渾善達克沙地植被葉面積指數時空動態變化及驅動因素分析

［摘要］葉面積指數代表生態系統的能量與活動性，一定程度上反映生態系統的健康狀況。本文通過對渾善達克沙地植被葉面積指數長時間序列的時空動態變化特征研究及其變化的驅動因素分析，結果表明總體上渾善達克沙地植被葉面積指數在空間上呈現出東部高、西部低的分布特征，東南地區LAI較高，植被改善的區域也主要集中在渾善達克東南部，西部地區植被改善不明顯，年平均LAI呈現波動性上升趨勢，地下水埋深、可用水量對葉面積指數影響較大，其次為土壤類型和土壤有機質，水資源狀況與土壤特征的交互作用對于葉面積指數的影響增強，說明未來渾善達克沙地生態保護與修復應更加注重水資源保護與合理利用和對土壤資源的保護。

［關鍵詞］渾善達克沙地；葉面積指數；時空動態變化；影響因素；地理探測器

葉面積指數（Leaf Area Index，簡稱LAI）是表示植被利用光能狀況和冠層結構的綜合指標，指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數，通常被定義為單位面積地表上葉片總面積的比例，與植被的密度、結構、樹木的生物學特性和環境條件有關[1]，是植被冠層物質與能量交換的定量描述，反映生態系統的生產和新陳代謝能力，代表生態系統的能量與活動性，在生態系統健康評估中發揮重要意義。

渾善達克沙地是內蒙古四大沙地之一，位于我國四大草原錫林郭勒草原腹地。歷史上該區域水草豐美，是重要的畜牧業生產基地[2]。由于區域人口不斷增加，特別是多年來超載放牧、不合理開采利用水、土、礦等自然資源，生態系統遭到極大破壞，土地沙化、荒漠化問題逐漸凸顯[3]。同時，該區域位于京津風沙源重點地帶，是全國25個重點生態功能區之一，也是內蒙古牢記“國之大者”，要堅決打贏的“三大標志性戰役”主戰場，渾善達克沙地生態系統健康與否直接影響著“京津冀”乃至全國的生態安全[4]。

本文借助于地理信息系統空間分析方法[5]，對2000～2020年渾善達克沙地植被葉面積指數進行空間可視化，分析研究植被葉面積指數時空動態變化特征及主要影響因素，為未來渾善達克沙地生態保護修復方向和措施提供科學參考。

1 研究區概況

渾善達克沙地位于內蒙古錫林郭勒盟南部，面積3.2×104 km2，與首都北京直線距離為180 km，東西長約470 km，南北寬約10～100 km，行政區劃涉及錫林郭勒盟和赤峰市2個盟市、9個旗縣[6]。

過去幾十年里該地區由于氣候變化、過度放牧和農田開墾等，土地沙漠化嚴重，該區域生態系統狀況不僅關系到本地生態安全及居民福祉，同時也關系到京津冀乃至全國更廣大區域的生態安全和經濟社會發展。為改善生態環境，內蒙古認真貫徹落實國家政策部署，先后在渾善達克沙地實施了“三北防護林”“退耕還林還草工程”“京津風沙源治理工程”和“圍封禁牧”等生態保護修復工程[7]。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究中渾善達克沙地多期植被葉面積指數數據使用MODIS LAI產品，產品時間分辨率為8天，空間分辨率為250 m。多年降水數據來自中國氣象數據共享服務網，借助ArcGIS10.8 插值獲取年均降水量的空間分布。蒸散發數據來源于MODIS下載網站。土壤質地數據來自世界土壤數據庫。地下水數據來源于收集水利部門在研究區周邊110個長期監測井地下水水位計算埋深數據進行空間化處理。

2.2 植被調查

參照群落調查相關技術規范，采用空間代替時間序列的方法，結合遙感影像資料，2021年7～9月對渾善達克沙地范圍內不同沙地類型植被進行野外驗證調查，本著盡可能涵蓋沙地不同放牧干擾強度、植被類型、氣候與土壤條件等因素的原則確定31個調查點位，分別在流動沙地、半固定沙地、固定沙地、草地、林地等不同生境進行樣地布設。記錄的樣方信息包括樣方的經度、緯度、海拔、坡度、生境類型、土壤類型、典型植被。草本植物樣方大小為1 m×1 m，記錄樣方內植物名稱、植物數量、植物蓋度、植物高度；灌木樣方大小5 m×5 m，記錄樣方內植物冠幅、高度、個體數；喬木樣方大小10 m×10 m，記錄樣方內樹種個體數、樹高、胸徑、冠幅、枝下高。同時利用GPS，記錄外業樣方布設航跡及各樣方經緯度坐標和海拔。

根據遙感數據解譯分析、“三調”成果及野外實地調研驗證，對每一種植被類型及分布展開調查，共包括17個一級類，49個二級類，總面積31686.11km2。

2.3 主要研究方法

植被、土壤和地下水特性是沙地景觀生態應對氣候變化和人類活動的直觀反映，干旱半干旱地區植被、土壤和可用水對全球變化更敏感，因此本文采用研究區沙地植被、土壤、地下水和可用水數據作為對LAI變化驅動因素進行分析，基于遙感產品和野外實地調研，分析渾善達克沙地植被、土壤和可用水時空特征，并采用地理探測器分析主要驅動因素及影響特征。可用水采用水量平衡法進行計算，因沙地土壤下滲能力強，徑流量較小，可忽略不計，因此采用降水量與蒸散發的差值來表示可用水資源量。

本文采用地理探測器分析渾善達克沙地植被葉面積指數時空動態變化的驅動因素。地理探測器是由中國科學院地理科學與資源研究所王勁峰研究員團隊在《Geographical Detectors-Based Health Risk Assessmentand its Application in the Neural Tube Defects Study of the Heshun Region， China》一文中首次提出的，解決了中國山西省和順縣新生兒神經管畸形的地理環境影響發病因子分析，為環境健康研究提供了新方法[8]。目前，地理探測器已成為主流地理分析模型，被廣泛應用于環境影響因子分析、植被變化驅動力分析等領域。同時地理探測器可以判斷兩因子是否存在交互作用，以及交互作用的強弱、方向、線性還是非線性關系等。

3 研究結果與分析

3.1 LAI 時空動態變化

2000～2020年渾善達克沙地植被LAI時空動態變化空間分析顯示，渾善達克沙地植被LAI總體上呈現“東高西低”的分布特征，其中多倫縣、克什克騰旗、正鑲白旗、錫林浩特市等地區LAI較高，蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、鑲黃旗和阿巴嘎旗等地區LAI較低。同時，隨著時間的推移，LAI呈現出波動性增加的變化趨勢，LAI植被改善的區域主要集中在渾善達克東南部，西部地區植被改善不明顯。

通過繪制渾善達克沙地2000～2020年平均LAI直方圖（圖1）分析表明，分別在2003、2006、2013年達到一定的峰值，并在2013年達到最大值，在2001、2005、2010、2017年達到相對谷值，并在2010年達到最低值，即在2000～2017年LAI值的波動性較大，而在2018～2020年的時段內，年平均LAI值處于高位平衡狀態，總體來看，從2000～2020年，渾善達克沙地年平均LAI呈現波動性上升趨勢，說明渾善達克沙地的植被狀況呈現總體好轉的現象，生態修復工程取得了一定的效果。

3.2 LAI 動態變化的影響因素識別

通過地理探測器對葉面積指數驅動因子的貢獻率進行計算，解釋度越大則表示該影響因子是影響葉面積指數的主要因素，如表1所示。從葉面積指數驅動因子的解釋度結果來看，主導因子為地下水埋深和可用水量，解釋度分別為0.496和0.391。從解釋度的排序結果來看：地下水埋深（0.496）gt;可利用水量（0.391）gt;土壤質地（0.337）gt;土壤有機碳（0.070）gt;植被類型（0.054），從評價結果來看，地下水埋深是影響葉面積指數空間分布最主要的因素，其次是可用水量和土壤質地。

交互探測可以用于識別兩因子之間的交互作用，即評估因子間共同作用時是否會增加或減弱對因變量的解釋力，或者這些因子是否相互獨立。因子間的交互作用類型共有五類：非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強、獨立和非線性增強。根據驅動因子交互探測結果（圖2），植被類型X1、土壤質地型X2、土壤有機碳X3、地下水埋深X4和可利用水量X5對于葉面積指數影響多存在雙因子增強現象，即兩因素相互作用時會增強對葉面積指數的解釋力，土壤質地與地下水埋深和可利用水的交互作用強度較大，其次是土壤有機碳與地下水埋深和可利用水的相互作用強度。

4 討論

（1）渾善達克沙地植被LAI總體呈現增加的趨勢，這與多年來該區域實施的生態保護與修復工程密切相關，但由于區域年度降水量、蒸散發、地下水等水約束條件和人類活動的不穩定動態變化特征，導致LAI時間上呈現波動性變化特征。

（2）水資源約束是影響渾善達克沙地植被LAI狀況的主要因素，首先是地下水埋深，其次是可用水和土壤質地特征。因此保護和恢復地下水是未來該區域生態保護與修復的重點策略方向。

（3）該區域植被類型多年來未發生較大變化，植被類型對LAI的影響較小，因此未來在恢復植被類型方面應尊重自然、順應自然規律，選擇當地鄉土植物種，避免引入外來物種和其他高耗水草種、樹種。

（4）水資源條件與土壤特征的交互作用對渾善達克沙地植被LAI影響增強，表明未來該區域生態保護與修復工程中，在保護水資源的同時還要注意保護土壤資源，避免人類活動或工程活動對當地土壤條件的影響和破壞。

[參考文獻]

［1］唐欲然，鄭文武，龍岳紅.2001～2019 年湖南省葉面積指數時空變化動態研究［J］. 測繪與空間地理信息，2024，47（4）：69-76.

［2］馬永桃，任孝宗，胡慧芳，等. 基于地理探測器的渾善達克沙地植被變化定量歸因［J］. 中國沙漠，2021，41（4）：195-204.

［3］齊丹卉，楊洪曉，盧琦，等. 渾善達克沙地植物群落主要類型與特征［J］. 中國沙漠，2021，41（4）：23-33.

［4］馮學武，吳國璽，王鐵軍，等. 渾善達克沙地沙質荒漠化過程與動態評估［J］. 干旱區資源與環境，2020，34（5）：109-116.

［5］王利，武慧琳，徐甫. 植被葉面積指數遙感反演研究現狀與展望［J］. 測繪標準化.2024，40（01）：29-36.

［6］鄧騰林，宋一凡，王明新，等. 渾善達克沙地―化植被指數動態變化及其對標準化降水蒸散發指數的時空關系［J］. 中國水利水電科學研究院學報.2022，20（03）：221-230.

［7］同麗嘎，寧小莉，張靖，等. 近30ɑ 渾善達克沙地沙漠化時空演變特征及驅動機制研究［J］. 干旱區地理.2021，44（04）：992-1002.

［8］Batelaan O，De Smedt F，Triest L. Regional groundwater discharge：phreatophyte mapping，groundwater modelling and impact analysis of land-use change［J］. Journal of Hydrology，2003，275（1-2）：86-108.