大数据在科尔沁沙质草甸草地监测中的应用

王保林，景 文

(内蒙古小草数字生态产业股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010030)

我国草地资源丰富，拥有全球面积第二大的草地资源。内蒙古草原是我国北方生态的重要屏障，但近年来草地荒漠化和草地退化严重，监测和治理我国北方退化草地迫在眉睫。草原生态大数据是一个具有科学指导性的服务型平台，应用互联网、云计算、“3S”技术(GIS、GPS和RS)等信息化技术手段，整合草原生态基础数据和技术信息，实现基础数据等信息的互通共享，为不同区域中草原生态资源的合理利用以及生态保护提供判断依据。本研究以内蒙古科尔沁沙质退化草甸为例，应用大数据平台对草地退化情况进行监测和评价，旨在为其治理提供帮助。

科尔沁沙地是我国北方农牧交错区的典型代表区域，也是近年来沙漠化最为严重的地区之一。由于自然生态系统的脆弱性，再加上近几十年人为过度的开垦、放牧等因素，严重破坏了原生植被。取代原生植被的是处于不同发育阶段的隐域型沙地植被，与原生植被相比较，沙地植被中的乔木层已基本消失，草本层退化，灌木层发育强烈，植物种类组成减少，结构过于单一，植被层发育不良，可食牧草比重减少。针对科尔沁沙地面临的植被退化问题，以植被恢复、提高草地生产力和改善生态环境为核心，通过沙地治理技术和监测效果的对比分析，开展沙化综合治理关键技术研究。同时，利用已有数据积累基础，收集该区域水—土—气—生数据资料，结合关键环境要素，开展科尔沁沙地生态演变与环境要素的关系研究，综合分析评估该区域生态演变特征及趋势，从而为科尔沁沙地综合治理、生态演变预测提供数据支持，并逐步优化沙地综合治理技术，持续进行对治理草地进行监测。利用多种技术手段分析多源数据，分析科尔沁沙地退化趋势及合理的治理方法，结合遥感、物联网数据，建立模型，快速、精准判断影响生态变化因子，并对沙地治理效果进行评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域处于科尔沁沙地扎鲁特旗境内的草甸草原典型区域(121°12′38.55″～121°20′39.51″E，44°22′38.11″～44°26′17.70″N)，占地面积47.23 km2。国家重点研发计划课题“科尔沁沙质草甸草地退化治理技术与模式”的退化治理区和示范区主要设置在研究区域内。该区的气候类型属于中温带半干旱季风气候，春季干旱多风，夏季炎热，雨水集中，秋季凉爽、温差大，冬季漫长干冷。草地类型以温性草甸草原类和低地草甸类为主，均有不同程度的退化、沙化现象。草甸草原分布在固定、半固定和流动沙丘上，土壤以风沙土为主，多经过人为的反复干扰；低地草甸分布于沙丘之间，由于表层土壤风蚀严重，碱土裸露，形成大面积裸斑，土壤以盐化或碱化草甸土为主，局部地方为沼泽土。多年生优势植物有大针茅、羊草、冰草、褐沙蒿、差巴嘎蒿、芨芨草、芦苇、拂子茅、巨序剪股颖、大叶章、披碱草、苔草、小糠草等，沙丘上主要分布有多种一年生植物。

1.2 数据来源

1.2.1 卫星遥感资料 遥感数据是NASA(National Aeronautics and Space Administration)提供的Landsat系列共享数据，空间分辨率为30 m。

1.2.2 气象数据 气象资料主要从中国气象科学数据共享服务网(http：//data.cma.cn/)下载，下载研究区内2005、2008、2011、2014、2017年中国地面气候资料每日的数据，主要包括年平均气温、积温、降水量和蒸散量。

1.2.3 物联网数据 借助物联网设备智墒(土壤墒情传感器)，于2017年4月至11月，对科尔沁退化草地的土壤水分和温度指标进行监测和数据采集，再通过对数据检测和统计分析，得出实际的土层水分和土层积温数据及变化规律。

1.2.4 植被盖度 利用野外样方数据的平均值，结合经纬度点位关联当地高分辨率植被指数NDVI 值。形成盖度(C)拟合方程。

C=92.892x+24.541(0.01≤x<0.812)%

C=100(0.812≤x≤1)%

1.2.5 草地生物量利用野外样方数据的平均值，结合经纬度点位关联当地高分辨率植被指数NDVI 值。形成生物量(B)拟合方程。

B=423.3x2+25.925x(0≤x<0.35)g/m2

B=1100.75x2-779.45x+230.35(0.35≤x≤1)g/m2

1.3 数据分析方法

利用Arcgis10.2、SPSS19.0和EXCEL对数据进行统计、处理和分析。

2 结果与分析

2.1 科尔沁退化沙质草甸的植被盖度、生物量及气象变化

对2005～2017年科尔沁退化草地的植被盖度、生物量及4个季度的气温、降雨量、蒸散量和年积温进行统计分析，表明研究区植被盖度变动在46%～72%之间，极差为26%，13 a平均植被盖度为63%；草地生物量为63.7～120.9 g/m2，极差57.2 g/m2，13 a平均值为92.0 g/m2。对13 a每季度的平均气温、降雨量和蒸散量统计分析，4个季度平均气温依次为-7.4 ℃、16.5 ℃、21.6 ℃和-2.0 ℃；平均降雨量依次为6.2 mm、130.2 mm、192.9 mm和20.1 mm；平均蒸散量分别为36.7 kg/m2、54.4 kg/m2、107.9 kg/m2和43.0 kg/m2。多年平均季度气温、降雨量和蒸散量均呈现一季度<四季度<二季度<三季度。>0 ℃积温为3 557.2～4 133.6 ℃，平均为3 808.7 ℃(表1)。

2.2 科尔沁退化沙质草甸的植被盖度值同气象数据变化的关系

2.2.1 植被盖度与气象数据的相关性 植被盖度与不同季度的温度、降雨、蒸散、积温的相关性各不相同。盖度与4个季度的温度均呈负相关关系，与降雨量呈正相关关系，与蒸散量的相关性有正有负，与积温的相关性较小。其中，在α=0.05显著水平上，植被盖度与一、三季度温度呈显著负相关关系，说明1～3月和7～9月2个季度制约植被生长的主要因子之一是温度；植被盖度与三季度降雨呈显著正相关关系，说明7～9月的降雨是影响植被生长的又一主要因子；植被盖度与二季度蒸散显著正相关，与三季度蒸散在α=0.01水平上显著正相关，说明4～9月的蒸散量也会对植被生长产生正向影响。比较各气象指标与植被盖度的相关系数，盖度与各气象指标的相关性关系在α=0.05显著水平上为三季度蒸散量>二季度蒸散量>三季度温度>三季度降雨量>一季度温度。进一步以盖度为因变量(C)进行多元回归分析，得到盖度随三季度蒸散量和三季度温度变化的回归方程C1=0.135x1-8.001x2+221.735(R2=0.648，p<0.05，x1为三季度蒸散量，x2为三季度温度)和盖度随二季度蒸散量和三季度降雨量变化的回归方程C2=0.211x1+0.049x2+42.195(R2=0.601，p<0.05，x1为二季度蒸散量，x2为三季度降雨量)。说明植被盖度随三季度蒸散量和温度的协同变化而变化，也受二季度蒸散量和三季度降雨的共同影响(表2)。

表1 科尔沁退化沙质草甸的植被盖度、生物量、温度、降雨量、蒸散量、积温

表2 科尔沁退化沙质草甸的温度、降雨量、蒸散量、积温与植被盖度的关系

2.2.2 季度温度对植被盖度的影响 科尔沁退化沙质草甸的一季度气温在-10.2～-4.8 ℃之间变化，三季度气温在21.2～22.5 ℃之间变化，13 a的一、三季度平均气温分别为-7.4 ℃和21.6 ℃。植被盖度的变化趋势和一、三季度气温的变化趋势反向一致。一、三季度气温升高时，植被盖度降低，一、三季度气温降低时，植被盖度增加(图1)。

图1 季度气温对植被盖度的影响

2.2.3 季度降雨量、蒸散量对植被盖度的影响 科尔沁退化沙质草甸的三季度降雨量在93.1～308.4 mm之间变化，13 a的平均值为192.9 mm，整体呈增加趋势；二季度蒸散量在18.5～82.3 kg/m2之间变化，平均为54.4 kg/m2；三季度蒸散量为49.3～155.7 kg/m2，平均107.9 kg/m2，蒸散量整体也呈增加趋势。植被盖度的变化趋势和季度降雨量、蒸散量的变化趋势一致。三季度降雨量、二季度蒸散量、三季度蒸散量增加，植被盖度增加，反之降低(图2)。

图2 季度降雨量、蒸散量对植被盖度的影响

2.3 科尔沁退化沙质草甸的地上生物量与气象数据变化的关系

2.3.1 生物量与气象数据的相关关系 草地地上生物量与不同季度的温度、降雨、蒸散、积温的相关性各不相同，其与各气象指标的相关关系与盖度同各气象指标的相关性类似。生物量与三季度温度在α=0.01水平上呈显著负相关关系，说明7～9月的温度越高，越不利于生物量的积累；生物量与二季度降雨在α=0.01水平上呈显著正相关关系，此时的降雨是影响草地生物量的主要因子之一。生物量与二季度蒸散在α=0.05水平上显著正相关，表明4～6月的蒸散量也是生物量积累的关键因素。比较各气象指标与生物量的相关系数，其相关关系在α=0.05显著水平上为二季度降雨量>三季度温度>二季度蒸散量。进一步以生物量为因变量(y)，进行多元线性回归分析，得出回归方程为y=0.329x1-18.577x2+451.296(R2=0.782，p<0.05，其中x1为二季度降雨量，x2为三季度温度)，说明草地生物量的积累受二季度降雨和三季度温度共同影响(表3)。

表3 科尔沁退化沙质草甸的温度、降雨量、蒸散量、积温与生物量的关系

续表：

2.3.2 季度温度、降雨量、蒸散量对生物量的影响 草地地上生物量的变化趋势和三季度气温的变化趋势反向一致。三季度气温升高时，生物量减少，反之亦然。生物量的变化趋势和季度降雨量、蒸散量的变化趋势一致。二季度降雨量、二季度蒸散量增加，生物量增加，反之减少(图3)。

图3 季度气温、降雨量、蒸散量对生物量的影响

3 讨论

通过对气象数据(温度、降雨)与盖度、生物量之间的相关性分析，认为科尔沁退化沙质草甸的植被盖度主要受三季度气温和三季度降雨影响最大，而生物量主要受二季度降雨和三季度气温的影响。但多数研究表明，降雨量是控制植被生长状况的主要气候因子[1，2]；有科尔沁沙地的相关研究表明，植被NDVI与气温呈显著正相关[3]，年际水平上植被生长总体上与降水量的关系更加密切。本研究中植被盖度与季度气温显著负相关，气温升高时，植被盖度降低，气温降低时，植被盖度增加，与上述研究不相符合。但也有研究表示这可能是由于不同区域不同植被获取土壤水分的能力大小各异，水热组合响应不同[4]所致；或者在一年之中7～9月份降水量主要起促进NDVI增长的作用，而平均气温主要起限制作用[5]。气温升高使得地表蒸发量增大，植被的蒸腾作用增强，而对于科尔沁沙质草甸而言，当水分不能保证植被正常生长时，会制约植被生长，降低植被盖度，甚至加剧干旱化趋势，造成土地荒漠化。因此，气温变化对于科尔沁沙地的植被盖度的驱动作用是负向作用。本研究蒸散量整体呈增加趋势，说明科尔沁沙地水分蒸发呈增加趋势，这与全球气候变暖现象有关。近百年来，全球气温也正处于上升态势[6，7]；李金亚等在研究科尔沁沙地近50 a气候时，也表明这一结论。

科尔沁沙地区域生态环境干旱脆弱，降雨是该区域土壤水分的主要来源。而该区域植被生长季从4月下旬开始至10月结束，7、8月生长最为茂盛，11月份完全枯死[8]。植被生长依赖于水热组合的共同作用，单一气候因子的相关性降低[9]。本研究利用物联网设备获取土壤水分和温度数据，通过对大数据的分析，5～8月份土壤温度最高，而较高的土壤水分主要集中在6～9月份，与植被的生长季节相匹配。