降水對內蒙古草原植被生長的影響1)

滑永春 薩如拉 包文學

(內蒙古農業大學，呼和浩特，010019)

草地生態系統具有防風、固沙、保土、調節氣候、凈化空氣、涵養水源等生態功能，是自然生態系統的重要組成部分[1-3]。內蒙古草地約占全國草地總面積的1/4，對維系生態平衡、區域發展具有重要的意義[4]。

歸一化植被指數(NDVI)作為全球或區域植被覆蓋度及植被生長狀態的最佳指示因子之一，歸一化植被指數與氣候因子存在顯著的相關關系[5-8]。植被指數的變化不僅受當時的氣候因子影響，也受前一時段氣候條件的累積效應的影響，并且不同地區氣象因子對植被的影響的時段不同[9-12]。Yang et al.[13]研究發現，春季和夏季累積降水量與歸一化植被指數呈現正相關關系；Nezlina et al.[8]研究發現，中亞地區植物對降水的適應時間有所不同，適應較快地區時滯期為0～2個月，較慢地區為3～4月；Lamchin et al.[14]在其研究中發現，溫度是中國東北部和中部歸一化植被指數變化的主要驅動力，但有一定的滯后效應；史丹丹等[15]研究發現，黃河源地區溫度和降水對植被生長的時滯時間分別為16和32 d；田義超等[16]認為北部灣沿海地區歸一化植被指數對氣溫的時滯時間為0～50 d，降水的時滯時間60～90 d；曹永強等[17]研究發現，遼寧省氣溫、降水量和日照時對歸一化植被指數的平均滯后時間分別為0.73、1.19和1.64個月；穆少杰等[18]認為內蒙古草原植被覆蓋度在年際水平上主要受降水影響，降水量對月植被覆蓋度影響存在時滯效應；劉成林等[12]認為錫林郭勒草原生長對降水存在明顯的滯后，一般在50～60 d，不同類型的草原滯后時間不同，但無明顯差異。

降水是陸地生態系統水分的直接來源，對于草地植被生長具有重要的作用，也是引起草地植被動態變化的關鍵因素[19-22]。明確干旱、半干旱地區植被生長和降水滯后性的關系，不僅可以了解降水對植被影響的季節性變化規律，也可以預測植被未來變化的趨勢，對研究區域植被變化及驅動力具有重要的意義[23]。目前多數研究主要關注降水與歸一化植被指數的關系，對其空間分布格局的描述比較少[24]。因此，本文利用長時間序列(1982—2015年)歸一化植被指數數據集(GIMMS NDVI3g)、氣象再分析數據(ERA5)的降水數據，開展內蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原的歸一化植被指數對降水滯后性的研究，探討不同類型草原植被對降水時滯及空間分布格局的差異性。

1 研究區概況

內蒙古位于我國北部地區(37°24′～53°23′N，97°12′～126°4′E)，地處歐亞大陸內部。由東北向西呈長條形分布。氣候以溫帶大陸性季風氣候為主。溫度-5～10 ℃(年均氣溫8 ℃)，自東向西遞增；降水量35～530 mm，自東南向西北遞減。內蒙古草地約占全區土地總面積的60%，占全國草地總面積的1/4以上。內蒙古草原類型基本可以劃分為草甸草原、典型草原和荒漠草原(見圖1)。其中，草甸草原主要草類有貝加爾針茅(StipabaicalensisRoshev)、羊草(Leymuschinensis)和雜草類等；典型草原主要草類有大針茅(Stipagrandis)、克氏針茅(Krylovneedlegrass)和羊草等為主；荒漠草原主要草類為小針茅(Stipaklemenziiroshev)、沙生針茅(Stipaglareosa)和短花針茅(Stipabrevifloragriseb)等草類組成。

圖1 內蒙古草原空間分布

2 研究方法

2.1 數據來源及預處理

植被指數數據的來源及處理：植被指數數據為美國宇航局(NASA)最新提供的第3代歸一化植被指數數據集(GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)。數據集時間跨度為1982—2015年，時間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km。經過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強等預處理，使用軟件Matlab對1982—2015年覆蓋內蒙古草地的植被指數數據進行格式轉換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、Albers面積投影轉換等處理，形成涵蓋內蒙古草地的月度歸一化植被指數時空數據集。

降水數據的來源與處理：選用的氣象再分析資料為歐洲天氣預報中心(ECMWF)公開的全球氣候監測(ERA5)數據(http://apps.ecmwf.int/datasets/)。ERA5是迄今最強大的全球氣候監測數據集，與之前的ERA-Interim產品相比，ERA5具有更高的時空分辨率(時間分辨率為逐小時，空間分辨率高達0.125°)。本文選用ECMWF-ERA5數據集中，1982—2015年1—12月覆蓋內蒙古草地的降水數據。使用軟件Matlab對數據進行格式轉換、年度合成、圖像裁剪、Albers面積投影轉換、重采樣等處理。

草原類型數據來源與處理：草原類型數據來源于中科院植物所2000年制作的1∶1 000 000的全國植被類型數據(http://www.resdc.cn)。通過草原類型數據對內蒙古地區的草甸草原、典型草原和荒漠草原數據的提取，并對草原圖進行投影轉換、柵格化等處理，獲得投影和分辨率與遙感數據一致的數字化產品。

2.2 相關性分析

本文利用皮爾遜(Pearson)相關系數分析降水與草地歸一化植被指數的相關性。計算公式如下：

相關系數的檢驗采用t檢驗法，統計量計算公式如下：

式中：n為樣本數(n=34)。

2.3 滯后相關系數

本文利用滯后相關系數[18]分析內蒙古草地歸一化植被指數對氣候適應的滯后期，數學表達式如下：R=max{R0,R1,R2,…，Rn-1,Rn}。式中：R為滯后相關系數，n為樣本量。R0、R1、R2、…、Rn分別為歸一化植被指數與當前月、前1個月、前2個月至前推n個月的滯后系數。若R=Rn,則歸一化植被指數對該氣候因子變化適應的滯后期為n個月。本文選取1982—2015年草地生長季(4—9月)的歸一化植被指數與月降水數據，根據公式分別計算4—9月份歸一化植被指數與1—9月份降水的相關系數，選取最大值對應的前推時間作為相應的滯后期。

3 結果與分析

3.1 年內降水的變化規律

由圖2可知，年降水的變化趨勢均呈單峰型，草甸草原和典型草原7月份降水量達到最大值，草甸草原、典型草原的降水量最大值分別為118.88、92.38 mm。荒漠草原降水量8月份達到最大值，降水量為53.40 mm。草甸草原、典型草原、荒漠草原的年降水量分別為477.39、391.52、247.41 mm。

圖2 不同草原類型年內降水動態變化

3.2 草地的歸一化植被指數年內各月份的變化規律

由圖3可知，草甸草原、典型草原和荒漠草原的歸一化植被指數都呈現單峰變化規律，草甸草原、典型草原和荒漠草原的年均歸一化植被指數分別為0.33、0.23、0.14。草甸草原4月初開始逐漸返青，歸一化植被指數持續增長，直到7月底到8月初歸一化植被指數值達到最大。9月份牧草開始枯黃,歸一化植被指數下降。典型草原的歸一化植被指數值介于草甸草原與荒漠草原之間，牧草生長規律與草甸草原基本一致。荒漠草原由于受自然條件和降水的影響，生長季5—9月份，歸一化植被指數值變化不顯著，但也表現出季節性的變化規律。

圖3 內蒙古地區不同草地NDVI年內動態變化

3.3 整個草原對降水滯后時間及其空間分布

由表1、表2可知，9月份NDVI與1—9月份的降水相關性最高的是7月份，平均相關系數為0.413，與降水顯著相關的草原面積占整個草原面積的52.49%，說明9月份草原植被生長對降水的滯后時間為2個月左右。由圖4可知，與降水顯著相關的空間分布主要集中在錫林郭勒盟的北部地區、呼倫貝爾的東部地區、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區等地區。

圖4 9月份NDVI與1—9月份降水相關關系分布

表1 草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水的相關性

表2 草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水相關的草原面積占草原總面積的比例

8月份NDVI與1—8月份的降水相關性最高的月份是7月份，平均相關系數高達0.444，與降水顯著相關的區域占整個草原面積的60.77%，8月份草原植被生長對降水的滯后時間為1個月左右。由圖5可知，與降水顯著相關的空間分布主要位于整個錫林郭勒盟、呼倫貝爾的東部地區、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區以及鄂爾多斯的鄂托克旗、杭錦旗等地區。

圖5 8月份NDVI與1—8月份降水相關關系分布

7月份NDVI與1—7月份的降水相關性最高的月份是6月份，平均相關系數高達0.443，與降水顯著相關的區域占整個草原面積的68.45%，7月份草原植被生長對降水的滯后時間1個月左右。由圖6可知，與降水顯著相關的空間分布主要集中在整個錫林郭勒盟、通遼和赤峰的北部地區、呼倫貝爾的東部地區、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區，以及鄂爾多斯市的鄂托克前旗、鄂托克旗、杭錦旗、東勝、達拉特旗等地區。

圖6 7月份NDVI與1—7月份降水相關關系分布

6月份NDVI與1—6月份的降水相關性最高的是5月份，平均相關系數為0.427，與降水顯著相關的區域占整個草原面積的68.45%，6月份草原植被生長對降水的滯后時間在1個月左右。由圖7可知，與5月份降水顯著相關的區域主要是錫林郭勒盟的北部地區、呼倫貝爾的東部地區、烏蘭察布的四子王旗、包頭和巴彥淖爾盟的北部地區等地區。

圖7 6月份NDVI與1—6月份降水相關關系分布

5月份NDVI與1—5月份的降水相關性最高的是4月份，平均相關系數是0.385，5月份草原植被生長對降水的滯后時間也是1個月左右。由圖8可知，與4月份降水顯著相關的區域主要是錫林郭勒盟的北部地區、烏蘭察布的四子王旗、包頭以及鄂爾多斯的鄂托克旗、杭錦旗等地區。

圖8 5月份NDVI與1—5月份降水相關關系分布

4月份NDVI與1—4月份的降水沒有明顯的相關性，且平均相關系數為負，4月份正好是牧草返青季，由此可見降水并不是牧草返青的關鍵氣候因子，導致4月份牧草的生長受其它因子控制(如溫度)。由圖9可知，與1—4月份降顯著相關區域主要集中在呼倫貝爾市的東部、呼和浩特市包頭等地區。

由此可知，整個草原對降水滯后時間約為1～2個月，通過P<0.05顯著相關的面積占整個草原面積的一半以上，可知，空間上主要分布在錫林郭勒盟、呼倫貝爾東部、巴彥淖爾和烏蘭察布北部以及包頭等草原地區。

3.4 不同類型草原植被對降水適應的滯后性差異

由表3～8可知，草甸草原、典型草原9月份NDVI與7月份的降水顯著相關性最高，降水滯后時間為2個月。而荒漠草原9月份NDVI與8月份的降水顯著相關性最高，降水滯后時間為1個月。降水和滯后月份草原NDVI相關系數和面積的比例由大到小的順序為：荒漠草原、典型草原、草甸草原。這個結論與降水量大小的順序相反，也是牧草對降水的需求程度的客觀反映。草甸草原、典型草原和荒漠草原8月份的NDVI與7月份的降水顯著相關性最高，對降水滯后時間為1個月左右；降水和NDVI相關系數和面積占比由大到小的順序為：荒漠草原、草甸草原、典型草原。各類型草原7月份NDVI與6月份的降水顯著相關性最高，對降水滯后時間1個月左右；各類型草原7月份NDVI與6月份的降水的相關系數和面積占比也是所有月份最高；荒漠草原相關系數高達0.513，面積占比達到了整個荒漠草原的93.00%，說明了6月份降水對牧草生長的重要性；降水和NDVI相關系數和面積占比由大到小的順序為：荒漠草原、典型草原、草甸草原。各種草原類型5-6月份NDVI與前一月的降水相關系數和面積占比均最大，對降水的滯后時間也是1個月；降水和NDVI相關系數和面積占比由大到小的順序為：荒漠草原、典型草原、草甸草原。草甸草原和典型草原4月份NDVI與1～4月份的降水相關關系值都為負，沒有明顯的滯后性。

表5 典型草原生長季(4—9月)NDVI與1—9月份降水的相關性

表6 典型草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水相關的草原面積占草原總面積的比例

表7 荒漠草原生長季(4—9月)NDVI與1—9月降水的相關性

表8 荒漠草原生長季(4—9月)的NDVI與1—9月份降水相關的草原面積占草原總面積的比例

4 結論與討論

本文利用1982—015年的植被指數和降水數據，對內蒙古地區的草甸草原、典型草原和荒漠草原等3種草原的NDVI的降水滯后性進行分析，主要結論為：(1)草甸草原、典型草原、荒漠草原NDVI和年內降水變化都呈現單峰型，NDVI值和年降水量從大到小排列順序為草甸草原、典型草原、荒漠草原；(2)生長季草原植被的NDVI與降水存在顯著的相關性，不同的月份滯后時間上也略有不同。9月份草原植被生長對降水的滯后時間為2個月，5—8月份草原植被生長對降水的滯后時間為1個月左右，4月份草原植被生長對降水滯后性不明顯，6—7月份的降水對草原植被的生長最為關鍵。(3)滯后月份降水和NDVI相關系數和面積占比由大到小的順序為：荒漠草原、典型草原、草甸草原，這個結論與降水量排序正好相反，也是草地對降水需求程度的客觀反映。

總體看，植被在生長過程中各月NDVI對降水的滯后時間不盡相同。3種草原類型滯后相關系數均是4月份為最低，然后逐漸增大，7月份達到最大值，隨后逐漸降低。這個規律與草原植被的生長規律基本一致，4—5月份草原植被處于返青期，植被剛開始生長，滯后相關系數也比較小；隨著植被不斷生長，對降水的需求也越來越大，滯后相關關系也逐漸增大，在最大降水7月份，相關系數達到了最大值；到9月份草原植被生長處于停滯狀態，植被開始枯黃，相關系數也開始下降。

草原植被NDVI對降水適應存在一定的滯后效應，有關學者們從年度、季度、月度等不同時間尺度進行了研究。陳效逑等[25]發現降水是影響內蒙古典型草原植被覆蓋度年際變化的主要氣候因子，且滯后時間約15 d，同期氣溫對草原植被覆蓋度年際變化的影響不大；李曉兵等[26]認為內蒙古草甸草原上一年冬天、春天的降水對NDVI的生長有重要的作用，典型草原、荒漠草原的降水對當年植被生長的影響最明顯；劉成林等[12]發現錫林郭勒草原降水滯后時間50～60 d，4月份NDVI與前期降水量關系不顯著，與本文結論基本一致。張清雨等[27]以群落取樣的方式研究內蒙草地NDVI對降水的滯后效應，發現草原NDVI對降水存在1～2個月的滯后時間。研究發現NDVI對降水滯后性不僅與草原類型有關，還和所處月份有關。草甸草原、典型草原9月份NDVI滯后時間為2個月，荒漠草原9月份NDVI滯后時間為1個月，出現這些現象的原因是荒漠草原8月份的降水略微高于7月份，其他草地7月份降水最高。荒漠草原地區干旱少雨，蒸發量遠大于降水量，降水對植被生長持續作用時間短，5～8月份滯后時間為1個月。4月份NDVI與當月和前期降水關系不明顯。總的來看，雖然研究結論不盡一致，但多數研究表明降水對草原NDVI滯后時間約為1～2個月。