內蒙古中部植被覆蓋度監測及氣象驅動力分析

摘要：內蒙古中部農牧交錯區域生態系統比較脆弱，氣候影響下的植被覆蓋度變化和氣象驅動力是該地區生態系統變化的主導因子。基于遙感MOD13 A2獲取內蒙古中部2000-2012年歸一化植被指數（NDVI）數據，監測近13年內蒙古中部植被覆蓋度變化，并對與植被生長相關的氣象因子進行相關性分析。結果表明，2000-2012年內蒙古中部平均植被覆蓋度在波動中呈現緩慢增長的趨勢，平均每年增長1.29個百分點；覆蓋度變化與年降雨量和7、8月降雨量呈極顯著正相關，與7、8月平均溫度呈顯著負相關，與年均溫度、風速相關程度低。

關鍵詞：遙感；植被覆蓋度；氣象因子；農牧交錯區；生態系統

中圖分類號：S161 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1574-04

植被覆蓋度是指觀測區域內植被垂直投影面積占地表總面積的比例，是反映植被數量的重要參數，也是描述生態系統變化的重要指標。內蒙古自治區作為我國北部重要的生態屏障，擁有全國最大的草原和林區。近年來，受全球氣候變化的影響，天氣災害、農業氣象災害、農業生物災害呈頻發趨勢。農牧業主要依賴自然條件再生產的物質生產元素，受天氣氣候條件影響很大，某種程度上，氣象條件成為決定農牧業生產豐歉的重要因素。國內外學者在植被遙感覆蓋度監測及驅動因子上做了大量的研究工作。苗正紅等[1]基于MODIS NDVI對吉林省植被覆蓋度動態進行遙感監測；韓佶興[2]對2000-2010年東北亞地區植被覆蓋度變化進行了研究；劉超[3]對內蒙古阿拉善東南部地區20年來植被覆蓋度及生態環境進行了研究；鄧慧平[4]將降雨看作是草原生態系統生產力的主導因子，建立了松嫩草原生產力模型。對于農牧交錯、生態系統脆弱的內蒙古中部區域，研究其植被覆蓋度變化和氣象驅動力對該地區生態環境質量具有極其重要的現實意義。為此，以生態比較脆弱的內蒙古中部農牧交錯帶為研究區，基于多年MODIS遙感數據來分析該區域植被覆蓋度變化，并對植被生長相關的氣象因子進行相關性分析。

1 研究區概況

研究區（圖1）位于東經104°52′-124°11′，北緯37°23′-46°59′，包括除呼倫貝爾盟、阿拉善盟外的內蒙古其余盟市，總面積65.15萬km2。以高原為主，高原的外沿分布著河套平原和遼嫩平原，平均海拔1 000 m，年均降雨量300 mm，年平均氣溫4.8 ℃，以溫帶大陸性季風氣候為主。內蒙古中部為農區和牧區的交錯區，河套平原和遼嫩平原為主要農耕區，大部為草原，從東到西依次為草甸草原、典型草原、荒漠草原，植被覆蓋度也隨之降低，呈現明顯的條帶性分布。

2 數據來源

2.1 氣象數據

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網。查詢獲得近13年來東烏珠穆沁等18個研究區域內氣象站的年降雨量、年平均氣溫、年平均風速、每年7、8月降雨量、7、8月平均氣溫及平均風速。

2.2 植被指數數據

本研究采用美國航空航天局（NASA）提供的MOD13 A2 1 km 16 d合成的歸一化植被指數（NDVI）遙感數據產品。NDVI在植被研究中得到廣泛應用，它是植被生長狀態和分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性關系。試驗表明當植被覆蓋度低于15%時，能區分土壤背景和植被；當植被覆蓋度為25%～80%時，NDVI隨植被覆蓋度增加呈線性關系；植被覆蓋度大于80%時，監測能力逐步下降。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度監測結果

利用像元二分法原理將歸一化植被指數（NDVI）轉化為植被覆蓋度。像元二分法是假定地物只由全植被覆蓋的純植被和無植被覆蓋的裸土組成，像元光譜信息也由這兩部分線性組合而成，它們各自面積在像元中的比例即各自權重，其中純植被所占比例即是該像元的植被覆蓋度。該模型具有普遍性意義，經過驗證后可以應用于其他地區，是通用的植被覆蓋度算法，轉化公式為：

fv=■ （1）

式中，fv為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數，NDVIsoil為裸土NDVI，NDVIveg為完全植被覆蓋NDVI。對于多數裸土表面，NDVIsoil值理論上為0，但由于受眾多因素影響，其值在-0.1～0.2之間變化[5]；同時NDVIveg也會隨植被類型和時空變化而改變，通常需要借助經驗來判斷。本研究借鑒前人研究成果確定NDVI累積頻率5%為NDVIsoil值，累積頻率95%為NDVIveg值，處理得2000-2012年覆蓋度及其變化監測結果見圖2。

根據水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》中植被覆蓋度分級標準，將植被覆蓋度劃分為5個等級，即﹤30%（低植被覆蓋）、30%～45%（中低植被覆蓋）、45%～60%（中等植被覆蓋）、60%～75%（中高植被覆蓋）、≥75%（高植被覆蓋），對2000-2012年內蒙古中部植被覆蓋度進行統計，各等級面積監測結果見表1。

以2003年國家標準《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標》中植被群落特征的總覆蓋度為指標，監測結果表明，2012年較2000年，植被覆蓋度下降區域占研究區域面積的2.72%，38.76%的區域植被覆蓋度穩定，而58.52%的區域呈不同程度增長，詳細監測結果如表2。

植被覆蓋度下降地區主要分布在蘇尼特左旗北部、東烏珠穆沁旗東北部、通遼東部和呼和浩特市周邊。對年均植被覆蓋度進行分析得出其變化趨勢見圖3，從圖3可以看出植被覆蓋度由2000年的40.67%上升到2012年的56.15%，除2001年有小幅度下降外，2002年到2007年植被覆蓋度基本穩定；2008年較前幾年出現明顯增長，不過2009年出現大幅下降，接下來的3年呈現快速增長，且2011年達到近13年平均水平，2012年則出現近年來新的植被覆蓋度峰值。總體而言，除2008、2009年植被覆蓋度出現較大波動以外，2000-2012年內蒙古中部植被覆蓋度水平呈緩慢增長趨勢，每年增長1.29個百分點。

3.2 氣象驅動因子分析

作為草原生態變化的重要外在因素，氣候因子與植被關系的確定及預測氣候變化對內蒙古中部植被影響具有重要意義。降雨是草原水分的重要來源，在草地的生長和演替中發揮重要作用；溫度作為比較活躍的氣候因子，對蒸發、降雨、空氣濕度有著重要作用，對植被生長的各個階段均有重要影響；風速是研究內蒙古中部植被覆蓋度不可缺少的氣候因子。研究表明，不同草場的風蝕率都隨著風速的增加而增加，風速小于12 m/s時各草場的風蝕率較小，且增長較為緩慢，當風速由12 m/s增加到16 m/s時，風蝕率有明顯增長，當風速超過16 m/s，風蝕率仍增長，但速率較為緩慢[6]。

利用ArcGIS軟件對獲取的點氣象數據進行距離權倒數（IDW）插值處理，得到與遙感數據相匹配的空間數據，2000-2012年年降雨量、年均溫度、年均風速、7～8月降雨量、平均溫度和風速的空間數據如圖4。

在處理得到氣象插值數據、遙感監測結果的基礎上，使用最小二乘法CORREL函數分別計算年降雨量、年均溫度、年均風速、7～8月降雨量、平均溫度和風速與植被覆蓋度的相關系數。CORREL計算公式：

rxy=■ （2）

式中，n為變量個數，xi、yi為變量，rxy為相關系數。分析結果見表3。由表3可知，7、8月降雨量之和與植被覆蓋度相關系數最大，為0.861 9。夏季溫度高、蒸發量大，水分在植被生長中的作用尤為突出，因此，7、8月降雨量之和與植被覆蓋度關系最為密切。年降雨量與植被覆蓋度相關系數為0.813 9，其與植被覆蓋度呈高度相關。7、8月平均氣溫與植被覆蓋度相關系數為-0.574 0，兩者中度負相關。從植物生理特點分析，溫度升高、蒸發量增加，植物氣孔關閉，對植物的生長呈抑制作用。年均氣溫、風速及7、8月平均風速與植被覆蓋度相關系數較低，且呈負相關。

4 結論與討論

通過遙感監測分析內蒙古中部植被覆蓋度和氣象驅動因子，得到結論如下：

1）2012年較2000年，只有蘇尼特左旗北部、東烏珠穆沁旗東北部、通遼東部和呼和浩特市周邊植被覆蓋度下降，其中調查發現，呼和浩特市周邊地區植被覆蓋度下降的主要原因是城市的開發建設占用了大量的耕地、草地。

2）內蒙古中部地區2012年較2000年，植被覆蓋度下降區域僅占研究區域面積的2.72%，38.76%的區域植被覆蓋度基本穩定，而58.52%的區域呈不同程度增長，植被覆蓋度在波動中呈緩慢增長趨勢，年均增長1.29個百分點。

3）年降雨量和7、8月降雨量與植被覆蓋度呈極顯著正相關，且夏季7、8月降雨量對植被覆蓋度影響最大。7、8月平均溫度與植被覆蓋度呈顯著負相關，即溫度升高對植被生長產生抑制作用。年均溫度、風速對內蒙古中部植被覆蓋度的影響不大，呈負相關，但不顯著。

植被覆蓋度監測是一個長期、大范圍的過程，應在生態敏感區域設置常年采樣區，對植被覆蓋度變化進行實地調查。在植被覆蓋度氣象驅動因子分析基礎上，結合社會、人文等綜合因素，更好地揭示植被變化的內在原因。

參考文獻：

[1] 苗正紅，劉志明，王宗明，等.基于MODIS NDVI的吉林省植被覆蓋度遙感動態監測[J].遙感技術與應用，2012，25（3）：387-393.

[2] 韓佶興.2000-2011年東北亞地區植被覆蓋度變化研究[D]. 北京：中國科學院，2012.

[3] 劉 超.內蒙古阿拉善東南部地區近二十年來植被覆蓋度及生態環境研究[D].北京：中國地質大學，2013.

[4] 鄧慧平.全球氣候變化對松嫩平原土壤水分和生產力影響研究[J].草地學報，1998，6（2）：147-152.

[5] CARLSON T N，RIPLEY D A.On the relation between NDVI， fractional vegetation cover，and leaf area index[J]. Remote Sensing of Environment，1997，62（3）：241-252.

[6] 烏 蘭，烏蘭巴特爾，李云鵬.內蒙古自治區生態與農牧業氣象服務體系研究[M].北京：氣象出版社，2009.