内蒙古中部荒漠草原INDV时空变化及其对气候的响应特征

张燕飞，梁文涛，韩振华，焦 瑞，廖梓龙

(水利部 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

牧区草原既是边疆地区、少数民族聚居区，也是我国绿色生态屏障．草原生态保护事关牧区居民生活环境改善和国家生态安全，在全国经济社会发展大局中具有重要战略地位．草原生态环境的改变，最直接的表现就是地表植被覆盖度的时空变化．由于含叶绿素植物与裸地、水体等的光谱反射特征不同，因此可以利用归一化差值植被指数(Normalized difference vegetation index，INDV，即遥感影像中近红外波段和红波段的差值与近红外波段和红波段和的比值)与植被分布密度的正相关性，对植被分布与生长情况进行大范围、长时间的监测与评价[1-2]．近些年关于内蒙古草原INDV的研究大多集中在锡林郭勒草原和呼伦贝尔草原等，且研究时间范围以2010年以前的遥感或者实测资料为主[3-8]，关于2010年以后内蒙古中部生态脆弱荒漠草原区的INDV研究较少[9-10]．

20世纪80年代开始，由于牧业生产经营方式的改变和人口、牲畜数量的急剧增加，草场过度放牧严重，加剧了内蒙古草原退化、荒漠化甚至沙化．近年来，虽然各级政府出台了一系列政策以应对草场退化，但由于全球和区域气候变化加剧，土壤风蚀严重以及牧区畜牧业进一步发展[11-12]，草原生态环境持续恶化压力较大，特别是生态脆弱的荒漠草原区的形势尤为严峻．

文中利用5年的INDV数据(2011—2015年)，通过分析内蒙古中部荒漠草原区植被覆盖情况的时空变化特征以及荒漠草原区INDV与气候因子的响应关系，揭示在全球气候变化和内蒙古农牧业不断发展的背景下，荒漠草原生态环境现状及面临的压力，为今后草原生态环境监测和治理提供依据．

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区中部地区，阴山北麓，北邻蒙古国东戈壁省，地理坐标为41°～43°N，109°～112°E，面积约5.5万km2，主要包括包头市达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)、白云鄂博矿区全境和乌兰察布市四子王旗的大部分地区等(图1)．达茂旗及其北侧的蒙古国东戈壁省(赛音山达市)在2005—2016年的年平均降水量仅分别为248.75 mm和183.51 mm，而年平均蒸发量高于2 526.40 mm．研究区全年干燥、少雨，生态环境极为脆弱，是蒙古高原荒漠草原的重要组成部分．研究区地形南高北低， 南部大青山最高海拔约2 330 m，而北部较为平坦，属于低山丘陵类型，海拔约1 100 m，局部可达约1 350 m(图1)．研究区内土壤以栗钙土和草甸土为主，草场主要群落为“克氏针茅+羊草+冷蒿”．研究区植被返青时间与春季降水等气候因素相关，一般为每年的4—5月．受降水等气象因子影响，研究区2003—2010年草地植被覆盖情况总体较差，特别是在2005年和2006年达到了历史较低水平，2009年和2010年虽然有所改善，但依然不容乐观．

图1 研究区地理位置及INDV时空变化分布

2 数据来源

采用2016年9月修正的第三代GIMMSINDV3g.v1数据(Global inventory modeling and mapping studies)，该数据根据NOAA(National oceanic and atmospheric administration)7,9,11,14～19上AVHRR(Advanced very high resolution radiometer)的扫描成果合成，时间分辨率为15 d，覆盖范围目前已经由1981年延伸至2015年12月，空间分辨率提升至8 km，引入了经验模态分解法处理由于太阳天顶角变化以及卫星轨道偏移等引起的INDV差异[13]；GIMMSINDV校准参数利用贝叶斯算法和高精度的SeaWiFSINDV(Sea-viewing wide field-of-view sensor)确定，INDV的不确定度为±0.005，而且更适合北半球植被活动的监测和研究[14].

文中最为关注的是2010年以来内蒙古中部荒漠草原区的INDV变化规律，所以仅对2011—2015年5—9月的GIMMSINDV进行分析．气象数据采用的是内蒙古达茂旗百灵庙镇和蒙古国东戈壁省赛音山达市区气象站的相关资料．由于研究区面积较大，而且GIMMSINDV的时间尺度为每月2次，研究区2011—2015年5—9月的INDV共涉及的数据集有50个．如果将每个数据集都绘制成INDV栅格图，虽然保持了原有的时间和空间分辨率，但是大量栅格图像不利于直观且定量分析研究区INDV的时空变化规律．为了解决这一问题，文中将研究区划分为9个子区(1～9区，图1)，然后计算每个子区每月上半月和下半月的INDV平均值，即减小空间分辨率而保证时间分辨率不变，最后根据各子区之间的相对位置关系，绘制如图1所示的折线图.

3 数据分析与讨论

3.1 INDV时空变化规律

研究区不同时期的INDV都表现出由西向东、由北向南逐渐增大的趋势(图1)．2012年和2013年研究区内的INDV好于其他年份，特别是2012年8月上半月的平均INDV为0.31，达到2011—2015年INDV的最大值(图1)．值得注意的是，研究区南部2012年与其他年份INDV的差距明显小于研究区北部，这可能与南部地区受农田灌溉等人类活动的影响强于北部地区相关.

从5—9月INDV变化趋势来看，研究区北部2011,2014和2015年各月的INDV较低且较为接近，而南部不同月的INDV波动明显较大．例如，除2012年以外，研究区北部(1～3区)5—9月的INDV波动幅度小于0.05，而南部INDV波动幅度超过0.1． 除2012年以外， 研究区北部(1～3区)的INDV大多在7月附近出现最小值，而在5月下半月和7月末至8月初则出现年内最大值；在南部(7～9区)，INDV大多在5月上半月出现最小值，在8月上半月出现最大值；而中部(4～6区)的INDV变化趋势则介于南、北部之间，5月至7月上半月INDV平均值波动不大，7月下半月INDV平均值出现不同程度的增加，到8月上半月左右INDV平均值达到最大.

3.2 INDV对降水时空变化的响应

3.2.1 降水时间变化与INDV的响应关系 2011—2015年，2012年的年降水总量最大(270.3 mm)，2012年5,6月降水量占年降水总量的比例分别为11.7%和30.2%，而其他年份这一比例仅为0.8%～9.0%和13.9%～24.1%．2012年7—9月降水量以及降水量占全年降水量的比值与其他年份接近甚至偏低(表1)．从INDV的统计情况来看(图2)，2012年5月INDV的下四分位数Q1低于多数其他年份，中位数Q2与其他年份基本一致，上四分位数Q3则略高于其他年份．这表明，在7—9月降水量与历史同期降水量相比变化不大的情况下，5—6月降水量的增加， 能够极大地提升夏季植被覆盖度，进而明显拉升全年的INDV平均值．进一步分析表明，2012年5月近66.7%的降水集中在上半月，虽然2012年5月上半月INDV的四分位数与其他年份接近或者偏低，但是2012年5月下半月至9月的INDV的四分位数明显高于其他年份，这说明在5月初INDV相近的情况下，5月上半月降水量增加，5月下半月开始研究区内的INDV就会有明显提升.

图2 2011—2015年研究区INDV箱型图

年份5月达茂赛音6月达茂赛音7月达茂赛音8月达茂赛音9月达茂赛音全年达茂赛音20119.76.757.234.469.342.260.311.352.58.0249.0117.3201231.58.781.615.149.954.057.832.349.529.1270.3148.020139.50.354.375.497.022.037.638.327.018.6225.4162.9201423.622.036.638.184.07.030.532.688.222.4262.9147.120151.41.944.624.633.58.46.913.794.114.0180.580.6平均值15.17.954.937.566.726.738.625.662.318.4237.6131.2

2013年7月、2011年8月以及2015年9月的降雨量分别是2011—2015年7—9月降水量的最大值．2013年研究区INDV平均值虽然低于2012年，但是高于2011年和2015年，表明5—9月的月降水量对INDV的影响强度在逐步下降.

3.2.2 降水空间差异对INDV的影响 由于研究区北部缺少气象站，因此文中对靠近研究区东北部的蒙古国东戈壁省赛音山达市的降水资料进行了统计.分析发现，2011—2015年达茂旗全年降水总量以及5—9月降水量的月平均值远高于蒙古国东戈壁省赛音山达市对应时期的降水量(表1)．以2011—2014年5月为例，达茂旗比赛音山达市的降水量高1.6～22.8 mm，2015年二者5月降水量接近且均不足2 mm．虽然文中研究区并不包括赛音山达市，但这足以说明研究区内南北降水差异明显．结合研究区INDV的空间分布规律可以看出，在干旱少雨的内蒙古中部荒漠草原区，降水量的南多北少是导致研究区INDV南北差异的重要原因.

2013年6月赛音山达市降水量比达茂旗同期降水量高出21.1 mm，研究区东北部靠近赛音山达市的3区和6区在2013年7—9月相应表现出比研究区北部其他分区更高的INDV(INDV平均值高出约 0.4～0.7)．这也进一步说明荒漠草原区的INDV对降水的时空差异性较为敏感，而干旱少雨地区降水量的增加可以有效减弱INDV的空间差异性.

3.3 气温变化与INDV的响应关系

全球气温变化也是引起地表INDV波动的重要因素．但是在研究区内，气温与INDV的响应关系明显弱于降水，这与对锡林郭勒高原的西部和乌兰察布高原的研究所得结论一致[15]．以气温变化较为明显的2013年为例，2013年5—9月平均气温是19.27 ℃，高出5年中其他年份同期平均气温1.33～1.88 ℃，2013年5,7,9月也是2011—2015年相应月平均气温的最高值，但是2013年研究区INDV平均值以及该年5—9月INDV四分位数等都没有出现明显的异常波动(图2)．此外，相关性分析也表明年(月)平均气温与年(月)INDV平均值的显著性水平小于0.05，并不存在明显的相关性(皮尔逊相关系数小于0.5)．虽然已有研究表明，全球气温升高有利于北半球中高纬度INDV增加[16]，但作为我国北方典型的干旱-半干旱草原区，研究区2011—2015年气温波动还不足以明显影响INDV变化，即研究区降水量及降水时间依然是INDV的控制性因素.

3.4 地下水与INDV的响应关系

研究区北部为典型的荒漠草原，地表植被覆盖度极低，多个年份的7月甚至出现了全年INDV的最小值，这与夏季6—7月气温不断升高，蒸发加强，而北部降水稀少，不利于植被生长甚至存活相关．但是这一现象在研究区中部(4～6区，图1)有所缓解．特别是在研究区南部(7～9区，图1)，7月INDV处于全年较高水平．INDV的这一空间变化规律除与降水等气象因素的南北不均匀分布相关外，还可能与当地地下水相关.

与研究区北部不同，研究区中、南部农田增多，天然草场减少．每年农作物播种、出苗和生长期(5—8月)，当地农牧民都抽取大量地下水进行农田灌溉，因此研究区中、南部INDV对降水量波动的敏感性明显减弱.

对研究区周边的研究结果表明，地下水维系了巴丹吉林沙漠湖泊景观[17]；鄂尔多斯高原地下水分水岭与基底断裂带高度吻合，外源地下水经过深循环补给鄂尔多斯形成自流盆地[18]；同位素数据揭示，阿拉善沙漠、色尔腾山地区、二连浩特盆地等内蒙古干旱和半干旱地区的大气降水无法有效入渗补给地下水，而稳定的外部补给源则可能通过狼山断裂带等深大构造裂隙补给这些地区的地下水[19-24]．研究区南部是植被较为发育的地区，分布于狼山—色尔腾山断裂以及川井—赤峰断裂带之间，这一地区植被生长发育相对旺盛与抽取存在外源补给的当地地下水灌溉相关．北部5月INDV在多个年份处于全年较高水平，这一方面与秋末—初春期间冰雪融水补给土壤水相关，另一方面也与春季化冻后受外源地下水影响的地下水位普遍上升，地下水通过薄膜水与蒸发-凝结方式补给土壤水[21]，进而有利于植被返青相关.

4 结论

根据以上分析可以得出以下结论：

1)2011—2015年，达茂旗及其周边草原的INDV出现由2012年的最高水平逐渐减弱的趋势．从空间范围看来，研究区由西向东、由北向南出现INDV逐渐增高的趋势.

2)达茂旗干旱-半干旱草原的INDV波动主要受控于降水而非气温，特别是植被返青时期(5月上半月)的降水对全年INDV至关重要．7—9月降水量波动对INDV影响相对较弱.

3)降水量南多北少是研究区INDV空间差异的主要原因，而南部地区利用地下水灌溉则加剧了这种差异．研究区北部受人类影响较小的荒漠草原区INDV对降水量波动的敏感性强于南部.

4)研究区北部5月INDV在年内处于较高水平，这与秋末—初春冰雪融水，以及化冻后受外源地下水影响的地下水位普遍上升等因素相关．

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