錫林郭勒盟不同草原類型EVI的時空變化及其對氣候的響應

田志秀，張安兵，王賀封，曹 媛，范倩倩

（1. 河北工程大學地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038；2. 河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

植被是土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，影響著地氣系統的能量平衡，在全球變化研究中充當“指示器”的作用[1]。草地植被對氣候變化的響應較敏感，草原生態系統是最為脆弱的開放性系統，極易受自然環境的影響和人為活動的破壞[2]。近年來許多學者對草原植被時空分布及氣候變化進行了深入的探討和研究[3-9]。多位研究者認為不同地區植被變化狀況存在顯著差異，內蒙古地區植被NDVI總體上呈輕微上升趨勢，但空間差異顯著，在內蒙古中東部地區植被呈顯著增加，在西部地區植被NDVI主要呈減少趨勢[3]；青海省植被NDVI整體呈從西北到東南的增加趨勢，在柴達木盆地周邊和青南牧區西北部等植被NDVI較低，在祁連山東部、東部農業區和青南牧區東南部等植被NDVI較高[4]；但伊犁河谷地區草場和青藏高原西北地區NDVI卻呈退化趨勢[5-6]。相關研究表明植被長勢狀況同區域氣候具有高度相關性，氣溫、降水是影響植被長勢的重要因子，該對因子對植被的時空分布及其變化具有重要影響[7-9]。

在植被覆蓋變化研究中，歸一化植被指數(nor malized difference vegetation index, NDVI)是植被活動和生產力的最佳指示因子，已被廣泛應用于植被生產力估測、旱情監測、荒漠化監測和生態環境監測等方面[10-12]；NDVI也存在一定的局限性，如NDVI值在植被生長旺盛期容易達到飽和，在相同的空間分辨率下，NDVI的取值范圍、標準差與變異系數均低于EVI[13-14]。MODIS/EVI(enhanced vegetation index, EVI)是對 AVHRR/NDVI的繼承和改進，更能反映研究區域內植被空間差異[15]，在未來有較好的發展前景；但當前基于EVI指數對植被動態變化的研究相對較少。此外，一些學者運用時間序列諧波分析法 (harmonic analysis of NDVI time-series, HANTS)平滑處理原始數據，即把時間波譜數據分解成許多不同頻率的正弦、余弦曲線，選取并疊加反映時間序列特征的曲線，重構時間序列數據，以達到定量監測植被動態變化的目 的[16-17]。 如 劉 倩 楠 等[18]基 于 MODIS/ NDVI數據，采用最大值合成和HANTS法進行降噪處理與數據重構，評估重慶市的植被生長動態變化。包剛等[19]利用HANTS方法平滑處理GIMMS/NDVI數據，分析蒙古高原1982-2006年植被覆蓋的時空動態。楊強等[20]運用HANTS法，構建錫林郭勒盟2000-2013年MODIS/EVI的植被覆蓋度數據集，分析該地區植被覆蓋度的時空變化。時間序列諧波分析法多基于全年的NDVI或者EVI數據，并未嘗試采用此方法對月數據進行去云降噪處理，以獲得更加合理的數據。另外，對草原植被變化特征以及氣候響應關系的研究更多是基于不同用地類型或者基于整體植被變化進行，很少從不同草原類型的角度來探究。

錫林郭勒草原處于歐亞大陸草原帶的中部，草原面積占總土地面積的97.2%，是內蒙古草原的主體，也是距京、津、唐最近的草原牧區。其草原類型多樣，自西向東依次為荒漠化草原、沙地草原、典型草原和草甸草原。錫林郭勒草原不僅是我國北方干旱半干旱溫帶草原的典型區，更是我國內陸廣大區域的重要生態屏障[21-22]。以錫林格勒草原為研究對象來探討其植被時空特征及對氣候的響應具有重要的理論和現實意義。因此，本研究選取錫林郭勒盟2000-2014年5-9月MODIS EVI遙感產品作為主要數據源，經HANTS方法濾波去除異常值后，采用趨勢線分析法來探索植被的時空變化情況；在此基礎上，結合同期的氣象數據資料，并依據中國科學院植物研究所制定的不同草原植被類型的標準，探究錫林郭勒盟不同草原類型植被的時空變化規律及與氣溫、降水、平均相對濕度、平均風速、日照時數等氣象因子的響應關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒盟位于內蒙古自治區中部，地處(111°09′-119°58′ E，41°35′-46°46′ N)，面積約200 000 km2，是一個以高平原為主體，兼有多種地貌的地區。地勢南高北低，東、南部多低山丘陵，盆地錯落其間，西、北部地形平坦，零星分布一些低山丘陵和熔巖臺地，為高原牧場，海拔在 800～1 800 m(圖 1)。該地區屬北部溫帶大陸性季風氣候，其主要氣候特點是寒冷、降水少、風沙大，年平均降水量為295 mm，且降水分布不均勻，多集中在7-9月；年平均氣溫0～3 ℃，1月氣溫最低，平均-20 ℃，7月氣溫最高，平均21 ℃；年日照總時數為 2 800～3 200 h。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 數據來源

采用的MODIS/EVI數據產品來源于美國國家航空航天局NASA的EOS/MODIS數據(https://MODIS.gsfc.nasnasa.gov/)，時間分辨率為 16 d，空間分辨率為250 m，數據選擇時間為2000-2014年的生長季(5-9月)，每年9期(5-8月每月2期，9月1期)，共計135期，以此來構建EVI長時間序列數據。

根據中國科學院植物研究所制定的標準(比例尺為1∶100萬)，在已有的錫林郭勒盟植被類型數據的基礎上，將植被類型整合為10類(低地鹽化草甸、改良草地、高寒草原類、溫性草甸草原類、溫性草原化荒漠類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類、溫性山地草甸類、沼澤類)，得到錫林郭勒不同植被矢量圖層(圖2)。

圖1 錫林郭勒盟地理位置及氣象站點分區圖Figure 1 Location of study area and distribution of meteorological stations in Xilin Gol League

圖2 錫林郭勒盟植被類型圖Figure 2 The grassland class in Xilin Gol League

研究區及周邊共有15個氣象站點，氣象數據來源于中國氣象局氣象數據中心的內蒙古地面氣候資料月值數據集(http://data.cma.cn/data/cdcindex/cid/6d1b5efbdcbf9a58.html)，選取與遙感數據時間尺度相對應的月平均氣溫、降水量、平均相對濕度、平均風速、日照時數等氣象要素數據。

1.2.2 數據處理

首先對下載的2000-2014年MOD13Q1數據，采用 MRT (MODIS Reprojection Tools)進行批量拼接、投影轉換和格式轉換，并基于研究區行政邊界矢量數據，利用ARCGIS軟件完成遙感數據的裁剪；對時間分辨率為16 d的兩期EVI數據(除9月僅含一期的EVI數據取最大值外)，采用最大值合成法，合成為MODIS/EVI在生長季的EVI數據集，得到月EVI值。其次，采用時間序列諧波分析法，對研究區原始遙感數據進行平滑處理，獲取生長季MODIS/EVI數據集。最后，對生長季MODIS/EVI數據集進行最大值合成為2000-2014年際MODIS/EVI數據集，求得年EVI值。

基于上述數據處理，對研究區2000-2014年生長季MODIS/EVI的柵格圖像進行掩膜提取，得到研究區2000-2014年生長季不同類型植被的MODIS/EVI數據。

另外，利用ARCGIS軟件對研究區2000-2014年(5-9月)15個氣象站點各要素(降水量、平均風速、平均溫度、平均相對濕度、日照時數)進行克里格插值、重采樣、裁剪，獲得研究區的氣象要素柵格數據，為與2000-2014年生長季不同類型植被的MODIS/EVI相關性分析做好數據準備。

1.3 研究方法

1.3.1 時間序列諧波分析法

時間序列諧波分析法是進行定量監測植被動態變化的物候分析方法[15]，其計算公式如下：

式中：A0為諧波的余項，等于序列的平均值；Aj為各諧波的振幅；為各諧波的頻率，N為序列的長度；θj為各諧波的初相位，n為諧波的個數，等于N-1[18]。

1.3.2 趨勢線分析法

趨勢線分析方法可以模擬每個柵格的變化趨勢[10]，反映不同時期植被覆蓋變化的空間特征。依據孫小龍等[23]劃分植被變化等級標準，本文將其定義7個變化等級：重度退化趨勢、中度退化趨勢、輕度退化趨勢、無明顯變化趨勢、輕度改善趨勢、中度改善趨勢和明顯改善趨勢。趨勢線分析法計算公式：

式中：n為監測時間段的累計年數；MEVIi為第i年EVI最大值；θslope為變化趨勢傾向值；若 θslope＞0，則植被EVI在n年間的變化趨勢增加；若θslope＜0，則植被EVI在n年間的變化趨勢減小。

2 結果

2.1 HANTS 處理結果

2.1.1 HANTS 降噪處理

以錫林郭勒2000-2002年5-9月時間序列曲線為例，草原植被1年的生長周期中包含3個生長階段：5月植被生長，7、8月份植被最為茂盛，9月份植被衰落。圖3為錫林郭勒EVI在HANTS濾波前后的時間序列光譜曲線，平滑前的光譜曲線粗糙、不平滑，存在突然增長或下降的異常值；HANTS處理后，剔除了原始EVI圖像上受云干擾的點或偏離量超過閾值的最大點，利用剩余的采樣點重新生成擬合曲線，曲線平滑規則，它表現出明顯的3個波峰、2個波谷，基本符合草原植被在2000-2002年間的生長狀況。

以上分析表明，經HANTS方法降噪處理后較好地反映了植被生長周期，為此，本研究對各類型草原植被的時間序列EVI數據進行平滑處理。

以溫性荒漠草原類和沼澤類為例，溫性荒漠草原類EVI值在2000年7月達到第一個峰值，8月降低，但在9月份增加到最大值，且2009年9月EVI值比 6月份還高 (圖 4)；沼澤類 EVI值在 2001、2005、2010、2013、2014年 5月 EVI值高于6月，且6月EVI值最低，同往年NDVI均值數據相比，上述EVI值均表現出一定異常。而且各草原類型EVI值的月際變化比較劇烈并伴隨EVI值異常現象，難以用于時間序列的數據分析。通過HANTS濾波處理后(圖4)重建的各類型草原植被時間序列EVI值不僅保持了原有周期性規律特征，而且曲線平滑規則，符合草原植被的生長狀況，說明HANTS濾波有效地去除了EVI異常值，達到降噪目的，同時更加清晰地反映草原植被的物候特征。

2.1.2 HANTS 處理相關性檢驗

對研究區各草原類型的MODIS/EVI值同HANTS處理后的MODIS/EVI值進行相關性檢驗，結果表明，低地鹽化草甸類的相關性極強，相關系數為0.904；沼澤類的相關性較強，相關系數為0.711。總體上，各草原類型EVI值同HANTS處理后的EVI值均呈現極顯著正相關關系(P＜0.01)，表明植被EVI數據在HANTS方法處理后，不僅保留了原始植被的物候信息，同時有效剔除噪聲等信息的干擾，為后續得出各草原類型EVI時空變化特征及其與氣候因子響應的分析結果的可靠性提供了數據基礎。

圖3 2000-2002 年錫林郭勒 EVI的時間序列曲線Figure 3 Time series curves of EVI in Xilin Gol League across 2000-2002

圖4 2000-2014 年 5-9 月不同類型植被 EVI的時間序列Figure 4 Time series of EVI with different vegetation types from May to September in 2000-2014 in Xilin Gol

2.2 錫林郭勒盟草原 EVI的時間變化特征

2000-2014年錫林郭勒盟各草原類型EVI值表現出明顯的周期性(圖4)，從5月開始增長，7、8月份達到最大值。但值域范圍各異，其中低地鹽化草甸類的EVI值最大，而高寒草原類植被的EVI值最小。

為進一步研究錫林郭勒盟不同類型植被EVI值在時間上的變化趨勢，對錫林郭勒盟10種類型植被在2000-2014年生長季的EVI值進行趨勢線分析(圖5)。溫性草原化荒漠類、溫性山地草甸類呈微弱的降低趨勢，沼澤類表現出明顯的下降趨勢；低地鹽化草甸、高寒草原類、溫性草甸草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類等植被呈微弱的上升趨勢，改良草地、溫性草原類為明顯的增加趨勢。總體上，錫林郭勒植被呈改善趨勢。

2.3 錫林郭勒盟草原 EVI的空間變化特征

研究區植被覆蓋的空間變化情況如圖6所示。大部分研究區域的植被無明顯變化趨勢，植被狀況保持穩定，研究區中部、東烏珠穆沁旗北部區域的植被呈改善趨勢，東南部、東部的西烏珠穆沁旗地區的植被呈退化趨勢。

圖5 2000-2014年錫林郭勒盟不同類型植被EVI的時間變化趨勢Figure 5 The change trend of EVI with different vegetation types in Xilin Gol

進一步統計表明(表1)，植被退化的面積占研究區總面積的10.12%，植被覆蓋無明顯變化的面積約占72.95%，植被呈改善趨勢的面積約占16.93%，其中，輕度改善、輕度退化面積百分比分別為16.75%、9.99%，明顯改善和重度退化的區域面積較小，分別占總面積的0.01%、0.02%。總體來看，錫林郭勒植被狀況在保持相對穩定的同時逐漸趨于改善，植被重度退化的區域現象不明顯。

圖6 2000-2014年錫林郭勒盟草原EVI的空間變化趨勢Figure 6 The spatial trend of EVI change from 2000 to 2014 in Xilin Gol

表1 2000-2014 年錫林郭勒草原 EVI線性傾向結果Table 1 The linear trend result of EVI in Xilin Gol Grassland during 2000-2014

進一步對研究區域不同類型植被的空間變化進行分析得到圖7，統計各植被EVI變化趨勢面積(表2)及面積百分比(表3)。首先，位于錫林郭勒盟大部分區域、南部部分地區、二連浩特和蘇尼特左旗、東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗、西部、中部和南部、西南部、二連浩特和蘇尼特左旗等區域的低地鹽化草甸、改良草地、高寒草原類、溫性草甸草原類、溫性草原化荒漠類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類(圖7)等植被呈無明顯變化趨勢的面積所占百分比分別為48.63%、77.96%、97.9%、43.21%、93.15%、55.20%、84.58%和77.14%。其次，錫林郭勒高寒草原類、溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類等植被呈改善趨勢的面積分別約占2.1%、36.75%、31.31%、8.72%和22.86%，表明其植被狀況在保持相對穩定的同時逐漸趨于改善。再次，低地鹽化草甸類、改良草地、溫性草原化荒漠類植被呈退化趨勢的面積分別約占28.17%、12.31%和3.58%，顯示其在保持相對穩定的同時逐漸趨于退化。最后，位于西烏珠穆沁旗東部的溫性山地草甸類和東烏珠穆沁旗中部的沼澤類植被呈輕度退化趨勢，面積所占百分比分別為60.16%和56.11%，且植被重度退化的區域現象不明顯。

2.4 氣象因子與 EVI 的相關分析

對2000-2014年5-9月錫林郭勒盟10種植被類型EVI和降水量、平均風速、平均溫度、平均相對濕度和日照時數進行相關性分析(表4)表明，10種植被類型EVI與平均氣溫、降水量、平均相對濕度、日照時數正相關，與平均風速負相關，說明10種植被類型EVI主要受平均氣溫、降水量、平均相對濕度、日照時數的正向調控，但會受平均風速的制約。低地鹽化草甸類、改良草地、溫性草原類、溫性荒漠草原類EVI與氣象因子的相關性較高，高寒草原類EVI與氣象因子的相關性較低。

3 討論與結論

本研究對HANTS降噪后的2000-2014年生長季月度最大EVI數據集，劃分更為詳細的10個不同草原類型的EVI數據，探討錫林郭勒盟植被時空變化特征以及不同草原類型EVI值與平均氣溫、降水量、平均相對濕度、日照時數和平均風速等氣候因子的關系。研究表明：

1)HANTS濾波后的錫林郭勒盟植被EVI數據集，在保留了原始EVI時間序列數據的物候信息的同時，有效地去除異常值，達到降噪目的。

圖7 2000-2014年錫林郭勒盟草原不同類型植被EVI的空間變化趨勢Figure 7 The spatial change trend of EVI with different vegetation types from 2000 to 2014 in Xilin Gol

表2 錫林郭勒草原2000-2014年不同類型植被變化趨勢的面積統計Table 2 The area’s statistic results of vegetation change trends with different vegetation types EVI value in Xilin Gol during 2000-2014 km2

表3 錫林郭勒草原2000-2014年不同類型植被變化趨勢的面積所占百分比Table 3 The area percentage of statistic results in vegetation change trends with different vegetation types EVI value in Xilin Gol during 2000-2014%

2)在時間上，2000-2014年錫林郭勒盟各草原類型EVI值呈現出明顯的周期性，且值域范圍各異，其中低地鹽化草甸類的EVI值最大，高寒草原類植被的EVI值最小；沼澤類表現出明顯的下降趨勢，改良草地、溫性草原類呈現出增加趨勢，其他類型均表現出微弱的上升或下降趨勢。在空間上，錫林郭勒盟大部分區域的植被無明顯變化，中部和東北部地區有所改善。位于中部、南部、西南部、二連浩特、蘇尼特左旗、東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗等區域的溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性草甸草原類、高寒草原類、溫性荒漠類等植被呈現出緩慢改善的變化，而位于西烏珠穆沁旗東部的溫性山地草甸類和東烏珠穆沁旗中部的沼澤類植被呈輕度退化趨勢，植被重度退化的區域現象不明顯。整體來看，錫林郭勒植被呈現改善趨勢，這與一些學者利用NDVI指數研究該區域草原植被時空變化結果基本相符[21-23]。

表4 錫林郭勒各草原類型EVI與相應氣象因子的相關系數Table 4 The coefficients between different vegetation and corresponding meteorological factors in Xilin Gol

3)從EVI與氣候因素的相關分析來看，平均氣溫、降水量、平均相對濕度、日照時數是促進錫林郭勒植被生長的重要因素，平均風速制約錫林郭勒植被的生長。已有研究也表明平均氣溫和降水量是影響錫林郭勒植被生長的重要因素[24-26]。此外，本研究顯示不同類型植被對氣候因子的響應程度存在差異，低地鹽化草甸類、改良草地、溫性草原類、溫性荒漠草原類EVI與氣象因子相關性較高，受氣候變化影響較大；高寒草原類EVI與氣象因子相關性較低，受氣候變化影響較小。

已有研究如張圣微等[22]指出，錫林郭勒NDVI變化與平均降水量正相關，與平均氣溫相關性不明顯；而于海達等[27]研究則表明錫林郭勒植被的不同生長時期，驅動因子不同；在植被生長前期草原植被長勢與溫度正相關，在生長中期，長勢與溫度負相關，而到生長后期，植被與溫度正相關；杭玉玲等[24]指出，溫度和降水量對研究區植被生長的影響作用及大小因地區和季節而異。本研究也基于月尺度分析發現錫林郭勒草原EVI與平均氣溫、降水量顯著正相關，與后兩位學者研究結果基本保持一致。本研究與張圣微等研究結果存在差異，其原因可能是：1)時間尺度不同，相關研究基于年尺度分析植被對氣溫的響應，而本研究基于月尺度的時間序列數據，清晰地反映出年內植被與氣溫的關系；2)研究方法不同，相關研究沒有對遙感數據進行濾波處理，時間序列數據波動很大，曲線季節變化趨勢不明顯，不利于趨勢分析和信息提取；本研究則采用HANTS方法，消除了太陽高度角、觀測角度、云、水汽、氣溶膠等多種因素的干擾，使得研究結果合理化。另外，植被變化是一個受諸多因素作用的復雜過程，本研究重點探討的是氣象因子對草原植被的影響，下一步將研究自然環境變化與人類活動對植被變化的綜合影響，為實現錫林郭勒盟植被保護、植被恢復建設工作提供充分的科學依據。