基于遙感總初級生產(chǎn)力的天山-塔里木綠洲地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究

王鶴松,何 敏,閆 薇,艾金龍,褚建民

1 北京林業(yè)大學(xué),生態(tài)與自然保護區(qū)學(xué)院,北京 100083 2 益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,生物與信息工程系,益陽 413049 3 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室, 北京 100091

生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性是指系統(tǒng)受到外界干擾后所表現(xiàn)出的敏感反應(yīng)和自我恢復(fù)能力[1-2]。脆弱性包括了敏感性和適應(yīng)性兩方面,其中敏感性是指系統(tǒng)受氣候變化或其它外界擾動影響的程度,適應(yīng)性是指系統(tǒng)在新條件下的修復(fù)與適應(yīng)能力[3-4]。在氣候變化與人類活動的共同影響下,定量識別生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的關(guān)鍵區(qū)、開展生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究對認識生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能至關(guān)重要,既是全球氣候變化和可持續(xù)發(fā)展研究的核心問題[5-6],也是制定生態(tài)環(huán)境整治政策的重要依據(jù)[7]。

評判生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的指標主要包括：水文、氣候、地形地貌以及植被狀態(tài)等[8-9]。植被生產(chǎn)力既是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的重要依據(jù),又是上述外界驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)作用的綜合體現(xiàn),植被生產(chǎn)力的波動也可作為衡量依據(jù)判斷生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度。因此,本研究選取植被生產(chǎn)力作為生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評價指標?；谥脖簧a(chǎn)力,國內(nèi)外學(xué)者使用植被總初級生產(chǎn)力(GPP)、凈初級生產(chǎn)力(NPP)以及表征植被生長狀況的歸一化植被指數(shù)(NDVI)開展了大量研究。van Minnen等[10]以NPP的變化作為生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)指標,發(fā)現(xiàn)約有80%的NPP數(shù)值在多年平均值±10%之間波動。據(jù)此以多年平均NPP的10%為梯度對系統(tǒng)的脆弱性進行了劃分。Ciais等[11]基于生態(tài)系統(tǒng)的GPP,采用模型模擬和渦動相關(guān)觀測相結(jié)合的方法,研究了2003年干旱對歐洲大陸各生態(tài)系統(tǒng)的影響。苑全治等[12]利用動態(tài)植被模型IBIS模擬了1961—2010年中國潛在植被NPP的動態(tài)變化,以標準年的潛在植被NPP作為評價基準,判斷并分析了氣候變化背景下植被的脆弱性。於琍等[13]基于生態(tài)系統(tǒng)過程模型的動態(tài)模擬,以夏季生態(tài)系統(tǒng)NPP的年際波動情況表征系統(tǒng)對極端降水的敏感性,以NPP年際波動的變化趨勢表征系統(tǒng)對極端降水的適應(yīng)性,評估了長江中下游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對極端降水事件的脆弱性。段士中[14]以NDVI的年際波動情況來表征敏感性,NDVI變率的變化趨勢來表征適應(yīng)性,對四川省生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的區(qū)域分布和脆弱性狀況開展了研究。何敏等[15]基于生態(tài)系統(tǒng)GPP計算并分析了西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的空間分布格局。王春雨等[16]基于NDVI數(shù)據(jù)分時段地分析了印度、孟加拉和緬甸的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的空間格局變化及其受氣候變化的影響。

天山是重要的水源涵養(yǎng)地,新疆地表水資源的一半發(fā)源于此[17]。塔里木河流域是我國重要的農(nóng)業(yè)、能源基地[18-19]。同時,塔里木綠洲也是阻擋塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙侵襲的重要生態(tài)屏障[20-21]。天山與塔里木河流域存在著山地、荒漠以及綠洲等多種生態(tài)類型,這些不同類型的生態(tài)系統(tǒng)間交互的界面構(gòu)成了多個抗干擾能力弱、對氣候變化敏感的生態(tài)過渡帶。該地區(qū)由于植被退化、沙漠擴張以及水資源過度使用,致使生態(tài)環(huán)境日趨惡化并制約著社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[22-23]。在該地區(qū)開展生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究,認識脆弱性的空間分布特征,對保障區(qū)域生態(tài)安全、合理調(diào)配與管理水資源具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究從植被總初級生產(chǎn)力這一生態(tài)系統(tǒng)功能指標出發(fā),評估天山-塔里木河綠洲地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的空間格局,進而分析氣候、地形以及人類活動對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性空間分布的影響,以期提高生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化以及人類活動的適應(yīng)能力并為脆弱區(qū)的生態(tài)修復(fù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)在海拔上北高南低,由天山山脈的南端和塔里木河流域北部的綠洲區(qū)構(gòu)成(20°53′—36°29′N,83°52′—112°03′E),包括了我國新疆的巴音郭楞蒙古自治州、吐魯番地區(qū)、伊犁哈薩克自治州和阿克蘇地區(qū)。該區(qū)地貌類型多樣,包括了天山、塔里木盆地、塔克拉瑪干沙漠、塔里木河流域和吐魯番盆地等。主要植被類型有草地、農(nóng)田、灌叢、疏林草原和林地。研究區(qū)降水少、夏季氣溫高,氣候類型為溫帶大陸性氣候。該地區(qū)多年平均降水量為179.88 mm,空間變化范圍在17—502 mm之間,分布上表現(xiàn)出北多南少,西多東少的特征。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

本研究選取2000—2014年MODIS植被總初級生產(chǎn)力(GPP)產(chǎn)品(第5.5版),空間分辨率為1 km。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)空間分布數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為90 m。土地覆蓋綜合數(shù)據(jù)集(Land-Use and Land-Cover Change, LUCC)為MCD12Q1產(chǎn)品(第六版),空間分辨率為500 m。從國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn/)獲取中國區(qū)域地面氣象要素數(shù)據(jù)集(China Meteorological Forcing Dataset)中的溫度和降雨量數(shù)據(jù),空間分辨率為0.1°。

1.2.2遙感數(shù)據(jù)處理

為方便分析氣候、植被類型、海拔和坡度等因子與脆弱性的空間關(guān)系,將上述數(shù)據(jù)利用雙線性插值法進行投影轉(zhuǎn)換和重采樣處理,使空間分辨率與GPP產(chǎn)品保持一致。根據(jù)MCD12Q1數(shù)據(jù)集,將研究區(qū)土地覆蓋類型分為林地、灌叢和疏林草原、草地、農(nóng)田、裸地和其它共6類。本文所指的林地包括常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和混交林,草地包括典型草原和草甸草原,其它包括了永久濕地、城市和建筑、冰雪和水體。

1.2.3脆弱性的計算

生態(tài)系統(tǒng)敏感性被定義為生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化或其它擾動的響應(yīng)程度,可由生態(tài)系統(tǒng)功能特征量的年際波動情況來表示[24-27]。本研究以GPP作為生態(tài)系統(tǒng)功能特征量,敏感性由2000年至2014年GPP的年際波動情況來表示,反映了GPP對于平均值的離散程度。計算公式為：

(1)

式中,i表示第i年(n為15)；Fi表示GPP在第i個時間段的值；F表示GPP在n時段的平均值；S表示GPP的變率,即生態(tài)系統(tǒng)敏感性。

適應(yīng)性是指生態(tài)系統(tǒng)在面對氣候變化或其它擾動時保持和恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的能力,本研究中的適應(yīng)性由2000年至2014年GPP年際變率的線性擬合趨勢線的斜率來表示[24-27]：

y=Ax+B

(2)

根據(jù)式(2),為了得到上述擬合直線的斜率A推算得到下式：

(3)

式中,x為GPP的年際變率,即每年GPP的絕對變化量,是由每年的GPP值減去2000到2014年的GPP平均值。y為生態(tài)系統(tǒng)時間序列,是指自然數(shù)1,2,3等,對應(yīng)著2000年到2014年的年份；A為數(shù)據(jù)組y和x的回歸斜率,是GPP變率的變化趨勢,即生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性,B為截距。

根據(jù)式(1)和式(3)得到的敏感性和適應(yīng)性的結(jié)果未必在同一量綱,故分別對它們的計算結(jié)果進行標準化后,再進行脆弱性的計算,這有利于分析脆弱性的地區(qū)差異[14],脆弱性公式可以用數(shù)學(xué)形式表達為：

V=S′-A′

(4)

式中,V為生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性；S′為系統(tǒng)的敏感性；A′為系統(tǒng)的適應(yīng)性。

1.2.4脆弱性指標分級

自然斷點法是一種系統(tǒng)聚類分析的方法,利用統(tǒng)計學(xué)的Jenk最優(yōu)化法推導(dǎo)出最適合的分界點,對相似值進行分組,使得各個類別之間差異最大化,內(nèi)部方差之和最小[28]。該方法出發(fā)點是研究對象之間可能存在的相似性和親疏關(guān)系,根據(jù)研究對象之間各種特征標志的相似程度或相關(guān)程度的大小,將它們進行分組歸類。本研究采用自然斷點分類方法[29]將脆弱性從輕到重劃分為5級,即：不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 脆弱性的分布特征與空間格局

圖1 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱等級的空間分布Fig.1 Spatial distribution of different vulnerable levels over the study area

圖2 研究區(qū)的土地覆蓋類型空間分布Fig.2 Spatial distribution of land cover types over the study area

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性總體上表現(xiàn)出明顯的空間分化格局,位于南部的塔里木綠洲的極度脆弱地區(qū)面積比天山更大,研究區(qū)大部分以中度和重度脆弱為主,二者共占區(qū)域總面積的80%(圖1)。具體來說,脆弱度的平均值為0.14,最小數(shù)值為-0.94,最大數(shù)值為1,說明研究區(qū)內(nèi)脆弱程度差別較大。根據(jù)自然斷點法將生態(tài)脆弱性評價結(jié)果分為5級,即不脆弱(-0.94—0.51)、輕度脆弱(-0.51—0.05)、中度脆弱(-0.05—0.27)、重度脆弱(0.27—0.58)和極度脆弱(0.58—1)。研究區(qū)的主要植被類型為草地和農(nóng)田,此外還包括林地、灌叢以及裸地等(圖2)。在海拔較高的地區(qū)主要分布著草地和林地,農(nóng)田則主要分布在海拔較低的山谷以及塔里木河流域的綠洲地區(qū)。

不脆弱的區(qū)域以草地和裸地為主,二者幾乎各占一半(表1),呈零星分布,約占區(qū)域總面積的6%。輕度脆弱的區(qū)域,主要分布在天山南麓,約占區(qū)域面積的17%。中度脆弱性區(qū)域廣泛分布在研究區(qū)各處,以草地(65.02%)和農(nóng)田(24.84%)為主。重度脆弱區(qū)集中分布在河谷的草地以及綠洲農(nóng)田,包括天山一帶的特克斯河谷以及和碩縣附近,呈斑塊狀分布,類型集中在草地上,為71.29%；之后是農(nóng)田和裸地,分別占13.55%和11.81%。極度脆弱的區(qū)域面積較小,占整個研究區(qū)的4%,集中在庫爾勒市和博斯騰湖附近的農(nóng)田和草地。

表1 各脆弱等級下不同土地覆蓋類型的面積與百分比

研究區(qū)主要植被類型的脆弱性都以中度脆弱為主(表2),其次為重度脆弱。草地在研究區(qū)面積最大,中度脆弱的比重在所有植被中最低(44.67%),且更多地偏向于重度(29.67%)。中度和重度脆弱區(qū)占據(jù)了農(nóng)田的大部分面積,分別達到了63.96%和21.15%,農(nóng)田極度脆弱的比例是所有植被類型中最高的,達到4.83%。灌叢和疏林草原以及林地在研究區(qū)的面積相對較小,超過三分之二的區(qū)域?qū)儆谥卸却嗳鯀^(qū),另有接近30%的區(qū)域?qū)儆谥囟却嗳鯀^(qū)。

2.2 脆弱性對氣溫和降水的響應(yīng)

熱量和水分對生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度起著至關(guān)重要的作用。從空間分布來看,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性大體上隨著區(qū)域內(nèi)的多年平均溫度的升高而升高(圖3、4)。溫度高的地區(qū)主要分布在研究區(qū)南部的塔里木河綠洲區(qū),在該地區(qū)溫度并不是限制因子,反而由于夏季溫度過高,加劇了水分的消耗,生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度隨之增加。而在天山由于夏季較低的氣溫有助于降低潛在蒸發(fā)量并提高相對濕度,對植被生長起到了改善的作用,因此脆弱性較低。從降水來看,海拔更高的天山地區(qū)降水量明顯高于塔里木河流域地區(qū),但整個研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性與降水量之間并無明顯趨勢性規(guī)律(圖5、6)。

表2 各土地覆蓋類型下不同脆弱等級的面積與百分比

圖3 多年平均溫度的空間分布Fig.3 Spatial distribution of mean annual temperature

圖4 脆弱等級與區(qū)域年均溫度的變化關(guān)系 Fig.4 Relationship between vulnerability levels and regional mean annual temperature

圖5 多年平均降雨量的空間分布Fig.5 Spatial distribution of mean annual precipitation

圖6 脆弱等級與區(qū)域年平均降雨量變化關(guān)系 Fig.6 Relationship between vulnerability levels and regional mean annual precipitation

圖7 研究區(qū)海拔高度的空間分布Fig.7 Spatial distribution of elevation over the study area

圖8 脆弱等級與區(qū)域平均海拔變化關(guān)系 Fig.8 Relationship between vulnerability levels and regional mean elevation

2.3 脆弱性對海拔和坡度的響應(yīng)

生態(tài)系統(tǒng)脆弱程度隨著區(qū)域內(nèi)的平均海拔以及平均坡度的升高都呈現(xiàn)下降的趨勢。即海拔越低、坡度越小的區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性越高,而在海拔高(圖7、8)、坡度大(圖9、10)的地區(qū)總體上呈現(xiàn)了較低的脆弱性。研究區(qū)的海拔和坡度都呈現(xiàn)北高南低的特征,并且二者在空間分布上具有較好的一致性,海拔高的地區(qū)坡度也較高,海拔低則的地區(qū)坡度也較低(圖7、9)。

3 討論

3.1 環(huán)境因子對脆弱性的影響

脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)對外界壓力或脅迫的綜合反應(yīng)[3,16,30],環(huán)境因子與脆弱性的關(guān)系要結(jié)合具體情況而定。在地處熱帶和亞熱帶的中國西南地區(qū),由于氣溫背景值較高、降水充足,氣溫的增加對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響并不明顯[9]。本研究區(qū)地處干旱-半干旱區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為隨著溫度的升高而增大,這是由于氣溫的增加提高了潛在蒸發(fā)量, 容易引起干旱等極端天氣,加劇了生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[27]。通常認為降水量的增加有利于降低生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[8],但在本研究中,降水量不是決定水分條件的唯一因素,尤其在塔里木河流域,綠洲農(nóng)田的水源補給主要依靠地表和地下水灌溉,造成了降水量與脆弱性間的關(guān)系不明顯。

從盆地到高山,研究區(qū)內(nèi)海拔高度落差大,存在著多種地貌類型,生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)明顯的垂直性地帶性分布。通常認為海拔和坡度低的地區(qū)平坦開闊、土層較厚,利于植被生長,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性因此會較低。但在本研究中,海拔低并且坡度較小的綠洲因適宜耕種多被開墾為農(nóng)田,水資源的短缺以及礦化的灌溉水引起了土壤鹽漬化,導(dǎo)致水土條件進一步的惡化,因此造成了這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性偏高的結(jié)果[31-32]。

圖9 研究區(qū)坡度的空間分布Fig.9 Spatial distribution of slope over the study area

圖10 脆弱等級與區(qū)域平均坡度變化關(guān)系 Fig.10 Relationship between vulnerability levels and regional mean slope

3.2 人類活動對脆弱性的影響

本研究將生態(tài)脆弱性進行了級別的劃分,這樣有利于深入理解人類活動對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響過程。就研究區(qū)而言,人類活動的主要形式表現(xiàn)為農(nóng)田開墾以及因自然、經(jīng)濟等原因造成的棄耕以及在耕種農(nóng)田時的灌溉活動。驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的根本原因是水分供求關(guān)系,對天然綠洲的過渡開墾加劇了這一矛盾,推動了整個綠洲區(qū)向更加脆弱的狀態(tài)發(fā)展。由表3可知,2000年至2014年間在塔里木綠洲新開墾了大量的農(nóng)田,面積為5691 km2。與此同時,由于過度開墾,在此期間棄耕農(nóng)田的面積也達到了2050 km2。這種農(nóng)田與其它類型土地間相互轉(zhuǎn)換較多的現(xiàn)象是塔里木河綠洲長期存在著的問題[31]。農(nóng)田的開墾在空間分布上集中在塔里木河流域的北端以及博斯騰湖的西側(cè),此外位于研究區(qū)西北部的特克斯河谷也有一定的分布。這些新開墾的農(nóng)田中,約有一半(49.71%)處于重度和極度脆弱狀態(tài),而棄耕后的農(nóng)田中有58.68% 處于重度和極度脆弱狀態(tài)。它們的中重度和極度脆弱所占比例都比未發(fā)生變化農(nóng)田的高,說明綠洲農(nóng)田存在著強烈的人類干預(yù),對農(nóng)田的開墾和棄耕活動加劇了研究區(qū)的脆弱程度。此外,灌溉不當引起的土壤鹽漬化也加劇了生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[33-34]。這些人為因素導(dǎo)致了該地區(qū)生態(tài)退化的趨勢并沒有發(fā)生根本性扭轉(zhuǎn)[35]。

3.3 生態(tài)關(guān)鍵區(qū)與生態(tài)治理

研究區(qū)地處塔里木盆地和天山山脈兩個海拔特征差異極大的地理單元過渡帶,存在著荒漠、綠洲和山地等多種生態(tài)系統(tǒng)類型,構(gòu)成了多樣的生態(tài)界面。由此造成了該區(qū)域內(nèi)物質(zhì)循環(huán)、能量流動以及景觀結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)化顯著[36]。研究區(qū)大多為中度和重度脆弱區(qū),其中塔里木河流域的綠洲生態(tài)系統(tǒng)由于受人類活動干擾最大,水資源矛盾突出,是研究區(qū)內(nèi)生態(tài)問題最為嚴重的地區(qū)[32,37]。已有研究發(fā)現(xiàn)在水熱條件較好的綠洲區(qū),由于人類的過度開墾農(nóng)田,造成了該地區(qū)綠洲脆弱度的升高[34],而研究區(qū)天然草場的退化、沙化和過度放牧則造成了生態(tài)環(huán)境的惡化[37]。在本研究也同樣發(fā)現(xiàn)開墾與棄耕是造成農(nóng)田脆弱性上升的主要原因,在研究區(qū)中度和重度脆弱區(qū)的構(gòu)成上,草地所占比率都超過了65%,這些都說明環(huán)境惡化以及過度放牧依然是影響草地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的主要因子,也證明本研究采用的單指標脆弱性評估方法是可行的。在氣候和人類活動的共同影響下,研究區(qū)的脆弱性總體偏高,說明應(yīng)及時開展生態(tài)治理,根據(jù)現(xiàn)有情況合理規(guī)劃生態(tài)功能關(guān)鍵區(qū),保護好草原和濕地等易開墾地區(qū),劃定綠洲開發(fā) “紅線”并限制農(nóng)田的開墾。此外,還要協(xié)調(diào)好塔里木河流域整體的水資源分配。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)IPCC的脆弱性定義,基于生態(tài)系統(tǒng)的GPP計算并分析了天山-塔里木綠洲地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的空間格局。研究區(qū)大部分以中度和重度脆弱為主,生態(tài)系統(tǒng)脆弱等級有較為清晰的地區(qū)差異,空間格局分化明顯,不同脆弱等級呈斑塊狀分布,南部的塔里木綠洲脆弱程度較高。氣候?qū)ρ芯繀^(qū)脆弱性的影響主要表現(xiàn)在溫度上,脆弱程度隨著區(qū)域內(nèi)的多年平均溫度的升高而增加。由于南疆塔里木綠洲農(nóng)田的開墾、棄耕以及土壤鹽漬化的影響,研究區(qū)脆弱性與年平均降雨量的關(guān)系不明顯,在地形上則表現(xiàn)出隨平均海拔和平均坡度的增加而降低的趨勢。受自然條件惡劣、過度放牧以及農(nóng)田過度開墾的影響,目前該地區(qū)總體呈現(xiàn)脆弱性嚴重的狀態(tài)。本研究基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)揭示了天山-塔里木綠洲地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的空間分布特征及其對氣候和人類活動的響應(yīng),為開展生態(tài)系統(tǒng)敏感性、脆弱性研究提供了方法參考,為生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)恢復(fù)政策的制定提供了理論依據(jù)。

表3 棄耕、新開墾和未變化農(nóng)田的脆弱性分布