2000-2014年渾善達克沙地植被覆蓋變化研究
2016-02-23 02:55:02元志輝包剛銀山雷軍包玉海薩楚拉
草業學報 2016年1期
元志輝，包剛，銀山，雷軍,3，包玉海，薩楚拉
(1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古師范大學內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，
內蒙古 呼和浩特 010022；3.北京師范大學資源學院，北京 100875)
?
2000-2014年渾善達克沙地植被覆蓋變化研究
元志輝1,2，包剛2*，銀山1，雷軍1,3，包玉海2，薩楚拉1,2
(1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古師范大學內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，
內蒙古 呼和浩特 010022；3.北京師范大學資源學院，北京 100875)
摘要：基于2000-2014年間植被生長季(4-10月)的MODIS NDVI數據反演渾善達克沙地地區植被覆蓋變化，結合2000-2013年該地區周邊11個氣象站點的氣溫和降水數據，分別從年際變化和月變化角度分析該地區植被覆蓋變化對氣候變化的響應。研究表明，渾善達克沙地植被NDVI，不論是植被生長季平均值，還是其各月份值都呈上升趨勢。研究區植被覆蓋度的顯著增加是氣候和人為因素綜合作用的結果, 一定程度上反映了生態恢復重建措施的有效性，但其植被NDVI年際變化趨勢與降水量的關系更密切，其相關系數達到0.75，是驅動植被覆蓋年際波動的最直接因素。在空間分布上，研究區的南部、中部和北部邊緣區域的植被覆蓋增加趨勢較明顯，而中部和西部部分區域未發生明顯的趨勢性變化。從月變化來看，4月草地植被變化受氣溫變化影響較明顯；5-8月與前一月降水變化關系密切，說明植被生長對降水變化具有一定的滯后性。從沙地類型植被覆蓋年際變化趨勢看，所有類型都呈增加態勢，增加態勢最大的類型是移動沙地，最小的是固定沙地。
關鍵詞：渾善達克沙地；NDVI；植被覆蓋變化；氣候
生態系統退化、恢復、合理開發和保護的研究正日益受到全社會關注[1]。特別是我國北方沙漠化土地的退化過程、恢復機理和整治技術的研究，近幾年更是受到了國家和各專業部門的重視和支持[2]。本文研究區渾善達克沙地地處中國北方荒漠化地區中部，是荒漠化最嚴重的地區之一，也是典型的草原荒漠化地區[3]。該沙地處于半干旱草原地帶，氣候惡劣、土壤基質不穩定、植被蓋度較低，生態系統十分脆弱。同時，渾善達克沙地位于京津地區天氣系統的上游，距北京正北的直線距離為180 km，是京津地區北方生態屏障的重要部分，也是影響京津地區北路沙塵暴的必經之地和沙塵源區之一。其生態系統狀況關系到內地廣大區域的生態環境和社會經濟的可持續發展。為改善生態環境，國家先后在該地區出臺了 “三北防護林”、“退耕還林工程”、“ 京津風沙源治理工程”和“圍封禁牧”等生態恢復政策[4]。
氣候作為人類賴以生存的自然環境的重要組成部分，它的任何變化都會對自然生態系統以及社會經濟系統產生重要影響。因此，認識沙地地區氣候變化對沙地植被的影響，對于指導沙地生態保護與建設具有重要的意義[5]。在此之前許多專家研究過人類活動對沙漠化的影響，而從氣候成因方面研究的較少，但生態環境的演變是特定氣候變化的反映。本文僅從氣候成因方面，探討氣候要素的變化如溫度和降水對渾善達克沙地沙漠化演變的影響，旨在為沙地環境改善效益評估等方面提供可靠的背景分析資料。
植被是陸地生態系統的主體，在一定程度上能代表土地覆蓋變化，在全球氣候變化研究中起著指示器的作用[6]。因此，掌握陸地植被覆蓋度年際間的變化規律，探討氣候因素的驅動作用，對調節生態過程、評價陸地生態系統的環境質量具有重要的理論和實際意義[7]。而基于遙感影像反演的植被覆蓋信息具有時間尺度長、覆蓋范圍廣、數據獲取方便、空間分辨率高等優點[8]，在較大時空尺度的相關研究中已得到廣泛應用[9]。作為植被覆蓋變化的重要指標，歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)，尤其MODIS NDVI數據因其空間分辨率較高和數據質量的進一步提高(相對于GIMMS NDVI)，被廣泛應用于區域至全球尺度的植被覆蓋變化監測[3]、植被生產力模擬[10]、土地荒漠化監測[11]等很多研究領域。本研究以2000-2014年MODIS NDVI數據作為植被覆蓋變化的主要指標，結合研究區氣溫、降水量數據和渾善達克沙地的分類數據，在不同沙地尺度上分別開展渾善達克沙地植被覆蓋年際、月際變化時空格局及其與區域氣候變化的關系研究，更好地探討氣候要素變化對植被生長不同階段的影響機制。
1材料與方法
1.1研究區概況
渾善達克沙地主體位于內蒙古錫林郭勒盟中西部的南部，大致位于111°40′-117°30′ E，41°50′-43°50′ N，沿東西向橫亙于內蒙古高原的東部，緊貼燕山丘陵的北麓，東西長約400多km，南北最寬處為120多km， 加上周圍的緩沖地帶總面積達5.3×104km2[12]，在中國的沙漠/沙地中位居第七，跨越了內蒙古克什克騰旗、錫林浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍旗和多倫縣等9個旗縣(市)[13]，部分進河北省境內。按照圖1研究區的面積統計，在渾善達克沙地主要有5種沙地類型，其中固定沙地占29.23%，半固定占29.52%，移動和半移動沙地分別占15.23%和23.27%，鹽堿地占2.55%，且研究區內幾乎沒有戈壁沙地類型(表1)。
渾善達克沙地鑲嵌于典型草原地帶之中，海拔1100～1300 m，地勢由南向北緩降，地面起伏不大，由于沙地孔隙充分吸收降水和攔截源于南部山地的地表水和地下潛流的補給，因而其潛水儲量豐富，沙地中散布著眾多大小不等的湖沼洼地[14]。沙地地處溫帶半干旱氣候區，年降水量140～400 mm，自西向東遞增，年平均氣溫為1.3~5.1℃，年平均風速為3.2~5.5 m/s，年蒸發量為1643.2~2969.3 mm[5]。土壤以發育在砂性母巖上的風沙土為主，主要建群植物有榆(Ulmuspumila)、褐沙蒿(Artemisiaintramongolica)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)等[12]。
鹽堿地： 地表鹽堿聚集、植被稀少，只能生長強耐鹽堿植物的土地。面積約有 0.10×104km2。 Saline-alkali land：salinity accumulation, sparse vegetation, and the land where only salt-tolerant plants can grow stronger, area of 0.10×104km2.
1.2數據來源及預處理
本研究采用NASA免費提供的覆蓋內蒙古渾善達克沙地地區的MOD13Q1 L3級產品，該數據時間尺度為2000-2014年，時間分辨率為16 d，空間分別率為250 m。由于錫林郭勒盟大部分地區的植被在冬季幾乎停止生長或被積雪覆蓋等原因，在此每年選取第97~305天間的數據，即4-10月份的數據，研究生長季(4-10月)的植被變化及其對氣候因子的響應特征。將16 d的MODIS-NDVI數據，采用最大合成法 (MVC)[15]得到月NDVI數據，并利用研究區剪取覆蓋2000-2014年逐月NDVI的柵格圖像。根據以往研究方法[16]，將每年生長季內14期(4-10月)NDVI數據進行平均計算，用來表征該年植被生長平均狀況，分別生成2000-2014年的年平均NDVI數據集[17]，用于分析植被覆蓋變化趨勢。
氣象數據采用中國氣象科學數據共享服務網 (http://cdc.cma.gov.cn) 提供的2000-2014年的渾善達克周邊的11個氣象站點的月降水量和月平均溫度資料。渾善達克沙地是一個東西狹長, 南北較窄的區域, 沙區中心無氣象觀測站點, 只在周邊地區有 11個相鄰的氣象觀測站。根據各氣象站點的經緯度信息，采用ArcGIS的Geostatistical Analyst模塊對氣象數據進行Kriging空間插值，獲取與NDVI數據投影相同、像元大小一致的氣象數據柵格圖像。通過數據掩膜，獲取渾善達克地區月降水量和月平均溫度的柵格圖像[7]。
渾善達克沙地界線及范圍數據來自于Yang等[18]的研究結果(圖1)，研究區涉及的行政區界線來自1∶400萬國家基礎地理信息系統數據庫。渾善達克沙漠及土地沙漠化分類圖來自寒區旱區科學數據中心的中國1∶10萬沙漠(沙地)分布數據。研究中的沙漠化分類在2000-2014年沒有發生改變，這是一種合理的假設，許多研究已經證實這種情況[19]。
1.3研究方法
本文應用一元線性回歸分析法分析 2000-2014年研究區植被覆蓋的整體變化趨勢，單個像元多年回歸方程中趨勢線斜率即為年際變化率。利用植被覆蓋度序列和時間序列(年份) 的相關關系來判斷覆蓋度年際間變化的顯著性，斜率為負表示植被覆蓋度下降，反之則表示植被覆蓋度上升[20]。以相關系數的P值來表達其變化的顯著與否[21]， 根據檢驗結果將變化趨勢分為如下5個等級：極顯著減少(b<0，P<0.01)；顯著減少(b<0，0.01
(1)
式中，b為趨勢斜率，n為監測時間段的年數，NDVIi為第i年的年平均NDVI。
利用以下公式(2)和(3)分別計算過去15年間年平均NDVI的標準差和變異系數，以此來反映研究區域內各沙地類型植被覆蓋絕對變異量和相對波動程度[22]。
(2)
(3)
根據已有的NDVI、降雨量和溫度數據，分別在年和月尺度上計算基于像元的植被覆蓋與降雨量、溫度之間的偏相關系數，分析植被覆蓋和氣候因子的關系、標準差和變異系數，并獲得其相應圖像，以表達植被覆蓋變化的空間分布趨勢及其顯著與否[24]和波動程度的空間格局[21]。
地理系統是一種多要素的復雜巨系統，特別是在多要素所構成的地理系統中，其中一個要素的變化必然影響到其他各要素的變化，偏相關分析可解決這個問題。偏相關分析是指當兩個變量同時與第3個變量相關時，將第3個變量的影響剔除，只分析另外兩個變量之間相關程度的過程[7]。
(4)
2結果與分析
2.1渾善達克沙地植被覆蓋空間格局
圖2展示了渾善達克沙地2000-2014年植被NDVI平均值空間分布特征。研究區15年平均植被NDVI(The multi-year mean normalized difference vegetation index，簡稱YMNDVI)自西北向東南逐漸增大，低值區主要分布在蘇尼特右旗東部，即研究區的北部區域，值一般低于0.2。而高值區主要分布在正藍旗、多倫縣、克什克騰旗和河北境內，即研究區的東南部區域，YMNDVI值高于0.4。從圖3可以看出，整個研究區范圍內15年平均NDVI不同沙地的分布情況，固定和半固定沙地的植被覆蓋明顯比移動和半移動沙地好。植被更差的是鹽堿地，YMNDVI值小于0.2占其中絕大部分。
圖2 渾善達克沙地15年平均NDVI空間分布特征Fig.2 Spatial pattern of 15-year mean NDVIin the Otindag sandy land
圖3 渾善達克沙地植被NDVI統計結果Fig.3 Area statistics for graded vegetation NDVIin the Otindag sandy land
2.2渾善達克沙地植被覆蓋總體變化趨勢
圖4和表2給出了研究區2000年至2014年的年平均NDVI值、由線性回歸得到的擬合率、標準差和變異系數。在整個研究區范圍內，15年間渾善達克沙地植被NDVI呈增加趨勢(斜率為0.0045)，表明研究區植被覆蓋度趨于好轉態勢，但增加趨勢并不顯著(P>0.05)。NDVI值2001年最差，為0.329；2012年最好，為0.498；15年平均值為0.423。從NDVI平均值的變異系數和標準差來看，15年來研究區植被覆蓋年際波動較大。這與穆少杰等[7]研究結果一致，表明荒漠草原和草原化荒漠植被年際波動較強，抗干擾能力較差。由于研究區內不同沙地植物資源和植物群落的豐富度和集中程度的不同，其植被覆蓋度及其變化趨勢具有一定的差異。總體上，固定沙地的植被覆蓋度為最高，其15年平均NDVI為0.496，其次為半固定沙地，NDVI值為0.404。而移動沙地和鹽堿地的植被覆蓋度較低，NDVI分別為0.343和0.249。
在年際變化上，過去15年間移動沙地、鹽堿地和半移動沙地的植被覆蓋度呈增加趨勢最高的前3位(0.0065*,0.0054和0.0045)，而半固定沙地和固定沙地雖然也呈增加趨勢，但線性擬合率較低(0.0041和0.0038)。這表明生態工程實施以來，各核心區植被覆蓋變化趨勢不均勻，固沙率越低生態恢復越明顯。說明還有必要做好整體規劃，加強自然植被的保護管理和開發工作，為各類動植物生存和繁衍提供必要條件。NDVI年際波動以鹽堿地>移動沙地>半移動沙地>半固定沙地>固定沙地的順序依次降低，變異系數分別為21.36%，14.80%，13.72%，13.33%和11.65%，表明固沙率越低生態越脆弱，植被越不穩定。這可能與各沙地類型不同優勢植物群落對氣候和人為活動的響應強度不同有密切關系。
2.3渾善達克沙地植被覆蓋空間變化趨勢
逐像元的年平均NDVI線性擬合分析結果顯示(圖5a和圖6a)，2000-2014年間，研究區74.5%的面積植被呈上升趨勢。這表明通過實施生態工程研究區大多地區的植被得到了改善，特別是約占8%地區的植被NDVI呈顯著增加趨勢(P<0.05)(圖6b)，主要集中在研究區東南角和零星分布在中部和東部邊緣地區(圖5b)。而僅有13.2%的地區植被呈下降趨勢，主要分布在研究區中部和東北部(固定沙地和鹽堿地的部分區域)，同時下降趨勢比較顯著。除此以外的研究區西部和中部的部分地區(12.3%)的NDVI沒有出現較明顯的變化趨勢，其線性擬合率主要處于-0.001~0.001之間。同時可以看出固定沙地和半固定沙地呈下降趨勢，面積占其總面積比率相對于其他類型比較高。這可能是氣候變化和生態恢復工程共同作用。
圖4 渾善達克沙地植被15年NDVI年際變化Fig.4 The interannual variation of NDVI in different sand dunes from 2000 to 2014 A: 移動沙地Shifting sand dunes; B: 半移動沙地Semi-shifting sand dunes; C: 半固定沙地Semi-fixed sand dunes; D: 固定沙地Fixed sand dunes; E: 鹽堿地Saline-alkali land; F: 整個研究區Entire study area.
項目Item移動沙地Shiftingsanddunes半移動沙地Semi-shiftingsanddunes半固定沙地Semi-fixedsanddunes固定沙地Fixedsanddunes鹽堿地Saline-alkaliland整個研究區Entirestudyarea平均值15-year’mean0.3430.3800.4040.4960.2490.423標準差SD0.0510.0520.0540.0580.0530.053變異系數CV(%)14.8013.7213.3311.6521.3612.59線性擬合率Linearfitting0.0065*0.00450.00410.00380.00540.0045
*代表變化趨勢通過0.05的顯著性水平。“*” indicate significantly correlation at the level of 0.05.
從研究區域內2000-2014年的年度NDVI標準差(圖5c)和變異系數(圖5d)上來看，研究區西部和西北部植被NDVI標準差和變異系數較大，表明這些區域植被過去15年間無論從質量上還是相對于自身的承受能力上，受到的外界干擾最大，植被狀況(生產力、覆蓋度等)波動明顯。主要由于這些地區草原植被生產力較高，地形平坦，開發利用成本低，因此人口和牲畜壓力較大，受人為活動干擾強烈[22]。東部地區的標準差和變異系數較小，表明植被狀況穩定，受外界干擾較小， 由于該類型草原自然生境好，生態保持能力強，因此年季間植被狀況穩定，但不排除局部地區已被開墾為農田，造成年平均NDVI穩定的情況，同時也可能與研究區北部植被覆蓋度極為稀疏有關(NDVI在0.1附近波動)(圖2)，外界因素的平常變化不會對較高植被覆蓋度產生劇烈影響，而在西部相對低植被覆蓋區則產生較大影響。研究區中部的標準差較小，變異系數相對稍高，表明盡管溫性荒漠在質量上變化不大，但是相對自身的承受能力上不容小視，特別是在研究區的中西部分地區，尤為嚴重。這說明，盡管研究區均屬于沙地或典型草原，但其植被覆蓋度的變化對環境因素的響應特征具有較大差異，典型草原植被覆蓋度的變化對環境因素的響應可能存在著臨界值。
圖5 2000-2014年渾善達克沙地植被覆蓋空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual average NDVI in Otindag sandy land during 2000-2014 a: 年平均NDVI時空變化(×10-2/a)Trend (×10-2/a) in NDVI; b: 變化趨勢的顯著性水平Significance level; c: 標準差Standard deviation; d: 變異系數Coefficients of variability (%).
圖6 2000-2014年渾善達克沙地年平均NDVI線性擬合率(a)及其顯著性水平(b)的面積百分比Fig.6 Area ratio of NDVI trend (a)and significance level(b) during 2000-2014 in Otindag sandy landA:本沙地類型面積百分比Percentages in this type of sandy land; B:全部沙地面積百分比Percentages in the total sandy land area.
2.4渾善達克沙地氣候波動及其對植被覆蓋變化的影響
圖7 2000-2013年渾善達克沙地NDVI、降水量和溫度的變化趨勢Fig.7 Interannual variation of NDVI， precipitationand temperature during 2000-2013in the Otindag sandy land
渾善達克沙地年降水量140～400 mm自西向東遞增， 年平均氣溫為1.3~5.1℃。近14年來，研究區生長季總降水量波動范圍一般在207.9~365.5 mm之間，沒有發生較明顯的趨勢性變化，但其波動與NDVI的波動保持高度的一致性，如降水量較高的年份2003，2006，2008，2012與NDVI相對高值年份相對應，而較低的年份2001，2005，2007，2009，2013與同年NDVI低值相對應，表明盡管各類生態恢復工程對建立渾善達克沙地植被恢復影響很大[25]，這種空間分布與時間推移規律顯然與中國長期開展的“三北”防護林工程、21世紀初啟動實施的退耕還林還草、京津風沙源區治理、草原三牧(禁牧、輪牧、休牧)及建立自然保護區等生態保護和植被恢復工程密切相關[26]。但降水量的增減是其區域植被覆蓋改變的另一個主要原因(圖7)。植被覆蓋度的年內變化與氣象因子關系密切。很多相關研究表明， 植被覆蓋度的年內變化與降雨具有很好的相關性， 尤其與生長季的降水具有很好的正相關性[27]。NDVI與降水量之間的相關分析得出，兩者相關系數為0.75(P=0.01)。而14年來生長季平均溫度變化較平穩，基本在14.4℃(2003年)~15.8℃(2001年)之間波動。NDVI與溫度之間的相關系數達到-0.58，通過了0.05的顯著性水平，與降水量的作用相反，溫度對研究區植被生長產生了顯著的限制作用。這可能是生長季平均溫度的升高加快蒸散發而導致干旱加劇和植被可利用水量減少，從而影響植被覆蓋度的增加[28]。特別是在降水量相對匱乏的荒漠草原地區，當降水量比常年稀少時較高的溫度對植被生長的抑制作用更加明顯[29]。NDVI與溫度和降水量的相關關系說明了在全球氣候變暖大背景下，渾善達克沙地降水量的增加和溫度在一定程度地下降都對研究區植被生長具有明顯的促進作用，也對物種多樣性的保護、風沙治理和生態恢復有深遠影響。
生長季平均NDVI與降水量(圖8a)和溫度(圖8c)之間逐像元相關分析進一步證實了在整個研究區范圍內降水量是決定植被覆蓋變化的最主要氣候因子，表明降雨量是影響該區域內植被生長主要氣候因子，研究區內大部分地區植被覆蓋度與年降雨量呈正相關。但降水量對植被覆蓋變化的作用(相關系數的大小)因區域而異，總體上在研究區西部、北部、中部和東北區域相關系數達到0.5以上(圖8a)，并通過了0.05，甚至0.01的顯著性水平(圖8b)，表明降水量對草原化荒漠地區植被的影響強度在一定程度上超過人類活動的局部影響。而在東南部NDVI與降水量的相關性相對弱(<0.3)，也不顯著。圖9a展示了不同等級相關系數的面積比例(像元比例)，幾乎所有像元(98.5%)的NDVI與降水量之間的相關系數都為正值，其中相關系數值0.5以上的面積最大，達到75.5%。與此相反，約77.4%的像元NDVI與溫度之間呈負相關(圖9b)，同樣相關系數-0.3~0之間的面積最大，達到72.3%。高負相關(<-0.5)區域主要分布在研究區西部(圖8c)，通過0.05的顯著性水平(圖8d)。但與降水相比，通過0.01顯著性水平的像元較少(圖8d和圖9c)。說明渾善達克沙地植被覆蓋度總體上與降雨量的相關性更高。不同地區植被生長對降雨量和溫度的響應有顯著的空間差異。
2.5渾善達克沙地植被覆蓋月變化與氣候要素變化的關系
植被覆蓋的年內變化與氣象因子關系密切。很多相關研究表明，植被覆蓋度的年內變化與溫度和降雨具有很好的相關性， 尤其與生長季(6-8月)[30-31]。科學評估全球氣候變化背景下，植被對氣候的響應方式和強度，如春季生長季提前與否、夏季植被活動強度加強與否、秋季生長季延長與否[17]等具有重要意義，加之植被覆蓋度能夠有效減少土壤侵蝕[32-33]， 對水土保持和保障京津地區的生態環境安全也具有重要意義。同時大幅度地增加植被覆蓋度有利于提高草地生態系統土壤保持功能，促進生態系統服務的維持與發揮[34]。而降水和氣溫變化具有時間尺度上的差異性，僅僅通過植被與氣候要素年均值在年際變化尺度上的關系，不能充分說明該地區植被變化主要受降水因素的影響。以下從研究區植被生長季期間植被與氣候要素月變化的關系進行分析。以2000-2013年植被覆蓋與氣候因子不同月份多年平均值為基礎，計算一年內各月的降雨量、均溫與相應的各月植被覆蓋度之間的偏相關系數。通過分析生長季期間氣溫和降水月變化與植被生長的關系，能更好地揭示植被生長不同時期與哪個氣候要素的關系更為密切。
從研究區生長季各月份NDVI、降水量、溫度(圖10a)的變化趨勢及NDVI與氣象因子的相關關系(圖10b)來看，渾善達克沙地生長季所有月份的NDVI在過去13年間都呈增加趨勢，最大值出現在7月(斜率為0.0032)，最小值出現在5月(斜率為0.0001)，表明研究區植被生長季春季提前、夏季增強和秋季推遲趨勢都較明顯[35]，同時也說明夏季這幾個月植被受降水的影響較為明顯[36]。從生長期各月份溫度和降水的變化趨勢看(圖10a)，2000-2013年間除5和8月份外，其他月份的降水量均呈增加趨勢，特別是6和7月份更加明顯。而溫度除5、8和10月份外也都呈下降趨勢。這表明研究區氣候夏季潮濕化趨勢明顯。這可能是由于該區域溫度和降雨不同期，降雨量較大的季節溫度偏低，限制植被生長，因此出現植被生長與降雨量呈負相關而主要受溫度控制的現象。這表明荒漠區植被蓋度對降雨和溫度的敏感性都很強，只有在適當的雨熱組合條件下，才有利于植被的生長。
圖9 植被覆蓋與氣候關系的面積比統計Fig.9 Area of statistics of the relationship between vegetation and climate a: NDVI與降水量的逐像元相關系數面積比統計Correlation coefficient between NDVI and precipitation; b: NDVI與溫度的逐像元相關系數面積比統計Statistics of correlation coefficient between NDVI and temperature; c: NDVI與降水量和溫度顯著性水平Statistics of significance level between NDVI and precipitation and temperature.
圖10 生長季各月份NDVI、降水量、溫度的變化趨勢(a)及NDVI與氣象因子的相關關系(b)Fig.10 Monthly trend in NDVI, precipitation, temperature (a) and their correlation (b)
從NDVI與氣候因子的相關關系(圖10b)看，所有月份都與NDVI呈正相關，表明大多月份降水量的增加對研究區植被的生長具有明顯的促進作用，5，7和9月份的降水量尤為重要。而溫度除4，5和10月份外，其他各月份都與NDVI呈負相關，表明在研究區只有生長季開始和結束月份的溫度的增高對植被有一定的促進作用，而其他月份都有明顯的抑制作用。這可能在該區域，降雨量的增加意味著溫度的降低，從而抑制植被生長，也可能與在降雨量未達到年內最高值的月份，較高的溫度會增加蒸發從而減少植被可利用水量，因此在一定程度上影響了植被蓋度的增加[37]，整體來看，植被對氣溫變化的滯后效應不明顯，而對降水變化表現出明顯的滯后性。
3討論
此前，許多學者利用相關分析研究了渾善達克沙地植被覆蓋變化及其與氣候因子的關系。穆少杰等[7]認為從年際水平看，在荒漠生態區主要受降水量影響，同時認為2000年后，在內蒙古實施的一系列生態恢復工程加大了對植被蓋度時空演變產生的巨大影響。嚴恩萍等[38]認為2000-2012年間京津風沙重點治理區植被覆蓋總體呈顯著上升趨勢(R2=0.7045)，年均增速達0.0108/a，植被恢復效果顯著,改善區域約占總面積的98.92%，退化區域僅占總面積的0.70%，其中得到改善且通過顯著性檢驗(P=0.10)的區域約占總面積的94. 31%。包剛等[3]認為荒漠植被呈增加趨勢，這顯然與荒漠植被分布區近10年間降水量的增加和溫度的減少有關，溫度的減少會降低土壤水分的蒸發以及降雨量的增加將進一步增加土壤水分，促進了該地區植被的生長。本文對渾善達克沙地植被生長和氣候因子的相互關系進行了探討，分析得出近15年渾善達克沙地生態明顯恢復，與許多研究結果類似，如殷賀等[39]認為降水因子與荒漠區植被恢復有著密切的聯系，降水量高的年份，荒漠植被生長狀況較好。張戈麗等[40]認為僅4月植被生長與全年年際變化相關性顯著(R=0.4726),說明4月植被生長與氣溫變化關系最為密切。張宏斌等[21]認為2000-2008年溫性荒漠草原大部分地區植被狀況趨于恢復改善，恢復面積達到78.94%，同時認為溫性荒漠標準差較小，變異系數相對較高，并且認為2008年是最近9年植被狀況最好的一年。
本研究在考慮從年際變化和月變化角度分析植被變化對氣候變化的響應同時，還考慮了整個研究區從空間和不同沙丘類型上表征植被對氣候響應的區域差異。通過將年生長季平均NDVI與年降水量、年平均氣溫進行偏相關分析，探討處于研究區NDVI變化與氣候因子關系，研究發現渾善達克沙地絕大部分地區植被生長與平均溫度呈負相關但相關性不顯著，其中研究區中南部地區NDVI 與溫度呈正相關；研究區大部分地區NDVI與年降水呈正相關且相關性顯著，僅東都地區相關性不顯著，可以初步認為非氣候因素是引起渾善達克沙地 NDVI 增加的重要原因。
本研究還發現4月、5月和10月溫度的增高對研究區植被有一定的促進作用。近15年內，總體上2012年是植被狀態最好的一年。近15年研究區年降水量與植被蓋度相關性的面積明顯大于平均氣溫與植被蓋度相關性的面積。研究表明固沙率越低生態越脆弱，植被越不穩定，但其生態恢復越明顯。除了氣候變化對渾善達克沙地植被覆蓋的影響外，人類活動也對該地區植被覆蓋變化起到了很大作用，綜合考慮這兩種因素對解釋植被恢復的原因更有說服力。因此，在今后的研究中，探討人類活動在渾善達克沙地植被覆蓋時空演變中相對貢獻的量化評定更有必要。
4結論
本研究利用2000-2014年的MODIS NDVI數據和氣象數據，較系統地分析了渾善達克沙地植被覆蓋度的年際、月際變化特征及其與區域氣候變化的關系，明確了退耕還林等生態工程建立后的近15年的生態環境狀況。同時，結合該沙地各種沙地類型空間分布數據，分析了各類型的植被覆蓋年際變化特征及其差異。研究結果對了解渾善達克從2000年到最近年份的自然環境變化趨勢，相關措施實施效果提供重要依據。經過研究得出了如下結論。
1)在整個沙地范圍內，盡管15年來研究區植被覆蓋變化的年際波動較大，但其植被平均NDVI總體上呈增加趨勢，表明最近15年間其植被覆蓋度趨于明顯好轉的態勢，同時也說明21世紀初中國開始實施的退耕還林還草禁牧休牧輪牧等生態保護和環境改善工程取得了明顯效果。從各沙地類型角度看，多年平均植被覆蓋以YMNDVI>0.4的面積為參考，固定沙地>半固定沙地>半移動沙地>移動沙地>鹽堿地的順序依次降低。在年際變化趨勢上，各個沙地類型植被覆蓋度都呈增加態勢，從增加的明顯程度上看，以移動沙地>鹽堿地>半移動沙地>半固定沙地>固定沙地的順序依次降低。
2)從植被覆蓋變化的空間分布上看，占研究區74.5%的地區植被覆蓋呈增加趨勢，其中有15.93%的面積出現顯著響應，主要分布在研究區的北部、中部和南部邊緣區域。而研究區中西部的部分地區(12.3%)的NDVI沒有出現明顯的趨勢性變化。從植被覆蓋變化的波動性分析看，研究區的西部和西北部植被NDVI標準差和變異系數較大，受外界干擾顯著，而中部和東部植被覆蓋受外界因素的響應較弱。
3)由于渾善達克沙地處于典型的干旱半干旱氣候帶，在年際尺度其植被覆蓋受降水量的影響極為明顯，NDVI與降水量的相關系數達到0.75(P=0.01)，是導致植被覆蓋改變的最直接和重要原因。相反，溫度對研究區植被生長產生了顯著的抑制作用，兩者相關系數達到-0.58。在月際尺度上，4月草地植被變化受氣溫變化影響較明顯；5-8月與前一月降水變化關系密切，說明植被生長對降水變化具有一定的滯后性。
References：
[1]Ren H, Peng S L. Introduction of Restoration Ecology[M]. Beijing: Science Press, 2001.
[2]Zhao H L, Su Y Z, Zhou R L. Restoration mechanism of degraded vegetation in sandy areas of Northern China. Journal of Desert Research, 2006, 26(3): 323-328.
[3]Bao G, Bao Y H, Qin Z H,etal. Vegetation cover changes in Mongolian Plateau and its response to seasonal climate changes in recent 10 years. Scientia Geographica Sinica, 2013, 33(5): 613-621.
[4]Stokes A, Sotir R, Chen W,etal. Soil bio- and eco-engineering in China: past experience and future priorities preface. Ecological Engineering, 2010, 36: 247-257.
[5]Pei H, Zhang S Y, Ao Y Q,etal. Research on climate and climatic changes in Hunshandake sandy land. Meteorological Science and Technology, 2005, 33(1): 63-67.
[6]Chen X Q, Wang H. Spatial and temporal variations of vegetation belts and vegetation cover degrees in Inner Mongolia from 1982 to 2003. Acta Geographica Sinica, 2009, 64(1): 84-94.
[7]Mu S J, Li J L, Chen Y Z,etal. Spatial differences of variations of vegetation coverage in Inner Mongolia during 2001-2010. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(9): 1255-1268.
[8]Guo Z X, Zhang X N, Wang Z M,etal. Responses of vegetation phenology in Northeast China to climate change. Chinese Journal of Ecology, 2010, 29(3): 578-585.
[9]Liu Y, Li Y, Cui C X,etal. Evaluation of MODIS MOD13Q1 data in desertification in the north area of Xinjiang. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(3): 14-21.
[10]Fan Y J, Hou X Y, Shi H X,etal. Effect of carbon cycling in grassland ecosystems on climate warming. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(3): 294-302.
[11]Zhang S Q, Yan W G. Problems of grassland ecosystems and their countermeasures in western China. Acta Prataculturae Sinica, 2006, 15(5): 11-18.
[12]Bai Y D L, Bao E E D G, Sai Y B Y E. Ecosystem status of Hunshandake Sandy Land and its ecological recovery measures. Inner Mongolia Agricultural Science and Technology, 2008, (5): 71-73.
[13]Chen Y F, Cai Q G. The status, causes and control of desertification in Otingdag Sandy Land to the North of Beijing. Inner Mongolia Agricultural Science and Technology, 2003, 22(4): 353-358.
[14]Integrated Scientific Research Team of Inner Mongolia-Ningxia, CAS. Geomorphology of Inner Mongolia and Western Northeast China[M]. Beijing: Science Press, 1980.
[15]Holben B N. Characteristics of maximum-value composite images from temporal AVHRR data. International Journal of Remote Sensing, 1986, 7(11): 1417-1434.
[16]Xu B, Tao W G, Yang X C,etal. Monitoring by remote sensing of vegetation growth in the project of grassland withdrawn from grazing in countries of China. Acta Geographica Sinica, 2007, 16(5): 13-21.
[17]Piao S L, Fang J Y. Seasonal changes in vegetation activity in response to climate changes in China between 1982 and 1999. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(1): 119-125.
[18]Yang X P, Wang X L, Liu Z L,etal. Initiation and variation of the dune fields in semi-arid China-with a special reference to the Hunshandake Sandy Land, Inner Mongolia. Quaternary Science Reviews, 2013, 78: 369-380.
[19]Han Z W, Wang T, Yan C Z,etal. Change trends for desertified lands in the Horqin Sandy Land at the beginning of the twenty-first century. Environmental Earth Sciences, 2010, 59(8): 1749-1757.
[20]Mu S J, Li J L, Zhou W,etal. Spatial-temporal distribution of net primary productivity and its relationship with climate factors in Inner Mongolia from 2001 to 2010. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(12): 3752-3764.
[21]Zhang H B, Tang H J, Yang G X,etal. Changes of spatial-temporal characteristics based on MODIS NDVI data in Inner Mongolia grassland from 2000 to 2008. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(9): 168-175.
[22]Mao F, Sun H, Zhang Y H. Dynamic changes of land surface variables on grassland in Northern Tibet in recent 20 years. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(4): 166-172.
[23]Zhang G L, Dong J W, Xiao X M,etal. Effectiveness of ecological restoration projects in Horqin Sandy Land, China based on SPOT-VGT NDVI data. Ecological Engineering, 2012, 38(1): 20-29.
[24]Xin Z B, Xu J X, Zhen W. Effect of climate change and human activities on vegetation cover change in Loess Plateau. Science China, 2007, 37(11): 1504-1514.
[25]Dai Z G. Intensive agropastoralism: dryland degradation, the Grain-to-Green Program and islands of sustainability in the Mu Us Sandy Land of China. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 188(3): 249-252.
[26]Bao G, Qin Z H, Bao Y H,etal. Spatial-temporal changes of vegetation cover in Mongolian Plateau during 1982-2006. Journal of Desert Research, 2003, 33(3): 918-927.
[27]Li X, Li X B, Wang H,etal. Impact of climate change on temperate grassland in northern China. Journal of Beijing Normal University (Natural Science), 2006, 42(6): 618-623.
[28]E E D G R L. Application of 3S Technology in the Study of West Erdos National Nature Reserve[D]. Huhehot: Inner Mongolia Normal University, 2007.
[29]Guo L H, Wu S H, Zhao D S,etal. NDVI-based vegetation change in Inner Mongolia from 1982 to 2006 and its relationship to climate at the Biome scale. Advances in Meteorology, 2014, 2014： 692068.
[30]Wu R F, Huo Z G, Cao Y F,etal. Phenophase change of typical herbaceous plants in Inner Mongolia in spring and its response to climate warming. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(8): 1470-1475.
[31]Zhang Y, Zhang Q C, Liu B Y. Study on vegetative coverage and height variation in Northern Loess Plateau. Advances in Earth Science, 2002, 17(2): 268-272.
[32]Wang L, Fu B J, Lü Y H,etal. Spatio-temporal variations of vegetation cover in northern Shaanxi Province under the background of ecological restoration. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(8): 2109-2116.
[33]Guo Z S. Three coverages of vegetation construct in the water and soil conservation. Soil and Water Conservation in China, 2000, (4): 30-31.
[34]Zhang X F, Niu J M, Zhang Q,etal. Soil conservation function and its spatial distribution of grassland ecosystems in Xilin River Basin, Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(1): 12-20.
[35]Tucker C J, Slayback D A, Pinzon J E,etal. Higher northern latitude normalized difference vegetation index and growing season trends from 1982 to 1999. International Journal of Biometeorology, 2001, 45(4): 184-190.
[36]Piao S, Fang J, Zhou L,etal. Interannual variations of monthly and seasonal normalized difference vegetation index (NDVI) in China from 1982 to 1999. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(14): 4401-4407.
[37]Xu X, Li X B, Liang H W,etal. Change in vegetation coverage and its relationships with climatic factors in temperate steppe, Inner Mongolia. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(14): 3733-3743.
[38]Yan E P, Lin H, Dang Y F,etal. The spatiotemporal changes of vegetation cover in Beijing-Tianjin sandstorm source control region during 2000-2012. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(17): 5007-5020.
[39]Yin H, Li Z G, Wang Y L,etal. Assessment of desertification using time series analysis of hyper-temporal vegetation indicator in Inner Mongolia. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(5): 653-661.
[40]Zhang G L, Xu X L, Zhou C P,etal. Responses of vegetation changes to climatic variations in Hulun Buir grassland in past 30 years. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(1): 47-58.
參考文獻：
[1]任海, 彭少麟. 恢復生態學導論[M]. 北京: 科學出版社, 2001.
[2]趙哈林, 蘇永中, 周瑞蓮. 我國北方沙區退化植被的恢復機理.中國沙漠, 2006, 26(3): 323-328.
[3]包剛, 包玉海, 覃志豪, 等. 近10年蒙古高原植被覆蓋變化及其對氣候的季節響應. 地理科學, 2013, 33(5): 613-621.
[5]裴浩, 張世源, 敖艷青, 等. 渾善達克沙地氣候特征及其氣候變化分析. 氣象科技, 2005, 33(1): 63-67.
[6]陳效逑, 王恒. 1982-2003年內蒙古植被帶和植被覆蓋度的時空變化. 地理學報, 2009, 64(1): 84-94.
[7]穆少杰, 李建龍, 陳奕兆, 等. 2001-2010年內蒙古植被覆蓋度時空變化特征. 地理學報, 2012, 67(9): 1255-1268.
[8]國志興, 張曉寧, 王宗明, 等. 東北地區植被物候對氣候變化的響應. 生態學雜志, 2010, 29(3): 578-585.
[9]劉艷, 李楊, 崔彩霞, 等. MODIS MOD13Q1數據在北疆荒漠化監測中的應用評價. 草業學報, 2010, 19(3): 14-21.
[10]范月君, 侯向陽, 石紅霄, 等. 氣候變暖對草地生態系統碳循環的影響. 草業學報, 2012, 21(3): 294-302.
[11]張蘇瓊, 閻萬貴. 中國西部草原生態環境問題及其控制措施. 草業學報, 2006, 15(5): 11-18.
[12]白音達來, 包額爾頓嘎, 賽音巴雅爾. 渾善達克沙地生態系統現狀分析及生態恢復對策. 內蒙古農業科技, 2008, (5): 71-73.
[13]陳玉福, 蔡強國. 京北渾善達克沙地荒漠化現狀、成因與對策. 內蒙古農業科技, 2003, 22(4): 353-358.
[14]中國科學院內蒙古寧夏綜合考察隊. 內蒙古自治區及東北西部地區地貌[M]. 北京:科學出版社, 1980.
[16]徐斌, 陶偉國, 楊秀春, 等. 我國退牧還草工程重點縣草原植被長勢遙感監測. 草業學報, 2007, 16(5): 13-21.
[17]樸世龍, 方精云. 1982-1999 年我國陸地植被活動對氣候變化響應的季節差異. 地理學報, 2003, 58(1): 119-125.
[20]穆少杰, 李建龍, 周偉, 等. 2001-2010 年內蒙古植被凈初級生產力的時空格局及其與氣候的關系. 生態學報, 2013, 33(12): 3752-3764.
[21]張宏斌, 唐華俊, 楊桂霞, 等. 2000-2008年內蒙古草原MODIS NDVI時空特征變化. 農業工程學報, 2009, 25(9): 168-175.
[22]毛飛, 孫涵, 張艷紅. 近20年藏北草地地表參數動態變化研究. 農業工程學報, 2008, 24(4): 166-172.
[24]信忠保, 許炯心, 鄭偉. 氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響. 中國科學, 2007, 37(11): 1504-1514.
[26]包剛, 覃志豪, 包玉海, 等. 1982-2006年蒙古高原植被覆蓋時空變化分析. 中國沙漠, 2003, 33(3): 918-927.
[27]李霞, 李曉兵, 王宏, 等. 氣候變化對中國北方溫帶草原植被的影響. 北京師范大學學報: 自然科學版, 2006, 42(6): 618-623.
[28]額爾敦格日樂. 3S技術在西鄂爾多斯國家級自然保護區研究的應用[D]. 呼和浩特: 內蒙古師范大學, 2007.
[30]吳瑞芬, 霍治國, 曹艷芳, 等. 內蒙古典型草本植物春季物候變化及其對氣候變暖的響應. 生態學雜志, 2009, 28(8): 1470-1475.
[32]王朗, 傅伯杰, 呂一河, 等. 生態恢復背景下陜北地區植被覆蓋的時空變化. 應用生態學報, 2010, 21(8): 2109-2116.
[33]郭忠升. 水土保持植被建設的三個蓋度. 中國水土保持, 2000, (4): 30-31.
[34]張雪峰, 牛建明, 張慶, 等. 內蒙古錫林河流域草地生態系統土壤保持功能及其空間分布. 草業學報, 2015, 24(1): 12-20.
[37]許旭, 李曉兵, 梁涵瑋, 等. 內蒙古溫帶草原區植被蓋度變化及其與氣象因子的關系. 生態學報, 2010, 30(14): 3733-3743.
[38]嚴恩萍, 林輝, 黨永峰, 等. 2000-2012 年京津風沙源治理區植被覆蓋時空演變特征. 生態學報, 2014, 34(17): 5007-5020.
[39]殷賀, 李正國, 王仰麟, 等. 基于時間序列植被特征的內蒙古荒漠化評價. 地理學報, 2011, 66(5): 653-661.
[40]張戈麗, 徐興良, 周才平, 等. 近30 年來呼倫貝爾地區草地植被變化對氣候變化的響應. 地理學報, 2011, 66(1): 47-58.
*Vegetation changes in Otindag sand country during 2000-2014
YUAN Zhi-Hui1,2， BAO Gang2*， YIN Shan1， LEI Jun1,3， BAO Yu-Hai2， SA Chu-La1，2
1.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot010022,China; 2.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformationSystemofInnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot010022,China; 3.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China
Abstract:MODIS NDVI collected during the growing season (from April to October) from 2000 to 2014 were adopted and integrated in this study to extract the time series characteristics of vegetation dynamics in Otindag sand country. The response of vegetation changes to climate data including temperature and precipitation recorded at fifteen meteorological stations were analyzed during 2000 to 2013 using annual and monthly time scales. The results revealed that regardless of the time scale (monthly or annual), the NDVI tended to increase over the 15-year observation period a result of climate and human activity Ecological restoration, indicating that ecological restoration work has produced benefits. The annual NDVI was correlated with precipitation (r=0.75), indicating that precipitation was the dominant factor in vegetation dynamics. With respect to spatial pattern, the NDVI in southern, central and northern fringe regions of the study area tended to increase but no obvious trends were observed in the central and some western areas of the region. Correlation between monthly average NDVI and climatic factors during the growing season showed that the response of vegetation change to temperature in April and May was strong, indicating that temperature was important in the early stages of the growing season. Correlation between NDVI and precipitation of the previous month were strongest from May to August revealing a hysteresis response of plant growth to rainfall. Shifting sand dunes showed the largest increase in NDVI while the smallest increase occurred in fixed sand dunes.
Key words:Otindag sandy land; NDVI; vegetation coverage changes; climate
*通信作者Corresponding author. E-mail: baogang@imnu.edu.cn
作者簡介：元志輝(1988-)，男，內蒙古烏蘭察布人，在讀碩士。E-mail: 498805579@qq.com
基金項目：內蒙古自治區自然基金(2013ZD084)，國家自然科學基金(41301456)和內蒙古師范大學重大項目培育專項項目(2013ZDPY0)資助。
*收稿日期：2015-06-25；改回日期：2015-08-19
DOI：10.11686/cyxb2015319
http://cyxb.lzu.edu.cn
元志輝，包剛，銀山，雷軍，包玉海，薩楚拉. 2000-2014年渾善達克沙地植被覆蓋變化研究. 草業學報, 2016, 25(1): 33-46.
YUAN Zhi-Hui， BAO Gang， YIN Shan， LEI Jun， BAO Yu-Hai， SA Chu-La. Vegetation changes in Otindag sand country during 2000-2014. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 33-46.
