王雨晴, 張成福, 李曉鴻

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 呼和浩特 010011)

植被是聯(lián)系土壤、大氣和水分的重要樞紐[1]。氣候的改變會(huì)對(duì)植物生長健康產(chǎn)生重要的影響，溫度和降水的改變可能會(huì)使氣象災(zāi)害有增加的趨勢，如干旱、洪澇等[2]。近年來，由于溫室效應(yīng)的產(chǎn)生，導(dǎo)致了全球氣候變化明顯[3]。有研究表明在中高緯度地區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)干旱地區(qū)變得更干旱而濕潤地區(qū)變得更加濕潤的趨勢[4]。在干旱半干旱區(qū)干旱災(zāi)害的危害是非常大的，這是由于干旱具有持續(xù)性、不易發(fā)覺性及影響范圍廣等特點(diǎn)[5]。我國大部分區(qū)域處于干旱半干旱地帶，大多數(shù)地區(qū)都遭受干旱災(zāi)害的影響[6]。目前，干旱監(jiān)測評(píng)估有很多方法，其中標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)在評(píng)判干旱程度中具有很高的適用性[7]。在全球溫度升高的背景下，SPEI指數(shù)考慮到溫度變化對(duì)蒸散量的影響，可以有效反映研究區(qū)的干旱化程度，且具有計(jì)算簡單和多時(shí)間尺度評(píng)估干旱的特點(diǎn)[8-9]。

內(nèi)蒙古草原是中國天然草原和歐亞草原的重要組成部分[10-11]。在敏感的草原生態(tài)系統(tǒng)中，氣候變化和過度放牧對(duì)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的影響[12]。目前已出臺(tái)許多禁牧政策及建議，過度放牧已得到控制，但氣候變化對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響是不可控的[13-14]。氣候變化背景下對(duì)草原區(qū)植被的生長狀況進(jìn)行監(jiān)測是非常重要的。目前，植被生長健康的監(jiān)測常用遙感監(jiān)測方法，遙感監(jiān)測方法具有實(shí)時(shí)性、監(jiān)測范圍廣、成本低及準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，其中中分辨率成像光譜儀(MODIS)植被指數(shù)產(chǎn)品更適合中小尺度區(qū)域植被的研究[15-16]。在此基礎(chǔ)上的歸一化植被指數(shù)(Normalized Differences Vegetation Index，NDVI)在植被監(jiān)測中被廣泛運(yùn)用[17]。本文運(yùn)用NDVI研究典型草原區(qū)植被生長變化及其與氣候變化的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合SPEI指數(shù)反映典型草原區(qū)干旱程度的變化情況。

氣候變化是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，有效的氣候預(yù)測對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[18]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Networks)被廣泛應(yīng)用于一些復(fù)雜非線性問題中[19]，該模型的建立可以有效的進(jìn)行氣候預(yù)警。本文運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)影響植被的主要?dú)庀笠剡M(jìn)行預(yù)測。為了解典型草原的氣候變化特征對(duì)內(nèi)蒙古草原的植被生長和生態(tài)環(huán)境研究具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

典型草原是內(nèi)蒙古(37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E)主要的草原類型，位于中溫帶干旱區(qū)。年降水量大致在300～400 mm，年均溫為1～4℃，平均海拔約為1 224 m。土壤類型為典型的栗鈣土，易受風(fēng)沙侵蝕。研究區(qū)基本情況見表1[20]。

2 研究方法與內(nèi)容

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：∥data.cma.gov.cn)，選取可以代表典型草原區(qū)的8個(gè)氣象站點(diǎn)(1970—2016年)的逐月溫度、風(fēng)速、降水量數(shù)據(jù)(圖1)。

MODIS NDVI遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)的2000—2015年數(shù)據(jù)。

表1 典型草原研究區(qū)位置與基本情況特征

圖1 內(nèi)蒙古典型草原區(qū)分布

SPEI干旱指數(shù)：由氣象站數(shù)據(jù)對(duì)典型草原區(qū)的干旱情況進(jìn)行了評(píng)估，依據(jù)《氣象干旱等級(jí)GB/T20481—2006》將SPEI等級(jí)劃分見表2，本文用-0.5表示干旱是否發(fā)生。

表2 SPEI干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本研究運(yùn)用非參數(shù)Mann-Kendall突變(M-K檢驗(yàn))[21]監(jiān)測研究區(qū)內(nèi)年際平均溫度、平均風(fēng)速、總降水及SPEI指數(shù)。

通過計(jì)算NDVI與溫度、風(fēng)速、降水量的相關(guān)性和SPEI對(duì)上述氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行分析，從而得出對(duì)NDVI和SPEI產(chǎn)生影響的氣候要素，并通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)2019—2038年對(duì)NDVI有影響的氣象因子進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度、風(fēng)速、降水及SPEI逐年變化分析

由圖2可知，1970—2016年平均溫度均有增加的趨勢，特別是1987年后溫度增加更加顯著，平均風(fēng)速自20世紀(jì)70年代以來有減小的趨勢，特別是1982年風(fēng)速減小的更加顯著。降水的突變點(diǎn)比較多且復(fù)雜，在20世紀(jì)后降水有減小的趨勢。SPEI評(píng)估的SPEI 值越小，表示干旱越嚴(yán)重，從圖中可以看出SPEI在1999年后減小趨勢顯著，說明干旱有增加的趨勢。

如圖3所示，典型草原區(qū)隨年際變化中，溫度的氣候傾向率為0.41℃/10 a，線性回歸相關(guān)性r=0.65>r0.01，整體呈顯著增加趨勢，尤其是2007年出現(xiàn)溫度最高值(3.58℃)，5 a滑動(dòng)曲線在1980—1981年，1987—1988年達(dá)到波谷，1999年、2002年、2007年達(dá)到波峰。風(fēng)速線性變化趨勢為-0.246/10a,線性回歸相關(guān)性r=0.81>r0.01，整體呈顯著減小趨勢，1972—1974年風(fēng)速最大(4.22～4.24 m/s),在2014年達(dá)到最小(2.83 m/s)。降水氣候傾向率為-2.71 mm/10 a，線性回歸相r=-0.068-0.5)，但在1996年后，干旱事件的發(fā)生情況有增加的趨勢(SPEI≤-0.5的年份增多)，在1997—2016年里發(fā)生了12次干旱(20 a內(nèi)有12 a的SPEI<-0.5)。

圖2 溫度、風(fēng)速和降水及SPEI的Mann-Kendall突變分析

3.2 NDVI與氣溫、風(fēng)速、降水量、SPEI的相關(guān)性分析

由表3，圖4可知，在典型草原區(qū)，干旱程度SPEI和溫度T(r=-0.49*)、降水P(r=0.86**)具有顯著相關(guān)性，說明干旱程度受降水和溫度的影響。NDVI和SPEI(r=0.68**)、P(r=0.61*)具有顯著相關(guān)性，說明植被生長受干旱程度和降水量的影響，其中，SPEI和NDVI的相關(guān)性最為顯著。

3.3 基于BP 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)影響植被的氣象因子預(yù)測分析

植被受干旱的影響是顯著的。而干旱受氣象要素溫度和降水的影響顯著。為此，本文基于BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)溫度和降水量2019—2038年進(jìn)行了預(yù)測。由圖5可以看出，BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)降水和溫度有很好的預(yù)測能力。如圖6所示，從溫度和降水量的預(yù)測結(jié)果中可以看出溫度有增加趨勢，降水有減小趨勢，其變化趨勢較1970—2016年變化趨勢基本一致。

4 討 論

典型草原區(qū)的溫度有顯著升高的趨勢，風(fēng)速有顯著減小的趨勢，降水在20世紀(jì)后有減小的趨勢，這與全國的氣候變化中溫度、風(fēng)速和降水的基本變化趨勢相一致[22]。干旱程度主要受氣候變化影響，SPEI的回歸分析是氣象要素對(duì)干旱程度響應(yīng)的有力補(bǔ)充，體現(xiàn)了氣象要素對(duì)SPEI響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程，能夠更好地解釋溫度和水分與干旱程度活動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，為此可以得出降水的減小和溫度的增加對(duì)干旱的加重有著顯著的影響。

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)，下圖同。

圖3 溫度、風(fēng)速、降水及SPEI逐年變化特征

表3 氣候變化對(duì)SPEI對(duì)NDVI相關(guān)性分析

注:**表示在0.01水平上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

圖4 隨年份變化SPEI對(duì)NDVI的影響分析

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降水量和溫度的擬合效果

氣候因子中降水和溫度對(duì)植被的影響非常顯著[23]。在本研究區(qū)內(nèi)植被與降水呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而植被和溫度呈負(fù)相關(guān)但相關(guān)性不顯著，這與中國北方草地生產(chǎn)力主要受降水的限制的結(jié)果相一致[11]。

典型草原區(qū)植被類型主要是草本植物，草本植物根系較淺，一般從上層和中層吸收土壤水分，對(duì)降雨量的變化有快速的反應(yīng)[24]。正是該區(qū)植被儲(chǔ)水能力較低，而使得干旱的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致該區(qū)植被具有強(qiáng)烈的響應(yīng)[25]。植被生長與干旱程度呈顯著正相關(guān)，這與內(nèi)蒙古大部分地區(qū)的植被狀況與干旱程度呈顯著正相關(guān)的結(jié)論一致，為此，干旱對(duì)淺根系植被的生長起著一定的制約作用[26]。

圖6 2019-2038年總降水量和平均溫度預(yù)測

5 結(jié) 論

自19世紀(jì)，典型草原區(qū)溫度、干旱程度有明顯增加趨勢，風(fēng)速有明顯減小的趨勢。在20世紀(jì)后，降水有減小的趨勢。溫度和降水對(duì)干旱的影響顯著。溫度的增加、降水的減小都會(huì)使得干旱有增加的趨勢。降水量是影響植被生長的重要原因，典型草原由于降水不足的氣候干旱在一定程度內(nèi)會(huì)抑制典型草原區(qū)植被的生長，而干旱程度的大小主要受溫度和降水的控制，因此溫度間接影響著植物的生長。BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)典型草原區(qū)氣候具有很好的預(yù)測效果，BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)2019—2038年溫度和降水量的預(yù)測中可以發(fā)現(xiàn)其變化趨勢與1970—2016年趨勢變化基本一致，溫度呈增加趨勢，而降水呈減小趨勢。