干旱對赤峰市不同生態(tài)系統(tǒng)影響的差異

彭 健, 張寶林,2, 宋佳欣, 郭 佳, 元雪嬌

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

干旱是常見的自然災(zāi)害之一,具有發(fā)展緩慢、影響范圍廣、成災(zāi)復(fù)雜等特點[1],全球每年因干旱災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失高達60億～80億美元[2]。隨著氣候變化,全球極端干旱面積擴大[3-4],干旱災(zāi)害發(fā)生的頻數(shù)和強度可能會大幅升高[5]。在信息時代背景下,遙感技術(shù)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)旱情的準(zhǔn)確監(jiān)測,成為抗旱減災(zāi)的重要技術(shù)手段。基于遙感技術(shù)的旱情監(jiān)測始于20世紀(jì)70年代,與傳統(tǒng)的實地測量和氣象站點法相比,具有監(jiān)測范圍廣、時效性強、人力物力投入小等優(yōu)點。隨著旱情監(jiān)測方法和監(jiān)測指標(biāo)研究的不斷深入[6],光學(xué)遙感(熱慣量法、植被指數(shù)法、植被指數(shù)和溫度法)和微波遙感成為干旱指標(biāo)反演的主要技術(shù)方法[7-8]。由于具有更豐富的數(shù)據(jù)源和長時間序列數(shù)據(jù),光學(xué)遙感在旱情監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。其中,由于溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)能準(zhǔn)確獲取旱情的時序變化及空間分布,基于MODIS的TVDI干旱監(jiān)測被廣泛應(yīng)用[9-10]。在內(nèi)蒙古草地[11]、荒漠草原[12]、農(nóng)田[13]旱情監(jiān)測中,TVDI取得了較好的監(jiān)測效果; 但是,基于TVDI應(yīng)用的干旱對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響研究卻罕見報道。

內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市是重要的商品糧生產(chǎn)基地,但受氣候、地理環(huán)境等因素的影響,“十年九旱,年年春旱”嚴(yán)重制約著社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。然而對于全市旱情的時空變化,尚缺少基于長時間序列數(shù)據(jù)的研究。本研究基于2000-2019年生長季(5-9月)MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建TVDI,分析了赤峰市生長季旱情的時空變化,探討了干旱對森林、灌叢、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響。研究可為減災(zāi)部門旱情風(fēng)險評估提供科學(xué)依據(jù),為防旱、治旱措施的制定提供參考,減輕干旱對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和社會生活帶來的不利影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

赤峰市處于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部,下轄3個區(qū)(松山區(qū)、元寶山區(qū)和紅山區(qū))、2個縣(寧城縣、林西縣)和7個旗(阿魯科爾沁旗,巴林左旗,巴林右旗,克什克騰旗,翁牛特旗,喀喇沁旗和敖漢旗)(圖1)。赤峰市地形地貌復(fù)雜,地勢西高東低,丘陵溝壑交錯。地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),熱量條件好,無霜期120～160 d,≥10 ℃年活動積溫2 700～3 300 ℃。根據(jù)中國科學(xué)院土地利用土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集[14],將赤峰市生態(tài)系統(tǒng)分為森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和裸地。本文研究了干旱對各生態(tài)系統(tǒng)(森林生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積占比分別為16.23%、2.75%、47.70%、25.63%,合計92.31%)的影響(圖1)。

圖1 赤峰土地利用類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of land uses in Chifeng

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究所用MODIS數(shù)據(jù)來自NASA(national aeronautics and space administration)和EOS(earth observe system),包括2000-2019年農(nóng)作物生長季(5-9月)8 d合成地表溫度Ts(MOD11A2)和16 d合成NDVI(MOD 13A2)數(shù)據(jù),空間分辨率均為1 km。為使時間分辨率一致,采用最大值合成法生成時間分辨率為1個月的Ts和NDVI數(shù)據(jù)[15]; 研究所用土壤濕度數(shù)據(jù)源自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。另外,旱情的空間分析利用ArcGIS的空間統(tǒng)計模塊進行; 利用SAS 10.4進行相關(guān)、回歸等統(tǒng)計分析。

1.3 研究方法

Sandholt等[16]在Goetz[17]、Moran[18]等提出的Ts-NDVI梯形特征空間的基礎(chǔ)上,提出了TVDI概念,并進一步對其生態(tài)特征做出解釋。Ts與NDVI負(fù)相關(guān),任何一個NDVI值對應(yīng)唯一一組Tsmin(濕邊)和Tsmax(干邊)[18],存在若干條近似線性的土壤濕度等值線,相交于干濕邊[19],等值線的斜率反映土壤含水量狀況。研究所建Ts-NDVI特征空間如圖2所示,其中,TVDI的計算公式為

圖2 Ts-NDVI特征空間Fig.2 Ts-NDVI feature space

(1)

Tmin=a1+b1×Indv,

(2)

Tmax=a2+b2×Indv,

(3)

(1)式中T表示任一像元的地表溫度(K),Tmin和Tmax分別表示某一Indv值所對應(yīng)的最低地表溫度和最高地表溫度; (2)式和(3)式分別為特征空間內(nèi)干、濕邊擬合公式,其中a1、b1為濕邊擬合系數(shù),a2、b2為干邊擬合系數(shù)。Itvd的值域為(0,1),值越小,表示植被蒸發(fā)量越大,旱情越輕; 值越大,表示植被蒸發(fā)量越小,旱情越重。在計算Itvd時考慮了地表溫度反演方法、地形因素與植被指數(shù)的影響。由于Itvd不能很好地表征植被覆蓋度過低區(qū)土壤干濕狀況,在構(gòu)建溫度與植被指數(shù)特征空間時,取Indv>0.2進行干、濕邊擬合。同時,由于赤峰地區(qū)地形復(fù)雜,高程差值約為2 km,影響地表溫度反演的準(zhǔn)確性,基于DEM對地表溫度數(shù)據(jù)進行修正:

表1 TVDI等級劃分Tab.1 Drought classification by TVDI

T2=T1+H×m,

(4)

其中，T2為經(jīng)地形修正后的地表溫度,T1為地形修正前的地表溫度,H為高程值,m為地表溫度隨高程的變化程度,一般m取值為0.6×10-2℃/m。

研究采用齊述華等[20]的干旱等級劃分法,將旱情分為濕潤、正常、輕旱、中旱和重旱5個等級,見表1。

選取2000-2013年生長季內(nèi)赤峰市郊區(qū)和翁牛特旗農(nóng)業(yè)氣象站點測得的0～20 cm土壤濕度數(shù)據(jù)與TVDI進行相關(guān)分析。結(jié)果表明,TVDI與0～20 cm土壤相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)性(r赤峰=-0.567 5,r翁牛特旗=-0.629 0,α=0.05)(圖3),說明TVDI可以用于赤峰地區(qū)旱情監(jiān)測。

圖3 赤峰市和翁牛特旗TVDI與土壤濕度關(guān)系Fig.3 Relationships between TVDI and soil relative humidity in Chifeng (a) and Ongniud (b)

2 結(jié)果與分析

2.1 2000-2019年赤峰市旱情變化

由2000-2019年生長季TVDI均值可知,生長季TVDI多年均值為0.58,旱情主要以輕旱為主,中旱次之。其中,2000-2001年為中旱,尤以2001年(TVDI=0.671)旱情嚴(yán)重，見圖4(a)。

在生長季內(nèi),2000-2019年不同干旱類型面積比例顯示,輕旱和中旱影響面積較大。春季(5月)旱情相對嚴(yán)重,輕旱和中旱災(zāi)區(qū)占總面積的75.2%,重旱災(zāi)區(qū)占總面積的9.6%。夏季(6-8月)、秋季(9月)中旱面積變化不明顯,輕旱有減少趨勢,而重旱面積呈擴大趨勢,從春季的9.6%增加至秋季的18%?？傮w而言,赤峰市春旱嚴(yán)重,夏、秋季旱情面積總體穩(wěn)定,但輕旱面積呈減少趨勢,而重旱面積有擴張趨勢，見圖4(b)。

2.2 赤峰市旱情空間變化特征

近20年赤峰市旱情頻發(fā),2000-2019年間,尤以2001年、2012-2013年、2017年和2019年旱情影響嚴(yán)重。不同類型干旱在空間分布上存在明顯的地域差異,整體上以受輕旱影響為主(圖5)。翁牛特旗北地區(qū)較為干旱,尤以阿魯科爾沁旗、巴林左旗、巴林右旗南部明顯; 西部丘陵區(qū)較濕潤,集中分布在克什克騰旗西南部。因此,赤峰市旱情等級由東至西逐漸降低,呈過渡態(tài)分布。

重旱主要發(fā)生在赤峰市東部,包括阿魯科爾沁旗、巴林左旗、巴林右旗的東南部和翁牛特旗中部以及敖漢旗東北部,影響面積占全市面積的13.5%; 重旱發(fā)生面積雖然最小,但局部重旱現(xiàn)象發(fā)生頻率較高。中旱和輕旱在各旗(縣、區(qū))均有發(fā)生,影響面積占全市面積的65.4%,主要集中發(fā)生在赤峰市中部。濕潤和正常區(qū)域主要分布在燕山丘陵區(qū),包括克什克騰旗、翁牛特旗的西南部和喀喇沁旗、寧城縣的西部,占全市面積的21.1%。

圖4 2000-2019年赤峰市TVDI和5-9月不同干旱類型面積占比動態(tài)變化Fig.4 Changes of annul mean TVDI (a) and drought coverage from May to September(b) in Chifeng in 2000-2019

圖5 2000-2019年赤峰市生長季內(nèi)旱情等級空間分布Fig.5 Drought distribution during the growing season in Chifeng in 2000-2019

續(xù)圖5 2000-2019年赤峰市生長季內(nèi)旱情等級空間分布Continued Fig.5 Drought distribution during the growing season in Chifeng in 2000-2019

圖6 2000-2019年赤峰市不同植被生態(tài)區(qū)TVDI的變化Fig.6 TVDI changes in different vegetation ecosystems in Chifeng in 2000-2019

2.3 干旱對赤峰市生態(tài)系統(tǒng)的影響

GIS空間統(tǒng)計分析顯示,盡管地理位置不同(圖1),不同生態(tài)區(qū)TVDI變化年際間趨勢一致,說明赤峰市受區(qū)域性干旱威脅。在不同的生態(tài)區(qū),TVDI平均值表現(xiàn)為農(nóng)田>灌叢>草地>森林,說明TVDI用于衡量干旱對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響,表現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)>灌叢生態(tài)系統(tǒng)>草地生態(tài)系統(tǒng)>森林生態(tài)系統(tǒng)(圖6)。

不同生態(tài)系統(tǒng)TVDI間F=115.78,概率P<0.0001<α=0.01,說明不同生態(tài)系統(tǒng)TVDI差異極顯著(表2)。

TVDI值以農(nóng)田生態(tài)區(qū)最高。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)TVDI顯著高于灌叢、草地和森林生態(tài)系統(tǒng),草地和灌叢生態(tài)系統(tǒng)TVDI值無顯著差異,但二者顯著高于森林生態(tài)系統(tǒng)(表3)。

表2 不同生態(tài)系統(tǒng)TVDI方差分析

3 討論

表3 不同植被生態(tài)區(qū)TVDI的多重比較Tab.3 Duncan’s multiple range test for TVDI

3.1 MODIS TVDI旱情監(jiān)測適宜性分析

TVDI和相對土壤濕度的相關(guān)關(guān)系表明TVDI可以作為表示土壤含水量的指標(biāo)[21],可用于大范圍干旱狀況監(jiān)測[22]。研究表明TVDI與表層土壤相對濕度存在顯著負(fù)相關(guān)性[20,23-25],與本研究結(jié)果一致;TVDI可用于赤峰市旱情時空演變研究,畢力格等[23]也驗證了TVDI用于內(nèi)蒙古旱情監(jiān)測的合理性。本研究中,基于TVDI揭示的赤峰市旱情時空演變的空間特征得到了相關(guān)研究的驗證[26-29]。例如,2017年赤峰市旱情影響面積較大(圖5),尤以阿魯科爾沁旗、敖漢旗、巴林左旗和巴林右旗為重[27-28]。

研究表明赤峰市全市以受輕旱影響為主,中旱次之。本研究基于遙感技術(shù)的旱情監(jiān)測結(jié)果與基于氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料[30-32]的結(jié)論相同。但是,當(dāng)前基于TVDI的干旱劃分標(biāo)準(zhǔn)不同[20,22,33],如何對TVDI進行干旱分級仍需深入研究[22]。由于TVDI對NDVI低值區(qū)適應(yīng)性差[34],本研究在進行地表溫度反演時限定NDVI>0.2,而楊玲等[35]利用TVDI分析西遼河流域土壤濕度時發(fā)現(xiàn)干旱地區(qū)主要分布在沙丘地帶。此外,基于TVDI的旱情監(jiān)測存在局限性[15,36-37],TVDI可能主要由地表溫度空間分布決定[22]。本研究在計算TVDI時考慮了地表溫度反演方法和地形因素的影響,也應(yīng)考慮了用于TVDI計算的NDVI產(chǎn)品算法的影響,因此,TVDI用于干旱監(jiān)測還有進一步改進的空間。

3.2 赤峰市干旱發(fā)生的時空特征

3.2.1 赤峰市干旱發(fā)生的時間特征 2000-2019年間,雖然干旱發(fā)生的地區(qū)不同,但赤峰市每年均有不同程度旱情發(fā)生,旱災(zāi)是赤峰市的主要自然災(zāi)害之一。TVDI可用于赤峰市旱情演變研究,在旱情發(fā)生的時間特征上得到了相關(guān)研究的驗證[26-29],研究表明赤峰市干旱出現(xiàn)概率在80%以上,災(zāi)損占遭受各種自然災(zāi)害的農(nóng)田面積的50%以上[38]。

赤峰市春旱嚴(yán)重,其次為秋旱和夏旱。赤峰市14個氣象站1961-2018年氣象資料表明春季農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險大[39]。近20年,赤峰市春季、夏季、秋季均有干旱現(xiàn)象發(fā)生,“風(fēng)調(diào)雨順”年份極少。春旱最為嚴(yán)重,夏季和秋季旱情有所緩和,與畢力格等[23]的研究結(jié)果一致,也與在翁牛特旗[26]、喀喇沁旗[40]、松山區(qū)[41]等地開展的研究結(jié)果一致。氣候統(tǒng)計資料表明赤峰市春旱年約占70%,春旱頻次約占60%,夏旱頻次約占15%,大面積干旱基本五年四遇[28]。

3.2.2 赤峰市干旱發(fā)生的空間特征 赤峰市生長季旱情具有明顯的空間分異,由西南向東北旱情加劇。楊玲等[35]利用TVDI研究西遼河流域時認(rèn)為,干旱地區(qū)主要分布在奈曼旗-敖漢旗-巴林右旗沙丘地帶以及巴林左旗和阿魯科爾沁旗東部地區(qū),濕潤地區(qū)主要分布在建平縣-寧城縣-喀喇沁旗-圍場縣-克什克騰旗境內(nèi),這一空間分布與本研究結(jié)果相似。此外,據(jù)統(tǒng)計資料,阿魯科爾沁旗、巴林左旗旱災(zāi)發(fā)生頻率最高,而克什克騰旗、赤峰市區(qū)最少[28],赤峰市北部地區(qū)比南部干旱情況更為突出[39],上述研究成果支持本文所得結(jié)論。王志春等[42]基于GIS的赤峰市干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃表明克什克騰旗、喀喇沁旗、寧城縣的干旱風(fēng)險指數(shù)最低,與本文結(jié)論相同,但干旱風(fēng)險指數(shù)最高區(qū)域為林西縣和翁牛特旗,與本文結(jié)論有出入,可能與本文未考慮防災(zāi)、抗災(zāi)、治災(zāi)能力等因素有關(guān)。

3.3 干旱對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響

基于TVDI的干旱研究表明干旱對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響較大,其次為灌叢、草地和森林生態(tài)系統(tǒng)。趙琛等[43]認(rèn)為不同植被類型下土壤含水量不同,表現(xiàn)為森林>草地>荒漠,與本文結(jié)論相似; 而張更喜等[44]則認(rèn)為不同植被類型對干旱的敏感性表現(xiàn)為草地>林地>耕地。由于植被冠層結(jié)構(gòu)和光學(xué)屬性使空間特征發(fā)生變化,在應(yīng)用TVDI進行大范圍干旱化研究時,需要考慮土地利用格局、植被類型等影響因素[34,45-46]。在甘肅省,植被類型以荒漠為主、土地利用以沙地和戈壁為主的地區(qū)干旱面積較大[47]。在同一地理區(qū)域,干旱對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響可反映水分利用效率對氣候變化的響應(yīng)[48],根據(jù)赤峰市生態(tài)系統(tǒng)的空間分布(圖1)可以發(fā)現(xiàn),重旱集中影響東北部草地生態(tài)系統(tǒng),中旱區(qū)主要分布在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和灌叢生態(tài)系統(tǒng),而森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布于輕旱和正常區(qū)(圖5)。因此,草地生態(tài)系統(tǒng)是赤峰市對氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)和脆弱區(qū),其次是灌叢生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),森林生態(tài)系統(tǒng)最不敏感。由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是自然-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng),受灌溉等人類活動影響,旱情評價影響因素復(fù)雜。

3.4 影響干旱的因素探討

干旱一般是因降水與蒸散失衡引起土壤供水不足造成的[49]。研究表明，干旱的形成除了與氣溫、降水、地形地貌和植被類型等[46-47]有關(guān)外,還與人類活動密切相關(guān)[29]。氣溫、降水、海拔、坡度、植被類型和土地覆蓋類型是甘肅省干旱的主要影響因素,并與其他因素疊加,形成了“東南潤西北旱”的格局[47]。赤峰市北、西、南三面環(huán)山,受地理位置、地形地勢、副熱帶高壓和季風(fēng)環(huán)流等因素影響,降水量呈北、西、南部多,中東部偏少趨勢,即北部的克什克騰旗、巴林左旗部分地區(qū)以及南部的錦山、敖漢旗南部、寧城縣等地區(qū)降水量較高,而中東部的翁牛特旗東部等地區(qū)旱災(zāi)頻繁[29]。此外,赤峰市北部地區(qū)土壤類型主要為沙土或沙壤土,保水性差,失墑快[27]。赤峰市地處溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),降水不均,保證率低。降水量年內(nèi)、年際變化大且時空分布不均勻,水土資源組合不平衡是造成農(nóng)牧業(yè)干旱的主要原因。赤峰市作物生長期蒸發(fā)量是同期降水量的4.1倍,土壤水分損失大[50]; 尤其是在少雨地區(qū),氣溫高,地表植被稀疏,土壤水分蒸發(fā)旺盛,干旱發(fā)生頻繁[29]。經(jīng)濟因素和人為因素也影響干旱的發(fā)生和發(fā)展,前者包括由于人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致水資源剛性需求增加,后者包括人類活動造成的生態(tài)環(huán)境破壞、耕作方式不當(dāng)造成的土壤結(jié)構(gòu)惡化、水資源利用率低等導(dǎo)致水資源短缺[38,50]。

受全球氣候變化影響,全球氣候呈變暖趨勢,厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象頻繁,降水量少、高溫等異常惡劣天氣增多[38]。氣溫升高,大氣干燥度加重,土壤水分損耗大,蒸散量與降水量不平衡,農(nóng)業(yè)種植和畜牧業(yè)用水緊張,農(nóng)業(yè)灌溉用水周期縮短,地下水過度開采,水資源短缺等因素加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化[51]。例如 2017年赤峰市旱情影響面積較大,是由入春以來氣溫持續(xù)偏高,北部地區(qū)降水偏少,出現(xiàn)春夏連旱造成的[27]。

4 結(jié)論

基于TVDI的干旱監(jiān)測表明赤峰市春旱嚴(yán)重,秋旱、夏旱次之; 旱情以輕旱為主,中旱次之。重旱主要發(fā)生在東部,輕旱、中旱主要分布在中部,而西部地區(qū)以輕旱和正常為主。干旱對赤峰市不同植被生態(tài)區(qū)的平均影響強度表現(xiàn)為農(nóng)田>灌叢>草地>森林,但草地生態(tài)系統(tǒng)是對干旱響應(yīng)的敏感區(qū)和脆弱區(qū),其次是灌叢和農(nóng)田,森林生態(tài)系統(tǒng)最不敏感。由于影響干旱的因素復(fù)雜多樣,應(yīng)根據(jù)區(qū)域植被覆蓋類型對基于TVDI的干旱劃分標(biāo)準(zhǔn)進行深入研究,為應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。