氣候變化對元上都遺址區(qū)景觀格局的影響

武錄義，岳永杰，劉果厚，高潤宏，蘇志成（.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古呼和浩特0009；.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，內(nèi)蒙古呼和浩特0000；.烏蘭察布林業(yè)局國有林場和森林公園管理站，內(nèi)蒙古烏蘭察布0000）

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氣候變化對元上都遺址區(qū)景觀格局的影響

武錄義1，岳永杰2，劉果厚1，高潤宏2，蘇志成3
（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；3.烏蘭察布林業(yè)局國有林場和森林公園管理站，內(nèi)蒙古烏蘭察布012000）

摘要：為了研究氣候變化對內(nèi)蒙古元上都遺址區(qū)景觀格局的影響，運用小波分析、遙感技術等方法，分析了1981-2010年元上都遺址區(qū)氣候變化規(guī)律和1990年、2000年、2010年3個不同時期的景觀格局動態(tài)。結果表明：元上都遺址區(qū)近30 a年均氣溫呈上升趨勢，年際變率為0.065℃·a(-1)，在30 a低頻區(qū)和10 a中頻區(qū)呈明顯冷暖交替期。年降水量呈下降趨勢，但變化趨勢不顯著，在25 a的低頻區(qū)呈明顯干旱期，而10 a的中頻區(qū)呈干濕交替，受氣候暖干化的影響仍將持續(xù)；元上都遺址區(qū)草地景觀優(yōu)勢度在降低，景觀結構變化較大。其中草地、水域、濕地與沼澤面積在減小，而耕地、林地、居民點和沙地面積在增加，沙地面積增幅顯著，20 a間年均增加9.55 km2；近30 a來，氣候變化不是主導元上都遺址區(qū)景觀格局變化的主要因素，氣候變化與沙地、草地面積相關性最大。而2000年后的區(qū)域開發(fā)和相關生態(tài)工程是導致遺址區(qū)景觀穩(wěn)定性降低的主要因素。圖4表3參19

關鍵詞：景觀生態(tài)學；元上都遺址；氣候變化；小波分析；景觀格局

全球氣候不斷變暖這一不爭的事實且這種變化趨勢將會持續(xù)。預計21世紀末，氣溫將上升1.1～6.4℃，降雨模式也發(fā)生改變［1-3］。對全球生態(tài)系統(tǒng)的影響也在不斷加劇。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，在全球氣候變化中的變化、響應與顯著空間異質(zhì)性正受到廣泛關注［4-6］。在氣候變化影響下，中國大面積草地資源系統(tǒng)發(fā)生改變，引起草地生態(tài)系統(tǒng)功能下降［7］。這種影響已威脅到區(qū)域生態(tài)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展。而草原文化遺址區(qū)依托草地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中的響應與關系，國內(nèi)外學者的關注相對較少［8-11］。大多學者研究氣候變化基于草地生態(tài)系統(tǒng)的草地生物量和載畜量的動態(tài)變化，或側(cè)重于氣候變化與區(qū)域的合理開發(fā)，對氣候變化影響區(qū)域景觀的研究更是鮮有報道［11-13］。目前，由于草原文化遺址的開放性和界線模糊性，致使其正遭受著嚴重的威脅。特別是近年來，這些遺址和遺跡不斷受到自然因素與人類活動的沖擊。在全球氣候變化導致的干旱區(qū)草地面積退化、生態(tài)功能降低的形勢下，作為內(nèi)蒙古蒙元文化繁榮的主要遺址［14-16］的元上都遺址區(qū)的氣候變化研究具有現(xiàn)實意義。為此，該研究以內(nèi)蒙古元上都遺址為研究區(qū)域，研究了氣候變化對其景觀的影響，旨在提高草原文化遺址應對氣候變化的能力并為草原文化遺址的保護提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

元上都遺址區(qū)位于內(nèi)蒙古正藍旗金蓮川草原五一牧場境內(nèi)，遺址所在區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?，多年平均氣溫?.1℃，1月平均氣溫為-18.3℃，7月平均氣溫為18.7℃；≥10℃的積溫為1 574～2 504℃；多年平均降水量為366.8 mm，主要集中在6-8月，占全年降水量的65%～70%；多年平均蒸發(fā)量為1 920.5 mm；無霜期104 d，多年平均風速為4.7 m·s-1。地貌總體上呈南高北低趨勢，海拔為1 200～1 300 m，土壤類型主要以溫帶干草原栗鈣土為主，土壤厚度由南向北逐漸變?。?］。植被以多年生草本植物為主，形成以大針茅Stipa grandis和克氏針茅Stipa krylovii為建群種的群落。

2　數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1氣象資料與分析方法

研究區(qū)是以元上都遺址為中心，向周邊擴展至農(nóng)牧交錯點與城鎮(zhèn)建設用地，南北各20 km，東西各40 km，總面積為4 015 km2。研究區(qū)氣象資料來源于內(nèi)蒙古正藍旗上都鎮(zhèn)各氣象監(jiān)測站點，為1981-2010年逐日氣象資料［10］，包括日平均氣溫、日降水量、日平均風速等。采用小波分析方法分析各氣象要素的變化周期，M—K突變檢驗方法檢驗各氣象要素的突變點。小波分析［11］既能夠反映出信號在時頻域上的總體特征，還能夠提供局部變化信息，亦能檢驗其突變時間。

2.2遙感資料與分析方法

以中國科學院遙感衛(wèi)星地面接收站提供的研究區(qū)1990，2000，2010年遙感影像數(shù)據(jù)為遙感信息源，以該區(qū)域1∶50 000地形圖及土地利用二次普查數(shù)據(jù)為補充信息源，運用ArcGIS和景觀格局分析軟件，基于現(xiàn)場踏勘與實地調(diào)研的基礎上［5］，通過目視解譯方法，對3個不同時段的遙感影像進行合成處理、景觀分類、制圖與空間疊加對比。

2.3數(shù)據(jù)處理

應用SPSS軟件對各氣象要素與不同景觀類型面積進行相關分析。

3　結果與分析

3.1元上都遺址區(qū)及其周邊景觀的氣候變化特征

3.1.1年均氣溫變化特征由圖1可知：氣溫整體呈上升趨勢，30 a平均氣溫為2.53℃，年均最高氣溫為2007年的4.01℃，最低氣溫值為1985年的0.6℃，極差值為3.41℃。30 a平均氣溫的年際變率為0.065℃·a-1，小波分析如圖2。由圖2可知：在低頻區(qū)30 a，氣溫出現(xiàn)1個明顯冷暖期，時間突變大致在20世紀90年代初；在中頻區(qū)10 a的時間尺度上，氣溫經(jīng)過了降—升的循環(huán)趨勢，出現(xiàn)3個明顯的冷暖交替期，氣溫在中低頻區(qū)變化規(guī)律一致。2010年后將進入下個10 a氣溫下降周期；在高頻區(qū)3～5 a的時間尺度上，氣溫循環(huán)趨勢出現(xiàn)8個明顯暖冷期的周期。由作者之前數(shù)據(jù)分析可知，M—K突變檢驗在顯著性水平0.05的臨界線之間，曲線在1993年附近存在1個突變點，說明元上都遺址區(qū)在1993年經(jīng)歷了1次顯著變暖過程。

圖1　研究區(qū)1981-2010年氣溫和降水量變化Figure 1 Change of precipitation or temperature during 1981-2010

圖2　研究區(qū)年均氣溫小波平面圖Figure 2 Average annual temperature of wavelet plan

3.1.2降水量變化特征由圖1分析可知：降水量呈上升趨勢，但是變化并不明顯。30 a平均降水量為359.7 mm。年最大降水量出現(xiàn)在1992年，其值為562.8 mm，最小降水量出現(xiàn)在2007年，其值為207.0 mm，極差值為355.8 mm。降水量年際變化為0.07 mm·a-1。小波分析如圖3可知：低頻區(qū)25 a時間尺度上有2次明顯干旱周期，即1985年和2002年前后；在1980-1995年，中頻區(qū)10 a附近出現(xiàn)3次“干—濕—干”的交替期，而在1995年后以5 a周期振蕩為主。在高頻區(qū)5 a附近出現(xiàn)連續(xù)干濕交替期，但是在2005年后干濕交替不明顯，2009年高、中頻區(qū)都出現(xiàn)干旱情況，實際該年降雨量僅為207.0 mm。綜合來看，2000年后研究區(qū)以干期為主。由作者之前M—K突變檢驗分析可得，統(tǒng)計量序列UF 和UB曲線均在顯著性水平0.05的臨界線之間，在1989年和2009年附近存在2個明顯的突變點，說明該突變年份年降水量顯著減少。

圖3　研究區(qū)年降水量小波平面圖Figure 3 Annual precipitation of wavelet plan

3.2景觀格局變化

基于元上都遺址區(qū)區(qū)域開發(fā)規(guī)模、歷史文化背景與上都河流域面積確定遙感區(qū)域界線，即以元上都為中心，向周邊擴展至農(nóng)牧交錯點與城鎮(zhèn)建設用地?？偯娣e為4 015 km2。通過對比藍旗1990，2000，2010年遙感影像，以GB/T 21010-2007《土地利用現(xiàn)狀分類》標準作為參考，將元上都遺址區(qū)的景觀類型分為10個Ⅰ級類，分別為耕地、林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、城鎮(zhèn)與工礦用地、沙地、水域、沼澤與濕地、鹽堿地［5］。景觀中草地和耕地面積最大，耕地所占面積比例由1990年的14.26%增加到2000年的16.53%，之后的2010年又減少了0.35%；而草地所占比例由1990年的73.36%減少到2010年的67.10%；于此相比，沙地面積所占比例由1990年的5.14%增加到2010年的8.47%。

由圖4，表1和表2可以看出：元上都遺址區(qū)區(qū)域景觀面積變化草地景觀總體呈縮減趨勢，減少19.2 km2·a-1。其中草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯车嘏c耕地的面積較大，沙地面積增加9.55 km2·a-1，耕地面積增加6.7 km2·a-1。而轉(zhuǎn)化為林地、城鎮(zhèn)與工礦用地、水域、鹽堿地、裸地面積相對較小。這主要是由于研究區(qū)北部為渾善達克沙地，每年向南擴展，放牧導致草地沙化加劇，而同時20世紀80年代末至90年代初區(qū)域大面積植樹造林、農(nóng)業(yè)大開發(fā)開墾種植農(nóng)作物、城鎮(zhèn)化進程的加快都是其誘導因素，2000年以后沙地區(qū)域的人為治沙以及退林還草使其得到明顯改善；鹽堿地在風蝕和強風力作用下，表層土壤結皮破壞，面積逐漸減少演變?yōu)樾碌纳车?。而水域與沼澤與濕地面積由183 km2減少到181 km2，平均減少0.07 km2·a-1，遺址區(qū)正是由于坐落在上都河下游，其面積的減少對遺址區(qū)的保護亦構成較大威脅。1990-2010年間，研究區(qū)景觀格局發(fā)生了較大變化，斑塊數(shù)量與斑塊密度呈先減少后增加趨勢，表明遺址區(qū)區(qū)域斑塊數(shù)漸趨穩(wěn)定，但是2000年后雖然斑塊數(shù)增加，斑塊形狀趨于復雜，但草地景觀斑塊數(shù)趨于下降，不及1990年，景觀破碎化程度在加劇，景觀多樣性指數(shù)呈增加趨勢，表面研究區(qū)景觀構成趨于復雜，景觀穩(wěn)定性在下降。

圖4　1990，2000，2010年景觀面積變化Figure 4 Landscape area change of 1990, 2000 and 2010

表1　研究區(qū)1990-2010年草地景觀轉(zhuǎn)換分類面積Table 1 Classification convert grassland landscape area in 1990-2010 years

3.3氣候因子對研究區(qū)景觀格局的影響

氣溫因子影響植被的生長、分布以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境，因此，氣溫的變化對景觀格局的斑塊及分布具有重要影響。

表2　研究區(qū)1990-2010年景觀格局指數(shù)Table 2 Landscape pattern indices in 1990-2010 years

由表3可知：研究區(qū)年均氣溫與鹽堿地面積呈正相關關系，相關系數(shù)為0.992。即隨著氣溫的升高鹽堿地的面積呈增加趨勢，在自然狀態(tài)下，氣溫升高導致土壤蒸發(fā)量增加，加之20世紀90年代增溫較大，氣候暖化程度加劇，鹽堿地面積呈擴大趨勢；而其他景觀類型均與氣溫呈負相關關系。沙地和耕地面積的減少與氣溫相關關系不大，主要是由于研究區(qū)在20世紀90年代人為治沙以及近10 a退耕還林、退耕還草原因?qū)е碌?。從氣溫的年際變化來看，研究區(qū)目前處于暖干化期，而且這種暖期仍將繼續(xù)，因此，未來幾年，元上都遺址區(qū)區(qū)域鹽堿地仍會擴大，而沼澤濕地與草地面積隨著人為治理和保護作用下有所改善。

降水量反映了地區(qū)的干旱程度，對各景觀類型的分布、植被生長、人類生存都具有重要影響［17-18］。城鎮(zhèn)工礦面積與降水量呈正相關關系（表3），相關系數(shù)為0.994。降水量的增加，城鎮(zhèn)工礦面積在擴大，耕地、林地、沙地、裸地、鹽堿地、水域面積也與降水量呈正相關關系，其中，20世紀70年代元上都遺址區(qū)區(qū)域耕地面積較少，80年代開始，大量草地、水域已被開墾，耕地面積達1.98 km2，隨著近20 a降水量的增加，拓荒面積進一步擴大，波及整個元上都遺址區(qū)周邊水域、林地，耕地面積直線上升，達到37.84 km2。直到近5 a降水量波動巨大，退耕還林與退耕還草的政策使耕地面積增加趨勢有所緩減，相應草地面積增加明顯［19］。沼澤與濕地、高草面積是呈負相關關系，降水量增加導致沼澤與濕地面積的減少，其反常原因在于：①元上都遺址區(qū)位于正藍旗上都鎮(zhèn)西北20 km處，2003年遺址區(qū)上游上都河修建水庫出現(xiàn)連年斷流現(xiàn)象；②2005-2010年隨著“一產(chǎn)”比例的降低，“二產(chǎn)”所占人均國民生產(chǎn)總值（GDP）比例由61.41%上升至80.37%，因此，區(qū)域經(jīng)濟的快速增長必然帶動土地利用的增長，從而導致研究區(qū)降水量與沼澤濕地負相關。

從風速與各類型景觀面積變化來看，風速與中覆蓋度草地關系密切，具有顯著性，呈正相關關系，相關系數(shù)為0.999。草原植被蓋度較好，風蝕量較小，中覆蓋度草地能有效減緩風蝕作用以及沙化速度。而風速與沙地呈負相關關系，其原因在于沙化土地大都為固定沙地，其植被覆蓋度較高，抗風蝕力較強，風速的增加對沙地面積的減少作用較小。

綜合以上分析，氣溫與耕地、沙地、水域面積負相關較大，與鹽堿地面積正相關較大；而降水量與林地、裸地、城鎮(zhèn)面積正相關較大，與沼澤濕地負相關較大；風速與中覆蓋度草地面積正相關較大。

表3　研究區(qū)各景觀類型面積與各氣象要素的相關系數(shù)Table 3　Correlation coefficients of the area of landscape type area and climate factors

4　討論

1981-2010年，元上都遺址區(qū)區(qū)域氣候經(jīng)歷了冷干—暖濕—冷干—暖干的演變過程，目前為暖干期，并在2015年前將繼續(xù)維持這一暖干氣候期。受氣候暖干化的影響，研究區(qū)的草地植被破壞，土地沙化、鹽堿化面積不斷擴大，雖然近10 a的人為治沙和退耕還草，土地沙化面積與耕地面積都有所減緩，但是其擴大趨勢仍將繼續(xù)；隨著研究區(qū)林業(yè)工程的建設，林地面積的劇增已經(jīng)嚴重影響元上都遺址區(qū)區(qū)域景觀格局，而農(nóng)牧業(yè)結構的調(diào)整與優(yōu)化趨勢勢在必行，其以草原文化為主的遺址區(qū)景觀正遭受保護與開發(fā)的雙重壓力。

在氣候暖干化的影響下，人為破壞和區(qū)域開發(fā)促進和加快了研究區(qū)沙地的活化過程［19］。20世紀90年代盡管降水量增加，但是沙化面積比近10 a仍然增加了60.05 km2，2000年以后，盡管研究區(qū)依然溫度升高，降水量減少，但是在人為保護和治理下，沙化面積得到控制，草地面積則增加了108.18 km2，說明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境治理得到有效控制，人為治理抑制了土地沙化、鹽堿化面積的擴大，但是受氣候變化影響，草地植被退化程度依然嚴重。

目前，隨著氣候暖干化的推移，研究區(qū)水域面積不斷縮小，其上游閃電河的斷流進一步加劇了濕地景觀的萎縮，原來大面積的濕地被分割成小的斑塊。氣候變化是導致研究區(qū)景觀格局變化的內(nèi)部驅(qū)動因素，而隨著研究區(qū)2000年后區(qū)域開發(fā)的不斷加劇，其對研究區(qū)景觀格局的變化起著越來越顯著的外部驅(qū)動因素。因此，對于元上都遺址區(qū)的保護與開發(fā)要堅持“保護優(yōu)先，開發(fā)適度”的原則，加強周邊濕地與草地的保護，抑制沙地、鹽堿地的擴張。

5　結論

年均氣溫呈明顯上升趨勢，于1986年顯著增加，且年平均最低氣溫的上升更為顯著；年均降水量略有增加，1989年和2009年為突變顯著年份。氣候總體變化呈暖干化趨勢。氣候季節(jié)變化中夏季最低氣溫和夏季最高氣溫的升高是導致研究區(qū)氣候暖化的原因。而夏季降水量的減少是導致該區(qū)降水量近30 a不顯著的主要原因。

受氣候暖干化的影響，研究區(qū)的景觀格局趨于多樣化和破碎化。其景觀斑塊數(shù)由1990年的2 234塊增加到2010年的2 469塊。1990-2010年草地所占面積比例減少了6.26%，耕地所占面積比例增加了2.27%，沙地所占面積比例增加了3.33%，其中土地沙化、鹽堿化面積不斷擴大，沙地面積每年增加9.55 km2，耕地面積每年增加6.7 km2。草地面積減少和沙地面積增大這一趨勢仍將持續(xù)。而水域、濕地面積在萎縮，其面積由183 km2減少到181 km2，年均減少0.07 km2。這種變化趨勢原因之一是由于氣候的變暖和降水量在夏季的減少造成的。

研究區(qū)景觀格局的破碎化和生境變遷內(nèi)因是由于氣候逐漸趨于暖干化，外因是由于周邊區(qū)域開發(fā)。閃電河上游修建水庫導致流域斷流，20世紀90年代的過度放牧，修建公路、鐵路以及旅游開發(fā)等區(qū)域開發(fā)類型帶來的生態(tài)環(huán)境變遷。

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Climate changes affecting regional landscape patterns at Xanadu

WU Luyi1, YUE Yongjie2, LIU Guohou1, GAO Runhong2, SU Zhicheng3
（1.College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China; 2.College of Forest Ecology Research, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010020, Inner Mongolia, China; 3.State Forest Farm and Forest Park Station of Forest Enterprise, Ulanqab 012000, Inner Mongolia, China）

Abstract:To study the effects of climate change on landscape patterns at sites in Xanadu, wavelet transformation and remote sensing were used to analyze the climate change rules from 1981-2010 for landscape pattern dynamics in three different periods: 1990, 2000, and 2010.Results showed that the annual temperature had a rising tendency over the nearly 30 years with an interannual variation of 0.065·a(-1)years.Zone temperature changes alternated between a low frequency of 30 years and high frequency of 10 years.Annual precipitation declined slightly with interannual variation of 0.07mm·a(-1).The low frequency of 25 years experienced drought; whereas, the low frequency of 10 years alternated between wet and dry.Dominance of the grass landscape declined on this site.Structural landscape changes included a decrease in grasslands, water areas, wetlands, and swamps; while farmland, woodland, residential places, and sandy areas increased.For instance, sandy areas increased 9.55 km2in nearly 20 years.Over this 30 year period, climate change was not the dominant factor that changed the landscape pattern; climate change associated with sandy and grassland areas were greatest.As regional development and relevant eco-engineering being the main factors contributing to reduce stability of these landscape sites.［Ch, 4 fig.3 tab.19 ref.］

Key words:landscape ecology; Xanadu; climate change; wavelet analysis; landscape pattern

作者簡介：武錄義，從事森林生態(tài)學、風險評價等研究。E-mail：565294510@qq.com。通信作者：岳永杰，副教授，從事森林生態(tài)教學、水土保持研究。E-mail：wolongyue@126.com

基金項目：國家環(huán)保公益性行業(yè)資助項目（201309040）

收稿日期：2015-04-27；修回日期：2015-06-20

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2016.02.007

中圖分類號：P461；S718.5

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0756（2016）02-0232-07