新疆艾比湖流域植被覆蓋度對氣候的響應(yīng)*

陳 瑜，張 鵬

（1.新疆能源研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊830063；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理所，烏魯木齊830011）

0 前言

艾比湖位于準(zhǔn)噶爾盆地最低處，主要是靠地表徑流對自身進(jìn)行補(bǔ)給，是一個(gè)生態(tài)環(huán)境十分獨(dú)特的濕地［1-2］，同時(shí)生物多樣性資源也極其豐富［3-5］。在全球變暖和人口數(shù)量增加以及農(nóng)業(yè)用水需求量增大的影響下，造成艾比湖水位下降，導(dǎo)致湖兩岸胡楊林長勢不好的局面，而遠(yuǎn)離湖邊的胡楊已基本死亡［4,6］。同時(shí)，由于受到艾比湖西北部阿拉山口風(fēng)力的影響所形成的大風(fēng)氣候帶，這些因素將會(huì)進(jìn)一步加劇艾比湖流域天然植被退化、風(fēng)沙災(zāi)害、土地荒漠化、湖泊面積萎縮等；干涸湖床面積的逐年擴(kuò)大，導(dǎo)致沙塵日數(shù)增加；20世紀(jì)末，精河縣浮塵天氣平均達(dá)到112 d，是20世紀(jì)60年代的9倍，每年降塵達(dá)2.89×108kg/km2［7］。關(guān)于艾比湖流域的氣候與植被方面的研究，前人做過相關(guān)工作，如降水、氣溫、植被覆蓋度等變化特征及其之間的相互關(guān)系［1-2,5-7］；但是，研究的空間范圍只限于對流域內(nèi)的自然保護(hù)區(qū)［8］，或時(shí)間范圍只限于4期［9］，或研究時(shí)段過老（1998—2012）［10］，總之，沒有透徹分析艾比湖流域的植被覆蓋度變化過程，及其和氣候間的關(guān)系。

植被覆蓋度（NDVI）是反映植被生長狀況的良好指標(biāo)。文章在3S技術(shù)及地統(tǒng)計(jì)軟件的支持下，分析近十幾年流域植被覆蓋度在時(shí)間與空間上的變化特征，結(jié)合氣候和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，探討植被覆蓋度與當(dāng)?shù)貧鉁?、降水、耕地面積間的相互關(guān)系。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆西北部，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理位置介于43°38'N～45°52'N和79°53'E～85°02'E之間。流域包括博爾塔拉蒙古自治州的博樂市、阿拉山口市、溫泉縣和精河縣，塔城地區(qū)的烏蘇和托里縣南部，伊犁直屬的奎屯市和克拉瑪依的獨(dú)山子區(qū)（圖1）。

圖1 艾比湖流域概況圖Fig.1 Overview map of Ebinur Lake Basin

2.2 植被覆蓋度提取與趨勢檢驗(yàn)

以2000年1月至2016年12月的204期MODIS13Q1 NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，采用像元二分模型法，提取艾比湖流域近18年來的植被覆蓋度（NDVI）數(shù)據(jù)、用于反演2000—2017年艾比湖流域植被覆蓋度的分布格局和變化規(guī)律。

該文中艾比湖流域植被蓋度提取用到的植被指數(shù)數(shù)據(jù)為MOD13Q1產(chǎn)品中的NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間序列為2000年1月至2017年12月。對獲得的NDVI遙感數(shù)據(jù)除進(jìn)行了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換及研究區(qū)提取等預(yù)處理處理外，為降低噪音信息對數(shù)據(jù)影像，還對其進(jìn)行了Savitzky-Golay濾波和MVC合成處理，獲得代表植被生長最好狀況的年NDVI數(shù)據(jù)。

像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法，其計(jì)算公式如下：

式（1）中，F(xiàn)c為植被覆蓋度，在該文中采用兩位小數(shù)表示，以與百分比區(qū)分，EVIsoil為研究區(qū)純裸土像元EVI值，EVIveg為純植被像元EVI值。參考前人經(jīng)驗(yàn)，分別取研究區(qū)EVI圖像直方圖的5%處和95%處EVI值代表EVIsoil值和EVIveg值［11］。

用非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)?zāi)曛脖桓采w度值在時(shí)間上變化趨勢的顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域氣候變化特征

圖2是2000—2017年研究區(qū)典型氣象站氣溫與降水量變化過程。1961—2017年艾比湖流域主要?dú)庀笳緮?shù)據(jù)資料顯示，阿拉山口、博樂、溫泉、精河年平均氣溫呈顯著增加趨勢（Z統(tǒng)計(jì)量值分別為3.75、5.86、3.61、4.77）。研究區(qū)降水也呈增加趨勢。阿拉山口、博樂、溫泉、精河年降水量分別呈顯著增加趨勢（Z統(tǒng)計(jì)量值分別為3.57、3.07、2.51、1.90）。

圖2 近18年艾比湖流域氣溫與降水變化Fig.2 Variation of temperatureand precipitation in Ebinur Lakebasin in recent 18 Years

雖然艾比湖流域降水呈增加趨勢，但由于氣溫升溫速率較快，蒸發(fā)增加的速率高于降水增加的速率，氣溫的增加強(qiáng)于降水，促使降水蒸散加劇，增加了氣候的干旱程度，氣候總體呈現(xiàn)干旱化的變化趨勢。

3.2 植被覆蓋度年際變化

艾比湖流域總體的植被覆蓋度在0.25～0.45之間波動(dòng)（圖3），2002年植被覆蓋面積最大，2000年植被覆蓋面積最小，最高值出現(xiàn)在2002年，最低值出現(xiàn)在2000年。近18年艾比湖流域植被蓋度大體呈增長趨勢（圖3）。

圖3 植被覆蓋度指數(shù)年際變化Fig.3 Interannual variation of vegetation coverageindex

從2000—2017年植被覆蓋度的空間分布可以看出（圖4），近18年，艾比湖流域平均植被覆蓋度年均值多在0.25～0.45之間波動(dòng)。艾比湖流域西部植被覆蓋度高、逐漸向東方向植被覆蓋度變低（圖4），這與艾比湖流域地區(qū)水熱條件分布基本一致，而在東部覆蓋度高是與艾比湖的存在有很大關(guān)系。從圖4中可以看出，2010年以后艾比湖流域的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的跡象，植被覆蓋有明顯的改善，特別是艾比湖流域東部已出現(xiàn)不同程度的恢復(fù)。經(jīng)過18年的變化，艾比湖流域四周植被覆蓋度有降低趨勢，周圍主要是山區(qū)，中部和東部植被覆蓋度有增加的趨勢；這些地區(qū)主要是人工綠洲，受人類活動(dòng)影響較大，近些年人口增加，農(nóng)田面積擴(kuò)張，植被蓋度也相應(yīng)增加。

圖4 研究區(qū)植被覆蓋變化Fig.4 Changesof vegetation cover in study area from 2000 to 2017

表1 氣候因子變化顯著性檢驗(yàn)Table1 Significancetest of climatefactor change

3.3 植被覆蓋度與氣候、耕地面積變化的關(guān)聯(lián)性分析

從2000—2017年艾比湖流域植被蓋度、年均氣溫及年均降水間Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度與降水量間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.72（P＜0.05）；植被蓋度與氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.58。這說明降水是影響植被覆蓋度的一個(gè)重要因子。

現(xiàn)將艾比湖流域近17年的植被覆蓋變化與阿拉山口、博樂、溫泉以及精河氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖5）得出：y=0.0011×x2-0.0327×x+0.613（R2=0.518，P＜0.05），對擬合函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)：y'=0.0022×x-0.0327，令y'=0時(shí)，x=14.86；當(dāng)月均降水量（mm）在區(qū)間［0，14.86］，植被蓋度隨降水量的增加而減少；當(dāng)月均降水量在區(qū)間［14.86，23］時(shí)，植被蓋度隨月均降水量的增加而增加。

圖5 植被蓋度與降水關(guān)系Fig.5 Relationship between vegetation with timecoverageand precipitation

氣候是決定植被類型的主要因子，不同類型植被生長所需的水熱條件有著明顯的差異。艾比湖流域位于干旱、半干旱區(qū)，年均降水稀少，年內(nèi)和年際分配不均，且蒸發(fā)旺盛。以艾比湖流域4個(gè)氣象站的月平均降水量數(shù)據(jù)來看，降水呈波動(dòng)性變化，但主要可劃分為兩個(gè)時(shí)段：2000—2010年降水呈下降趨勢，2010—2017年降水呈增加趨勢（圖6）。隨著月降水量的增減變化，流域年均植被覆蓋度亦呈下降與上升趨勢，表現(xiàn)出隨著降水量的增減而同步變化（圖6）。在降水量少的年份（2000年、2006年、2008年、2014年）植被覆蓋度也低，流域西段、東北段區(qū)成為主要的植被覆蓋度降低顯著的區(qū)域。

圖6 植被覆蓋度與月降水量年際變化Fig.6 Vegetation coverageand monthly precipitation

根據(jù)1950—2009年的耕地?cái)?shù)據(jù)，艾比湖流域的耕地面積不斷增加，且增速逐年增長，這與對應(yīng)年份的植被覆蓋度指數(shù)的變化趨勢較為一致。該文得出近十幾年艾比湖流域中部和東部植被覆蓋度有增加的趨勢，這與孫麗等的研究指出艾比湖流域耕地面積變化中，2000年、2005年發(fā)生耕地面積的增加的主要區(qū)域和范圍較為一致。因此，流域植被覆蓋度與當(dāng)?shù)馗孛娣e之間關(guān)系較為密切。

4 討論

艾比湖流域植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)四周高、中間低。位于艾比湖流域西部的溫泉縣、博樂市、托里縣西北部、精河縣南部、烏蘇市南部植被覆蓋度普遍較高，這些區(qū)域主要集中在博爾塔拉河、大河沿子河、精河、古爾圖河、四棵樹河、奎屯河、拉巴河及恰勒蓋河中上游；此外，第五師、第七師為人工農(nóng)田，植被覆蓋度均較高。低值區(qū)主要分布在四棵樹河及奎屯河下游附近，即艾比湖流域中部。李瑞等［13］研究得出20世紀(jì)90年代新疆平均氣溫表現(xiàn)為升溫，認(rèn)為氣候暖干化是當(dāng)?shù)睾次s的主要原因；朱小強(qiáng)等［14］對艾比湖濕地的研究中指出，當(dāng)?shù)卦絹碓礁珊凳怯捎诮邓疁p少，蒸發(fā)快、風(fēng)速大；而該文得出艾比河流域氣溫、降水均呈增加趨勢，但升溫速率高于降水增加的速率，這與李磊等［15］觀點(diǎn)一致，即艾比湖流域氣溫增加速度高于降水增加的速度，最終增加了氣候的干旱強(qiáng)度。

植被的對大氣下墊面溫度具有調(diào)節(jié)作用，植被退化使下墊面的“冷島效應(yīng)”降低［17］，艾比湖流域年均氣溫由7.4℃（2000年）增加到7.9℃（2017），致使大氣飽和水汽壓隨溫度的升高而升高，大氣水分難以凝結(jié)（飽和水汽壓越大，水分越難凝結(jié)），空氣變干，土壤蒸發(fā)速率加快，從而使得在水汽含量有限的氣流經(jīng)過是難以形成降水，而只有在空間水分含量充足時(shí)才形成降水，降低了降水在時(shí)間上的均勻分布，增加了降水的集中分布，也就是：相對于過去的綿綿細(xì)雨氣候，暴雨增多，這可能成為目前總降水量未減少反而增的主要原因之一。

另一方面，植被的退化，致使土壤蒸發(fā)速率加快，植物降水截留能力降低，地表徑流水分流失增加，減低了生態(tài)系統(tǒng)對大氣水分的補(bǔ)給，空氣變干。植被覆蓋度年際波動(dòng)增強(qiáng)，表明在植被蓋度減低的前提下，植被對自然或認(rèn)為干擾的抵抗力降低，生態(tài)系統(tǒng)更為敏感和脆弱。2000—2002年、2006年、2008年、2009年植被蓋度減低明顯，尤其是艾比湖流域的西段和東北段區(qū)域。因此，當(dāng)艾比湖流植被達(dá)到嚴(yán)重退化程度時(shí)，即使有氣候條件的改善也將不會(huì)使流域植被恢復(fù)和生態(tài)改善，反而使氣候的變化成為生態(tài)進(jìn)一步惡化的驅(qū)動(dòng)因素。

耕地面積的增加加劇了對林草地的侵占，同時(shí)也增加了農(nóng)業(yè)用水量。流域耕地大面積的擴(kuò)張將擠占大量的林、草生態(tài)用水。近年來，雖然耕地實(shí)施了高新節(jié)水灌溉，而節(jié)約的水又被新增耕地占用，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水不但沒有減少，反而增加。據(jù)2015年的地區(qū)水利普查報(bào)告，流域內(nèi)擁有機(jī)井?dāng)?shù)較20世紀(jì)80年代增加20余倍［18］，形成大規(guī)模的水資源過度開發(fā)導(dǎo)致地表水在上、中游被大量攔截，地下水過度開采，水資源供需水不平衡的問題長期無法解決遇到枯水年份，如1961—2017年艾比湖流域分別于1968年、1974年、1977年、1997年發(fā)生了重旱，流域氣候干旱化的演變趨勢給植被恢復(fù)帶來了不利條件。另一方面，該地區(qū)人口眾多，20世紀(jì)50—70年代人口急劇增長，年均人口增長率高達(dá)19.9%，1981—1990年人口年均增長率為1.38%［15］，人口的過快增長帶來需水量的增加，如在中游地區(qū)興修水利工程，引水灌溉使流域水體不斷減少。總水量一定，分給人工綠洲多了，天然綠洲必然會(huì)少［16］。

5 結(jié)論

（1）通過提取2000—2017年艾比湖流域植被覆蓋度，近18年艾比湖流域平均植被覆蓋年均值多在0.25～0.45之間波動(dòng)，植被蓋度總體呈增長趨勢。艾比湖流域植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)四周高、中間低的特征；流域西部植被覆蓋度高、逐漸向東方向植被覆蓋度變低。

（2）位于艾比湖流域西部的溫泉縣、博樂市、托里縣西北部、精河縣南部、烏蘇市南部植被覆蓋度普遍較高，這些區(qū)域主要集中在博爾塔拉河、大河沿子河、精河、古爾圖河、四棵樹河、奎屯河、拉巴河及恰勒蓋河中上游；東部覆蓋度高是與艾比湖的存在有很大關(guān)系；低值區(qū)主要分布在四棵樹河及奎屯河下游附近，即艾比湖流域中部。

（3）相對于過去的綿綿細(xì)雨氣候，目前暴雨增多，這成為目前總降水量未減少反而增的主要原因之一。但氣溫增加速度高于降水增加的速度，最終增加了氣候的干旱強(qiáng)度。

（4）2000—2017年艾比湖流域年均植被覆蓋度與當(dāng)?shù)亟邓释叫宰兓?，兩者間具有正相關(guān)關(guān)系；同時(shí)，植被覆蓋度與當(dāng)?shù)馗孛娣e的變化在時(shí)間上均為增加趨勢。