鄧騰林 ，宋一凡 ，王明新 ，趙義平 ，王子河 ，劉 迪 ，龍胤慧

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

1 研究背景

渾善達(dá)克沙地是我國第三大沙地，同時也是京津冀地區(qū)冬、春季節(jié)主要的風(fēng)沙源區(qū)，其生態(tài)環(huán)境健康狀況直接關(guān)系到我國北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。開展變化環(huán)境下渾善達(dá)克沙地植被動態(tài)變化及其影響因素研究具有十分重要的生態(tài)意義。

渾善達(dá)克沙地地處中緯度生態(tài)脆弱區(qū)，氣候條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱，與其他地貌類型相比，更易受到不利環(huán)境的影響。在眾多環(huán)境要素中，水分是沙地植被生長分布以及退化與恢復(fù)過程中最主要的限制性因素［1］。以氣溫升高為主要特征的氣候變化深刻影響著全球水文循環(huán)過程與陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。IPCC第五次評估報告指出，隨著全球平均氣溫不斷上升，世界各地發(fā)生干旱等極端氣候事件的可能性增大［2］（IPCC，2013）。中高緯度地區(qū)被認(rèn)為是受氣候變化影響最大的區(qū)域［3］，而我國西北干旱區(qū)氣溫上升速率為中國平均升溫速率的1.31倍和全球平均升溫速率的2.62倍［4］，受氣候變化影響尤為顯著。長期以來，各類測站稀少一直是生態(tài)脆弱地區(qū)干旱事件監(jiān)測與科學(xué)研究的限制條件。近年來，大尺度空間遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品（如 NOAA［5］、MODIS［6］、SPOT-VGT［7］等）的應(yīng)用為荒漠化地區(qū)植被動態(tài)監(jiān)測及其影響因素分析提供了新的視角［8］。降水是沙地最主要的水分來源，其降水事件具有著鮮明的時空變異性和脈動性特征［9］。降水事件的發(fā)生時間、持續(xù)時間、強度具有極強烈的波動性和不均勻性［10］，且隨著降水量的遞減，變異性和波動性愈發(fā)強烈［11］，全球不同干旱地區(qū)都有類似的降水分布格局［12］。受降水影響，沙地干旱事件也表現(xiàn)出類似的時空分異和脈動性特征。此外，由于干旱事件本身還具有滯后性和持續(xù)性特點［13-14］，沙地干旱演變規(guī)律及其與植被互饋機制更加復(fù)雜［15］。針對植被對干旱響應(yīng)研究多集中在熱帶森林植被系統(tǒng)［16］、濕地植被生態(tài)系統(tǒng)［17］、農(nóng)田植被生態(tài)系統(tǒng)等［18］，而不同植被生態(tài)系統(tǒng)對干旱的敏感性與響應(yīng)機制不同，特別是目前沙地植被生態(tài)系統(tǒng)對干旱的響應(yīng)機制尚未有明確結(jié)論。

基于此，本研究以渾善達(dá)克沙地為研究區(qū)，在分析1982—2015年沙地NDVI動態(tài)變化情勢的基礎(chǔ)上，調(diào)查近34年來沙地植被動態(tài)與不同時間尺度SPEI的時空響應(yīng)關(guān)系，以期了解氣候變化對渾善達(dá)克沙地植被動態(tài)的影響規(guī)律，為氣候變化綜合應(yīng)對和沙漠化針對性防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究區(qū) 渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古高原中部地區(qū)，東西長約470 km，南北長約10～100 km，面積約3.2萬km2。研究區(qū)涉及錫林郭勒盟二連浩特市、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、阿巴嘎旗、錫林浩特市、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍(lán)旗、多倫縣和赤峰市的克什克騰旗等11個旗（市、縣）75個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、蘇木）。其地勢起伏由東南向西北緩緩降低，沙地邊緣為剝蝕低山、丘陵，境內(nèi)為沙丘、湖泊、盆地及剝蝕高原交錯分布［19］。其氣候類型屬溫帶大陸性氣候，主要特征表現(xiàn)為寒冷、干旱、風(fēng)大［20］。光熱資源為年均氣溫0～3℃，有記錄的極端最高氣溫42.6℃，最低氣溫-35℃；年日照時數(shù)3000～3200 h，≥10℃積溫2000～2600℃，西部最高可達(dá)2700℃；因受東南季風(fēng)的影響，降水量自東向西遞減，東部年降水350～400 mm，西部100～200 mm；年蒸發(fā)量為2000～2700 mm；干燥度為4.0～14.0；冬春季節(jié)，風(fēng)力強大而發(fā)生頻繁，年平均風(fēng)速3.5～5.0 m/s，大風(fēng)日數(shù)50～80 d，占全年的40%～50%，是全國沙區(qū)最大風(fēng)區(qū)之一。根據(jù)全國1∶1000000中國植被類型圖，研究區(qū)土地植被覆蓋類型為草原、灌叢、闊葉林、荒漠等8種植被類型，其中草原（甸）比例為60.12%，灌叢比例為21.75%，闊葉林比例為13.32%，其余5種類型僅占4.81%，植被覆蓋分布如圖1所示。

圖1 渾善達(dá)克沙地主要植被覆蓋類型

2.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理 歸一化植被指數(shù)（NDVI），又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，該指數(shù)能夠較好地反映植被光合能力的變化［21］，也是表征植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度最佳指示因子之一。

本文NDVI數(shù)據(jù)來源為美國NASA戈達(dá)德太空飛行中心（GSFC）GIMMS3gNDVI數(shù)據(jù)集［22］（https：//ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/），其空間分辨率為1/12°，時間跨度為1982年1月—2015年12月，時間分辨率為15 d。本研究采用最大值合成法（MVC）將NDVI源數(shù)據(jù)合成為月數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得不同季節(jié)和年值數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)SPEI是由Vicente-Serrano等［23］結(jié)合降水與潛在蒸散發(fā)量差值序列的累積概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)［24］。由于其引入了潛在蒸散發(fā)量，該指數(shù)在降水、溫度的基礎(chǔ)上，增加了蒸散發(fā)、風(fēng)速、相對濕度及太陽輻射等參數(shù)，因而能夠更加有效地反應(yīng)某一地區(qū)不同時間尺度的干濕情況，SPEI指數(shù)干濕程度分級見表1。

表1 SPEI指數(shù)干濕程度分級［25］

本文SPEI數(shù)據(jù)采用氣候研究委員會（Climate Research Unit）SPEI數(shù)據(jù)集（https：//digital.csic.es/handle/10261/153475）。該數(shù)據(jù)集空間分辨率為0.5°，時間跨度為1900年1月—2015年12月，時間分辨率為1月，共包括48個時間尺度。本研究選取1982年1月—2015年12月數(shù)據(jù)，并將各時間尺度SPEI數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣至1/12°。

2.3 研究方法 本次NDVI變化趨勢研究方法采用指數(shù)線性回歸法，即通過采用最大值合成法獲得渾善達(dá)克沙地各像元年尺度NDVI值分布情況，再運用線性回歸，分析沙地內(nèi)各像元NDVI在年尺度上空間分布及變化趨勢，其計算公式如下：

式中：θslop為像元n年NDVI值線性回歸方程斜率；n為時間序列長度；j為NDVI系列中第j年。

對不同像元θslop值進(jìn)行F顯著性檢驗，將NDVI變化趨勢分為四個等級，分別為顯著性改善（θslop＞0，P≤0.05），非顯著性改善（θslop＞0，0.05＜P＜1），顯著性退化（θslop＜0，P≤0.05），非顯著性退化（θslop＜0，0.05＜P＜1）。

在上述基礎(chǔ)上，采用Pearson相關(guān)分析法計算渾善達(dá)克沙地NDVI與不同時間尺度SPEI的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而分析NDVI對不同時間尺度SPEI的響應(yīng)關(guān)系。其中，SPEI采用1、3、6、9、12和24個月6種時間尺度。參考樸世龍等［26］在中國北方地區(qū)的生長季及不同季節(jié)劃分方法，生長季為4—10月，春季為4—5月，夏季為6—8月，秋季為9—10月。根據(jù)式（2）分別計算逐月NDVI與SPEI在不同時間尺度的相關(guān)系數(shù)。采用式（3）計算獲得年、生長季以及不同季節(jié)NDVI與不同時間尺度SPEI相關(guān)系數(shù)最大值。

式中：ρij為某像元i月NDVI和j時間尺度SPEI的pearson相關(guān)系數(shù)；ρmax為該像元在不同時間尺度內(nèi)ρij的最大值。

本文相關(guān)性分析顯著性水平均為α=0.05，數(shù)據(jù)處理基于MATLAB（2015b）軟件與Arcmap Python編程實現(xiàn)。

3 研究結(jié)果及分析

3.1 渾善達(dá)克沙地NDVI動態(tài)變化及趨勢 渾善達(dá)克沙地1982—2015年NDVI多年平均值為0.22，NDVI年尺度動態(tài)變化如圖2（a）所示。沙地中、東部地區(qū)年尺度NDVI值均在0.40以上，西部地區(qū)則介于0～0.40之間。從年際變化來看，1989年、2000年和2010年沙地整體NDVI處于較小值，植被覆蓋程度偏低；而1990年、1999年、2003年、2012年和2013年沙地整體NDVI處于較大值，植被覆蓋程度相對較高。渾善達(dá)克沙地1982—2015年NDVI最大值月份時空分布情況如圖2（b）所示。從各月來看，研究區(qū)NDVI最大值多出現(xiàn)在7、8月份，且不同年份時空變化明顯。

圖2 渾善達(dá)克沙地逐年NDVI時空動態(tài)變化圖

從圖2（a）可以看出，渾善達(dá)克沙地植被覆蓋程度整體分布自東向西減少，中部地區(qū)植被動態(tài)變化較東、西部地區(qū)更加頻繁，這主要是受到了降水東南多西北少的分布差異的影響［27］。從圖2（b）和圖3可以看出NDVI的年內(nèi)分布情況，NDVI最大值在8月份出現(xiàn)最多，占比超過50%，其次為7月份，占比超30%，其與研究區(qū)降水時空分布特征同規(guī)律且相關(guān)性較大。這反映了水分是沙地植被生長分布以及退化與恢復(fù)過程中最主要的限制性因素。

圖3 渾善達(dá)克沙地最大NDVI年內(nèi)分布圖

渾善達(dá)克沙地1982—2015年NDVI變化趨勢如圖4所示。研究區(qū)近34年來NDVI改善區(qū)面積占沙地面積55.56%，其中，顯著性改善區(qū)域約占沙地面積13.24%，主要分布在沙地腹地；非顯著改善區(qū)域約占沙地面積42.32%，主要分布在沙地腹地各旗縣交界區(qū)域。研究區(qū)近34年來NDVI退化區(qū)面積占沙地面積44.44%，其中顯著性退化區(qū)域占沙地面積的6.64%，同樣零星分布在沙地腹地區(qū)域；非顯著退化區(qū)域主要集中在沙地西部蘇尼特右旗和蘇尼特左旗與阿巴嘎旗交界處及正藍(lán)旗北部區(qū)域，約占沙地面積的37.80%。

圖4 渾善達(dá)克沙地近34年來NDVI變化趨勢顯著性分級

渾善達(dá)克沙地近34年來NDVI改善的面積略大于退化面積，其中顯著改善的面積大于顯著退化的面積，沙地植被總體朝著改善的方向發(fā)展的，其與沙地范圍內(nèi)近年來禁牧，涵養(yǎng)水資源等沙地生態(tài)修復(fù)措施實施有關(guān)。沙地顯著改善區(qū)域與沙地顯著退化區(qū)域均相互交錯分布于沙地腹地，其與區(qū)域土壤質(zhì)地及基底起伏導(dǎo)致地下水水位埋深程度不同，進(jìn)而影響植被生長的生態(tài)因子分布不均導(dǎo)致植被生長的差異，進(jìn)而導(dǎo)致植被生態(tài)脆弱異質(zhì)性［28］。同時還應(yīng)看到的是，占沙地80.12%面積的區(qū)域改善、退化趨勢均未達(dá)到顯著，二者之間存在著頻繁的轉(zhuǎn)化關(guān)系，當(dāng)氣候變化和人類活動朝著不利的方向發(fā)展時，改善的區(qū)域易轉(zhuǎn)化為退化，反之亦然，這與沙地植被脆弱，對氣候變化與人類活動極為敏感所致［29］。

3.2 年尺度NDVI對不同時間尺度SPEI的響應(yīng) 渾善達(dá)克沙地年尺度NDVI與不同時間尺度SPEI（1個月、3個月、6個月、9個月、12個月、24個月）相關(guān)系數(shù)最大值空間分布如圖5（a）所示。研究區(qū)范圍內(nèi)86.38%的區(qū)域NDVI與SPEI呈顯著性相關(guān)（圖5（b）），未通過顯著檢驗的區(qū)域主要分布在沙地范圍腹地的灌叢和草地。從年尺度NDVI對不同時間尺度SPEI的響應(yīng)來看（圖5（c）），與NDVI相關(guān)性最強的為SPEI-03，約占沙地面積的49.14%，主要分布在沙地的東南部和西部；其次為SPEI-24，約占沙地面積的24.74%，主要分布在沙地的中部和東部；其余時間尺度多分布在沙地中部。

圖5 渾善達(dá)克沙地年尺度NDVI和不同尺度SPEI最大相關(guān)系數(shù)

研究區(qū)86.38%的區(qū)域NDVI與SPEI顯著相關(guān)，受水熱條件變化影響強烈，這也反映了沙地生態(tài)環(huán)境的脆弱特征。未通過顯著檢驗的區(qū)域主要分布在沙地腹地的灌叢和草地，這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境極端惡劣，生長的植被在長期進(jìn)化過程中發(fā)展出了極強的耐旱性［30］。通過NDVI與不同時間尺度SPEI的相關(guān)性分析，可發(fā)現(xiàn)渾善達(dá)克沙地NDVI對SPEI的滯后期多為3個月，所占比例約為一半，其次為24個月。植被對持續(xù)性干旱的滯后效應(yīng)主要受到植物類型、抗旱性能、土壤質(zhì)地等因素影響［31］。通常而言，草本植物由于根系較淺，因此更易受到干旱事件的影響［32］。此外，沙地土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，持水能力較差，土壤有效含水量偏低，土壤貧瘠，也使得沙地淺根植物對干旱事件更為敏感。研究區(qū)各類草地面積超過60%，同其他植被類型相比，響應(yīng)時間也較短［33］。根系發(fā)育較深的灌木和喬本植物抵御持續(xù)性干旱的能力更強［34］。研究表明，森林能夠?qū)?年前的干旱產(chǎn)生響應(yīng)［35］。在研究區(qū)降水量相對較大的東南部，分布著灌叢、闊葉林、針葉林等根系較深的植被，在這些區(qū)域NDVI與SPEI-24表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性。由此可見沙地水熱條件和土壤結(jié)構(gòu)等生態(tài)影響因子決定了沙地植被類型的多樣性，進(jìn)而表現(xiàn)出對水熱條件響應(yīng)的不同特征。

3.3 季節(jié)尺度NDVI對不同時間尺度SPEI的響應(yīng) 與渾善達(dá)克沙地不同季節(jié)NDVI相關(guān)性最強的SPEI所對應(yīng)的時間尺度分布如圖6所示。與春季NDVI相關(guān)程度最大的為SPEI-09，約占沙地范圍33.37%，其次為SPEI-24和SPEI-12分別占沙地范圍26.36%和24.16%。其中，SPEI-09主要分布在沙地西部和正北部，SPEI-12主要分布在沙地中部，SPEI-24主要分布在沙地東部。與夏季NDVI相關(guān)程度最大的為SPEI-03，分布在沙地東部和西部，約占沙地范圍51.17%，其次為SPEI-06，SPEI-12和SPEI-24，分別占沙地范圍為16.95%，14.03和12.14%，均分布在沙地中部。與秋季NDVI相關(guān)程度最大的為SPEI-03，廣泛分布于沙地范圍內(nèi)，東部較集中，約占沙地范圍40.32%，其次為SPEI-06和SPEI-24分別占沙地范圍31.95%和14.03%，均分布于沙地中部和北部。與整個生長季NDVI相關(guān)程度最大的為SPEI-03，廣泛分布于沙地范圍內(nèi)，東西部較為集中，約占沙地范圍46.88%，其次為SPEI-06、SPEI-24和SPEI-12，分別約占沙地范圍18.25%、15%和12.34%，主要分布在沙地中部及邊緣。

圖6 與渾善達(dá)克沙地NDVI具有最大相關(guān)性的SPEI時間尺度分布圖

研究區(qū)不同季節(jié)NDVI與各時間尺度SPEI最大相關(guān)系數(shù)空間分布如圖7所示。在植被生長季，最大相關(guān)系數(shù)值隨時間尺度的推移由西向東不斷增大，同時西部區(qū)和中部區(qū)最大相關(guān)系數(shù)隨時間尺度的推移先增大后隨之減?。桓魃L季內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)高值區(qū)均分布在沙地邊緣，中部地區(qū)零星分布，相關(guān)性最大的時間尺度為SPEI-03，其次為SPEI-06和SPEI-09。

圖7 渾善達(dá)克沙地不同季節(jié)NDVI與不同時間尺度SPEI最大相關(guān)系數(shù)分布圖

從不同季節(jié)NDVI與不同時間尺度SPEI的相關(guān)性分析來看，春季NDVI對SPEI具有9個月的滯后期，體現(xiàn)出了更好的耐旱性；而夏季、秋季和整個生長季NDVI對SPEI的滯后期都為3個月，植被動態(tài)對干旱事件的響應(yīng)更加敏感。很多研究都表明，非生長季降水留存對于干旱半干旱地區(qū)植被返青以及抗旱具有重要的生態(tài)學(xué)意義［36-37］。一方面，隨著氣溫回暖，冰雪融化增加了土壤含水量；另一方面，有效積溫不足抑制了植被生理活動，水分消耗有限，從而降低了春季植被對干旱事件的敏感性。研究區(qū)春季NDVI與SPEI相關(guān)關(guān)系也正體現(xiàn)出這一現(xiàn)象。從NDVI與不同時間尺度SPEI最大相關(guān)系數(shù)所占面積比例可以看出，不同季節(jié)NDVI對干旱事件的敏感程度依次為夏季（SPEI-3，51.17%）＞生長季（SPEI-3，46.88%）＞秋季（SPEI-3，40.32%）＞春季（SPEI-9，33.37%）。此外，從不同季節(jié)NDVI與不同時間尺度SPEI相關(guān)性隨時間推移變化關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同季節(jié)NDVI與不同時間尺度SPEI的相關(guān)關(guān)系具有極強的時空不均勻性［38］?？傮w來說，研究區(qū)植被生長受中短期水熱條件變化影響顯著，這體現(xiàn)出沙地植被生長敏感而脆弱的特點。

4 結(jié)論

本文基于GIMMS3gNDVI數(shù)據(jù)集和SPEI數(shù)據(jù)集，分析了渾善達(dá)克沙地1982—2015年NDVI動態(tài)變化及其與SPEI在不同時間尺度上的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上調(diào)查了渾善達(dá)克沙地植被對干旱事件的響應(yīng)關(guān)系，獲得了以下結(jié)果：

（1）渾善達(dá)克沙地近34年來NDVI顯著改善面積約4326 km2，約占沙地面積13.32%，非顯著改善面積13 719.89 km2，約占沙地面積42.24%；顯著性退化面積約2155.56 km2，約占沙地面積6.64%；非顯著性退化面積12276.47 km2，約占沙地面積37.80%。沙地植被改善面積大于退化面積，總體呈恢復(fù)趨勢，其與沙地范圍內(nèi)近年來禁牧，涵養(yǎng)水資源等沙地生態(tài)修復(fù)措施實施有關(guān)。

（2）研究區(qū)86.38%的區(qū)域NDVI與SPEI顯著相關(guān)，植被動態(tài)受水熱條件變化影響強烈，同時由于植被分布類型具有多樣性，導(dǎo)致其與水熱條件響應(yīng)亦具有不同的特征。通過NDVI與不同時間尺度SPEI的相關(guān)性分析，使得植被對干旱事件的響應(yīng)呈兩極分化特點，即滯后期多為3個月和24個月。從不同季節(jié)來看，干旱事件對NDVI影響最大的為夏季、影響最小的為春季，不同季節(jié)NDVI對干旱事件敏感性排序依次為夏季＞生長季＞秋季＞春季。總體而言，渾善達(dá)克沙地植被生長受中短期水熱條件變化影響顯著。

本研究初步厘清了渾善達(dá)克沙地近34年來NDVI動態(tài)變化趨勢，探討了不同時間尺度NDVI與干旱事件的響應(yīng)關(guān)系。研究成果對于增進(jìn)變化環(huán)境下渾善達(dá)克沙地生態(tài)水文過程認(rèn)識以及開展針對性沙漠化防治具有一定的科學(xué)借鑒意義。