鹽池縣荒漠草原人工植被重建對區(qū)域生態(tài)系統蒸散的影響

丹 楊，杜靈通，王 樂，馬龍龍，孟 晨，倪細爐

（1.寧夏大學 西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學 西北退化生態(tài)系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川750021）

荒漠草原是干旱、半干旱地區(qū)的一種特殊草原植被類型，其植被往往具有明顯的過渡性特征，中國北方草原由于長期的過度放牧和開墾，發(fā)生了不同程度的退化［1］，其中寧夏回族自治區(qū)鹽池縣的荒漠草原在20世紀70到80年代經歷了較為嚴重的退化過程。隨后，鹽池縣實施了一系列防沙治沙生態(tài)治理工程，特別是2000年來大面積實施的退耕還林工程和禁牧政策，致力于抑制和逆轉當地的沙漠化，已取得了明顯成效［2］。其中，大面積采用“人工種植檸條＋封育措施”的人工植被重建模式對退化荒漠草原進行治理，現已形成約8.9×104hm2的以俗稱檸條的中間錦雞兒（Cɑrɑgɑnɑintermediɑ）為優(yōu)勢種的荒漠草原灌叢景觀［3］，其生態(tài)學過程和穩(wěn)定性維持機理成為當前研究的熱點。

蒸散（evapotranspiration，ET）由土壤蒸發(fā)與植物蒸騰組成，它既是陸地生態(tài)系統中土壤—植被—大氣間水分消耗的主要途徑［4］，也是生態(tài)系統水循環(huán)中最重要的水文過程之一［5］，還是聯系植物氣孔行為、水分利用和碳循環(huán)的關鍵生態(tài)過程［6］。在干旱半干旱地區(qū)，蒸散是草地生態(tài)系統主要的水分消耗方式，也是控制生態(tài)系統結構的關鍵過程［7］，對維持生態(tài)系統的穩(wěn)定性具有重要意義?；哪菰斯ど鷳B(tài)治理導致的灌叢化過程，盡管與自然灌叢化的成因不同［8］，但其也改變了原有植被結構，理論上會對草地生態(tài)系統碳水循環(huán)過程產生影響［9-10］。植被結構的變化會影響植物蒸騰過程，進而引起生態(tài)系統蒸散變化，而這種變化規(guī)律目前尚沒有定量的研究。目前已有研究多集中在植被特征［11-14］和蒸散變化趨勢［15-17］等方面，從區(qū)域尺度上宏觀研究人工植被重建對蒸散影響的報道較少。因此，本文采用覆蓋鹽池縣的長時間序列衛(wèi)星遙感監(jiān)測數據，開展荒漠草原植被重建對區(qū)域生態(tài)系統蒸散的影響，以期為干旱半干旱地區(qū)荒漠草原的生態(tài)修復提供理論依據。

1 研究區(qū)概況、數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣（37°04′—38°10′N，106°30′—107°47′E）位于寧夏回族自治區(qū)東部，面積6 769 km2。鹽池氣象站觀測的1958—2017年平均氣溫為8.34℃，年均降水量為296.99 mm，屬于典型的溫帶大陸性氣候。在地理單元上，鹽池北接毛烏素沙漠，東南與黃土高原相連，屬于黃土丘陵向鄂爾多斯臺地的過渡地帶，全縣自東南向西北由干草原向荒漠草原過渡。土壤類型主要是灰鈣土，其次是黑壚土和風沙土，其中南部黃土高原丘陵區(qū)以黑壚土為主，其次為灰鈣土，北部鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)以風沙土、灰鈣土為主。主要天然植物種有達烏里胡枝子（Lespedezɑdɑvuricɑ）、短花針茅（Stipɑbreviflorɑ）、白草（Pennisetum centrɑsiɑticum）、賴 草（Leymus secɑlinus）、老 瓜 頭（Cynɑnchum komɑrovii）等［18］。鹽池近幾十年在防沙治沙中，大面積人工種植檸條對荒漠草原自然植被干擾強烈，這樣的人工植被重建模式也逆轉了鹽池縣的土地沙漠化過程［19］。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 數據來源 本研究所需要的數據主要包括中分辨率成像光譜儀（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）的ET、歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）以及降水數據。其中，MODIS數據來源于美國航空航天局網 站（https：∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。 主 要 使 用 MODIS 的 陸 地 二 級 產 品MOD13A1歸一化植被指數數據集和四級產品MOD16A2蒸散數據集［20-21］。ET 數據空間分辨率為500 m，時間分辨率是8 d，2001—2018 年共計828景。NDVI數據時間分辨率為16 d，空間分辨率為500 m，2001—2018共414景。氣象數據來源于中國氣象數據網（http：∥data.cma.cn）的中國地面氣候資料日值數據集（V3.0），選取鹽池站2001—2018年的日累積降水量數據。

1.2.2 數據處理方法 首先使用MODIS Reprojection Tool軟件對MODIS遙感影像進行預處理，將正弦曲線投影轉換為阿爾伯斯等積投影，并將HDF 數據格式轉化為Geo TIFF 數據格式。再根據MODIS產品的數據說明，將填充值剔除后，采用IDL 編程算法使用2001—2018年的同一期數據均值進行插補，之后使用ArcGIS軟件插補缺少的2 景影像并裁剪獲得覆蓋鹽池縣區(qū)域的空間數據。將獲得的鹽池縣空間數據利用Python編程對影像進行批量處理計算，獲得月時間尺度的數據，再采用最大值合成算法［22］和累加法分別計算年NDVI和年ET。最后使用ENVI軟件和IDL編程對NDVI和ET 系列遙感圖像進行像元統計分析和數值計算。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 為了定量的分析鹽池縣ET 和NDVI的變化趨勢，采用處理得到2001—2018 年的年NDVI和年ET 數據，使用最小二乘回歸分析法，對植被和蒸散的變化進行回歸模擬：

式中：k——回歸斜率；n——研究時段；i——時間變量，i＝1，2，… ，n；xi——第i年的樣本值（NDVI或ET）；當k＞0說明樣本數據處于增加趨勢，反之則是減少趨勢。結合數據變化趨勢和F 檢驗（p＝0.05，p＝0.01），可得到極顯著上升（k＞0，p＜0.01），顯著上升（k＞0，0.01＜p＜0.05），不顯著上升（k＞0，p＞0.05），不顯著下降（k＜0，p＞0.05），顯著下降（k＜0，0.01＜p＜0.05），極顯著下降（k＜0，p＜0.01）這6種變化趨勢。

1.3.2 相關分析 利用Pearson 相關分析法研究NDVI和ET 的關系，定量評估植被變化與蒸散的關系，其計算公式如下：

式中：xi——第i年的NDVI；yi——第i年的ET；ˉx，ˉy——NDVI和ET 的多年均值；Rxy——相關系數，當Rxy＞0時表示正相關，當Rxy＜0時表示負相關。Pearson相關系數Rxy的絕對值越大，表示因變量與自變量的相關程度越高。

2 結果與分析

2.1 NDVI變化特征

2001—2018年鹽池縣年均NDVI為0.288 0，其中最低的2005 年為0.213 0，最高的2018 年為0.388 7。年均NDVI整體較低，體現了鹽池縣的氣候植被特點，鹽池地處半干旱地區(qū)，植被類型以荒漠草原為主，植被覆蓋度整體偏低、生產力偏弱。但近18 a的NDVI變化呈顯著性上升趨勢，年增長幅度為0.006 0／a（見圖1），盡管在一些年份出現波動，但整體上升趨勢特征很顯著，對比歷史同期的極端氣候情況，可以發(fā)現波動低谷與寧夏經歷的極端干旱事件［23］有關。從近18 a鹽池縣年內逐月NDVI的變化來看，年內NDVI表現出隨植被生長季變化的單峰特征（圖1）。NDVI在2月達到最低值，在4月植被進入生長季后，NDVI表現出明顯上升態(tài)勢，在8月生長季達到最旺盛時，NDVI也達到最高值0.27。之后，隨著秋冬季的來臨，植被開始逐漸衰落，NDVI開始下降。NDVI的這種變化特征與鹽池地區(qū)的主要植物生長節(jié)律一致。

圖1 2001－2018年鹽池縣NDVI的年際和平均年內變化特征

從2001—2018的NDVI均值空間分布來看（圖2），鹽池東南部大水坑鎮(zhèn)—麻黃山鄉(xiāng)一帶和東北部花馬池鎮(zhèn)的NDVI值相對較高。大水坑—麻黃山鄉(xiāng)一帶為黃土丘陵區(qū)，小氣候相對濕潤，植被本底較好；東北部花馬池鎮(zhèn)發(fā)展有較大面積的灌溉農業(yè)，故植被相對豐茂。而鹽池西部，特別是西北部為大面積的荒漠草原，其NDVI值偏低，只有一些以農業(yè)灌溉墾殖區(qū)和生態(tài)治理重點區(qū)為中心的斑塊狀區(qū)域NDVI稍高。從NDVI的空間變化趨勢來看，呈上升趨勢的區(qū)域面積占鹽池縣域的98.55%，其中65.34%的區(qū)域達到了顯著性上升（p＜0.05），42.07%的區(qū)域達到了極顯著上升（p＜0.01）。由此可見，近些年鹽池縣宏觀的植被蓋度、密度增長明顯，生態(tài)治理工程在植被恢復方面取得了顯著的成效。

圖2 2001－2018年鹽池縣NDVI均值和變化趨勢

2.2 ET變化特征

2001—2018年鹽池縣年均ET 為266.73 mm，其最小值出現在2001年，為204.31 mm，最大值出現在2016年，為318.77 mm（見圖3）。大多數年份ET低于同期鹽池縣的降水量，只有在2005，2006，2010和2013等個別年份，生態(tài)系統ET高于同年降水量，可見鹽池荒漠草原地區(qū)生態(tài)系統ET 的水分來源主要為降水向土壤的補給，當在個別干旱年份，生態(tài)系統過多的需水會損耗到深層土壤水及淺層地下水。ET 年際間也呈波動增強趨勢，增長幅度為6.27 mm／a，增強趨勢達到了極顯著。鹽池荒漠草原的月均ET 為20.44 mm，低于月均降水量5.73 mm。年內ET 從年初開始逐漸降低，在5月達到最低值12.78 mm 后，隨著夏季降水的增加、太陽輻射的增強和植被快速生長期的到來，ET開始上升，在8月達到24.81 mm 的頂峰，之后，隨著雨季和植物生長季的結束，ET 開始下降（圖3）。由于ET 由土壤蒸發(fā)和植被蒸騰共同構成，其年內變化雖然在一定程度上受自然降水的影響，但荒漠草原的沙質土壤—植被系統對降水轉化為ET 有一定的滯后作用，故ET 在全年的波動沒有降水波動大。

圖3 2001－2018年鹽池縣ET的年際和年內變化特征

從ET 的空間分布情況來看，表現出由西北向東南逐漸增高的特征（見圖4）。ET 的這種空間分布與地理、氣候特征有關，鹽池縣從西北向東南由風沙區(qū)的荒漠草原向黃土區(qū)的典型草原過渡，降水量也由北向南逐漸增加。

除了ET 在空間上隨地理、氣候變化的規(guī)律性特征外，鹽池縣在惠安堡鎮(zhèn)—馮記溝鄉(xiāng)—王樂井鄉(xiāng)—花馬池鎮(zhèn)一線還分布著一些ET 高于周邊狀態(tài)的斑塊狀區(qū)域，這些斑塊狀高ET 區(qū)為20世紀90年代建成的揚黃灌區(qū)和庫井灌區(qū)，由灌溉農業(yè)導致的高蒸發(fā)和高蒸騰引起斑塊狀高ET。ET 的年際間變化斜率顯示，全縣ET 在2001—2018年間均呈上升趨勢，進一步利用F 檢驗（p＜0.01）得出，鹽池縣的ET 上升趨勢達到了極顯著。通過對比ET 均值和變化趨勢圖得出，ET 平均值越高的區(qū)域，其近18 a的變化斜率也越高。

圖4 2001－2018年鹽池縣ET均值和變化趨勢

2.3 人工植被重建對區(qū)域生態(tài)系統蒸散的影響

已有研究表明，封育禁牧、灌區(qū)開發(fā)、退耕還林等人類活動促使鹽池NDVI的顯著增加［8］，故鹽池縣NDVI的變化一定程度上代表了人工植被重建的強弱。為定量探討荒漠草原人工植被重建對生態(tài)系統蒸散的影響，利用Pearson相關分析法研究了近18 a ET 與NDVI間的相關性。結果表明，近18 a鹽池荒漠草原ET 與NDVI存在極顯著正相關關系（R＝0.82，p＜0.01），即在植被生長茂盛的年份，其生態(tài)系統的蒸散也更強（見圖5）。

由于年NDVI是由最大值合成算法獲得，其代表的是一年中植被生長最好的狀態(tài)，但不能說明植被生長全過程中ET 與NDVI的關系。為此，本研究累加了鹽池荒漠草原主要植物的生長季（4—9月）的ET，并分析其與生長季平均NDVI的關系。結果顯示，植被生長季的ET 與NDVI存在更強的相關性（R＝0.89，p＜0.01），即荒漠草原植被生長過程中，NDVI越高的年份，植被生長越豐茂，生態(tài)系統蒸散也越強（圖5）。此外，從2001—2018年間生長季（4—9 月）和非生長季（10月至次年3月）的逐月ET 與NDVI關系來看，在生長季二者存在極顯著正相關關系（R＝0.82，p＜0.01），即隨著植物生長越茂盛，NDVI越高，ET 也越高，這與前文NDVI和ET 的特征一致，如在8月NDVI達到年內最大，ET 也升到年內最高。而在非生長季二者不存在相關關系，即非生長季生態(tài)系統ET 主要來自于蒸發(fā)，與植被生理生態(tài)活動的關系不大（圖5）。

此外，從NDVI和ET 的像元相關性分析來看（圖6），NDVI越高的像元，其ET 值也越高，在鹽池縣全境31 490 個像元中，二者的相關系數達到了0.63（p＜0.001）。這一結果說明，在不同覆蓋度（不同NDVI）下生態(tài)系統的ET 存在差異，高覆蓋度的植被類型其蒸散更強，如灌溉農業(yè)、森林和高蓋度草原。從NDVI變化斜率和ET 變化斜率的相關性分析也可以看出，NDVI在近18 a上升越快的像元，其ET也增強的越快。由此可初步判斷，鹽池荒漠草原植被蓋度的增加和植被結構的變化，在一定程度上驅動了區(qū)域生態(tài)系統蒸散的增強。

圖5 2001－2018年鹽池縣NDVI與ET間的相關性

圖6 2001－2018年鹽池縣像元尺度NDVI與ET及二者變化斜率的相關性

進一步對年均的NDVI采用自然斷點法分級，并使用ArcGIS 軟件中的分區(qū)統計工具，結合2001—2018年蒸散變化斜率的數據，分析不同NDVI范圍內ET 的變化情況。結果表明，在NDVI最高值區(qū)（0.46～0.72），ET 的變化斜率也最大，達到了10.46 mm／a；在NDVI的最低值區(qū)（0.06～0.24），ET 的變化斜率也最小，只有5.58 mm／a，這一結果再次證實，高植被覆蓋區(qū)其近18 a的生態(tài)系統蒸散增強越快（見表1），即在荒漠草原區(qū)域高密度、高蓋度的植被結構會產生更大的生態(tài)系統蒸散，消耗更多的水資源。

同時，統計了不同NDVI變化趨勢下的ET 變化斜率。結果表明，盡管鹽池所有區(qū)域的ET 在近18 a均在增強，但不同NDVI變化趨勢下的ET 變化斜率存在差異。全縣僅有0.078%的區(qū)域其植被在退化，NDVI呈顯著下降趨勢，而這些區(qū)域的ET 仍然呈現增強趨勢，但增強速度在所有類型中最慢。在植被蓋度、密度增加，NDVI 呈顯著上升的區(qū)域（占全縣65.34%），其ET 增強速度快。在NDVI為極顯著上升的區(qū)域ET 增強速度最快，達到了6.72 mm／a（表2）。鹽池縣通過在荒漠草原實施系列生態(tài)治理工程，促使縣域內植被蓋度、密度明顯增強，這也加劇了其生態(tài)系統的蒸散耗水，在干旱半干旱地區(qū)降水量有限的情況下，快速大量的生態(tài)系統水分蒸散增加和耗水量加大，無疑對這一脆弱生態(tài)系統的穩(wěn)定性帶來了壓力，一些深根灌木會不斷的消耗深層土壤水分，進而導致水分供需平衡失衡。雖然鹽池降水量在2001—2018年也呈現上升趨勢，但蒸散的增強速率明顯大于降水增加速率，長期可能會導致人工重建植被生態(tài)系統的穩(wěn)定性下降。

表1 2001－2018年鹽池縣不同NDVI值域范圍的ET變化斜率

表2 2001－2018年鹽池縣不同NDVI變化趨勢下的ET變化斜率

3 討論

鹽池縣NDVI的上升，整體植被的好轉與人工植被重建實施的系列生態(tài)治理工程有關。鹽池縣沙漠化土地曾占縣域面積的52%，1961—1990年間，北部的沙漠化面積還擴大了12.5%，引起了當地政府的高度重視。鹽池縣天然草原面積占全縣總面積的65.12%，由于當地的氣候條件和人類活動的壓力，2000年后草原出現了生態(tài)赤字，2002年底，鹽池縣開始實施禁牧封育政策［24］。同期鹽池縣還實施了退耕還林、三北防護林、天然林保護等重點生態(tài)建設工程，這些項目覆蓋境內73%荒漠化面積，中強度沙化土地基本得到治理，實現了“人進沙退”，也在荒漠草原上建設和撫育起大面積的人工灌木林［3］。截止2017年，全縣超過1.33×105hm2沙化土地得到有效治理，20 hm2以上的明沙丘基本消除，林木覆蓋度、植被覆蓋率分別提高到31%和68%［25］。

ET 在連接陸地生態(tài)系統的碳水循環(huán)和能量平衡中發(fā)揮著至關重要的作用，同時也受到植被和環(huán)境的動態(tài)影響［26］。吳榮軍等［16］利用遙感—過程耦合模型對淮河流域ET 模擬研究，并對其時空變化特征、不同覆被類型下的區(qū)域實際蒸散特征及其主要影響因子進行定量分析。結果表明該區(qū)域內農田由于灌溉條件好，土壤水分供應相對充足的原因使得其蒸散貢獻量最大，這很好地解釋了鹽池縣ET 的空間分布中出現的農田斑塊高值區(qū)的現象。萬紅蓮等［14］在探究近40 a來干旱時空變化格局及其對植被覆蓋的響應時，發(fā)現干旱發(fā)生最嚴重的是春季，這與本研究中蒸散的年內變化在春季時達到最低的結果一致。植物在春季開始生長而又沒有充足的水分，因此，這是一年中生態(tài)系統供水最為匱乏的時期。劉可等［17］研究了寧夏草地2000—2014年的蒸散時空分布格局與演變規(guī)律，其研究結果表明鹽池縣所在區(qū)域的蒸散變化趨勢小于與本文中得到結果，這可能是因為兩者研究的時間序列長度不同，鹽池縣在2015—2018 年間降雨量與蒸散量顯著增加，蒸散增加的趨勢上漲。

大量的人工植被的種植，使得植被覆蓋度增加，對生態(tài)系統的生態(tài)水文過程產生了重要的影響［27-28］。Zhang等［26］探究了1982—2013年全球植被綠化以及氣候變化對蒸散的影響，結果表明蒸散呈明顯的上升趨勢，并且與NDVI高度相關（R＝0.91，p＜0.01），這與本文得到的結論一致。鹽池縣面積小空間異質性低，加之其所在的半干旱區(qū)特有氣候條件，在大量的造林工程實施后也在一定程度上加速了研究區(qū)域的蒸散。王雅舒等［29］分析了退耕還林還草工程對黃土高原退耕區(qū)ET 的影響，結果表明ET 的增加主要歸因于植被增多，并且指出在退耕階段植被蒸騰與土壤蒸發(fā)相比對ET 的貢獻率更大，也反應了植物生長對ET 的增加有很大的影響。隨著植被蓋度增加，土壤蒸發(fā)占比減?。?9］，如果未來土壤水分出現持續(xù)減少，可能會使植被的生長受到限制，從而影響到生態(tài)恢復的效果。由于在降雨量低于500 mm 的區(qū)域可以忽略地表徑流的產生［30］，因此在鹽池荒漠草原降雨是水分的來源，ET 是水分耗散的主要途徑。本研究分析了蒸散與降水的數據，雖然自2001年以來年降水量高于年蒸散量，但蒸散的增加趨勢明顯強于降水的增加趨勢，這種情況持續(xù)下去可能會打破鹽池荒漠草原的水分供需平衡關系，從而影響到荒漠草原生態(tài)系統的穩(wěn)定性。已有研究表明，氣候變化也會加劇水文循環(huán)從而影響ET［31］，尤其在水分限制的區(qū)域，溫度與降水會影響ET 的年際變化［32］，由于全呈變暖趨勢，影響地表蒸發(fā)，進而使蒸散增加［33］。本研究中部分植被退化的區(qū)域，蒸散仍呈現上升趨勢可能是由于氣候變暖所致。由于蒸散的復雜性，降水與溫度造成的影響還需要進一步的深入研究。

4 結論

利用2001—2018年MODIS的NDVI與ET 時間序列的影像產品，定量的研究了植被和蒸散的時空變化規(guī)律，探究了鹽池荒漠草原人工植被重建對區(qū)域生態(tài)系統蒸散的影響，得到以下結論：

（1）鹽池整體植被覆蓋較低，但近十幾年在持續(xù)增強，人工植被重建取得了顯著的成效。2001—2018年鹽池縣年均NDVI介于0.213 0～0.388 7，年際間呈上升趨勢，增長幅度為0.006／a，全縣98.55%的區(qū)域NDVI在上升。

（2）區(qū)域生態(tài)系統蒸散較弱，但近十幾年也表現出增強趨勢。2001—2018鹽池縣年均ET 為266.73 mm，年際間呈波動增強趨勢，增長幅度為6.27 mm／a（p＜0.01），空間上表現為由西北向西南逐漸增高的特征。

（3）區(qū)域生態(tài)系統蒸散的增強與人工植被重建活動有關。年際間，ET 與NDVI呈顯著正相關，植被生長越茂盛的年份，生態(tài)系統蒸散越強；年內ET與NDVI在生長季呈顯著正相關，而在非生長季不相關。

綜上所述，荒漠草原人工植被重建提高了區(qū)域植被覆蓋，也增強了生態(tài)系統蒸散，增加了生態(tài)系統水分消耗。在水資源有限的半干旱地區(qū)，人工植被重建過程可能會影響到生態(tài)系統的穩(wěn)定性。今后，應以生態(tài)水文學理論為基礎，制定適合干旱半干旱區(qū)水文循環(huán)過程的生態(tài)重建政策。