摘 要：基于2020—2023年MODIS NDVI數(shù)據(jù)與同期的氣象數(shù)據(jù)，采用Theil-Sen Median趨勢法、Mann-Kendall檢驗法、變異系數(shù)法和Hurst指數(shù)法，對內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原生長季植被指數(shù)的時空變化規(guī)律進行研究，并結(jié)合氣溫、降水量數(shù)據(jù)進一步探究歸一化植被指數(shù)（NDVI）對氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：①2000—2023年，呼倫貝爾草原生長季NDVI均值呈增長趨勢，空間上呈現(xiàn)東高西低的分布格局；②植被穩(wěn)定性低，波動性較大，未來變化趨勢以反持續(xù)性顯著為主，即未來一段時間內(nèi)NDVI呈減少趨勢；③草甸草原與典型草原的NDVI雖然均呈現(xiàn)上升趨勢，但典型草原植被穩(wěn)定性偏低，而草甸草原植被穩(wěn)定性相對較高；在未來一段時間內(nèi)，草甸草原和典型草原NDVI都將呈現(xiàn)減少趨勢；④呼倫貝爾草原NDVI變化受降水的影響顯著，降水增多是改善與提升植被生長狀況的主要驅(qū)動力。

關(guān)鍵詞：呼倫貝爾草原；NDVI；時空變化；氣候因子

中圖分類號：Q948.112 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）15-111-7

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.15.024

0 引言

草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［1］，具有豐富的生物多樣性，對干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要影響。然而，近年來氣溫升高、降水模式改變和極端天氣增加，對草原生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的壓力。一方面，氣候變化導(dǎo)致草原植物的生長受到限制，草地覆蓋度減少，生物多樣性受到影響［2］。另一方面，極端降水事件可能造成洪澇災(zāi)害，對草地根系造成損害，導(dǎo)致草地退化［3］。因此，不同時期的氣候變化和波動均會對草原的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成潛在影響，而植被生長狀態(tài)作為一種“指示器”，有助于分析氣候變化［4-5］。

近年來，許多國內(nèi)研究者進行了NDVI時空變化及其對氣候變化的響應(yīng)研究［6］。孟夢等［7］對1982—2012年GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)和同時期氣象數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)相較于氣溫，降水對內(nèi)蒙古NDVI的影響更大。吳運力等［8］利用MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù)，分析了2000—2020年內(nèi)蒙古高原不同植被類型NDVI的變化特征及其與氣象因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同植被類型的NDVI和整個區(qū)域的NDVI均與降水量顯著相關(guān)，高原全區(qū)NDVI的變化主要受水熱共同影響。張清雨等［9］對內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI的研究結(jié)果顯示，NDVI與降水量顯著相關(guān)。但內(nèi)蒙古東西狹長，跨越了濕潤、半濕潤、半干旱及干旱等多種氣候帶［10］，這一地理特性賦予了該地區(qū)豐富的植被多樣性，植被變化也展現(xiàn)出顯著的地域性特征和多種驅(qū)動因素之間的復(fù)雜差異。

呼倫貝爾草原的總面積為997.3萬hm2，是世界四大草原之一，也是我國保存最完好的草原之一［11］。其以草甸草原和典型草原為主要植被類型，構(gòu)成較為簡單，在溫帶半干旱區(qū)域草原生態(tài)系統(tǒng)中具有顯著代表性［12］。目前，已有研究者對呼倫貝爾地區(qū)植被變化進行了相關(guān)研究。曲學(xué)斌等［13］對2000—2020年MODIS NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行研究，發(fā)現(xiàn)呼倫貝爾大部分地區(qū)植被覆蓋變化呈增長趨勢。胡志超等［14］采用一元線性回歸趨勢分析植被覆蓋度的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)2000—2013年植被覆蓋度總體平穩(wěn)并呈上升趨勢。娜仁夫［15］構(gòu)建了1982—2015年呼倫貝爾草原牧業(yè)四旗歸一化GIMMS NDVI3g.v1植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，即通過對數(shù)據(jù)的定量分析來揭示植被覆蓋的變化趨勢及其影響因素，發(fā)現(xiàn)在34 a內(nèi)，呼倫貝爾草原牧業(yè)四旗植被與降水量具有同向變化趨勢，且同期植被與氣溫具有反向變化趨勢。

但以上相關(guān)研究并未對呼倫貝爾草原植被類型區(qū)進行針對性分析，目前對不同類型區(qū)植被變化穩(wěn)定性和未來變化趨向性方面的研究更少。因此，筆者利用2000—2023年MODIS NDVI數(shù)據(jù)集和同期氣溫、降水柵格數(shù)據(jù)，對呼倫貝爾草原不同草原類型進行NDVI時空變化趨勢、穩(wěn)定性和持續(xù)性、氣候響應(yīng)研究，為提高對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的認識、制定合理的草地保護與管理策略、深入了解植被生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡和耦合機制、應(yīng)對氣候變化在資源管理中的應(yīng)用具有重要的實踐意義。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部（北緯47°5′～51°54′、東經(jīng)115°31′～121°30′）。冬季寒冷漫長，夏季短暫而涼爽［16］。呼倫貝爾草原年降水量普遍偏低，年均降水量為295.25 mm［17］，大部分降水集中在夏季（尤其6—8月），降水為該地區(qū)植物生長提供了關(guān)鍵補給。由于氣候的特殊性，該地區(qū)植被類型以草原為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

NDVI數(shù)據(jù)來源于NASA（http：//modis.gsfc.nasa.gov/）的MOD13Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。呼倫貝爾草原植被返青期出現(xiàn)在4月中旬至5月下旬［18］，枯黃期出現(xiàn)在9月至10月下旬［19］。為獲取2000—2023年植被生長季（5—9月）影像，采用最大值合成法提取逐年NDVI值，再利用MODIS Reprojection Tool軟件對影像進行拼接、投影、格式轉(zhuǎn)換等批處理。氣溫、降水的柵格數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km×1 km。利用ArcGIS10.8軟件對柵格數(shù)據(jù)進行裁剪，隨后進行投影變更，最終完成分辨率的重采樣，使數(shù)據(jù)空間分辨率與NDVI數(shù)據(jù)集一致。

2.2 研究方法

2.2.1 Theil-Sen Median傾斜度分析及Mann-Kendall檢驗

2.2.2 變異系數(shù)分析

2.2.3 Hurst指數(shù)分析

2.2.4 相關(guān)性分析

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI的空間分布特征

呼倫貝爾草原植被NDVI呈現(xiàn)東高西低的空間分布格局（如圖1）。近24 a的NDVI年平均值為0.65，典型草原的NDVI年平均值為0.54，草甸草原的NDVI年平均值為0.79。生長季NDVI植被覆被很低區(qū)域（NDVI值0.100～0.270）占研究區(qū)總面積的比例不足1%，植被覆被較低區(qū)域（NDVI值0.270～0.396）占研究區(qū)總面積的2.7%，植被覆被中等區(qū)域（NDVI值0.396～0.506）占研究區(qū)總面積的18.1%，植被覆被較高區(qū)域（NDVI值0.506～0.702）占研究區(qū)總面積的34.6%，植被覆被高區(qū)域（NDVI值0.702～0.919）占研究區(qū)總面積的41.9%。植被覆被較高及以上區(qū)域（NDVI值0.506～0.919）超過研究區(qū)總面積的2/3，主要分布在研究區(qū)東部?？傮w來說，研究區(qū)多年平均NDVI呈現(xiàn)由東部向西部遞減的趨勢，植被生長態(tài)勢良好。

3.2 NDVI年際變化特征及趨勢分析

2000—2023年呼倫貝爾草原生長季NDVI變化起伏不定，其中最小值出現(xiàn)在2004年，最大值出現(xiàn)在2021年。線性增長速率為0.034/10 a，R2=0.227 6，草原植被覆蓋整體呈現(xiàn)增長趨勢，向好的方向發(fā)展（如圖2）。

分不同植被類型區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，草甸草原和典型草原均呈波動型緩慢增長趨勢（R2分別為0.134 1、0.229 9），線性增長速率分別為0.016/10 a和0.048/10 a。

3.3 NDVI空間變化趨勢分析

2000—2023年呼倫貝爾草原NDVI變化傾向率為-0.382/10 a～0.290/10 a，空間差異較明顯（如圖3）。檢驗結(jié)果中，無顯著變化區(qū)域占總面積的53.7%，占比最高，在呼倫貝爾草原全域均有分布；顯著增加的區(qū)域面積占比約為20.3%，微顯著增加的區(qū)域面積占比為12.7%，極顯著增加的區(qū)域面積占比為11.4%，顯著和極顯著增加的區(qū)域分布在西部邊境地區(qū)、呼倫湖東部地區(qū)；剩余減少趨勢面積占比不足1%，主要分布在河谷、低洼地。呼倫貝爾草原NDVI變化整體表現(xiàn)為從東部草甸草原到西部典型草原逐漸增加。

3.4 NDVI穩(wěn)定性分析

呼倫貝爾草原生長季NDVI的平均變異系數(shù)為0.13，其中典型草原的平均變異系數(shù)為0.18，草甸草原的平均變異系數(shù)為0.07。中低穩(wěn)定性植被的面積約占研究區(qū)總面積的29.8%；高穩(wěn)定性植被的面積占研究區(qū)總面積的23.2%，主要分布在研究區(qū)的東部邊緣地區(qū)；低穩(wěn)定性植被面積占研究區(qū)總面積的20.8%，主要集中在研究區(qū)的西部地區(qū)；中高穩(wěn)定性、中等穩(wěn)定性植被面積分別占研究區(qū)總面積的17.7%和8.5%，分布在研究區(qū)的中部偏東部地區(qū)（如圖4）。整體來看，呼倫貝爾草原區(qū)域波動性高，穩(wěn)定性低。

分不同植被類型區(qū)發(fā)現(xiàn)，典型草原NDVI的平均變異系數(shù)為0.18，中低穩(wěn)定性和低穩(wěn)定性植被面積占比較大，分別為31.9%和37.8%，中等穩(wěn)定性植被面積占總面積的20.2%，高穩(wěn)定性植被面積占總面積的6.6%，中高穩(wěn)定性植被面積占總面積的3.5%。由此表明，典型草原穩(wěn)定性偏低，波動性較高。草甸草原NDVI的平均變異系數(shù)為0.07，高穩(wěn)定性和中高穩(wěn)定性植被面積之和約占總面積的2/3，表明草甸草原穩(wěn)定性高，波動性低。

3.5 NDVI持續(xù)性分析

從以上分析結(jié)果來看，呼倫貝爾草原NDVI值雖有增加趨勢，但波動性很高，穩(wěn)定性差，今后的NDVI變化趨勢不明確。因此，為更好地了解未來的植被生長態(tài)勢，需要進一步分析植被NDVI的持續(xù)性。研究結(jié)果（如圖5）表明，反持續(xù)性顯著（0.1≤Hlt;0.4）的區(qū)域占研究區(qū)面積的47.8%，非顯著反持續(xù)性（0.4≤Hlt;0.5）的區(qū)域占研究區(qū)面積的40.1%，持續(xù)性顯著（0.6lt;H≤1）的區(qū)域和非顯著持續(xù)性（0.5lt;H≤0.6）的區(qū)域分別占研究區(qū)面積的1.4%和10.6%。從結(jié)果來看，呼倫貝爾草原未來呈反持續(xù)性占比區(qū)域達到87.9%，未來的變化傾向與過去24 a NDVI值增加的趨勢相反，在接下來的時間范圍內(nèi)，NDVI值很有可能會呈下降趨勢。

在不同草原類型中，典型草原反持續(xù)性顯著（0.1≤Hlt;0.4）的區(qū)域占比最大，占總面積的56.3%；非顯著反持續(xù)性（0.4≤Hlt;0.5）的區(qū)域占總面積的37.7%，其余不足10%。草甸草原中占比最大的是非顯著反持續(xù)性（0.4≤Hlt;0.5）區(qū)域，占比為43.3%；其次是反持續(xù)性顯著（0.1≤Hlt;0.4）區(qū)域，占比為37.5%。與典型草原相比，草甸草原的非顯著持續(xù)性（0.5lt;H≤0.6）的區(qū)域占比較大，為16.68%。

整體來看，從東部草甸草原到西部典型草原Hurst指數(shù)逐漸遞減，逐漸呈現(xiàn)顯著性。在接下來的時間范圍內(nèi)，呼倫貝爾草原生長季植被NDVI大概率會表現(xiàn)出下降趨勢，可能會對生態(tài)系統(tǒng)、土地、碳循環(huán)、農(nóng)業(yè)、水資源管理和生物多樣性等方面產(chǎn)生負面影響。

3.6 研究區(qū)NDVI對氣候因子的響應(yīng)

呼倫貝爾草原NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.864～0.841，有11.65%的正相關(guān)區(qū)域和88.35%的負相關(guān)區(qū)域［如圖6（a）］。負相關(guān)作用區(qū)域從東向西貫穿整個區(qū)域，而正相關(guān)作用的區(qū)域在研究區(qū)西北部，沿國界分布。整體上，呼倫貝爾草原與氣溫呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系。NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.669～0.869，空間上有96.3%的正相關(guān)區(qū)域和3.7%的負相關(guān)區(qū)域［如圖6（b）］。正相關(guān)區(qū)域集中分布在呼倫貝爾草原中部、北部和西部，負相關(guān)區(qū)域分布在呼倫貝爾草原西北部和東北部。由此表明，呼倫貝爾草原NDVI與降水之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，且降水量的增加是促進該地區(qū)植被生長的主要驅(qū)動力。

在不同植被類型區(qū)中，典型草原NDVI與溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.747～0.667。正相關(guān)像元占比為8.4%，主要集中分布在呼倫貝爾草原北部邊境線一帶；而負相關(guān)像元占比則為91.6%，主要分布在典型草原的東部（如圖7）。典型草原NDVI與氣溫呈現(xiàn)出顯著負相關(guān)關(guān)系。NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.669～0.872，空間上有98.03%的區(qū)域呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，幾乎遍布了整個區(qū)域。由此可見，典型草原的植被長勢雖與氣溫呈負相關(guān)關(guān)系，但在大部分區(qū)域這種關(guān)系并不顯著，而與降水之間的關(guān)系則呈顯著正相關(guān)，且具有普遍性。

草甸草原NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.773～0.619，正相關(guān)區(qū)域面積占比為13.17%，主要集中分布在草甸草原西部；負相關(guān)區(qū)域面積占比為86.83%，主要集中分布在草甸草原東部（如圖8）。從呼倫貝爾草甸草原西部到中東部，草甸草原整體上隨著氣溫升高植被長勢呈下降趨勢，并且這種負相關(guān)關(guān)系顯著的區(qū)域比典型草原的更大、更明顯。NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.676～0.844，正相關(guān)區(qū)域面積占比為95.05%，集中分布在草甸草原區(qū)的中西部；負相關(guān)區(qū)域面積只占4.95%，呈零星分布。這說明草甸草原的植被生長情況與氣溫和降水都有關(guān)系，氣溫上升抑制植被生長，降水增加促進植被生長，NDVI受降水的影響更大。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

①呼倫貝爾草原植被多年生長季NDVI均值在空間上呈現(xiàn)東高西低的分布格局，2020—2023年呈波動增長趨勢，以無顯著變化為主，植被穩(wěn)定性低，波動性較高；從今后的變化趨向來看，呼倫貝爾草原未來時間序列變化以反持續(xù)性為主，即未來一段時間研究區(qū)的NDVI呈下降趨勢。

②2020—2023年，呼倫貝爾草甸草原和典型草原NDVI均呈現(xiàn)波動上升趨勢；典型草原植被穩(wěn)定性偏低，而草甸草原植被穩(wěn)定性高；在未來一段時間內(nèi)，這2種類型草原的NDVI都將呈現(xiàn)下降趨勢。

③在氣候方面，相較于氣溫，草甸草原和典型草原植被的生長狀況受降水的影響更為明顯，區(qū)域降水增加是促進NDVI增加的主要驅(qū)動力。氣溫變化對典型草原植被長勢的影響不明顯，但對草甸草原的植被生長有一定的抑制作用。

4.2 討論

2000—2023年，呼倫貝爾草原NDVI呈現(xiàn)增加趨勢，生態(tài)系統(tǒng)有向好發(fā)展的趨勢。由分析得到，呼倫貝爾草原的植被長勢波動性較高，穩(wěn)定性較差，意味著這些地區(qū)的植被生長不夠穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)容易受到干擾及破壞，需要人們加強生態(tài)環(huán)境保護。持續(xù)性分析結(jié)果顯示，呼倫貝爾草原未來的植被生長態(tài)勢預(yù)計將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從目前向好、持續(xù)改善的趨勢，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N減退或下降的發(fā)展軌跡，這會對未來的生態(tài)環(huán)境保護工作帶來負面影響。因此，需要采取相應(yīng)措施來應(yīng)對這一問題，以保護草原生態(tài)環(huán)境。

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