摘要：草原植被驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究一直備受關(guān)注。以1982-2015年內(nèi)蒙古荒漠草原為研究對(duì)象，基于GIMMSNDVI3g及氣象數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、滯后系數(shù)探討內(nèi)蒙古地區(qū)荒漠草原NDVI對(duì)氣候因子的滯后性。結(jié)果表明：1)荒漠草原NDVI、降水、氣溫和太陽總輻射年內(nèi)變化都是單峰型。8月草原NDVI值達(dá)到最大，NDVI值年內(nèi)變化不明顯;降水也是8月達(dá)到最大;氣溫和太陽總輻射7月達(dá)到最大。2)從草原NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系和顯著相關(guān)面積占比來看，氣候因子對(duì)草原NDVI影響從大到小的排列順序?yàn)椋航邓?gt;太陽輻射>氣溫。3)荒漠草原生長(zhǎng)季植被的NDVI與氣候的滯后性分析表明，5-9月NDVI與降水相關(guān)關(guān)系顯著，滯后時(shí)間為1個(gè)月左右。4月NDVI與1-4月的降水不顯著，降水不是草地返青的主導(dǎo)氣候因子;6-9月草原NDVI與氣溫成負(fù)相關(guān)，滯后時(shí)間為0～1個(gè)月。4-5月草原NDVI與氣溫成正相關(guān)，該季氣溫的回升是植被返青的關(guān)鍵因子;6-9月草原NDVI與太陽輻射成負(fù)相關(guān)，滯后時(shí)間為1個(gè)月。5月草原NDVI與太陽輻射成正相關(guān)，滯后時(shí)間為1個(gè)月;4月NDVI與1-4月的太陽輻射關(guān)系不顯著。

　　關(guān)鍵詞：荒漠草原;NDVI;滯后時(shí)間;氣候因子

　　草原是內(nèi)陸半干旱到半濕潤(rùn)氣候條件下特有的一種生態(tài)系統(tǒng)類型，不僅為人類提供生產(chǎn)、生活原料，還是支撐與維持地球生命的支持系統(tǒng)，維持生命的物質(zhì)循環(huán)與水循環(huán)，維持生物物種與遺傳多樣性、凈化環(huán)境、維持大氣化學(xué)平衡與穩(wěn)定[1-4]。

　　荒漠草原是草原區(qū)向荒漠區(qū)過渡的旱生化草原生態(tài)系統(tǒng)，在內(nèi)蒙古約占草原總面積的10.7%[5-6]，該地區(qū)干旱少雨，屬于典型的生態(tài)脆弱帶，穩(wěn)定性差，極易遭到破壞，對(duì)全球變化的響應(yīng)十分的敏感[7-9]。草原植被驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究一直受到廣泛關(guān)注[10]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前公認(rèn)的作為區(qū)域或全球植被覆蓋度及植被生長(zhǎng)狀態(tài)的最佳指示因子[11-12]。研究結(jié)果表明，NDVI與氣候因子有著顯著的相關(guān)關(guān)系[13-15]。同時(shí)，植被對(duì)氣候因子響應(yīng)存在著明顯的滯后性，植被生長(zhǎng)除了受當(dāng)時(shí)的氣候因子影響外，前一段時(shí)間的氣候條件的累積效應(yīng)對(duì)植被的生長(zhǎng)也產(chǎn)生很大的影響，并且不同地區(qū)植被對(duì)氣象因子的響應(yīng)時(shí)段不盡相同[16-19]。

　　遼寧省生長(zhǎng)季植被從滯后期的時(shí)間長(zhǎng)短看，植被生長(zhǎng)對(duì)氣溫的變化最為敏感，其次是降水量，而對(duì)日照響應(yīng)相對(duì)緩慢[20]。1982-2000年內(nèi)蒙古地區(qū)植被NDVI與降水有很好的相關(guān)性，降水對(duì)植被的生長(zhǎng)影響很大[21-22]。2001-2010年內(nèi)蒙古草原植被覆蓋度在年際水平上主要受降雨影響，月植被覆蓋度對(duì)降雨量的響應(yīng)存在時(shí)滯效應(yīng)[23-24]。

　　目前關(guān)于氣候?qū)Σ莸厣�長(zhǎng)的影響研究，主要集中在降水方面。針對(duì)氣溫，尤其是太陽輻射對(duì)草地的生長(zhǎng)研究比較少。同時(shí)研究的時(shí)間跨度比較小且缺少對(duì)空間分布的描述。基于以上原因，利用長(zhǎng)時(shí)間序列(1982-2015年)GIMMSNDVI3g、ERA5降水、氣溫、太陽輻射數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)蒙古荒漠草原NDVI對(duì)降水、氣溫、太陽輻射的滯后性進(jìn)行研究，探討荒漠草原植被對(duì)不同氣候因子的響應(yīng)和時(shí)滯的差異性，以期揭示荒漠草原生長(zhǎng)的規(guī)律特征及其氣候驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

　　1研究區(qū)概況

　　內(nèi)蒙古荒漠草原位于37°-46°N，105°-115°E，總面積約為11.2萬km2，占全區(qū)草地總面積的10.68%。主要分布在陰山北麓和西鄂爾多斯，是內(nèi)蒙古干旱區(qū)代表性的植被類型之一，面積遼闊，占據(jù)了烏蘭察布高原大部及西鄂爾多斯。與荒漠帶緊鄰，在典型草原和草原化荒漠之間呈帶狀由東北向西南分布。該區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨。

　　年均氣溫為4.79℃，最低氣溫在1月份，均溫為-14.65℃，最高氣溫7月份，均溫達(dá)22.32℃。平均年降水量為217mm，且年內(nèi)分布不均勻，主要集中在6-8月。草原植被類型主要為戈壁針茅(Stipatianschanicavar.gobica)草原、石生針茅(Stipatianschanicavar.klemenzii)草原、沙生針茅(Stipacaucasicasubsp.glareosa)草原和短花針茅(Stipabreviflora)草原組成的草原群落。

　　2數(shù)據(jù)與研究方法

　　2.1數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

　　2.1.1NDVI數(shù)據(jù)

　　植被指數(shù)數(shù)據(jù)為美國宇航局(NASA)最新提供的第3代NDVI數(shù)據(jù)集(GIMMSNDVI3gV1.0)(https：//ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，該數(shù)據(jù)集時(shí)間跨度為1982-2015年，時(shí)間分辨率為15d，空間分辨率為8km，經(jīng)過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。使用Matlab對(duì)1982-2015年覆蓋內(nèi)蒙古草地的GIMMSNDVI3g數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、Albers等面積投轉(zhuǎn)換等處理，形成涵蓋內(nèi)蒙古草地的月度DNVI時(shí)空數(shù)據(jù)集。

　　2.1.2氣象數(shù)據(jù)選用的氣象再分析資料為EC-MWF公開的ERA5數(shù)據(jù)(http：//apps.ecmwf.int/datasets/)，ERA5是迄今最強(qiáng)大的全球氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，與之前的ERA-Interim產(chǎn)品相比，ERA5具有更高的時(shí)空分辨率，時(shí)間分辨率為逐小時(shí)，空間分辨率高達(dá)0.125°。選用覆蓋內(nèi)蒙古草地1982-2015年1-12月0.125°的ECMWF-ERA5氣象模式2m氣溫、降水、太陽總輻射數(shù)據(jù)。使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、年度合成、圖像裁剪、Albers等面積投轉(zhuǎn)換、重采樣等處理。

　　2.1.3荒漠草原數(shù)據(jù)荒漠草原類型數(shù)據(jù)是在中科院植物所2000年制作的1∶100萬全國植被類型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，完成對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)荒漠草原范圍的提取。并對(duì)草原圖進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、柵格化等處理，獲得投影和分辨率與遙感數(shù)據(jù)一致數(shù)字化產(chǎn)品。

　　3結(jié)果與分析

　　3.1草地的NDVI年內(nèi)生長(zhǎng)變化規(guī)律

　　給出了1982-2015年荒漠草原類型月平均NDVI的變化趨勢(shì)。荒漠草原ND-VI變化呈現(xiàn)單峰生長(zhǎng)規(guī)律。草原植被從4月底到5月快速生長(zhǎng)，到8月NDVI值達(dá)到最大，9月就開始衰退，到11月徹底枯黃。荒漠草原由于受自然條件和降水的影響，NDVI值一直變化不太明顯(0.105～2.210)，但也表現(xiàn)出了一定季節(jié)性規(guī)律。

　　3.2氣候因子年內(nèi)變化規(guī)律

　　給出了1982-2015年荒漠草原月平均降水、氣溫、太陽總輻射的變化趨勢(shì)，降水、氣溫、太陽總輻射年內(nèi)變化都是單峰型。荒漠草原從1月開始降水量逐漸增加，到8月份達(dá)到最大，降水量為53.40mm，9-12月份開始逐漸下降;由中可知荒漠草原氣溫也是從1月份開始逐漸增加，到7月份氣溫達(dá)到最大值22.75℃，之后開始快速下降;月太陽總輻射量也是前7個(gè) 月逐漸遞增，到7月份達(dá)到最大值860.18MJ/m2，之后開始快速下降。

　　3.3荒漠草原降水滯后時(shí)間及空間分布

　　荒漠草原9月份NDVI與1-9月的降水相關(guān)性最高的是8月份，其平均相關(guān)系數(shù)為0.433。由此可得，9月份NDVI與8月份降水有很好的相關(guān)性，9月份NDVI對(duì)應(yīng)降水滯后時(shí)間為1個(gè)月。

　　其中，通過P<0.1顯著性檢驗(yàn)的面積占整個(gè)荒漠草原面積的63.30%，顯著相關(guān)空間分布主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，包頭，巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū);8月份NDVI與1-8月的降水相關(guān)性最高的月份是7月份，其平均相關(guān)系數(shù)為0.480。8月份的滯后時(shí)間為也是1個(gè)月。其中，通過P<0.1顯著相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)草原面積的81.47%，除了阿拉善左旗、鄂托克前旗，顯著相關(guān)地區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)荒漠草原;7月份NDVI與1-7月的降水相關(guān)性最高的月份是6月份，其平均相關(guān)系數(shù)為0.513。7月份的滯后時(shí)間也是1個(gè)月左右。

　　其中，通過P<0.1顯著相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)草原面積的93.00%。相關(guān)系數(shù)和面積占比是所有月份里面最高的，幾乎覆蓋荒漠草原整個(gè)地區(qū);6月份NDVI與1-6月的降水相關(guān)性最高的月份是5月份，其平均相關(guān)系數(shù)是0.486。6月份的滯后時(shí)間為1個(gè)月。其中，通過P<0.1顯著相關(guān)的面積占整個(gè)草原面積的88.86%，顯著相關(guān)的區(qū)域除了烏拉特前旗和部分烏拉特后旗，覆蓋了剩下整個(gè)荒漠草原;5月份NDVI與1-5月的降水相關(guān)性最高的月份是4月份，其平均相關(guān)系數(shù)是0.408，5月份的滯后時(shí)間也是1個(gè)月。顯著相關(guān)的區(qū)域主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū);4月份NDVI與1-4月的降水顯著性不明顯，且1-3月平均相關(guān)系數(shù)為負(fù)，4月份正好是草地返青季，由此可見降水并不是草地返青的主導(dǎo)氣候因子，導(dǎo)致4月份草地的生長(zhǎng)可能還受其他氣候因子控制。

　　4結(jié)論與討論

　　4.1討論

　　荒漠草原NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在一定的滯后性，且不同學(xué)者研究結(jié)論差異比較大[25]。張穎等[26]研究發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)荒漠草原受降水影響較大，在月尺度上草地覆蓋度對(duì)氣溫表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，而降水滯后效應(yīng)不明顯;李曉兵等[27]認(rèn)為內(nèi)蒙古荒漠草原分布區(qū)夏季的降水對(duì)當(dāng)年植被生長(zhǎng)的影響最明顯;王舉鳳等[18]認(rèn)為內(nèi)蒙古荒漠草原植被覆蓋度對(duì)降水量存在明顯的1～2個(gè)月滯后和累積效應(yīng)，且表現(xiàn)出越干旱的草原類型滯后效應(yīng)越明顯的特征，荒漠草原植被對(duì)降水量變化更加敏感。

　　王雨晴等[23]認(rèn)為內(nèi)蒙古荒漠草原的月NDVI對(duì)降水、溫度存在1～2個(gè)月滯后效應(yīng)，且降水對(duì)NDVI的影響大于溫度;劉成林等[28]通過氣象站點(diǎn)資料收集方式研究發(fā)現(xiàn)二連浩特、蘇尼特左旗、朱日和荒漠草原NDVI對(duì)降水滯后時(shí)間都為64d以上，那仁寶力格和多倫滯后48d;李霞等[29]也是通過氣象站數(shù)據(jù)研究荒漠草原氣候因子時(shí)滯效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ND-VI對(duì)降水滯后時(shí)間1個(gè)月，氣溫的滯后時(shí)間不明顯。

　　草原NDVI與當(dāng)月的氣溫相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，且氣溫在植被生長(zhǎng)季前期與NDVI成正相關(guān)，中后期成負(fù)相關(guān)關(guān)系，這個(gè)結(jié)論與本文的研究基本一致。由此可見，目前絕大多數(shù)研究主要集中在水熱滯后性方面，而本研究發(fā)現(xiàn)太陽輻射對(duì)荒漠草原植被ND-VI影響要大于氣溫的影響，且與氣溫對(duì)NDVI響應(yīng)比較類似，也是在植被生長(zhǎng)季前期與NDVI成正相關(guān)，中后期成負(fù)相關(guān)關(guān)系，滯后時(shí)間為1個(gè)月。ND-VI與降水的相關(guān)最強(qiáng)，滯后也是1個(gè)月。NDVI與氣溫的相關(guān)關(guān)系在三者中最弱，滯后約0～1個(gè)月。總的來看，以上結(jié)論有的和本研究一致，有的不同，主要原因可能是研究區(qū)域不一致，也可能是數(shù)據(jù)、研究方法不同造成的。

　　4.2結(jié)論

　　利用1982-2015年的GIMMS月度NDVI、ECMWF-ERA5月度降水、氣溫、太陽輻射數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)荒漠草原NDVI的氣候因子滯后性進(jìn)行研究。荒漠草原NDVI、降水、氣溫、太陽總輻射年內(nèi)變化都是單峰型。草原到8月NDVI值達(dá)到最大，NDVI值(0.105～2.210)年內(nèi)變化不太明顯;降水8月份達(dá)到最大，降水量為53.40mm;氣溫7月份達(dá)到最大值22.75℃;太陽總輻射也是7月份達(dá)到最大值860.18MJ/m2。

　　生態(tài)論文投稿刊物：應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)主要報(bào)道應(yīng)用生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新性科研成果與科研進(jìn)展，反映我國應(yīng)用生態(tài)學(xué)的學(xué)術(shù)水平和發(fā)展方向，跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿，注重理論與應(yīng)用結(jié)合，促進(jìn)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流合作與人才培養(yǎng)。

　　荒漠草原生長(zhǎng)季植被的NDVI與降水的滯后性分析表明，5-9月NDVI與降水相關(guān)關(guān)系比較顯著，滯后時(shí)間為1個(gè)月，顯著相關(guān)的區(qū)域主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗，烏蘭察布盟的四子王旗，鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區(qū)。4月份NDVI與1-4月的降水不顯著，降水不是草地返青的主導(dǎo)氣候因子。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王伯蓀，彭少麟.植被生態(tài)學(xué)群落與生態(tài)系統(tǒng)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1997.

　　[2]ZHAOTQ，OUYANGZY，JIALQ，etal.Ecosystemserv-icesandtheirvaluationofChinagrassland[J].ActaEcologicaSinica，2004，24(6)：1101-1110.

　　[3]ADAMSJM，F(xiàn)AUREL，F(xiàn)AURE-DENARDJM，etal.Wood-wardincreasesinterrestrialcarbonstoragefromthelastglacialmaximumtothepresent[J].Nature，1990，348(6303)：711-714.

　　[4]CURLOCKJM，HALLDO.Theglobalcarbonsink：agrass-landperspective[J].GlobalChangeBiology，2010，4(2)：229-233.

　　[5]吳永勝，馬萬里，李浩，等.內(nèi)蒙古退化荒漠草原土壤有機(jī)碳和微生物生物量碳含量的季節(jié)變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(2)：312-316.WUYS，MAWL，LIH，etal.Seasonalvariationsofsoilor-ganiccarbonandmicrobialbiomasscarbonindegradeddesertsteppesofInnerMongolia[J].ChineseJournalofAppliedE-cology，2010，21(2)：312-316.(inChinese)

　　作者：滑永春，高潤(rùn)宏*，敖敦