內蒙古不同類型草原光合植被覆蓋度對降水變化的響應

王舉鳳,何 亮,陸紹娟,呂 渡,黃 濤,曹 琦,張曉萍,劉寶元

西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100

草地是陸地生態系統的重要組成部分,在調節氣候、保持水土、改良土壤和維持生物多樣性等方面發揮著重要作用。植被覆蓋度及其變化深刻影響著生態系統的植被生產能力、土壤理化性質、產匯流過程和生態系統功能,從而影響著土壤流失等地表物質的傳輸和平衡,是土壤侵蝕評價中的重要影響因素[1]。內蒙古地區位于中國北方,氣候主要為干旱、半干旱和半濕潤區,是我國北方草地的主體部分和重要的農牧業生產基地,生態環境脆弱,土地退化嚴重[2]。研究內蒙古不同類型草地植被在年、季、月等尺度上對降水的響應和敏感程度,有助于揭示草地覆蓋變化影響因素,提高區域土壤侵蝕動態評價效率。

很多研究結果認為,近年來內蒙古植被覆蓋度總體呈上升趨勢[3],但不同地區植被覆蓋度變化趨勢表現不同。如彭飛等[4]、李林葉等[5]發現2000年后的15年中呼倫貝爾草原植被覆蓋度整體下降；焦全軍等[6]、張圣微等[7]認為,錫林郭勒草原植被覆蓋2001—2014年總體呈增加趨勢,不同年份各類型草原植被覆蓋度表現為由東向西遞減的規律；而希拉穆仁草原近年來則處于中度退化狀態[8]。在植被覆蓋度對降水的響應方面,大量研究結果認為,降水是影響植被變化最主要的自然因素,是制約中國北方溫帶草原植被生長的根本原因。孫艷玲等[9]、張清雨等[10]認為,1982—2000年內蒙古地區植被 NDVI與降水有很好的相關性,植被受降水的影響較大。許旭等[11]、穆少杰等[3]認為,2001—2010年內蒙古草原生態區植被覆蓋度在年際水平上主要受降雨影響,月植被覆蓋度對降雨量的響應存在時滯效應。上述研究均從植被生態角度,探討了植被覆蓋度的變化及降水對植被生長的一般影響,而對不同類型草原植被覆蓋度的多年變化狀態,對降水量變化的敏感程度和定量關系,植被覆蓋度對不同時段降水量的響應過程和密切程度,最佳模擬式等等問題還有待研究。

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是植被的葉、莖、枝的垂直投影面積占地面總面積的比例,是衡量地表植被狀況的重要指標[12]。地表植被按照功能屬性可以分為綠色光合植被(Photosynthetic Vegetation,PV)和非光合植被(Non-photosynthetic Vegetation,NPV)。在以往像元二分模型基礎上,Guerschman等[13]在2009年提出了像元三分模型,將光合植被(PV)、非光合植被(NPV)和裸土(BS)作為混合像元的3種組分進行線性分離,經過澳大利亞稀樹草原區域的驗證、評估和改進,推出了基于MODIS數據(MCD43A4,MOD09A1)的全球產品[13]。在我國北方草原地區的應用[14- 16]表明,像元三分模型中的PV覆蓋度精度可以達到91.2%,而NPV、BS的反演還存在很大不確定性。

本文將使用該數據集的光合植被(PV)數據部分,深入分析內蒙古不同類型草原年、月植被覆蓋度變化,及其對不同時間尺度降水量的響應過程和特征,為區域土壤侵蝕動態評價和生態環境保護提供理論依據。

1 研究區和樣地選擇

內蒙古自治區位于我國的北部邊疆,由東北向西南斜伸,總面積118.3萬km2。其地貌以蒙古高原為主體,主要包括由呼倫貝爾、錫林郭勒、巴彥淖爾—阿拉善及鄂爾多斯等高平原,平均海拔1000 m左右。以溫帶大陸性季風氣候為主,平均降水量50—450 mm,平均氣溫- 3.7—11.2 ℃。地帶性土壤的分布從東部的黑土,向西依次為暗棕壤、黑鈣土、栗鈣土、棕壤土、黑壚土、灰鈣土、風沙土和灰棕漠土。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、草原和荒漠[17]。隨氣候條件的地帶性差異形成了草原植被的3個亞類型,即草甸草原、典型草原和荒漠草原。

本文結合中國植被圖和Google Earth以內蒙古3種草原類型,即呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗的草甸草原區、錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗的典型草原區、包頭市達爾罕茂明安聯合旗的荒漠草原區為研究對象,各草原類型區分別選取3個代表性研究樣地,每個樣地均包括9個像元,即每個草原區的樣地面積均為6.75 km2,取像元均值作為該類型草原的月、年植被覆蓋度值。草原類型的分區由《中華人民共和國植被圖1∶100萬》[18]提供。研究區和樣地位置如圖1所示,基本情況特征和降水組合方式如表1。

圖1 研究區位置及氣象站點分布圖Fig.1 Location of the study area and meteorological stations

表1 研究樣地位置與基本情況特征

2 數據來源和方法

2.1 數據來源

采用MODIS產品(MCD43A4,MOD09A1,2002—2016年),使用線性分離方法將每個像元分為PV、NPV和BS 3種組分[13],得到空間分辨率為500 m的月植被覆蓋產品數據集[13]。分析該數據集中的PV覆蓋度(fPV)部分并對數據進行了質量檢查。采用6—9月生長季fPV值的平均值來表征內蒙古不同類型草原年植被覆蓋度。

同期降水數據來源于中國氣象數據共享服務網(http://data.cam.gov.cn)。分別選取距離研究樣點最近的3個氣象站,即海拉爾、西烏珠穆沁旗、希拉穆仁的日降水數據,年降水量是指1—12月的月降水量之和。

2.2 分析方法

(1)變化趨勢

為研究植被覆蓋度和降水量的變化趨勢,對數據和年份之間進行線性回歸,計算其擬合斜率b和相關系數r[19]。如果斜率大于零,說明要素變化趨于上升趨勢,反之則說明要素變化趨于下降。如果r值通過0.05的顯著性水平(P<0.05),則認為要素呈顯著增加或顯著下降趨勢。

(1)

(2)

式中,b為斜率；xi為第i年的降水量(植被覆蓋度)；ti為第i年份,在2002—2016間取值；n為研究時間段,取15。

(2)相關性分析

植被覆蓋度與降水量之間相關系數的計算公式如下：

(3)

3 結果分析

3.1 光合植被覆蓋度fPV和降水量的年際變化特征

內蒙古草原生長季2002—2016年多年平均植被覆蓋度,以草甸草原樣地最高,為46.5%,其次為典型草原,為36.3%,最低為荒漠草原22.4%。對3個草原區fPV時間序列進行分析發現,草甸草原fPV隨年際變化呈不顯著增長趨勢,年變化斜率為0.29%/a,而典型草原和荒漠草原fPV呈不顯著下降趨勢,年變化斜率分別為-0.04%/a和-0.21%/a,如圖2所示。

2002—2016年3個草原區多年平均降水量分別為341.0、299.7、295.4 mm,降水量隨年際變化都呈現不顯著波動上升趨勢。其中海拉爾的年降水量增長速率最大,年變化斜率為8.5 mm/a,希拉穆仁的降水量上升趨勢最弱,年變化斜率為2.0 mm/a,西烏珠穆沁旗的年降水量變化居中,為6.1 mm/a。

圖2 三類草原區2002—2016年fPV和年降水量的變化Fig.2 Annual fPV and precipitation in the research sites of three steppes from 2002 to 2016

3.2 光合植被覆蓋度fPV和降水量的年內變化特征

圖3是各草原區樣地月均植被覆蓋度變化曲線(源數據缺少11、12月和1月數據)。受季風氣候影響,各草原區月均植被覆蓋度均表現出2—3月份最低,3—7月持續上升,7月均達到植被覆蓋度峰值,分別為61.4%、50.2%、25.0%。草甸草原和典型草原植被覆蓋度在7—10月呈現快速下降過程,而荒漠草原7—9月植被覆蓋度緩慢降低,10月份植被均處于荒蕪狀態,fPV值小于10%。

從3類草原區的多年月平均降水曲線(圖4)明顯看出,降水量最大的月份均為7月份,草甸草原區的海拉爾站7月降水量(96.4 mm)明顯大于典型草原區的西烏珠穆沁旗站降水量(70.7 mm)和荒漠草原區的希拉穆仁站降水量(66.8 mm)。3類草原的夏季(6、7、8月)降水占全年的比例分別為63.5%、61.7%、60.0%左右。3類草原區月均降水量的分布格局與月植被覆蓋度的分布十分相似。

圖3 2002—2016年月均fPVFig.3 Mean monthly fPV from 2002 to 2016

圖4 2002—2016年月均降水量變化Fig.4 Mean monthly precipitation from 2002 to 2016

3.3 月植被覆蓋度fPV對降水的響應

對3類草原區月植被覆蓋度值與月降水量進行相關性分析,計算生長季逐月fPV與當月和前幾月降水的相關系數,探討月降水量對月植被生長影響的滯后效應,前期累積降水量對月植被生長的影響程度,如表2、表3所示。

從月植被覆蓋度與逐月降水的相關系數(表2)可知,內蒙古3種類型草原在6—9月的當月植被覆蓋度與前一個月、當月降水量關系最為密切；5月植被覆蓋度受降水的影響,僅在荒漠草原與5月降水達到顯著相關,在草甸草原和典型草原不顯著。表2還可以看出,3類草原月植被覆蓋度對月降水量的響應均存在滯后效應,尤其1—2個月的滯后效應最明顯,且表現出越干旱的草原類型滯后效應越明顯的特征。

表2 月植被覆蓋度fPV 與逐月降水的Pearson相關(R)

表3 月植被覆蓋度fPV 與累積降水的Pearson相關(R)

從月植被覆蓋度fPV與前期累積降水量的相關系數(表3)看出,內蒙古草原月累積降水對植被的作用在各月間以及不同類型草原區差異較大。5月植被覆蓋度受累積降水的影響在各類型草原均不顯著,整體以6至10月的植被覆蓋度與月累積降水相關性較好,表現為越干旱的地區越受更長時間的前期降水影響的特征。總體上,草甸草原植被覆蓋度與當月+前1個月、當月+前2個月降水量最密切,典型草原植被覆蓋度與當月+前2個月、當月+前3個月降水量最密切,荒漠草原植被覆蓋度與當月+前3個月、當月+前4個月降水量最密切。

從草原類型來看,草甸草原和典型草原植被覆蓋度與累積降水相關性高的月份主要是6、7、8月；荒漠草原在6至10月植被覆蓋度與累積降水相關性整體都較好,同時,荒漠草原植被覆蓋度與累積降水的相關性較草甸草原和典型草原顯著,因為荒漠草原區降水量低,植被對降水更加敏感。

總的來看,5月的植被覆蓋度和降水量,除了典型草原與前第2個月的降水量、荒漠草原植被覆蓋度與當月降水量為顯著相關外,其余均無顯著相關,受累積降水量的影響在各類型草原也均不顯著。說明研究區5月份植被覆蓋度開始增加,與當月降水量、前期各月降水量、累積降水量關系不明顯,但有草原類型越干旱,受前期降水量、累積降水量影響越大的趨勢；內蒙古草原6—9月生長季植被對降水的響應較為強烈。

3.4 年植被覆蓋度fPV對降水的響應

用生長季6—9月植被覆蓋度均值(fPV)代表年植被覆蓋度,探討年植被覆蓋度與生長季各月、不同月累積降水量間的響應密切程度,以及回歸關系(表4)；年植被覆蓋度與當年、年不同時段降水量間的響應密切程度,及其回歸關系,如當年降水量、生長季(6—9月)降水量、前期(11—5月)降水量,結果如表5。

表4 年植被覆蓋度與生長季各月降水量間的一元和多元回歸

從年植被覆蓋度(6—9月植被覆蓋度均值,fPV)與生長季各月(6—9月)降水量間的響應程度來看(表4),單月降水因子對草甸草原和典型草原植被覆蓋度主要是與7月降水量相關性最好,7、8月降水對荒漠草原植被影響最大,其相關系數為顯著程度。將生長季降水量進行逐月累積后發現,3類草原年植被覆蓋度與生長季各月組合降水的相關系數都達到顯著甚至極顯著,總體上與6—8月總降水量最相關。從年植被覆蓋度與生長季各月降水量間的多元關系來看,隨著月份的增加,3類草原年植被覆蓋度與各月的關系也越密切,與6、7、8、9月的多元關系最優,其方程決定系數分別為0.746、0.407、0.818。說明3類草原年植被覆蓋度與整個生長季降水都相關,尤其是6—8月的總降水量的影響最顯著。

表5 年植被覆蓋度與年降水量間的一元和多元回歸

將年植被覆蓋度與當年降水量、生長季(6—9月)降水量、前期降水量(前一年11月至當年5月)、前一年降水量等要素進行回歸(表5),發現年植被覆蓋度與當年降水量、生長季降水量的關系都達到極顯著相關。內蒙古草原為長冬短夏,冬季開始時間從當年10月初到次年4月底,持續7個月時間,夏季為7月底到8月初的半月時間。表5中進行了植被覆蓋度與前期降水(與冬季時間幾乎一致)的相關分析,發現不同草原類型年植被覆蓋度與冬季降水量均為正相關關系,但在草甸草原和典型草原均不顯著,說明在草甸草原區和典型草原區冬季降水量可以促進植被覆蓋度的增加,但作用不顯著。而對較干旱的荒漠草原植被覆蓋度起到顯著促進作用。將各時段降水因素與年植被覆蓋度進行回歸分析結果顯示,草甸草原和典型草原植被覆蓋度均與當年、前期降水的回歸效果最好,而荒漠草原植被與生長季、前期降水擬合結果最優。

總體上,內蒙古3種類型草原年植被覆蓋度對降水量的響應均表現出在年、季、月尺度上分別受當年降水量、生長季降水量以及6、7、8月份降水量顯著影響的特征。

4 討論

從樣地光合植被覆蓋度以及降水年際變化趨勢可以看出(圖2),不同類型草原區植被覆蓋度與降水量均具有很好的相關關系,fPV值變化曲線都與降水量變化曲線波動情況基本一致,也發現某些年份植被覆蓋度并不能與降水量很好地吻合,可能是草原植被覆蓋度對降水存在一定滯后效應或相對于降水的變化而言植被結構更趨于穩定。

對3個草原多年fPV月平均值與多年月平均降水量進行相關性分析發現：草原區月植被覆蓋度對降水量的響應存在時滯效應,這與穆少杰、張戈麗等人[3,20]研究結果基本一致。不管是在年尺度還是月尺度上,相比草甸草原區和典型草原區,荒漠草原植被覆蓋度對降水更加敏感,這與許旭研究結果一致[11]。

本文對植被覆蓋度與降水的相關性做了分析,比較細致地探討了植被覆蓋度受不同時間降水影響的規律。以往文獻[21- 22]很多都認為年際尺度上,植被覆蓋度主要受降水影響,而月季尺度上,植被受溫度和降水綜合因素影響大于單因子的影響。作為重要的氣象因素,溫度對于植被的影響不容忽視,但經過分析,內蒙古3種類型草原的5—10月逐月植被覆蓋度,與前期月均溫,年植被覆蓋度與生長季、非生長季的均溫在多數情況下關系不大。也就是說,對于內蒙古草原植被,降水量對植被覆蓋度起著決定性的作用[23- 24]。這與孟夢[25]研究結果較吻合,她認為內蒙古NDVI與氣溫和降水之間的關系表現出空間差異,17.6%的面積與降水顯著相關,僅有 0.4%的區域與氣溫顯著相關,降水對 NDVI的影響比氣溫更為顯著。因此,本文以降水量作為主要氣象因素,分析了其對植被覆蓋度的影響。

文中重點研究了光合植被覆蓋度對降水的定量響應關系,可為土壤侵蝕動態監測中消除降水波動的影響提供理論依據和具體算法。在地表覆蓋對土壤侵蝕的影響中,非光合植被覆蓋度也起著重要作用,需要進一步研究。總植被覆蓋度(光合植被覆蓋度+非光合植被覆蓋度)需要根據具體研究區不同地物特征的光譜反射機理出發改進像元三分模型,增強非光合植被覆蓋度反映地物信息的準確程度,進一步定量化光合植被覆蓋度、非光合植被覆蓋度和裸土以及三者的交互作用,為區域土壤侵蝕動態監測與評估提供依據。

5 結論

本文通過對內蒙古3種草原類型2002—2016年間的光合植被覆蓋度和同期降水進行分析,得出如下結論：

(1)2002—2016年間草甸草原、典型草原和荒漠草原多年平均光合植被覆蓋度fPV分別為46.5%、36.3%和22.4%；草甸草原fPV隨時間變化呈不顯著增長趨勢(斜率為0.29%/a),典型草原和荒漠草原fPV呈不顯著下降趨勢(斜率分別為-0.04%/a和-0.21%/a)。

(2)2002—2016年3個草原區多年平均降水量分別為341.0、299.7、295.4 mm,降水量隨年際變化都呈現不顯著波動上升趨勢,年內降水差異較大。

(3)內蒙古草原的月植被覆蓋度對月降水量存在明顯的1—2個月滯后效應和顯著的累積效應,且表現出越干旱的草原類型滯后效應越明顯的特征；相比草甸草原和典型草原,荒漠草原植被對降水量變化更加敏感。

(4)3類草原年植被覆蓋度對降水量的響應,均表現出在年、季、月尺度上分別受當年降水量、生長季降水量以及6、7、8月份降水量顯著影響的特征；3類草原年植被覆蓋度與生長季降水線性擬合結果都較好。