氣候變化背景下近15 a烏梁素海流域植被動態(tài)變化

燕守廣，李海東，方 穎，汪 光

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；3.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655)

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氣候變化背景下近15 a烏梁素海流域植被動態(tài)變化

燕守廣1,2，李海東2①，方 穎1②，汪 光3

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；3.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655)

以內(nèi)蒙古烏梁素海流域為研究對象，利用SPOT-VGT NDVI、數(shù)字高程模型(DEM)和氣象數(shù)據(jù)，分析了1999—2013年流域植被覆蓋變化及其海拔效應(yīng)，并結(jié)合年平均氣溫和年降水量變化，探討了流域植被變化對氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明，烏梁素海流域植被覆蓋度總體較低，NDVI多年平均值僅為0.213；1999—2013年烏梁素海流域94.8%的區(qū)域植被覆蓋呈明顯增加趨勢，2013年NDVI年平均值比1999年增加22.4%；烏梁素海流域的植被覆蓋表現(xiàn)為隨高程增加而減少的趨勢，1999—2013年NDVI年變化率隨高程的變化趨勢顯著，僅在海拔梯度1 000 m處出現(xiàn)顯著減小趨勢(Mann-Kendall檢驗的統(tǒng)計值Z<-1.64)，在其余海拔高度均呈顯著增加趨勢(Z> 1.64)；1999—2013年烏梁素海流域NDVI年平均值變化與年降水量呈顯著正相關(guān)(P< 0.05)，與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)(P> 0.05)。

氣候變化；植被覆蓋；海拔梯度；NDVI；內(nèi)蒙古

氣候變化已成為全球性的環(huán)境問題,已經(jīng)并將繼續(xù)對流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[1-2]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有調(diào)節(jié)徑流、涵養(yǎng)水源和保持水土的重要功能[3-5]。研究表明,植被變化不僅受區(qū)域氣候和海拔等環(huán)境要素的制約[6],同時也影響著地表的能量交換、生物地球化學(xué)循環(huán)和水文循環(huán)等過程[3,7]。植被格局對氣候變化的響應(yīng)是全球變化的重要研究領(lǐng)域,尤其是在高緯度和高海拔地區(qū)[6,8]。內(nèi)蒙古烏梁素海作為我國北方干旱地區(qū)的典型湖泊,長期受到氣候變化與人類活動的多重影響。近年來,烏梁素海流域水資源量嚴(yán)重下降,湖泊黃藻經(jīng)常爆發(fā),給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和居民生活帶來不便[9-10]。氣候變化可通過改變流域植被下墊面,影響蒸散發(fā)、土壤滲透性和土壤水分等[11-12],造成地表徑流和營養(yǎng)物質(zhì)分布狀態(tài)改變,并最終對湖泊水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生廣泛影響[13-14]。基于此,選擇烏梁素海流域植被作為研究對象,綜合運用SPOT-VGT NDVI、數(shù)字高程模型(DEM)和氣象數(shù)據(jù),分析氣候變化背景下1999—2013年流域植被覆蓋的動態(tài)變化,以期揭示植被變化的海拔效應(yīng)和氣候變化影響,從而為下一步深入探究氣候變化對烏梁素海流域的累積性影響和氣候變化風(fēng)險評估提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi),面積約293 km2,南北長約36 km,東西寬約8 km,湖面平均高程1 018.5 m,80%的水域深度為0.8～1.0 m。烏梁素海系200多a前黃河改道形成的河跡湖,在黃河流域具有重要的生態(tài)功能。烏梁素海是我國北方候鳥重要的遷徙和繁殖地,也是全球半荒漠地區(qū)極為少見的、具有很高生態(tài)效益的大型多功能湖泊。烏梁素海有近200種鳥類和20多種魚類繁衍生息,其中國家一、二類保護鳥類12種,《中日候鳥保護協(xié)定》保護鳥類48種,是國際社會關(guān)注的濕地系統(tǒng)生物多樣性保護區(qū),2002年被國際濕地公約組織正式列入《國際重要濕地名錄》[15]。

烏梁素海流域涉及磴口縣、巴彥淖爾市、杭錦后旗、五原縣、烏拉特前旗、烏拉特中旗和烏拉特后旗。流域高程范圍為987～2 351 m,平均海拔為1 299 m,高程<1 050 m地區(qū)占流域面積的38.9%。流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂騾^(qū),四季分明。夏季水氣充沛,降水集中,雨熱同步,是作物生長的旺盛季節(jié)。冬季1月平均氣溫約為-10 ℃,夏季7月平均氣溫約為23 ℃,年日照時數(shù)為3 100～3 300 h。根據(jù)《中國植被圖(1∶100萬)》,流域的地帶性植被類型為戈壁針茅荒漠草原、芨芨草鹽生草甸、羊茅草甸、蒙古扁桃灌叢、檉柳灌叢、楊樹和栽培植被等。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

研究數(shù)據(jù)包括1999—2013年烏梁素海的歸一化植被指數(shù)(NDVI，INDV)、氣象數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)。其中,NDVI數(shù)據(jù)為1999—2013年的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù),來源于全球SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)站(http:∥www.vgt.vito.be),空間分辨率為1 km,時間分辨率為10 d,1 a有36期數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)在分發(fā)前已進行了幾何、輻射和大氣等校正處理。氣象數(shù)據(jù)包括流域內(nèi)及周邊的海力素、烏特拉中旗、臨河和包頭4個氣象站的月平均氣溫、降水量觀測數(shù)據(jù)(表1),來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn/)。高程數(shù)據(jù)為30 m和1 km分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)(http:∥srtm.csi.cgiar.org/),30 m空間分辨率數(shù)據(jù)用于制作高精度的烏梁素海流域數(shù)字高程模型(DEM),以更好地反映流域地貌(圖1);1 km分辨率數(shù)據(jù)用于分析NDVI變化與海拔梯度的關(guān)系。

表1 1999—2013年烏梁素海流域內(nèi)及周邊主要氣象站點的基本情況

Table 1 General information of the major meteorological stations in and around the Wuliangsuhai Basin during 1999-2013

編號站點海拔/m多年平均降水量/mm多年平均氣溫/℃氣候傾向率年降水量/(mm·a-1)年平均氣溫/(℃·a-1)53231海力素15101465.881.80-0.03153336烏拉特中旗12882166.303.93-0.01353513臨河10721359.010.02-0.09253446包頭10672908.222.08-0.052

海力素站位于烏拉特后旗,臨河站位于巴彥淖爾市,包頭站位于流域外。

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先,對4—10月基于柵格的SPOT-VGT NDVI旬?dāng)?shù)據(jù)集求取平均值,計算得到1999—2013年15期烏梁素海流域植被生長季(4—10月)的NDVI數(shù)據(jù)集。將SPOT遙感影像中的像元亮度值(ND)轉(zhuǎn)換為INDV值，計算公式為ND=(INDV+0.1)/0.004。其次,基于烏梁素海流域邊界,裁切得到1999—2013年流域植被生長季的NDVI數(shù)據(jù)集。利用該數(shù)據(jù)集,一是計算流域NDVI年平均值,以分析1999—2013年流域NDVI的年際變化情況;二是基于NDVI遙感數(shù)據(jù)的像元值,計算1999—2013年流域NDVI的多年平均值;三是基于NDVI遙感數(shù)據(jù)的像元值,運用線性回歸分析法,計算1999—2013年流域NDVI的年變化率,以分析流域植被覆蓋變化的空間格局。

基于1 km分辨率的流域DEM數(shù)據(jù),以100 m為間隔,將烏梁素海流域的高程劃分為14個海拔梯度(中心點高程分別為1 000,1 100,1 200,…,2 300 m),每個海拔梯度為該中心點高程±50 m的一個高程區(qū)間(例如海拔梯度1 000 m即為高程950～1 050 m,海拔梯度1 100 m 即為高程1 050～1 150 m,其他依此類推)?；诤０翁荻葎澐?繪制流域NDVI多年平均值、NDVI年變化率和Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計值(Z值)的箱線圖,以分析流域植被覆蓋變化的海拔效應(yīng)。其中,箱體的高低表示四分位距(interquartile range,IQR)的大小,即第3四分位數(shù)(Q3)和第1四分位數(shù)(Q1)之差,反映數(shù)據(jù)批的集中范圍。

利用1999—2013年海力素、烏特拉中旗、臨河和包頭4個氣象站的月平均氣溫和降水量觀測數(shù)據(jù),計算每個氣象站的年平均氣溫和年降水量。對4個氣象站的數(shù)據(jù)進行區(qū)域平均,計算得到烏梁素海流域的氣候變化數(shù)據(jù),以分析流域近15 a的氣候變化特征。

2.3 數(shù)據(jù)分析

運用線性回歸分析法,計算1999—2013年流域NDVI平均值和每個像元對應(yīng)NDVI的年變化率,以及流域年平均氣溫、年降水量變化的傾向率。運用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法(簡稱M-K檢驗)對流域NDVI變化、氣候變化的顯著性進行檢驗,當(dāng)|Z|≥1.28、1.64和2.32時,分別表示通過90%、95%和99%的顯著性水平檢驗[16]。

基于1999—2013年流域NDVI年平均值、4個氣象站的年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù),利用Pearson相關(guān)分析方法檢測氣候變化對流域植被覆蓋變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 1999—2013年流域植被覆蓋變化

由圖1可見,烏梁素海流域的植被覆蓋度總體較低,1999—2013年流域NDVI多年平均值僅為0.213。流域大部分地區(qū)的NDVI多年平均值< 0.2,占其總面積的56.7%(其中< 0.1的地區(qū)占2.9%);NDVI多年平均值介于0.2～0.3的地區(qū)占流域總面積的19.8%;NDVI多年平均值介于>0.3～0.4的地區(qū)占流域總面積的22.5%;NDVI多年平均值> 0.4的地區(qū)僅占流域總面積的1.0%。

1999—2013年,烏梁素海流域絕大部分地區(qū)(占總面積的94.8%)植被覆蓋呈增加趨勢。就NDVI年變化率而言,介于>0.003～0.005 a-1的地區(qū)占流域總面積的比例最大(達42.8%),NDVI年變化率為>0.002～0.003、>0.001～0.002、>0.005～0.007、0～0.001、> 0.007以及< 0 a-1的地區(qū)占流域總面積的比例分別為16.0%、13.9%、12.5%、5.6%、4.1%和5.2%。僅有5.2%的區(qū)域植被覆蓋呈下降趨勢,且以斑塊狀分布在杭錦后旗、巴彥淖爾市和五原縣等海拔較低的地區(qū)。

由圖1可見,烏梁素海流域植被覆蓋的增加趨勢顯著,有51.8%的地區(qū)達到99%顯著水平(Z>2.32),23.5%的地區(qū)達到95%顯著水平(Z>1.64)。僅有0.78%的地區(qū)植被覆蓋的下降趨勢達95%顯著性水平(Z<-1.64)。

3.2 流域植被變化的海拔效應(yīng)

由圖2可見,烏梁素海流域的植被覆蓋表現(xiàn)為隨高程增加而減少的趨勢。就近15 a不同海拔梯度的NDVI多年平均值的四分位距(箱體高低)而言,除在海拔梯度1 700和1 800 m處較大外,總體上在海拔梯度1 000～2 300 m處呈現(xiàn)隨高程增加而減小的趨勢。就中位數(shù)的大小而言,自海拔梯度1 000 m開始增加,在1 100 m處達到最大,其后逐漸減小,但是在1 700～1 800 m處呈略微增加趨勢,在海拔梯度>1 900 m后則基本趨于平穩(wěn)。不同海拔梯度NDVI多年平均值的最大值呈隨高程增加而減小的變化趨勢,這基本與四分位距的變化趨勢一致,而其最小值隨高程的變化趨勢則不明顯。

1999—2013年烏梁素海流域植被覆蓋的年變化率隨高程的變化趨勢顯著。不同海拔梯度NDVI年變化率的四分位距隨高程增加的變化趨勢基本與NDVI多年平均值的變化趨勢一致。然而,不同海拔梯度NDVI年變化率的中位數(shù)則呈現(xiàn)隨高程的增加而先增加后減小的趨勢,在海拔梯度1 200 m處達最大,其后逐漸減小,但在1 700 m處略有增加,至1 800 m后仍呈減少趨勢;自海拔高度> 1 900 m后,NDVI年變化率基本保持穩(wěn)定。就不同海拔梯度NDVI年變化率而言,其最大值隨高程的變化總體上呈不斷減小趨勢;但其最小值則隨高程的增加,表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢,并在海拔梯度1 000 和1 100 m處出現(xiàn)負(fù)值,表明該海拔梯度植被覆蓋受到的負(fù)面干擾較大。

由圖2還可見,烏梁素海流域NDVI的年變化率除在海拔梯度1 000 m處出現(xiàn)NDVI年變化率顯著減小外(Z<-1.64)，在其余海拔梯度(>1 000～2 300 m)的增加趨勢均較顯著(Z>1.64)。

圖1 1999—2013年烏梁素海流域NDVI多年平均值、年變化率和Z值的分布

3.3 氣候變化對流域植被變化的影響

由圖3可見,1999—2013年烏梁素海流域NDVI增長趨勢明顯,年變化率為0.003 4 a-1,通過99%的顯著性水平檢驗(Z=3.07)。2013年NDVI年平均值比1999年增加22.4%。近15 a NDVI年平均值的最大值出現(xiàn)在2012年(0.253),遠高于1999—2013年的多年平均值(0.213),其次為2013年(0.239)和2004年(0.222)。近15 a NDVI年平均值的最小值出現(xiàn)在2001年(0.178),遠小于近15 a的平均值,其次為2000年(0.188)、2006年(0.192)和2006年(0.195)。

1999—2013年,烏梁素海流域的年平均氣溫呈不斷下降趨勢,氣候傾向率為-0.047 ℃·a-1,通過95%的顯著性水平檢驗(Z=-1.68)。1999年流域年平均氣溫最高(8.2 ℃),遠高于1999—2013年的多年平均值(7.4 ℃),其余依次為2007年(8.1 ℃)和2006年(7.8 ℃),2001、2002和2013年均為7.7 ℃。2012年流域年平均氣溫最低(6.3 ℃)。

圖中矩形箱體的頂部和底部線條分別對應(yīng)該海拔梯度包含數(shù)據(jù)

就流域年降水量而言,近15 a表現(xiàn)為波動性增加趨勢,氣候傾向率為1.956 mm·a-1,但未能通過95%的顯著性水平檢驗(Z=0.30)。2012年流域年降水量達最大(326 mm),遠高于1999—2013年的多年平均值(197 mm),其余依次為2008年(282 mm)和2003年(278 mm)。2005年流域年降水量最小(119 mm),其余依次為2000年(135 mm)、2011年(145 mm)和2013年(155 mm)等。近15 a烏梁素海流域的年平均氣溫、年降水量的變化趨勢基本和海力素、烏特拉中旗、臨河、包頭4個氣象站的變化趨勢一致(表1)。

Pearson相關(guān)分析表明,1999—2013年烏梁素海流域的NDVI年平均值與年降水量呈顯著正相關(guān)(r=0.516,P=0.049<0.05),與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)(r=-0.448,P=0.094>0.05)。這表明年降水量的略微增加對流域植被覆蓋的增加有促進作用,年平均氣溫的下降可能對流域植被覆蓋的增加有一定的抑制作用。比如,2012年降水充沛(326 mm),氣溫明顯偏低(6.3 ℃),導(dǎo)致其NDVI年平均值(0.253)為近15 a來最大。1999年降水較少(僅179 mm),氣溫明顯偏高(8.2 ℃),導(dǎo)致其NDVI年平均值(0.195)明顯低于多年平均值(0.213)。

圖3 1999—2013年烏梁素海流域NDVI年平均值、年平均氣溫和年降水量變化

4 結(jié)論

(1)烏梁素海流域的植被覆蓋(以NDVI表征)總體較低,1999—2013年絕大部分地區(qū)的植被覆蓋呈增加趨勢,占流域總面積的94.8%,且51.8%的地區(qū)達到99%顯著性水平。僅有5.2%的區(qū)域植被覆蓋呈下降趨勢,主要分布在杭錦后旗、巴彥淖爾市、五原縣等海拔較低的地區(qū)。

(2)烏梁素海流域的植被覆蓋表現(xiàn)為隨高程增加而減少的趨勢,1999—2013年NDVI年變化率隨高程的變化趨勢顯著,僅在海拔梯度1 000 m處出現(xiàn)顯著減小趨勢(Z<-1.64),在其余海拔高度均呈顯著增加趨勢(Z>1.64)。

(3)1999—2013年烏梁素海流域NDVI的年變化率為0.003 4 a-1,2013年NDVI年平均值比1999年增加22.4%。1999—2013年流域年平均氣溫呈不斷下降趨勢,氣候傾向率為-0.047 ℃·a-1,通過95%的顯著性水平檢驗(Z=-1.68)。流域年降水量近15 a則呈波動性增加趨勢,氣候傾向率為1.956 mm·a-1,但未通過95%的顯著性檢驗(Z=0.30)。1999—2013年流域NDVI年平均值變化與年降水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

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(責(zé)任編輯： 許 素)

Dynamics of Vegetation in the Wuliangsuhai Basin Under Climate Change During the Years From 1999 to 2013.

YAN Shou-guang1,2, LI Hai-dong2, FANG Ying1, WANG Guang3

(1.College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;3.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China)

Based on the SPOT-VGT normalized difference vegetation index (NDVI) dataset, SRTM digital elevation model (DEM), and metrological data accumulated during the years from 1999 to 2013 in four observatory stations in the Wuliangsuhai Basin, Inner Mongolia, analyses were performed for inter-annual changes in vegetation coverage in the region and their elevation effect, and at the mean time exploration was done of responses of the vegetation to climate changes through comparing changes in annual mean temperature and annual precipitation. Results show that (1) on the whole, the basin was quite low in vegetation coverage, with a multi-year mean of NDVI being 0.213; however, vegetation coverage in 94.8% areas of the basin exhibited an apparent rising trend, and the trend in 51.8% areas of the region passed the 99% confidence level (a statistical variable calculated by the non-parametric Mann-Kendall test ofZ>2.32); and the annual mean NDVI was 22.4% areas in 2013 than in 1999; (2) vegetation coverage in the region declined with rising elevation and annual NDVI change rate also varied significantly with elevation, exhibiting a declining trend around 1 000 m in elevation and rising trends in all the others; and (3) variation of annual mean NDVI in the region was significantly and positively related to annual mean precipitation (P<0.05), but negatively to annual mean temperature (P>0.05).

climate change; vegetation coverage; altitudinal gradient; NDVI; Inner Mongolia

2016-01-29

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201509027)

X826

A

1673-4831(2016)06-0958-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.014

燕守廣(1975—),男,江蘇沛縣人,副研究員,博士生,主要從事生態(tài)保護與環(huán)境規(guī)劃方面的研究。E-mail: ysg@nies.org

① 通信作者E-mail: lihd2020@163.com

② 通信作者E-mail: fangying@nies.org