［摘要］葉面積指數(shù)代表生態(tài)系統(tǒng)的能量與活動性，一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。本文通過對渾善達克沙地植被葉面積指數(shù)長時間序列的時空動態(tài)變化特征研究及其變化的驅(qū)動因素分析，結(jié)果表明總體上渾善達克沙地植被葉面積指數(shù)在空間上呈現(xiàn)出東部高、西部低的分布特征，東南地區(qū)LAI較高，植被改善的區(qū)域也主要集中在渾善達克東南部，西部地區(qū)植被改善不明顯，年平均LAI呈現(xiàn)波動性上升趨勢，地下水埋深、可用水量對葉面積指數(shù)影響較大，其次為土壤類型和土壤有機質(zhì)，水資源狀況與土壤特征的交互作用對于葉面積指數(shù)的影響增強，說明未來渾善達克沙地生態(tài)保護與修復(fù)應(yīng)更加注重水資源保護與合理利用和對土壤資源的保護。

［關(guān)鍵詞］渾善達克沙地；葉面積指數(shù)；時空動態(tài)變化；影響因素；地理探測器

葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，簡稱LAI）是表示植被利用光能狀況和冠層結(jié)構(gòu)的綜合指標，指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)，通常被定義為單位面積地表上葉片總面積的比例，與植被的密度、結(jié)構(gòu)、樹木的生物學(xué)特性和環(huán)境條件有關(guān)[1]，是植被冠層物質(zhì)與能量交換的定量描述，反映生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)和新陳代謝能力，代表生態(tài)系統(tǒng)的能量與活動性，在生態(tài)系統(tǒng)健康評估中發(fā)揮重要意義。

渾善達克沙地是內(nèi)蒙古四大沙地之一，位于我國四大草原錫林郭勒草原腹地。歷史上該區(qū)域水草豐美，是重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地[2]。由于區(qū)域人口不斷增加，特別是多年來超載放牧、不合理開采利用水、土、礦等自然資源，生態(tài)系統(tǒng)遭到極大破壞，土地沙化、荒漠化問題逐漸凸顯[3]。同時，該區(qū)域位于京津風(fēng)沙源重點地帶，是全國25個重點生態(tài)功能區(qū)之一，也是內(nèi)蒙古牢記“國之大者”，要堅決打贏的“三大標志性戰(zhàn)役”主戰(zhàn)場，渾善達克沙地生態(tài)系統(tǒng)健康與否直接影響著“京津冀”乃至全國的生態(tài)安全[4]。

本文借助于地理信息系統(tǒng)空間分析方法[5]，對2000～2020年渾善達克沙地植被葉面積指數(shù)進行空間可視化，分析研究植被葉面積指數(shù)時空動態(tài)變化特征及主要影響因素，為未來渾善達克沙地生態(tài)保護修復(fù)方向和措施提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

渾善達克沙地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟南部，面積3.2×104 km2，與首都北京直線距離為180 km，東西長約470 km，南北寬約10～100 km，行政區(qū)劃涉及錫林郭勒盟和赤峰市2個盟市、9個旗縣[6]。

過去幾十年里該地區(qū)由于氣候變化、過度放牧和農(nóng)田開墾等，土地沙漠化嚴重，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況不僅關(guān)系到本地生態(tài)安全及居民福祉，同時也關(guān)系到京津冀乃至全國更廣大區(qū)域的生態(tài)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展。為改善生態(tài)環(huán)境，內(nèi)蒙古認真貫徹落實國家政策部署，先后在渾善達克沙地實施了“三北防護林”“退耕還林還草工程”“京津風(fēng)沙源治理工程”和“圍封禁牧”等生態(tài)保護修復(fù)工程[7]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中渾善達克沙地多期植被葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)使用MODIS LAI產(chǎn)品，產(chǎn)品時間分辨率為8天，空間分辨率為250 m。多年降水數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，借助ArcGIS10.8 插值獲取年均降水量的空間分布。蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于MODIS下載網(wǎng)站。土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫。地下水數(shù)據(jù)來源于收集水利部門在研究區(qū)周邊110個長期監(jiān)測井地下水水位計算埋深數(shù)據(jù)進行空間化處理。

2.2 植被調(diào)查

參照群落調(diào)查相關(guān)技術(shù)規(guī)范，采用空間代替時間序列的方法，結(jié)合遙感影像資料，2021年7～9月對渾善達克沙地范圍內(nèi)不同沙地類型植被進行野外驗證調(diào)查，本著盡可能涵蓋沙地不同放牧干擾強度、植被類型、氣候與土壤條件等因素的原則確定31個調(diào)查點位，分別在流動沙地、半固定沙地、固定沙地、草地、林地等不同生境進行樣地布設(shè)。記錄的樣方信息包括樣方的經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、生境類型、土壤類型、典型植被。草本植物樣方大小為1 m×1 m，記錄樣方內(nèi)植物名稱、植物數(shù)量、植物蓋度、植物高度；灌木樣方大小5 m×5 m，記錄樣方內(nèi)植物冠幅、高度、個體數(shù)；喬木樣方大小10 m×10 m，記錄樣方內(nèi)樹種個體數(shù)、樹高、胸徑、冠幅、枝下高。同時利用GPS，記錄外業(yè)樣方布設(shè)航跡及各樣方經(jīng)緯度坐標和海拔。

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)解譯分析、“三調(diào)”成果及野外實地調(diào)研驗證，對每一種植被類型及分布展開調(diào)查，共包括17個一級類，49個二級類，總面積31686.11km2。

2.3 主要研究方法

植被、土壤和地下水特性是沙地景觀生態(tài)應(yīng)對氣候變化和人類活動的直觀反映，干旱半干旱地區(qū)植被、土壤和可用水對全球變化更敏感，因此本文采用研究區(qū)沙地植被、土壤、地下水和可用水數(shù)據(jù)作為對LAI變化驅(qū)動因素進行分析，基于遙感產(chǎn)品和野外實地調(diào)研，分析渾善達克沙地植被、土壤和可用水時空特征，并采用地理探測器分析主要驅(qū)動因素及影響特征?？捎盟捎盟科胶夥ㄟM行計算，因沙地土壤下滲能力強，徑流量較小，可忽略不計，因此采用降水量與蒸散發(fā)的差值來表示可用水資源量。

本文采用地理探測器分析渾善達克沙地植被葉面積指數(shù)時空動態(tài)變化的驅(qū)動因素。地理探測器是由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所王勁峰研究員團隊在《Geographical Detectors-Based Health Risk Assessmentand its Application in the Neural Tube Defects Study of the Heshun Region， China》一文中首次提出的，解決了中國山西省和順縣新生兒神經(jīng)管畸形的地理環(huán)境影響發(fā)病因子分析，為環(huán)境健康研究提供了新方法[8]。目前，地理探測器已成為主流地理分析模型，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響因子分析、植被變化驅(qū)動力分析等領(lǐng)域。同時地理探測器可以判斷兩因子是否存在交互作用，以及交互作用的強弱、方向、線性還是非線性關(guān)系等。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 LAI 時空動態(tài)變化

2000～2020年渾善達克沙地植被LAI時空動態(tài)變化空間分析顯示，渾善達克沙地植被LAI總體上呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征，其中多倫縣、克什克騰旗、正鑲白旗、錫林浩特市等地區(qū)LAI較高，蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、鑲黃旗和阿巴嘎旗等地區(qū)LAI較低。同時，隨著時間的推移，LAI呈現(xiàn)出波動性增加的變化趨勢，LAI植被改善的區(qū)域主要集中在渾善達克東南部，西部地區(qū)植被改善不明顯。

通過繪制渾善達克沙地2000～2020年平均LAI直方圖（圖1）分析表明，分別在2003、2006、2013年達到一定的峰值，并在2013年達到最大值，在2001、2005、2010、2017年達到相對谷值，并在2010年達到最低值，即在2000～2017年LAI值的波動性較大，而在2018～2020年的時段內(nèi)，年平均LAI值處于高位平衡狀態(tài)，總體來看，從2000～2020年，渾善達克沙地年平均LAI呈現(xiàn)波動性上升趨勢，說明渾善達克沙地的植被狀況呈現(xiàn)總體好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，生態(tài)修復(fù)工程取得了一定的效果。

3.2 LAI 動態(tài)變化的影響因素識別

通過地理探測器對葉面積指數(shù)驅(qū)動因子的貢獻率進行計算，解釋度越大則表示該影響因子是影響葉面積指數(shù)的主要因素，如表1所示。從葉面積指數(shù)驅(qū)動因子的解釋度結(jié)果來看，主導(dǎo)因子為地下水埋深和可用水量，解釋度分別為0.496和0.391。從解釋度的排序結(jié)果來看：地下水埋深（0.496）gt;可利用水量（0.391）gt;土壤質(zhì)地（0.337）gt;土壤有機碳（0.070）gt;植被類型（0.054），從評價結(jié)果來看，地下水埋深是影響葉面積指數(shù)空間分布最主要的因素，其次是可用水量和土壤質(zhì)地。

交互探測可以用于識別兩因子之間的交互作用，即評估因子間共同作用時是否會增加或減弱對因變量的解釋力，或者這些因子是否相互獨立。因子間的交互作用類型共有五類：非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強、獨立和非線性增強。根據(jù)驅(qū)動因子交互探測結(jié)果（圖2），植被類型X1、土壤質(zhì)地型X2、土壤有機碳X3、地下水埋深X4和可利用水量X5對于葉面積指數(shù)影響多存在雙因子增強現(xiàn)象，即兩因素相互作用時會增強對葉面積指數(shù)的解釋力，土壤質(zhì)地與地下水埋深和可利用水的交互作用強度較大，其次是土壤有機碳與地下水埋深和可利用水的相互作用強度。

4 討論

（1）渾善達克沙地植被LAI總體呈現(xiàn)增加的趨勢，這與多年來該區(qū)域?qū)嵤┑纳鷳B(tài)保護與修復(fù)工程密切相關(guān)，但由于區(qū)域年度降水量、蒸散發(fā)、地下水等水約束條件和人類活動的不穩(wěn)定動態(tài)變化特征，導(dǎo)致LAI時間上呈現(xiàn)波動性變化特征。

（2）水資源約束是影響渾善達克沙地植被LAI狀況的主要因素，首先是地下水埋深，其次是可用水和土壤質(zhì)地特征。因此保護和恢復(fù)地下水是未來該區(qū)域生態(tài)保護與修復(fù)的重點策略方向。

（3）該區(qū)域植被類型多年來未發(fā)生較大變化，植被類型對LAI的影響較小，因此未來在恢復(fù)植被類型方面應(yīng)尊重自然、順應(yīng)自然規(guī)律，選擇當?shù)剜l(xiāng)土植物種，避免引入外來物種和其他高耗水草種、樹種。

（4）水資源條件與土壤特征的交互作用對渾善達克沙地植被LAI影響增強，表明未來該區(qū)域生態(tài)保護與修復(fù)工程中，在保護水資源的同時還要注意保護土壤資源，避免人類活動或工程活動對當?shù)赝寥罈l件的影響和破壞。

[參考文獻]

［1］唐欲然，鄭文武，龍岳紅.2001～2019 年湖南省葉面積指數(shù)時空變化動態(tài)研究［J］. 測繪與空間地理信息，2024，47（4）：69-76.

［2］馬永桃，任孝宗，胡慧芳，等. 基于地理探測器的渾善達克沙地植被變化定量歸因［J］. 中國沙漠，2021，41（4）：195-204.

［3］齊丹卉，楊洪曉，盧琦，等. 渾善達克沙地植物群落主要類型與特征［J］. 中國沙漠，2021，41（4）：23-33.

［4］馮學(xué)武，吳國璽，王鐵軍，等. 渾善達克沙地沙質(zhì)荒漠化過程與動態(tài)評估［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2020，34（5）：109-116.

［5］王利，武慧琳，徐甫. 植被葉面積指數(shù)遙感反演研究現(xiàn)狀與展望［J］. 測繪標準化.2024，40（01）：29-36.

［6］鄧騰林，宋一凡，王明新，等. 渾善達克沙地―化植被指數(shù)動態(tài)變化及其對標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)的時空關(guān)系［J］. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報.2022，20（03）：221-230.

［7］同麗嘎，寧小莉，張靖，等. 近30ɑ 渾善達克沙地沙漠化時空演變特征及驅(qū)動機制研究［J］. 干旱區(qū)地理.2021，44（04）：992-1002.

［8］Batelaan O，De Smedt F，Triest L. Regional groundwater discharge：phreatophyte mapping，groundwater modelling and impact analysis of land-use change［J］. Journal of Hydrology，2003，275（1-2）：86-108.