皇 彥, 宋海清, 孫小龍, 李云鵬, 胡 琦

(1.烏蘭察布市氣象局, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)

烏蘭察布市地處中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中部地區(qū)，在構(gòu)筑北方重要生態(tài)安全屏障中具有不可替代的地位[1]。由于該地區(qū)地表物質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱、氣候干旱多風(fēng)等自然原因，導(dǎo)致其對(duì)氣候變化極其敏感[2]，加之長(zhǎng)期以來(lái)毀林開(kāi)荒、過(guò)度放牧等人類活動(dòng)的干擾，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題更加突出，給當(dāng)?shù)鼐用裆罴敖?jīng)濟(jì)發(fā)展造成了極大影響，已成為中國(guó)典型的干旱、沙塵等極端天氣頻發(fā)的生態(tài)脆弱區(qū)[3]。因此，合理地開(kāi)發(fā)自然資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一。研究該地區(qū)植被變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)，對(duì)該地資源合理分配和生態(tài)文明建設(shè)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

目前，基于遙感監(jiān)測(cè)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)被廣泛應(yīng)用于全球和區(qū)域尺度上植被與氣候之間的相關(guān)關(guān)系研究。但NDVI是一種譜植被指數(shù)，而非生物物理變量[4]。因此，將NDVI數(shù)據(jù)當(dāng)作植被生物量的指示值進(jìn)行相關(guān)研究存在一定的誤差[5]。葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)定義為單位地表面上的植物葉片總面積大小[6]，其作為生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一[7]，在植被—陸表—大氣間的物質(zhì)和能量交換中發(fā)揮著重要作用，是反映全球變化的基礎(chǔ)氣候變量之一[8]。與NDVI相比，LAI具有更明顯的生態(tài)學(xué)意義[4]，能清楚地給出植被的結(jié)構(gòu)參數(shù)和數(shù)量特征[9]，因而能更真實(shí)地反映植被動(dòng)態(tài)變化[10]以及植被與氣候的相互作用[9]。傳統(tǒng)的地面測(cè)量難以獲取大范圍LAI數(shù)據(jù)，而遙感技術(shù)具有靈敏準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，為植被LAI反演提供了有力的支撐[11]。Dusseux等[12]基于SPOT和Quickbird遙感影像提取LAI信息，利用LAI的時(shí)間演變特征來(lái)判別草地的實(shí)際動(dòng)態(tài)變化狀況。董金芳[13]、韓思琪[10]、王力等[14]利用MOD15遙感數(shù)據(jù)分別對(duì)陜西省、黃河源和黑河流域的植被LAI時(shí)空變化及影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型的植被變化趨勢(shì)不一致，氣候因素是導(dǎo)致LAI波動(dòng)變化的直接原因。而張宇佳等[15]利用MOD15數(shù)據(jù)在河北省的研究發(fā)現(xiàn)，降水、氣溫、植被類型等因子均對(duì)LAI的變化有顯著影響，且影響程度有所不同。彭飛等[4]利用AVHRR Pathfinder衛(wèi)星遙感觀測(cè)LAI資料研究了中國(guó)不同地區(qū)植被年、季節(jié)、生長(zhǎng)季變化及與同期氣候因子的關(guān)系，結(jié)果表明受氣候的區(qū)域和季節(jié)差異影響，LAI變化存在明顯的空間異質(zhì)性和季節(jié)非均一性。然而，在烏蘭察布市地區(qū)開(kāi)展的類似研究并不多見(jiàn)，且對(duì)該地區(qū)植被的變化規(guī)律及其對(duì)氣候的響應(yīng)等方面的研究不夠深入。例如，以往的研究一般采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)等方法分析該地區(qū)植被變化與氣溫、降水的關(guān)系，土壤濕度作為直接影響植被生長(zhǎng)的重要?dú)夂蛞蛩刂?，其變化特征?duì)植被的影響卻未被考慮在內(nèi)。因此，本研究利用2000—2019年7—8月哥白尼氣候變化服務(wù)項(xiàng)目PROBA-V LAI數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMFD)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局提供的土壤濕度資料，探討了烏蘭察布市植被葉面積指數(shù)時(shí)空變化特征及其與氣溫、降水、土壤濕度的關(guān)系，以進(jìn)一步了解氣候變化背景下該地區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)程度，為該地區(qū)生態(tài)保護(hù)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭察布市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，總面積為5.45×104km2。地形自北向南由蒙古高原、烏蘭察布丘陵、陽(yáng)山山脈、黃土丘陵組成。習(xí)慣上將屬于陰山山脈的大青山支脈以南部分稱為前山地區(qū)(集寧區(qū)、察哈爾右翼前旗、涼城縣、卓資縣、興和縣、豐鎮(zhèn)市)，溫暖多雨，以北部分稱為后山地區(qū)(商都縣、化德縣、察哈爾右翼后旗、察哈爾右翼中旗、四子王旗)，干旱多風(fēng)。烏蘭察布市屬于中溫帶干旱和半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。該市年平均氣溫為2.1～5.7 ℃，年降水量為312.0～371.5 mm。該市土地利用類型主要包括草地、耕地、林地等(圖1)，草地所占面積最大。

圖1 烏蘭察布市2019年土地利用類型分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取的2000—2019年7—8月PROBA-V LAI數(shù)據(jù)和年土地利用分類數(shù)據(jù)均來(lái)源于哥白尼氣候變化服務(wù)產(chǎn)品，下載網(wǎng)址：https:∥cds.climate.copernicus.eu/cdsapp/dataset/satellite-land-cover?tab=overview。LAI時(shí)間分辨率為10 d，空間分辨率為1 km。使用NCAR命令語(yǔ)言NCL編程將奇異值去除。土地利用分類數(shù)據(jù)空間分辨率為300 m，在原有分類基礎(chǔ)上按耕地、林地、草地等7類合并相似土地利用類型。所采用的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于He等人[16]發(fā)展的中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMFD)逐月氣溫和降水，該數(shù)據(jù)集是以國(guó)際上現(xiàn)有的Princeton再分析資料、GLDAS資料、GEWEX-SRB輻射資料、以及TRMM降水資料為背景場(chǎng)，融合了中國(guó)氣象局常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)制作而成，空間分辨率為0.1°。精度介于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間，好于國(guó)際上已有再分析數(shù)據(jù)的精度。選取的0—20 cm土壤濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局，該數(shù)據(jù)利用CMFD資料驅(qū)動(dòng)改進(jìn)下墊面的NCAR陸面水文模式CLM3.5獲取[17]，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為0.03°×0.03°，將逐日土壤濕度數(shù)據(jù)取平均值，得到逐月土壤濕度數(shù)據(jù)。利用雙線性插值法將LAI數(shù)據(jù)和格點(diǎn)氣溫、降水資料插值到與土壤濕度空間分辨率相同的網(wǎng)格上，然后進(jìn)行空間相關(guān)性分析。

1.3 研究方法

1.3.1 均值法 烏蘭察布市植被生長(zhǎng)旺盛階段主要集中在7—8月。因此本文選取7—8月的LAI為研究對(duì)象，采用均值法提取7—8月的LAI平均值，得到研究期間年際變化的規(guī)律特征。

(1)

1.3.2 趨勢(shì)分析法 趨勢(shì)分析法是通過(guò)對(duì)所有像元進(jìn)行一元線性回歸分析，來(lái)反映空間上不同時(shí)期植被的變化趨勢(shì)[18]。利用趨勢(shì)線分析法分析烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI年際變化趨勢(shì)。其計(jì)算公式為:

(2)

式中：n為研究期的年數(shù);i為1-n年中的第i年; LAIi為第i年的LAI值;θslope為趨勢(shì)線的斜率,θslope>0 ,說(shuō)明研究期內(nèi)該地區(qū)的LAI呈增加趨勢(shì),反之呈減少趨勢(shì)。

1.3.3 變異系數(shù)法 變異系數(shù)可以反映一組數(shù)據(jù)的相對(duì)變化(波動(dòng))程度[19]。利用變異系數(shù)(Cv)表述葉面積指數(shù)變化的穩(wěn)定性，Cv計(jì)算公式為：

(3)

1.3.4 相關(guān)性分析 相關(guān)系數(shù)表示兩組變量的線性相關(guān)關(guān)系[20]，利用相關(guān)系數(shù)分析LAI與同期平均氣溫、降水、土壤濕度的相關(guān)性，計(jì)算公式為：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 烏蘭察布市LAI時(shí)空變化特征

2.1.1 LAI年際變化特征 由圖2可以看出，2000—2019年7—8月烏蘭察布市LAI年際變化波動(dòng)性較大，整體呈上升趨勢(shì)，速度為0.01/a。LAI值介于0.29～0.93，多年平均值為0.61。具體來(lái)看，研究期間內(nèi)LAI共有3個(gè)明顯上升階段，2000—2003年是第一個(gè)明顯上升階段，2004—2009年LAI波動(dòng)下降；2010—2013年是第2個(gè)明顯上升階段，2013年LAI值達(dá)近20 a最大值，2014年LAI顯著下降；2015—2019年是第3個(gè)明顯上升階段，此階段LAI呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。該地區(qū)LAI之所以波動(dòng)較大是因?yàn)榈靥幧鷳B(tài)脆弱區(qū)[2]，且植被類型以草原植被為主(圖1)，生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)干擾特別敏感[1-2]。

2001年、2009年7—8月LAI值明顯低于線性回歸模擬值，2001年LAI值為近20 a最小值，這兩年烏蘭察布市發(fā)生了嚴(yán)重的干旱災(zāi)害[21-22]。2001年春夏連旱，入春后氣溫偏高，降水特少，土壤失墑快，造成春旱，部分地區(qū)無(wú)法下種，干旱逐漸加重，5月底開(kāi)始出現(xiàn)近50 d的高溫少雨天氣，使農(nóng)作物出苗受阻；入夏后氣溫持續(xù)偏高，降水偏少且分布不均勻，日照時(shí)數(shù)多，嚴(yán)重影響了作物生長(zhǎng)，產(chǎn)量難以提高[21]。2009年降水少于歷年同期，6月后連續(xù)高溫少雨，出現(xiàn)了嚴(yán)重的干旱[21-22]。其中四子王旗6月中旬至8月上旬總降水量為60.1 mm，比歷史同期偏少1.3倍，發(fā)生了建站以來(lái)50 a不遇的特大干旱災(zāi)害[21]。

圖2 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI年際變化

2.1.2 LAI空間分布特征 2000—2019年7—8月烏蘭察布市LAI整體上呈現(xiàn)由東南向西北遞減的分布特征(圖3)，地域分異明顯。這一結(jié)果與烏蘭察布市生長(zhǎng)季植被NDVI變化研究結(jié)果較為一致[1]。LAI低值區(qū)分布在四子王旗的大部分區(qū)域，尤其是四子王旗北部，LAI值集中在0.2以下，占研究區(qū)面積的21.2%。四子王旗西南部、察哈爾右翼中旗北部、察哈爾右翼后旗和商都縣大部、化德縣北部等地的LAI值主要集中在0.4～0.8，占研究區(qū)面積的25.0%。前山地區(qū)及后山地區(qū)南部的LAI值集中在0.8～1.2，占研究區(qū)面積的25.1%。LAI高值區(qū)主要零散分布在察哈爾右翼中旗南部和卓資縣、涼城縣、察哈爾右翼前旗、豐鎮(zhèn)市、興和縣等地，可達(dá)1.2～2.0，卓資縣西部和涼城縣北部甚至達(dá)到2.0以上，共占研究區(qū)面積的11.5%。結(jié)合圖1可知，LAI低值區(qū)荒漠分布范圍較廣，加之降水稀少、氣候干燥等因素[23]，非常不利于植物生長(zhǎng)；而LAI高值區(qū)除草地外還分布有耕地、林地，氣候環(huán)境適宜、水熱等條件良好[23]，是全市植被覆蓋較高的地區(qū)。

圖3 烏蘭察布市2000—2019年7—8月平均LAI空間分布

2000—2019年7—8月烏蘭察布市大部分地區(qū)LAI呈增加趨勢(shì)(圖4)，變化率(slope，斜率)>0的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的88.3%，特別是興和縣大部、豐鎮(zhèn)市東部、涼城縣西部、四子王旗西南部及察哈爾右翼中旗中北部等地LAI增加幅度較大，在0.03/a以上，部分區(qū)域甚至可達(dá)0.05/a以上，這些地區(qū)耕地、林地分布相對(duì)較密集(圖1)，且都通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)；而化德縣、商都縣、察哈爾右翼后旗和察哈爾右翼中旗北部及四子王東北部LAI呈減少趨勢(shì)，土地利用類型以草地、裸地居多(圖1)；集寧區(qū)南部和察哈爾右翼前旗交界處LAI顯著減少，在-0.03/a以下，并通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，該區(qū)近幾年城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快[24]，致使原有植被遭到破壞。

圖4 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI年均變化率分布

將研究期分成4個(gè)階段，進(jìn)一步分析每個(gè)階段內(nèi)烏蘭察布市LAI空間分布趨勢(shì)。可以看出，2000—2004年7—8月烏蘭察布市LAI整體呈增加趨勢(shì)(圖5)，slope>0的區(qū)域約占總面積的99.2%，slope<0的區(qū)域只零星分布在四子王旗南部和察哈爾右翼中旗北部，說(shuō)明這5 a全市植被整體生長(zhǎng)狀況得到改善，該時(shí)段降水量和土壤體積含水量總體呈上升趨勢(shì)，均值分別為164.73 mm，0.218 m3/m3，高于20 a的平均水平，對(duì)植被生長(zhǎng)十分有利；另一方面，2000—2004年烏蘭察布市草地面積比例較其他土地利用類型增加最多(表1)，這說(shuō)明2 000以來(lái)實(shí)施的退牧還草生態(tài)工程及禁牧、休牧等措施對(duì)生態(tài)改善也起到了促進(jìn)作用。

圖5 烏蘭察布市不同時(shí)期7—8月LAI年均變化率分布

2005—2009年7—8月烏蘭察布市LAI年均變化率空間分布差異顯著(圖5)，整體呈減少趨勢(shì)，slope<0的區(qū)域約占總面積的72.1%，集中分布在陰山以北的后山地區(qū)，面積大約是呈增加趨勢(shì)的2.6倍，該時(shí)段降水量和土壤體積含水量的均值(126.33 mm，0.202 m3/m3)明顯低于20 a的平均水平，平均氣溫(19.81 ℃)高于其他時(shí)段，特別是2009年出現(xiàn)了嚴(yán)重的干旱災(zāi)害，導(dǎo)致受影響地區(qū)植被生長(zhǎng)偏差[21]；除此之外，2000年以來(lái)該市城鎮(zhèn)用地面積占比持續(xù)增加(表1)，其對(duì)植被造成的影響也不可忽略。與前5 a相比，2010—2014年7—8月植被退化地區(qū)的LAI有所增加(圖5)，slope<0的區(qū)域面積減少了58.8%，該時(shí)段降水量和土壤體積含水量的均值(153.18 mm，0.209 m3/m3)較2005—2009年偏高，有利于植被恢復(fù)生長(zhǎng)；但由于前期植被退化區(qū)多處于后山風(fēng)蝕沙化和草原地帶，加之近年來(lái)城鎮(zhèn)化水平不斷提高(表1)，所以植被高度退化后在短期內(nèi)難以快速完全恢復(fù)。

2015—2019年7—8月烏蘭察布市植被改善區(qū)面積進(jìn)一步增加(圖5)，slope>0的區(qū)域約占該市總面積的89.1%，與2005—2009年相比，四子王旗西北部植被改善較為明顯。

表1 烏蘭察布市不同土地利用類型變化 %

通過(guò)計(jì)算2000—2019年7—8月逐個(gè)像元的變異系數(shù)，參照王雅鑫等[9]已有研究并結(jié)合烏蘭察布市實(shí)際情況，將變異系數(shù)分為7個(gè)等級(jí)，來(lái)評(píng)估烏蘭察布市植被LAI變化的穩(wěn)定性。由表2可知，Cv≤0.2的區(qū)域僅占研究區(qū)總面積的0.9%，Cv≤0.3區(qū)域占研究區(qū)總面積的11.9%，Cv值主要集中在0.3～0.6之間，占研究區(qū)總面積的75.3%，整個(gè)研究區(qū)平均Cv為0.38，這表明研究期內(nèi)該地區(qū)植被LAI變化穩(wěn)定性較差。

表2 變異系數(shù)等級(jí)劃分

從空間分布來(lái)看(圖6)，LAI變異系數(shù)整體上呈東南低、西北高的特征，空間差異明顯。Cv≤0.2的區(qū)域僅分布在豐鎮(zhèn)市東南部、興和縣南部、涼城縣中北部及察哈爾右翼前旗中部，Cv值在0.2～0.4的區(qū)域主要集中分布在前山地區(qū)以及后山的察哈爾右翼中旗、商都縣、化德縣這3個(gè)地區(qū)的南部，Cv值在0.4以上的區(qū)域集中分布在后山大部分地區(qū)，其中四子王旗西北部Cv值可達(dá)0.7以上，說(shuō)明該區(qū)域LAI的年際波動(dòng)大，植被變化十分不穩(wěn)定。結(jié)合圖5可知，Cv值較小的區(qū)域?qū)?yīng)的年均變化率在4個(gè)階段基本保持穩(wěn)定，Cv值較大的區(qū)域?qū)?yīng)的LAI年均變化率也不穩(wěn)定。

2.2 氣候因子變化特征

2000—2019年烏蘭察布市氣候呈暖濕化趨勢(shì)，氣溫和降水的高值集中在7—8月。由圖7可以看出，7—8月平均氣溫在波動(dòng)中維持穩(wěn)定；其中平均最高氣溫出現(xiàn)在2010年，為20.57 ℃，平均最低氣溫出現(xiàn)在2004年，為18.03 ℃；20 a平均氣溫為19.56 ℃。7—8月降水量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但變化幅度不大；其中降水量最多的年份出現(xiàn)在2018年，為255.44 mm，2009年降水量最少，為92.35 mm；20 a平均降水量為153.57 mm，變化率為1.30 mm/a。土壤濕度對(duì)氣溫和降水的變化較為敏感[25]，其作為地表水的重要組成部分，能夠直接影響植被的生長(zhǎng)和分布[26]。2000—2019年7—8月烏蘭察布市土壤濕度亦在波動(dòng)中維持穩(wěn)定，土壤濕度最高值出現(xiàn)在2004年，與氣溫變化恰好相反，為0.235 m3/m3；土壤濕度最低值出現(xiàn)在2009年，與降水變化一致，為0.176 m3/m3；20 a平均土壤濕度為0.211 m3/m3。

圖6 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI變異系數(shù)空間分布

2.3 LAI對(duì)氣候因子的響應(yīng)

將2000—2019年7—8月的LAI和同期的溫度、降水、土壤濕度進(jìn)行相關(guān)性分析(圖8)，LAI與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，R2為0.291，通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)；LAI與降水、土壤濕度均呈極顯著正相關(guān)，R2分別為0.655和0.736，通過(guò)了99.9%的顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明烏蘭察布市植被生長(zhǎng)受氣溫、降水、土壤濕度三重因素的共同作用，但土壤濕度對(duì)LAI的影響相對(duì)更強(qiáng)?？梢?jiàn)，土壤濕度對(duì)該地區(qū)植被生長(zhǎng)起到了決定性的作用。在干旱半干旱地區(qū)，土壤水分是限制植被生長(zhǎng)和分布的關(guān)鍵因素[4,26]，持續(xù)的高溫會(huì)增加水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致土壤含水量降低，從而使植被生長(zhǎng)受限制[1]。

將LAI與氣溫、降水、土壤濕度在空間格點(diǎn)上進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)比植被受氣候因子影響的區(qū)域性差異。圖9中LAI與氣溫在絕大多區(qū)域呈負(fù)相關(guān)，在涼城縣、卓資縣、察哈爾右翼中旗西部等45.4%的區(qū)域相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到0.5以上，并且通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)；其他區(qū)域相關(guān)系數(shù)相對(duì)較小。圖9中LAI與降水在絕大多區(qū)域呈正相關(guān)，69.8%的區(qū)域相關(guān)系數(shù)集中在0.5～0.8，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)；在四子王旗西北部、商都縣南部及興和縣西部等少數(shù)分布較為零散的區(qū)域相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上，并且通過(guò)了99.9%的顯著性檢驗(yàn)。圖9中LAI與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)分布同降水類似，不同之處在于相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8及以上(通過(guò)了99.9%的顯著性檢驗(yàn))的區(qū)域占比更多，約占總面積的28.0%。

圖7 烏蘭察布市2000—2019年7—8月不同氣候因子變化 圖8 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI與各氣候因子的相關(guān)性

3 討 論

(1) 2000—2019年7—8月烏蘭察布市LAI呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，空間分布差異明顯，東南高西北低，與李建飛等[1]對(duì)烏蘭察布市NDVI變化的研究結(jié)論基本一致。陰山以北的后山大部分地區(qū)LAI上升速度較緩慢或出現(xiàn)下降，變異系數(shù)較大，未來(lái)需重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)加大生態(tài)保護(hù)力度。將研究期分為4個(gè)階段進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)2000—2019年烏蘭察布市葉面積變化趨勢(shì)表現(xiàn)為：增加→減少→增加→增加，且增加的速度小于減少的速度。LAI的增減反映了植被生態(tài)的改善及退化狀況[9-10]，因此上述可表明研究期內(nèi)該地區(qū)植被生態(tài)改善的速度小于退化的速度。究其原因，一方面，生態(tài)退化區(qū)多分布于后山風(fēng)蝕沙化和草原地帶，土地蓄水能力差，對(duì)降水的依賴性強(qiáng)，生態(tài)敏感脆弱，植被在遭受干旱災(zāi)害高度退化后難以恢復(fù)[1]；另一方面，近年來(lái)烏蘭察布市城鎮(zhèn)化步伐持續(xù)加快，工業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)等規(guī)模逐步擴(kuò)大[24]，影響了區(qū)域生態(tài)的恢復(fù)和改善。

圖9 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI與各氣候因子的相關(guān)系數(shù)空間分布

(2) 以往研究[1,22]大多認(rèn)為降水是影響烏蘭察布市植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃?。本研究還分析了土壤濕度對(duì)LAI變化的影響，結(jié)果顯示土壤濕度對(duì)LAI的影響強(qiáng)于降水。這可能是因?yàn)橥寥浪质侵脖簧L(zhǎng)所需水分的主要來(lái)源[26-27]，而降水需轉(zhuǎn)化為土壤水分才能被植物根系直接吸收利用[27]。此外，土壤水分是養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)的重要載體，在土壤—植被—大氣系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化起著紐帶作用[28]。

(3) 不同地區(qū)不同植被類型其LAI對(duì)氣候因子的反映存在差異[4,10]。本研究中LAI與氣溫、降水、土壤濕度的相關(guān)系數(shù)空間分布差異不顯著，結(jié)合土地利用類型和相關(guān)系數(shù)空間分布來(lái)看，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不同植被類型的LAI與氣候因子的相關(guān)性存在明顯差異。這是因?yàn)橹脖蛔兓瘜?duì)氣候因子的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，研究結(jié)果因研究區(qū)域、時(shí)空尺度、數(shù)據(jù)來(lái)源、分析方法等因素的不同而呈現(xiàn)一定的差異性[29-31]。本研究選取簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)來(lái)分析LAI與氣候因子的相關(guān)性，簡(jiǎn)單相關(guān)分析方法得到的結(jié)果并沒(méi)有忽略其他干擾因素的影響[30]，未來(lái)可采用偏相關(guān)分析等方法在不包含其他因素影響的前提下做進(jìn)一步研究。另外，植被對(duì)氣候因子的響應(yīng)具有滯后性，不同植被類型的滯后期也有所差別，這些都將對(duì)二者之間相關(guān)性的空間分布規(guī)律造成一定影響[31]。本研究未將植被對(duì)氣候因子響應(yīng)的時(shí)滯性考慮在內(nèi)，這也是今后需要進(jìn)一步深入探討的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2019年7—8月烏蘭察布市的平均LAI為0.61，整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，速度為0.01/a。具體來(lái)看，2000—2004年、2005—2009年、2010—2014年、2015—2019年烏蘭察布市LAI變化趨勢(shì)為：增加→減少→增加→增加，增加的速度比減少的速度緩慢。

(2) 烏蘭察布市LAI空間分布差異明顯，呈東南高西北低的特征。LAI增加的區(qū)域占研究區(qū)面積的88.3%，興和縣大部、豐鎮(zhèn)市東部、涼城縣西部、四子王旗西南部及察哈爾右翼中旗中北部等地顯著增加，而陰山以北的后山大部分地區(qū)LAI上升速度較緩慢或出現(xiàn)下降。

(3) 研究期內(nèi)烏蘭察布市的LAI平均變異系數(shù)為0.38，植被變化處于相對(duì)不穩(wěn)定的狀態(tài)。LAI變異系數(shù)空間分布差異顯著，具有東南低西北高的特征，其中后山大部分地區(qū)的LAI變異系數(shù)普遍較大，生態(tài)相對(duì)更為脆弱。

(4) 2000—2019年7—8月烏蘭察布市氣溫和土壤濕度在波動(dòng)中基本維持穩(wěn)定，降水呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。LAI與氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān)，與降水和土壤濕度呈極顯著的正相關(guān)，且與土壤濕度的相關(guān)性高于降水和氣溫，這表明土壤濕度是影響該地區(qū)植被生長(zhǎng)的決定性因素。LAI與氣溫、降水、土壤濕度的相關(guān)系數(shù)空間分布差異不顯著，大部分區(qū)域植被LAI與氣溫呈負(fù)相關(guān)，45.4%的區(qū)域相關(guān)性顯著；與降水和土壤濕度呈顯著正相關(guān)，呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域土壤濕度大于降水。