2001–2016年内蒙古草地覆盖度时空格局及其对水热因子的响应
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我国天然草原面积近4亿hm2，草原资源丰富，是我国面积最大的陆地生态系统[1]。作为生态文明建设的主阵地，草地是陆地生态系统中一个巨大的碳库，同时具有水源涵养、水土保持、生物多样性保护和防风固沙等多种重要的生态功能[2-4]。植被覆盖度是指植被(含叶、茎、枝)在地面垂直投影面积占总面积的百分比[5-6]，它是表征陆地表面植被量的一个重要参数，同时也能明显地描述生态系统变化。
根据测量方式的不同，测定植被覆盖度的方法分为地面测量和遥感反演。野外实地测量是传统的植被覆盖度测量方法，广泛应用于田间尺度，依据原理不同分为目估法、采样法和仪器法[7-8]；遥感反演多应用于区域大尺度，遥感反演植被覆盖度的方法分为经验模型法、混合像元分解法以及基于数据挖掘基础的决策树法和神经网络法[9]。比起地面测量，遥感反演植被覆盖度能够获得连续、空间展布的大尺度面状数据，准确性更高、操作也更加方便快捷[10]。
内蒙古位于国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)全球变化研究典型陆地样带中国东北陆地样带之内，是全球变化最为敏感的区域[11]，生态环境十分脆弱；加之复垦、滥垦以及过牧等人为因素的影响，导致内蒙古天然草原严重退化趋势严重，草地覆盖度减小，严重制约了我国草地畜牧业的可持续发展和农牧民收入的稳定增长[12-13]。为恢复和改善生态环境以及社会经济的可持续发展，1997年我国在不适宜农业生产的地区开始实施退牧还草工程。退牧还草工程在保护和改善我国草原生态环境、促进草畜平衡及社会经济可持续发展等方面均具有十分重要的现实意义。在国内外相关研究成果的基础上，本研究利用卫星遥感数据、地面气象观测数据及其他统计资料，通过像元二分模型估算草地覆盖度，分析2001–2016年内蒙古草地覆盖度的时空变化格局及其对气候因子的响应，揭示内蒙古草地生态系统16年来的演变规律，对退牧还草工程实施以来内蒙古的草地植被恢复效果、长势进行定量监测与动态评价，以期从宏观上准确、有效地揭示草地恢复与生长情况，并对其生态效益驱动力机制进行分析，为草原管理和相关决策提供科学依据。
1. 数据来源与方法
1.1 研究区概况
内蒙古自治区(37°24'–53°23' N，97°12'–126°04' E)位于中国北部边疆，由东北向西南方向倾斜伸展，整体呈狭长的带状分布，南北纵跨1 700 km，东西跨越2 400 km；面积118.3万km2，约占中国土地总面积的12.3%。气候以温带大陆性季风气候为主，地形以高原为主；受纬度地带性及季风影响，自东向西依次分布寒温带明亮针叶林带、中温型夏绿阔叶林带、中温型草原带、暖温型草原带和暖温型荒漠带5个植被类型带[14]。
草地总面积约为8 666.7万hm2，约占全区土地总面积的60%，占全国草地总面积的1/4以上，其中可利用草地面积6 818万hm2。内蒙古天然草原退牧还草工程于2002年开始试点，2003年正式启动。退牧还草措施有效减少了草原“三化”面积，同时也遏制了草原生态系统的总体恶化趋势。据《内蒙古自治区草原监测报告》显示，2013年内蒙古工程区草地覆盖度达到58.91%，比非工程区高11.95个百分点。自退牧还草工程实施以来，内蒙古草原生态环境明显好转，已接近80年代中期最好水平。同2000年相比，内蒙古减少三化草原59.1万hm2，草原面积新增63.5万hm2。
1.2 数据来源
采用NASA提供的2001–2016年MOD13A1级数据产品，时间分辨率为16 d，空间分辨率为500 m × 500 m。借助MODIS Reprojection Tools (MRT)软件对数据产品进行格式转换与影像拼接，利用最大值合成法减少云、大气和太阳高度角等因素对NDVI影像的影响，并得到每个月的NDVI数据。
利用中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)提供的2001–2016年内蒙古及其周边94个标准气象站点的月平均温度、月总降水量及月总太阳辐射数据，并根据各气象站点的高程及经纬度信息进行Kriging空间插值。
本研究所涉及的土地利用覆盖数据采用2007年MCD12Q1产品(采用中间年份的土地利用数据，着重考虑水热因子对草地的变化)，空间分辨率为500 m × 500 m。MCD12Q1产品的IGBP分类法在全球范围内的分类精度达到74.8%，其中72.3%～77.4%的区域达到95%的置信区间[15]，IGBP分类系统下内蒙古地区各种主要土地覆盖类型的分类精度为草地66%，农田58%，稀疏灌丛85%，混交林65%，荒漠74.5%，城市93%[16]。该数据产品采用IGBP分类标准将全球的土地覆被分成17种类型，本研究将其重分类为与中国科学院资源环境科学数据中心(NRED)分类标准相对应的6类，并将开放灌丛、典型草原、森林草原、稀树草原和永久湿地合并为草地 (图1)。
1.3 研究方法
1.3.1 像元二分模型
本研究运用像元二分模型模拟内蒙古草地覆盖度，假设每个像元的NDVI值均由草地覆盖和土壤两部分组成，则其公式如下：
$ NDVI = NDV{I_{\text{v}}} \times {C_i} + NDV{I_{\text{s}}} \times (1 - {C_i}){\text{。}} $
(1) 式中：NDVIv为草地覆盖部分的NDVI值，NDVIs为土壤部分的NDVI值，Ci表示草地覆盖度。
在实际运算过程中，本研究分别用草地生长季内植被NDVI的最大值(NDVImax)和最小值(NDVImin)分别代替NDVIv和NDVIs，则其覆盖度公式如下：
$ {C_i}{\text{ = }}\frac{{NDVI - NDV{I_{\min }}}}{{NDV{I_{\max }} - NDV{I_{\min }}}}{\text{。}} $
(2) 1.3.2 年际变化趋势计算
基于像元的一元线性回归分析，模拟16年来内蒙古草地覆盖度的变化趋势，计算公式为：
${\theta _{\rm slope}} = \frac{{n \times \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{n} {i \times {C_i} - \left(\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n i \right) \times \left(\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{C_i}} \right)} }}{{n \times \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{i^2}} - {{\left(\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n i \right)}^2}}}{\text{。}} $
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$F = U \times \frac{{n - 2}}{Q}{\text{。}} $
(4) $U = {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n (\mathop {{y_i}}\limits^ \wedge - \overline y )^2}{\text{。}} $
(6) $Q = {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n ({y_i} - \mathop {{y_i}}\limits^ \wedge) ^2}{\text{。}} $
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1.3.3 草地覆盖度与气候因子相关性计算
运用基于像元的空间分析法来计算内蒙古的草地覆盖度与气候因子的相关性，计算公式如下：
${R_{xy}} = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left[ {\left( {{x_i} - \overline x } \right) \times \left( {{y_i} - \overline y } \right)} \right]} }}{{\sqrt {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{x_i} - \overline x } \right) \times \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{y_i} - \overline y } \right)} } } }}{\text{。}} $
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相关系数的显著性检验采用F检验，并根据F检验的结果将内蒙古草地覆盖度与气候因子的相关性分为5个变化等级。
2. 结果与分析
2.1 空间分布特征
内蒙古草地覆盖度总体上呈现出由东北到西南逐渐递减的空间分布格局(图2)。研究区16年来平均草地覆盖度介于0～95%，年际平均值为37.90%。16年间内蒙古草地生态系统的平均空间分布中，将其平均划分为5个等级，等级从低到高草地面积占全区草地总面积的比例分别为6.04%、53.72%、34.08%、6.13%和0.03%。
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图 2 2001–2016年内蒙古草地植被覆盖度年均分布Figure 2. Annual distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 201616年来内蒙古开放灌丛、森林草原、稀树草原、典型草原和永久湿地5种草地类型平均覆盖面积占比分别为2.06%、4.14%、0.71%、93.08%和0.01%；不同草地类型的平均年际覆盖度有较大差异，其值分别为27.93%、62.90%、61.12%、36.83%和48.67%。内蒙古草地覆盖度也具有明显的经向地带性，不同地区草地植被覆盖度空间差异明显，东北部草原区(如大兴安岭北段、松辽平原东部和中部)草地覆盖度最大，中部典型草原区(如西辽河平原、大兴安岭中段)草地覆盖度次之，西部荒漠草原区(如内蒙古东部、呼伦贝尔平原、鄂尔多斯及内蒙古高原)草地覆盖度最低。
2.2 时间变化特征
利用趋势分析法综合分析2001–2016年内蒙古草地覆盖度的年际变化，总体上呈波动上升趋势。内蒙古草地覆盖度16年年际平均值为37.90%，草地覆盖度从2001年的35%到2016年的38.84%，增加了10.97%；2006年(35.84%)和2009年(36.04%)出现了2次明显的波谷；2002年(38.32%)、2008年(39.41%)和2014年(40%)出现了3次明显的波峰，且内蒙古草地覆盖度在2014年达到最大值。
分析2001–2016年内蒙古草地覆盖度的年际趋势变化格局(图3)，其在35%～40%波动，大部分地区草地覆盖度呈增长趋势，16年的平均年增长率约为0.16%。显著性检验结果(图4)表明，草地覆盖度呈增长趋势的草地面积为6 456.69万hm2，占内蒙古草地总面积的74.50%，主要分布在鄂尔多斯及内蒙古高原、呼伦贝尔平原、大兴安岭北段和松辽平原中部草原区等。增加不显著(P > 0.05)的草地面积占草地总面积的48.29%，除森林草原外，其他4种草地类型增加不显著的草地面积占比均在50%左右；显著增加(P < 0.05)的草地面积占比为9.00%，其中森林草原显著增加的草地面积占比为92.39%；极显著增加(P < 0.01)的草地面积占比为17.21%，其中开放灌丛极显著增加。草地覆盖度呈减少趋势的草地面积为2 210.01万hm2，占内蒙古草地总面积的25.50%，主要分布在内蒙古东部草原和西辽河平原草原区等；其中不显著减少的草地面积占草地总面积的22.95%，显著减少的草地面积占1.51%，极显著减少的草地面积占1.04%。
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图 3 内蒙古草地覆盖度年际趋势变化Figure 3. Spatial distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016![]()
图 4 内蒙古草地覆盖度差异显著性检验分析Figure 4. Grassland coverage analysis of difference salience in the Inner Mongolia2.3 草地覆盖度对平均气温的响应
16年间内蒙古气候因子空间差异明显，草地生态系统年平均气温介于–3.50～9.89 ℃，年际平均值为4.17 ℃，年均温总体呈现出由西南向东北方向逐渐递减的趋势。对内蒙古草地覆盖度与年均温进行相关性分析，显著性检验结果(图5a)表明，内蒙古大部分地区覆盖度的变化与年均温无显著相关性(P > 0.05)，该类面积高达8 366.95万hm2，占草地总面积的95%，说明温度并不是影响内蒙古草地覆盖度的主要气候因子。统计结果表明，整个研究区内，草地覆盖度与年均温的平均相关系数为0.058(P > 0.05)。草地覆盖度与年均温呈极显著(P < 0.01)正相关关系的草地面积为48.16万hm2，占草地总面积的0.56%，主要分布于内蒙古中部草原地区；呈显著相关关系的草地面积为207.13万hm2，占草地总面积的2.39%，说明这两类地区草地覆盖度随温度升高而增加。草地覆盖度与年均温呈显著(P < 0.05)负相关关系和极显著(P < 0.01)负相关关系的草地面积之和为44.24万hm2，占草地总面积的0.51%。
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图 5 内蒙古草地覆盖度与温度(a)、降水(b)的显著性检验Figure 5. Significance relationships between vegetation and temperature (a) and precipitation (b) in Inner Mongolia grassland2.4 草地覆盖度对年总降水量的响应
2001–2016年内蒙古草地生态系统平均年总降水量介于65.97～532.93 mm，其年际平均值为329 mm。分析内蒙古草地覆盖度与年总降水量的相关性，内蒙古大部分草地与年总降水量无显著相关性(P > 0.05)。显著性检验(图5b)结果表明，全区草地覆盖度与年总降水量的平均相关系数为0.269(P > 0.05)。草地覆盖度与年降水呈极显著(P < 0.01)正相关关系的草地面积为365.92万hm2，占草地总面积的4.22%；呈显著(P < 0.05)正相关关系的草地面积为1 101.55万hm2，占草地总面积的12.71%，说明降水是影响这两类地区草地覆盖度的主要气候因子之一。草地覆盖度与年总降水量呈极显著负相关和显著负相关关系的草地面积之和为101.51万hm2，共占草地总面积的1.17%；无显著相关性的草地面积占草地总面积的81.93%。2001年、2013年和2016年年均温相同，但由于年总降水量的不同，导致内蒙古对应年份的草地覆盖度与降水量的增减呈正向变化关系。
3. 讨论与结论
本研究利用像元二分模型，估算出2001–2016年内蒙古草地平均覆盖度为37.9%，与年均温和年降水量均无显著相关性(P > 0.05)，其平均相关系数分别为0.058、0.269。许旭等[17]对1982–1999年间内蒙古温带草原区植被盖度研究表明，该地区草原生长季植被平均盖度与同期降水的平均相关系数达0.646，本研究与其差异较大主要是因为该研究区处于温带草原区，水热条件配置较好，有利于草原植被的生长；穆少杰等[18]研究得到，2001–2010年内蒙古草原区植被覆盖度与降水量的平均相关系数为0.32；也有研究[19-21]认为，降水是内蒙古草原植被生长的主要限制性因子，这与本研究结果一致。由于草地类型数据来源、研究时段和模型参数设置的差异，本研究将MCD12Q1产品重分类为与中国科学院资源环境数据中心(NRED)分类标准相对应的6类，其中内蒙古西北荒漠地区草地覆盖较少；除此之外，模型中输入的气象栅格数据是气象站点的观测值通过Kriging空间插值得到的，空间插值过程会造成一定的偏差，因此与以往研究和监测报告相比，内蒙古草地覆盖度及其与降水的相关关系研究结果也呈明显不同。
2001–2016年，内蒙古草地覆盖度年际平均值为37.90%，草地覆盖度从2001年的35%到2016年的38.84%，增加了10.97%。16年间内蒙古草地生态系统的平均空间分布中，53.72%的草地覆盖度介于20%～40%，仅0.03%草地覆盖度在80%以上。2006年(35.84%)和2009年(36.04%)出现了2次明显的波谷；2002年(38.32%)、2008年(39.41%)和2014年(40%)出现了3次明显的波峰，且内蒙古草地覆盖度在2014年达到最大值。总体来说，内蒙古草地覆盖度与年均温和年降水量均无显著相关性，但与年降水量的平均相关系数(r = 0.269，P > 0.05)大于与年均温的平均相关系数(r = 0.058，P > 0.05)；其中与温度无显著相关性的草地面积占草地总面积的95%，与降水无显著相关性的草地面积占草地总面积的81.93%。
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图 2 2001–2016年内蒙古草地植被覆盖度年均分布
Figure 2. Annual distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016
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图 3 内蒙古草地覆盖度年际趋势变化
Figure 3. Spatial distribution of grassland vegetation in Inner Mongolia from 2001 to 2016
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图 4 内蒙古草地覆盖度差异显著性检验分析
Figure 4. Grassland coverage analysis of difference salience in the Inner Mongolia
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