蒙古高原植被穩定性對陸地水儲量與氣溫和降水的響應分析

林新昊，何民華，曾桂香，史秦哲

（1.中原科技學院 土木建筑工程學院，鄭州 450008；2.交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心，廣州 510220；3.華北水利水電大學 土木與交通學院，鄭州 450000；4.西安中交環境工程有限公司，西安 710000）

0 引 言

【研究意義】近百年來全球氣候變暖，極端天氣事件表現出頻率增加、強度加劇、持續時間延長的趨勢，人類社會發展與生態環境受到顯著影響[1-2]。植被是陸地生態系統最重要的組分之一，具有連接大氣、土壤和水文等生態要素的作用，氣候變化與生態系統之間響應關系已成為全球生態變化研究熱點。蒙古高原地處歐亞大陸中部干旱半干旱氣候帶，生態環境極為脆弱，是我國北方最重要的綠色生態屏障，對全球氣候變化極為敏感[3]。監測和量化蒙古高原植被生態系統以及分析其對陸地水儲量和氣象要素變化響應的機制是至關重要的，對指導蒙古高原生態環境建設具有重要意義。

【研究進展】然而，在分析蒙古高原生態系統穩定性之前，有2 個關鍵問題需要解決。首先如何用定量的方法描述生態系統穩定性?！吧鷳B系統穩定性”是一個具有多種不同含義的概念。最常見的解釋是生態系統遭受壓力或擾動后恢復到擾動前的能力[4]。Orians 等[5]定義了穩定性的7 個不同方面：恒定性、持久性、慣性、彈性、振幅、周期穩定性和軌跡穩定性。本研究關注其中最重要的2 個性質：慣性和彈性，分別表示生態系統抵抗擾動的能力和受到擾動后恢復到之前結構或功能的能力。Webster 等[6]將上述2 個術語定義為抵抗力和恢復力，以通過氣候異常時刻植被響應的量級來量化?；謴土梢酝ㄟ^受到壓力脅迫后恢復到正常狀態所需的時間來量化。在各種研究方法中，De 等[7]提出的自相關模型可以同時計算生態系統抵抗力和恢復力，該模型考慮了標準化的短期氣候異常和植被遺留或記憶效應。因此，本文應用自回歸模型來量化植被生態系統穩定性。第二個問題是如何涵蓋蒙古高原總的植被生態系統可用性水指標（包括降水、地表徑流、土壤水分和地下水）的空間異質性和時間變異性。干旱或半干旱區降水稀少，地下水和地表徑流也是該地區生態系統重要的甚至是主要的供水來源。大量的研究已經表明植被對水分條件的響應主要依靠降水和土壤水分[8-9]。Papagiannopoulo 等[10]通過對降水和土壤水分共同作用下植被對水分條件響應進行了綜合研究，表明水分是植被變化的主要驅動力。降水是地表水的主要來源，是探討水分條件對植被綠度影響最常用的指標。然而，降水只能提供關于地表水條件的間接信息[11]。相比之下，土壤水分可以被植被直接利用，而且與植物的生理變化關系更大。然而，土壤水分大規模調查與監測仍然受到根系區土壤水分檢測準確性的制約，而來自地表模型的估計往往具有很高的不確定性[12]。衛星觀測為全球水資源動態監測提供了一種可行的方法。2002 年3 月，美國宇航局和德國航空航天中心（DLR）發射了重力恢復和氣候實驗系統（GRACE），GRACE 衛星提供了陸地總的水儲量月變化的全球估計。陸地水儲量距平（TWSA）數據反映了地表水、土壤水分、地下水、冰雪融水和生物水等垂直綜合蓄水量的變化，已廣泛應用于地下水變化、干旱對生態系統影響等水文生態研究領域[13-15]。蒙古高原地處干旱、半干旱地區，降水相對稀少，分析植被穩定性對環境變化的響應必須考慮總的可用性水指標變化，而不僅僅是降水的變化。本文利用GIMMSNDVI數據、氣溫和降水數據，同時將TWSA引入自回歸模型應用于蒙古高原植被穩定性對短期環境要素變化的響應分析?！厩腥朦c】以往對蒙古高原植被生態系統與TWSA的研究涉及較少。【擬解決的關鍵問題】因此，基于GIMMSNDVI數據，本文將氣溫、降水和陸地水儲量（TWSA）作為變量引入自回歸模型，其目標是：①研究蒙古高原植被對陸地水儲量和氣象要素變化的響應。②分析不同植被類型的生態系統恢復力和抵抗力空間分布格局以及影響因素。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

蒙古高原位于歐亞大陸腹地，主要由蒙古國和中國內蒙古自治區組成，總面積為2.74×106km2，位于87°40′—112°15′N，37°46′—53°08′E 之間。蒙古高原屬于溫帶大陸性氣候，從西向東由干旱區向半干旱區過度，因其地域廣闊，深居內陸，氣候類型復雜且多樣。年平均降水量約為200 mm，最低氣溫可達-45 ℃，最高氣溫可達35 ℃，年平均氣溫極差很大。平均海拔1 580 m，地勢自西向東逐漸降低。蒙古高原有三大生物群落：森林、草地和荒漠，其地理特殊性在于橫跨森林、草地和荒地沙漠帶，成為研究不同類型植被生態系統對環境要素響應研究的理想地帶。如圖1所示，森林主要分布在東部山區和西北部山區。受氣候、地形影響，草地植被自東向西由草甸草原、典型草原、荒漠草原過渡。草原植被類型豐富，以典型草原、草甸草原和荒漠草原植被為主，幾乎占整個地區的1/2[16]。農業植被主要分布在東部和南部平原地區。

1.2 數據源及預處理

1.2.1 GIMMSNDVI

本研究采用了2002—2015 年生長季（每年4—10 月）GIMMS（Global inventory modeling and mapping studies）AVHRR（Advanced very high resolution radiometer）NDVI數據。盡管有更高空間分辨率的成像光譜輻射儀（MODIS）歸一化植被指數產品，分辨率為1 km，本文仍然使用AVHRRNDVI3 g產品，因為其是最常用的產品數據，在捕獲植被變化時與MODISNDVI有相當的精度[17]。此數據集對云、太陽高度角、儀器視場角、氣溶膠的影響進行了校正，保證了數據質量。本研究將多年平均生長期內（4—10 月）NDVI<0.1 的像素作為非植被像素并剔除。最后使用ArcGIS 中的重采樣工具，利用Biliner 方法將NDVI數據被重新調整以匹配GRACE 的空間分辨率。

1.2.2 GRACETWSA

TWSA數據來自3 個獨立中心（噴氣推進實驗室、德克薩斯大學空間研究中心和德國研究中心）的release-5球諧產品。網格GRACE數據集可以從GRACE Tellus 網站（http://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/）免費下載。3 種產品均使用歷史均值作為基線。在生成這些數據時，對觀測到的重力場異常應用逐次濾波（包括去條紋高斯濾波和60 階濾波），以消除某些球諧系數與高階球諧系數隨機誤差之間的相關性所引起的系統誤差。在這些操作之后，GRACE 數據的分辨率（最初在300 km 左右）在全球范圍內被平滑到1°。GRACE 數據具有粗空間分辨率的缺點，本文參考Wan等[18]基于模型的降尺度方法對GRACE數據進行處理，最后得到連續的、精細的陸地水儲量時間序列數據，TWSA的空間分辨率最終被處理為0.25°。

1.2.3 土地利用覆蓋數據

本文利用MCD12Q1 土地利用數據識別蒙古高原不同的土地利用類型。數據集可以從網站（http://glef.umd.edu/data/lc/）上免費獲取。MCD12Q1土地利用類型數據定義了12 種不同的使用類別。根據研究需求，將相似的植被類型合并，整合成6 種主要類型，由此產生的土地利用類型有森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原、荒漠沙地和農田。

1.2.4 氣象站點數據

氣象數據來自2002—2015 年蒙古高原172 個站點降水和氣溫日數據，包括內蒙古自治區115 個站點和蒙古國57 個氣象站點。然后將月平均降水數據進行克里金插值，獲得整個研究區降水和氣溫柵格數據，空間分辨率為0.25°。

1.3 研究方法

1.3.1 相關分析法

本文利用Pearson 相關分析法研究蒙古高原植被NDVI與陸地水儲量和氣象要素的相關性。相關性系數R＞0，則二者呈正相關關系。R＜0，則二者呈負相關關系。R=0，則二者不存在線性相關關系。

1.3.2 自回歸模型

本次研究關注植被對短期環境變化的穩定性響應，長期趨勢和季節成分都被去除。首先，從月觀測值中減去長期月平均值，計算NDVI和環境因子的月距平值。其次，如果有異常時間序列，則從異常時間序列中減去長期線性趨勢。最后，通過z-score標準化去除非趨勢異常的季節性。自回歸模型是參照De 等[7]的方法建立的，但本文引入了TWSA，計算式為：

式中：Yt為t時刻植被NDVI；Yt-1為t-1 時刻植被NDVI；TWSAt為t時刻TWSA；PREt為t時刻降水；TAt為t時刻溫度；εt為t時刻殘差。

表1 植被穩定性度量指標的意義Table 1 Significance of vegetation stability measurement index

通過自回歸模型可以計算得到生態系統穩定性的各個度量指標α、β、γ和δ。α表示生態系統的恢復力穩定性，α絕對值越大，當前的NDVI異常值與之前的NDVI異常值有較強的相關性，生態系統的恢復力穩定性越低，表明植被恢復的越緩慢，反之亦然。β、γ和δ表示NDVI異常對TWSA、降水和氣溫的抵抗力穩定性。β、γ和δ絕對值越大，植被對環境變量變化的響應越敏感，植被抵抗力穩定性越弱，反之亦然。自回歸模型應用于蒙古高原中所有像素點可以得到表征生態系統恢復力穩定性和抵抗力穩定性的度量指標（α、β、γ和δ），去除系數不顯著的預測變量（P>0.05）。

2 結果與分析

2.1 相關性分析

圖2為蒙古高原植被NDVI與前一時期植被NDVI及其TWSA、降水和氣溫的相關性空間分布圖，圖2（a）顯示了植被NDVI與前一時期的NDVI的相關性空間分布圖，NDVI與前一時期的NDVI的相關性可以表征植被的遺留效應和記憶效應?？梢园l現，整個蒙古高原的植被生長中觀察到中度或強烈的記憶效應，R值的分布范圍為0.04～0.62之間，95%的區域通過90%的顯著性檢驗（P>0.05）。圖2（b）顯示了NDVI與TWSA的相關性空間分布圖，植被NDVI與TWSA的相關系數介于-0.21～0.61之間，植被NDVI與TWSA呈正相關的面積占總面積的75%，主要分布在蒙古高原中部典型草原和荒漠草原區域；呈負相關的面積占總面積的25%，主要分布在研究區的南部地區和西北部地區，呈現出蒙古高原外圍區域相關性低于蒙古高原內部區域的特點。對TWSA與植被NDVI的相關性系數進行了顯著性T檢驗，由圖2（b）可知，TWSA的相關系數有68%通過P<0.05水平的檢驗，顯著正相關區域主要分布在研究區的中部腹部區域的典型草原區和荒漠草原區，表明這些區域的水儲量變化會顯著影響植被生長。主要原因是此區域的植被類型主要是稀疏的灌叢和草地，降水稀少，所以植被主要利用土壤水分和地下水，TWSA對此區域的植被是至關重要的。顯著負相關區域主要分布在內蒙古地區南部和蒙古高原的西北部地區，在內蒙古地區南部這些地區自然環境惡劣，植被覆蓋率低，生態環境脆弱，加上強烈的人為擾動使此區域的地下水資源嚴重縮減，從而導致陸地水儲量急劇下降。所以這些地區TWSA與植被NDVI呈顯著負相關與人類活動有關。蒙古高原的西北部地區地勢較高，地勢的起伏成為影響TWSA與植被NDVI相關性的主要因素。圖2（c）為NDVI與降水和氣溫的相關性空間分布圖，由圖2（c）、圖2（d）可以發現，植被NDVI與降水的相關系數介于0.26～0.86之間，植被NDVI與溫度的相關系數介于0.25～0.94之間。降水和氣溫對整個區域的植被生長影響比較廣泛，降水和氣溫的變化會顯著影響研究區植被生長。

圖2 蒙古高原生長季NDVI 與前一時期的NDVI、TWSA、降水和氣溫相關性的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in growth season and NDVI, TWSA, precipitation and temperature in the previous period on Mongolian Plateau

2.2 蒙古高原生態系統穩定性的空間分布

圖3 為蒙古高原生長季植被恢復力穩定性和抵抗力穩定性的空間分布圖（圖中不顯著區域（P>0.05）的植被像素用灰色表示），圖3（a）顯示了植被的恢復力穩定性的空間分布，植被幾乎在整個蒙古高原顯示出強烈的恢復力穩定性，幾乎所有類型植被像素都顯示出較強的恢復力穩定性，其中恢復力穩定性較強的區域分布在蒙古高原東北部、北部以及內蒙古中部。圖3（b）顯示了對TWSA抵抗力穩定性空間分布，研究區大多數區域都表現出對TWSA抵抗力穩定性不顯著，僅有33.1%的植被像素表現出對TWSA顯著的抵抗力穩定性，植被抵抗力穩定性顯著區域主要分布在蒙古高原中部、東部以及西北部的典型草原和荒漠草原區。圖3（c）顯示了對降水抵抗力穩定性空間分布，蒙古高原東北部大興安嶺森林區對降水的抵抗力穩定性指標值最小，此區域植被對降水的變化具有較強的抵抗力穩定性。圖3（d）顯示了對氣溫抵抗力穩定性空間分布，蒙古高原東北部大興安嶺森林區對降水的抵抗力穩定性指標值最大，此區域植被對氣溫的變化具有較弱的抵抗力穩定性。而在蒙古高原中部的荒漠草原區對降水的抵抗力穩定性指標值最小，此區域植被對氣溫的變化具有較強的抵抗力穩定性。

圖3 蒙古高原生長季α、β、γ 和δ 的空間分布Fig.3 Mongolian Plateau growth season spatial distribution of α, β, γ and δ

圖4 為蒙古高原生長季不同植被類型的恢復力穩定性和抵抗力穩定性統計。森林和草甸草原區表現出較強的恢復力穩定性（圖4（a））。除荒漠草原外，其他植被類型都表現出較強的對TWSA的抵抗力穩定性（圖4（b））。森林和草甸草原區表現出較強的對降水的抵抗力穩定性（圖4（c））。荒漠草原和典型草原區表現出較強的對溫度的抵抗力穩定性（圖4（d））。

圖4 蒙古高原生長季不同類型植被的恢復力穩定性和抵抗力穩定性統計Fig.4 Statistical chart of resilience stability and resistance stability of different types of vegetation in the growth season of Mongolian Plateau

2.3 生態系統穩定性的影響因素分析

圖5 為蒙古高原平均生長期植被NDVI、TWSA與恢復力穩定性指標、抵抗力穩定性指標的回歸分析（圖中藍色曲線表示所有土地覆蓋數據的回歸線），植被恢復力指標在植被稀疏地區較高，隨著平均生長期NDVI的增加呈冪函數遞減（R2=0.587，圖5（a））。植被恢復力指標與平均生長季TWSA沒有發現顯著相關性（圖5（b））。植被稀疏地區植被抵抗力穩定性指標較高，隨著平均生長期NDVI的增加呈冪函數遞減（R2=0.223，圖5（c））。植被抵抗力指標與平均生長季的TWSA沒有顯著相關性（圖5（d））。

圖5 蒙古高原平均生長期NDVI、TWSA 與恢復力穩定性指標、抵抗力穩定性指標的相關性Fig.5 The correlation between the average growth period NDVI, TWSA and the resilience stability index and the resistance stability index on the Mongolian Plateau

3 討 論

本文基于NDVI和TWSA遙感數據以及氣溫和降水數據研究蒙古高原植被穩定性對TWSA和氣溫降水變化的響應，對植被NDVI與水熱條件響應研究進行補充，旨在提高對大尺度植被生態系統對環境要素響應的理解。之前關于蒙古高原植被與環境要素之間響應關系的研究多集中于氣溫和降水[19-22]，對TWSA研究較少，沒有考慮到其他可用水指標的影響，這可能會在半干旱和干旱生態系統估計中產生偏差。陸地水儲量可以為植被的生長和發育提供良好的水分和能量來源，對植被生理變化的許多過程及反饋都有著顯著的影響，尤其在干旱半干旱地區。在分析旱地植被生長時非直接降水源具有重要作用，干旱半干旱地區降雨稀少，維持植被生長的水源主要來自土壤水、地下水和冰雪融水，這些非直接降水源對植被的生長是至關重要的[23]。研究表明，在蒙古高原的部分地區，植被NDVI對TWSA的敏感性高于對降水的敏感性。研究結果證實了TWSA作為研究植被綠度對水文響應指標的基本可行性。氣溫和降水對植被生態系統影響更為廣泛，而在某些特定的區域TWSA提供了更直接的信息，可以更好地解釋植被的變化，是研究植被變化對陸地水分狀況影響的理想指標，有助于提高對局部地區植被對可用水指標響應機制以及碳循環的認識[24]。然而，本研究僅對TWSA與生長季植被NDVI關系進行了初步研究，還需要對一些特定領域進行更深入的研究。

由于恢復力是衡量生態系統恢復到其正常狀態的能力，因此，生態系統從受干擾到恢復之前狀態的恢復能力成為植被恢復力空間格局的決定因素。在降水較多的地區，土壤水分在較短時間內被補充的概率較大，生態系統植被恢復能力較強。對于炎熱干燥地區，高溫會抑制植被生長，導致這些地區的植被恢復力普遍較低。TWSA反映了土地中存儲的所有類型的水，因此TWSA中的異常變化可能來自總的水儲量中的任何組分（如地表水、土壤水和地下水），但是不能很好地反映以降水為特征的短期補水速率的空間變化。不同的根系特征也決定了不同的水分利用策略，這可以有效解釋灌叢與草地和農田相比對降水敏感性的不同[25]。地下水的缺乏會影響根系比較大的植被卻對短根植物沒有影響。草本植物的根系較淺，因此，其對降水更敏感，甚至對半干旱或干旱地區嚴重干旱后的小型再潤濕事件也更敏感，這與Bai 等[19]研究一致，中亞地區干旱半干旱地區也出現了同樣的結果。

本文研究結果為研究存在大規模人類活動干擾的蒙古高原地區植被與水關系提供了新的視角。大規模穩定性度量可以支持生態管理。一方面，由于水儲量對植被生長非常重要，所以水儲量的變化可以預示未來此區域植被的狀態。蒙古高原大部分區域的TWSA均呈下降趨勢[14]，表明該地區存在植被退化的威脅。監測和分析水儲量變化的驅動因素以及提前預防這種狀況對研究區生態系統保護是至關重要的?？紤]到陸地水儲量在蒙古高原特定區域對植被生長具有重要作用，減少當地的水消耗對于防止干旱和半干旱生態系統走向不可逆狀態并實現其可持續發展具有重要意義。其中，農業（特別是灌溉農業）高度依賴人類對水、能量和養分的投入，可顯著改變水可用性的空間格局。從這個角度看，在干旱半干旱地區發展灌溉農業應高度謹慎，改變傳統灌溉方式以及提高水資源利用率可能緩解水分脅迫后的自然生態系統。另一方面，植被穩定性的制圖可以識別出高度脆弱的區域（圖3），有助于識別和標記這些熱點區域，為管理決策提供基礎數據。本文利用自回歸模型，在明確考慮短期水儲量異常的情況下，量化植被的抵抗力和恢復力指標。該方法有助于識別短期水儲量和氣溫降水異常引起的生態系統脆弱區域，從而為植被生態系統管理和決策服務，并能更好地了解影響植被生態系統變化的環境因素。

4 結 論

1）2002—2015 年蒙古高原生長季植被NDVI與TWSA的相關系數介于-0.21～0.61 之間，呈正相關的面積占總面積的75%，主要分布在蒙古高原的中部典型草原區和荒漠草原區；呈負相關的面積占總面積的25%，主要分布在研究區的南部地區和西北部地區。TWSA的相關系數有61%通過P<0.05 水平的檢驗，顯著相關區域主要分布在研究區腹部的典型草原和荒漠草原區域。

2）2002—2015 年蒙古高原99.2%的植被像素顯示出強烈的恢復力穩定性，而35.1%的植被像素表現出對TWSA顯著的抵抗力穩定性，植被抵抗力穩定性顯著區域主要分布在典型草原和荒漠草原；林地、草甸草原和典型草原都表現出較強的恢復力穩定性。

3）植被恢復力指標在植被稀疏地區較高，隨著生長期NDVI的增加呈冪函數遞減。植被稀疏地區植被抵抗力穩定性指標較高，隨著生長期NDVI的增加呈冪函數遞減。蒙古高原東北部大興安嶺森林區對降水的變化具有較強的抵抗力穩定性，蒙古高原中部的荒漠草原區對氣溫具有較強的抵抗力穩定性。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）