全 文 ：气候和放牧对锡林郭勒地区植被覆盖变化的影响*
王海梅1,2 摇 李政海2**摇 王摇 珍3
( 1内蒙古自治区气象科学研究所, 呼和浩特 010051; 2大连民族学院环境与资源学院, 辽宁大连 116600; 3内蒙古农业大学生
态环境学院, 呼和浩特 010018)
摘摇 要摇 基于锡林郭勒盟 15 个气象站点 1981—2007 年的逐月气温、降水量数据及各旗县的
牲畜头数,在 ArcGIS软件的支持下,分析气候干燥度和牲畜密度的空间分布,结合 1981—
2007 年的逐旬归一化植被指数(NDVI)数据,对研究区植被覆盖变化的驱动因素进行分析.结
果表明: 研究期间,锡林郭勒盟气候干燥度与植被覆盖状况之间存在良好的线性回归关系;
NDVI与牲畜密度之间存在良好的二项式回归关系,随着 NDVI 值的升高,牲畜密度先增加后
降低;植被覆盖状况与干燥度和牲畜密度呈复线性相关关系,其中,NDVI 与干燥度呈正相关,
与牲畜密度呈负相关,且干燥度对 NDVI的影响远大于牲畜密度对 NDVI的影响.
关键词摇 气候干燥度摇 牲畜密度摇 归一化植被指数
文章编号摇 1001-9332(2013)01-0156-05摇 中图分类号摇 P49; Q146摇 文献标识码摇 A
Effects of climate and grazing on the vegetation cover change in Xilinguole League of Inner
Mongolia, North China. WANG Hai鄄mei1,2, LI Zheng鄄hai2, WANG Zhen3 ( 1 Inner Mongolia
Meteorological Institute, Hohhot, 010051, China; 2College of Environment and Resources, Dalian
Nationalities University, Dalian 116600, Liaoning, China; 3College of Ecology and Environmental
Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2013,24(1): 156-160.
Abstract: Based on the monthly temperature and precipitation data of 15 meteorological stations
and the statistical data of livestock density in Xilinguole League in 1981-2007, and by using Arc鄄
GIS, this paper analyzed the spatial distribution of the climate aridity and livestock density in the
League, and in combining with the ten鄄day data of the normalized difference vegetation index (ND鄄
VI) in 1981 -2007, the driving factors of the vegetation cover change in the League were dis鄄
cussed. In the study period, there was a satisfactory linear regression relationship between the cli鄄
mate aridity and the vegetation coverage. The NDVI and the livestock density had a favorable bino鄄
mial regression relationship. With the increase of NDVI, the livestock density increased first and
decreased then. The vegetation coverage had a complex linear relationship with livestock density
and climate aridity. The NDVI had a positive correlation with climate aridity, but a negative corre鄄
lation with livestock density. Compared with livestock density, climate aridity had far greater effects
on the NDVI.
Key words: climate aridity; livestock density; NDVI.
*国家自然科学基金项目(30970494)和环境保护部公益性行业科
研专项(201109025鄄3)资助.
**通讯作者. E鄄mail: li鄄lzhh@ 263. net
2012鄄05鄄08 收稿,2012鄄10鄄22 接受.
摇 摇 锡林郭勒盟是我国最典型的草原分布区,气候
本身的脆弱性、波动性和严酷性,加上人类活动的作
用,使该地区的草原生态系统很容易发生退化.草原
退化不仅严重损伤草原生态系统的生态防护功能,
制约地区畜牧业的发展,而且威胁国家的生态安全.
近几十年来,国内外专家对草原退化问题开展
了广泛研究.结果表明,内蒙古草原退化率由 20 世
纪 60 年代的 18%发展到 20 世纪 80 年代的 39% ,
90 年代达到 60郾 1% , 2000 年前后更是达到了
73郾 2% (沙化、退化面积占可利用草原面积的比
例),说明内蒙古草原的区域性整体退化已经成为
不争的事实[1-3] . 目前,从个体到群落水平,人们对
草原退化的动态变化规律、退化过程和机制有了相
对清晰的认识,认为草原退化是由于人为活动在不
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 1 月摇 第 24 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2013,24(1): 156-160
利的自然因素的基础上所引起的草原(包括植物及
土壤)质量衰退,以及生产力、经济潜力和服务功能
降低,环境变劣,生物多样性衰减,恢复功能减弱或
丧失的过程[4-9] .
以往关于放牧对草地生态系统健康影响的研究
多侧重于在群落和生态系统水平的小尺度上,利用
试验小区进行不同放牧压力对土壤、植被和微气象
环境等的影响试验[10-13],研究不同放牧压力对草地
生态环境的影响.利用长时间序列的遥感数据和气
象数据分析气候因素对生态环境影响的研究成果也
比较丰富.许多学者利用遥感数据开展了草原区生
产力估测、荒漠化评价方法及其动态监测、气候变化
对草原植被的影响等方面的研究[14-17] . 如曹鑫
等[14]利用 1983—1999 年归一化植被指数(NDVI)
及同期气象数据,对每个像元建立气候因子与 NDVI
的回归关系模型,并基于遥感方法对锡林郭勒草原
退化人为因素的总体影响趋势进行分析,揭示了锡
林郭勒草原不同区域的草原退化格局.朱玉霞等[18]
利用 MODIS数据对内蒙古自治区草原荒漠化年际
动态变化进行研究,结果表明内蒙古地区荒漠化面
积以每年 2郾 2%的速率增大,荒漠化地区的荒漠化
程度以每年 10%的速度加重.从利用遥感技术开展
草原区域生态学研究的总体趋势来看,关于基于遥
感数据的植被状况与降水和温度等气候要素相互关
系的研究较多,而对于区域尺度上导致草原退化的
人为影响,特别是大尺度上牲畜空间分布所反映的
放牧压力导致草原植被覆盖变化的研究少有报道.
为此,本文借鉴田永中等[19]采用土地利用数据模拟
中国人口密度的研究方法,以某个乡镇中村或嘎查
数量占全县(旗)总村数的比例及该乡镇的面积计
算牲畜的加权插值;利用在时间和空间上相互匹配
的气象数据、NDVI数据和牲畜头数数据,在区域尺
度上探索草原植被覆盖状况与气候变化和放牧压力
的相互关系,以期为退化草原植被恢复理论的研究,
以及草原经营方向、管理和恢复措施的确定提供决
策依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
锡林郭勒盟 ( 43毅 02忆—44毅 52忆 N, 115毅 13忆—
117毅06忆 E)位于内蒙古自治区中部,地势由西南向
东北方向倾斜,东南部多低山丘陵,盆地错落,西北
部地形平坦,一些低山丘陵和熔岩台地零星分布其
间.该区属大陆性干旱半干旱气候,年均气温 0 ~ 3
益,结冰期长达 5 个月,寒冷期长达 7 个月,1 月气
温最低,平均-20 益,为华北最冷的地区之一.锡林
郭勒盟既是国家重要的畜产品基地,又是环北京生
态防护圈的重要组成部分,构成了我国北方强有力
的生态安全屏障.
1郾 2摇 数据来源
锡林郭勒盟各旗县 1981—2007 年的牲畜头数
统计数据源于锡林郭勒盟统计局和内蒙古自治区畜
牧局,本文将牲畜头数折算为标准羊单位. 研究区
15 个气象观测站点(图 1)1981—2007 年的月累积
降水量、月平均气温源于内蒙古自治区气象局. 在
ArcGIS软件的支持下,对研究区牲畜头数、气温和
降水数据进行 Kriging 插值;1981—2001 年的 NO鄄
AA / AVHRR旬 NDVI数据(分辨率为 1郾 1 km)源于
中国农业科学研究院,2002—2007 年的 MODIS ND鄄
VI数据(分辨率为 250 m)源于内蒙古气象局,经空
间重采样后,将 MODIS NDVI 处理成与 NOAA /
AVHRR空间分辨率相匹配的数据. NDVI 值在-1 ~
1,为分析方便,本文将其转换为 0 ~ 255.
摇 摇 干燥度指数是表征一个地区干湿程度的指标,
一般以某个地区水分收支与热量平衡的比值来表
示. 1900 年以来,中外学者陆续提出了 20 多种干燥
度(或湿润指数)的计算方法,其原理各异,各有优
缺点.计算气候干燥度的最简单方法就是利用温度
和降水这两个气候因子来计算. 本文采用 de Mar鄄
tonne干燥度计算公式[20]如下:
Idm =P / (T+10)
式中:Idm为干燥度;P为累积降水量(mm);T为平均
气温(益). Idm值越大,表示越湿润;Idm值越小,表示
越干旱.该干燥指数度对我国西北地区具有较好的
应用价值[21-23] .
图 1摇 研究区气象站点的分布
Fig. 1摇 Distribution of weather stations in the study area郾
7511 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王海梅等: 气候和放牧对锡林郭勒地区植被覆盖变化的影响摇 摇 摇 摇 摇
1郾 3摇 研究方法
以年降水量和气温数据为基础,计算逐年的干
燥度;根据 1 颐 25 万居民点分布图、1981—2007 年
锡林郭勒盟各旗县的牲畜头数以及乡镇(苏木)行
政区划图,借鉴田永中等[19]采用土地利用数据模拟
中国人口密度的研究方法,计算各乡镇单位面积上
承载的牲畜数量,构建研究时段内锡林郭勒草原不
同地区的放牧压力图层.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 锡林郭勒地区植被覆盖状况与干燥度的关系
以往的研究表明,锡林郭勒盟气候干燥度和植
被覆盖状况均存在由西向东带状递变的空间规
律[24-26] .本文基于 1981—2007 年年均干燥度,将各
年代平均年干燥度值按 2郾 5 为间距分级,在 ArcGIS
软件的支持下,分别求算各年代每个干燥度值分级
区域内 NDVI的平均值,分析锡林郭勒盟气候干燥
度与植被覆盖状况之间的关系.
20 世纪 80、90 年代和 21 世纪初,研究区 NDVI
(y)与干燥度 ( x)之间的回归方程分别为: y =
2郾 4754x+8郾 9548 (R2 = 0郾 99)、y = 2郾 4572x +6郾 6365
(R2 =0郾 99)、y = 2郾 4667x+6郾 4019(R2 = 0郾 99). 研究
期间,锡林郭勒盟气候干燥度显著影响植被覆盖状
况,二者之间存在良好的线性回归关系,在空间上形
成了自西向东的梯度递变规律.
2郾 2摇 锡林郭勒地区牲畜密度的时空变化
由图 2 可以看出,1981—2007 年,锡林郭勒盟
多年平均牲畜密度的空间分布呈条带状自西北向东
南递增的趋势,牲畜密度每平方千米 40 ~ 60 和
60 ~ 80标准羊单位的区域面积较大,共占锡林郭勒
盟总面积的 53郾 2% ,牲畜密度每平方千米<40 标准
羊单位的区域集中在二连浩特市、苏尼特右旗西北
部和苏尼特左旗的北部地区,牲畜密度每平方千米
>100 标准羊单位的区域集中在东南部的农牧交错
区和西乌珠穆沁旗的西南部.
与 20 世纪 80 年代相比,20 世纪 90 年代研究
区牲畜密度为每平方千米 60 ~ 140 标准羊单位的面
积出现上升趋势,牲畜密度每平方千米<40、40 ~ 60
和>140标准羊单位的面积比例分别下降了 4郾 7% 、
15郾 3%和 4郾 4% ,总体看来,该时期锡林郭勒盟大部
分地区牲畜密度有所增加;进入 21 世纪以后,牲畜
密度发生了显著变化,呈明显下降趋势,整个区域的
牲畜密度已经没有每平方千米>120 标准羊单位,与
20世纪80、90年代相比,每平方千米<40标准羊单
图 2 摇 1981—2007、1981—1989、1990—1999 和 2000—2007
年锡林郭勒盟牲畜密度的空间分布
Fig. 2摇 Spatial distribution of annual livestock density in Xilin鄄
guole from 1981 to 2007, 1981 to 1989, 1990 to 1999 and 2000
to 2007郾
位的面积比例分别上升了 11郾 9%和 16郾 5% .
2郾 3摇 锡林郭勒地区植被覆盖状况与牲畜密度的
关系
由图 3 可以看出,研究期间,锡林郭勒盟植被覆
盖状况与牲畜密度之间存在二项式回归关系,随着
NDVI值的升高,牲畜密度先增加后降低. 平均牲畜
密度较高的区域主要集中在 NDVI 值为 185 ~ 200
的区间.
图 3摇 研究区牲畜密度随 NDVI的变化
Fig. 3摇 Livestock density change with the change of NDVI in the
study area郾
玉:20 世纪 80 年代 1980s; 域:20 世纪 90 年代 1990s; 芋:21 世纪初
The beginning of 21st century郾
851 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
2郾 4摇 锡林郭勒地区植被覆盖变化的驱动机制
以年均干燥度、牲畜密度、NDVI 的栅格数据及
乡镇、苏木的矢量数据为基础,应用最小二乘法原
理,在 ArcGIS栅格计算器支持下,得到 1981—2007
年锡林郭勒盟 NDVI 与干燥度、牲畜密度的二元线
性回归方程: z = 113郾 019 + 3郾 596x - 0郾 131y ( R2 =
0郾 77,F=113郾 62,P<0郾 01).其中,z 为 NDVI,x 为干
燥度,y为牲畜密度.
研究期间,锡林郭勒草原区的植被覆盖状况与
干燥度和牲畜密度表现为复线性相关关系,其中,
NDVI与干燥度呈正相关,而与牲畜密度呈负相关.
说明 1981 年以来,锡林郭勒草原植被覆盖状况的不
断恶化既有气候旱化的影响,也有过度放牧导致草
原退化的贡献.
植被覆盖状况与气候干燥度和牲畜密度的复直
线回归方程,虽然表明了 NDVI 与干燥度和牲畜密
度的相互关系,却不能回答这种相互关系中哪种因
素是影响植被覆盖状况的最主要因素.为此,本文对
上述回归方程进行偏相关分析. 偏相关系数是在对
其他变量进行控制的条件下,衡量多个变量中某两
个变量之间线性相关程度的指标,故用偏相关系数
来描述两个变量之间的内在线性联系会更合理、更
可靠.
1981—2007 年,研究区牲畜密度与干燥度呈显
著的正相关(偏相关系数为 0郾 81),表明气候越湿润
地区的牲畜密度越大;牲畜密度与 NDVI 呈负相关
(偏相关系数为-0郾 34);干燥度与 NDVI 呈正相关
(偏相关系数为 0郾 71),且干燥度对 NDVI 的影响远
大于牲畜密度对 NDVI的影响.
3摇 讨摇 摇 论
目前,关于过度放牧导致草原区植被覆盖变化
的研究主要在试验样区中进行,但受居民点分布、牲
畜活动范围和不同旗县畜牧业政策的影响,各旗县
所统计的牲畜头数在旗域范围内并不是均匀分布,
因此,样区的研究成果难以解释不同区域草原退化
过程中植被覆盖状况的差异与放牧压力之间的相互
关系.以往没有开展区域尺度上植被覆盖状况与放
牧压力之间相互关系定量研究的一个重要原因,在
于区域尺度上难以进行牲畜数量空间分布的实地调
查,而迄今又没有将牲畜头数统计数据合理空间化
的解决方法.在考虑各乡、镇、苏木面积和村落数量
的基础上,本文参考人口密度空间分布研究中的插
值方法,以乡镇为单位,利用各乡镇的村或嘎查数量
和面积,将 1981—2007 年各旗县的牲畜头数进行空
间插值,得到相对比较合理的牲畜头数栅格数据,用
来与时空匹配的 NDVI 遥感数据进行相关研究. 尽
管以乡镇面积和村落个数为权重来分配各旗县牲畜
头数的空间分布与实际情况依然会存在一定偏差,
但在草地资源管理和开发利用政策一致、各地草地
生产力相近的行政区域范围内,该办法依然不失为
区域尺度上开展气候变化和放牧压力双重影响下草
原植被覆盖变化和草原退化机制研究的可行途径.
对锡林郭勒盟气候干燥度和植被覆盖变化规律进行
研究,结果表明随着气候的暖干化,高覆盖度植被的
分布范围东移,且锡林郭勒盟 NDVI 平均值与牲畜
密度之间存在较好的多项式回归关系,在平均牲畜
密度较高的区域,随着植被覆盖状况的年代变化,牲
畜高密度集中区的位置也随之发生变化[23-27] .
本文在探寻解决牲畜头数合理空间化方法的同
时,揭示了锡林郭勒草原区域性整体退化过程中气
候和放牧压力的驱动作用及其相互关系.结果表明:
1)锡林郭勒盟植被覆盖状况与气候干燥度之间存
在良好的线性回归关系. 2)与 20 世纪 80 年代相比,
20 世纪 90 年代锡林郭勒盟大部分地区牲畜密度增
加,进入 21 世纪以后,牲畜密度呈明显下降趋势.
3)研究期间,锡林郭勒盟 NDVI 与牲畜密度之间存
在良好的二项式回归关系,随着 NDVI 值的升高,牲
畜密度先增加后降低. 平均牲畜密度较高的区域主
要集中在 185 ~ 200 的 NDVI 区间内. 4)锡林郭勒草
原区的植被覆盖状况与干燥度和牲畜密度呈复线性
相关,其中,NDVI 与干燥度呈正相关,与牲畜密度
呈负相关,且干燥度对 NDVI 的影响远大于牲畜密
度对 NDVI的影响.
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gy (应用生态学报), 2010, 21(8): 2109-2116 ( in
Chinese)
作者简介 摇 王海梅,女,1976 年生,博士,高级工程师. 主要
从事气候变化与草地生态研究. E鄄mail: wanghmhuhe@ 126.
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责任编辑摇 杨摇 弘
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