烏蘭察布市植被葉面積指數時空變化及對氣候因子的響應

皇 彥, 宋海清, 孫小龍, 李云鵬, 胡 琦

(1.烏蘭察布市氣象局, 內蒙古 烏蘭察布 012000; 2.內蒙古自治區生態與農業氣象中心, 內蒙古 呼和浩特 010051; 3.中國農業大學 資源與環境學院, 北京 100193)

烏蘭察布市地處中國北方農牧交錯帶中部地區，在構筑北方重要生態安全屏障中具有不可替代的地位[1]。由于該地區地表物質結構脆弱、氣候干旱多風等自然原因，導致其對氣候變化極其敏感[2]，加之長期以來毀林開荒、過度放牧等人類活動的干擾，生態環境問題更加突出，給當地居民生活及經濟發展造成了極大影響，已成為中國典型的干旱、沙塵等極端天氣頻發的生態脆弱區[3]。因此，合理地開發自然資源、實現可持續利用是當前亟待解決的問題之一。研究該地區植被變化及其對氣候因子的響應，對該地資源合理分配和生態文明建設具有重要的理論指導意義。

目前，基于遙感監測的歸一化植被指數(NDVI)被廣泛應用于全球和區域尺度上植被與氣候之間的相關關系研究。但NDVI是一種譜植被指數，而非生物物理變量[4]。因此，將NDVI數據當作植被生物量的指示值進行相關研究存在一定的誤差[5]。葉面積指數(leaf area index, LAI)定義為單位地表面上的植物葉片總面積大小[6]，其作為生態系統的重要結構參數之一[7]，在植被—陸表—大氣間的物質和能量交換中發揮著重要作用，是反映全球變化的基礎氣候變量之一[8]。與NDVI相比，LAI具有更明顯的生態學意義[4]，能清楚地給出植被的結構參數和數量特征[9]，因而能更真實地反映植被動態變化[10]以及植被與氣候的相互作用[9]。傳統的地面測量難以獲取大范圍LAI數據，而遙感技術具有靈敏準確、經濟高效等優點，為植被LAI反演提供了有力的支撐[11]。Dusseux等[12]基于SPOT和Quickbird遙感影像提取LAI信息，利用LAI的時間演變特征來判別草地的實際動態變化狀況。董金芳[13]、韓思琪[10]、王力等[14]利用MOD15遙感數據分別對陜西省、黃河源和黑河流域的植被LAI時空變化及影響因素進行了分析，發現不同土地利用類型的植被變化趨勢不一致，氣候因素是導致LAI波動變化的直接原因。而張宇佳等[15]利用MOD15數據在河北省的研究發現，降水、氣溫、植被類型等因子均對LAI的變化有顯著影響，且影響程度有所不同。彭飛等[4]利用AVHRR Pathfinder衛星遙感觀測LAI資料研究了中國不同地區植被年、季節、生長季變化及與同期氣候因子的關系，結果表明受氣候的區域和季節差異影響，LAI變化存在明顯的空間異質性和季節非均一性。然而，在烏蘭察布市地區開展的類似研究并不多見，且對該地區植被的變化規律及其對氣候的響應等方面的研究不夠深入。例如，以往的研究一般采用相關統計等方法分析該地區植被變化與氣溫、降水的關系，土壤濕度作為直接影響植被生長的重要氣候因素之一，其變化特征對植被的影響卻未被考慮在內。因此，本研究利用2000—2019年7—8月哥白尼氣候變化服務項目PROBA-V LAI數據，同時結合中國區域地面氣象要素驅動數據集(CMFD)的氣溫和降水數據，內蒙古自治區氣象局提供的土壤濕度資料，探討了烏蘭察布市植被葉面積指數時空變化特征及其與氣溫、降水、土壤濕度的關系，以進一步了解氣候變化背景下該地區植被動態變化及其對氣候因子的響應程度，為該地區生態保護提供理論參考和科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

烏蘭察布市地處內蒙古自治區中部，總面積為5.45×104km2。地形自北向南由蒙古高原、烏蘭察布丘陵、陽山山脈、黃土丘陵組成。習慣上將屬于陰山山脈的大青山支脈以南部分稱為前山地區(集寧區、察哈爾右翼前旗、涼城縣、卓資縣、興和縣、豐鎮市)，溫暖多雨，以北部分稱為后山地區(商都縣、化德縣、察哈爾右翼后旗、察哈爾右翼中旗、四子王旗)，干旱多風。烏蘭察布市屬于中溫帶干旱和半干旱大陸性季風氣候，四季分明。該市年平均氣溫為2.1～5.7 ℃，年降水量為312.0～371.5 mm。該市土地利用類型主要包括草地、耕地、林地等(圖1)，草地所占面積最大。

圖1 烏蘭察布市2019年土地利用類型分布

1.2 數據來源

本文選取的2000—2019年7—8月PROBA-V LAI數據和年土地利用分類數據均來源于哥白尼氣候變化服務產品，下載網址：https:∥cds.climate.copernicus.eu/cdsapp/dataset/satellite-land-cover?tab=overview。LAI時間分辨率為10 d，空間分辨率為1 km。使用NCAR命令語言NCL編程將奇異值去除。土地利用分類數據空間分辨率為300 m，在原有分類基礎上按耕地、林地、草地等7類合并相似土地利用類型。所采用的氣溫、降水數據來源于He等人[16]發展的中國區域地面氣象要素驅動數據集(CMFD)逐月氣溫和降水，該數據集是以國際上現有的Princeton再分析資料、GLDAS資料、GEWEX-SRB輻射資料、以及TRMM降水資料為背景場，融合了中國氣象局常規氣象觀測數據制作而成，空間分辨率為0.1°。精度介于氣象觀測數據和衛星遙感數據之間，好于國際上已有再分析數據的精度。選取的0—20 cm土壤濕度數據來源于內蒙古自治區氣象局，該數據利用CMFD資料驅動改進下墊面的NCAR陸面水文模式CLM3.5獲取[17]，時間分辨率為1 d，空間分辨率為0.03°×0.03°，將逐日土壤濕度數據取平均值，得到逐月土壤濕度數據。利用雙線性插值法將LAI數據和格點氣溫、降水資料插值到與土壤濕度空間分辨率相同的網格上，然后進行空間相關性分析。

1.3 研究方法

1.3.1 均值法 烏蘭察布市植被生長旺盛階段主要集中在7—8月。因此本文選取7—8月的LAI為研究對象，采用均值法提取7—8月的LAI平均值，得到研究期間年際變化的規律特征。

(1)

1.3.2 趨勢分析法 趨勢分析法是通過對所有像元進行一元線性回歸分析，來反映空間上不同時期植被的變化趨勢[18]。利用趨勢線分析法分析烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI年際變化趨勢。其計算公式為:

(2)

式中：n為研究期的年數;i為1-n年中的第i年; LAIi為第i年的LAI值;θslope為趨勢線的斜率,θslope>0 ,說明研究期內該地區的LAI呈增加趨勢,反之呈減少趨勢。

1.3.3 變異系數法 變異系數可以反映一組數據的相對變化(波動)程度[19]。利用變異系數(Cv)表述葉面積指數變化的穩定性，Cv計算公式為：

(3)

1.3.4 相關性分析 相關系數表示兩組變量的線性相關關系[20]，利用相關系數分析LAI與同期平均氣溫、降水、土壤濕度的相關性，計算公式為：

(4)

2 結果與分析

2.1 烏蘭察布市LAI時空變化特征

2.1.1 LAI年際變化特征 由圖2可以看出，2000—2019年7—8月烏蘭察布市LAI年際變化波動性較大，整體呈上升趨勢，速度為0.01/a。LAI值介于0.29～0.93，多年平均值為0.61。具體來看，研究期間內LAI共有3個明顯上升階段，2000—2003年是第一個明顯上升階段，2004—2009年LAI波動下降；2010—2013年是第2個明顯上升階段，2013年LAI值達近20 a最大值，2014年LAI顯著下降；2015—2019年是第3個明顯上升階段，此階段LAI呈波動上升趨勢。該地區LAI之所以波動較大是因為地處生態脆弱區[2]，且植被類型以草原植被為主(圖1)，生態系統對自然環境變化和人類活動干擾特別敏感[1-2]。

2001年、2009年7—8月LAI值明顯低于線性回歸模擬值，2001年LAI值為近20 a最小值，這兩年烏蘭察布市發生了嚴重的干旱災害[21-22]。2001年春夏連旱，入春后氣溫偏高，降水特少，土壤失墑快，造成春旱，部分地區無法下種，干旱逐漸加重，5月底開始出現近50 d的高溫少雨天氣，使農作物出苗受阻；入夏后氣溫持續偏高，降水偏少且分布不均勻，日照時數多，嚴重影響了作物生長，產量難以提高[21]。2009年降水少于歷年同期，6月后連續高溫少雨，出現了嚴重的干旱[21-22]。其中四子王旗6月中旬至8月上旬總降水量為60.1 mm，比歷史同期偏少1.3倍，發生了建站以來50 a不遇的特大干旱災害[21]。

圖2 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI年際變化

2.1.2 LAI空間分布特征 2000—2019年7—8月烏蘭察布市LAI整體上呈現由東南向西北遞減的分布特征(圖3)，地域分異明顯。這一結果與烏蘭察布市生長季植被NDVI變化研究結果較為一致[1]。LAI低值區分布在四子王旗的大部分區域，尤其是四子王旗北部，LAI值集中在0.2以下，占研究區面積的21.2%。四子王旗西南部、察哈爾右翼中旗北部、察哈爾右翼后旗和商都縣大部、化德縣北部等地的LAI值主要集中在0.4～0.8，占研究區面積的25.0%。前山地區及后山地區南部的LAI值集中在0.8～1.2，占研究區面積的25.1%。LAI高值區主要零散分布在察哈爾右翼中旗南部和卓資縣、涼城縣、察哈爾右翼前旗、豐鎮市、興和縣等地，可達1.2～2.0，卓資縣西部和涼城縣北部甚至達到2.0以上，共占研究區面積的11.5%。結合圖1可知，LAI低值區荒漠分布范圍較廣，加之降水稀少、氣候干燥等因素[23]，非常不利于植物生長；而LAI高值區除草地外還分布有耕地、林地，氣候環境適宜、水熱等條件良好[23]，是全市植被覆蓋較高的地區。

圖3 烏蘭察布市2000—2019年7—8月平均LAI空間分布

2000—2019年7—8月烏蘭察布市大部分地區LAI呈增加趨勢(圖4)，變化率(slope，斜率)>0的區域約占研究區總面積的88.3%，特別是興和縣大部、豐鎮市東部、涼城縣西部、四子王旗西南部及察哈爾右翼中旗中北部等地LAI增加幅度較大，在0.03/a以上，部分區域甚至可達0.05/a以上，這些地區耕地、林地分布相對較密集(圖1)，且都通過了95%的顯著性檢驗；而化德縣、商都縣、察哈爾右翼后旗和察哈爾右翼中旗北部及四子王東北部LAI呈減少趨勢，土地利用類型以草地、裸地居多(圖1)；集寧區南部和察哈爾右翼前旗交界處LAI顯著減少，在-0.03/a以下，并通過了95%的顯著性檢驗，該區近幾年城市化、工業化進程加快[24]，致使原有植被遭到破壞。

圖4 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI年均變化率分布

將研究期分成4個階段，進一步分析每個階段內烏蘭察布市LAI空間分布趨勢。可以看出，2000—2004年7—8月烏蘭察布市LAI整體呈增加趨勢(圖5)，slope>0的區域約占總面積的99.2%，slope<0的區域只零星分布在四子王旗南部和察哈爾右翼中旗北部，說明這5 a全市植被整體生長狀況得到改善，該時段降水量和土壤體積含水量總體呈上升趨勢，均值分別為164.73 mm，0.218 m3/m3，高于20 a的平均水平，對植被生長十分有利；另一方面，2000—2004年烏蘭察布市草地面積比例較其他土地利用類型增加最多(表1)，這說明2 000以來實施的退牧還草生態工程及禁牧、休牧等措施對生態改善也起到了促進作用。

圖5 烏蘭察布市不同時期7—8月LAI年均變化率分布

2005—2009年7—8月烏蘭察布市LAI年均變化率空間分布差異顯著(圖5)，整體呈減少趨勢，slope<0的區域約占總面積的72.1%，集中分布在陰山以北的后山地區，面積大約是呈增加趨勢的2.6倍，該時段降水量和土壤體積含水量的均值(126.33 mm，0.202 m3/m3)明顯低于20 a的平均水平，平均氣溫(19.81 ℃)高于其他時段，特別是2009年出現了嚴重的干旱災害，導致受影響地區植被生長偏差[21]；除此之外，2000年以來該市城鎮用地面積占比持續增加(表1)，其對植被造成的影響也不可忽略。與前5 a相比，2010—2014年7—8月植被退化地區的LAI有所增加(圖5)，slope<0的區域面積減少了58.8%，該時段降水量和土壤體積含水量的均值(153.18 mm，0.209 m3/m3)較2005—2009年偏高，有利于植被恢復生長；但由于前期植被退化區多處于后山風蝕沙化和草原地帶，加之近年來城鎮化水平不斷提高(表1)，所以植被高度退化后在短期內難以快速完全恢復。

2015—2019年7—8月烏蘭察布市植被改善區面積進一步增加(圖5)，slope>0的區域約占該市總面積的89.1%，與2005—2009年相比，四子王旗西北部植被改善較為明顯。

表1 烏蘭察布市不同土地利用類型變化 %

通過計算2000—2019年7—8月逐個像元的變異系數，參照王雅鑫等[9]已有研究并結合烏蘭察布市實際情況，將變異系數分為7個等級，來評估烏蘭察布市植被LAI變化的穩定性。由表2可知，Cv≤0.2的區域僅占研究區總面積的0.9%，Cv≤0.3區域占研究區總面積的11.9%，Cv值主要集中在0.3～0.6之間，占研究區總面積的75.3%，整個研究區平均Cv為0.38，這表明研究期內該地區植被LAI變化穩定性較差。

表2 變異系數等級劃分

從空間分布來看(圖6)，LAI變異系數整體上呈東南低、西北高的特征，空間差異明顯。Cv≤0.2的區域僅分布在豐鎮市東南部、興和縣南部、涼城縣中北部及察哈爾右翼前旗中部，Cv值在0.2～0.4的區域主要集中分布在前山地區以及后山的察哈爾右翼中旗、商都縣、化德縣這3個地區的南部，Cv值在0.4以上的區域集中分布在后山大部分地區，其中四子王旗西北部Cv值可達0.7以上，說明該區域LAI的年際波動大，植被變化十分不穩定。結合圖5可知，Cv值較小的區域對應的年均變化率在4個階段基本保持穩定，Cv值較大的區域對應的LAI年均變化率也不穩定。

2.2 氣候因子變化特征

2000—2019年烏蘭察布市氣候呈暖濕化趨勢，氣溫和降水的高值集中在7—8月。由圖7可以看出，7—8月平均氣溫在波動中維持穩定；其中平均最高氣溫出現在2010年，為20.57 ℃，平均最低氣溫出現在2004年，為18.03 ℃；20 a平均氣溫為19.56 ℃。7—8月降水量呈波動上升趨勢，但變化幅度不大；其中降水量最多的年份出現在2018年，為255.44 mm，2009年降水量最少，為92.35 mm；20 a平均降水量為153.57 mm，變化率為1.30 mm/a。土壤濕度對氣溫和降水的變化較為敏感[25]，其作為地表水的重要組成部分，能夠直接影響植被的生長和分布[26]。2000—2019年7—8月烏蘭察布市土壤濕度亦在波動中維持穩定，土壤濕度最高值出現在2004年，與氣溫變化恰好相反，為0.235 m3/m3；土壤濕度最低值出現在2009年，與降水變化一致，為0.176 m3/m3；20 a平均土壤濕度為0.211 m3/m3。

圖6 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI變異系數空間分布

2.3 LAI對氣候因子的響應

將2000—2019年7—8月的LAI和同期的溫度、降水、土壤濕度進行相關性分析(圖8)，LAI與氣溫呈顯著負相關，R2為0.291，通過95%的顯著性檢驗；LAI與降水、土壤濕度均呈極顯著正相關，R2分別為0.655和0.736，通過了99.9%的顯著性檢驗。這說明烏蘭察布市植被生長受氣溫、降水、土壤濕度三重因素的共同作用，但土壤濕度對LAI的影響相對更強。可見，土壤濕度對該地區植被生長起到了決定性的作用。在干旱半干旱地區，土壤水分是限制植被生長和分布的關鍵因素[4,26]，持續的高溫會增加水分的蒸發，導致土壤含水量降低，從而使植被生長受限制[1]。

將LAI與氣溫、降水、土壤濕度在空間格點上進行相關性分析，對比植被受氣候因子影響的區域性差異。圖9中LAI與氣溫在絕大多區域呈負相關，在涼城縣、卓資縣、察哈爾右翼中旗西部等45.4%的區域相關系數絕對值達到0.5以上，并且通過了95%的顯著性檢驗；其他區域相關系數相對較小。圖9中LAI與降水在絕大多區域呈正相關，69.8%的區域相關系數集中在0.5～0.8，通過了95%的顯著性檢驗；在四子王旗西北部、商都縣南部及興和縣西部等少數分布較為零散的區域相關系數可達0.8以上，并且通過了99.9%的顯著性檢驗。圖9中LAI與土壤濕度的相關系數分布同降水類似，不同之處在于相關系數高達0.8及以上(通過了99.9%的顯著性檢驗)的區域占比更多，約占總面積的28.0%。

圖7 烏蘭察布市2000—2019年7—8月不同氣候因子變化 圖8 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI與各氣候因子的相關性

3 討 論

(1) 2000—2019年7—8月烏蘭察布市LAI呈波動上升趨勢，空間分布差異明顯，東南高西北低，與李建飛等[1]對烏蘭察布市NDVI變化的研究結論基本一致。陰山以北的后山大部分地區LAI上升速度較緩慢或出現下降，變異系數較大，未來需重點關注，應加大生態保護力度。將研究期分為4個階段進一步分析，發現2000—2019年烏蘭察布市葉面積變化趨勢表現為：增加→減少→增加→增加，且增加的速度小于減少的速度。LAI的增減反映了植被生態的改善及退化狀況[9-10]，因此上述可表明研究期內該地區植被生態改善的速度小于退化的速度。究其原因，一方面，生態退化區多分布于后山風蝕沙化和草原地帶，土地蓄水能力差，對降水的依賴性強，生態敏感脆弱，植被在遭受干旱災害高度退化后難以恢復[1]；另一方面，近年來烏蘭察布市城鎮化步伐持續加快，工業、制造業、建筑業等規模逐步擴大[24]，影響了區域生態的恢復和改善。

圖9 烏蘭察布市2000—2019年7—8月LAI與各氣候因子的相關系數空間分布

(2) 以往研究[1,22]大多認為降水是影響烏蘭察布市植被生長的主要氣候因子。本研究還分析了土壤濕度對LAI變化的影響，結果顯示土壤濕度對LAI的影響強于降水。這可能是因為土壤水分是植被生長所需水分的主要來源[26-27]，而降水需轉化為土壤水分才能被植物根系直接吸收利用[27]。此外，土壤水分是養分循環和能量流動的重要載體，在土壤—植被—大氣系統物質循環和能量轉化起著紐帶作用[28]。

(3) 不同地區不同植被類型其LAI對氣候因子的反映存在差異[4,10]。本研究中LAI與氣溫、降水、土壤濕度的相關系數空間分布差異不顯著，結合土地利用類型和相關系數空間分布來看，也沒有發現不同植被類型的LAI與氣候因子的相關性存在明顯差異。這是因為植被變化對氣候因子的響應是一個復雜的過程，研究結果因研究區域、時空尺度、數據來源、分析方法等因素的不同而呈現一定的差異性[29-31]。本研究選取簡單相關系數來分析LAI與氣候因子的相關性，簡單相關分析方法得到的結果并沒有忽略其他干擾因素的影響[30]，未來可采用偏相關分析等方法在不包含其他因素影響的前提下做進一步研究。另外，植被對氣候因子的響應具有滯后性，不同植被類型的滯后期也有所差別，這些都將對二者之間相關性的空間分布規律造成一定影響[31]。本研究未將植被對氣候因子響應的時滯性考慮在內，這也是今后需要進一步深入探討的內容。

4 結 論

(1) 2000—2019年7—8月烏蘭察布市的平均LAI為0.61，整體呈波動上升趨勢，速度為0.01/a。具體來看，2000—2004年、2005—2009年、2010—2014年、2015—2019年烏蘭察布市LAI變化趨勢為：增加→減少→增加→增加，增加的速度比減少的速度緩慢。

(2) 烏蘭察布市LAI空間分布差異明顯，呈東南高西北低的特征。LAI增加的區域占研究區面積的88.3%，興和縣大部、豐鎮市東部、涼城縣西部、四子王旗西南部及察哈爾右翼中旗中北部等地顯著增加，而陰山以北的后山大部分地區LAI上升速度較緩慢或出現下降。

(3) 研究期內烏蘭察布市的LAI平均變異系數為0.38，植被變化處于相對不穩定的狀態。LAI變異系數空間分布差異顯著，具有東南低西北高的特征，其中后山大部分地區的LAI變異系數普遍較大，生態相對更為脆弱。

(4) 2000—2019年7—8月烏蘭察布市氣溫和土壤濕度在波動中基本維持穩定，降水呈波動上升趨勢。LAI與氣溫呈顯著的負相關，與降水和土壤濕度呈極顯著的正相關，且與土壤濕度的相關性高于降水和氣溫，這表明土壤濕度是影響該地區植被生長的決定性因素。LAI與氣溫、降水、土壤濕度的相關系數空間分布差異不顯著，大部分區域植被LAI與氣溫呈負相關，45.4%的區域相關性顯著；與降水和土壤濕度呈顯著正相關，呈極顯著正相關的區域土壤濕度大于降水。