李林葉， 田美榮， 梁 會， 陳艷梅， 馮朝陽， 渠開躍， 錢金平

(1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/ 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實驗室， 河北 石家莊 050024； 2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210042； 3.河北師范大學(xué)旅游系， 河北 石家莊 050024； 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院/ 國家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點(diǎn)實驗室， 北京 100012； 5.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系， 河北 石家莊 050024)

自20世紀(jì)70年代起，隨著全球氣候變化問題日益受到學(xué)界高度關(guān)注，全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的研究已成為當(dāng)前國際社會十分關(guān)注的科學(xué)問題[1]，其中植被對氣候變化的響應(yīng)無疑成為世界各國學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)和核心問題[2]。在氣候變化背景下，不同區(qū)域地理要素的格局對氣候的響應(yīng)存在差異，這方面研究主要有時間序列相關(guān)性和空間相關(guān)性2種，長時間序列數(shù)據(jù)多以不同源數(shù)據(jù)融合為主，所用數(shù)據(jù)大多集中在21世紀(jì)初期以前。因此，有必要對區(qū)域植被覆蓋度[3]變化及其與氣候的反饋關(guān)系進(jìn)行重新認(rèn)識和評價，尤其是呼倫貝爾草原等對氣候變化較為敏感的地區(qū)。

呼倫貝爾草原位于大安嶺西側(cè)的呼倫貝爾高原上，是歐亞大陸草原重要組成部分[4]，也是中國北方草原主體部分。目前，呼倫貝爾草原植被與氣候變化的相關(guān)研究多數(shù)在整個內(nèi)蒙古、東北地區(qū)等較大尺度上開展[5-6]，而針對呼倫貝爾草原的研究十分有限。如李云鵬等[7]利用1988年以來遙感資料及近50 a氣象和社會調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了氣候因素對草原退化的影響；張戈麗等[8]基于遙感和氣象數(shù)據(jù)分別從年際變化、季變化和月變化角度分析草地變化對氣候變化的響應(yīng)；曲學(xué)斌等[9]探討了呼倫貝爾地區(qū)1960—2012年氣候變化特征，并通過Kriging差值和Morlet小波分析方法發(fā)現(xiàn)各季節(jié)平均溫度均有增加趨勢。

以往長時間序列植被變化研究無法排除數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生的干擾，且對近年來呼倫貝爾草原植被覆蓋度時空變化與氣候因子的驅(qū)動機(jī)制研究較少。因此，筆者采用MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI，INDV)數(shù)據(jù)與像元二分模型相結(jié)合的方法，分析呼倫貝爾草原2000—2016年最大植被覆蓋度空間變化特征，并利用NDVI多年均值分析植被年內(nèi)空間分布的變化規(guī)律，結(jié)合同期呼倫貝爾氣象臺降水和氣溫數(shù)據(jù)，在區(qū)域尺度上分析呼倫貝爾草原植被覆蓋年際變化與氣候因子的關(guān)系，揭示氣候變化對區(qū)域植被覆蓋變化的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺以西，是中國保存完好的草原之一，地理坐標(biāo)為46°10′～50°12′ N，115°31′～121°09′ E，西北和西南分別與俄羅斯和蒙古國交界，總面積為83 149 km2。呼倫貝爾草原地形總體上西高東低，地勢由西到東緩慢過渡，平均海拔在650～700 m之間。呼倫貝爾草原屬于典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫為-1.5 ℃，多年平均年降雨量為325 mm，光照充足，雨熱同季。土壤類型多為暗棕壤、黑土和暗色草甸土，有機(jī)質(zhì)豐富。草原東部地帶性植被為溫性草甸草原，以貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、羊草(Leymuschinensis)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和雜類草為主體；西部是典型草原地帶，植被以大面積的根莖禾草和叢生禾草為主，尤其以羊草、大針茅(Stipagrandis)和克氏針茅(Stipacrylovii)為建群種或優(yōu)勢種；另外，研究區(qū)內(nèi)有3條沙帶和零星沙丘堆積，發(fā)育有沙地植被；研究區(qū)河流湖泊周圍發(fā)育有沼澤草甸、低地雜草草甸等濕地植被。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局EOS/MODIS(http:∥edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome/)，選擇2000—2016年生長季5—9月的MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，每月2景，共170幅影像，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m×250 m。使用MODIS Reprojection Tools將下載的MODIS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，將HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式，并將SIN地圖投影轉(zhuǎn)換為WGS84/Albers Equal Area Conic投影，同時完成圖像的空間拼接和重采樣。為了消除云、雪等因素影響，采用最大合成法(maximum value composites，MVC)[10]合成月NDVI數(shù)據(jù)，并利用呼倫貝爾草原“牧業(yè)四旗”[11]、滿洲里市和海拉爾市行政區(qū)劃圖剪取呼倫貝爾草原柵格圖像。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)提供的2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)周邊氣象站點(diǎn)的月平均溫度和月降水量資料。根據(jù)各氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度信息，采用ArcGIS 10.2軟件Geostatistical Analyst模塊對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging空間插值，最終獲取與NDVI數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的年平均溫度和年降水量氣象數(shù)據(jù)柵格圖像。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度的計算

NDVI為表示過去與現(xiàn)在植物生長狀態(tài)的最佳指示因子，且與植被分布密度存在極顯著線性相關(guān)關(guān)系[12-13]。NDVI計算簡單，不需要光譜信號外的任何其他參數(shù)，且探測低覆蓋度植被的能力最強(qiáng)[14]。NDVI影像值越大，表示植物長勢越好，因此年最大NDVI可反映該年度植被生長最好態(tài)勢時節(jié)的地表植被覆蓋狀況。然而，NDVI存在高植被覆蓋狀況易于飽和、低植被覆蓋狀況難區(qū)分的弊端，基于像元二分法的植被覆蓋度可在一定程度上彌補(bǔ)這一不足。

李苗苗等[15]通過改進(jìn)像元二分模型建立NDVI估算植被覆蓋度模型，計算公式為

C=(INDV-INDV,min)/(INDV,max-INDV,min) 。

(1)

式(1)中，C為植被覆蓋度；INDV，max為研究區(qū)純植被NDVI值；INDV，min為研究區(qū)純祼土NDVI值。

在像元二分模型的應(yīng)用中，由于地表復(fù)雜性，在全球尺度單一選取NDVI的2個極值點(diǎn)會對植被覆蓋度的估算造成很大的不確定性。部分學(xué)者[16]選取從研究區(qū)遙感影像得到的NDVI數(shù)據(jù)中的最大值和最小值作為純植被和純裸土的NDVI值，筆者根據(jù)整幅影像上NDVI灰度分布，分別以5%和95%置信度截取的NDVI上下限閾值為INDV，min和INDV，max。

1.3.2植被覆蓋度年際變化趨勢的計算

采用ArcMap 10.2中Spatial Analyst Tool模塊下的Map Algebra工具對各年的年最大植被覆蓋度進(jìn)行一元線性回歸分析，以綜合反映植被覆蓋的時空演變特征[17]，計算公式為

(2)

式(2)中，θslope為植被覆蓋度年際變化趨勢斜率；n為監(jiān)測時間，為17 a；Ci為第i年最大植被覆蓋度，i=1，2，3，，17。

利用植被覆蓋度和時間的相關(guān)關(guān)系來判斷覆蓋度年際間變化趨勢的顯著性，趨勢斜率小于0表示植被覆蓋度下降，大于0表示植被覆蓋度上升。變化趨勢的顯著性采用F檢驗[18]。顯著性值大小僅表示變化趨勢可置信程度的高低，與變化快慢無關(guān)。綜合考慮θslope和F檢驗結(jié)果，將Ci變化趨勢分為5個等級：極顯著減少(θslope<0，P<0.01)；顯著減少(θslope<0，0.01≤P<0.05)；變化不顯著(P≥0.05)；顯著增加(θslope>0，0.01≤P<0.05)；極顯著增加(θslope>0，P<0.01)。

1.3.3植被覆蓋度與氣候因子相關(guān)性的計算

植被覆蓋度分別與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)計算公式為

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 多年平均植被覆蓋度的空間分布現(xiàn)狀

圖1顯示，植被覆蓋度總體上呈東高西低、由東到西遞減的特征。研究區(qū)17 a平均植被覆蓋度為0.51。參考陳效逑等[19]的植被覆蓋度劃分方法，將研究區(qū)植被覆蓋度(C)分為5個等級：C≤0.20為極低覆蓋度，0.200.80為極高覆蓋度。

圖1 2000—2016年呼倫貝爾草原平均植被覆蓋度等級空間分布Fig.1 The spatial distribution of classification of vegetation coverage slope changes in 2000-2016

表1顯示,呼倫貝爾草原植被覆蓋度以中低植被覆蓋度為主，占總面積的63.65%；植被覆蓋度中值區(qū)域面積占總面積的22.50%，主要集中在研究區(qū)中部和新巴爾虎左旗的西北部；低值區(qū)域面積占總面積的41.15%，其中極低覆蓋區(qū)占12.22%，低覆蓋區(qū)占28.93%，主要分布在研究區(qū)西部，以西南部植被覆蓋度最低，這反映西南部草原退化較嚴(yán)重。植被覆蓋度高值區(qū)域面積占總面積的36.35%，其中極高覆蓋區(qū)域占22.24%，高覆蓋區(qū)域占14.11%，主要集中在研究區(qū)東部，這是因為這里河流較多，降水充沛，處于森林草原交錯帶邊緣。

表1研究區(qū)植被覆蓋度等級劃分及各等級占比

Table1Thedivisionofvegetationcoverandtheproportionofeachgradeinthestudyarea

植被覆蓋等級等級評分劃分依據(jù)面積/km2占比/%極低覆蓋1C≤0.2010 160.8012.22低覆蓋20.200.8018 492.3522.24

C為平均植被覆蓋度。

2.2 草原植被覆蓋度年際變化及空間格局

2000—2016年草原植被覆蓋度年際變化趨勢的空間分布見圖2。2000—2016年研究區(qū)整體呈退化趨勢，有52.79%的草原植被狀況趨于惡化，其中顯著減少(圖2，0.01≤P<0.05)區(qū)域面積占6.54%，極顯著減少(P<0.01)區(qū)域面積占4.81%，減少區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部，以海拉爾西部、鄂溫克旗和新巴爾虎左旗中部退化最顯著；47.21%的草原植被狀況趨于好轉(zhuǎn)，其中顯著增加(0.01≤P<0.05)區(qū)域面積占3.37%，極顯著增加(P<0.01)區(qū)域面積占1.24%，主要分布在研究區(qū)西部和東部的部分地區(qū)，以新巴爾虎右旗西部地區(qū)較顯著，兩者之和小于植被覆蓋度極顯著減少和顯著減少面積占比之和。2000—2016年呼倫貝爾草原植被覆蓋度年際變化趨勢見表2。

圖2 2000—2016年呼倫貝爾草原年植被覆蓋度年際變化趨勢及等級空間分布Fig.2 The spatial distribution of slope changes and significance level of vegetation coverage in Hulun Buir Grasslands from 2000 to 2016

表22000—2016年呼倫貝爾草原植被覆蓋度年際變化趨勢

Table2Changesofvegetationcoverageinthestudyareaandeachaccountsfrom2000to2016

植被覆蓋度年際變化趨勢等級劃分依據(jù)面積/km2占比/%極顯著減少θslope<0,P<0.013 999.474.81顯著減少θslope<0,0.01≤P<0.055 437.946.54無顯著變化P≥0.0569 878.4284.04顯著增加θslope>0,0.01≤P<0.052 802.123.37極顯著增加θslope>0,P<0.011 031.051.24

θslope為植被覆蓋度年際變化趨勢斜率。

2000—2009和2010—2016年2個時段草原植被覆蓋度年際變化趨勢見圖3。2000—2009年研究區(qū)有52.86%的草原植被狀況趨于惡化，主要分布在陳巴爾虎旗、鄂溫克旗和海拉爾區(qū)等呼倫貝爾草原中部地區(qū)；47.14%的草原植被狀況趨于好轉(zhuǎn)，主要分布在新巴爾虎右旗和新巴爾虎左旗等西部局部地區(qū)。2010—2016年研究區(qū)有60.92%的草原植被狀況趨于惡化，明顯高于2000—2009年的惡化程度，主要分布在新巴爾虎右旗東南部、新巴爾虎左旗中北部和陳巴爾虎旗西部局部地區(qū)；39.08%的草原植被狀況趨于好轉(zhuǎn)，主要分布在新巴爾虎左旗南部、新巴爾虎右旗北部以及滿洲里、海拉爾區(qū)、鄂溫克旗和陳巴爾虎旗部分地區(qū)，分布較分散。呼倫貝爾草原區(qū)植被覆蓋度總體水平?jīng)]有出現(xiàn)大范圍波動，退化區(qū)域由草原中東部向草原西部發(fā)展，并呈由點(diǎn)狀退化向片狀整體退化發(fā)展的趨勢。

2.3 年植被覆蓋度與氣候因子的關(guān)系

2000—2016年呼倫貝爾草原年最大植被覆蓋度與年降水量和年均溫的相關(guān)系數(shù)及顯著相關(guān)區(qū)域見圖4～5。

圖3 2000—2009和2010—2016年植被覆蓋度年際變化趨勢的空間分布Fig.3 The spatial distribution of vegetation coverage slope change in 2000-2009 and 2010-2016

圖4 2000—2016年呼倫貝爾草原區(qū)年植被覆蓋度與年降水量和年均溫相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.4 Correlation of annual vegetation coverage and climatic factors in Hulun Buir Grasslands from 2000 to 2016

圖5 2000—2016年呼倫貝爾草原年植被覆蓋度與年降水量和年均溫顯著相關(guān)區(qū)域的空間分布Fig.5 Significance level of annual vegetation coverage and climatic factors in Hulun Buir Grasslands from 2000 to 2016

結(jié)果表明，2000—2016年研究區(qū)年最大植被覆蓋度與年降水量和年均溫的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.17和-0.06。與年降水量呈正相關(guān)區(qū)域面積占研究區(qū)面積的77.40%，其中顯著相關(guān)(P<0.05)區(qū)域占7.78%，主要分布在新巴爾虎右旗中北部、新巴爾虎左旗中部以及滿洲里和陳巴爾虎旗的大部分地區(qū)，極顯著相關(guān)(P<0.01)區(qū)域占1.64%，主要分布在呼倫湖西部和北部以及陳巴爾虎中部、鄂溫克旗西部邊緣。

年最大植被覆蓋度與年均溫的相關(guān)性與降水量相比不明顯，呈正相關(guān)的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的40.53%，顯著相關(guān)(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域分別占4.78%和0.80%，主要分布在新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗中北部以及滿洲里和鄂溫克旗中東部，分布較分散。這表明研究區(qū)植被覆蓋度年際變化與降水量的關(guān)系更緊密，這與我國北部植被動態(tài)對氣候因子響應(yīng)的研究結(jié)果[20]一致，張戈麗等[8]也發(fā)現(xiàn)降水是驅(qū)動呼倫貝爾草原植被年際變化的主要因素。另外，年際水平上降水量對植被生長的作用是溫度的1.91倍，略低于王軍邦等[21]的結(jié)果。

研究區(qū)部分地區(qū)植被覆蓋度與年均溫呈負(fù)相關(guān)，可能是由于這些區(qū)域水熱組合不同步；也有可能是由于植被生長主要受降水量影響，導(dǎo)致其與溫度的關(guān)系不是很密切[22]。有研究[6]也曾發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古草原植被生長與氣候因子在空間上有正相關(guān)和負(fù)相關(guān)共存的現(xiàn)象，并將其歸因于不同植被類型獲得土壤水分能力大小各異，因而對水熱組合響應(yīng)不同。

3 討論

(1)2000—2016年呼倫貝爾草原植被覆蓋度減少趨勢不明顯，但在空間上表現(xiàn)為由東部向西部退化演進(jìn)，與其他研究結(jié)果[23]類似。降水量是影響草原植被覆蓋度年際變化的關(guān)鍵因素，這是由于呼倫貝爾草原絕大部分時間受強(qiáng)大陸性氣團(tuán)控制[24]，暖濕氣流受大興安嶺山地的阻隔作用，難以到達(dá)草原腹地，降水量由東向西不斷減少，加上蒸發(fā)量是降水量的7～8倍[25]，因此水分條件成為植物生長最主要限制因子。

(2)呼倫貝爾草原年植被覆蓋度與年降水量和年氣溫的平均相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.17和-0.06，低于穆少杰等[16]得出的內(nèi)蒙古草原區(qū)植被覆蓋度與氣候因子的相關(guān)系數(shù)，這可能是自然和人為因素共同作用的結(jié)果。隨著城鎮(zhèn)化與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等人為因素影響的加大，造成植被生長與氣候因子的相關(guān)性減弱，符靜等[26]也認(rèn)為人類活動加大了對植被覆蓋度的影響。此外，有研究發(fā)現(xiàn)北半球植被與氣溫的相關(guān)性減弱可能是由于干旱所致[27]，具體原因有待深入研究。

(3)2000—2009年呼倫貝爾草原植被狀況趨于惡化的區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部，趨于好轉(zhuǎn)的區(qū)域主要集中在西部，這與張宏斌等[28]得出的2000—2008年呼倫貝爾草原NDVI空間變化一致，但與彭飛等[23]得出的呼倫貝爾草原2000—2009年植被覆蓋度空間變化存在差異，原因可能與年最大植被覆蓋度計算方法不同(前者取7—8月植被覆蓋度均值，筆者取5—9月植被覆蓋度最大值)有關(guān)。因此，需進(jìn)一步開展不同數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的對比研究。

(4)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)活動也是呼倫貝爾草原退化的影響因素[29]。20世紀(jì)50年代初期，研究區(qū)在草原上直接從事放牧活動的人口僅有2.91萬，到2016年末，直接從事放牧的人口達(dá)7.1萬，增長2.43倍。研究區(qū)總?cè)丝谕黄?2.79萬，牲畜存欄頭數(shù)已達(dá)7.10萬頭，而人均草地面積僅為0.11 km2·人-1。隨牧區(qū)人口增加，牧民主要靠增加牲畜飼養(yǎng)量來維持生計和增收，導(dǎo)致牧區(qū)草原超載過牧嚴(yán)重。呼倫貝爾草原的人草畜矛盾和草畜失衡現(xiàn)象，直接影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。

(5)以年均溫和年降水量作為氣候因子分析呼倫貝爾草原2000—2016年草原植被的時空變化過程，存在著一定的局限性，過于依賴NDVI和氣象數(shù)據(jù)，未考慮如極端氣候事件等其他因素對植被覆蓋度的影響，因此計算結(jié)果會與實際情況存在偏差。但考慮到NDVI是綜合性指數(shù)，能夠反映植被長勢和生長環(huán)境，因此研究結(jié)果對促進(jìn)草原地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展以及研究氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系具有一定科學(xué)意義和參考價值。

4 結(jié)論

(1)2000—2016年呼倫貝爾草原平均植被覆蓋度為0.51，以中低植被覆蓋度為主，總體上呈東高西低、由東到西遞減的特征。

(2)2000—2016年研究區(qū)植被覆蓋度整體呈減少趨勢，并呈由點(diǎn)狀退化向片狀整體退化發(fā)展的趨勢。其中52.79%的草原植被狀況趨于惡化，主要分布在研究區(qū)中部，以海拉爾西部、鄂溫克旗和新巴爾虎左旗中部退化最顯著；47.21%的草原植被狀況趨于好轉(zhuǎn)，主要分布在研究區(qū)西部和東部的部分地區(qū)，以新巴爾虎右旗西部地區(qū)較顯著。

(3)2000—2009年到2010—2016年，呼倫貝爾草原呈現(xiàn)由中東部向西部退化演進(jìn)的變化趨勢，且退化面積占比上升。

(4)呼倫貝爾草原年最大植被覆蓋度與年降水量和年均溫的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.17和-0.06；與年降水量呈正相關(guān)的區(qū)域面積占研究區(qū)面積的77.40%，與年均溫呈正相關(guān)的區(qū)域占40.53%，表明研究區(qū)植被覆蓋度年際變化與降水量關(guān)系更密切。