岳胜如１，李瑞平１，徐 冰２
（１．内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 ０１００１８；２．水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 ０１００２０）
摘要：内蒙古中部农牧交错区域生态系统比较脆弱，气候影响下的植被覆盖度变化和气象驱动力是该地区生态系统变化的主导因子。基于遥感ＭＯＤ１３ Ａ２获取内蒙古中部２０００－２０１２年归一化植被指数（ＮＤＶＩ）数据，监测近１３年内蒙古中部植被覆盖度变化，并对与植被生长相关的气象因子进行相关性分析。结果表明，２０００－２０１２年内蒙古中部平均植被覆盖度在波动中呈现缓慢增长的趋势，平均每年增长１．29个百分点；覆盖度变化与年降雨量和７、８月降雨量呈极显著正相关，与７、８月平均温度呈显著负相关，与年均温度、风速相关程度低。
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关键词 ：遥感；植被覆盖度；气象因子；农牧交错区；生态系统
中图分类号：Ｓ１６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０７－１５７４－０４
ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０７．０１０
植被覆盖度是指观测区域内植被垂直投影面积占地表总面积的比例，是反映植被数量的重要参数，也是描述生态系统变化的重要指标。内蒙古自治区作为我国北部重要的生态屏障，拥有全国最大的草原和林区。近年来，受全球气候变化的影响，天气灾害、农业气象灾害、农业生物灾害呈频发趋势。农牧业主要依赖自然条件再生产的物质生产元素，受天气气候条件影响很大，某种程度上，气象条件成为决定农牧业生产丰歉的重要因素。国内外学者在植被遥感覆盖度监测及驱动因子上做了大量的研究工作。苗正红等［１］基于ＭＯＤＩＳ ＮＤＶＩ对吉林省植被覆盖度动态进行遥感监测；韩佶兴［２］对２０００-２０１０年东北亚地区植被覆盖度变化进行了研究；刘超［３］对内蒙古阿拉善东南部地区２０年来植被覆盖度及生态环境进行了研究；邓慧平［４］将降雨看作是草原生态系统生产力的主导因子，建立了松嫩草原生产力模型。对于农牧交错、生态系统脆弱的内蒙古中部区域，研究其植被覆盖度变化和气象驱动力对该地区生态环境质量具有极其重要的现实意义。为此，以生态比较脆弱的内蒙古中部农牧交错带为研究区，基于多年ＭＯＤＩＳ遥感数据来分析该区域植被覆盖度变化，并对植被生长相关的气象因子进行相关性分析。
１ 研究区概况
研究区（图１）位于东经１０４°５２′－１２４°１１′，北纬３７°２３′－４６°５９′，包括除呼伦贝尔盟、阿拉善盟外的内蒙古其余盟市，总面积６５．１５万ｋｍ２。以高原为主，高原的外沿分布着河套平原和辽嫩平原，平均海拔１ ０００ ｍ，年均降雨量３００ ｍｍ，年平均气温４．８ ℃，以温带大陆性季风气候为主。内蒙古中部为农区和牧区的交错区，河套平原和辽嫩平原为主要农耕区，大部为草原，从东到西依次为草甸草原、典型草原、荒漠草原，植被覆盖度也随之降低，呈现明显的条带性分布。
２ 数据来源
２．１ 气象数据
气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网。查询获得近１３年来东乌珠穆沁等１８个研究区域内气象站的年降雨量、年平均气温、年平均风速、每年７、８月降雨量、７、８月平均气温及平均风速。
２．２ 植被指数数据
本研究采用美国航空航天局（ＮＡＳＡ）提供的ＭＯＤ１３ Ａ２ １ ｋｍ １６ ｄ合成的归一化植被指数（ＮＤＶＩ）遥感数据产品。ＮＤＶＩ在植被研究中得到广泛应用，它是植被生长状态和分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性关系。试验表明当植被覆盖度低于１５％时，能区分土壤背景和植被；当植被覆盖度为２５％～８０％时，ＮＤＶＩ随植被覆盖度增加呈线性关系；植被覆盖度大于８０％时，监测能力逐步下降。
３ 结果与分析
３．１ 植被覆盖度监测结果
利用像元二分法原理将归一化植被指数（ＮＤＶＩ）转化为植被覆盖度。像元二分法是假定地物只由全植被覆盖的纯植被和无植被覆盖的裸土组成，像元光谱信息也由这两部分线性组合而成，它们各自面积在像元中的比例即各自权重，其中纯植被所占比例即是该像元的植被覆盖度。该模型具有普遍性意义，经过验证后可以应用于其他地区，是通用的植被覆盖度算法，转化公式为：
ｆｖ＝■ （１）
式中，ｆｖ为植被覆盖度，ＮＤＶＩ为归一化植被指数，ＮＤＶＩｓｏｉｌ为裸土ＮＤＶＩ，ＮＤＶＩｖｅｇ为完全植被覆盖ＮＤＶＩ。对于多数裸土表面，ＮＤＶＩｓｏｉｌ值理论上为０，但由于受众多因素影响，其值在－０．１～０．２之间变化［５］；同时ＮＤＶＩｖｅｇ也会随植被类型和时空变化而改变，通常需要借助经验来判断。本研究借鉴前人研究成果确定ＮＤＶＩ累积频率５％为ＮＤＶＩｓｏｉｌ值，累积频率９５％为ＮＤＶＩｖｅｇ值，处理得２０００-２０１２年覆盖度及其变化监测结果见图２。
根据水利部２００８年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》中植被覆盖度分级标准，将植被覆盖度划分为５个等级，即﹤３０％（低植被覆盖）、３０％～４５％（中低植被覆盖）、４５％～６０％（中等植被覆盖）、６０％～７５％（中高植被覆盖）、≥７５％（高植被覆盖），对２０００-２０１２年内蒙古中部植被覆盖度进行统计，各等级面积监测结果见表１。
以２００３年国家标准《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》中植被群落特征的总覆盖度为指标，监测结果表明，２０１２年较２０００年，植被覆盖度下降区域占研究区域面积的２．７２％，３８．７６％的区域植被覆盖度稳定，而５８．５２％的区域呈不同程度增长，详细监测结果如表２。
植被覆盖度下降地区主要分布在苏尼特左旗北部、东乌珠穆沁旗东北部、通辽东部和呼和浩特市周边。对年均植被覆盖度进行分析得出其变化趋势见图３，从图3可以看出植被覆盖度由２０００年的４０．６７%上升到２０１２年的５６．１５%，除２００１年有小幅度下降外，２００２年到２００７年植被覆盖度基本稳定；２００８年较前几年出现明显增长，不过２００９年出现大幅下降，接下来的３年呈现快速增长，且２０１１年达到近１３年平均水平，２０１２年则出现近年来新的植被覆盖度峰值。总体而言，除２００８、２００９年植被覆盖度出现较大波动以外，2000-2012年内蒙古中部植被覆盖度水平呈缓慢增长趋势，每年增长１．29个百分点。
３．２ 气象驱动因子分析
作为草原生态变化的重要外在因素，气候因子与植被关系的确定及预测气候变化对内蒙古中部植被影响具有重要意义。降雨是草原水分的重要来源，在草地的生长和演替中发挥重要作用；温度作为比较活跃的气候因子，对蒸发、降雨、空气湿度有着重要作用，对植被生长的各个阶段均有重要影响；风速是研究内蒙古中部植被覆盖度不可缺少的气候因子。研究表明，不同草场的风蚀率都随着风速的增加而增加，风速小于１２ ｍ／ｓ时各草场的风蚀率较小，且增长较为缓慢，当风速由１２ ｍ／ｓ增加到１６ ｍ／ｓ时，风蚀率有明显增长，当风速超过１６ ｍ／ｓ，风蚀率仍增长，但速率较为缓慢［６］。
利用ＡｒｃＧＩＳ软件对获取的点气象数据进行距离权倒数（ＩＤＷ）插值处理，得到与遥感数据相匹配的空间数据，２０００-２０１２年年降雨量、年均温度、年均风速、７~８月降雨量、平均温度和风速的空间数据如图４。
在处理得到气象插值数据、遥感监测结果的基础上，使用最小二乘法ＣＯＲＲＥＬ函数分别计算年降雨量、年均温度、年均风速、７~８月降雨量、平均温度和风速与植被覆盖度的相关系数。ＣＯＲＲＥＬ计算公式：
ｒｘｙ＝■ （２）
式中，ｎ为变量个数，ｘｉ、ｙｉ为变量，ｒｘｙ为相关系数。分析结果见表３。由表３可知，７、８月降雨量之和与植被覆盖度相关系数最大，为０．８６１ ９。夏季温度高、蒸发量大，水分在植被生长中的作用尤为突出，因此，７、８月降雨量之和与植被覆盖度关系最为密切。年降雨量与植被覆盖度相关系数为０．８１３ ９，其与植被覆盖度呈高度相关。７、８月平均气温与植被覆盖度相关系数为－０．５７４ ０，两者中度负相关。从植物生理特点分析，温度升高、蒸发量增加，植物气孔关闭，对植物的生长呈抑制作用。年均气温、风速及７、８月平均风速与植被覆盖度相关系数较低，且呈负相关。
４ 结论与讨论
通过遥感监测分析内蒙古中部植被覆盖度和气象驱动因子，得到结论如下：
１）２０１２年较２０００年，只有苏尼特左旗北部、东乌珠穆沁旗东北部、通辽东部和呼和浩特市周边植被覆盖度下降，其中调查发现，呼和浩特市周边地区植被覆盖度下降的主要原因是城市的开发建设占用了大量的耕地、草地。
２）内蒙古中部地区２０１２年较２０００年，植被覆盖度下降区域仅占研究区域面积的２．７２％，３８．７６％的区域植被覆盖度基本稳定，而５８．５２％的区域呈不同程度增长，植被覆盖度在波动中呈缓慢增长趋势，年均增长１．29个百分点。
３）年降雨量和7、8月降雨量与植被覆盖度呈极显著正相关，且夏季７、８月降雨量对植被覆盖度影响最大。７、８月平均温度与植被覆盖度呈显著负相关，即温度升高对植被生长产生抑制作用。年均温度、风速对内蒙古中部植被覆盖度的影响不大，呈负相关，但不显著。
植被覆盖度监测是一个长期、大范围的过程，应在生态敏感区域设置常年采样区，对植被覆盖度变化进行实地调查。在植被覆盖度气象驱动因子分析基础上，结合社会、人文等综合因素，更好地揭示植被变化的内在原因。
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参考文献：
［１］ 苗正红，刘志明，王宗明，等．基于ＭＯＤＩＳ ＮＤＶＩ的吉林省植被覆盖度遥感动态监测［Ｊ］．遥感技术与应用，２０１２，２５（３）：３８７－３９３．
［２］ 韩佶兴．２０００－２０１１年东北亚地区植被覆盖度变化研究［Ｄ］． 北京：中国科学院，２０１２．
［３］ 刘 超．内蒙古阿拉善东南部地区近二十年来植被覆盖度及生态环境研究［Ｄ］．北京：中国地质大学，２０１３．
［４］ 邓慧平．全球气候变化对松嫩平原土壤水分和生产力影响研究［Ｊ］．草地学报，１９９８，６（２）：１４７－１５２．
［５］ ＣＡＲＬＳＯＮ Ｔ Ｎ，ＲＩＰＬＥＹ Ｄ Ａ．Ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＮＤＶＩ， ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒ，ａｎｄ ｌｅａｆ ａｒｅａ ｉｎｄｅｘ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Sｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，１９９７，６２（３）：２４１－２５２．
［６］ 乌 兰，乌兰巴特尔，李云鹏．内蒙古自治区生态与农牧业气象服务体系研究［Ｍ］．北京：气象出版社，２００９．