张宝林 贾瑞晨 刘国彬 薛萐 郭同宇
（1．内蒙古师范大学化学与环境科学学院，内蒙古呼和浩特010020；
2．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712102）
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摘要：基于14年的SPOT NDVI影像，分析了内蒙古1998-2011年生长季NDVI变化，在大尺度上对退耕还林（草）工程效果进行了初步检验。结果表明：(1)在内蒙古东南部的通辽市东南部及赤峰南部，中西部的土默特平原、河套地区和鄂尔多斯东部等区域的退耕还林（草）工程区，植被持续增加，植被恢复显著；(2)植被显著恢复的主要是农用地／自然植被镶嵌、草地和稀疏灌丛和稀疏植被区，工程使局部生态环境得到改善；(3)在内蒙古东南部的赤峰和通辽南部、土默特平原、鄂尔多斯市和河套地区等工程区，植被的改善与生态工程建设有关，规模和效益成正比，在中’西部的乌兰察布市效果不明显，整体上植被没有较大的改善。研究在较大尺度上证明了内蒙古部分旗县实施退耕还林（草）T程后局部生态环境得到改善。
关键词：NDVI；退耕还林；回归分析
中国的退耕还林（草）工程可以分为创始阶段(1949-1998年)、试点阶段（1999-2001年）和全面启动阶段（2002年一），通过该工程的实施，我国的生态环境质量得到了很大的改善，为生态环境的可持续发展奠定了坚实基础。在黄土高原、广西、山西、陕西、浑善达克沙地京津沙源等地区的研究表明，实施退耕还林（草）工程以后，植被覆盖度增加、生物多样性提高；在云南、黄土高原等地区退耕还林（草）在碳固存中也起到了重要作用，同时，工程改变了植被演替过程，起到了改良土壤、阻沙和抑制土壤侵蚀等作用。更有研究探讨了退耕还林对山西土地承载力的影响，以及不同退耕还林（草）模式的环境效应。
魏兴琥等通过现场植被调查，验证了退耕还林（草）的效果，但更多的检验是通过卫星遥感监测进行的。在遥感监测中，常用的数据包括Landsat系列卫星数据和归一化植被指数( normalized differen-tial vegetation index，NDVI)数据。NDVI是植被覆盖状况的重要遥感指标，能够敏感地反映出植被生长状况、生物物理化学性质及生态系统参数的变化，常被直接或间接用于植被或土地覆盖变化研究。目前使用的NDVI数据主要源自NOVA/AVHRR (the National Oceanic and Atmospheric Administration/Ad-vanced Very High Resolution Radiometer)的GIMMS(the Global Inventory Modeling and Mapping Stud-ies)、SPOT-VGT( VETETATION)的逐句NDVI和MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectrora-diometer)NDVI数据。李云鹏等利用NDVI遥感影像分析了内蒙古植被覆盖宏观变化和荒漠化的情况，但研究多集中于生态脆弱区，如蒙古高原、锡林郭勒草原和黑河流域，研究发现锡林郭勒草地、额济纳旗植被总体趋于好转。
SPOT-VGT NDVI数据表明退耕还林（草）工程在我国的黄土高原、山西省和陕西等地区取得了较好的生态效果。但是，内蒙古自治区自2000年开始实施退耕还林、2003年开始实施退牧还草以来，通过遥感手段评估内蒙古退耕还林（草）工程效果的研究还鲜见报道。本研究基于1998-2011年SPOT-VGT NDVI时间序列数据分析了内蒙古自治区退耕还林（草）重点区域生长季植被的时空变化，以期为科学评估退耕还林（草）工程对生态系统增汇减排的近、远期影响奠定基础。
1研究区域概况
内蒙古自治区位于中国北部边疆，全区总面积118.3万kmz。位于典型的温带季风气候区，冬季漫长寒冷，寒暑变化剧烈；降水量受地形和海洋位置的影响，自东向西由500 mm递减为50 mm左右。内蒙古自治区自实施退耕还林（草）工程以来，生态建设程取得了显著成效：据全国第六次森林资源清查( 1999-2003)结果显示，森林覆盖率达到17.7%，比第5次林资源清查(1994-1998)时的13.8%提高了3.9个百分点；沙漠化扩展速率也由1994-1999年的0.87%下降到2005年的0.25%。
2数据与方法
2.1数据来源及预处理
研究以内蒙古区域1998-2011年14年间SPOT-VGT NDVI遥感影像为信息源，该数据由比利时弗莱芒技术研究所(Flemish Institutefor Technological Re-search,Vito)VEGETATION影像处理中心负责大气校正、辐射校正、几何校正，生产10 d最大化合成的NDVI数据。
根据《内蒙古自治区巩固退耕还林成果专项规划》，退耕还林（草）工程涉及全区12个盟（市），96个旗（县、市、区），占全区旗（县、市、区）总数的95.1%，其中，退耕地造林涉及89个旗（县、市、区），占全区旗（县、市、区）总数的88.2%。涉及607个苏木（乡、镇），占全区苏木（乡、镇）总数的94.7%；涉及7 894个嘎查（行政村），占全区嘎查（行政村）总数的64.9%。
2.2研究方法
2.2.1 基于像元的NDVI时间序列变化趋势分析
为了从宏观尺度上分析1998-2011年内蒙古自治区植被NDVI变化情况，以内蒙古地区植被生长季（4-10月）1998-2011年间NDVI总和为）．轴，以时间为x轴，基于像元计算NDVI时间序列直线回归斜率，并对回归系数进行显著性检验。根据回归系数的性质，像元值大于0即说明该像元NDVI增加，小于0即说明该像元NDVI减小，且绝对值越大说明变化越明显。
2.2.2与土地覆盖数据的叠置分析
对于1998-2011年间内蒙古自治区生长季植被NDVI发生显著增加(d>0.95)的地区与MODIS三级数据土地覆盖类型产品(Land Cover data)进行叠置分析，以判断植被NDVI增长地区所属土地覆盖类型，从而对内蒙古退耕还林（草）工程区植被恢复效果进行初步检验。
MODIS土地覆盖类型数据是根据一年的Terra和Aqua观测所得的数据经过处理，描述土地覆盖的类型。MODIS Terra+Aqua三级土地覆盖类型年度全球500 m产品MCD12Q1采用5种不同的土地覆盖分类方案：IGBP( International Geosphere-Biosphere Program)的全球植被分类方案、美国马里兰大学（UMD格式）方案、基于MODIS叶面积指数／光合有效辐射方案、基于MODIS衍生净初级生产力(NPP)方案和植物功能型（肺功能）方案。根据国际地圈生物圈计划(IGBP,International Geosphere-Biosphere Pro-eram)．土地覆盖数据集包含了17个主要土地覆盖类型，其中包括11个自然植被类型，3个土地开发和镶嵌的地类和3个非草木土地类型定义类（图1）。
3结果与分析
3.1 内蒙古2000-2010年退耕还林（草）工程规模的空间分布
根据内蒙古退耕还林（草）工程进展情况调查，基于ArcGIS制作了2001-2010年退耕还林（草）面积占国土面积比例的空间分布图（图2）。全区退耕还林（草）工程实施区域主要沿农牧交错带分布，无论从退耕还林（草）工程的实施面积和及其占国土面积的比例上来看，内蒙古退耕还林（草）工程的重点实施区域分布在内蒙古东南部（兴安盟、赤峰市和通辽市）和中西部（锡林郭勒盟南部、呼和浩特市周边地区、巴彦淖尔市南部以及鄂尔多斯市）。因此研究重点分析内蒙古退耕还林（草）工程东南部和中西部NDVI的变化趋势及土地覆盖类型。
3.2退耕还林（草）工程区生长季NDVI时间序列的变化
在内蒙古东南部工程区，植被呈较强增长趋势的地区主要分布于乌兰浩特市东部和北部、通辽市东南部及赤峰南部，包括乌兰浩特市的扎赉特旗、科尔沁右翼前旗东部和突泉县，通辽市的科尔沁左翼中旗东部、开鲁县南部、奈曼旗和库伦旗以及科尔沁左翼后旗南部，赤峰的宁城县、喀喇沁旗以及敖汉旗中南部。在内蒙古中西部工程区，植被呈较强的增长趋势的地区主要分布于锡林郭勒盟的多伦县，包头市的土默特右旗，呼和浩特市土默特左旗、托克托县和清水河县南部，巴彦淖尔市的杭锦后旗、临河市、五原县、磴口县东部以及乌拉特前旗的南部和西部，鄂尔多斯市的乌审旗、伊金霍洛旗和准格尔旗（图3）。因此，基于NDVI时间序列的时空变化分析表明，内蒙古退耕还林（草）工程实施过程中，在东部工程区的东南部和西部工程区的中部植被出现了较好的恢复效果。
在内蒙古东南部工程区，1998-2011年间内蒙古生长季NDVI回归系数显著性水平大于0.95的区域主要分布于乌兰浩特市北部、通辽市东南部及赤峰南部，主要包括乌兰浩特市的科尔沁右翼前旗北部、扎赉特旗和突泉县，通辽市的开鲁县南部、奈曼旗、库伦旗以及通辽市周边，赤峰的宁城县、喀喇沁旗以及敖汉旗南部。在内蒙古中西部工程区，NDVI回归系数显著性水平大于0.95的区域主要分布于呼和浩特市周边、巴彦淖尔市南部以及鄂尔多斯市东、南部，主要包括的旗县有包头市的土默特右旗，呼和浩特市土默特左旗、托克托县和清水河县南部，巴彦淖尔市的杭锦后旗、临河市、五原县、磴口县东部以及乌拉特前旗的南部和西部，鄂尔多斯市的乌审旗、伊金霍洛旗、准格尔旗和达拉特旗（图4）。在退耕还林（草）工程实施过程中，NDVI回归系数显著性检验表明东部工程区的东南部和西部工程区的中部植被增长显著，且在空间分布上与植被恢复效果较好区域高度一致。
3.3 内蒙古退耕还林（草）工程中植被显著恢复区的土地覆盖类型
将1998 -2011年间内蒙古自治区生长季植被NDVI发生显著增加(a>0.95)的地区与2001年MODIS三级数据土地覆盖类型产品进行叠置分析（图5），获得内蒙古退耕还林（草）工程区植被显著恢复地区的土地覆盖类型信息。在乌兰浩特市的科尔沁右翼前旗、扎赉特旗和突泉县NDVI呈现显著增长区的土地覆盖类型主要是农用地、农用地／自然植被镶嵌、草地和混交林区，通辽市植被呈现显著恢复的地区包括农用地、农用地／自然植被镶嵌、草地和稀疏灌丛，在赤峰市境内NDVI呈现显著增长的土地覆盖类型包括中东部的稀疏灌丛以及南部喀喇沁旗、宁城县和敖汉旗境内的农用地、草地和农用地／自然植被镶嵌。在内蒙古中西部工程区，NDVI显著增长的区域主要是呼和浩特市周边的农用地、农用地／自然植被镶嵌和草地，巴彦淖尔市的农用地、农用地／自然植被镶嵌、草地和稀疏植被区，鄂尔多斯市的草地、稀疏灌丛和稀疏植被区。从植被得到显著恢复区域的土地覆盖类型可以看出，在东部工程区的东南部和西部工程区的中部，退耕还林工程取得了显著效果。
4结论与讨论
研究利用SPOT-NDVI数据，基于像元研究了内蒙古自治区1998-2011年NDVI时间序列的变化趋势，并对生长季植被NDVI显著增加的区域与2001年MODIS土地覆盖类型产品进行叠置分析，得出主要结论如下：
(1)内蒙古退耕还林（草）工程区，乌兰浩特市东部和北部、通辽市东南部及赤峰南部，锡林郭勒盟的多伦县，包头市土默特右旗，呼和浩特市周边，巴彦淖尔市的杭锦后旗、临河市、五原县、磴口县东部以及乌拉特前旗的南部和西部，鄂尔多斯市的乌审旗、伊金霍洛旗和准格尔旗等区域植被持续增加。同时，NDVI回归系数显著性检验显著性水平a> 0.95的区域的分布也与上述区域基本一致，证明在这些地区，植被的生物量增加趋势显著，在95%的置信限水平上植被状况有所改善。在鄂尔多斯盆地，基于2002-2010年LANDSAT NDVI数据的研究也得出相同结论，乌兰图雅等基于GIMMS NDVI的研究在赤峰南部、河套平原和土默特平原也有相同的结论，说明基于SPOT NDVI数据的植被恢复监测与评价结论可靠。
(2)为了进一步分析内蒙古退耕还林（草）工程区，1998-2011年间内蒙古自治区生长季植被NDVI发生显著增加（a>0.95）的土地覆盖类型，通过与2001年MODIS三级数据土地覆盖类型产品进行叠置分析，发现在内蒙古退耕还林（草）工程区的东南部植被呈现显著恢复的主要是农用地、农用地／自然植被镶嵌、草地和稀疏灌丛，在中西部的呼和浩特市周边和巴彦淖尔市主要是农用地、农用地／自然植被镶嵌和草地，在鄂尔多斯市地区主要是草地、稀疏灌丛和稀疏植被区。由此可见，内蒙古自治区的退耕还林（草）工程的实施使得局部生态环境得到改善。
(3)根据内蒙古2000-2010年退耕还林（草）工程规模的空间分布和1998 -2011年内蒙古退耕还林（草）工程区植被显著恢复地区的土地覆盖类型，退耕还林（草）工程在内蒙古东南部的赤峰和通辽地区取得了较好的效益，尤其是宁城县和喀喇沁旗，全境的植被覆盖度稳步增加，规模和效益成正比；退耕还林（草）工程在内蒙古中西部的乌兰察布市效果不明显，整体上植被没有较大的改善；土默特平原整体上植被NDVI增加显著；西部区的鄂尔多斯市和河套地区退耕还林（草）工程区植被增加显著，规模和效益成正比。研究在较大尺度上证明生态环境建设取得了显著成效，植被的改善与生态工程建设有关，生态状况实现了由“整体恶化”向“整体遏制、局部好转”的重大转变。
(4)研究在较大尺度上证明了内蒙古部分旗县实施退耕还林（草）工程后局部生态环境得到改善，取得良好效益。但研究中没有探讨气象因素的影响，同时还需要开展更长时期的生态效应监测和小尺度的验证，这些将在后续研究中进行补充。
此外，尽管有研究认为，退耕还林（草）工程不能改善中国的生态环境质量，也可能影响到农村家庭生活，影响到粮食安全问题，也用研究认为对我国的粮食生产影响不大、对粮食价格和粮食进口没有影响。但在内蒙古部分旗县实施退耕还林（草）工程还存在执行政策缺乏灵活性、后续产业发展后劲不足、欠缺化解风险的应对措施等问题，因此，进一步开展内蒙古退耕还林（草）工程与粮食安全问题的探讨具有重要的现实意义。
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