内蒙古典型草原区气候变化及其对草原植被的影响

内蒙古典型草原区气候变化及其对草原植被的影响受全球气候变暖和人类活动因素的共同影响，在中国西北的干旱半干旱区，由于植被的减少或退化对当地的生态和气候环境形成了潜在的威胁。深入了解干旱半干旱天气、气候对植被变化的响应机制和特征，通过一系列不同的空间和时间尺度和相互耦合或衔接模型的建立，以达到预警、调节与降低不良作用的影响，为生态系统的可持续发展提供理论基础。可为防治土地的进一步退化和荒漠化提供重要的理论依据和技术支撑。本研究基于西乌珠穆沁旗卫星遥感判读植被指数变化情况，调阅西乌珠穆沁旗的气象站历史气象数据，查阅西乌珠穆沁旗统计年鉴，对植物生长季气候条件进行分析对比讨论。利用1961-2013年西乌珠穆沁旗气温、降水资料，对研究区近50a来气温和水分资源各分量的时空变化进行了研究，并结合卫资料，从气候变化和降水的收支平衡的角度，对西乌珠穆沁旗近20a的植被覆盖变化及其原因进行了分析。结果表明:西乌珠穆沁旗增温趋势显著，即近53年以来，该区年平均气温增加了1.6，且增温的程度存在的趋势。降水量略有所减少趋势，但不具有显著性，其减小速率为2.7mm/10a。近20a西乌珠穆沁旗植被覆盖变化与气候变化密切相关。目前全球气候变暖已成为国际社会关注的重要问题。全球变暖的气候变化作为一个突出的标志，可能对生态环境造成严重影响，已引起了科学家和国家社会的极大关注，气候变化问题日益成为一个热点问题。气候变化不仅仅是气候和全球环境领域的问题，而且也关系到生态系统的稳定，影响农业、牧业、林业等各个生产领域。国内外专家通过研究植被与气候的变化关系，通过一系列不同的空间和时间尺度和相互耦合或衔接模型的建立，以达到预警、调节与降低不良作用的影响，为生态系统的可持续发展提供理论基础。随着对全球气候变化研究的深入，陆地生态系统对未来气候变化，尤其地表植被对气候变化的响应已经成为学术界关注的焦点。陆地生态系统中植被作为重要的组成部分，其变化在全球和环境的变化研究中起着敏感的指示作用。受人类活动和外部作用等多种综合因素的影响，其中对植被的变化因素中气温和降水被认为是重要的指示参量，并且携带了大量地表植被结构和功能信息。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,简称NDVI）是植被生长状况及植被覆盖率的最佳指示因子，在植被遥感中得到了广泛应用，被认为是全球或地区监测植被和生态环境变化的有效指标。 植被具有年际变化和季节变化的明显特点，并与一定的气候、土壤、地貌等自然条件相对应，在全球能量系统平衡中，植被对生态化学循环以及水循环起着重要的作用，在全球变化研究中充当“指示器”的作用。归一化植被指数NDVI是目前应用最为广泛的植被指数并且能够精确的反映植被代谢强度和年纪的变化特征。因此广泛的应用到全球范围叶面积指数、生物量的估算、植被动态监测、植被的分类、土地利用变化和农作物长势的监测研究中。气候变化是引起植被变化的主要原因之一，因而在研究全球变化中NDVI与气候响应关系得到广泛关注，对植被的动态监测可以从一定程度上反映气候变化的趋势。草地生态系统中最重要的研究对象是植被，水、热、能量状况则是优化草地生态系统、建立生态良性循环、维持生态平衡的基础。内蒙古草原是我国北方的一道天然生态屏障，对我国的生态环境的保护和改善发挥着不可替代的作用，而其中的锡林郭勒草原在我国北方干旱半干旱地区具有典型的代表作用，研究锡林郭勒地区植被对气候变化的影响更尤为重要。更多的研究集中在上世纪末90年代国内外关于植被对气候变化响应，针对21世纪最初10年的二者响应关系研究并不多，尤其是在全球气候变暖的大背景下，针对锡林郭勒地区草原植被对气候变化的响应研究内容不多。第二章 数据来源和研究方法2.1数据来源气象资料选用内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗地面气象站1961-2013年逐日气温和降水资料。本文研究所采用的归一化植被指数（NDVI），19861999年为NOAA卫星，20002010年为MODIS卫星。2.2研究方法2.2.1研究区域的概况西乌珠穆沁旗位于内蒙古锡林郭勒盟东部，地理坐标为东经11621-11931，北纬4357-4523，北邻东乌珠穆沁旗，东与阿鲁科尔沁旗，南和巴林左旗、巴林右旗、林西昌、克什克腾旗接壤，西于锡林浩特是毗邻。西乌珠穆沁旗地，蒙古地槽东南，地势由东南向西北倾斜，海拔835-1957米；山地占24.9%，多分布在东部地区。表2.1 西乌珠穆沁旗气候特征气温()1月平均气温()7月平均气温()大于5积温 (d)大于10积温 (d)降水量(mm)降水日数(d)日照时数(h)高温日数(d)低温日数(d)1961-2013年平均值1,6-19.120.01800.61011.7345.865.03287.00.870.22.2.2研究方法统计年代、年份、生育期、不同月份以及生育期内各旬等不同时间尺度的气候特点及变化情况；分析年平均气温和降水变化特征、季节平均气温和降水变化特征、生长季平均气温和降水变化特征、积温变化特征、极端气温变化特征；利用线性回归、正态分布等分析方法统计、计算变化趋势、方差、距平、保证率以及各种评价指标等。2.2.3应用公式NDVI计算公式为：NDVI=(Pnir-pred)/(Pnir+pred)其中, Pnir为近红外波段（0.75-1.10），处于绿色植物光谱反射去：为可见波段（0.580.68），处于叶绿素吸收带。-1NDVI1，地面覆盖为云、雨、水、雪等表示负值，对可见光高反射；0表示为岩石或裸露的土表，Pnir和pred近似相等；正值表示为植被覆盖，且伴随着覆盖度的增大而增大。较高的NDVI说明植被具有较高的光合能力，那么植被的覆盖也就越好；相反，植被吸收的太阳过越弱，光合作用也就越少，它的产量就越少，NDVI也就越低。第三章 锡林郭勒盟草原气候变化特征分析3.1气温变化特征分析3.1.1年平均气温变化特征图3.1 1961-2013年西乌珠穆沁旗的年气温变1961-2013年，西乌珠穆沁旗年平均气温增温率为0.3/10a，即近53年以来，该区年平均气温增加了1.6。由西乌珠穆沁旗1961-2013年年平均气温变化图3.1可以看出，20世纪60年代初该区的平均气温呈波动下降趋势，在60年代中后期气温有所上升，但是在1969年的温度下降到最低（-0.3），随后开始回升。从60年代末到80年代中期，西乌珠穆沁旗年平均气温呈略增加变化趋势。在进入90年代平均气温呈现上升趋势到1999年达到3.1，为近53年来的第二高值。进入21世纪，西乌珠穆沁旗年平均气温增温趋势变缓，但2007年，年平均气温升至近53年最高，达3.5。在2007年出现年平均气温的最高值后，平均气温开始持续5年下降。说明，近几年西乌珠穆沁旗变暖趋势有所放缓，而在气候变暖的同时极端低温事件更应引起注意。3.1.2季节平均气温变化特征从西乌珠穆沁旗四季温度年际变化线性拟和结果可知，该区四季温度都在升高，尤其在春季和夏季的增温幅度最大，增温率均为0.34/10a，即近53年春季和夏季平均气温增加了1.8；秋季次之，平均气温增温率为0.32/10a，即近53年秋季平均气温增加了1.6；冬季平均气温增温率相对较小，分别是0.22/10a，即近53年平均气温增加了1.1。季节气温标准差的统计结果表明，西乌珠穆沁旗地冬季平均气温的标准差最大，为1.80，其次是春季和秋季，分别为1.3和1.2，最小的是夏季为0.92。说明该区冬季气温波动较大，夏季波动最小。总之，西乌珠穆沁旗夏季的增温对年平均温度的增加贡献最大，但冬季气温的波动幅度也最大。图3.2 1961-2013年西乌珠穆沁旗的季节平均气温变化3.1.3生长季平均气温变化特征（4-9月）5是牧草和植物的生长起始温度，气候变化对牧草生长季延长或者缩短的响应不仅仅取决于牧草的返青与枯黄日期的变化，还同时取决于牧草其他发育日期的变化。因此，选取研究区域的牧草生长季（49）月的平均气温、降水量（高于5时期中的降水量之和与同时期累积气温之比）。1961-2013年，西乌珠穆沁旗年生长季平均气温增温率为0.3/10a，即近53年以来，该区年平均气温增加了1.6。生长季的平均降水率却呈现下降的趋势为-6.2/10mm。温度的升高和降水量的减少，基本的水热条件变化了对牧草的生长发育的造成影响。牧草返青开始的早晚主要是受生长期气温的高低和降水的多少构成影响。气温的变化对牧草的返青日期的提前的强度会大于降水量的影响。降水量的影响比较复杂，负相关关系占的比例较大，对牧草返青日期影响较弱。一般而言温度的升高，尤其是随着春季各地气温的升高趋势加剧，更加有力利于牧草的提前返青，而夏季和秋季的温度升高对牧草黄枯的日期推后均有明显的促进作用。气候的变暖使牧草的返青日期提前和黄枯的推后。但是气温高于牧草生长所需的适宜的温度指标时，反而可能对牧草的生长季有所影响。分析生长季各月平均气温的变化发现，西乌珠穆沁旗1961-2013年4-9月平均气温均为上升趋势，分别为0.26/10a、0.25/10a、0.36/10a、0.30/10a、0.39/10a和0.49/10a。其中，9月平均气温升温率最大，4、5月平均气温增温幅度最小。说明西乌珠穆沁旗生长季气候变暖有利于牧草提前返青并且会造成牧草黄枯期明显退后。 图3.3 1961-2013年西乌珠穆沁旗的生长季节平均气温和降水的变化3.1.4积温变化特征分析1961-2013年西乌珠穆沁旗0、5和10积温变化发现，该区积温条件呈显著增加趋势，0积温增加趋势更明显，为65.4/10a尤其在进入90年代以后0的积温大的趋势呈现上升的阶段并且在2000年达到最大值，虽然在近几年又所回落但是从总体大的趋势上开看还是呈现明显上升阶段；5积温增加率54.7/10a在60年代末到达最低值之后并逐步呈现上升的趋势，在90年代初出现一个大的波动到达很低的数值之后积温的变化呈现很强的上升趋势；10积温增加率为45.2/10a，10积温的增加趋势是较0、5积温的趋势略缓。积温增加使牧草生长热量条件变好，有利于延长牧草生长季，有利于热量条件要求较高的牧草品种的种植。 图3.4 1961-2013年西乌珠穆沁旗0、5和10积温变化3.1.5极端气温变化特征（高温日数、生长季极端高温、极端低温）表3.1 西乌珠穆沁旗月极端最高气温和月极端最低气温月极端最高气温（）月极端最低气温（）1月5.0-40.72月10.7-38.63月22.2-35.54月30.6-22.15月33.5-11.56月37.3-3.47月37.83.78月36.62.09月34.2-10.310月26.4-24.111月11.4-34.512月9.4-36.6气候特征仅有一地的多年平均状况还不足说明，必须考虑到影响当地气候极端值的。西乌珠穆沁旗昼夜温差大，牧草生长过程中，常受到低温冷害、高温热浪等的影响。从（表3.1）1961-2013年各月统计的极端气温，可以看出，作物生长关键期4-9月除7、8月份外，其它月份均有极端最低气温均小于0的情况。所以，低温会对当地牧草的生长季初期和末期造成危害。从各月极端最高气温上可以看出，西乌珠穆沁旗极端最高气温发生在6、7、8月份。其它月份极端最高气温值均没有达到高温标准。所以，对西乌珠穆沁旗牧草生长影响最大的是低温3.2降水变化特征分析3.2.1年平均降水量变化 图3.5 西乌珠穆沁旗年平均降水计算1961-2013年西乌珠穆沁旗不同等级保证率对应的降水量，可知西乌珠穆沁旗年降水量小，能够通过保证率为80%的降水量仅有280mm，降水量大于373mm的保证率只有32。1961-2013年，西乌珠穆沁旗年降水量波动变化幅度较大，年降水量最小值只有146.6mm，而最大值有564.5mm，相差417.9mm。对西乌珠穆沁旗1961-2013年年降水量进行的线性拟合表明，该区降水量略有所减少趋势，但不具有显著性，其减小速率为2.7mm/10a。从多项式拟合趋势线上可以看出，近53年西乌珠穆沁旗年降水量呈两边少中间多的趋势。其中20世纪60年代和21世纪以来，年降水量呈偏少阶段；20世纪70、80和90年代，年降水量呈偏多阶段。3.2.2季节降水量变化通过对多年平均降水量的统计可知，西乌珠穆沁旗的降水量60%左右都集中在夏季，春季和秋季的降水分别占16和20。因此，对于年降水量贡献最大的是夏季，其次是秋季和春季。另外，年降水量的90以上都集中在410月份，这也是当地农作物和牧草的生长期。分析西乌珠穆沁旗近53年夏季降水量变化曲线图（图3.6）可知，近53年来当地的夏季降雨量与年降雨量趋势有较好的一致性，有微弱的增加趋势。夏季降水量占当地降水量的绝大部分，所以夏季降水量的多少以及其变化趋势将很大程度上影响全年降水量的多少及变化趋势。另外，春季降水量有微弱的增加趋势，对农作物出苗及牧草返青有利；秋季的降水量是呈现减少的趋势但减少的趋势不是特不的明显和冬季降水变化呈现的是上升，但是总体来说对植物的生长没明显的帮助，可能冬季的降水的增多会对来的植物的生长带来帮助。 图3.6 图3.6西乌珠穆沁旗四季节降水量变化3.2.3生长季降水量变化（各月的、总降水量、生长关键期）表3.2 西乌珠穆沁旗生长季节降水量变化4月5月6月7月8月9月总降水量 生长关键期降水量（mm） 10.0729.5956.4896.4769.8130.61293.04 166.28占生育期总降水量比例（%）3.4410.1020.3032.9223.8210.45图3.7 西乌珠穆沁旗四季节降水量变化西乌珠穆沁旗牧草生长季降雨量主要集中在7、8月份， 7月降水量在80mm以上，占生育期降水的30%以上。4月降水量最少，月平均降水量仅有10.07mm占在生育期总降水量的3%。5月份降水量也较少，平均日降水量不足1mm（表3.2）。4、5月份是农作物和牧草生长的初期，降水的严重偏少容易造成萌芽期的生长不充分，影响整体的生长发育或者延迟发育。从总的趋势上来看在牧草和农作物生育期的降水是逐年递减的，也会影响到牧草和植被的覆盖面积的减少。3.2.4最长连续无降水日数图3.8西乌珠穆沁旗最长连续无降水日数西乌珠穆沁旗降水资料稀少，牧草生长容易受干旱影响。统计分析1961-2013年该区历年最长连续无降水日数发现，该区近53年最长连续无降水日数达73d，最长的是1989年，最长连续无降水日数达178d，近半年时间没有降水。说明持续性干旱严重影响西乌珠穆沁旗牧草的生长。从历年变化上看，近53年最长连续无降水日数有变短的趋势，但不显著。第四章 气候变化对锡林郭勒盟草原植被影4.1气候变化对锡林郭勒盟草原植被影响4.1.1锡林郭勒梦草原指数变化特征利用卫星遥感反演的NDVI来表征草原植被近23年的状况。从图4.1中看在1989年出现一个低值对应这当时的气温，在1989年也出了在80年代中最高值，所以也造成了当年的植被覆盖率减小。NDVI变现出明显的波动变化，高值出现在20世纪90年代前期和90年代后期，在1993年出现了植被覆盖的最高值，而之后植被覆盖在90年代的中后期呈现是明显的下降趋势。2003和2005年也是NDVI的高值年，但是总体上锡林郭勒盟草原指数变化是呈现一个明显的下降的趋势，虽然有一些年份出现了高值，但是植被的覆盖大的趋势还是呈现下降。 图4.1 锡林郭勒盟草原指数变化特征通过图4.2可以看出，大部分年份NDVI值最大值均出现在9月。各月NDVI值变化总体趋势基本一致，但也有个别年份变动趋势不一致情况。5月和6月NDVI值最小，尤其是在2001年六月份值出现最小，之后也出现波动，5月份的2006年、2007年、2008、年与6月份的NDVI值重合，但是总体上来看5月份与6月份NDVI值的变化趋势相似。 图4.2 锡林郭勒盟草原指数变化特征4.1.2气候变化对锡林郭勒盟草原植被的可能影响分析生育期NDVI与降水量的历年变化图4.3发现，两者的波动变化有较好的一致性。除个别年份外，降水量较多的年份，NDVI的值也偏大；降水量较少的年份，NDVI值偏小。说明降水量的多少对草原区植被有着重要的影响。图4.3 锡林郭勒盟草原NDVI与降水的关系析生育期NDVI与最长连续无降水日数的历年变化从图4.4发现，二者的历年变化关系呈反相关系，尤其是20世纪90年代中期以后。虽然1993年最长连续无降水日数最大，达30天，但分析发现，无降水发生在5月5日至6月3日，是牧草出苗阶段，牧草不需要大量水分，另外在前期（5月1-4日）有28mm降水，所以对当年的牧草生长影响不大。说明牧草生育期最长连续无降水日数越长，牧草长势越差；最长连续无降水日数越短，牧草长势越好。另外牧草在不同的生育阶段对水分要求不同，如果降水与牧草需水阶段同期，则牧草长势好，反之长势不好。 图4.4 西乌珠穆沁旗最长连续无降水日数4.1.3西乌珠穆沁旗生长季各月NDVI值与主要气象因子的相关性系数在全球气候变暖的背景下，气候的变化对不同植物在各类型的草原地区变化的响应也有所不同。例如：植物生长期期间有效积温的累积提高是由于气候的变暖所造成的，同时也会影响到锡林郭勒草原区马兰草生长期呈现微弱的缩短的趋势，提早达到植物生长的需要。但是牧草生长期却与马兰草的生长趋势不同，随着全球气候的变暖，牧草的生长期呈现延长的趋势，牧草生长季延长的趋势最为明显是锡林郭勒典型草原区，平均没10a年延长3.4d。在气候的变化与波动中，植物的生长期延长可能是与增温有关，如马兰草对气候变化反映是较为敏感的植物，由于气候的变暖，植物生长发育的速率加快，植物成熟过程提早，生长期反而缩短。而牧草对气候变暖的反应较为滞后，气候的变暖后牧草生长期延长，对水分的需要加剧，说明全球变暖对不同植物生长期的影响及程度是不同的。表4.5 西乌珠穆沁旗生长季各月NDVI值与主要气象因子的相关性系数月份与前1月与当月与两月与前1月与当月与两月气温气温气温之和降水量降水量降水量之和50.109 0.261 0.220 0.257 0.174 0.401*60.060 0.451*0.394*0.318 -0.015 0.120 70.364 0.321 0.385 0.383 0.237 0.413*8