滑永春 薩如拉 包文學(xué)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010019)

草地生態(tài)系統(tǒng)具有防風(fēng)、固沙、保土、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-3]。內(nèi)蒙古草地約占全國草地總面積的1/4，對維系生態(tài)平衡、區(qū)域發(fā)展具有重要的意義[4]。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為全球或區(qū)域植被覆蓋度及植被生長狀態(tài)的最佳指示因子之一，歸一化植被指數(shù)與氣候因子存在顯著的相關(guān)關(guān)系[5-8]。植被指數(shù)的變化不僅受當(dāng)時的氣候因子影響，也受前一時段氣候條件的累積效應(yīng)的影響，并且不同地區(qū)氣象因子對植被的影響的時段不同[9-12]。Yang et al.[13]研究發(fā)現(xiàn)，春季和夏季累積降水量與歸一化植被指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；Nezlina et al.[8]研究發(fā)現(xiàn)，中亞地區(qū)植物對降水的適應(yīng)時間有所不同，適應(yīng)較快地區(qū)時滯期為0～2個月，較慢地區(qū)為3～4月；Lamchin et al.[14]在其研究中發(fā)現(xiàn)，溫度是中國東北部和中部歸一化植被指數(shù)變化的主要驅(qū)動力，但有一定的滯后效應(yīng)；史丹丹等[15]研究發(fā)現(xiàn)，黃河源地區(qū)溫度和降水對植被生長的時滯時間分別為16和32 d；田義超等[16]認(rèn)為北部灣沿海地區(qū)歸一化植被指數(shù)對氣溫的時滯時間為0～50 d，降水的時滯時間60～90 d；曹永強(qiáng)等[17]研究發(fā)現(xiàn)，遼寧省氣溫、降水量和日照時對歸一化植被指數(shù)的平均滯后時間分別為0.73、1.19和1.64個月；穆少杰等[18]認(rèn)為內(nèi)蒙古草原植被覆蓋度在年際水平上主要受降水影響，降水量對月植被覆蓋度影響存在時滯效應(yīng)；劉成林等[12]認(rèn)為錫林郭勒草原生長對降水存在明顯的滯后，一般在50～60 d，不同類型的草原滯后時間不同，但無明顯差異。

降水是陸地生態(tài)系統(tǒng)水分的直接來源，對于草地植被生長具有重要的作用，也是引起草地植被動態(tài)變化的關(guān)鍵因素[19-22]。明確干旱、半干旱地區(qū)植被生長和降水滯后性的關(guān)系，不僅可以了解降水對植被影響的季節(jié)性變化規(guī)律，也可以預(yù)測植被未來變化的趨勢，對研究區(qū)域植被變化及驅(qū)動力具有重要的意義[23]。目前多數(shù)研究主要關(guān)注降水與歸一化植被指數(shù)的關(guān)系，對其空間分布格局的描述比較少[24]。因此，本文利用長時間序列(1982—2015年)歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集(GIMMS NDVI3g)、氣象再分析數(shù)據(jù)(ERA5)的降水?dāng)?shù)據(jù)，開展內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原的歸一化植被指數(shù)對降水滯后性的研究，探討不同類型草原植被對降水時滯及空間分布格局的差異性。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于我國北部地區(qū)(37°24′～53°23′N，97°12′～126°4′E)，地處歐亞大陸內(nèi)部。由東北向西呈長條形分布。氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳌囟?5～10 ℃(年均氣溫8 ℃)，自東向西遞增；降水量35～530 mm，自東南向西北遞減。內(nèi)蒙古草地約占全區(qū)土地總面積的60%，占全國草地總面積的1/4以上。內(nèi)蒙古草原類型基本可以劃分為草甸草原、典型草原和荒漠草原(見圖1)。其中，草甸草原主要草類有貝加爾針茅(StipabaicalensisRoshev)、羊草(Leymuschinensis)和雜草類等；典型草原主要草類有大針茅(Stipagrandis)、克氏針茅(Krylovneedlegrass)和羊草等為主；荒漠草原主要草類為小針茅(Stipaklemenziiroshev)、沙生針茅(Stipaglareosa)和短花針茅(Stipabrevifloragriseb)等草類組成。

圖1 內(nèi)蒙古草原空間分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

植被指數(shù)數(shù)據(jù)的來源及處理：植被指數(shù)數(shù)據(jù)為美國宇航局(NASA)最新提供的第3代歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集(GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)。數(shù)據(jù)集時間跨度為1982—2015年，時間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km。經(jīng)過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，使用軟件Matlab對1982—2015年覆蓋內(nèi)蒙古草地的植被指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、Albers面積投影轉(zhuǎn)換等處理，形成涵蓋內(nèi)蒙古草地的月度歸一化植被指數(shù)時空數(shù)據(jù)集。

降水?dāng)?shù)據(jù)的來源與處理：選用的氣象再分析資料為歐洲天氣預(yù)報中心(ECMWF)公開的全球氣候監(jiān)測(ERA5)數(shù)據(jù)(http://apps.ecmwf.int/datasets/)。ERA5是迄今最強(qiáng)大的全球氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)集，與之前的ERA-Interim產(chǎn)品相比，ERA5具有更高的時空分辨率(時間分辨率為逐小時，空間分辨率高達(dá)0.125°)。本文選用ECMWF-ERA5數(shù)據(jù)集中，1982—2015年1—12月覆蓋內(nèi)蒙古草地的降水?dāng)?shù)據(jù)。使用軟件Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、年度合成、圖像裁剪、Albers面積投影轉(zhuǎn)換、重采樣等處理。

草原類型數(shù)據(jù)來源與處理：草原類型數(shù)據(jù)來源于中科院植物所2000年制作的1∶1 000 000的全國植被類型數(shù)據(jù)(http://www.resdc.cn)。通過草原類型數(shù)據(jù)對內(nèi)蒙古地區(qū)的草甸草原、典型草原和荒漠草原數(shù)據(jù)的提取，并對草原圖進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、柵格化等處理，獲得投影和分辨率與遙感數(shù)據(jù)一致的數(shù)字化產(chǎn)品。

2.2 相關(guān)性分析

本文利用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)分析降水與草地歸一化植被指數(shù)的相關(guān)性。計算公式如下：

相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法，統(tǒng)計量計算公式如下：

式中：n為樣本數(shù)(n=34)。

2.3 滯后相關(guān)系數(shù)

本文利用滯后相關(guān)系數(shù)[18]分析內(nèi)蒙古草地歸一化植被指數(shù)對氣候適應(yīng)的滯后期，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：R=max{R0,R1,R2,…，Rn-1,Rn}。式中：R為滯后相關(guān)系數(shù)，n為樣本量。R0、R1、R2、…、Rn分別為歸一化植被指數(shù)與當(dāng)前月、前1個月、前2個月至前推n個月的滯后系數(shù)。若R=Rn,則歸一化植被指數(shù)對該氣候因子變化適應(yīng)的滯后期為n個月。本文選取1982—2015年草地生長季(4—9月)的歸一化植被指數(shù)與月降水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)公式分別計算4—9月份歸一化植被指數(shù)與1—9月份降水的相關(guān)系數(shù)，選取最大值對應(yīng)的前推時間作為相應(yīng)的滯后期。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)降水的變化規(guī)律

由圖2可知，年降水的變化趨勢均呈單峰型，草甸草原和典型草原7月份降水量達(dá)到最大值，草甸草原、典型草原的降水量最大值分別為118.88、92.38 mm?；哪菰邓?月份達(dá)到最大值，降水量為53.40 mm。草甸草原、典型草原、荒漠草原的年降水量分別為477.39、391.52、247.41 mm。

圖2 不同草原類型年內(nèi)降水動態(tài)變化

3.2 草地的歸一化植被指數(shù)年內(nèi)各月份的變化規(guī)律

由圖3可知，草甸草原、典型草原和荒漠草原的歸一化植被指數(shù)都呈現(xiàn)單峰變化規(guī)律，草甸草原、典型草原和荒漠草原的年均歸一化植被指數(shù)分別為0.33、0.23、0.14。草甸草原4月初開始逐漸返青，歸一化植被指數(shù)持續(xù)增長，直到7月底到8月初歸一化植被指數(shù)值達(dá)到最大。9月份牧草開始枯黃,歸一化植被指數(shù)下降。典型草原的歸一化植被指數(shù)值介于草甸草原與荒漠草原之間，牧草生長規(guī)律與草甸草原基本一致?；哪菰捎谑茏匀粭l件和降水的影響，生長季5—9月份，歸一化植被指數(shù)值變化不顯著，但也表現(xiàn)出季節(jié)性的變化規(guī)律。

圖3 內(nèi)蒙古地區(qū)不同草地NDVI年內(nèi)動態(tài)變化

3.3 整個草原對降水滯后時間及其空間分布

由表1、表2可知，9月份NDVI與1—9月份的降水相關(guān)性最高的是7月份，平均相關(guān)系數(shù)為0.413，與降水顯著相關(guān)的草原面積占整個草原面積的52.49%，說明9月份草原植被生長對降水的滯后時間為2個月左右。由圖4可知，與降水顯著相關(guān)的空間分布主要集中在錫林郭勒盟的北部地區(qū)、呼倫貝爾的東部地區(qū)、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區(qū)等地區(qū)。

圖4 9月份NDVI與1—9月份降水相關(guān)關(guān)系分布

表1 草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水的相關(guān)性

表2 草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水相關(guān)的草原面積占草原總面積的比例

8月份NDVI與1—8月份的降水相關(guān)性最高的月份是7月份，平均相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.444，與降水顯著相關(guān)的區(qū)域占整個草原面積的60.77%，8月份草原植被生長對降水的滯后時間為1個月左右。由圖5可知，與降水顯著相關(guān)的空間分布主要位于整個錫林郭勒盟、呼倫貝爾的東部地區(qū)、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區(qū)以及鄂爾多斯的鄂托克旗、杭錦旗等地區(qū)。

圖5 8月份NDVI與1—8月份降水相關(guān)關(guān)系分布

7月份NDVI與1—7月份的降水相關(guān)性最高的月份是6月份，平均相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.443，與降水顯著相關(guān)的區(qū)域占整個草原面積的68.45%，7月份草原植被生長對降水的滯后時間1個月左右。由圖6可知，與降水顯著相關(guān)的空間分布主要集中在整個錫林郭勒盟、通遼和赤峰的北部地區(qū)、呼倫貝爾的東部地區(qū)、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區(qū)，以及鄂爾多斯市的鄂托克前旗、鄂托克旗、杭錦旗、東勝、達(dá)拉特旗等地區(qū)。

圖6 7月份NDVI與1—7月份降水相關(guān)關(guān)系分布

6月份NDVI與1—6月份的降水相關(guān)性最高的是5月份，平均相關(guān)系數(shù)為0.427，與降水顯著相關(guān)的區(qū)域占整個草原面積的68.45%，6月份草原植被生長對降水的滯后時間在1個月左右。由圖7可知，與5月份降水顯著相關(guān)的區(qū)域主要是錫林郭勒盟的北部地區(qū)、呼倫貝爾的東部地區(qū)、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區(qū)等地區(qū)。

圖7 6月份NDVI與1—6月份降水相關(guān)關(guān)系分布

5月份NDVI與1—5月份的降水相關(guān)性最高的是4月份，平均相關(guān)系數(shù)是0.385，5月份草原植被生長對降水的滯后時間也是1個月左右。由圖8可知，與4月份降水顯著相關(guān)的區(qū)域主要是錫林郭勒盟的北部地區(qū)、烏蘭察布的四子王旗、包頭以及鄂爾多斯的鄂托克旗、杭錦旗等地區(qū)。

圖8 5月份NDVI與1—5月份降水相關(guān)關(guān)系分布

4月份NDVI與1—4月份的降水沒有明顯的相關(guān)性，且平均相關(guān)系數(shù)為負(fù)，4月份正好是牧草返青季，由此可見降水并不是牧草返青的關(guān)鍵氣候因子，導(dǎo)致4月份牧草的生長受其它因子控制(如溫度)。由圖9可知，與1—4月份降顯著相關(guān)區(qū)域主要集中在呼倫貝爾市的東部、呼和浩特市包頭等地區(qū)。

由此可知，整個草原對降水滯后時間約為1～2個月，通過P<0.05顯著相關(guān)的面積占整個草原面積的一半以上，可知，空間上主要分布在錫林郭勒盟、呼倫貝爾東部、巴彥淖爾和烏蘭察布北部以及包頭等草原地區(qū)。

3.4 不同類型草原植被對降水適應(yīng)的滯后性差異

由表3～8可知，草甸草原、典型草原9月份NDVI與7月份的降水顯著相關(guān)性最高，降水滯后時間為2個月。而荒漠草原9月份NDVI與8月份的降水顯著相關(guān)性最高，降水滯后時間為1個月。降水和滯后月份草原NDVI相關(guān)系數(shù)和面積的比例由大到小的順序?yàn)椋夯哪菰?、典型草原、草甸草原。這個結(jié)論與降水量大小的順序相反，也是牧草對降水的需求程度的客觀反映。草甸草原、典型草原和荒漠草原8月份的NDVI與7月份的降水顯著相關(guān)性最高，對降水滯后時間為1個月左右；降水和NDVI相關(guān)系數(shù)和面積占比由大到小的順序?yàn)椋夯哪菰?、草甸草原、典型草原。各類型草?月份NDVI與6月份的降水顯著相關(guān)性最高，對降水滯后時間1個月左右；各類型草原7月份NDVI與6月份的降水的相關(guān)系數(shù)和面積占比也是所有月份最高；荒漠草原相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.513，面積占比達(dá)到了整個荒漠草原的93.00%，說明了6月份降水對牧草生長的重要性；降水和NDVI相關(guān)系數(shù)和面積占比由大到小的順序?yàn)椋夯哪菰?、典型草原、草甸草原。各種草原類型5-6月份NDVI與前一月的降水相關(guān)系數(shù)和面積占比均最大，對降水的滯后時間也是1個月；降水和NDVI相關(guān)系數(shù)和面積占比由大到小的順序?yàn)椋夯哪菰?、典型草原、草甸草原。草甸草原和典型草?月份NDVI與1～4月份的降水相關(guān)關(guān)系值都為負(fù)，沒有明顯的滯后性。

表5 典型草原生長季(4—9月)NDVI與1—9月份降水的相關(guān)性

表6 典型草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水相關(guān)的草原面積占草原總面積的比例

表7 荒漠草原生長季(4—9月)NDVI與1—9月降水的相關(guān)性

表8 荒漠草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水相關(guān)的草原面積占草原總面積的比例

4 結(jié)論與討論

本文利用1982—015年的植被指數(shù)和降水?dāng)?shù)據(jù)，對內(nèi)蒙古地區(qū)的草甸草原、典型草原和荒漠草原等3種草原的NDVI的降水滯后性進(jìn)行分析，主要結(jié)論為：(1)草甸草原、典型草原、荒漠草原NDVI和年內(nèi)降水變化都呈現(xiàn)單峰型，NDVI值和年降水量從大到小排列順序?yàn)椴莸椴菰?、典型草原、荒漠草原?2)生長季草原植被的NDVI與降水存在顯著的相關(guān)性，不同的月份滯后時間上也略有不同。9月份草原植被生長對降水的滯后時間為2個月，5—8月份草原植被生長對降水的滯后時間為1個月左右，4月份草原植被生長對降水滯后性不明顯，6—7月份的降水對草原植被的生長最為關(guān)鍵。(3)滯后月份降水和NDVI相關(guān)系數(shù)和面積占比由大到小的順序?yàn)椋夯哪菰?、典型草原、草甸草原，這個結(jié)論與降水量排序正好相反，也是草地對降水需求程度的客觀反映。

總體看，植被在生長過程中各月NDVI對降水的滯后時間不盡相同。3種草原類型滯后相關(guān)系數(shù)均是4月份為最低，然后逐漸增大，7月份達(dá)到最大值，隨后逐漸降低。這個規(guī)律與草原植被的生長規(guī)律基本一致，4—5月份草原植被處于返青期，植被剛開始生長，滯后相關(guān)系數(shù)也比較小；隨著植被不斷生長，對降水的需求也越來越大，滯后相關(guān)關(guān)系也逐漸增大，在最大降水7月份，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了最大值；到9月份草原植被生長處于停滯狀態(tài)，植被開始枯黃，相關(guān)系數(shù)也開始下降。

草原植被NDVI對降水適應(yīng)存在一定的滯后效應(yīng)，有關(guān)學(xué)者們從年度、季度、月度等不同時間尺度進(jìn)行了研究。陳效逑等[25]發(fā)現(xiàn)降水是影響內(nèi)蒙古典型草原植被覆蓋度年際變化的主要?dú)夂蛞蜃樱覝髸r間約15 d，同期氣溫對草原植被覆蓋度年際變化的影響不大；李曉兵等[26]認(rèn)為內(nèi)蒙古草甸草原上一年冬天、春天的降水對NDVI的生長有重要的作用，典型草原、荒漠草原的降水對當(dāng)年植被生長的影響最明顯；劉成林等[12]發(fā)現(xiàn)錫林郭勒草原降水滯后時間50～60 d，4月份NDVI與前期降水量關(guān)系不顯著，與本文結(jié)論基本一致。張清雨等[27]以群落取樣的方式研究內(nèi)蒙草地NDVI對降水的滯后效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)草原NDVI對降水存在1～2個月的滯后時間。研究發(fā)現(xiàn)NDVI對降水滯后性不僅與草原類型有關(guān)，還和所處月份有關(guān)。草甸草原、典型草原9月份NDVI滯后時間為2個月，荒漠草原9月份NDVI滯后時間為1個月，出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是荒漠草原8月份的降水略微高于7月份，其他草地7月份降水最高。荒漠草原地區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，降水對植被生長持續(xù)作用時間短，5～8月份滯后時間為1個月。4月份NDVI與當(dāng)月和前期降水關(guān)系不明顯?？偟膩砜?，雖然研究結(jié)論不盡一致，但多數(shù)研究表明降水對草原NDVI滯后時間約為1～2個月。