2020—2023年呼伦贝尔草原植被指数时空变化及其对气候的响应

摘 要：基于2020—2023年MODIS NDVI数据与同期的气象数据，采用Theil-Sen Median趋势法、Mann-Kendall检验法、变异系数法和Hurst指数法，对内蒙古呼伦贝尔草原生长季植被指数的时空变化规律进行研究，并结合气温、降水量数据进一步探究归一化植被指数（NDVI）对气候变化的响应。结果表明：①2000—2023年，呼伦贝尔草原生长季NDVI均值呈增长趋势，空间上呈现东高西低的分布格局；②植被稳定性低，波动性较大，未来变化趋势以反持续性显著为主，即未来一段时间内NDVI呈减少趋势；③草甸草原与典型草原的NDVI虽然均呈现上升趋势，但典型草原植被稳定性偏低，而草甸草原植被稳定性相对较高；在未来一段时间内，草甸草原和典型草原NDVI都将呈现减少趋势；④呼伦贝尔草原NDVI变化受降水的影响显著，降水增多是改善与提升植被生长状况的主要驱动力。

关键词：呼伦贝尔草原；NDVI；时空变化；气候因子

中图分类号：Q948.112 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）15-111-7

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.15.024

0 引言

草原是陆地生态系统的重要组成部分［1］，具有丰富的生物多样性，对干旱、半干旱地区生态环境保护与社会经济发展具有重要影响。然而，近年来气温升高、降水模式改变和极端天气增加，对草原生态系统造成了一定的压力。一方面，气候变化导致草原植物的生长受到限制，草地覆盖度减少，生物多样性受到影响［2］。另一方面，极端降水事件可能造成洪涝灾害，对草地根系造成损害，导致草地退化［3］。因此，不同时期的气候变化和波动均会对草原的生态系统稳定性和可持续发展构成潜在影响，而植被生长状态作为一种“指示器”，有助于分析气候变化［4-5］。

近年来，许多国内研究者进行了NDVI时空变化及其对气候变化的响应研究［6］。孟梦等［7］对1982—2012年GIMMS NDVI3g数据和同时期气象数据进行相关性分析，发现相较于气温，降水对内蒙古NDVI的影响更大。吴运力等［8］利用MODIS NDVI遥感数据、气象数据和植被类型数据，分析了2000—2020年内蒙古高原不同植被类型NDVI的变化特征及其与气象因子的关系，发现不同植被类型的NDVI和整个区域的NDVI均与降水量显著相关，高原全区NDVI的变化主要受水热共同影响。张清雨等［9］对内蒙古地区NDVI的研究结果显示，NDVI与降水量显著相关。但内蒙古东西狭长，跨越了湿润、半湿润、半干旱及干旱等多种气候带［10］，这一地理特性赋予了该地区丰富的植被多样性，植被变化也展现出显著的地域性特征和多种驱动因素之间的复杂差异。

呼伦贝尔草原的总面积为997.3万hm2，是世界四大草原之一，也是我国保存最完好的草原之一［11］。其以草甸草原和典型草原为主要植被类型，构成较为简单，在温带半干旱区域草原生态系统中具有显著代表性［12］。目前，已有研究者对呼伦贝尔地区植被变化进行了相关研究。曲学斌等［13］对2000—2020年MODIS NDVI数据产品进行研究，发现呼伦贝尔大部分地区植被覆盖变化呈增长趋势。胡志超等［14］采用一元线性回归趋势分析植被覆盖度的时空变化特征，发现2000—2013年植被覆盖度总体平稳并呈上升趋势。娜仁夫［15］构建了1982—2015年呼伦贝尔草原牧业四旗归一化GIMMS NDVI3g.v1植被指数数据集，即通过对数据的定量分析来揭示植被覆盖的变化趋势及其影响因素，发现在34 a内，呼伦贝尔草原牧业四旗植被与降水量具有同向变化趋势，且同期植被与气温具有反向变化趋势。

但以上相关研究并未对呼伦贝尔草原植被类型区进行针对性分析，目前对不同类型区植被变化稳定性和未来变化趋向性方面的研究更少。因此，笔者利用2000—2023年MODIS NDVI数据集和同期气温、降水栅格数据，对呼伦贝尔草原不同草原类型进行NDVI时空变化趋势、稳定性和持续性、气候响应研究，为提高对该区域生态环境状况的认识、制定合理的草地保护与管理策略、深入了解植被生态系统的动态平衡和耦合机制、应对气候变化在资源管理中的应用具有重要的实践意义。

1 研究区概况

呼伦贝尔草原位于内蒙古自治区东北部（北纬47°5′～51°54′、东经115°31′～121°30′）。冬季寒冷漫长，夏季短暂而凉爽［16］。呼伦贝尔草原年降水量普遍偏低，年均降水量为295.25 mm［17］，大部分降水集中在夏季（尤其6—8月），降水为该地区植物生长提供了关键补给。由于气候的特殊性，该地区植被类型以草原为主。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

NDVI数据来源于NASA（http：//modis.gsfc.nasa.gov/）的MOD13Q1产品数据集，其空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。呼伦贝尔草原植被返青期出现在4月中旬至5月下旬［18］，枯黄期出现在9月至10月下旬［19］。为获取2000—2023年植被生长季（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软件对影像进行拼接、投影、格式转换等批处理。气温、降水的栅格数据来自国家地球系统科学数据中心，空间分辨率为1 km×1 km。利用ArcGIS10.8软件对栅格数据进行裁剪，随后进行投影变更，最终完成分辨率的重采样，使数据空间分辨率与NDVI数据集一致。

2.2 研究方法

2.2.1 Theil-Sen Median倾斜度分析及Mann-Kendall检验

2.2.2 变异系数分析

2.2.3 Hurst指数分析

2.2.4 相关性分析

3 结果与分析

3.1 NDVI的空间分布特征

呼伦贝尔草原植被NDVI呈现东高西低的空间分布格局（如图1）。近24 a的NDVI年平均值为0.65，典型草原的NDVI年平均值为0.54，草甸草原的NDVI年平均值为0.79。生长季NDVI植被覆被很低区域（NDVI值0.100～0.270）占研究区总面积的比例不足1%，植被覆被较低区域（NDVI值0.270～0.396）占研究区总面积的2.7%，植被覆被中等区域（NDVI值0.396～0.506）占研究区总面积的18.1%，植被覆被较高区域（NDVI值0.506～0.702）占研究区总面积的34.6%，植被覆被高区域（NDVI值0.702～0.919）占研究区总面积的41.9%。植被覆被较高及以上区域（NDVI值0.506～0.919）超过研究区总面积的2/3，主要分布在研究区东部。总体来说，研究区多年平均NDVI呈现由东部向西部递减的趋势，植被生长态势良好。

3.2 NDVI年际变化特征及趋势分析

2000—2023年呼伦贝尔草原生长季NDVI变化起伏不定，其中最小值出现在2004年，最大值出现在2021年。线性增长速率为0.034/10 a，R2=0.227 6，草原植被覆盖整体呈现增长趋势，向好的方向发展（如图2）。

分不同植被类型区研究发现，草甸草原和典型草原均呈波动型缓慢增长趋势（R2分别为0.134 1、0.229 9），线性增长速率分别为0.016/10 a和0.048/10 a。

3.3 NDVI空间变化趋势分析

2000—2023年呼伦贝尔草原NDVI变化倾向率为-0.382/10 a～0.290/10 a，空间差异较明显（如图3）。检验结果中，无显著变化区域占总面积的53.7%，占比最高，在呼伦贝尔草原全域均有分布；显著增加的区域面积占比约为20.3%，微显著增加的区域面积占比为12.7%，极显著增加的区域面积占比为11.4%，显著和极显著增加的区域分布在西部边境地区、呼伦湖东部地区；剩余减少趋势面积占比不足1%，主要分布在河谷、低洼地。呼伦贝尔草原NDVI变化整体表现为从东部草甸草原到西部典型草原逐渐增加。

3.4 NDVI稳定性分析

呼伦贝尔草原生长季NDVI的平均变异系数为0.13，其中典型草原的平均变异系数为0.18，草甸草原的平均变异系数为0.07。中低稳定性植被的面积约占研究区总面积的29.8%；高稳定性植被的面积占研究区总面积的23.2%，主要分布在研究区的东部边缘地区；低稳定性植被面积占研究区总面积的20.8%，主要集中在研究区的西部地区；中高稳定性、中等稳定性植被面积分别占研究区总面积的17.7%和8.5%，分布在研究区的中部偏东部地区（如图4）。整体来看，呼伦贝尔草原区域波动性高，稳定性低。

分不同植被类型区发现，典型草原NDVI的平均变异系数为0.18，中低稳定性和低稳定性植被面积占比较大，分别为31.9%和37.8%，中等稳定性植被面积占总面积的20.2%，高稳定性植被面积占总面积的6.6%，中高稳定性植被面积占总面积的3.5%。由此表明，典型草原稳定性偏低，波动性较高。草甸草原NDVI的平均变异系数为0.07，高稳定性和中高稳定性植被面积之和约占总面积的2/3，表明草甸草原稳定性高，波动性低。

3.5 NDVI持续性分析

从以上分析结果来看，呼伦贝尔草原NDVI值虽有增加趋势，但波动性很高，稳定性差，今后的NDVI变化趋势不明确。因此，为更好地了解未来的植被生长态势，需要进一步分析植被NDVI的持续性。研究结果（如图5）表明，反持续性显著（0.1≤H<0.4）的区域占研究区面积的47.8%，非显著反持续性（0.4≤H<0.5）的区域占研究区面积的40.1%，持续性显著（0.6<H≤1）的区域和非显著持续性（0.5<H≤0.6）的区域分别占研究区面积的1.4%和10.6%。从结果来看，呼伦贝尔草原未来呈反持续性占比区域达到87.9%，未来的变化倾向与过去24 a NDVI值增加的趋势相反，在接下来的时间范围内，NDVI值很有可能会呈下降趋势。

在不同草原类型中，典型草原反持续性显著（0.1≤H<0.4）的区域占比最大，占总面积的56.3%；非显著反持续性（0.4≤H<0.5）的区域占总面积的37.7%，其余不足10%。草甸草原中占比最大的是非显著反持续性（0.4≤H<0.5）区域，占比为43.3%；其次是反持续性显著（0.1≤H<0.4）区域，占比为37.5%。与典型草原相比，草甸草原的非显著持续性（0.5<H≤0.6）的区域占比较大，为16.68%。

整体来看，从东部草甸草原到西部典型草原Hurst指数逐渐递减，逐渐呈现显著性。在接下来的时间范围内，呼伦贝尔草原生长季植被NDVI大概率会表现出下降趋势，可能会对生态系统、土地、碳循环、农业、水资源管理和生物多样性等方面产生负面影响。

3.6 研究区NDVI对气候因子的响应

呼伦贝尔草原NDVI与气温的相关系数为-0.864～0.841，有11.65%的正相关区域和88.35%的负相关区域［如图6（a）］。负相关作用区域从东向西贯穿整个区域，而正相关作用的区域在研究区西北部，沿国界分布。整体上，呼伦贝尔草原与气温呈现出显著的负相关关系。NDVI与降水的相关系数为-0.669～0.869，空间上有96.3%的正相关区域和3.7%的负相关区域［如图6（b）］。正相关区域集中分布在呼伦贝尔草原中部、北部和西部，负相关区域分布在呼伦贝尔草原西北部和东北部。由此表明，呼伦贝尔草原NDVI与降水之间存在显著的正相关关系，且降水量的增加是促进该地区植被生长的主要驱动力。