氣候變化背景下土地覆被響應(yīng)冰川消融研究
——以西藏山南地區(qū)為例

邢 婕

（河海大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210000）

由于自然和人為因素，全球變暖［1，2］，影響人類(lèi)健康［3］。冰川變化反映氣候變化［4］。中國(guó)冰川面積變化顯著，1961—2006年平均每年的冰川融化徑流量達(dá)到630億m3［5］。學(xué)者以地球遙感影像為基礎(chǔ)，探究冰川數(shù)量、冰川和氣候的變化、內(nèi)陸高原冰川變化差別等，國(guó)內(nèi)多以喜馬拉雅山、天山等大陸型或極大陸型冰川分布地區(qū)為研究對(duì)象［6］，有關(guān)西藏中部和南部的冰川研究報(bào)道較少；已有研究多集中在土地資源及水資源等單一層面，融水引起土地覆被變化的研究較少。本研究將氣候、冰川、區(qū)域土地覆被三元素組合，研究冰川融化對(duì)土地覆被的影響，為高原寒區(qū)土地利用類(lèi)型規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性發(fā)展提出建議［7］。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

山南地區(qū)位于西藏自治區(qū)南部，青藏高原岡底斯山-念青唐古拉山脈以南的雅魯藏布江中下游，東經(jīng)90°14′—94°22′，北緯27°08′—29°47′，面積79 254 km2，是古老文明發(fā)祥地；北接拉薩市，東與林芝市相連，西與日喀則市相鄰，南與印度、不丹兩國(guó)接壤，是中國(guó)西南邊陲的戰(zhàn)略要地。研究區(qū)域見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1）氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源主要為山南市澤當(dāng)鎮(zhèn)氣象站的資料，時(shí)間為1985—2015年，包含每年的平均氣溫、每月的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和每年的降水量。

2）土地覆被數(shù)據(jù)。土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)源主要為山南市乃東區(qū)自然資源局編制的土地利用規(guī)劃（2000—2018年）及土地利用現(xiàn)狀表。

3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源主要為山南市統(tǒng)計(jì)局編制的山南市2000—2018年統(tǒng)計(jì)年鑒及山南市2000—2018年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

1.3 研究方法

1）相關(guān)性分析。相關(guān)性分析確定要素之間的聯(lián)系，分析兩者及兩者以上的多個(gè)因素的關(guān)系，采用Pearson相關(guān)系數(shù)。其計(jì)算公式為：

式中，r為相關(guān)系數(shù)，X、Y為相關(guān)變量，，N為樣本數(shù)。

2）線(xiàn)性回歸分析。線(xiàn)性回歸衡量大于等于兩方面的存在相互依賴(lài)性質(zhì)的變量關(guān)系。構(gòu)建草地面積與歸一化植被系數(shù)的線(xiàn)性回歸模型為：

式中，Agrass為草地面積，N為歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）。

在0～6℃冷卻間使產(chǎn)品冷卻至產(chǎn)品中心溫度在8℃以下,然后產(chǎn)品用真空包裝機(jī)包裝成符合要求的規(guī)格，包裝后的產(chǎn)品裝箱并入庫(kù)。

3）構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型分析。根據(jù)水文和地質(zhì)特點(diǎn)構(gòu)建出相應(yīng)的水文地質(zhì)概念模型，利用HydroGeoSphere軟件進(jìn)行推論。應(yīng)用模型分析氣候變化和土地使用對(duì)地表和地下水的影響，研究土地覆被變化對(duì)冰川融化水的響應(yīng)過(guò)程。

將地表水模型和地下水模型使用雙重節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系，將平面二維性的地表水模型放置于地下水模型上方，對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行時(shí)間、空間離散。地表水模型節(jié)點(diǎn)與地下水模型頂部節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)完全相同，保證模型聯(lián)合后表層節(jié)點(diǎn)既有地表水屬性，也有地下水屬性，地表水節(jié)點(diǎn)可以和對(duì)應(yīng)的地下水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水力聯(lián)系［8］。

闡釋兩者之間的水流交換使用達(dá)西流關(guān)系，具體公式為：

式中，d為地表水與地下水的耦合長(zhǎng)度；QSG為地下水與地表水交換通量；kro為上游節(jié)點(diǎn)的相對(duì)滲透率；Kso為地下水表層介質(zhì)的滲透系數(shù)；h為地下水水頭；hs為地表水水頭。

水文地質(zhì)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)取值

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化驅(qū)動(dòng)冰川消融過(guò)程

選取冰川面積作為代表冰川變化的研究變量。研究中發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度、蒸發(fā)量和氣溫、降水四者改變趨向一致，為簡(jiǎn)化研究過(guò)程，用氣溫、降水代表氣候。相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 冰川面積與氣候要素的相關(guān)性分析

2.2 冰川消融驅(qū)動(dòng)土地覆被變化過(guò)程

雅礱河發(fā)源于山南東南部的雅拉香布雪山，流經(jīng)山南地域。根據(jù)研究區(qū)域距雅拉香布雪山的距離，將研究區(qū)域在橫向尺度上劃分為3個(gè)區(qū)域，分別是距離冰川最近的上游冰川邊緣純牧區(qū)，中間位置的中游農(nóng)業(yè)區(qū)，距離冰川最遠(yuǎn)的下游快速城鎮(zhèn)化區(qū)。

2.2.1 上游冰川邊緣純牧區(qū) 用NDVI分析冰川和草地面積間的相關(guān)性（表3），探究冰川融水對(duì)土地覆被造成的影響。

表3 相關(guān)性分析結(jié)果

通過(guò)相關(guān)性分析，可知植被歸一化指數(shù)和冰川面積為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.583，并且在0.05水平顯著相關(guān)。說(shuō)明NDVI隨著冰川面積的縮小相應(yīng)也會(huì)減少。

建立NDVI和冰川面積的關(guān)系，如圖2所示。冰川面積與NDVI呈倒“U”形。即當(dāng)冰川開(kāi)始消融，NDVI呈現(xiàn)短暫的快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著冰川面積減少到一定程度，NDVI達(dá)到最高值后，隨著冰川消融的加劇，冰川融水也隨之減少，NDVI指數(shù)繼續(xù)下降最終趨于穩(wěn)定，植被的生長(zhǎng)情況也在逐漸退化。

圖2 冰川面積與NDVI關(guān)系

NDVI直接體現(xiàn)植被生長(zhǎng)的環(huán)境，由圖3可見(jiàn)，草地面積與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，NDVI與冰川面積呈正相關(guān)關(guān)系，因此冰川面積與草地面積也呈正相關(guān)關(guān)系。

圖3 草地面積與NDVI線(xiàn)性回歸模型

通過(guò)相關(guān)性分析可知草地面積和冰川融水呈正相關(guān)關(guān)系（表4），相關(guān)系數(shù)為0.672，并且在0.05水平上呈顯著相關(guān)，說(shuō)明草地面積隨著冰川融水的減少相應(yīng)也會(huì)減少。

表4 冰川融水與草地面積相關(guān)性分析

NDVI逐漸降低，說(shuō)明植被生長(zhǎng)區(qū)域氣候環(huán)境一直處于惡化且逐漸加深?lèi)夯潭?，溫度上升和降水減少等氣候變化導(dǎo)致冰川消融，進(jìn)而造成冰川面積縮小，冰川融水也逐年減少，對(duì)空中水的補(bǔ)給減少，對(duì)草地水補(bǔ)給也相應(yīng)減少。同時(shí)河流徑流量變少導(dǎo)致水熱通量減少，草地水源涵養(yǎng)補(bǔ)給減少，凈生產(chǎn)力下降，NDVI減少，即植被蓋度降低，草地生態(tài)系統(tǒng)功能變差。本就生長(zhǎng)困難的植被會(huì)更加難以生長(zhǎng)，甚至原有的植被會(huì)發(fā)生退化，部分草地變成荒地，導(dǎo)致草地面積下降，載畜量隨之減少。又因?yàn)閱挝幻娣e草地承載力的降低，政府為做好保護(hù)草原的工作實(shí)行草原保護(hù)政策，只能壓縮牲畜量，這樣會(huì)造成牧業(yè)活動(dòng)減少，牧業(yè)收入縮水，牧民們放棄放牧業(yè)而外出務(wù)工，勞動(dòng)力向下游轉(zhuǎn)移情況增多。

2.2.2 中游農(nóng)業(yè)區(qū) 運(yùn)用水文地質(zhì)模型對(duì)中游農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行分析。將地表水邊界狀況、土地利用的類(lèi)別、源匯項(xiàng)等進(jìn)行概化，構(gòu)建地表水概念模型。將地下水邊界條件、河流徑流量、源匯項(xiàng)等進(jìn)行概化，構(gòu)建地下水概念模型。源匯項(xiàng)包括年均降水量、蒸發(fā)量、地表水入滲量、灌溉入滲量，具體見(jiàn)表5。

表5 源匯項(xiàng)概化

由表5可見(jiàn)，降水量年均316 mm，有效利用的降水量?jī)H200 mm；蒸發(fā)量年均550 mm，有效利用的蒸發(fā)量?jī)H103 mm；地表入滲量3 629 mm，有效利用量1 913 mm；灌溉入滲量2 875 mm，有效利用量1 560 mm。有效利用水量占比不高。

分析2000、2010、2018年不同深度地表水向下轉(zhuǎn)移量（表6）。地表水向地下水轉(zhuǎn)移量較多，且隨著深度增加，向下轉(zhuǎn)移量減少，部分水分被土壤、植物吸收。各深度的地層，地表向地下轉(zhuǎn)移的水量都呈隨年份增加而減少的趨勢(shì)，印證了冰川融水減少，導(dǎo)致地表向地下補(bǔ)給水減少。

表6 地表向地下轉(zhuǎn)移水量

自然降水與農(nóng)作物需水耦合度較低，在不引水灌溉的情況下，農(nóng)作物普遍處于水分虧缺狀態(tài)，自然降水無(wú)法滿(mǎn)足作物對(duì)水分的需求，只能通過(guò)灌溉填補(bǔ)農(nóng)作物用水空缺。

灌水量由有效降水量和人工澆灌水量組成，雅礱河流域農(nóng)業(yè)灌溉主要依靠地表徑流。對(duì)于地勢(shì)相對(duì)高的劣等地（基本農(nóng)田除外）來(lái)說(shuō)，冰川融水減少，地表徑流也相應(yīng)減少，灌溉旺季（春季）灌溉水供給不足，而低等級(jí)用地灌溉成本較高，灌溉條件達(dá)不到日常所需。分析主要農(nóng)作物用水供需情況（圖4），作物需水量（900 mm）高于有效降水量（200 mm）與地面徑流補(bǔ)給量（600 mm）的和，故無(wú)法得到有效灌溉。

圖4 主要農(nóng)作物用水供需情況

無(wú)法得到有效灌溉會(huì)導(dǎo)致糧食等農(nóng)作物種植面積減少，總產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)量下滑，農(nóng)田棄耕，耕地會(huì)變?yōu)榛牡鼗蛭蠢玫?，耕地總面積減少。又因農(nóng)業(yè)收入下降，農(nóng)民棄耕，種植業(yè)勞動(dòng)力需求減少，外出務(wù)工人員增多，勞動(dòng)就業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定改變；而對(duì)于分布在河谷的設(shè)施農(nóng)業(yè)（基本農(nóng)田）等灌溉條件較好的土地來(lái)說(shuō)，水利設(shè)施經(jīng)過(guò)修繕，灌溉用水更多，單位面積產(chǎn)量得以上升，農(nóng)作物總產(chǎn)量也略有提高，但會(huì)擠壓普通農(nóng)業(yè)用水，在一定程度上容易形成惡性循環(huán)。

2.2.3 下游快速城鎮(zhèn)化區(qū) 城鎮(zhèn)化形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，經(jīng)濟(jì)狀況占據(jù)主導(dǎo)地位。經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的多樣化會(huì)有效帶動(dòng)地區(qū)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)調(diào)整，城鎮(zhèn)化發(fā)展離不開(kāi)制度的變化、歷史底蘊(yùn)及行政政策的制定和改變［10］。山南市城鎮(zhèn)化率達(dá)16%，鎮(zhèn)域空間全新打造，形成以乃東為中心區(qū)域，周邊縣城作為支撐，環(huán)繞特色城鎮(zhèn)的網(wǎng)狀城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)。山南市澤當(dāng)鎮(zhèn)處流域下游地段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)迅速，社會(huì)發(fā)育程度高，人口聚集能力強(qiáng)，成為快速城鎮(zhèn)化區(qū)。上游冰川邊緣純牧區(qū)和中游農(nóng)業(yè)區(qū)因草地和耕地的減少而發(fā)生人口和產(chǎn)業(yè)的重大變化，從事農(nóng)牧業(yè)的人口減少，農(nóng)業(yè)行業(yè)發(fā)展速度減緩，其他產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展起來(lái)，農(nóng)牧民再就業(yè)多從事二三產(chǎn)業(yè)，人口逐漸往下游快速城鎮(zhèn)化區(qū)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致下游建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，產(chǎn)業(yè)用水隨之增多。因接納上游人口轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)生活用水增加，造成水資源短缺，加上對(duì)地表徑流利用過(guò)度，河川徑流量減少，河水逐漸干涸，流入雅魯藏布江水文站測(cè)得的徑流量減少，用水矛盾更為突出。

2.3 土地覆被結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)

研究區(qū)域2000—2018年在氣候變化背景下冰川消融導(dǎo)致土地覆被發(fā)生變化的影響路徑見(jiàn)圖5，冰川融水對(duì)土地覆被結(jié)構(gòu)造成一定影響。

圖5 氣候變化背景下冰川融水對(duì)土地覆被影響路徑

用ArcGIS軟件對(duì)2000、2005、2010、2015年和2018年遙感影像進(jìn)行分析，得到山南地區(qū)土地利用類(lèi)型空間分布（圖6）。2000—2018年耕地面積總體減少680 km2，其中水田面積增加61 km2，旱地面積減少741 km2。林業(yè)用地面積減少2 792 km2，其中有林地面積減少4 808 km2，灌木林面積增加2 210 km2，疏林地面積減少145 km2，其他林地面積減少49 km2。草地面積總體減少904 km2，覆蓋度較高的草地面積減少13 059 km2，中低覆蓋度面積增加12 155 km2，總體由高覆蓋度草地逐漸向中低覆蓋度草地轉(zhuǎn)變。水域面積總體減少，由于氣候變暖氣溫升高，冰川消融速度加快，冰川面積呈加速縮小趨勢(shì)，近20年共減少1 083 km2。湖泊面積變化趨勢(shì)為“縮小—擴(kuò)大—縮小”，在2010年達(dá)到峰值，近20年共減少98 km2，河渠面積增加203 km2。建設(shè)用地面積共計(jì)增加1倍，其中城鎮(zhèn)用地面積增加15 km2，農(nóng)村居民點(diǎn)面積減少1 km2，其他建設(shè)用地面積增加6 km2。2010—2018年未利用土地面積共增加3 946 km2，其中沼澤地面積增加2 km2，裸土地是在2010年后出現(xiàn)的，戈壁、鹽堿地和其他未利用土地都在2015年后才出現(xiàn)。

3 結(jié)論

基于氣象數(shù)據(jù)、土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)氣候變化背景下西藏山南地區(qū)2000—2018年土地覆被變化對(duì)冰川融水的響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，主要結(jié)論如下。

1）冰川面積與降水呈正比例關(guān)系，與氣溫呈反比例關(guān)系。降水多，冰川面積呈上升趨勢(shì)，氣溫高，冰川面積呈縮減趨勢(shì)。由于氣候變暖，氣候干旱，冰川融化愈發(fā)嚴(yán)重。

2）將研究區(qū)域分成流域上游冰川邊緣純牧區(qū)、中游農(nóng)業(yè)區(qū)和下游快速城鎮(zhèn)化區(qū)分別進(jìn)行分析。上游冰川邊緣純牧區(qū)，隨著冰川融水減少，對(duì)空中水的補(bǔ)給減少，對(duì)草地水補(bǔ)給也減少。徑流量變少，水熱通量減少，草地水源涵養(yǎng)減少，凈生產(chǎn)力下降，NDVI顯著降低，部分草地變成荒地等未利用地，草地面積下降；中游農(nóng)業(yè)區(qū)，自然灌溉水（降水和徑流）無(wú)法滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)需求，導(dǎo)致農(nóng)民放棄耕作，耕地變?yōu)榛牡鼗蛭蠢玫?，耕地面積減少；下游快速城鎮(zhèn)化區(qū)，因上游冰川邊緣純牧區(qū)和中游農(nóng)業(yè)區(qū)草地和耕地的減少，農(nóng)牧民往下游快速城鎮(zhèn)化區(qū)轉(zhuǎn)移就業(yè)。為承接上、中游人口和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，下游建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。

3）在氣候變化的背景下，冰川消融后融水對(duì)2000—2018年山南市土地覆被造成一定影響，草地面積減少904 km2、耕地面積減少680 km2、建設(shè)用地面積增加20 km2、未利用地面積增加1 946 km2、林地面積減少2 792 km2、水域面積減少3 983 km2。