.158平均值0.1190.1090.1910.1440.1410.161標(biāo)準(zhǔn)差0.0140.0090.0240.0240.0140.019變異系數(shù)/%11.48.412.616.69.911.8線性擬合率0.0014-0.00020.00040.0038*0.00140.0015

注：*代表變化趨勢(shì)通過(guò)0.05的顯著性水平。

2.3西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋空間變化趨勢(shì)

逐像元的年平均NDVI線性擬合分析結(jié)果顯示，2001—2013年，研究區(qū)59.8%的面積植被呈增加趨勢(shì)(圖1A)，平均約為0.002 4 NDVI/a。這表明通過(guò)實(shí)施自然保護(hù)區(qū)管理措施研究區(qū)大多地區(qū)的植被得到了改善，特別是占9.6%地區(qū)的植被NDVI呈顯著增加趨勢(shì)(p<0.05)(圖1B)，主要集中在研究區(qū)西南角和零星分布在東南和北部邊緣地區(qū)(附圖5A)；而僅有4%的地區(qū)植被呈下降趨勢(shì)，平均約為-0.002 0 NDVI/a，主要分布在研究區(qū)中部(阿爾巴斯生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶核心區(qū)的部分區(qū)域)，但下降趨勢(shì)并不顯著。除此以外的研究區(qū)中部和北部較大部分地區(qū)(36.2%)的NDVI沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的變化趨勢(shì)，其線性擬合率主要處于-0.001～0.001。

圖1　2001-2013年西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)年平均NDVI變化趨勢(shì)及其顯著性水平的面積百分比

從研究區(qū)域2001—2013年的年平均NDVI標(biāo)準(zhǔn)差(附圖6A)和變異系數(shù)(附圖6B)來(lái)看，研究區(qū)南部植被NDVI標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)較大，表明此區(qū)域植被過(guò)去13年間受到的外界干擾(如氣候或人為因素)最大，植被狀況(覆蓋度、生物量等)波動(dòng)最為明顯。與此相反，北部地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)較小，表明植被狀況13年來(lái)相對(duì)穩(wěn)定，植被覆蓋對(duì)外界因素的響應(yīng)強(qiáng)度較弱。這可能與研究區(qū)北部植被覆蓋度極為稀疏有關(guān)(NDVI在0.1附近波動(dòng))(附圖4)，外界因素的平常變化不會(huì)對(duì)較低植被覆蓋度產(chǎn)生劇烈影響，而在南部相對(duì)高植被覆蓋區(qū)則產(chǎn)生較大影響。這說(shuō)明，盡管研究區(qū)均屬于荒漠草原或荒漠化草原，但其植被覆蓋度的變化對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)特征具有較大差異，荒漠草原植被覆蓋度的變化對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)可能存在著臨界值。

2.4西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)氣候波動(dòng)及其對(duì)植被覆蓋變化的影響

近13年來(lái)，研究區(qū)生長(zhǎng)季總降水量一般在114.1～267.4mm范圍內(nèi)波動(dòng)，沒(méi)有發(fā)生較明顯的趨勢(shì)性變化，但其波動(dòng)與NDVI的波動(dòng)保持高度的一致性，如降水量較高的年份2002年、2004年、2008年、2010年、2012年與NDVI相對(duì)高值年份相對(duì)應(yīng)，而較低的年份2001年、2009年、2011年、2013年與同年NDVI低值相對(duì)應(yīng)，表明盡管建立西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)能夠保護(hù)珍稀瀕危野生植物物種和整個(gè)草原化荒漠生態(tài)系統(tǒng)[13,19]，但降水量的增減是其區(qū)域植被覆蓋改變的另一個(gè)主要原因(圖2)。NDVI與降水量之間的相關(guān)分析也進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)，兩者相關(guān)系數(shù)為0.66(p=0.01)。而13年來(lái)生長(zhǎng)季平均溫度變化較平穩(wěn)，基本在16.4～17.7℃波動(dòng)。與降水量的作用相反，溫度對(duì)研究區(qū)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的限制作用，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.54，通過(guò)了0.05的顯著性水平?？赡苁巧L(zhǎng)季平均溫度的升高加快蒸散發(fā)而導(dǎo)致干旱加劇和植被可利用水量減少，從而影響植被覆蓋度的增加[19]。特別是在降水量相對(duì)匱乏的草原化荒漠或荒漠草原地區(qū)，當(dāng)降水量比常年稀少時(shí)，較高的溫度對(duì)植被生長(zhǎng)的抑制作用更加明顯[24]。NDVI與溫度和降水量的相關(guān)關(guān)系說(shuō)明了在全球氣候變暖大背景下，西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)降水量的增加和溫度在一定程度的下降都將對(duì)研究區(qū)植被生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，也對(duì)瀕危野生植物的保護(hù)和豐富產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

圖2　2001-2013年西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)NDVI，降水量和溫度的變化趨勢(shì)

生長(zhǎng)季平均NDVI與降水量(附圖7)和溫度(附圖9A)之間逐像元相關(guān)分析進(jìn)一步證實(shí)了在整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)降水量是決定植被覆蓋變化的最主要?dú)夂蛞蜃印５邓繉?duì)植被覆蓋變化的作用(相關(guān)系數(shù)的大小)因區(qū)域而異，總體上在研究區(qū)南部、中部和東北區(qū)域相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5以上(附圖7)，并通過(guò)了0.05，甚至0.01的顯著性水平(附圖8)，表明降水量對(duì)草原化荒漠地區(qū)植被的影響強(qiáng)度在一定程度上超過(guò)人類活動(dòng)的局部影響。而在北部NDVI與降水量的相關(guān)性相對(duì)弱(p<0.3)，也不顯著。相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析表明，幾乎所有像元(99.3%)的NDVI與降水量之間的相關(guān)系數(shù)都為正值，其中相關(guān)系數(shù)值0.3～0.7的面積最大，達(dá)到81.6%。與此相反，約99.2%的像元NDVI與溫度之間呈負(fù)相關(guān)，同樣相關(guān)系數(shù)-0.7～-0.3的面積最大，達(dá)到81.2%。高負(fù)相關(guān)(p<-0.5)區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部(附圖9A)，通過(guò)0.05的顯著性水平(附圖9B)。但與降水相比，通過(guò)0.01顯著性水平的像元較少(附圖8B)。

2.5西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋月變化特征

研究各月份植被覆蓋變化趨勢(shì)，對(duì)明確各月份植被變化對(duì)生長(zhǎng)季平均植被覆蓋變化的貢獻(xiàn)程度[23-24]、科學(xué)評(píng)估全球氣候變化背景下植被對(duì)氣候的響應(yīng)方式和強(qiáng)度、如春季生長(zhǎng)季提前與否、夏季植被活動(dòng)強(qiáng)度加強(qiáng)與否、秋季生長(zhǎng)季延長(zhǎng)與否[17]等具有重要意義。由圖3A可以看出，西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)生長(zhǎng)季所有月份的NDVI在過(guò)去13年間都呈增加趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在7月、8月(0.002 2 NDVI/a)，最小值出現(xiàn)在10月(0.000 8 NDVI/a)，表明研究區(qū)植被生長(zhǎng)季春季提前、夏季增強(qiáng)和秋季推遲趨勢(shì)都較明顯[17,25]，特別是夏季植被活動(dòng)強(qiáng)度增加趨勢(shì)最為顯著[23]。從生長(zhǎng)期各月份溫度和降水的變化趨勢(shì)看(圖3B—C)，2001—2013年除4月、9月外，其他月份的降水量均呈增加趨勢(shì)，特別是7月、8月更加明顯。而溫度除9月份外也都呈增加趨勢(shì)。這表明研究區(qū)氣候春秋季暖干化和夏季暖濕化趨勢(shì)明顯。從NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系(圖3D)看，除9月份的降水量與NDVI呈負(fù)相關(guān)外，其他所有月份都與NDVI呈正相關(guān)，表明大多月份降水量的增加對(duì)研究區(qū)植被的生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，5—6月份的降水量尤為重要。9月份出現(xiàn)的負(fù)相關(guān)可能與伴隨降水量而增加的云量及其導(dǎo)致的輻射能量和溫度的減少，從而限制植被的生長(zhǎng)有關(guān)[26]。而溫度除4月份外，其他各月份都與NDVI呈負(fù)相關(guān)，表明在研究區(qū)只有生長(zhǎng)季開始月份的溫度的增高對(duì)植被有一定的促進(jìn)作用，而其他月份都有明顯的限制作用。這可能與溫度的增高而導(dǎo)致的干旱有關(guān)，特別是在降水量較少時(shí)(即干旱趨勢(shì)明顯時(shí))溫度的負(fù)作用最為明顯。

注：直方圖為變化趨勢(shì)，曲線為平均值。

圖3生長(zhǎng)季各月份NDVI、降水量、溫度的變化趨勢(shì)及NDVI與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

3　結(jié) 論

(1) 在整個(gè)自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，盡管13年來(lái)研究區(qū)植被覆蓋變化的年際波動(dòng)較大，但其植被NDVI總體上呈增加趨勢(shì)(0.001 5 NDVI/a)，表明建立自然保護(hù)區(qū)后的最近13年間其植被覆蓋度趨于明顯好轉(zhuǎn)的態(tài)勢(shì)。從各核心區(qū)角度看，多年平均植被覆蓋以阿爾巴斯生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶核心區(qū)>棋盤井半日花核心區(qū)>伊克布拉格草原化荒漠生態(tài)系統(tǒng)核心區(qū)>蒙西珍稀植物群落核心區(qū)。在年際變化趨勢(shì)上，伊克布拉格草原化荒漠生態(tài)系統(tǒng)核心區(qū)和棋盤井半日花核心區(qū)的植被覆蓋度呈增加態(tài)勢(shì)，而其他兩個(gè)核心區(qū)呈下降趨勢(shì)。

(2) 從植被覆蓋變化的空間格局看，占研究區(qū)59.8%的地區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，主要分布在研究區(qū)南部、東部和北部邊緣區(qū)域。而研究區(qū)中部和北部的較大部分地區(qū)(36.2%)的NDVI沒(méi)有出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)性變化。從植被覆蓋變化的波動(dòng)性分析看，研究區(qū)南部植被NDVI標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)較大，受外界干擾顯著，而北部植被覆蓋受外界因素的響應(yīng)較弱。

(3) 由于西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)處于典型的干旱半干旱氣候帶，無(wú)論是在年際尺度，還是在月際尺度上，其植被覆蓋受降水量的影響極為明顯，NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.66(p=0.01)，是導(dǎo)致植被覆蓋改變的最直接和主要原因。相反，溫度對(duì)研究區(qū)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的限制作用，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.54。基于像元尺度的空間分析進(jìn)一步更詳細(xì)證實(shí)了這一趨勢(shì)。

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Vegetation Coverage Changes in West Ordos National Natural Reserves During the Period from 2001 to 2013

Erdengerel1, BAO Gang2,3, BAO Yulong2,3, HANG Yuling2,3, Burenjirigala4

(1.ManagementDepartment,HohhotMinzuCollege,Hohhot010051,China; 2.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformationSystem,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China; 3.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China;4.InstituteofNeighboringCountries,SchoolofMongolianStudies,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China)

The annual and monthly change trends of vegetation coverage and their relationship to regional climate change in National Natural Reserves of West Ordos during the period from 2001 to 2013 were analyzed by employing MODIS NDVI datasets in growing season (from April to October) and corresponding climatic variables including monthly temperature and precipitation. The linear trend analysis, coefficient of variation (CV) analysis and correlation analysis were employed in the present study. The results revealed that regardless of the temporal resolution (monthly scale or annual scale), the NDVI in the study area experienced increasing trend over the 13-year observation period. Although the establishment of national natural reserve can improve the ecosystem of the study area, the annual vegetation variation is primarily dominated by the precipitation fluctuation. The correlation coefficient between NDVI and precipitation is 0.66, indicating that precipitation is the direct factor on vegetation dynamics. In spatial pattern, the NDVI in southern, eastern and northern fringe regions of the study area showed the increasing trend, and no obvious trends were observed in central and some of the northern parts. CV analysis further indicated that the annual variability of NDVI was strongly significant, particularly in the southern parts, indicating the low strength to anti-disturbance. The results from the analysis of core area of the study area indicated that the vegetation dynamics experienced increasing trend in core area of Yikebulaga and Qipanjing and showed the decreasing trend in core area of Mengxi and Aerbasi.

West Ordos; natural reserves; vegetation cover changes; NDVI; regional climate

2014-11-04

2014-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(41301456;41161086)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY029)

額爾敦格日樂(lè)(1977—),女,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士研究生,副教授,主要從事生態(tài)遙感與生態(tài)旅游研究。E-mail:13904715679@163.com

包剛(1978—),男,內(nèi)蒙古庫(kù)倫旗人,博士研究生,講師,主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。E-mail:baogang@imnu.edu.cn

X87; Q948.15

A

1005-3409(2016)01-0110-07