內(nèi)蒙古植被穩(wěn)定性及其影響因素分析

特力格爾，那仁滿都拉，郭恩亮，阿如娜，康 堯，娜仁夫

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古高原災(zāi)害與生態(tài)安全重點實驗室，呼和浩特 010022； 3.包頭市蒙古族中學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

1 研究背景

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，強(qiáng)烈影響著大氣與土壤之間的能量傳遞[1]，植被覆蓋度是衡量生態(tài)環(huán)境權(quán)重的重要指標(biāo)，對氣候非常敏感，是氣候變化的重要指示器[2]。植被時空變化是氣候變化、土地利用及人為活動等共同影響的結(jié)果[3]。植被類型決定陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有明顯的年際變化特點，從而促使陸地生態(tài)系統(tǒng)時空尺度上發(fā)生變化，而氣候變化作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要驅(qū)動因子，決定地表植被的生存和分布的特點[4]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)(簡稱“內(nèi)蒙古”)位于我國北方， 地處典型溫帶干旱、 半干旱地區(qū)， 植被類型主要以草原和森林為主， 生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱， 對氣候變化較敏感[5-6]， 一旦遭到破壞難以恢復(fù)[7-8]。 近年來， 全球氣候變化、 超載過牧、 資源開采等不合理利用等影響因素導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重， 嚴(yán)重威脅國家生態(tài)安全[9]。 內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)環(huán)境的退化隨著退耕(牧)還林(草)及其他政策的實施， 生態(tài)系統(tǒng)明顯好轉(zhuǎn)[10-12]。 因此， 一方面評估植被恢復(fù)效果及未來發(fā)展方向顯得十分重要； 另一方面， 研究內(nèi)蒙古地區(qū)植被穩(wěn)定性， 為內(nèi)蒙古未來植被建設(shè)以及科學(xué)利用土地資源具有重要意義。

遙感影像覆蓋面積廣，能快速循環(huán)獲取地表信息，已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域尺度植被覆蓋變化的動態(tài)監(jiān)測研究[13]，成為研究植被時空變化的重要手段。其中歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)遙感影像被廣泛地用于植被覆蓋時空分布及驅(qū)動因素研究中[14-15]。王小霞等[16]結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和2000—2017年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)是驅(qū)動?xùn)|北森林NDVI變化的主要因素。Sha等[8]采用累計NDVI的Logistic曲線曲率極值法，識別內(nèi)蒙古植被枯黃期及其時空變化特征，并分析不同植被類型枯黃期對氣候因子和NDVI的響應(yīng)特征。盡管前人做了大量關(guān)于植被NDVI與氣候變化關(guān)系的研究，但目前對內(nèi)蒙古地區(qū)植被穩(wěn)定性及其影響因素的研究較少。

因此，本文基于2000—2019年的MOD13A2 NDVI數(shù)據(jù)集、氣象數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù)，通過自回歸模型、趨勢分析與地理空間分析法，以對氣候因素敏感的草原與森林區(qū)為例研究植被覆蓋變化、不同類型植被的穩(wěn)定性與影響因素，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)提供理論與實證依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古(37°24′N—53°23′N，97°12′E—126°04′E)，地處中國干旱半干旱區(qū)，面積約118.3萬km2，是中國第三大省區(qū)[17]。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水主要集中在6—8月份，年降水量為50～450 mm，從西南部戈壁荒漠區(qū)的<100 mm逐漸增加到東北森林區(qū)的>400 mm，溫度的空間分布特征與降水相反[18]。按照降雨量和溫度的梯度變化，植被類型沿東北—西南一線依次為森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原與戈壁荒漠[19]。土地利用以草地、耕地以及林地為主，是中國重要的畜牧業(yè)區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

2.2.1 內(nèi)蒙古植被類型數(shù)據(jù)

內(nèi)蒙古地區(qū)植被類型數(shù)據(jù)來自數(shù)字化的1∶100萬的內(nèi)蒙古植被分類圖。對矢量格式的植被數(shù)據(jù)進(jìn)行合并分類等預(yù)處理，得到空間分辨率與溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)相匹配的植被數(shù)據(jù),并將內(nèi)蒙古分為9種土地類型區(qū)，分別為森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原、農(nóng)業(yè)植被、灌叢、沙地植被、戈壁荒漠及水域，如圖1所示。

圖1 內(nèi)蒙古土地類型分布Fig.1 Land cover types in Inner Mongolia

2.2.2 氣象數(shù)據(jù)

本文氣象數(shù)據(jù)從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/)得到2000年1月—2019年12月的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，包括內(nèi)蒙古45個氣象站點的數(shù)據(jù)。

2.2.3 NDVI數(shù)據(jù)集

本文使用的NDVI數(shù)據(jù)為Terra衛(wèi)星的MOD13A2產(chǎn)品(來源于https:∥ladsweb.Modaps.eosdis.nasa.gov/search/)，時間和空間分辨率分別為16 d和1 km。且采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)，獲得逐月和逐年的NDVI數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

2.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

通過Sen’s趨勢分析和Mann-Kendall(簡寫M-K)檢驗，分析了內(nèi)蒙古地區(qū)不同土地類型的平均NDVI變化和逐像元的年際NDVI變化。M-K趨勢檢驗法是一種非參數(shù)趨勢檢驗法,適用于非正態(tài)分布的氣象數(shù)據(jù)的非線性趨勢檢驗。假定x1,x2,…,xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，M-K法定義了正態(tài)分布統(tǒng)計量S為：

(1)

(2)

式中：xj、xi分別為j、i年的相應(yīng)測量值；n為時間序列長度，對于所有的i

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18 ,

(3)

(4)

式中Var(S)為方差。在給定的a置信水平上，如果|Z|≥Z1-a/2，則拒絕原假設(shè)，即在a置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。其變化趨勢的大小用Sen’s斜率表示，計算公式為

(5)

若斜率>0，表示呈上升趨勢；若斜率<0，表示呈下降趨勢。

2.3.2 自回歸模型

自回歸模型是參照De Keersmaecker等[20](2015年)的方法建立的，本文利用降水量代替了標(biāo)準(zhǔn)的降水-蒸散指數(shù)，其表達(dá)式為

NDVIt=α·NDVIt-1+β·PREt+γ·TAt+εt。(6)

式中：t表示年份；PREt表示降水的穩(wěn)定性；TAt表示氣溫的穩(wěn)定性；α、β、γ均為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)，其字符解釋見表1；εt表示殘差。α表示生態(tài)系統(tǒng)具有恢復(fù)能力，當(dāng)α較大時，當(dāng)前的NDVI與之前的NDVI存在較強(qiáng)的相關(guān)性、生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力較低時，表示植被恢復(fù)慢。而β、γ分別表示NDVI對降水和氣溫變化的抗性，植被對環(huán)境變量變化的響應(yīng)敏感，植被的抗性越小。

表1 自回歸模型中系數(shù)的解釋

將包含3個預(yù)測變量的自回歸模型應(yīng)用于內(nèi)蒙古地區(qū)的所有像素點，濾除系數(shù)不顯著的預(yù)測變量(p>0.05，p值是當(dāng)原假設(shè)為真時，更極端的樣本觀察結(jié)果出現(xiàn)的概率)，僅使用保留變量重新擬合自回歸模型。并應(yīng)用偏相關(guān)分析法來確定影響植被生長的主要因素。在比較不同植被覆蓋的植被穩(wěn)定性時，本文首先進(jìn)行方差分析，然后采用“post hoc”檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI時空變化特征

3.1.1 內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI時間變化

由統(tǒng)計結(jié)果可知，各植被類型NDVI值均呈顯著上升趨勢，其中森林、草甸草原呈極顯著(p<0.01)上升，荒漠草原呈顯著上升，典型草原為不顯著上升，變化情況如表2與圖2所示。

表2 2000—2019年NDVI年際變化Table 2 Interannual variation of NDVI from2000 to 2019

圖2 不同植被類型NDVI變化Fig.2 NDVI changes of different vegetation types

根據(jù)式M-K趨勢檢驗計算的NDVI變化通過顯著性檢驗的Sen’s斜率表明：斜率從小到大為荒漠草原、森林植被和草甸草原，斜率為正，表明植被覆蓋是改善的趨勢，草甸草原的改善較快。

3.1.2 內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI空間變化

利用最大值合成法得到的內(nèi)蒙古地區(qū)逐年NDVI圖像(2000—2019年)，計算整個內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI平均值(見圖3(a)),結(jié)果表明2000—2019年內(nèi)蒙古年均NDVI值從0.086增加至0.836。位于東北地區(qū)的森林植被和草甸草原的多年平均NDVI較大，植被覆蓋度較高；西部戈壁荒漠和荒漠草原區(qū)的多年平均NDVI值較低，植被覆蓋度較低。該分布規(guī)律與穆少杰等[21]的內(nèi)蒙古植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)東高西低的分布規(guī)律一致。

利用ArcGIS的重分類工具對M-K檢驗結(jié)果進(jìn)行重分類，后進(jìn)行柵格計算得到研究區(qū)NDVI變化的趨勢與空間分布,如圖3(b)、圖3(c)所示。由圖3(b)、圖3(c)可知，2000—2019年間，內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI增大面積占總面積的65.9%，NDVI穩(wěn)定的面積占29.6%，NDVI減少的面積占4.5%，NDVI整體上呈增加的趨勢。其中顯著增大的區(qū)域位于東部森林區(qū)與中西部較干旱地區(qū)，中部地區(qū)的NDVI變化在空間上呈現(xiàn)穩(wěn)定或不顯著增大，西部的戈壁荒漠區(qū)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 2000—2019年內(nèi)蒙古地區(qū)多年平均NDVI分布及其空間變化與趨勢Fig.3 Distribution of annual average NDVI,spatialchange and trend in Inner Mongolia from 2000 to 2019

從表3可知，內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI空間變化均值為0.003 2、森林0.002、草甸草原0.002 6，典型草原0.003 3，植被覆蓋總體上表現(xiàn)出改善的趨勢。趨勢斜率最大為典型草原0.127 5，最小為草甸草原-0.049 0，即植被改善最明顯的區(qū)域位于典型草原，退化最嚴(yán)重區(qū)域位于草甸草原。從不同植被類型NDVI空間變化面積可知，內(nèi)蒙古地區(qū)在2000—2019年間，顯著增大的面積占總面積的34.46%，不顯著增大的面積占31.44%，穩(wěn)定面積占29.60%，不顯著減少面積與顯著減少面積分別占4.06%與0.44%。即NDVI顯著增大的面積較大，顯著減少的面積較小，近20 a內(nèi)蒙古NDVI呈大面積增大的趨勢。其中森林、草甸草原與荒漠草原區(qū)顯著增大的面積占比最大，典型草原不顯著增大的面積占比最大。

表3 2000—2019年NDVI空間變化趨勢統(tǒng)計Table 3 Statistics of NDVI spatial change trend from 2000 to 2019

3.2 植被穩(wěn)定性

本文植被的穩(wěn)定性包括植被彈性與抗性。 統(tǒng)計歷年數(shù)據(jù)可知， 2000—2019年森林區(qū)的平均降水量為301 mm， 平均氣溫為4 ℃； 草甸草原的平均降水量為395 mm， 平均氣溫為1 ℃； 典型草原平均可降水量為295 mm， 平均氣溫為3 ℃； 荒漠草原平均降水量為221 mm， 平均氣溫為7 ℃。 基于氣溫、 降水的多年平均值分析可知草甸草原多年平均降水量最多、 平均氣溫較低， 荒漠草原與此相反(圖4)。

圖4 不同植被類型2000—2019年平均氣溫和平均降水Fig.4 Average temperature and average precipitationof different vegetation types from 2000 to 2019

基于自回歸模型分析的植被的彈性和抗性結(jié)果(圖5(a))可知，植被的彈性指標(biāo)α在東北森林區(qū)(0.50±0.1)和草甸草原區(qū)(0.48±0.1)較小、植被彈性較大；西部荒漠草原α較大(0.73±0.1)，植被彈性較小，這意味著植被從先前的干擾中緩慢恢復(fù)，而中部典型草原(0.56±0.1)表現(xiàn)出中度彈性。此外，大約30%和35%的植被像素對降水和氣溫抗性顯著(圖5(b)和圖5(c))，尤其位于西部荒漠草原區(qū)(圖5(b))β值較小，對降水抗性較大。在所有植被類型中，戈壁荒漠的β值最低(0.002 3±0.000 2)，對降水變化的抗性最大，其次是荒漠草原(0.005 4±0.000 2)，典型草原的β值最高(0.001 4±0.000 2)，對降水變化的抗性最小，容易受降水的影響。東部森林和草甸草原區(qū)(圖5(c))γ值較大，對氣溫變化抗性較小，荒漠草原和戈壁荒漠區(qū)γ值小，對氣溫變化的抗性較大。

圖5 不同類型植被穩(wěn)定性指標(biāo)分布Fig.5 Distribution of stability index of different types of vegetation

3.3 植被穩(wěn)定性影響因素分析

通過回歸分析2000—2019年平均NDVI、降水與氣溫對應(yīng)的植被彈性關(guān)系，確定不同類型植被彈性和植被抗性的影響因素(圖6)。結(jié)果表示:α與多年平均NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著多年平均NDVI的增加呈對數(shù)遞減(R2=0.72)，植被稀疏區(qū)α較高；α隨年平均降水增加呈對數(shù)遞減(R2=0.60)、隨平均氣溫增加呈線性遞增(R2=0.51)，與降水顯著負(fù)相關(guān)、與氣溫呈顯著正相關(guān)。具體來說，森林區(qū)植被彈性指數(shù)與多年平均NDVI、年平均降水的一元回歸趨勢線的擬合度較差，與年平均氣溫擬合度較高；草甸草原植被彈性指數(shù)與多年平均NDVI、年平均氣溫與降水的一元回歸趨勢線的擬合度較好；典型草原植被彈性指數(shù)與年平均降水的擬合度高，而荒漠草原植被彈性指數(shù)與多年平均NDVI的擬合度較高，驗證了彈性低，依賴性較大的地區(qū)一般位于半干旱地區(qū)[20]。

圖6 植被穩(wěn)定性影響因素的彈性指標(biāo)對比Fig.6 Comparison of elastic indexes of influencingfactors of vegetation stability

綜上所述，內(nèi)蒙古地區(qū)不同植被類型的植被彈性隨氣候因素變化而變化，且與降水量的擬合度較高，受降水影響較大，因此降水是內(nèi)蒙古地區(qū)植被生長的限制因素，這與中國北方的植被生產(chǎn)力主要受降水的限制結(jié)果一致[22]。

4 討 論

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國北方，草原植被類型豐富，是北方生態(tài)安全的屏障。從本文NDVI時空變化研究可知，2000—2019年近20 a內(nèi)蒙古地區(qū)大面積NDVI呈增加趨勢，其中森林、草甸草原與荒漠草原區(qū)顯著增大的面積占比最大，典型草原不顯著增大的面積占比最大。隨著全氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生重要的影響，而氣溫、降水等因素的變化對生態(tài)系統(tǒng)球的影響是不可控的[23-24]。

基于本文植被穩(wěn)定性影響因素分析可知，植被彈性值α與降水呈顯著負(fù)相關(guān)，表示降水多的地區(qū)，植被穩(wěn)定性較高，降水少的地區(qū)植被穩(wěn)定性較低，整體植被穩(wěn)定性對降水的依賴性較強(qiáng)；α與溫度呈顯著正相關(guān)，年平均溫度較高的植被類型地區(qū)的α值較高，植被穩(wěn)定性較低，對氣溫變化較為敏感。典型草原對應(yīng)的β較其他植被類型高，對降水的抗性較低。研究區(qū)森林植被區(qū)多年平均降水量多、氣溫較低，森林植被γ較其他植被類型大，對氣候依賴性較強(qiáng)。以上的研究結(jié)果通過對氣溫、降水抗性指標(biāo)，補(bǔ)充說明了前人提出的干旱缺水對植物生長有著重要的影響，氣候變暖背景下，氣溫升高可增加地表蒸發(fā)散，由此帶來的干旱頻率增加可能會成為影響植被活動的觀點[14, 16,25]，但是對于植被穩(wěn)定性的人為影響機(jī)制未能系統(tǒng)性的分析。

已有研究指出除了氣候因素外的影響內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境的人類活動主要有人工造林、農(nóng)田擴(kuò)張、過度放牧等[14]。內(nèi)蒙古在20世紀(jì)80年代初實行“私有私養(yǎng)”，草場使用權(quán)長期歸國家和集體，造成短期內(nèi)牲畜數(shù)量迅速增加，引發(fā)“公地悲劇”[26]。地方政府開始通過“雙權(quán)一制”將草地使用權(quán)轉(zhuǎn)讓給家庭，私人草地面積內(nèi)家庭可以放牧的最大牲畜數(shù)量隨著草場利用方式發(fā)生改變[27-29]，放牧方式的轉(zhuǎn)變帶來了牧民超載放牧、草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化、植被穩(wěn)定性降低等諸多弊端[30-31]。

綜上所述，基于本文未對植被穩(wěn)定性進(jìn)行氣候和人為因素結(jié)合分析的不足，將會在之后的研究當(dāng)中對內(nèi)蒙古地區(qū)植被穩(wěn)定性的人為因素影響進(jìn)行定量分析，并與氣候因素的影響進(jìn)行耦合，為內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展與相關(guān)政策的實施提供實證和理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

本研究基于內(nèi)蒙古植被類型與NDVI數(shù)據(jù)，分析內(nèi)蒙古不同植被類型植被彈性與抗性的空間分布及其影響因素。結(jié)果表明：

(1)內(nèi)蒙古地區(qū)各植被類型在2000—2019年間的NDVI值均呈上升趨勢，NDVI增大的面積所占比例在60%以上，其次是NDVI穩(wěn)定的面積約占30%，而減小的面積占比不到10%。其中森林、草甸草原與荒漠草原的大部分區(qū)域的NDVI顯著增大，而典型草原大部分區(qū)域的NDVI增大不顯著。

(2)內(nèi)蒙古地區(qū)森林、草甸草原區(qū)彈性指標(biāo)(α=0.5)與中部典型草原區(qū)彈性指標(biāo)(α=0.56)較西部荒漠草原為主的植被類型區(qū)的彈性指標(biāo)(α=0.7)小，其植被從先前的干擾中恢復(fù)快，依賴性較低，穩(wěn)定性較好?；哪菰目剐灾笜?biāo)(β=0.000 5、γ=0.002)值最小，對降水和氣溫抗性大，穩(wěn)定性較強(qiáng)；典型草原抗性指標(biāo)β值最高(0.001 4)，對降水的抗性較?。簧种脖豢剐灾笜?biāo)γ值最大(0.024)，對氣溫抗性較小。

(3)荒漠草原植被彈性指數(shù)與多年平均NDVI的擬合度較高，表明植被彈性低，依賴性較大的地區(qū)一般位于半干旱地區(qū)。影響因素分析結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古地區(qū)植被彈性指數(shù)與年均降水表現(xiàn)出較高的擬合度，表明植被穩(wěn)定性受降水影響較大，降水是內(nèi)蒙古地區(qū)植被生長的限制因素。