2001-2016年內蒙古草地覆蓋度時空格局及其對水熱因子的響應

楊 晗，周 偉，黃 露

（重慶交通大學建筑與城市規劃學院地理與國土資源系，重慶 400074）

我國天然草原面積近4億hm2，草原資源豐富，是我國面積最大的陸地生態系統[1]。作為生態文明建設的主陣地，草地是陸地生態系統中一個巨大的碳庫，同時具有水源涵養、水土保持、生物多樣性保護和防風固沙等多種重要的生態功能[2-4]。植被覆蓋度是指植被(含葉、莖、枝)在地面垂直投影面積占總面積的百分比[5-6]，它是表征陸地表面植被量的一個重要參數，同時也能明顯地描述生態系統變化。

根據測量方式的不同，測定植被覆蓋度的方法分為地面測量和遙感反演。野外實地測量是傳統的植被覆蓋度測量方法，廣泛應用于田間尺度，依據原理不同分為目估法、采樣法和儀器法[7-8]；遙感反演多應用于區域大尺度，遙感反演植被覆蓋度的方法分為經驗模型法、混合像元分解法以及基于數據挖掘基礎的決策樹法和神經網絡法[9]。比起地面測量，遙感反演植被覆蓋度能夠獲得連續、空間展布的大尺度面狀數據，準確性更高、操作也更加方便快捷[10]。

內蒙古位于國際地圈生物圈計劃(International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)全 球 變 化 研 究典型陸地樣帶中國東北陸地樣帶之內，是全球變化最為敏感的區域[11]，生態環境十分脆弱；加之復墾、濫墾以及過牧等人為因素的影響，導致內蒙古天然草原嚴重退化趨勢嚴重，草地覆蓋度減小，嚴重制約了我國草地畜牧業的可持續發展和農牧民收入的穩定增長[12-13]。為恢復和改善生態環境以及社會經濟的可持續發展，1997年我國在不適宜農業生產的地區開始實施退牧還草工程。退牧還草工程在保護和改善我國草原生態環境、促進草畜平衡及社會經濟可持續發展等方面均具有十分重要的現實意義。在國內外相關研究成果的基礎上，本研究利用衛星遙感數據、地面氣象觀測數據及其他統計資料，通過像元二分模型估算草地覆蓋度，分析2001-2016年內蒙古草地覆蓋度的時空變化格局及其對氣候因子的響應，揭示內蒙古草地生態系統16年來的演變規律，對退牧還草工程實施以來內蒙古的草地植被恢復效果、長勢進行定量監測與動態評價，以期從宏觀上準確、有效地揭示草地恢復與生長情況，并對其生態效益驅動力機制進行分析，為草原管理和相關決策提供科學依據。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

內 蒙 古 自 治 區 (37°24'-53°23' N， 97°12'-126°04' E)位于中國北部邊疆，由東北向西南方向傾斜伸展，整體呈狹長的帶狀分布，南北縱跨1 700 km，東西跨越 2 400 km；面積 118.3 萬 km2，約占中國土地總面積的12.3%。氣候以溫帶大陸性季風氣候為主，地形以高原為主；受緯度地帶性及季風影響，自東向西依次分布寒溫帶明亮針葉林帶、中溫型夏綠闊葉林帶、中溫型草原帶、暖溫型草原帶和暖溫型荒漠帶5個植被類型帶[14]。

草地總面積約為8 666.7萬hm2，約占全區土地總面積的60%，占全國草地總面積的1/4以上，其中可利用草地面積6 818萬hm2。內蒙古天然草原退牧還草工程于2002年開始試點，2003年正式啟動。退牧還草措施有效減少了草原“三化”面積，同時也遏制了草原生態系統的總體惡化趨勢。據《內蒙古自治區草原監測報告》顯示，2013年內蒙古工程區草地覆蓋度達到58.91%，比非工程區高11.95個百分點。自退牧還草工程實施以來，內蒙古草原生態環境明顯好轉，已接近80年代中期最好水平。同2000年相比，內蒙古減少三化草原59.1萬hm2，草原面積新增63.5萬hm2。

1.2 數據來源

采用NASA提供的2001-2016年MOD13A1級數據產品，時間分辨率為16 d，空間分辨率為500 m ×500 m。借助 MODIS Reprojection Tools (MRT)軟件對數據產品進行格式轉換與影像拼接，利用最大值合成法減少云、大氣和太陽高度角等因素對NDVI影像的影響，并得到每個月的NDVI數據。

利用中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)提供的2001-2016年內蒙古及其周邊94個標準氣象站點的月平均溫度、月總降水量及月總太陽輻射數據，并根據各氣象站點的高程及經緯度信息進行Kriging空間插值。

本研究所涉及的土地利用覆蓋數據采用2007年MCD12Q1產品(采用中間年份的土地利用數據，著重考慮水熱因子對草地的變化)，空間分辨率為 500 m × 500 m。MCD12Q1 產品的 IGBP 分類法在全球范圍內的分類精度達到74.8%，其中72.3%～77.4%的區域達到95%的置信區間[15]，IGBP分類系統下內蒙古地區各種主要土地覆蓋類型的分類精度為草地66%，農田58%，稀疏灌叢85%，混交林65%，荒漠74.5%，城市93%[16]。該數據產品采用IGBP分類標準將全球的土地覆被分成17種類型，本研究將其重分類為與中國科學院資源環境科學數據中心(NRED)分類標準相對應的6類，并將開放灌叢、典型草原、森林草原、稀樹草原和永久濕地合并為草地 (圖1)。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型

本研究運用像元二分模型模擬內蒙古草地覆蓋度，假設每個像元的NDVI值均由草地覆蓋和土壤兩部分組成，則其公式如下：

式中：NDVIv為草地覆蓋部分的NDVI值，NDVIs為土壤部分的NDVI值，Ci表示草地覆蓋度。

在實際運算過程中，本研究分別用草地生長季內植被NDVI的最大值(NDVImax)和最小值(NDVImin)分別代替NDVIv和NDVIs，則其覆蓋度公式如下：

圖1 內蒙古草地分布圖Figure 1 Grassland distribution of Inner Mongolia

1.3.2 年際變化趨勢計算

基于像元的一元線性回歸分析，模擬16年來內蒙古草地覆蓋度的變化趨勢，計算公式為：

1.3.3 草地覆蓋度與氣候因子相關性計算

運用基于像元的空間分析法來計算內蒙古的草地覆蓋度與氣候因子的相關性，計算公式如下：

式中：Rxy為x、y兩變量的相關系數，xi、yi為第i年的草地覆蓋度和年均溫或年降水總量，、為對應的年際平均值。

相關系數的顯著性檢驗采用F檢驗，并根據F檢驗的結果將內蒙古草地覆蓋度與氣候因子的相關性分為5個變化等級。

2 結果與分析

2.1 空間分布特征

內蒙古草地覆蓋度總體上呈現出由東北到西南逐漸遞減的空間分布格局(圖2)。研究區16年來平均草地覆蓋度介于0～95%，年際平均值為37.90%。16年間內蒙古草地生態系統的平均空間分布中，將其平均劃分為5個等級，等級從低到高草地面積占全區草地總面積的比例分別為6.04%、53.72%、34.08%、6.13%和0.03%。

16年來內蒙古開放灌叢、森林草原、稀樹草原、典型草原和永久濕地5種草地類型平均覆蓋面積占比分別為2.06%、4.14%、0.71%、93.08%和0.01%；不同草地類型的平均年際覆蓋度有較大差異，其值分別為27.93%、62.90%、61.12%、36.83%和48.67%。內蒙古草地覆蓋度也具有明顯的經向地帶性，不同地區草地植被覆蓋度空間差異明顯，東北部草原區(如大興安嶺北段、松遼平原東部和中部)草地覆蓋度最大，中部典型草原區(如西遼河平原、大興安嶺中段)草地覆蓋度次之，西部荒漠草原區(如內蒙古東部、呼倫貝爾平原、鄂爾多斯及內蒙古高原)草地覆蓋度最低。

2.2 時間變化特征

利用趨勢分析法綜合分析2001-2016年內蒙古草地覆蓋度的年際變化，總體上呈波動上升趨勢。內蒙古草地覆蓋度16年年際平均值為37.90%，草地覆蓋度從2001年的35%到2016年的38.84%，增加了10.97%；2006年(35.84%)和2009年(36.04%)出現了2次明顯的波谷；2002年(38.32%)、2008年(39.41%)和2014年(40%)出現了3次明顯的波峰，且內蒙古草地覆蓋度在2014年達到最大值。

圖2 2001-2016年內蒙古草地植被覆蓋度年均分布Figure 2 Annual distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016

圖3 內蒙古草地覆蓋度年際趨勢變化Figure 3 Spatial distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016

圖4 內蒙古草地覆蓋度差異顯著性檢驗分析Figure 4 Grassland coverage analysis of difference salience in the Inner Mongolia

分析2001-2016年內蒙古草地覆蓋度的年際趨勢變化格局(圖3)，其在35%～40%波動，大部分地區草地覆蓋度呈增長趨勢，16年的平均年增長率約為0.16%。顯著性檢驗結果(圖4)表明，草地覆蓋度呈增長趨勢的草地面積為6 456.69萬hm2，占內蒙古草地總面積的74.50%，主要分布在鄂爾多斯及內蒙古高原、呼倫貝爾平原、大興安嶺北段和松遼平原中部草原區等。增加不顯著(P ＞0.05)的草地面積占草地總面積的48.29%，除森林草原外，其他4種草地類型增加不顯著的草地面積占比均在50%左右；顯著增加(P＜0.05)的草地面積占比為9.00%，其中森林草原顯著增加的草地面積占比為92.39%；極顯著增加(P＜0.01)的草地面積占比為17.21%，其中開放灌叢極顯著增加。草地覆蓋度呈減少趨勢的草地面積為2 210.01萬hm2，占內蒙古草地總面積的25.50%，主要分布在內蒙古東部草原和西遼河平原草原區等；其中不顯著減少的草地面積占草地總面積的22.95%，顯著減少的草地面積占1.51%，極顯著減少的草地面積占1.04%。

2.3 草地覆蓋度對平均氣溫的響應

16年間內蒙古氣候因子空間差異明顯，草地生態系統年平均氣溫介于-3.50～9.89 ℃，年際平均值為4.17 ℃，年均溫總體呈現出由西南向東北方向逐漸遞減的趨勢。對內蒙古草地覆蓋度與年均溫進行相關性分析，顯著性檢驗結果(圖5a)表明，內蒙古大部分地區覆蓋度的變化與年均溫無顯著相關性 (P ＞ 0.05)，該類面積高達 8 366.95 萬hm2，占草地總面積的95%，說明溫度并不是影響內蒙古草地覆蓋度的主要氣候因子。統計結果表明，整個研究區內，草地覆蓋度與年均溫的平均相關系數為0.058(P ＞ 0.05)。草地覆蓋度與年均溫呈極顯著 (P＜0.01)正相關關系的草地面積為48.16萬hm2，占草地總面積的0.56%，主要分布于內蒙古中部草原地區；呈顯著相關關系的草地面積為207.13萬hm2，占草地總面積的2.39%，說明這兩類地區草地覆蓋度隨溫度升高而增加。草地覆蓋度與年均溫呈顯著(P＜0.05)負相關關系和極顯著 (P＜0.01)負相關關系的草地面積之和為44.24萬hm2，占草地總面積的0.51%。

2.4 草地覆蓋度對年總降水量的響應

圖5 內蒙古草地覆蓋度與溫度(a)、降水(b)的顯著性檢驗Figure 5 Significance relationships between vegetation and temperature (a) and precipitation (b) in Inner Mongolia grassland

2001-2016年內蒙古草地生態系統平均年總降水量介于65.97～532.93 mm，其年際平均值為329 mm。分析內蒙古草地覆蓋度與年總降水量的相關性，內蒙古大部分草地與年總降水量無顯著相關性 (P ＞ 0.05)。顯著性檢驗 (圖 5b)結果表明，全區草地覆蓋度與年總降水量的平均相關系數為0.269(P ＞ 0.05)。草地覆蓋度與年降水呈極顯著 (P ＜0.01)正相關關系的草地面積為365.92萬hm2，占草地總面積的4.22%；呈顯著(P＜0.05)正相關關系的草地面積為1 101.55萬hm2，占草地總面積的12.71%，說明降水是影響這兩類地區草地覆蓋度的主要氣候因子之一。草地覆蓋度與年總降水量呈極顯著負相關和顯著負相關關系的草地面積之和為101.51萬hm2，共占草地總面積的1.17%；無顯著相關性的草地面積占草地總面積的81.93%。2001年、2013年和2016年年均溫相同，但由于年總降水量的不同，導致內蒙古對應年份的草地覆蓋度與降水量的增減呈正向變化關系。

3 討論與結論

本研究利用像元二分模型，估算出2001-2016年內蒙古草地平均覆蓋度為37.9%，與年均溫和年降水量均無顯著相關性(P ＞ 0.05)，其平均相關系數分別為0.058、0.269。許旭等[17]對1982-1999年間內蒙古溫帶草原區植被蓋度研究表明，該地區草原生長季植被平均蓋度與同期降水的平均相關系數達0.646，本研究與其差異較大主要是因為該研究區處于溫帶草原區，水熱條件配置較好，有利于草原植被的生長；穆少杰等[18]研究得到，2001-2010年內蒙古草原區植被覆蓋度與降水量的平均相關系數為0.32；也有研究[19-21]認為，降水是內蒙古草原植被生長的主要限制性因子，這與本研究結果一致。由于草地類型數據來源、研究時段和模型參數設置的差異，本研究將MCD12Q1產品重分類為與中國科學院資源環境數據中心(NRED)分類標準相對應的6類，其中內蒙古西北荒漠地區草地覆蓋較少；除此之外，模型中輸入的氣象柵格數據是氣象站點的觀測值通過Kriging空間插值得到的，空間插值過程會造成一定的偏差，因此與以往研究和監測報告相比，內蒙古草地覆蓋度及其與降水的相關關系研究結果也呈明顯不同。

2001-2016年，內蒙古草地覆蓋度年際平均值為37.90%，草地覆蓋度從2001年的35%到2016年的38.84%，增加了10.97%。16年間內蒙古草地生態系統的平均空間分布中，53.72%的草地覆蓋度介于20%～40%，僅0.03%草地覆蓋度在80%以上。2006年 (35.84%)和 2009年 (36.04%)出現了2次明顯的波谷；2002年(38.32%)、2008年(39.41%)和2014年(40%)出現了3次明顯的波峰，且內蒙古草地覆蓋度在2014年達到最大值。總體來說，內蒙古草地覆蓋度與年均溫和年降水量均無顯著相關性，但與年降水量的平均相關系數(r = 0.269，P ＞ 0.05)大于與年均溫的平均相關系數 (r = 0.058，P ＞ 0.05)；其中與溫度無顯著相關性的草地面積占草地總面積的95%，與降水無顯著相關性的草地面積占草地總面積的81.93%。