内蒙古阴山北麓地区农牧交错带植被的年际变化

内蒙古阴山北麓地区农牧交错带植被的年际变化

1植被指数ndvi变化及其对气候变化的响应植被是气候、地形、土壤和人类活动长期相互作用的结果。其分布、组成、发生和发展总是与环境条件密切相关，尤其是与气候条件密切相关。遥感技术是研究宏观区域植被动态变化的较好手段。植被指数是根据绿色植物在可见光和近红外波段特有的光谱特征反演而来的,是一个宏观表征地表植物覆盖和生长状态的较好指标(Tucker,1979;Justice,1986)。由于气候变化被认为是引发地表覆盖变化的主要原因之一(Lambin&Strahler,1994),同时地表植被指数(NDVI)在一定程度上能代表地表覆盖状况,因而针对植被指数NDVI变化及其对气候变化的响应关系的研究受到广泛关注(Nicholson&Farrar,1994;高琼等,1997;高志强和刘纪远,2000;Li&Kafatos,2000;夏虹等,2007)。国外一些研究认为NDVI与气温、降水量有简单的相关关系,如非洲波兹瓦纳地区当降水量<500mm·a-1或50～100mm·month-1时,NDVI与降水量呈线性关系(Nicholson&Farrar,1994);非洲布基纳法索气温与降水是影响植被覆盖变化的显著性因子,都与NDVI呈明显的正相关关系(Groten,1993)。国内一些科学家也利用时间序列的NOAA/AVHRR植被指数数据,结合同期的温度、降雨数据,进行了中国主要植被类型的遥感特征参数NDVI的变化及其对气候变化响应的研究(孙红雨等,1998;李晓兵和史培军,2000;刘绿柳和肖风劲,2006)。农牧交错带是中国传统农业区域与畜牧业区域相交汇和过渡的地带,是生态环境非常脆弱的地区,是全球气候变化最敏感地区之一(秦尚云和高振林,2000;海春兴等,2005;李晓娜等,2005;刘亚玲等,2005)。研究中国北方农牧交错带的植被变化与气候变化的关系,有助于理解区域植被变化对气候变化的响应特征,对进一步指导该区域植被重建和生态恢复工作具有重要意义。2研究领域和方法2.1降水、水文条件阴山北麓位于内蒙古自治区中部,属阴山山地向蒙古高原过渡带,是典型的农牧业交错地区。地跨107°12′E—117°30′E,40°31′N—43°28′N,包括锡林郭勒盟、乌兰察布盟、呼和浩特市、包头市和巴彦淖尔盟农牧交错区的12个旗县,东西距离800km,南北距离290km,总面积约41730km2。本区属中温带半干旱大陆性季风气候,干旱少雨,风大沙多,无霜期短是其主要特征。年降水量200～400mm,65%～70%的降水集中在7—9月。年蒸发量相对较大,平均变动在1600～2400mm(潘志华等,2003),干旱频率为50%～75%。无霜期90～120d。年均风速4～6m·s-1,全年>8级大风日数20～80d,沙尘暴日数5～10d。土壤主要为沙质栗钙土和棕钙土。总土地面积中农田占36.0%,林地占4.8%,草地占50.6%,其它用地占8.6%。阴山北麓地区传统习惯认为包括12个旗县,即二连浩特、苏尼特右旗、四子王旗、镶黄旗、达茂旗、乌拉特中旗、化德、商都、察右后旗、察右中旗、武川、乌拉特前旗。为了便于研究,本文的研究区由传统的12个县扩大到15个县,增加了临河、五原、固阳,较传统认定的阴山北麓地区大,空间是连续的。2.2与降水2个气象因子的对比研究区有15个中国气象局布设的基本站、基准站,研究使用的1951—2004年的日观测基本气候资料来源于国家气象信息中心,重点对温度与降水2个气象因子进行了分析。收集了1982—2003年8kmNASA/GIMMS植被指数(NDVI)数据,这是美国全球调查模拟和制图研究项目制作的,使用美国NOAA-7,9,11,14,16的AVHRR数据合成半月植被指数数据集。基于进一步处理的NASA/GIMMS半月合成的植被指数(NDVI),还收集了研究区1∶400万土地利用图和全国行政边界图,来提取研究区的边界及土地利用图。2.3研究区年平均温度和年降水量的测量气象数据的处理主要包括异常值和缺测值的去除,由于研究区范围比较小,而且气象台站稀少,所以采用统计的方法计算研究区气象因子的平均值。各站的年平均温度是当年12个月的平均值,年降水量是12个月的总降水量。整个研究区的年平均温度是15个气象站的年平均温度的平均值,年降水量是15个气象站的年降水量的平均值。使用ENVI图像处理软件对收集到的1982—2003年8kmNASA/GIMMS半月合成的植被指数(NDVI)数据进行处理,主要过程包括图像格式转换、投影、裁剪、波段叠合等,生成研究区的相应数据集;在地理信息系统软件Arc/GIS的支持下,提取了研究区行政边界、土地利用图,并投影到与研究区遥感图像NDVI一致的坐标参数下;使用PCI软件按照行政区域、土地利用类型等提取出22年植被指数过程曲线;提取出的结果在EXCEL的支持下,进行了绘图和分析。采用统计分析法,研究气象因子与植被因子之间的统计关系。3结果与分析3.1ndvi年际变化研究区内1982—2003年NDVI年平均值时间序列表明(图1)NDVI呈增长趋势。NDVI年累积值的距平(图2)表明,20世纪90年代以来除1991、1992、1993、2001年为负值外其它年份NDVI年平均值距平都为正值,80年代除1984、1988年外其它年份的NDVI年平均值距平多为负值,90年代以来NDVI高于22年的均值,而80年代NDVI低于22年的均值,而且,90年来以来的NDVI年际波动(-0.3～0.3)小于80年代(-0.5～0.4),表明植被生长状况较80年代稳定。此外,在1983年、1989年和2001年,NDVI出现3个明显的低谷,年距平分别约为-0.4、-0.5和-0.3左右,表明这3年的植被生长状况较其它年份差。总体来说,该地区近22年来植被生长状况逐渐向好的方向发展。3.2农业区年累积植被指数的动态根据研究区的1∶400万的土地利用图,考虑土地利用方式的差异,该研究区大致分为以牧业为主的区域(简称牧业区)、农牧并重的区域(简称农牧区)和以农业为主的区域(简称农业区)。本文的牧业区包括二连浩特、苏尼特右旗、四子王旗、达茂旗、乌拉特中旗;农牧区包括镶黄旗、固阳县、乌拉特前旗;农业区包括化德县、商都县、察右后旗、察右中旗、武川县、临河市、五原县。图3显示出研究区域内22年间牧业区、农牧交错区及农业区年累积植被指数动态存在明显差别。牧业区NDVI年累积值的变化幅度范围为2.8～3.7,农牧区NDVI年累积值的变化幅度居中大多为4.0～4.9,农业区NDVI年累积值的变化幅度范围为4.9～5.8,不同的土地利用方式是NDVI差异的主要来源。总体上,对于NDVI值域范围,牧业区<农牧区<农业区。农业区NDVI增高趋势大于非农业区,表明农业生产措施有利于改善农业区的植被覆盖状况。3.3研究区域的气候变化3.3.18年为0.8图4表明,研究区近50年来呈现出明显的增温效应,年平均温度的变化幅度为3℃～7℃,1956年为最低点达3.1℃,1998年为最高点达6.8℃。1998年也是近百年来最强的一次厄尔尼诺年,农牧交错带受大陆性气候和季风气候的共同影响,其温度的年际变化非常显著。根据趋势线和回归方程可以计算出,近50年平均气温升高约2℃,年均增幅0.04℃,说明该区域是全球变暖的正响应区域,而且增温幅度大于全国同期的平均水平,是一个对全球变化非常敏感的区域。3.3.2降水量的变化图5表明,研究区近50年来降水呈现出3个阶段,20世纪50—60年代降水量出现减少的趋势,70—80年代降水量处于过渡期且70年代稍大于80年代,90年代以后降水量呈现出增加的趋势。根据趋势线,21世纪初的年降水量基本上与20世纪60年代的降水量水平持平。如果降水量按照这种趋势增加,将有利于该地区的植被恢复。3.4年平均温度与植生长季的关系根据研究区全区年平均植被指数与年降水量的相关分析(图6)可知,年降水量在180～300mm的范围内,随着年降水量的增加,研究区的植被指数年平均值逐渐增大。但是,分析年平均温度与植被指数年平均值并没有发现明显的规律性,范锦龙等(2007)研究表明,该区域增温主要表现在冬季,冬季增温达0.06℃·a-1,而该区域的生长季约为5—9月,增温并不是与植被的生长相一致,而且该区域在生长季温度并不是制约因子。这两个因子与植被指数相关性的不同规律说明,该区降水对植被指数的影响非常大,降水的多寡决定了植被的生长状况,而且降水对植被生长的影响是首要的。4研究区降水特征利用气候及遥感数据,分析了阴山北麓农牧交错带植被指数NDVI变化特征、气候变化的特征以及植被指数变化与气候变化之间的相关关系。结果表明:1982—2003年22年间,阴山北麓农牧交错带地区NDVI总体趋势增高,90年代以来的NDVI明显高于80年代,且年际波动较小,表明该地区植被生长状况趋于良好和稳定;对于牧业区、农业区和农牧区,NDVI差异明显,牧业区<农牧区<农业区;研究区近50年来呈现出明显的增温效应,平均气温升高约2℃,年均增幅0.04℃;研究区近50年来降水呈现出3个阶段,20世纪50—60年代降水量出现减少的趋势,70—80年代降水量处于过渡期且70年代稍大于80年代,90年代以后降水量呈现出增加的趋势;研究区降水与植被指数呈正相关,降水对植被的影响非常大,降水的多寡决定了植被的生长状况,温度对植被指数的影响没有明显的规律性。研究表明,在全球变暖的背景下,研究区的确是在增温而且增温幅度大于全国平均水平,但增温对植被的影响目前没有结论。近20年来降水量总体呈增加的趋势,使得研究区的植被覆盖和植被生长状况呈现出略微改善的趋势。研究区不同的土地利用方式影响植被的覆盖和生长状况,作为天然草场其植被覆盖远较农业覆盖差,而农业区由于有农业耕作措施的投入,使得农业区的植被状况较好。该研究区除自然条件本身较为脆弱外,不合理