白慶坤，阿拉騰圖婭

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

土地覆被變化是關(guān)系到全球生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，并已成為人類可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵研究課題[1-3]。以自然類型為主的地表覆被作為聯(lián)結(jié)大氣、水分和土壤的重要紐帶，常被作為評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康和生物群落穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[4]，其中草地作為水土保持、發(fā)展畜牧業(yè)、物質(zhì)循環(huán)、固碳釋氧的重要植被類型對(duì)維護(hù)全球生態(tài)安全具有極為重要的意義[5]。有研究表明干旱的發(fā)生會(huì)對(duì)草本植物的生長造成嚴(yán)重影響[6]，因此區(qū)域內(nèi)草地覆被度變化也可能會(huì)受到干旱的干擾。草地覆被度變化與氣候干旱條件之間的關(guān)系一直以來是全球變化研究的熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此做了大量的研究[7-12]。然而這些研究目前主要集中在探究二者相關(guān)關(guān)系的空間分布規(guī)律，有關(guān)覆蓋度變化對(duì)干旱響應(yīng)規(guī)律的探究還較少，因此本研究對(duì)草地覆蓋度等級(jí)進(jìn)行細(xì)分，考慮了干旱的累積效應(yīng)，對(duì)草地覆蓋度的變化對(duì)累積干旱的響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

蒙古高原地處亞洲大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，植被覆蓋類型以草地為主，不僅是我國北方地區(qū)的重要生態(tài)屏障，而且在全球碳循環(huán)中也具有重要的作用。此外，蒙古高原地處干旱半干旱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，草地覆被度對(duì)氣候變化的響應(yīng)較為敏感[7]，廣闊的草原和較為稀疏的人口分布，使得蒙古高原對(duì)于內(nèi)陸干旱區(qū)草地覆被度對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究具有重要的研究價(jià)值。干旱的發(fā)生會(huì)降低地表植被覆蓋度，加速沙漠化進(jìn)程，造成高原嚴(yán)重的沙塵暴[13]，在氣候變暖、極端干旱頻發(fā)的全球氣候背景下[14]，高原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)干旱的響應(yīng)是蒙古高原當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。因此，探究蒙古高原草地覆被度變化對(duì)干旱的響應(yīng)，對(duì)于保護(hù)我國北方乃至全球生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，以蒙古高原草原區(qū)為研究區(qū)，基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVⅠ)數(shù)據(jù)和中分辨率成像光譜儀 (moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODⅠS)光譜反射率數(shù)據(jù)，利用決策樹分類，分析了2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地覆被度時(shí)空變化特征。并結(jié)合溫度狀態(tài)干旱指數(shù)，進(jìn)一步分析探討蒙古高原草原區(qū)2001-2020 年草地覆被度變化和干旱的關(guān)系，以期為該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

蒙古高原草原區(qū)位于亞洲大陸的中部腹地，地處39°41′1.40″～50°53′40.24″ N，87°44′58.76″～120°34′27.19″ E (圖1 中具有高程值的區(qū)域)，包括蒙古國和中國內(nèi)蒙古部分地區(qū)，是根據(jù)土地利用圖和植被類型圖篩選掉蒙古高原中林地、耕地、戈壁荒漠等，選取的草地集中區(qū)域。為保證研究區(qū)的完整性，區(qū)域內(nèi)還保留了少量的林地、水體等其他土地覆被類型。研究區(qū)內(nèi)草地類型主要為典型草原(面積占比53.4%)、荒漠草原(面積占比25.3%)、草甸草原(面積占比9.5%)和高山草地(面積占比4.5%)4 種，荒漠草原主要分布在西南部，東北部以典型草原為主，高山草地分布在研究區(qū)西部邊緣的高海拔地區(qū)。地勢(shì)由東向西逐漸遞增，海拔在447～4 203 m。遠(yuǎn)離海洋，四面環(huán)山，屬于封閉型的內(nèi)陸高原[15]，是典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季炎熱短暫。

圖1 蒙古高原草原區(qū)地理位置(a)和植被類型(b)Figure 1 Geographical location (a), vegetation type (b) of the steppe area of the Mongolian Plateau

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所使用的MODⅠS 產(chǎn)品數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)。土地覆被分類時(shí)采用的數(shù)據(jù)包括2001-2020 年Terra 衛(wèi)星第201 期8 d 合成地表反射率數(shù)據(jù)MOD09A1 和第129、225、257 期16 d 最大值合成植被指數(shù)數(shù)據(jù)MOD13A1NDVⅠ，空間分辨率為500 m。反演干旱所用的數(shù)據(jù)源為蒙古高原生長季(第121～257 天)的MOD11A2LST 影像數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為8 d，空間分辨率為1 000 m。輔助數(shù)據(jù)包括GlobeLand30 全球土地覆被數(shù)據(jù)集、蒙古高原植被類型數(shù)據(jù)、蒙古高原行政界線圖、植被類型數(shù)據(jù)。

將2010 年的地表反射率波段數(shù)據(jù)和NDWⅠ、NDSⅠ、NDBⅠ、NDVⅠ產(chǎn)品數(shù)據(jù)合成多通道數(shù)據(jù)后，通過當(dāng)年GlobeLand30 數(shù)據(jù)集選取訓(xùn)練樣點(diǎn)，進(jìn)行監(jiān)督?jīng)Q策樹分類，建立決策樹，并用該決策樹對(duì)其余年份數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，最終將研究區(qū)內(nèi)覆被類型分為裸地、草地、森林和水體4 類?？傮w分類精度通過計(jì)算驗(yàn)證樣本中與分類結(jié)果地類一致的像素個(gè)數(shù)占總像素個(gè)數(shù)的比例來衡量分類精度，是目前分類精度評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一，通過利用GlobeLand 30 數(shù)據(jù)集和Landsat 影像選取樣本點(diǎn)對(duì)2001 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年的分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，總體分類精度分別達(dá)到了84.24%、82.20%、90.70%、82.79%、86.43%，滿足精度要求。由于草地與耕地具有相近的光譜特征存在誤分的情況，按GlobeLand30數(shù)據(jù)集的耕地分布范圍進(jìn)行掩膜處理后與森林、水體、裸地一同歸入其他用地類型。

地表覆蓋度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集于2008 年9 月20 日，在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟橫跨草甸草原、典型草原和荒漠草原的區(qū)域范圍內(nèi)選取42 個(gè)1 m × 1 m 樣方點(diǎn)(圖1)，從樣方頂部拍攝照片記錄草地覆蓋度，在軟件ENVⅠ 5.3 中利用最大似然分類法提取并計(jì)算采樣點(diǎn)的草地覆蓋度。將其中32 個(gè)樣本點(diǎn)草地覆蓋度與MOD13A1 影像同期相同位置的歸一化植被指數(shù)(NDVⅠ)導(dǎo)入SPSS 建立回歸模型(表1)，最終通過對(duì)比決定系數(shù)(R2)和顯著性水平，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)型回歸模型y= 1.042 759 + 0.452 109 lnx(R2= 0.49，P＜ 0.01)最為符合現(xiàn)實(shí)意義。將剩余的30%采樣點(diǎn)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)代入回歸模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，均方根誤差(RMSE)[16]為0.12，模擬效果較好[17]。

表1 實(shí)測(cè)覆蓋度與MODIS 植被指數(shù)反演模型及相關(guān)系數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of inverse models and correlation coefficients between measured cover and MODIS vegetation index

研究區(qū)由草甸草原過渡到荒漠草原，草地覆蓋度差異較大，為了直觀顯示草地覆蓋度的時(shí)空變化特征，根據(jù)研究區(qū)草地特征以及研究需要，將回歸模型反演的植被覆蓋度進(jìn)一步細(xì)分為5 個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)草地為覆蓋度80%～100%，Ⅱ級(jí)草地為覆蓋度60%～80%，Ⅲ級(jí)草地為覆蓋度40%～60%，Ⅳ級(jí)草地為覆蓋度20%～40%，Ⅴ級(jí)草地為覆蓋度5%～20%。最后獲得2001-2020 年Ⅰ級(jí)草地、Ⅱ級(jí)草地、Ⅲ級(jí)草地、Ⅳ級(jí)草地、Ⅴ級(jí)草地5 種覆被類型空間分布信息。對(duì)8 d 的MOD11A2LST 進(jìn)行月最大值合成處理，獲得月尺度的LST 時(shí)間序列數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算溫度狀態(tài)指數(shù)，用于干旱特征分析?；?57 期NDVⅠ影像，計(jì)算覆蓋度距平百分率，用于像元尺度的草地覆被度變化對(duì)干旱的響應(yīng)研究。

1.3 研究方法

1.3.1 草地覆被度面積轉(zhuǎn)移矩陣

草地覆被度面積轉(zhuǎn)移矩陣是將各覆被度類型之間變化轉(zhuǎn)移的面積以矩陣列出。在本研究中可以定量化的表示某時(shí)間段內(nèi)各個(gè)覆被度類型之間的轉(zhuǎn)化面積與方向，式(1)為覆被度類型轉(zhuǎn)移矩陣。

式中：Ai j表 示在某時(shí)間段內(nèi)初期i覆被度類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢趈覆被度類型的面積，n為研究區(qū)所包含覆被度類型的數(shù)目。

1.3.2 累積溫度狀態(tài)指數(shù)

Kogan 等[18]將植被冠層和土壤表面溫度隨干旱程度而增加的原理作為依據(jù)，利用地表溫度時(shí)間序列數(shù)據(jù)建立溫度狀態(tài)指數(shù)(TCⅠ)，以此反映土壤水分狀況。

式中：LS Ti為某一特定年第i個(gè)時(shí)期的地表溫度的值；LS Tmax和LS Tmin分 別表示所研究年限內(nèi)第i個(gè)時(shí)期地表溫度的最大值和最小值。TCⅠ值越小干旱情況越嚴(yán)重，反之則相反。

干旱發(fā)生時(shí)植被所處的生育期和干旱的持續(xù)時(shí)間都會(huì)對(duì)植被的生長產(chǎn)生不同程度的影響。因此探究干旱對(duì)草地覆被度變化的影響時(shí)，需要考慮到干旱影響的形成是一個(gè)逐步累積、前效影響的過程。馬曉群等[19]基于相對(duì)濕潤度指數(shù)，考慮前期干旱程度對(duì)當(dāng)前狀況的累積影響，提出了累積濕潤指數(shù)。本研究基于地表溫度反映土壤水分，得到累積溫度狀態(tài)干旱指數(shù)，用于反映草地覆被度變化對(duì)干旱狀態(tài)的響應(yīng)。

式中：Ma為累積溫度狀態(tài)干旱指數(shù)；M0為本旬溫度狀態(tài)干旱度指數(shù)；Mi為 前i旬的溫度狀態(tài)干旱度指數(shù)；n為向前滾動(dòng)的旬?dāng)?shù)，因季節(jié)而異，冬季為5 旬，春秋季為4 旬，夏季為3 旬。

利用基于溫度變化的溫度狀態(tài)指數(shù)對(duì)近20 年蒙古高原草原區(qū)每個(gè)像元生長季內(nèi)累積相對(duì)干旱進(jìn)行分析，按照溫度狀態(tài)指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將干旱等級(jí)劃分為無旱(TCⅠ ≥ 40)、輕旱(30 ≤ TCⅠ ＜ 40)、中旱(20 ≤ TCⅠ ＜ 30)、重旱(10 ≤ TCⅠ ＜ 20)、極端干旱(TCⅠ ＜ 10) 5 個(gè)等級(jí)[20]。

1.3.3 相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步研究蒙古高原草原區(qū)草地覆被度變化對(duì)干旱狀態(tài)的響應(yīng)特征，逐像元計(jì)算了2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)9 月植被覆蓋度距平百分率與生長季累積溫度狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

式中：x為 覆蓋度距平百分率值；y為累積溫度狀態(tài)指數(shù) 值；Rxy為x和y間 的相 關(guān) 系 數(shù)；xi為 第i年覆蓋 度 距平百分率值；yi為第i年 累積溫度狀態(tài)指數(shù)值；-x為研究時(shí)段內(nèi)平均覆蓋度距平百分率值；-y為研究時(shí)段內(nèi)平均累積溫度狀態(tài)指數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒙古高原草地覆被度時(shí)空分布特征

2.1.1 草地覆被度變化時(shí)序特征

2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地面積整體上呈增加趨勢(shì)(圖2)。其中2002-2003 年、2007-2008年、2010-2012 年和2017-2018 年草地面積增加；2008-2009 年、2013-2014 年、2016-2017 年和2018-2019 年草地面積有所下降。草地覆蓋度等級(jí)2001-2017 年以40%～60%和20%～40%為主，2017 年后60%～80%和40%～60%為優(yōu)勢(shì)覆蓋度。20 年間Ⅰ級(jí)草地面積比例波動(dòng)較小，呈增長趨勢(shì)，高值出現(xiàn)在2018 和2020 年；Ⅱ級(jí)草地整體上呈增加趨勢(shì)，其低值出現(xiàn)在2002 和2006 年，高值出現(xiàn)在2018 和2020 年；Ⅲ級(jí)草地面積比例高值出現(xiàn)在2008、2011和2012 年，2007、2017 和2020 年面積比例相對(duì)較低，20 年間呈微小的下降趨勢(shì)；Ⅳ級(jí)草地2003、2007和2010 年面積比例較高，2018 和2020 年面積比例出現(xiàn)低值，面積比例整體上呈下降趨勢(shì)；Ⅴ級(jí)草地面積比例最低值出現(xiàn)在2020 年，高值出現(xiàn)在2002年，20 年間面積波動(dòng)幅度較小，呈輕微下降趨勢(shì)。

圖2 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地覆被度類型面積比例Figure 2 Area and proportion of grassland coverage types in Mongolian Plateau steppe region from 2001 to 2020

2001-2020 年研究區(qū)內(nèi)各等級(jí)覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移流動(dòng)量與其面積比例具有相似的變化特征(圖3)，覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)入量相對(duì)較大的年份，其面積比例較高，反之則相反。覆蓋度60%～100%草地主要由低等級(jí)覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來，覆蓋度5%～40%草地主要由高一級(jí)覆蓋度草地和其他用地轉(zhuǎn)化而來，Ⅲ級(jí)草地多數(shù)年份由低一等級(jí)覆蓋度草地轉(zhuǎn)入，個(gè)別年份由高一等級(jí)覆蓋度草地轉(zhuǎn)入。2018 和2020年Ⅰ級(jí)草地的轉(zhuǎn)入面積均超過了203.04 萬hm2，此等級(jí)的草地主要轉(zhuǎn)入來源為Ⅱ級(jí)草地和其他用地；Ⅱ級(jí)草地主要由Ⅲ級(jí)草地轉(zhuǎn)化而來，2018 和2020 年轉(zhuǎn)入的面積較大；Ⅲ級(jí)草地的主要來源為與其相鄰等級(jí)的Ⅳ級(jí)草地和Ⅱ級(jí)草地，2008、2011、2018 年的轉(zhuǎn)入面積較大，均超過2 516.68 萬hm2；Ⅳ級(jí)草地主要由更高一級(jí)覆蓋度草地和其他用地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入較大的年份為2003、2007 和2010 年；Ⅴ級(jí)草地主要為其他用地和Ⅳ級(jí)草地轉(zhuǎn)化得到，2002 和2003 年轉(zhuǎn)入面積較大。整體上20 年內(nèi)，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)草地和其他用地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積較大波動(dòng)較強(qiáng)，Ⅰ級(jí)草地變化較小，比較穩(wěn)定。Ⅱ級(jí)草地20 年內(nèi)轉(zhuǎn)出總量小于轉(zhuǎn)入總量，增加最明顯。

圖3 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地覆被度類型轉(zhuǎn)移?；鶊DFigure 3 The Sankey diagram of grassland coverage types transfer in the grasslands of the Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.1.2 不同草地覆被度類型空間轉(zhuǎn)化特征

蒙古高原草原區(qū)2001-2020 年草地覆被度空間分布(圖4)和空間轉(zhuǎn)移(圖5)可直觀顯示覆蓋度等級(jí)及其發(fā)生變化的位置。20 年間草地覆蓋度等級(jí)上升的區(qū)域主要集中在以覆蓋度20%～60%為主的典型草原區(qū)，其中2003、2008、2011、2012、2018和2020 年覆蓋度等級(jí)較上一年上升的面積較大，均超過2 339.16 萬hm2；覆蓋度等級(jí)降低的區(qū)域主要分布在覆蓋度40%～80%的典型草原區(qū)，覆蓋度等級(jí)較上一年降低面積較大的年份有2002、2004、2009、2014、2017 和2019 年，均超過了2 162.22 萬hm2。草地與其他用地之間的相互轉(zhuǎn)化主要分布在典型草原與荒漠草原的交錯(cuò)區(qū)域以及研究區(qū)西部的高山草地區(qū)，其中有些年份如2002-2003 年、2006-2007年、2011-2012 年以及2014-2020 年草地與其他用地之間的相互轉(zhuǎn)化廣泛地發(fā)生在荒漠草原區(qū)內(nèi)，草地向其他用地轉(zhuǎn)移量較大的年份為2004、2006、2013 和2017 年，轉(zhuǎn)移面積超過了1 934.2 萬hm2，其他用地在2003、2011、2012、2015 和2018 年向草地的轉(zhuǎn)移量均超過了1 934.07 萬hm2，草地與其他用地之間的相互轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在5%～60%覆蓋度等級(jí)的草地。

圖4 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地覆被度類型時(shí)空分布圖Figure 4 Spatial and temporal distribution of grassland coverage types in Mongolian Plateau steppe region from 2001 to 2020

圖5 2001-2020 蒙古高原草原區(qū)草地覆被度類型轉(zhuǎn)移空間分布圖Figure 5 Spatial distribution of grassland coverage types transfer in Mongolian Plateau steppe from 2001 to 2020

2.2 干旱強(qiáng)度時(shí)空分布特征

2.2.1 干旱強(qiáng)度時(shí)序分布特征

通過計(jì)算蒙古高原草原區(qū)2001-2020 年生長季累積干旱發(fā)生面積比例(圖6)發(fā)現(xiàn)，2001-2020年草原區(qū)各等級(jí)干旱面積比例年際間波動(dòng)較大，這表明蒙古高原草原區(qū)近20 年內(nèi)年際間干旱的發(fā)生狀況具有較大的差異。近20 年間研究區(qū)2003 年、2013 年、2018 年和2020 年無旱的面積比例均超過了50%，是旱情較為緩和的年份；2001 年、2007 年、2010 年、2017 年和2019 年為研究區(qū)的干旱年份，無旱的面積比例均小于15%。輕旱發(fā)生的面積比例從2001 年的18.38%開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，至2006 年所占比例達(dá)到最大值(43.86%)，而后波動(dòng)性下降，在2007 年、2010 年、2014 年和2018 年出現(xiàn)低值。中旱的面積占比在4.81%～39.66%大幅度波動(dòng)，低值所在的年份主要為無旱面積比例的高值年份，且變化趨勢(shì)上也與無旱面積比例大體相反，這表明中旱所占面積比例可以在一定程度上反映研究區(qū)整體的干旱情況。2001 年、2007 年、2010 年重旱和極端干旱的所占面積比例較高，其中2007 年旱情較嚴(yán)重，有19.72%的區(qū)域發(fā)生了極端干旱，34.80%的區(qū)域發(fā)生了重旱。

圖6 蒙古高原草原區(qū)2001-2020 年生長季各累積干旱等級(jí)面積比例Figure 6 The area proportion of each cumulative drought grade in the Mongolian Plateau steppe during the growing season from 2001 to 2020

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，干旱面積的時(shí)序變化趨勢(shì)與研究區(qū)草地面積、各覆蓋度等級(jí)草地面積比例及其之間的轉(zhuǎn)移量的時(shí)序特征具有高度的相似性，說明草地面積以及各等級(jí)覆蓋度之間的變化對(duì)干旱的發(fā)生具有一定的響應(yīng)。

2.2.2 干旱強(qiáng)度空間分布特征

通過計(jì)算2001-2020 年生長季累積溫度狀態(tài)指數(shù)并劃分等級(jí)，得到干旱事件空間分布(圖7)，整體來看2001-2020 年研究區(qū)西南部干旱發(fā)生的頻率高、強(qiáng)度大，東北部干旱發(fā)生的頻率低、強(qiáng)度小。2003 年研究區(qū)發(fā)生干旱面積較少，重旱和中旱主要集中在研究區(qū)東北部的東方省、蘇赫巴托爾和東戈壁省附近；2007 年研究區(qū)東部發(fā)生了大面積的極端干旱和重旱，主要位于研究區(qū)東部的肯特省和蘇赫巴托爾省附近Ⅲ級(jí)草地區(qū)域；2010 年東部的旱情較為嚴(yán)重，主要集中在研究區(qū)東南部典型草原和荒漠草原區(qū)，東部蘇赫巴托爾省、東方省東部和錫林郭勒盟西北部的Ⅲ級(jí)草地大面積分布區(qū)，無旱區(qū)域主要集中在戈壁阿爾泰省附近；2018 年旱情較為緩和，干旱區(qū)域主要分布在西部高山草地區(qū)；2020 年干旱區(qū)域主要分布在西部荒漠草原區(qū)，東北部分干旱面積較少。

圖7 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)生長季累積干旱等級(jí)空間分布Figure 7 Spatial distribution of cumulative drought levels during growing season in the steppe region of the Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.3 草地覆被度變化對(duì)干旱的響應(yīng)特征

2.3.1 草地覆被度變化和干旱強(qiáng)度年際變化特征與相關(guān)關(guān)系

覆蓋度距平百分率與溫度狀態(tài)指數(shù)的波動(dòng)和趨勢(shì)具有高度一致性(圖8)。2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)植被覆蓋度距平百分率介于-24.85%～30.26%，最低和最高值分別出現(xiàn)在2007 年和2020 年，溫度狀態(tài)指數(shù)介于41.24～94.42，最低值出現(xiàn)在2007 年，說明在干旱發(fā)生嚴(yán)重的年份植被的生長也受到了一定程度的干擾。進(jìn)一步分析得知，覆蓋度距平百分率與溫度狀態(tài)指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(r= 0.402，P=0.079)，說明干旱發(fā)生的強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)植被生長產(chǎn)生的不利影響越大。

圖8 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)生長季覆蓋度距平百分率、溫度狀態(tài)指數(shù)的年際變化Figure 8 Interannual variation of percentage of growing season coverage anomaly and temperature condition index in steppe region of the Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.3.2 草地覆被度變化與干旱強(qiáng)度的空間相關(guān)性

通過對(duì)比草地覆蓋度變化(圖5)和干旱發(fā)生強(qiáng)度(圖7)發(fā)現(xiàn)，兩者之間在空間上的分布具有一定的關(guān)聯(lián)性。2003 年東北部的東方省、蘇赫巴托爾和東戈壁省附近發(fā)生重旱和中旱的區(qū)域內(nèi)Ⅲ級(jí)草地大面積向Ⅳ級(jí)草地轉(zhuǎn)化。同時(shí)荒漠草原與典型草原交錯(cuò)地帶基本處于無旱狀態(tài)，這些區(qū)域內(nèi)有大面積的其他用地轉(zhuǎn)化為Ⅳ級(jí)草地；2007 年東部的肯特省和蘇赫巴托爾省附近發(fā)生極端干旱和重旱，區(qū)域內(nèi)的Ⅲ級(jí)草地大面積向Ⅳ級(jí)草地轉(zhuǎn)化。研究區(qū)中南部的前杭愛省附近的無旱區(qū)域Ⅴ級(jí)草地也向Ⅳ級(jí)草地進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。這解釋了2007 年Ⅲ級(jí)草地面積比例處于低值，Ⅳ級(jí)草地面積處于高值；2010 年發(fā)生旱情的區(qū)域內(nèi)東部蘇赫巴托爾省、東方省東部和錫林郭勒盟西北部有較大面積Ⅲ級(jí)草地向Ⅳ級(jí)草地轉(zhuǎn)化。戈壁阿爾泰省附近的無旱區(qū)域范圍內(nèi)有大面積的其他用地向Ⅳ級(jí)草地轉(zhuǎn)化；2018 年處于無旱狀態(tài)下與荒漠草原相鄰的典型草原區(qū)域內(nèi)Ⅳ級(jí)草地大量向Ⅲ級(jí)草地轉(zhuǎn)化，以此為基礎(chǔ)再向北方延伸的典型草原區(qū)內(nèi)則有大量Ⅲ級(jí)草地向Ⅱ級(jí)草地轉(zhuǎn)化；2020 年植被覆蓋度等級(jí)下降的區(qū)域與前杭愛省和中央省附近發(fā)生干旱的區(qū)域基本一致，植被覆蓋度上升的區(qū)域主要分布在研究區(qū)東北部和北部未發(fā)生干旱的范圍。

通過進(jìn)一步逐像元計(jì)算草地覆蓋度距平百分率與累積溫度狀態(tài)指數(shù)之間的相關(guān)性(圖9)發(fā)現(xiàn)，草地覆蓋度距平百分率與累積溫度狀態(tài)指數(shù)正相關(guān)的區(qū)域面積所占比例為93.77%，這表明研究區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域植被覆蓋度隨著干旱的發(fā)生而下降。其中極顯著正相關(guān)(P≤ 0.01)的面積占比32.75%，顯著正相關(guān)(P≤ 0.05)的像元比例為24.07%，這表明研究區(qū)內(nèi)有半數(shù)以上的區(qū)域草地覆蓋度變化與干旱具有明顯的相關(guān)關(guān)系。從草地類型的角度來看，不同草地類型區(qū)通過顯著性檢驗(yàn)的正相關(guān)面積比例依次是典型草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 草甸草原，表明3 種草地類型中典型草原草地覆蓋度變化對(duì)干旱的發(fā)生最為敏感，荒漠草原次之；從不同等級(jí)覆蓋度角度分析，極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域主要集中在覆蓋度20%～60%草地，這表明研究區(qū)內(nèi)中低覆蓋度草地對(duì)干旱的響應(yīng)更明顯。呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域僅占6.16%，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要分布在西部高山之間的相對(duì)低海拔地區(qū)，其原因可能是干旱的發(fā)生導(dǎo)致高山積雪融化，山地草地生長得到充分的水分補(bǔ)給，植被覆蓋度隨之增加；其余負(fù)相關(guān)的地區(qū)主要分布在西部高海拔的山地草原和色楞格省和布爾干省北部的高緯度草地，該地區(qū)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的原因可能是高海拔和高緯度地區(qū)長期處于低溫狀態(tài)，抑制了植被的生長，當(dāng)?shù)乇頊囟壬仙欢ǚ秶?，促進(jìn)了這些區(qū)域的植被生長，草地覆蓋度增加。

圖9 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地覆蓋度距平百分率與溫度狀態(tài)指數(shù)相關(guān)性的空間分布Figure 9 Spatial distribution of the correlation between the percentage of grassland coverage anomaly and temperature condition index in the steppe region of the Mongolian Plateau from 2001 to 2020

3 討論與結(jié)論

本研究通過決策樹分類分析了2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)草地覆被度時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)近20 年來蒙古高原草原區(qū)草地面積呈逐漸增加的趨勢(shì)，植被覆蓋度由東北向西南方向逐漸遞減，中低等級(jí)覆蓋度草地整體上有向更高覆蓋度草地轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。針對(duì)蒙古高原植被覆被度變化的研究已有較多成果，張艷珍等[21]利用NDVⅠ反演植被覆蓋度對(duì)蒙古高原草地進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)2000-2013 年平均覆蓋度整體呈增長趨勢(shì)，面積占比較大的是30%～60%和60%～75%覆蓋度草地。戴琳等[22]基于NDVⅠ研究1982-2006 年蒙古高原覆被度變化趨勢(shì)顯示，近25 年來，蒙古高原植被整體呈改善趨勢(shì)。杜佳夢(mèng)等[23]分析了1982-2015 年蒙古國植被覆蓋變化情況認(rèn)為，蒙古國生長季NDVⅠ在2007-2015 年呈顯著增加趨勢(shì)。本研究得出的結(jié)果與上述研究結(jié)果總體一致。與上述研究不同的是本研究補(bǔ)充了研究時(shí)間并對(duì)每一年的植被覆被度進(jìn)行了研究，定量分析了蒙古高原草原區(qū)草地覆被度轉(zhuǎn)移與變化。

杜佳夢(mèng)等[23]對(duì)1982-2015 年蒙古國NDVⅠ及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的季節(jié)差異進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，溫度是蒙古國秋季NDVⅠ發(fā)生改變的主要影響因素。為了探究蒙古高原草原區(qū)草地覆被度變化與干旱的關(guān)系，本研究利用2001-2020 年覆蓋度距平百分率與生長季累積溫度狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)絕大部分區(qū)域草地覆蓋度距平百分率與累積溫度狀態(tài)指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，這表明研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域植被的生長會(huì)受到干旱的脅迫作用。當(dāng)干旱發(fā)生時(shí)，研究區(qū)內(nèi)植物通過降低呼吸作用、光合作用、生長速率等方式減少水分流失，以此來適應(yīng)干旱的脅迫[24]。這與Vicente-Serrano 等[7]和Zhang 等[25]的研究結(jié)論較一致。前人對(duì)于自然類型為主的草地覆被度對(duì)干旱的響應(yīng)研究大多基于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于蒙古國內(nèi)氣象站點(diǎn)稀少，數(shù)據(jù)不易獲取，本研究選用基于遙感數(shù)據(jù)可有效表征研究區(qū)土壤水分的溫度狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算生長季累積干旱并探究其與草地覆被度變化的關(guān)系。在全球變暖的背景下，更多地區(qū)會(huì)處于干旱的脅迫之下，同時(shí)全球受到干旱的壓力也會(huì)逐漸增大。因此，對(duì)自然類型為主的草地覆被度變化對(duì)干旱的響應(yīng)進(jìn)行分析可以提高全球氣候變化情景下植被變化的認(rèn)識(shí)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。不同氣候區(qū)的植被對(duì)干旱的響應(yīng)程度具有差異，本研究沒有針對(duì)這種差異進(jìn)行深入分析，因此，對(duì)于草地覆被度變化對(duì)干旱的響應(yīng)機(jī)制尚需進(jìn)一步劃分氣候區(qū)進(jìn)行細(xì)化的探究。

基于以上，本研究得出：1) 2001-2020 年蒙古高原草原區(qū)內(nèi)的草地面積整體上呈增加趨勢(shì)，2001-2017 年以Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)草地為主，2017 年后Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)草地為優(yōu)勢(shì)覆蓋度；20 年間，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)草地和其他用地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積較大、波動(dòng)較強(qiáng)，Ⅰ級(jí)草地波動(dòng)較小比較穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)草地20 年內(nèi)轉(zhuǎn)出總量小于轉(zhuǎn)入總量，增加最明顯；空間上20 年間草地覆蓋度等級(jí)上升的區(qū)域主要集中在覆蓋度20%～60%的典型草原區(qū)，等級(jí)降低的區(qū)域主要分布在覆蓋度40%～80%的典型草原區(qū)，草地與其他用地之間的相互轉(zhuǎn)化主要分布在典型草原與荒漠草原的交錯(cuò)區(qū)域以及研究區(qū)西部的高山草地區(qū)。2) 2001-2020 年草原區(qū)各等級(jí)干旱面積比例年際間波動(dòng)較大，其中2001、2007、2010、2017 和2019 年為研究區(qū)的干旱年份，2003、2013、2018 和2020 年旱情較為緩和，中旱面積所占比例可以在一定程度上反映研究區(qū)整體的干旱情況；整體來看2001-2020 年研究區(qū)西南部干旱發(fā)生的頻率高、強(qiáng)度大，東北部干旱發(fā)生的頻率低、強(qiáng)度小。3)干旱的發(fā)生在時(shí)間序列和空間分布上均與草地覆蓋度時(shí)間與空間變化有一定的關(guān)聯(lián)性，蒙古高原草原區(qū)草地覆被度變化與氣候干旱整體上呈正相關(guān)關(guān)系，不同植被類型草地覆蓋度對(duì)干旱的敏感程度依次是典型草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 草甸草原，覆蓋度20%～60%草地對(duì)干旱的響應(yīng)更為顯著，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在西部山地之間的低海拔地區(qū)、西部高海拔的山地草原和色楞格省與布爾干省北部的高緯度草地。