杜佳夢(mèng)，包剛，2，3*，佟斯琴，2，黃曉君，2，溫都日娜，美麗，包玉海，2

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010022；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特010022；3.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川750021）

全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)間的關(guān)系（global change and terrestrial ecosystem，GCTE）是全球變化研究的重要內(nèi)容之一［1］。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，連接著土壤、水圈和大氣圈，促進(jìn)各個(gè)圈層物質(zhì)遷移和能量交換，在氣候調(diào)節(jié)、陸地碳循環(huán)、水土保持等方面具有重要作用［2?3］。氣候變化是改變植被生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)和功能的主要因素之一［4］。植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究已成為全球變化研究的主要內(nèi)容之一［5?6］。

蒙古國(guó)是蒙古高原的主要組成部分［7］，也是中國(guó)“一帶一路”合作戰(zhàn)略和中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊的重要區(qū)域［8］。蒙古國(guó)位于干旱半干旱地區(qū)，加之其相對(duì)高的海拔和大陸性氣候，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。植被類型主要以草原為主，占國(guó)土面積的79%，包括草甸草原、典型草原和荒漠草原，而森林約占國(guó)土面積的10%，主要分布在氣候相對(duì)濕潤(rùn)的北部高緯度地區(qū)和山區(qū)［9］。此外，蒙古國(guó)是世界上人口稀少的國(guó)家之一［10］，蒙古國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年蒙古國(guó)人口為329.69 萬(wàn)，平均人口密度為2.1 人·km?2，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響相對(duì)較少，加之其獨(dú)特的地理位置、廣闊的草原及其多種植被類型等為區(qū)域尺度植被生長(zhǎng)狀況及其氣候變化響應(yīng)研究創(chuàng)造了良好的研究條件。蒙古國(guó)南部與中國(guó)內(nèi)蒙古接壤，其生態(tài)環(huán)境、自然資源和社會(huì)人文等與中國(guó)有著緊密關(guān)聯(lián)，屬于中國(guó)北部最重要的綠色生態(tài)屏障。近些年蒙古國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)受氣候變化影響顯著，如湖泊面積萎縮［11］、干旱加?。?2］、森林草原火災(zāi)［13］和森林病蟲(chóng)害［14］等自然災(zāi)害頻發(fā)，可能直接或間接影響中國(guó)北方生態(tài)環(huán)境狀況。因此，有必要在蒙古國(guó)國(guó)家尺度上開(kāi)展近30 多年來(lái)植被覆蓋變化及其與氣候要素和人類活動(dòng)因素關(guān)系的研究。

本研究利用1982?2015 年全球監(jiān)測(cè)與模型研究組（global inventory modeling and mapping studies，GIMMS）第三代NDVI（normalized difference vegetation index）數(shù)據(jù)（NDVI3g），結(jié)合同期溫度、降水量及植被類型數(shù)據(jù)，分析蒙古國(guó)植被NDVI 的年際、季節(jié)變化特征，在此基礎(chǔ)上探討其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)。旨在揭示不同時(shí)空尺度下蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)變化趨勢(shì)及其主要驅(qū)動(dòng)，為理解該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的總體發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)中國(guó)“三北”地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及防災(zāi)減災(zāi)等方面提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蒙古國(guó)位于亞洲中部（41°35′?52°09′N，87°44′?119°56′E），屬內(nèi)陸高原國(guó)家，國(guó)土面積為約156 萬(wàn)km2［10］。地勢(shì)由西向東逐漸降低（圖1a），平均海拔在1580 m 左右［7］。氣候類型為典型的大陸性干旱半干旱氣候［9］，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，夏季炎熱干燥，年平均溫度在?8～6 ℃波動(dòng)，由南向北降低（圖1b）。年降水量的分布與溫度相反（圖1c），從北部山區(qū)的>350 mm 降低到南部戈壁荒漠地區(qū)的<50 mm［15］。受氣候分布的影響，蒙古國(guó)植被類型由北向南依次為森林、草原和荒漠稀疏植被［16］（圖1d）。在氣候和植被類型的影響下，草地畜牧業(yè)是蒙古國(guó)最主要的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，支撐著80%以上的農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)值［17］。

圖1 蒙古國(guó)高程（a）、溫度（b）、降水（c）及植被類型（d）的空間分布格局Fig.1 Spatial distribution pattern of elevation（a），temperature（b），precipitation（c）and vegetation type（d）in Mongolia

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)為1982?2015 年間的GIMMS NDVI3g V1 數(shù)據(jù)（https：//ecocast.arc.nasa.gov/da?ta/pub/gimms/3g.v1/），時(shí)間和空間分辨率分別為15 d 和0.0833°［18］。研究區(qū)大部分植被在冬季停止生長(zhǎng)或受積雪覆蓋的影響等，每年選取4?10 月（即生長(zhǎng)季）的NDVI 數(shù)據(jù)用于研究［16］。對(duì)每月兩景數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成處理［19?20］，獲得月尺度的NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，以進(jìn)一步消除15 d NDVI 中存在的云、氣溶膠和其他非植被因素等的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)4?5、6?8 和9?10 月NDVI 分別進(jìn)行平均值計(jì)算，得到春、夏和秋季NDVI［21］，用于分析不同季節(jié)NDVI 變化趨勢(shì)及其氣候響應(yīng)。對(duì)生長(zhǎng)季3 個(gè)季節(jié)NDVI 進(jìn)一步計(jì)算均值獲得生長(zhǎng)季平均NDVI，分析年NDVI 的時(shí)空變化趨勢(shì)。由于在植被覆蓋度極低的地區(qū)NDVI 容易受到土壤背景的影響而不能準(zhǔn)確反映植被覆蓋的實(shí)際信息，在此將多年平均NDVI 小于0.075 的地區(qū)定為無(wú)植被區(qū)，不做分析［10］。

氣象數(shù)據(jù)由蒙古國(guó)科學(xué)院地理與地質(zhì)生態(tài)研究所提供，為蒙古國(guó)133 個(gè)氣象臺(tái)站的1982 年1 月1 日?2015年12 月31 日溫度和降水量數(shù)據(jù)。對(duì)日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到月數(shù)據(jù)后，在ArcGIS 10.2 環(huán)境下對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值，獲得時(shí)間和空間分辨率與NDVI 數(shù)據(jù)一致的柵格化氣象數(shù)據(jù)集，用于像元尺度的NDVI 變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候的響應(yīng)研究。

植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于蒙古國(guó)國(guó)家地圖集。對(duì)地圖集中的植被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描、幾何校正、數(shù)字化等處理，獲得森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原、戈壁荒漠和高山草地6 種植被類型，用于分析不同植被類型NDVI 變化趨勢(shì)及其氣候響應(yīng)。牲畜數(shù)量和人口數(shù)據(jù)均從蒙古國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)信息服務(wù)網(wǎng)（http：//www.1212.mn/）獲取。

1.3 研究方法

采用一元線性回歸法（公式1）在區(qū)域尺度和像元尺度上分別分析研究區(qū)1982?2015 年生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季3 個(gè)季節(jié)（春、夏和秋季）NDVI 時(shí)空變化趨勢(shì)［22］。

式中：b代表斜率，即變化趨勢(shì)；NDVIi表示第i年的生長(zhǎng)季或各季節(jié)NDVI。根據(jù)斜率和顯著性水平值，將變化趨勢(shì)分為以下4 個(gè)等級(jí)，分別為顯著增加（b>0，P<0.05）；不顯著增加（b>0，P>0.05）；顯著減?。╞<0，P<0.05）；不顯著減小（b<0，P>0.05）。

為了分析研究區(qū)植被覆蓋變化（NDVI）對(duì)溫度和降水量的響應(yīng)特征，分別對(duì)生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季三個(gè)季節(jié)平均NDVI 與溫度和降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行偏相關(guān)性分析［5］，先計(jì)算各要素的簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系，再計(jì)算偏相關(guān)關(guān)系。

式中：x為NDVI 值；y為溫度和降水；Rxy為x和y間的相關(guān)系數(shù)；xi為第i年或季節(jié)的平均NDVI 值；yi為第i年或季節(jié)的平均溫度或降水量為研究時(shí)段內(nèi)年或季節(jié)平均NDVI 值為研究時(shí)段內(nèi)年或季節(jié)平均溫度或降水量。

式中：Rab，c為將變量c 固定后變量a 與變量b 間的偏相關(guān)系數(shù)，rab、rac和rbc分別表示變量a 與b、變量a 與c、變量b 與c的相關(guān)系數(shù)。

在氣象因子和NDVI 進(jìn)行偏相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，再采用殘差分析法［23］，探討人類活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。在像元尺度上建立溫度和降水的回歸模型獲得逐年NDVI 的預(yù)測(cè)值（公式4）。然后，將從遙感影像提取的NDVI 值假設(shè)為實(shí)測(cè)值，減去NDVI 預(yù)測(cè)值，得到逐年NDVI 殘差（公式5），以表示人類活動(dòng)引起的植被生長(zhǎng)變化［20］。

式中：NDVI和NDVI′分別為遙感觀測(cè)的NDVI 實(shí)測(cè)值和模型計(jì)算的NDVI 預(yù)測(cè)值；T為生長(zhǎng)季平均溫度；P為生長(zhǎng)季累計(jì)降水量；ε為殘差。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒙古國(guó)生長(zhǎng)季多年平均NDVI 空間格局

1982?2015 年蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)季平均NDVI 整體上呈由北向南逐漸減小的空間分布特征（圖2）。蒙古國(guó)北部地區(qū)主要分布著森林植被［24］，NDVI 值大于0.6。由北至南植被類型依次跨越草甸草原、典型草原、荒漠草原和戈壁荒漠稀疏植被［16］，NDVI 值也隨植被類型的變化由0.8 下降至0.1 以下。為了更直觀體現(xiàn)研究區(qū)NDVI 南北地域差異，選取3 條南北剖面，分析了NDVI 值隨剖面的變化趨勢(shì)（圖3）。蒙古國(guó)植被NDVI 在3 個(gè)剖面上從南向北的上升速率分別為0.2°/10° N，0.7°/10° N 和0.7°/10° N，具有顯著的緯度地帶性分布特征，尤其在蒙古國(guó)中部和東部此特征更加顯著（R=0.91，P<0.01；R=0.93，P<0.01）。而西部緯度地帶性相對(duì)較弱（R=0.47，P<0.01）（圖3a，3b 和3c），可能與其較高的海拔有關(guān)。在蒙古國(guó)西部分布著杭愛(ài)山、戈壁阿爾泰山和蒙古阿爾泰山等山脈［25］，在一定程度上可能模糊了此區(qū)域植被NDVI 的緯度地帶性分布。從高程梯度上的變化看（圖3d），隨著海拔的升高，蒙古國(guó)ND?VI 以0.2/100 m 的速率降低，但存在3 個(gè)不同階段，即500～1300 m NDVI 隨海拔上升而減少；與此相反，在1300～2200 m 間NDVI 隨海拔的上升而增加；而在2200 m 之后，隨著海拔升高NDVI 值下降趨勢(shì)明顯。其原因可能是因?yàn)殡S著海拔的升高溫度逐漸降低，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)所需的水熱條件下降，NDVI 降低。蒙古國(guó)34 年生長(zhǎng)季平均NDVI 為0.26，低于內(nèi)蒙古2001?2010 年平均NDVI 值（0.38）［5］，說(shuō)明蒙古國(guó)植被平均生產(chǎn)力總體上低于內(nèi)蒙古平均生產(chǎn)力。

圖2 1982-2015年蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)季平均NDVI空間分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of mean growing season NDVI in Mongolia from 1982 to 2015

圖3 1982-2015 年蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)季平均NDVI 緯度（a～c）和海拔（d）梯度上的變化特征Fig.3 Variations of growing season NDVI along latitude（a-c）and altitude（d）gradients in Mongolia from 1982 to 2015

2.2 蒙古國(guó)生長(zhǎng)季平均NDVI 變化及其氣候響應(yīng)

2.2.1 區(qū)域尺度上的NDVI 變化趨勢(shì)及其氣候響應(yīng) 1982?2015 年，蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)季NDVI 介于0.24～0.29，每年以0.0005（R=0.43，P<0.05）的速率呈顯著增加趨勢(shì)，最低和最高值分別出現(xiàn)在2007 和2012 年（圖4）。然而，過(guò)去34 年間，NDVI分別經(jīng)歷了3 個(gè)階段的變化趨勢(shì)：1）1982?1994 年的 顯 著 增 加 趨 勢(shì)，其增加速率為0.0017·a?1（R=0.64，P<0.05）；2）1994?2007 年的顯著下降趨勢(shì)，下降速率為0.0016·a?1（R=?0.73，P<0.01）；3）2007?2015 年的顯著增加趨勢(shì)，增加速率為0.0044·a?1（R=0.80，P<0.01），且其增加幅度明顯大于第一階段。蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 變化趨勢(shì)1994 年發(fā)生轉(zhuǎn)折（即從上升到下降趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折），2007 年發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折，由下降轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，且上升速率高于90 年代之前的上升速率。從圖4 可看出，降水是改變蒙古國(guó)植被NDVI 變化及其轉(zhuǎn)折的主要驅(qū)動(dòng)力，即蒙古國(guó)生長(zhǎng)季降水量同樣在1982?1994、1994?2007 和2007?2015 年分別呈增加、減小和再增加趨勢(shì)，與NDVI 的波動(dòng)和趨勢(shì)高度一致，兩者之間的偏相關(guān)性為0.74（P<0.01）。而蒙古國(guó)生長(zhǎng)季溫度總體上呈持續(xù)升高趨勢(shì)，其中，1982?2000 年的增溫趨勢(shì)最明顯，2000 年以來(lái)在保持高溫狀態(tài)的同時(shí)，增溫態(tài)勢(shì)略有緩慢。其與NDVI 的偏相關(guān)系數(shù)為0.60（P<0.01）。需要指出的是，蒙古國(guó)NDVI 最低值出現(xiàn)的2007 年正好對(duì)應(yīng)于降水較低和溫度較高的年份，說(shuō)明兩者導(dǎo)致的干旱是可能導(dǎo)致2007 年NDVI 最低的直接因素（圖4）。

圖4 1982-2015年蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI、降水量和溫度的年際變化Fig.4 Interannual variation of NDVI，precipitation and tem?perature in growing season of Mongolia from 1982 to 2015

圖5 蒙古國(guó)1982-2015（a）、1982-1994（b）、1994-2007（c）和2007-2015 年（d）生長(zhǎng)季NDVI 變化趨勢(shì)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of growing season NDVI change trend in Mongolia from 1982 to 2015（a），1982 to 1994（b），1994 to 2007（c）and 2007 to 2015（d）

2.2.2 蒙古國(guó)生長(zhǎng)季平均NDVI 變化趨勢(shì)的空間格局及其氣候響應(yīng) 從NDVI 變化趨勢(shì)的空間分布特征看，1982?2015 年，蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 呈增加和減小趨勢(shì)的面積分別占其國(guó)土面積的66.6%和33.4%（表1），其中顯著增加（P<0.05）的地區(qū)為32.8%，主要集中分布在東部開(kāi)闊的草原區(qū)和零星分布在西部和北部山區(qū)；而顯著減?。≒<0.05）的地區(qū)僅占研究區(qū)8.9%，零星分布在中部和西南部地區(qū)（圖5a）。與國(guó)家尺度的變化趨勢(shì)一致（圖4），1982?1994 年蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 主要以增加趨勢(shì)為主，約占研究區(qū)88.1%，其中顯著增加的面積為22.8%，主要分布在西部大湖盆地、杭愛(ài)山脈、西南部戈壁阿爾泰山脈和北部森林地區(qū)；呈減小趨勢(shì)的面積約為11.9%，但大多并不顯著（圖5b）。1994?2007 年，蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 主要以減小為主，約占80.4%，其中顯著減小的面積為22.9%，主要集中在中東部典型草原區(qū)及與稀疏植被的交界處；而增加趨勢(shì)的面積為19.6%，零星分布在西部、北部和南部地區(qū)（圖5c）。2007?2015 年，NDVI 呈增加趨勢(shì)的面積（78.2%）同樣遠(yuǎn)高于呈減小趨勢(shì)的面積（21.8%），其中呈顯著增加和顯著減小趨勢(shì)的面積分別為26.8%和2.2%。呈增加趨勢(shì)的地區(qū)主要分布于蒙古國(guó)東部、中部和西部一線上，而減小趨勢(shì)的地區(qū)分布在其兩側(cè)，即蒙古國(guó)南部和北部地區(qū)，但大多像元的減小趨勢(shì)并不顯著（圖5d）。像元尺度的相關(guān)分析表明，約86.7%地區(qū)的NDVI 與降水量呈正相關(guān)（其中顯著正相關(guān)為55.1%），主要分布在除北部森林和西部高山地區(qū)外的蒙古國(guó)大多地區(qū)（圖6a）。NDVI 與溫度相關(guān)性的空間分布總體與降水的空間格局相反，即在與降水呈正相關(guān)的地區(qū)NDVI 與溫度呈負(fù)相關(guān)（40.3%），而在與降水呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)NDVI 與溫度呈正相關(guān)（59.7%）（圖6b）。在北部與溫度正相關(guān)（與降水呈負(fù)相關(guān)）的地區(qū)可能與該地區(qū)降水充足但年平均溫度較低有關(guān)［10］（圖1），即溫度的升高有利于這些地區(qū)植被生長(zhǎng)［2，26］，而降水量的增加可能會(huì)增加云量和降低溫度而抑制植被生長(zhǎng)［10，27］。其余大多與溫度呈負(fù)相關(guān)（與降水正相關(guān)）的地區(qū)可能與溫度的升高將增加蒸散量而加劇這些原本就水資源匱乏地區(qū)的干旱，從而抑制有關(guān)植被生長(zhǎng)［28］。為了對(duì)比降水和溫度對(duì)NDVI 產(chǎn)生影響的大小，在此對(duì)兩個(gè)偏相關(guān)系數(shù)求平方，再計(jì)算兩者差值（即降水偏相關(guān)系數(shù)平方減去溫度偏相關(guān)系數(shù)平方）（圖6c）?？梢钥闯?，在南部、中部和東部草原地區(qū)降水的正效應(yīng)大于溫度的負(fù)作用（75.2%），而北部森林分布區(qū)及其鄰近地區(qū)溫度的正作用大于降水的負(fù)作用（24.8%）。這說(shuō)明蒙古國(guó)大多地區(qū)主要處于干旱半干旱氣候區(qū)，降水對(duì)植被生長(zhǎng)的影響范圍遠(yuǎn)大于溫度的影響范圍。

圖6 1982-2015 年蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 與降水（a）和溫度（b）的偏相關(guān)性及兩個(gè)偏相關(guān)系數(shù)的平方之差（c）Fig.6 Partial correlation between growing season NDVI and precipitation（a），temperature（b）and the difference be?tween the squares of the two partial correlation coefficients（c）in Mongolia from 1982 to 2015

2.3 蒙古國(guó)NDVI 和對(duì)氣候變化響應(yīng)的季節(jié)差異

2.3.1 區(qū)域尺度上的各季節(jié)NDVI 變化及其氣候響應(yīng) 過(guò)去34 年，蒙古國(guó)生長(zhǎng)季各季節(jié)平均NDVI 都呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)（圖7）。其中，春季NDVI 的增加趨勢(shì)最為明顯，每年以0.0005（P<0.05）的速率增加，且其波動(dòng)與春季溫度的波動(dòng)高度一致（圖7a），兩者偏相關(guān)系數(shù)為0.64（P<0.01）（圖7d）。這說(shuō)明溫度是影響蒙古國(guó)植被春季生長(zhǎng)最主要的氣候因子，與北半球大多地 區(qū)植被 變化及其 主要驅(qū)動(dòng)力高度 一致［3，26?29］。需要指出的是蒙古國(guó)植被春季NDVI 變化趨勢(shì)沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折，而隨著春季溫度的持續(xù)升高NDVI 也呈持續(xù)增加趨勢(shì)。1982?2015 年蒙古國(guó)春季降水量也呈增加趨勢(shì)，其中，只有1988、2002、2003、2010 和2014 年為春季豐水年份。在34 年的觀測(cè)尺度中，夏季NDVI 的增加速率約為0.0003·a?1（P=0.27）（圖7b），且其波動(dòng)與生長(zhǎng)季NDVI 的波動(dòng)（圖4）高度一致，也經(jīng)歷了3 個(gè)階段的變化趨勢(shì)，即1）1982?1994 年呈顯著增加趨勢(shì)（速率為0.0025·a?1，R=0.57，P<0.05）；2）1994?2007 年的顯著下降趨勢(shì)（速率為0.0034·a?1，R=?0.73，P<0.01）；3）2007?2015 年的顯著增加趨勢(shì)（速率為0.0068·a?1，R=0.72，P<0.05）。這可能與夏季是包括蒙古國(guó)在內(nèi)的北半球植被生長(zhǎng)的旺季有關(guān)。Bao 等［30］的研究表明，蒙古高原植被生產(chǎn)力的70%以上都集中在夏季，其變化直接決定年生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)，而不是由春季返青期提前或秋季枯黃期推遲導(dǎo)致的生長(zhǎng)季延長(zhǎng)引起［31?32］。同樣，與生長(zhǎng)季NDVI 變化趨勢(shì)的主要驅(qū)動(dòng)力一致，夏季降水量是改變夏季NDVI 變化的最主要?dú)夂蛞蜃?，兩者偏相關(guān)系數(shù)為0.65（P<0.01）（圖7d）。從氣候?qū)χ脖簧L(zhǎng)影響的滯后效應(yīng)看，盡管不顯著，春季降水的增加將促進(jìn)夏季NDVI 的增加（R=0.17，P=0.36），而春季溫度的升高將抑制夏季NDVI 的增加（R=?0.10，P=0.67）（圖7d）。Bao 等［30］的研究還表明，蒙古高原秋季植被生產(chǎn)力約占年總生產(chǎn)力的20%，其變化對(duì)年總生產(chǎn)力的影響比春季生產(chǎn)力要大。過(guò)去34 年蒙古國(guó)秋季平均NDVI（0.30）略大于春季（0.22），且呈現(xiàn)出不顯著的增加趨勢(shì)（速率為0.0003·a?1，R=0.17，P=0.35）。與春季NDVI 一致，溫度是改變蒙古國(guó)秋季NDVI 的主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因子（R=0.42，P<0.05）（圖7d），但其強(qiáng)度低于春季NDVI 與春季溫度的相關(guān)性。盡管不顯著，秋季降水量對(duì)秋季NDVI 的影響也不可忽略。從圖7c 可以看出，2002?2010 年秋季NDVI明顯比其他年份較低，與其降水量負(fù)距平年份高度一致。值得注意的是，夏季降水與秋季NDVI 呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（R=0.68，P<0.01）（圖7d），其原因是夏季降水的增加將增加夏季植被生長(zhǎng)，然而夏季植被的生長(zhǎng)對(duì)秋季生長(zhǎng)具有重要的正“遺產(chǎn)效應(yīng)”。進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析也表明，夏季與秋季NDVI 之間存在顯著的正相關(guān)（R=0.76，P<0.01）關(guān)系，而春季NDVI 與夏季和秋季NDVI 之間并沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系（春季NDVI 與夏季NDVI：R=0.22，P=0.22；春季NDVI 與秋季NDVI：R=0.12，P=0.52）。

表1 蒙古國(guó)不同時(shí)段NDVI 變化趨勢(shì)的面積百分比Table 1 Area percentage of NDVI change trend in Mongolia during different periods（%）

圖7 1982-2015 年蒙古國(guó)春季（a）、夏季（b）和秋季（c）NDVI、降水量和溫度的年際變化及不同季節(jié)NDVI 與氣候因子的偏相關(guān)關(guān)系（d）Fig.7 The interannual changes of NDVI，precipitation and temperature in spring（a），summer（b），autumn（c）and the partial correlation between NDVI and climate factors in different seasons（d）from 1982 to 2015 in Mongolia

圖8 1982-2015 年蒙古國(guó)各季節(jié)NDVI 與溫度和降水偏相關(guān)性的空間分布Fig.8 Spatial distribution of partial correlation between NDVI and precipitation and temperature in various seasons in Mongolia from 1982 to 2015

2.3.2 蒙古國(guó)各季節(jié)NDVI 對(duì)氣候響應(yīng)的空間格局 在空間上，春季NDVI 與春季溫度呈正相關(guān)的面積（87.0%）遠(yuǎn)大于呈負(fù)相關(guān)的面積（13.0%），其中顯著正相關(guān)的地區(qū)主要分布在蒙古國(guó)北部杭愛(ài)山脈、薩彥嶺、肯特山和西部阿爾泰山脈等高海拔和高緯度地區(qū)（圖8a）。而春季NDVI 與降水呈正相關(guān)的面積（58.2%）和呈負(fù)相關(guān)的面積（41.8%）相差不大。呈正相關(guān)的地區(qū)主要分布在蒙古國(guó)東部開(kāi)闊的草原地區(qū)，而呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)分布在西部和西南地區(qū)（圖8b）。夏季NDVI 與溫度的相關(guān)性主要呈負(fù)相關(guān)（55.9%）（圖8c），較高的溫度可能通過(guò)增加蒸發(fā)造成水分不足，從而在一定程度上抑制植被生長(zhǎng)［5］。與前面在區(qū)域尺度上的討論一致，由于夏季植被生產(chǎn)力在全年生產(chǎn)力中的比重高達(dá)70%以上［30］，夏季NDVI 與降水的空間分布（圖8d）與生長(zhǎng)季觀測(cè)到的結(jié)果（圖6a）高度一致，說(shuō)明夏季氣候因子是決定全年植被生長(zhǎng)的最主要因子［33］，而春季和秋季氣候因子主要對(duì)植被年生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)期和結(jié)束時(shí)期的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響［34］，而對(duì)全年生長(zhǎng)的直接影響相對(duì)要小［30］。秋季NDVI 與溫度的相關(guān)性總體上以負(fù)相關(guān)為主（54.6%），分布在蒙古國(guó)西部、中部和東部地區(qū)，而呈正相關(guān)的地區(qū)集中在北部寒冷地區(qū)（圖8e）。在空間分布上，秋季NDVI 和降水的關(guān)系大致與秋季NDVI和溫度的關(guān)系相反（圖8f），即北部寒冷地區(qū)主要以負(fù)相關(guān)為主，此區(qū)域年均降水量相對(duì)較多，降水的增加會(huì)減少日照時(shí)數(shù)，從而抑制植被生長(zhǎng)。而西部、中部和東部草原區(qū)主要以正相關(guān)為主。

2.3.3 蒙古國(guó)不同植被類型NDVI 對(duì)氣候的響應(yīng)從圖9 可以看出，在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)蒙古國(guó)除荒漠草原外，其他5 種植被類型與溫度均呈正相關(guān)，其中森林、典型草原和高山草地為顯著正相關(guān)（圖9a）。與降水的相關(guān)分析表明，森林植被NDVI 與降水呈負(fù)相關(guān)（?0.14），其余植被類型呈正相關(guān)（圖9b）。在生長(zhǎng)季3 個(gè)季節(jié)中，所有植被類型春季NDVI 與溫度呈顯著正相關(guān)（除了戈壁荒漠稀疏植被不顯著外），說(shuō)明溫度是蒙古國(guó)所有植被類型春季開(kāi)始生長(zhǎng)的最主要驅(qū)動(dòng)力。其中春季溫度對(duì)草原植被NDVI 的影響程度從大到小依次為草甸草原、典型草原、荒漠草原，說(shuō)明在熱量較低的地區(qū)，春季溫度對(duì)植被的影響更重要［16］。降水也是對(duì)草原植被的春季開(kāi)始生長(zhǎng)和后續(xù)生長(zhǎng)具有重要促進(jìn)作用（圖9b）。由于夏季是3 個(gè)季節(jié)中溫度最高的季節(jié)，總體上抑制植被的生長(zhǎng)，而夏季降水對(duì)植被生長(zhǎng)具有重要的正效應(yīng)（除森林外）。秋季氣溫和降水對(duì)秋季所有植被類型的NDVI 影響都不是很明顯，而秋季NDVI 對(duì)夏季降水的滯后效應(yīng)較顯著（圖9c），與Piao 等［21］的中國(guó)溫帶草原和荒漠草原秋季NDVI 與前一季的降水量均呈正相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果基本一致。

圖9 不同植被類型NDVI 與溫度和降水之間的偏相關(guān)關(guān)系Fig.9 Partial correlations between NDVI of different vegeta?tion types with temperature and precipitation

2.4 蒙古國(guó)生長(zhǎng)季平均NDVI 對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)

圖10 蒙古國(guó)NDVI 殘差變化趨勢(shì)（a）及其顯著性（b）的空間分布Fig.10 Spatial distribution of NDVI residual variation trend（a）and its significance（b）in Mongolia

氣候是導(dǎo)致植被覆蓋變化的最重要的因素，但人類活動(dòng)也通過(guò)放牧、開(kāi)采、植樹(shù)造林和自然保護(hù)區(qū)的建立等來(lái)改變植被覆蓋變化［9，25］。從殘差分析結(jié)果看（圖10），在1982?2015 年，蒙古國(guó)NDVI 殘差值呈上升趨勢(shì)（代表人類活動(dòng)對(duì)植被的改善作用）的面積為74.2%，其中顯著增加的區(qū)域約為31.3%，主要分布于蒙古國(guó)東部與中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤的草原區(qū)，在其他研究中也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果，可能是該區(qū)域牲畜總數(shù)和人口密度呈下降趨勢(shì)的原因［36］。而殘差值呈下降趨勢(shì)（代表人類活動(dòng)對(duì)植被的破壞作用）的地區(qū)零星分布于人口密度相對(duì)較大的蒙古國(guó)中部草原區(qū)和西部高山地區(qū)，這可能與這些地區(qū)放牧、開(kāi)礦等人類活動(dòng)密切相關(guān)［9，37］。從圖11可看出，1982?2015 年蒙古國(guó)牲畜數(shù)量從247.65 萬(wàn)頭大幅增加到559.80 萬(wàn)頭，2001?2015 年，人口從243.24 萬(wàn)增加到305.78 萬(wàn)（蒙古國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局）。特別是2002?2009 年蒙古國(guó)牲畜數(shù)量急劇上升，在一定程度上與此時(shí)間段的NDVI 較低值吻合（圖4）。

圖11 蒙古國(guó)牲畜數(shù)量和人口的變化趨勢(shì)Fig.11 Trends of livestock quantity and population in Mongolia

3 討論

本研究表明，1982?2015 年蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)季平均NDVI 空間上呈由北向南逐漸減小的分布特征（圖2），可能是北部地區(qū)受北冰洋水汽的影響［38］，其降水量較充足，但隨著向南離北冰洋距離的增加，降水量也逐漸降低。34 年間蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 呈顯著增加趨勢(shì)（圖4），然而，在研究期間，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)并不是持續(xù)的，而是有兩次轉(zhuǎn)折。第一次趨勢(shì)轉(zhuǎn)折發(fā)生在1994 年，即從上升到下降趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折，總體上與北半球中高緯度觀測(cè)到的結(jié)論高度一致。如Peng 等［39］、Piao 等［40］和張學(xué)珍［41］的研究表明，在中國(guó)、歐亞大陸溫帶地區(qū)和北半球中緯度地區(qū)的植被NDVI 分別以1990、1997 和1994 年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢(shì)。第二次趨勢(shì)轉(zhuǎn)折發(fā)生在2007 年，由下降轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)。這說(shuō)明在氣候變暖背景下的區(qū)域NDVI 變化趨勢(shì)不是持續(xù)的增加或減小，而可能每隔10～15 年時(shí)間尺度上發(fā)生一次轉(zhuǎn)折性變化，其背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制較為復(fù)雜，涉及多個(gè)環(huán)境因素和人類活動(dòng)的共同作用［42］。

過(guò)去大多研究表明，氣候變暖是導(dǎo)致北半球中高緯度大多地區(qū)植被NDVI 變化及其轉(zhuǎn)折的主要因素［39?42］。而本研究中蒙古國(guó)植被生長(zhǎng)季NDVI 變化主要受降水變化的影響（圖6）。這可能與蒙古國(guó)地處干旱半干旱地區(qū)有關(guān)［5，43?44］。另外，森林植被生長(zhǎng)與降水呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)降水的增加可能通過(guò)云量、降低溫度和輻射等來(lái)抑制分布于相對(duì)濕潤(rùn)和寒冷地區(qū)的森林植被生長(zhǎng)［26］。而溫度是影響蒙古國(guó)植被春季和秋季生長(zhǎng)最主要的氣候因子（圖7），這可能與春季溫度的升高導(dǎo)致植被返青期提前［37］，秋季溫度的升高可以減緩或推遲秋季植被枯黃期有關(guān)［34，45］，即返青期的提前或枯黃期推遲將延長(zhǎng)植被生長(zhǎng)天數(shù)而增加植被NDVI［30，32］。但春季溫度的升高抑制夏季植被的生長(zhǎng)，這與Buermann 等［46］的研究結(jié)論較一致，其在北美地區(qū)的研究表明，春季溫度的升高使植被返青期提前，但返青期的提前將增加蒸散發(fā)而加劇生態(tài)系統(tǒng)干旱，最終導(dǎo)致降低夏季植被的生長(zhǎng)。然而植被覆蓋變化在受到氣候影響的同時(shí)，人類活動(dòng)也對(duì)其產(chǎn)生了不可忽視的影響。魏云潔等［17］的研究表明，蒙古國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的26.2%來(lái)自農(nóng)牧業(yè)，而農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)值中的80%來(lái)自畜牧業(yè)，說(shuō)明支撐畜牧業(yè)生產(chǎn)力的草原放牧活動(dòng)主要分布在人口和牲畜相對(duì)密集的蒙古國(guó)中部和西部地區(qū)，這將降低植被生產(chǎn)力，在空間上與殘差值下降趨勢(shì)基本吻合（圖10）。同時(shí)蒙古國(guó)東部植被明顯的綠化趨勢(shì)，與Zhou 等［18］的研究一致?？赡苁怯捎诿晒艊?guó)東部擁有蒙古達(dá)烏爾保護(hù)地［47］和東方蒙古草原自然保護(hù)區(qū)［48］等國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的原因。此外，色楞格省、布爾干省和中央省這3 個(gè)省植被綠化趨勢(shì)增加的原因可能與蒙古國(guó)政府發(fā)起“第三次開(kāi)墾荒地運(yùn)動(dòng)”的計(jì)劃有關(guān)［49］。

4 結(jié)論

利用1982?2015 年的GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)、同期月氣溫和降水量數(shù)據(jù)及植被類型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了蒙古國(guó)植被覆蓋年際、季節(jié)變化特征，并從氣候和人類活動(dòng)的角度分析其變化原因。通過(guò)研究得出了如下結(jié)論。

1）從34 年生長(zhǎng)季平均NDVI 的空間分布看，蒙古國(guó)NDVI 由南向北逐漸增加，在西、中、東3 條剖面緯度每升高10° NDVI 分別增加0.2、0.7 和0.7，具有顯著的緯度地帶性分布特征。從海拔梯度上，海拔每升高100 m，ND?VI 下降0.2。

2）從時(shí)間變化趨勢(shì)看，過(guò)去34 年，蒙古國(guó)生長(zhǎng)季NDVI 呈顯著的增加趨勢(shì)（0.0005·a?1），但經(jīng)歷了3 個(gè)階段性變化趨勢(shì)，分別為1982?1994 年的顯著增加（0.0017·a?1），1994?2007 年的顯著下降（0.0016·a?1）和2007?2015 年的顯著增加（0.0044·a?1）。NDVI 變化趨勢(shì)及其階段性變化與降水量波段高度一致，兩者偏相關(guān)系數(shù)為0.74（P<0.01），說(shuō)明降水量變化是蒙古國(guó)植被覆蓋變化的主要原因。從區(qū)域差異看，除北部小部分森林分布區(qū)NDVI 受溫度影響外，其他大多地區(qū)的NDVI 主要受降水的控制。

3）從季節(jié)差異看，總體上3 個(gè)季節(jié)NDVI 均呈增加趨勢(shì)，其中由于夏季是植被生長(zhǎng)的旺季，其NDVI 波動(dòng)與生長(zhǎng)季NDVI 波動(dòng)高度一致，即夏季降水量變化引起的NDVI 是決定全年植被覆蓋變化的最直接因素。與夏季不同，春季和秋季溫度是春、秋季植被生長(zhǎng)的主要因素。各季節(jié)NDVI 及其與氣象因素的關(guān)系具有明顯的空間異質(zhì)性。

4）殘差分析表明，人類活動(dòng)主要對(duì)蒙古國(guó)中西部地區(qū)的NDVI 變化產(chǎn)生負(fù)影響，與蒙古國(guó)人口密度的空間分布基本一致。