干旱对内蒙古植被生长的累积与滞后影响评估研究
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Key Laboratory of Disaster and Ecological Security on the Mongolia Plateau, Hohhot, Inner Mongolia 010022, China； 3. Inner Mongolia Key
Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information Systems, Hohhot, Inner Mongolia 010022, China；. Lanzhou Institute of
积和时滞作用下不同类型植被的响应研究相对匮 乏，需进一步探讨干旱对不同类型植被带来的累 积与时滞效应。因此，本文通过研究不同植被类 型NDVI与不同时间尺度累积与滞后SPEI间的相 关关系，探讨干旱对内蒙古不同植被的累积和时
滞效应，有助于为内蒙古地区不同植被类型的干 旱监测提供科学依据。
1材料与方法
CU Xi-ling12 , CUO En-liang1，'4* , YIN Shan1'3 , WANC Yong-fang1，,
NA Ren-mandula1，, WAN Zhi-qiang1
(1. College of Geographic Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot, Inner Mongolia 010022, China； 2. Inner Mongolia
对比发现，干旱累积效应对植被的影响远大于时滞效应。
关键词：累积效应；时滞效应；归一化植被指数；标准化降水蒸散指数
中图分类号:S34 2. 1
文献标识码:A
文章编号：10070彳35(202 1)06-130-10
Assessment of the Cumulative and Lagging Effects of Drought on Vegetation Growth in Inner Mongolia
化上两者呈现一定的相似性；干旱的累积效应与内蒙古北部林区及西部荒漠戈壁区NDVI呈负相关，累积月数均
在10—12个月；中部草原NDVI与干旱的累积滞后关系呈正相关，且干旱的累积影响大于滞后影响；农田植被
NDVI与干旱的累积滞后效应均呈正相关，但相关性较弱；通过不同水分利用条件下干旱累积与时滞效应的相关性
1.1 研究区概况 内蒙古地区(37°24‘〜53°23' N, 97°12‘〜126°
04' E)位于我国北部边疆，地形由东北向西南斜伸, 呈狭长型。大部分地区地貌类型为高原，海拔在 1 000 m以上(图1)。内蒙古大部分地区为温带大 陆性气候，年均降水量为100〜400 mm［6］。在空间 分布上，降水分布自东向西减少，蒸散分布则自东向 西增加，从而形成了自东而西由湿润区、半湿润区过 渡为半干旱区、干旱区的气候特征［7］。
(1内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特010022； 2.内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室， 内蒙古呼和浩特00022； 3.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古呼和浩特010022； 4中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃兰州730070)
摘要：本文为探究干旱对植被的累积和时滞效应，以内蒙古为研究区，基于SPEI base v. 2. 5和GIMMS NDVI数据
内蒙古位于我国华北地区，85%以上属于干 旱、半干旱区［12］,是受气候变化影响最敏感的地区 之一 ［3］。内蒙古植被类型从东北部向西部依次为 森林、草原、荒漠［4］，生态环境十分脆弱，区域植被 易受干旱的影响，不同类型植被对多时间尺度干 旱的响应亦有不同［5］。然而，当前的研究大多聚 焦于单一植被类型对干旱的响应，有关干旱的累
Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou, Gansu province 730070, China)
Abstract： This study was aimed to explore the cumulative and time lag effects of drought on vegetation, based on SPEI base v. 2. 5 and CIMMS NDVI data sets,the cumulative and time lag effects of drought on vegetation in Inner Mongolia were analyzed using Sen-type slope? Mann-Kendall mutation test and partial correlation analyed methods. The result, showed: The annual maximum value of the Normalized difference vegetation index(NDVI) in Inner Mongolia showed an overall upward trend over time,nd the annual aver age value of the Standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) showed a downward trend?the t.wo showed a certain similarity in spatial trend changes; The cumulative effect, of drought was negatively correlated with NDVI in the northern forest, areas of Inner Mongolia and the western desert, and Cobi are as ? but the cumulative months of drought were all 10-12 months. There was a positive correlation between NDVIandthecumulativelagofdroughtinthecentralgrassland,andthecumulativeefectofdroughtwas greater than that of drought lag. Both the NDVI of farmland vegetation and the cumulative lag effect, of droughtwerepositivelycorrelated ,butthecorrelation wasweak；Throughthecorrelationcomparisonbetweendroughtaccumulativeandtime-lagefectunderdiferentwateruseconditions,itwasfoundthatthe impact of drought accumulation e fect on vegetation was far greater than the time lag e fect. Key words: Cumulative effect.; Time-lag effect.; Normalized difference vegetation index; Standardized precipi tationevapotranspirationindex
通信作者 Author for correspondence. E-mail: guoell988@imnu. edu. cn
1302
草地学报
第29卷
随着全球气候变化，干旱事件发生的频率和 强度不断增强，其影响范围也在不断扩大［］,干旱 作为气象灾害之首具有持续时间长，波及范围大 等特点［］，每年会对我国造成不同程度的损失，尤 其在陆地生态环境较为脆弱的干旱、半干旱地区 对区域生态环境造成的影响更为严重［-4］。植被 在全球陆地生态系统中起着重要作用，是响应气 候变化最敏感的组分，可作为气候变化的指示 器［］。大量研究表明植被生长易受到干旱的影 响，如黄文琳等利用多时间尺度的标准化降水蒸 散指数(Standardized precipitation evapotranspira tion index, SPEI)和归一化植被指数(Normalized difference vegetation Index, NDVI)时序数据进行研 究，发现植被物候对多尺度干旱有不同程度的响 应规律［6］;张华等通过NDVI和植被状态指数 (Vegetation condition index, VCI)结合 SPEI 分析植 被生长状况，发现大部分区域植被变化均与SPEI 呈现不同程度的正相关关系［］。此外，有研究表 明植被不仅受同时期干旱状态的影响，也会受到 早期干旱的累积与滞后影响［］。如刘世梁等基于 SPEI指数分析了干旱对植被的影响，发现不同尺 度SPEI对月均ND VI的影响存在滞后性［9］;李明 等发现气象干旱对不同季节农作物生长有滞后影 响［0］；Zha。等指出干旱对于黄土高原草地生长有 广泛的累积效应，干旱时滞效应的影响覆盖了黄 土高原一半的草地［1］。然而，在气候变暖背景下, 区域干旱状况及植被生长呈现出复杂的变化态 势，因此准确监测区域干旱状况并定量化评估干 旱对植被生长的影响就显得尤为必要。
收稿日期：2021-01-04;修回日期：2021-04-12 基金项目：内蒙古自然科学基金联合项目(2020LH04003)中国气象局干旱气象科学研究基金项目(IAM201904)；国家自然科学基金青年
项目(41807507、；内蒙古自治区科技计划项目(2020GG0047)共同资助 作者简介：顾锡羚(1998-)，女，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要从事土地覆被与植被遥感监测研究,E-mail：guxiling98@163. com； *
集，利用Sen式斜率.Mann-Kendall突变检验和偏相关分析方法，分析干旱对植被的累积和时滞效应。结果表明： 内蒙古地区归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)年最大值随时间变化整体呈上升趋势，
标准化降水蒸散指数(Standardized precห้องสมุดไป่ตู้pitation evapotranspiration index, SPEI)年平均值呈降低趋势，空间趋势变
第29卷第6期 Vol. 29 No. 6
草地 学报
ACTA AGRESTIA S1N1CA
2021年 6月 Jun. 2021
doi： 10. 1 1733/j. issn. 1007-0435. 2021. 06. 021
干旱对内蒙古植被生长的累积与滞后影响评估研究
顾锡羚12,郭恩亮，银 山13,王永芳12,那仁满都拉12,万志强1
1.2数据来源与处理 1.2.1 NDVI时间序列数据集 全球库存监测和 建模系统(GIMMS3 g)NDVI数据集来源于美国国 家海洋和大气管理局(NOAA)。该数据是目前记 录全球植被信息时间序列最长的数据集 ，包括 1982—2015年期间每15 d NDVI最大值合成数据, 空间分辨率为8 km,格式为ENVI标准格式，现已 被广泛用于监测植被动态(https: / /ecocast. arc. nasa. gov/data/pub/gimms/3 g. v1 /)［8］。 1.2.2 SPEI base v. 2. 5 版本数据集 全球 SPEI 数据库SPEI base提供了全球尺度的干旱状况，该 数据集具有1至48个月的时间尺度和0. 5度的空 间分辨率。已有学者评估了 SPEI base 2. 4版本, 发现该版本对内蒙古地区有较好的适用性，可表征 内蒙古地区干旱特征［9］。本研究采用SPEI base v.2. 5数据集的1至12月尺度数据讨论干旱对内 蒙古地区植被的累积和时滞效应，对SPEI数据集 进行双线性插值算法重采样，以获得与NDVI数据 集一致的空间分辨率。 1.2.3 植被类型数据 根据1 ： 100万内蒙古地区 植被图，将其矢量化后再进行栅格化处理，获得植被 类型空间栅格数据。该数据所反映的年代为 2000—2010年期间内蒙古植被类型。内蒙古地区 植被类型划分为森林植被、灌丛、草甸草原、典型草 原、荒漠草原、农田植被、戈壁荒漠、沙地植被等9 种(图 1)［0］o
Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information Systems, Hohhot, Inner Mongolia 010022, China；. Lanzhou Institute of
积和时滞作用下不同类型植被的响应研究相对匮 乏，需进一步探讨干旱对不同类型植被带来的累 积与时滞效应。因此，本文通过研究不同植被类 型NDVI与不同时间尺度累积与滞后SPEI间的相 关关系，探讨干旱对内蒙古不同植被的累积和时
滞效应，有助于为内蒙古地区不同植被类型的干 旱监测提供科学依据。
1材料与方法
CU Xi-ling12 , CUO En-liang1，'4* , YIN Shan1'3 , WANC Yong-fang1，,
NA Ren-mandula1，, WAN Zhi-qiang1
(1. College of Geographic Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot, Inner Mongolia 010022, China； 2. Inner Mongolia
对比发现，干旱累积效应对植被的影响远大于时滞效应。
关键词：累积效应；时滞效应；归一化植被指数；标准化降水蒸散指数
中图分类号:S34 2. 1
文献标识码:A
文章编号：10070彳35(202 1)06-130-10
Assessment of the Cumulative and Lagging Effects of Drought on Vegetation Growth in Inner Mongolia
化上两者呈现一定的相似性；干旱的累积效应与内蒙古北部林区及西部荒漠戈壁区NDVI呈负相关，累积月数均
在10—12个月；中部草原NDVI与干旱的累积滞后关系呈正相关，且干旱的累积影响大于滞后影响；农田植被
NDVI与干旱的累积滞后效应均呈正相关，但相关性较弱；通过不同水分利用条件下干旱累积与时滞效应的相关性
1.1 研究区概况 内蒙古地区(37°24‘〜53°23' N, 97°12‘〜126°
04' E)位于我国北部边疆，地形由东北向西南斜伸, 呈狭长型。大部分地区地貌类型为高原，海拔在 1 000 m以上(图1)。内蒙古大部分地区为温带大 陆性气候，年均降水量为100〜400 mm［6］。在空间 分布上，降水分布自东向西减少，蒸散分布则自东向 西增加，从而形成了自东而西由湿润区、半湿润区过 渡为半干旱区、干旱区的气候特征［7］。
(1内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特010022； 2.内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室， 内蒙古呼和浩特00022； 3.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古呼和浩特010022； 4中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃兰州730070)
摘要：本文为探究干旱对植被的累积和时滞效应，以内蒙古为研究区，基于SPEI base v. 2. 5和GIMMS NDVI数据
内蒙古位于我国华北地区，85%以上属于干 旱、半干旱区［12］,是受气候变化影响最敏感的地区 之一 ［3］。内蒙古植被类型从东北部向西部依次为 森林、草原、荒漠［4］，生态环境十分脆弱，区域植被 易受干旱的影响，不同类型植被对多时间尺度干 旱的响应亦有不同［5］。然而，当前的研究大多聚 焦于单一植被类型对干旱的响应，有关干旱的累
Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou, Gansu province 730070, China)
Abstract： This study was aimed to explore the cumulative and time lag effects of drought on vegetation, based on SPEI base v. 2. 5 and CIMMS NDVI data sets,the cumulative and time lag effects of drought on vegetation in Inner Mongolia were analyzed using Sen-type slope? Mann-Kendall mutation test and partial correlation analyed methods. The result, showed: The annual maximum value of the Normalized difference vegetation index(NDVI) in Inner Mongolia showed an overall upward trend over time,nd the annual aver age value of the Standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) showed a downward trend?the t.wo showed a certain similarity in spatial trend changes; The cumulative effect, of drought was negatively correlated with NDVI in the northern forest, areas of Inner Mongolia and the western desert, and Cobi are as ? but the cumulative months of drought were all 10-12 months. There was a positive correlation between NDVIandthecumulativelagofdroughtinthecentralgrassland,andthecumulativeefectofdroughtwas greater than that of drought lag. Both the NDVI of farmland vegetation and the cumulative lag effect, of droughtwerepositivelycorrelated ,butthecorrelation wasweak；Throughthecorrelationcomparisonbetweendroughtaccumulativeandtime-lagefectunderdiferentwateruseconditions,itwasfoundthatthe impact of drought accumulation e fect on vegetation was far greater than the time lag e fect. Key words: Cumulative effect.; Time-lag effect.; Normalized difference vegetation index; Standardized precipi tationevapotranspirationindex
通信作者 Author for correspondence. E-mail: guoell988@imnu. edu. cn
1302
草地学报
第29卷
随着全球气候变化，干旱事件发生的频率和 强度不断增强，其影响范围也在不断扩大［］,干旱 作为气象灾害之首具有持续时间长，波及范围大 等特点［］，每年会对我国造成不同程度的损失，尤 其在陆地生态环境较为脆弱的干旱、半干旱地区 对区域生态环境造成的影响更为严重［-4］。植被 在全球陆地生态系统中起着重要作用，是响应气 候变化最敏感的组分，可作为气候变化的指示 器［］。大量研究表明植被生长易受到干旱的影 响，如黄文琳等利用多时间尺度的标准化降水蒸 散指数(Standardized precipitation evapotranspira tion index, SPEI)和归一化植被指数(Normalized difference vegetation Index, NDVI)时序数据进行研 究，发现植被物候对多尺度干旱有不同程度的响 应规律［6］;张华等通过NDVI和植被状态指数 (Vegetation condition index, VCI)结合 SPEI 分析植 被生长状况，发现大部分区域植被变化均与SPEI 呈现不同程度的正相关关系［］。此外，有研究表 明植被不仅受同时期干旱状态的影响，也会受到 早期干旱的累积与滞后影响［］。如刘世梁等基于 SPEI指数分析了干旱对植被的影响，发现不同尺 度SPEI对月均ND VI的影响存在滞后性［9］;李明 等发现气象干旱对不同季节农作物生长有滞后影 响［0］；Zha。等指出干旱对于黄土高原草地生长有 广泛的累积效应，干旱时滞效应的影响覆盖了黄 土高原一半的草地［1］。然而，在气候变暖背景下, 区域干旱状况及植被生长呈现出复杂的变化态 势，因此准确监测区域干旱状况并定量化评估干 旱对植被生长的影响就显得尤为必要。
收稿日期：2021-01-04;修回日期：2021-04-12 基金项目：内蒙古自然科学基金联合项目(2020LH04003)中国气象局干旱气象科学研究基金项目(IAM201904)；国家自然科学基金青年
项目(41807507、；内蒙古自治区科技计划项目(2020GG0047)共同资助 作者简介：顾锡羚(1998-)，女，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要从事土地覆被与植被遥感监测研究,E-mail：guxiling98@163. com； *
集，利用Sen式斜率.Mann-Kendall突变检验和偏相关分析方法，分析干旱对植被的累积和时滞效应。结果表明： 内蒙古地区归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)年最大值随时间变化整体呈上升趋势，
标准化降水蒸散指数(Standardized precห้องสมุดไป่ตู้pitation evapotranspiration index, SPEI)年平均值呈降低趋势，空间趋势变
第29卷第6期 Vol. 29 No. 6
草地 学报
ACTA AGRESTIA S1N1CA
2021年 6月 Jun. 2021
doi： 10. 1 1733/j. issn. 1007-0435. 2021. 06. 021
干旱对内蒙古植被生长的累积与滞后影响评估研究
顾锡羚12,郭恩亮，银 山13,王永芳12,那仁满都拉12,万志强1
1.2数据来源与处理 1.2.1 NDVI时间序列数据集 全球库存监测和 建模系统(GIMMS3 g)NDVI数据集来源于美国国 家海洋和大气管理局(NOAA)。该数据是目前记 录全球植被信息时间序列最长的数据集 ，包括 1982—2015年期间每15 d NDVI最大值合成数据, 空间分辨率为8 km,格式为ENVI标准格式，现已 被广泛用于监测植被动态(https: / /ecocast. arc. nasa. gov/data/pub/gimms/3 g. v1 /)［8］。 1.2.2 SPEI base v. 2. 5 版本数据集 全球 SPEI 数据库SPEI base提供了全球尺度的干旱状况，该 数据集具有1至48个月的时间尺度和0. 5度的空 间分辨率。已有学者评估了 SPEI base 2. 4版本, 发现该版本对内蒙古地区有较好的适用性，可表征 内蒙古地区干旱特征［9］。本研究采用SPEI base v.2. 5数据集的1至12月尺度数据讨论干旱对内 蒙古地区植被的累积和时滞效应，对SPEI数据集 进行双线性插值算法重采样，以获得与NDVI数据 集一致的空间分辨率。 1.2.3 植被类型数据 根据1 ： 100万内蒙古地区 植被图，将其矢量化后再进行栅格化处理，获得植被 类型空间栅格数据。该数据所反映的年代为 2000—2010年期间内蒙古植被类型。内蒙古地区 植被类型划分为森林植被、灌丛、草甸草原、典型草 原、荒漠草原、农田植被、戈壁荒漠、沙地植被等9 种(图 1)［0］o