0 引言
为研究蒙古高原荒漠化进程，学者们从陆地水储量变化、植被因子、降雨因子、地表水体面积、气候变化等指标对蒙古高原开展研究。林新昊等［10］研究了2002—2015年蒙古高原植被短期稳定性对陆地水储量与气象要素的响应，证明蒙古高原地区除了受降水和气温共同影响外，陆地水储量在某些地区更能决定研究区植被生长状况。植被增长会消耗大量的地下水资源，袁瑞强［11］研究了蒙古高原植被NDVI对陆地水储量的响应，结果表明，2002—2015年蒙古高原生长季植被，总体上呈波动上升趋势，植被NDVI与陆地水储量呈正相关的面积占总面积的75%。Cheng等［12-16］研究了内蒙古不同植被对水分分配过程的影响。深层渗漏是降雨补给地下水的重要途径，维系了沙地地下水资源的可持续利用，为半干旱沙区生态系统提供水文效益［17］。在蒙古高原沙地，降水为地下水的重要来源，白旭赢等［18］对毛乌素沙地水体面积变化及其驱动因子进行研究，结果表明在长时间序列下，毛乌素沙地降水因子对水体面积变化影响显著，年降水量和水体面积显著正相关，在2009—2017年内降水和水体面积的相关性强。Yan等［19］研究了内蒙古乌兰布和沙漠降水和气温等对NDVI的影响。Yuan等［20］研究了内蒙古科尔沁沙地降水及温度等对NDVI的影响。目前，部分学者已对蒙古高原NDVI、降水、地表水、陆地水储量等进行研究，但是，地下水为蒙古高原重要的水资源来源，对地下水的动态变化的研究以及对地表生态系统的影响研究尚未在蒙古高原大量开展。
地下水资源变化影响荒漠地区陆表生态系统，现阶段学者主要通过原位观测和卫星遥感开展地下水研究。其中，原位监测难度较大，且容易在监测点外的区域形成了检测盲区，无法及时地了解地下水储量的变化情况［21-22］，而重力反演与气候实验（Gravity recovery and climate experiment，GEACE）卫星数据为监测大尺度区域地下水储量变化提供了有效途径［23］。Wahr等［24］最早利用GRACE卫星数据进行研究，首先在理论上验证了GRACE卫星监测陆地水文要素的可行性。Rodell等［25］研究了GRACE卫星地下水储量变化监测的潜力。王坤等［26］利用GRACE卫星数据研究了2003—2021年黄淮海地下水储量变化以及降水、蒸散发、地下水供水等对地下水储量变化的影响。康小虎等［27］利用GRACE及GLDAS数据对黄河流域甘肃段2002—2022年的地下水储量变化量与地下水可持续性进行了分析。国内外众多学者通过GRACE数据获取地下水储量在许多区域都进行了大量的分析与研究，并对测量精度进行验证，研究方法也日渐成熟。
综上所述，开展蒙古高原地下水储量变化研究，揭示地下水与地表植被、降雨量、蒸散发等相关性，有利于研究蒙古高原荒漠化进程。基于此，本研究利用GRACE卫星数据研究了2002—2021年蒙古高原地下水储量变化情况，并分析其与降水量、蒸散发、NDVI之间的相关关系。本研究将开展①蒙古高原地下水储量时间变化、空间变化分析；②蒙古高原NDVI变化及其与地下水储量变化的相关性分析；③蒙古高原降水量变化及其与地下水储量变化的相关性分析；④蒙古高原蒸散发变化及其与地下水储量变化的相关性分析。研究结果可为该地区应对水资源短缺和荒漠化并建立生态保护屏障提供数据支持。
1 数据与方法
1.1 研究区概况
蒙古高原位于亚洲东部，由中国内蒙古自治区与蒙古国两部分组成，东起大兴安岭、西至阿尔泰山，北界为萨彦岭、南界为阴山山脉，地势由东向西逐渐降低，平均海拔约1 200 m（图1）。蒙古高原属温带大陆性气候，夏季炎热干燥，冬季寒冷而漫长，年内气温-40~35 ℃。由于蒙古高原北部受北冰洋水汽影响，东部受太平洋水汽影响，年平均降水量约300 mm。受气候影响，植被覆盖由北向南依次跨越森林、森林草原、典型草原、荒漠草原、戈壁荒漠，生态环境多样且较脆弱。
图1
图1
蒙古高原海拔概况
Fig.1
Map of the Mongolian Plateau
1.2 数据来源
1.2.1 GRACE数据
GRACE数据主要由美国德克萨斯大学空间研究中心（CSR）、美国太空总署喷气动力实验室（JPL）和德国波茨坦地球科学研究中心（GFZ）3家科研机构对其进行解算和发布［28］。本文选取了2002年4月至2021年12月CSR GRACE/GRACE-FO RL06.2 Mascon Solutions产品数据TWSA，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1月。由于卫星的自身原因和测量误差的影响，出现了连续11个月缺失数据，本文采用缺失月份的多年平均值替代。
1.2.2 GLDAS数据
全球陆面数据同化系统（GLDAS）是由美国航空航天局戈达德空间飞行中心和美国国家海洋与大气管理局（NOAA）共同开发完成。本文选取2002年4月至2021年12月Noah模型数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1月，与CSR GRACE/GRACE-FO RL06.2 Mascon产品数据相一致。读取土壤水（SMS）、总冠层水量（Canoplnt）、雪水当量（SWE）数据。
1.2.3 影响因子数据
影响因子数据均在谷歌地球引擎平台（Google Earth Engine，GEE）获取，植被数据使用MODIS植被指数产品——归一化植被指数（NDVI），空间分辨率为500 m，时间分辨率为1月；降水数据使用ERA5-Land数据集，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1月；蒸散发数据使用MODIS/006/MOD16A2数据集，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1月。本文选取2002—2021年中国内蒙古、蒙古国NDVI、降水量以及蒸散发数据进行分析。
1.3 研究方法
1.3.1 地下水储量变化量
式中：GWS为地下水储量；TWS为陆地水储量；Canoplnt为地表水储量；SMS为土壤水含量；SWE为雪水当量。通过该公式计算浅层地下水储量变化，根据GRACE和GLDAS数据，将计算后的数据导入ArcGIS，将栅格数据进行掩膜处理，把区域内的地下水储量变化数据的平均值作为该区域当月的地下水储量变化值。
1.3.2 Sen斜率估计（Theil-Sen Median）法和M-K(Mann-Kendall)显著性检验法
式中：
式中：i≥1，j
S统计量的方差为：
式中：n为序列中数据个数。当n>10时，标准正态统计量
本研究给定显著性水平
1.3.3 皮尔逊（Pearson）相关系数
式中：
2 结果与分析
2.1 地下水储量变化
2.1.1 地下水储量时间变化
2002—2021年蒙古高原整体逐月尺度的地下水储量变化量均呈下降趋势（图2）。蒙古高原地下水储量变化量线性拟合斜率为-3.1647、内蒙古为-4.1681、蒙古国为-2.1436。蒙古高原整体地下水储量变化速率为-3.28 mm·a-1；内蒙古降低最快，变化速率为-4.91 mm·a-1；蒙古国降低较慢，变化速率为-2.15 mm·a-1。中国内蒙古及蒙古国地下储水量变化量为-280~-440 mm，其中，蒙古国变化量为-280~-380 mm；中国内蒙古变化量为-380~-440 mm。从时间分段上看，蒙古国、中国内蒙古以及整个蒙古高原在2003—2007、2013—2016年变化较为平稳，在2008年以及2018年都有大幅度的下降，并都在2013年有大幅上升。
图2
图2
蒙古高原、蒙古国及中国内蒙古逐月地下水储量变化及年均变化量
Fig.2
Month-to-Month and annual average changes in groundwater storage in the Mongolian Plateau，Mongolia and Inner Mongolia
在多年月平均尺度上，中国内蒙古、蒙古国以及整个蒙古高原地下水储量变化量变化趋势较为一致（图3），均在1—4月上升，内蒙古在4月达到峰值，蒙古国在5月达到峰值后开始下降，并都在6—8月略微上升后在8—10月大幅下降到最低值，最终在10—12月缓慢上升。地下水储量都是在冬季减少最多，在夏季减少最少 。
图3
图3
蒙古国与中国内蒙古月平均地下水储量变化
Fig.3
Changes in average monthly groundwater reserves in Mongolia and Inner Mongolia
2.1.2 地下水储量空间变化
中国内蒙古与蒙古国大部分区域地下水储量呈下降状态（图4），说明近20年来蒙古高原整体地下水储量趋于减少。
图4
图4
中国内蒙古及蒙古国地下水储量变化空间分布
Fig.4
Spatial distribution of groundwater storage trends in Inner Mongolia and Mongolia
内蒙古东北部、中部偏西有大片区域地下水储量呈显著下降，地下水储量月变化量为-330~-596 mm；地下水储量中度下降的区域较为分散，月变化量为-265~-330 mm；在中部偏东以及西部大部分区域地下水储量呈轻微下降，月变化量为0~-265 mm；在东北部有少量的地下水储量增加区域，但增加量较小，仅为15.3 mm。蒙古国地下水储量显著下降的区域主要集中在蒙古国南部，少量分布在北部，占比最小，地下水储量月变化量为-332~-616 mm；地下水储量呈中度下降的区域分布在西南部，月变化量为-263~-332 mm；地下水储量轻微下降的区域主要分布在中部及东部，占比最大，月变化量为-3.3~-263 mm。
2.2 地下水储量变化的影响因素
2.2.1 NDVI对地下水储量变化的影响
为探究蒙古高原NDVI对地下水储量的影响，首先对NDVI的变化特征进行计算及分析，了解NDVI的分布特征及其变化趋势（图5）。内蒙古东部大兴安岭地区NDVI较大，植被覆盖度较高；西部沙漠地区NDVI较小，植被覆盖度较低。蒙古国北部NDVI较大，植被覆盖较高；南部NDVI较小，植被覆盖率小。
图5
图5
中国内蒙古与蒙古国20年平均NDVI
Fig.5
20-year average NDVI between Inner Mongolia and Mongolia
为了分析NDVI的变化趋势，将中国内蒙古以及蒙古国2002—2021年年均NDVI进行Sen趋势分析以及M-K显著性检验（图6）。内蒙古NDVI上升的区域占89%，25%的区域为极显著上升；NDVI下降的区域占比较少，仅有11%，显著下降的区域仅为0.9%。内蒙古整体NDVI在增加，在内蒙古东部大兴安岭地区及西部增加较显著。蒙古国NDVI上升的区域占87%，其中，显著上升以及极显著上升的区域占比13%；NDVI下降的区域占12%，极显著下降占比仅为0.02%。蒙古国NDVI增加的区域主要在东部，西部山地增加较少。内蒙古NDVI增加的区域大于蒙古国。
图6
为了探究NDVI与地下水储量之间的相关关系，利用皮尔逊相关性分析对中国内蒙古以及蒙古国地下水储量变化与植被NDVI进行相关系数的计算以及显著性分析（图7）。内蒙古地下水储量与NDVI正相关的区域占49%，其中3.1%的区域地下水储量与NDVI显著正相关；负相关的区域占51%，显著负相关的区域占2.9%。蒙古国地下水储量与NDVI呈正相关的区域占73.7%，有13.5%的区域为显著正相关，集中在蒙古国中部地区；负相关的区域占26.3%，仅有0.3%的区域为显著负相关。北部大部分地区地下水变化量与NDVI呈负相关，NDVI上升，地下水储量逐渐降低，说明北部植被覆盖度增多，消耗地下水资源；而南部NDVI呈下降趋势，地下水储量也呈下降趋势，因此NDVI与地下水储量变化呈正相关。
图7
图7
中国内蒙古与蒙古国NDVI与地下水储量变化的相关系数及相关性
Fig.7
Correlation between NDVI and groundwater storage changes in Inner Mongolia and Mongolia
2.2.2 降水量对地下水储量变化的影响
内蒙古降水量呈上升趋势的区域占48.7%，显著上升与极显著上升的区域占5.1%，主要分布在东部大兴安岭地区（图8）；降水量呈下降的区域占51.3%，显著下降与极显著下降的区域仅占0.9%，显著下降的区域集中在内蒙古西部阿拉善盟沙地。蒙古国降水量上升的区域占约79%，占比较大，其中极显著上升与显著上升的区域总占比为6.8%；降水量下降的区域占21%，其中，显著下降的区域占比不到0.1%。总体来看，蒙古国降水量变化呈上升趋势。
图8
图8
中国内蒙古与蒙古国降水量变化趋势
Fig.8
Trends in precipitation in Inner Mongolia and Mongolia
为了探究降水量与地下水储量之间的相关关系，利用皮尔逊相关性分析对中国内蒙古以及蒙古国地下水储量与年降水量进行相关系数以及显著性分析（图9）。内蒙古地下水储量与年降水量正相关的区域占内蒙古的45%，显著正相关的区域占10.3%，集中在内蒙古西部地区；负相关的区域占55%，显著负相关的区域仅占1.88%，集中在内蒙古东部。蒙古国地下水储量与降水量正相关的区域占49.28%，主要分布在中南部，显著正相关的区域占2.09%；蒙古国地下水储量与降水量呈负相关的区域为50.72%，显著负相关的区域为4.36%，分布在蒙古国北部杭爱山以及萨彦岭地区。
图9
图9
中国内蒙古及蒙古国降水量与地下水储量变化相关系数及相关性
Fig.9
Correlation between precipitation and groundwater storage changes in Inner Mongolia and Mongolia
2.2.3 蒸散发对地下水储量变化的影响
内蒙古蒸散发呈上升趋势的占68.63%（图10），主要在内蒙古中部，极显著上升与显著上升的区域总共占比44.59%，呈下降趋势的区域仅占5.52%，分布在内蒙古东北部。蒙古国蒸散发呈上升趋势的区域占70.19%，集中在蒙古国中部以及北部地区，其中极显著增加与显著增加的区域总占比63.70%；蒸散发呈下降趋势的区域仅占0.53%，分布在蒙古国最北部地区。综上所述，蒙古高原蒸散发整体呈增加趋势。
图10
图10
中国内蒙古及蒙古国蒸散发的变化趋势
Fig.10
Trends in evapotranspiration in Inner Mongolia and Mongolia
内蒙古蒸散发与地下水储量呈正相关的区域占56.10%（图11），显著正相关的区域占比5.64%，分布在内蒙古东北部及西部地区；负相关的区域占43.90%，分布在内蒙古的中部，显著负相关的区域占比2.65%。蒙古国蒸散发与地下水储量正相关的区域占33.08%，主要分布在蒙古国西部地区，显著正相关的区域仅占0.90%；负相关的区域占比66.92%，集中在蒙古国中西部地区，显著负相关的区域占4.88%。
图11
图11
中国内蒙古及蒙古国蒸散发与地下水储量变化相关系数及相关性
Fig.11
Correlation between evapotranspiration and groundwater storage changes in Inner Mongolia and Mongolia
3 讨论
3.1 GRACE卫星数据在蒙古高原地下水研究中的优势
GRACE卫星提供了一种独特的遥感手段，能够基于重力变化监测大尺度地下水储量的动态变化。相比于传统的水文监测方法，如井测数据或水文模型，GRACE卫星数据的最大优势在于其能够在大空间尺度上实现连续的地下水储量估算，无须依赖密集的地面观测网络。Wahr等［24］利用第一年的GRACE数据对GRACE卫星监测到的时变重力场进行了精度验证，发现与传统方法相比GRACE数据能够明显提高地球重力场的监测精度，同时能够对陆地水储量进行反演。基于GRACE重力卫星，利用水量平衡方程，并且结合其他水文模型可以从陆地水储量中分离计算得到地下水储量变化［41］。Rodell等［42］基于GRACE卫星数据，借助GLDAS模型和地下水位实测水井数据研究分析了密西西比河流域及其4个主要子流域的地下水储量变化，结果表明，基于GRACE数据反演的地下水储量在密西西比河流域和两个面积较大的子流域精度较高，在面积较小的子流域则精度差。对于蒙古高原这样大尺度、地形复杂、气候干旱、监测站点稀疏的区域，GRACE数据填补了地下水观测的空白，使得研究者能够对蒙古高原整体及其不同区域的地下水变化进行长期、系统的分析。
3.2 地下水储量时空变化
从长时间尺度变化来看，蒙古高原整体水资源逐渐在减少，2002—2015年蒙古高原陆地水储量整体上呈现出显著的下降趋势［11］。本研究表明，蒙古高原地下水储量变化呈下降趋势，且下降速率逐渐加快，内蒙古降低速率大于蒙古国。由于大规模的植被恢复会加剧地区内水资源短缺［43］，蒙古高原整体植被覆盖面积呈增加趋势，其中，内蒙古增加面积远大于蒙古国。中国“三北”工程的成功建设，在“三北”地区环境改善、抵御风沙危害、防治水土流失、水源涵养、保障生态安全、推动中国生态文明建设等方面发挥了巨大贡献［44-48］，大大增加了内蒙古的植被覆盖度，但同时也加剧了地下水资源的消耗。内蒙古人口大于蒙古国，对地下水的消耗量也更大。
在空间尺度上，蒙古高原北部以及中部地下水储量轻微下降，西部与南部呈中度及显著下降，与周岩［49］对内蒙古陆地水储量变化趋势结果一致，其中陆地水储量下降最快（每年8 mm）的地区集中在内蒙古中南部，与剧烈的农业灌溉有关。
3.3 地下水储量变化的影响因素
内蒙古地下水储量变化与蒸散发、NDVI均极显著负相关（表1）；蒙古国地下水储量与蒸散发极显著负相关，与NDVI显著负相关。
表1 中国内蒙古、蒙古国地下水储量与影响因子的皮尔逊相关性
Table 1
| 影响因子 | 内蒙古 | 蒙古国 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NDVI | 降水量 | 蒸散发 | NDVI | 降水量 | 蒸散发 | ||
| 相关系数 | -0.721 | -0.317 | -0.825 | -0.476 | -0.293 | -0.839 | |
| P值 | <0.01 | ≥0.05 | <0.01 | <0.05 | ≥0.05 | <0.01 | |
在干旱半干旱地区，维持植被生长的水源主要来自土壤水、地下水以及冰雪融水［50］。植被生长与地下水之间存在一定的同步性［51］。内蒙古NDVI空间变化趋势与皇彦等［52］的关于内蒙古NDVI变化研究结果一致。在内蒙古南部，植被呈增加趋势，在毛乌素沙地和科尔沁沙地植被需水的主要来源均为地下水［53］。从研究结果来看，地下水储量的变化与植被NDVI存在明显的相关性，在东南部NDVI与地下水储量负相关，表明大量植树造林等人类活动提升的植被覆盖面积同时增加地下水的消耗。在蒙古高原中部，由于植被覆盖较少，NDVI变化较小，因此与地下储水量正相关。内蒙古应适当地降低造林速度，从而减少对地下水的消耗。蒙古国整体植被覆盖面积增加较少，应在“种植十亿棵树”的背景下，积极造林。
蒸散发对地下水储量变化具有显著影响，蒙古高原蒸散发与地下水储量变化的呈显著负相关，蒸散发过程会消耗土壤水分，减少地下水的补给［26］。2002—2021年蒙古高原蒸散发显著增加，是导致地下水储量减少的关键因素。
4 结论
蒙古高原是生态脆弱区，蒙古高原荒漠化进程直接影响了中国北方地区生态修复成果，特别是影响北京地区生态环境。本研究对蒙古高原2002—2021年地下水储量变化、NDVI、降水以及蒸散发数据进行分析，揭示了蒙古高原地下水储量的变化情况以及其与NDVI、降水、蒸散发的相关性。
在时间尺度上，蒙古高原地下水储量逐年降低，地下水储量变化速率为-3.28 mm·a-1，内蒙古降低最快，变化速率为-4.19 mm·a-1；蒙古国降低较慢，变化速率为-2.15 mm·a-1。在空间尺度上，蒙古高原北部以及中部地下水储量呈轻微下降，平均月变化量为-264 mm，西部与南部降低较多，最多月变化量为-616 mm。
NDVI对地下水有重要的影响，蒙古高原中部，植被呈增加趋势，NDVI与地下水储量呈正相关关系，占整个区域的63.28%，呈显著正相关的区域占9.33%；在南部以及北部呈负相关关系，占蒙古高原的36.72%，呈显著负相关的区域仅占1.39%。应适当地增加蒙古高原中部以及西南部的植被覆盖度，提高水土保持能力从而减缓荒漠化的加剧。
降水对地下水影响也较大，但与NDVI具有空间异质性，在蒙古高原东部及北部，降水量与地下水储量负相关，占整个区域的52.64%，显著负相关的区域占3.36%；在蒙古高原中部及西南部，降水量与地下水储量正相关，占蒙古高原的47.36%，呈显著正相关的区域占5.41%。
蒸散发对地下水储量变化有显著影响，是影响蒙古高原地下水储量变化的关键因子。在蒙古高原东北部，蒸散发与地下水储量呈正相关，占蒙古高原的43.17%，显著正相关的区域占2.87%；在蒙古高原西北部与东南部蒸散发与地下水储量呈负相关，占整个区域的56.83%，显著负相关的区域占3.95%。
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