基于3S的京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)植被覆蓋和氣候要素變化分析

紀(jì)和, 趙廣帥, 劉珉, 張鑫, 崔嵬

基于3S的京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)植被覆蓋和氣候要素變化分析

紀(jì)和1, 趙廣帥2,*, 劉珉2, 張鑫2, 崔嵬2

1. 湖北省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院, 武漢 430000 2. 國家林業(yè)和草原局經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心, 北京 100714

為分析評(píng)估京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)植被覆蓋和氣候要素變化, 收集工程實(shí)施前、后各時(shí)期工程區(qū)域土地利用類型數(shù)據(jù)、MODIS產(chǎn)品植被覆蓋(NDVI)數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)月值數(shù)據(jù), 利用最小二乘法擬合分析工程區(qū)NDVI和蒸散時(shí)空變化規(guī)律; 利用MK非參數(shù)檢驗(yàn)分析區(qū)域氣候要素時(shí)空變化格局。結(jié)果表明(1)近25年來工程區(qū)土地利用類型變化不大, 植被面積未有顯著增加; (2)近20年, 工程區(qū)81.5%的區(qū)域生長季平均NDVI呈上升趨勢, 其中37.6%的區(qū)域呈顯著上升趨勢(< 0.05), 平均變率0.005 a-1; 同時(shí), 99.8%的工程區(qū)域植被蒸散呈上升趨勢, 其中95.3%的區(qū)域呈顯著上升趨勢(< 0.05), 平均變率109.11 kg·m-2·a-1; (3)工程實(shí)施前、后對(duì)比, 氣候要素變化趨勢發(fā)生明顯變化, 工程實(shí)施前工程區(qū)平均氣溫呈上升趨勢, 其中78%以上氣象站點(diǎn)平均氣溫距平呈顯著上升趨勢, 上升幅度為0.01 ℃·a-1; 降雨量和平均相對(duì)濕度呈減少趨勢, 其中16%的氣象站點(diǎn)降水距平百分率呈顯著減少趨勢, 減少幅度在0.33% a-1以上。工程實(shí)施后, 工程區(qū)內(nèi)氣溫呈降低趨勢, 其中24%的氣象站點(diǎn)平均氣溫距平呈顯著下降趨勢, 降幅在0.008 ℃·a-1以上; 降雨量和平均相對(duì)濕度呈增加趨勢, 其中22%的站點(diǎn)降水距平百分率呈顯著增加趨勢, 幅度約為0.22% a-1?？傮w上, 京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施近20年來風(fēng)沙天氣得到明顯改善, 植被恢復(fù)及原有植被質(zhì)量的提升是環(huán)境改善的主要原因。

京津風(fēng)沙源治理工程; 3S; 植被覆蓋; 氣候要素; 時(shí)空變化

0 前言

為改善和優(yōu)化京津及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 治理沙化土地, 遏制沙塵危害, 2000年6月, 國家緊急啟動(dòng)實(shí)施一項(xiàng)具有重大戰(zhàn)略意義的生態(tài)建設(shè)工程—京津風(fēng)沙源治理工程[1–3]。目前, 工程第一期建設(shè)已于2012年實(shí)施完成, 第二期工程于2013年啟動(dòng)建設(shè)。京津風(fēng)沙源治理工程作為國家在首都及周邊地區(qū)部署實(shí)施的重點(diǎn)林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程, 其主要關(guān)注點(diǎn)和任務(wù)是固土防沙, 減少京津沙塵天氣, 改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 工程的治理效果長期以來受到社會(huì)各界和政府決策者的關(guān)注[3,4–7]。因此, 科學(xué)、客觀地評(píng)估京津風(fēng)沙源治理工程對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善效果顯得十分必要, 評(píng)估結(jié)果對(duì)指導(dǎo)后續(xù)工程建設(shè)也具有重要意義。

當(dāng)前, 京津地區(qū)沙塵暴的來源、空間分布以及影響因素等方面都取得了很多研究成果。例如, 京津地區(qū)沙塵暴不僅來源于當(dāng)?shù)? 也有來自于內(nèi)蒙古沙漠等較遠(yuǎn)地區(qū)[8–9]; 首都圈沙塵暴具有明顯的空間分布規(guī)律, 西北部沙塵暴日數(shù)明顯多于東南部, 沙塵暴發(fā)生日數(shù)的年際波動(dòng)較大[10]; 在諸多氣候因子中, 風(fēng)速和相對(duì)濕度與沙塵暴關(guān)系最為密切, 從空間上降水量與沙塵暴發(fā)生日數(shù)呈負(fù)相關(guān)[11–12]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體, 其在阻滯風(fēng)沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮著重要作用[13]。一般認(rèn)為植被恢復(fù)有利于降低氣溫和地表溫度, 增加濕度, 減小風(fēng)速, 進(jìn)而改善局地生態(tài)環(huán)境[14]。在大空間尺度上中國北方植被覆蓋變化與沙塵暴之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]。京津風(fēng)沙源治理工程的相關(guān)研究也表明, 一期工程實(shí)施后, 植被覆蓋改善明顯, 植被覆蓋對(duì)減緩沙塵暴的作用明顯[16–18]。

3S技術(shù)為研究土地利用、土地覆蓋的時(shí)空演變提供了數(shù)據(jù)源與技術(shù)支持[19–21], 例如, 利用遙感數(shù)據(jù)源及GPS空間定位結(jié)合地面抽樣技術(shù), 以地理信息系統(tǒng)為工具, 建立森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測及評(píng)估體系。3S技術(shù)的發(fā)展, 給生態(tài)工程監(jiān)測提供了更高的監(jiān)測技術(shù)平臺(tái), 不少研究利用3S技術(shù)構(gòu)建大尺度工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系并科學(xué)地評(píng)估其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[6,21]。京津風(fēng)沙源治理一期工程實(shí)施完成后, 許多學(xué)者分析工程建設(shè)形勢, 對(duì)工程的生態(tài)效益[16–18,23]、成效[24–25]、生態(tài)經(jīng)濟(jì)影響[26–27]等方面進(jìn)行卓有成效的研究, 剖析了其中存在的問題, 但從大區(qū)域范圍研究整個(gè)京津風(fēng)沙源區(qū)植被恢復(fù)狀況比較缺乏。吳丹等[6]以風(fēng)沙源綜合治理一期工程區(qū)2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)土地利用/覆被變化、植被覆蓋度及防風(fēng)固沙服務(wù)功能為指標(biāo), 綜合分析了工程的生態(tài)效應(yīng), 結(jié)果表明京津風(fēng)沙源區(qū)整體生態(tài)狀況趨于好轉(zhuǎn), 一系列生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)于恢復(fù)自然植被和提升生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)功能起到了積極作用。目前, 京津風(fēng)沙源治理工程二期正處于實(shí)施的關(guān)鍵階段, 其地位在生態(tài)環(huán)境日益惡化和經(jīng)濟(jì)需求日益上漲的雙重壓力下顯得尤為重要。總體上, 京津風(fēng)沙源治理工程效益評(píng)價(jià)的研究, 主要側(cè)重于對(duì)工程的現(xiàn)狀、特征以及產(chǎn)生原因的描述[28], 多以京津風(fēng)沙地區(qū)為空間對(duì)象, 從整體和區(qū)域?qū)Ρ鹊慕嵌确治鲋脖桓采w和氣候因子變化及其影響機(jī)制的探討相對(duì)較少[7,29]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)西起內(nèi)蒙古烏拉特后旗, 東至內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗, 南起陜西定邊縣, 北至內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗, 地理坐標(biāo)為105o12′—121o01′ E, 36o49′—46o40′ N。目前工程已實(shí)施到第二期: 一期工程區(qū)建設(shè)范圍涉及北京、天津、河北、山西及內(nèi)蒙古等5省(區(qū)、市)的75個(gè)縣(旗、市、區(qū)), 建設(shè)期為2001—2012年, 總面積約45.8萬 km2(圖1), 國家累計(jì)投資479億元, 工程建設(shè)累計(jì)完成營造林752.61萬hm2(其中退耕還林109.47萬hm2), 治理草地933萬hm2, 建設(shè)暖棚1100萬m2, 配備飼料機(jī)械12.7萬套, 開展小流域綜合治理1.54萬km2, 建設(shè)節(jié)水灌溉和水源工程21.3萬處, 易地搬遷18萬人; 二期工程區(qū)包括北京、河北、天津、山西、內(nèi)蒙古和陜西6省(區(qū)、市)的138個(gè)縣, 建設(shè)期為2013—2022年, 總面積70.6萬 km2(圖1), 國家計(jì)劃投資878億元[30], 截止2017年, 工程建設(shè)累計(jì)完成營造林141.3萬hm2, 封山育林1320.06萬hm2, 治理草地14.85萬hm2, 開展小流域綜合治理17.94萬km2, 易地搬遷2.13萬人[31-32]。

1.2 研究區(qū)概況

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

(1)NDVI和蒸散數(shù)據(jù)

本研究中NDVI和蒸散數(shù)據(jù)來自美國航空航天局(NASA)Terra衛(wèi)星提供的MODIS陸地專題產(chǎn)品: 基于最大值合成(MVC)方法, 每16天合成的250 m分辨率NDVI及其質(zhì)量控制數(shù)據(jù)(Global MOD13Q1)和全球500 m蒸散8天合成數(shù)據(jù)(MOD16A2), 數(shù)據(jù)集經(jīng)過幾何及大氣校正, 時(shí)間覆蓋2000年3月—2017年12月, 用來分析工程區(qū)植被覆蓋度變化和植被蒸散的時(shí)空動(dòng)態(tài)。

圖1 研究區(qū)概況

Figure 1 General situation of study area

(2)土地利用類型數(shù)據(jù)

研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的1995年、2000年、2005年、2010年、2015年五期全國土地利用類型圖, 空間分辨率為1 km。

(3)氣象站數(shù)據(jù)

基于站點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)主要來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集, 主要包括工程區(qū)及周邊117個(gè)國家氣象臺(tái)站1990—2017年月值氣候觀測數(shù)據(jù)(平均氣溫、極低氣溫、極高氣溫、平均氣溫距平、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、降雨量、降水距平百分率、相對(duì)濕度)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

(1)土地利用變化分析

利用工程區(qū)1995年、2000年、2005年、2010年、2015年五期土地利用類型數(shù)據(jù), 分析工程實(shí)施前、后土地利用類型變化情況, 重點(diǎn)關(guān)注森地、草地等土地利用類型的變化。

(2)植被覆蓋(NDVI)和蒸散時(shí)空格局分析

基于每個(gè)柵格像元, 利用最小二乘法擬合2000—2017年植被覆蓋(NDVI)和蒸散變化的斜率(Slope), 并給出F值檢驗(yàn), 分析其時(shí)空變化規(guī)律。

式中:為監(jiān)測時(shí)間段的年數(shù),V為第年的變量; 其中, Slope > 0說明變量在年間的變化趨勢是增加的, 反之則減少。以上所有分析都在Arcgis10.0中實(shí)現(xiàn)。

(3)氣象站氣候數(shù)據(jù)趨勢分析

利用工程區(qū)及周邊氣象站點(diǎn)月值數(shù)據(jù), 分析區(qū)域氣候要素動(dòng)態(tài)變化情況, 比較工程實(shí)施前、后以及工程區(qū)內(nèi)、外氣候要素變化是否存在差異, 驗(yàn)證工程實(shí)施后的生態(tài)氣候效應(yīng)。Mann-Kendall(MK)非參數(shù)檢驗(yàn)用于氣候數(shù)據(jù)變化趨勢的分析(R軟件包實(shí)現(xiàn))。

2 結(jié)果與分析

2.1 工程區(qū)土地利用變化

整體來看, 近25年來工程區(qū)土地利用類型變化不大, 特別是2000年以后, 各土地利用類型面積所占比例和空間分布基本保持不變(圖2、表1)。

表1 各年份不同土地利用類型面積占比變化

圖2 各年份不同土地利用類型空間分布變化

Figure 2 Spatial distribution change of different land use types in different years

2.2 工程區(qū)NDVI和植被蒸散時(shí)空格局

近20年, 工程區(qū)生長季平均NDVI整體呈上升趨勢(圖3a、表2), 其中有37.6%的區(qū)域呈顯著上升趨勢(< 0.05), 平均變率為0.005 a-1, 特別是工程區(qū)南部區(qū)域; 顯著下降區(qū)域僅為1.9 %。約有95.3%的植被區(qū)域蒸散呈顯著上升趨勢, 平均變率為109.11 kg·m-2·a-1(圖3b、表2), 蒸散時(shí)空格局與NDVI時(shí)空分布基本一致(= 0.33,< 0.001), 說明工程區(qū)植被整體向好的方向發(fā)展。

表2 工程區(qū)生長季平均NDVI和蒸散變化趨勢統(tǒng)計(jì)(2000—2017年)

2.3 工程區(qū)氣候要素時(shí)空變化

2.3.1 氣溫時(shí)空變化

工程實(shí)施前, 工程區(qū)氣象站點(diǎn)平均氣溫(100%)、極低氣溫(90%)、極高氣溫(100%)和平均氣溫距平(98%)都呈上升趨勢(圖4 a1—a4), 其中78 %以上氣象站點(diǎn)平均氣溫距平呈顯著上升趨勢, 上升幅度為0.01℃·a-1(圖4 a4); 工程實(shí)施后, 氣溫變化趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn), 工程區(qū)內(nèi)平均氣溫(40 %)、極低氣溫(56%)、極高氣溫(78%)和平均氣溫距平(94%)呈降低趨勢的氣象站點(diǎn)明顯增加(圖4 b1—b4), 其中24%氣象站點(diǎn)平均氣溫距平呈顯著下降趨勢, 降幅在0.008 ℃·a-1以上, 特別是工程區(qū)南部(圖4 b4)。

2.3.2 降水時(shí)空變化

無論是從降雨量、降水距平百分率還是平均相對(duì)濕度來看, 工程實(shí)施前后都發(fā)生明顯變化, 工程實(shí)施前工程區(qū)大部分氣象站點(diǎn)降雨量(86%)、降水距平百分率(90%)和平均相對(duì)濕度(82%)都呈減少趨勢(圖5 a1—a3), 其中16%的氣象站點(diǎn)降水距平百分率呈顯著減少, 減少幅度在0.33 % a-1以上(圖5 a2); 而工程實(shí)施后, 三者呈增加趨勢的氣象站點(diǎn)明顯增多, 88 %的氣象站點(diǎn)降雨量呈增加趨勢(圖5 b1); 86 %的氣象站點(diǎn)降水距平百分率呈增加趨勢, 其中22 %呈顯著增加趨勢, 幅度在0.22 % a-1(圖5 b2); 38 %的氣象站點(diǎn)平均相對(duì)濕度呈增加趨勢, 呈減少趨勢站點(diǎn)僅剩22 %(圖5 b3)。

圖3 生長季平均NDVI(a)和蒸散(b)時(shí)空變化格局(2000—2017年)

Figure 3 The spatial-temporal change pattern of growing season average NDVI (a)and evapotranspiration (b) (2000-2017)

Figure 4 The spatial-temporal change patterns of mean temperature (a1, b1), extremely low temperature (a2, b2), extremely high temperature (a3, b3) and mean temperature anomaly (a4, b4) in the project area and its surroundings before (1990-2000) and after (2000-2017) project implementation (The green circle indicates a decrease, red circle indicates an increase; the size of the circle indicates the magnitude of the change, and a black dot in the middle indicates a significant change.)

2.3.3 風(fēng)速時(shí)空變化

從平均風(fēng)速和最大風(fēng)速變率來看, 工程實(shí)施前后有一定的變化。工程實(shí)施前, 工程區(qū)內(nèi)82 %的氣象站點(diǎn)平均風(fēng)速、92 %的站點(diǎn)最大風(fēng)速呈降低趨勢, 其中顯著降低的站點(diǎn)比例分別為30 %、52 %(圖6 a1、a2); 而工程實(shí)施后平均風(fēng)速、最大風(fēng)速呈降低趨勢的氣象站點(diǎn)分別下降為50 %、76 %(圖6 b1、b2)。工程實(shí)施后, 平均風(fēng)速呈顯著上升趨勢的氣象站點(diǎn)增多, 平均風(fēng)速變率呈顯著上升趨勢的氣象站點(diǎn)由工程實(shí)施前的5個(gè)增加到16個(gè)(圖6 a1、b1), 最大風(fēng)速變率由2個(gè)增加到9個(gè)(圖6 a2、b2)。整體來看工程區(qū)風(fēng)速呈持續(xù)降低趨勢, 特別是最大風(fēng)速(圖6 a2、b2)。

圖5 工程實(shí)施前(1990—2000)、后(2000—2017)工程區(qū)及其周邊降雨量(a1、b1)、降水距平百分率(a2、b2)、平均相對(duì)濕度(a3、b3)時(shí)空變化格局(其中綠色圓圈表示增加, 紅色圓圈表示減少, 白色表示無變化, 圓圈大小表征變化幅度大小, 中間加黑點(diǎn)表征顯著變化)

Figure 5 The spatial-temporal change patterns of precipitation (a1, b1), percentage of precipitation anomaly (a2, b2), and mean relative humidity (a3, b3) in the project area and its surroundings before (1990-2000) and after (2000-2017) project implementation (The green circle indicates an increase, red circle indicates a decrease, white circle indicates no change; the size of the circle indicates the magnitude of the change, and a black dot in the middle indicates a significant change.)

圖6 工程實(shí)施前(1990—2000)、后(2000—2017)工程區(qū)及其周邊平均風(fēng)速(a1、b1)、最大風(fēng)速(a2、b2)時(shí)空變化格局 (其中綠色圓圈表示降低, 紅色圓圈表示升高, 圓圈大小表征變化幅度大小, 中間加黑點(diǎn)表征顯著變化)

Figure 6 The spatial-temporal change pattern of mean wind speed (a1, b1) and maximum wind speed (a2, b2) in the project area and its surroundings before (1990-2000) and after (2000-2017) project implementation (The green circle indicates a decrease, red circle indicates an increase; the size of the circle indicates the magnitude of the change, and a black dot in the middle indicates a significant change. )

4 討論

土地利用變化是影響植被狀況最重要因素之一[?33-34], 本研究表明工程區(qū)近25年土地利用類型未發(fā)生明顯改變。京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施以來, 區(qū)域整體生態(tài)狀況趨于好轉(zhuǎn), 風(fēng)沙天氣明顯減少[6,30,35]; 工程區(qū)大部分區(qū)域NDVI呈顯著上升趨勢, 特別是工程區(qū)南部區(qū)域植被覆蓋增加明顯, 說明工程區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善主要由于原有植被的恢復(fù)和質(zhì)量提升。截止2017年, 一期、二期工程建設(shè)累計(jì)完成營造林893.91萬hm2, 封山育林1320.06萬hm2, 治理草地947.85萬hm2, 開展小流域綜合治理19.48萬km2, 易地搬遷20.13萬人, 這些建設(shè)內(nèi)容極大促進(jìn)工程區(qū)植被恢復(fù)和植被覆蓋度增加。2010年全國草原監(jiān)測對(duì)河北、山西、內(nèi)蒙古3省(區(qū))29個(gè)京津風(fēng)沙源工程縣(旗、市、區(qū))的監(jiān)測結(jié)果表明, 與非工程區(qū)相比, 工程區(qū)內(nèi)植被蓋度平均提高15%, 植被高度提高54.1%, 鮮草產(chǎn)量每公頃提高81.1%, 并且植被由結(jié)構(gòu)單一的草叢植被或灌草叢植被演替為喬、灌、草結(jié)合的復(fù)合植被系統(tǒng), 退化嚴(yán)重的荒漠草原區(qū)的草地群落經(jīng)封育后植物種數(shù)量由7種增加到11種以上[30]。李愈哲等[36]對(duì)工程區(qū)草地不同恢復(fù)措施的研究也表明工程恢復(fù)措施及措施組合均能不同程度恢復(fù)植被的地上生物量, 有利于區(qū)域沙塵固定和草地生產(chǎn)功能恢復(fù), 群落物種和功能群構(gòu)成整體趨向中生性頂級(jí)演變。

植被覆蓋度是決定植被蒸散量的重要因素[37-38]。工程區(qū)植被蒸散時(shí)空格局與NDVI時(shí)空分布基本一致(= 0.33,< 0.001)。與工程實(shí)施前相比, 工程區(qū)域氣候要素變化趨勢發(fā)生明顯變化, 氣溫等由升溫趨勢轉(zhuǎn)為降溫趨勢, 降水和相對(duì)濕度等由減少趨勢轉(zhuǎn)為增加趨勢。因此, 工程實(shí)施后可能產(chǎn)生一定的區(qū)域生態(tài)氣候效應(yīng)。植樹造林等生態(tài)措施能對(duì)局地氣候產(chǎn)生有利影響, 林地增加情景下, 東北、西北東部區(qū)域溫度降低, 降水增加[39]。植被對(duì)地表水文過程影響明顯, 植被的存在能加速地表水文循環(huán)過程, 植被恢復(fù)后, 生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn), 內(nèi)陸地區(qū)降水與蒸發(fā)明顯增加[40]。植被覆蓋變化通過改變地表反照率、粗糙度和土壤濕度等地表屬性, 從而影響輻射平衡、水分平衡等過程, 最終可以導(dǎo)致區(qū)域降水、環(huán)流形勢及大氣溫度、濕度等氣候變化[41]。整個(gè)工程區(qū)植被蒸散呈顯著增加趨勢, 植被通過蒸騰作用增加空氣濕度, 同時(shí)蒸騰作用吸收熱量起到降溫作用, 森林覆蓋度增加引起地表粗糙度的增加, 從而形成氣旋式輻合及異常的垂直上升運(yùn)動(dòng), 也更容易成云致雨。Peng等[42]在分析我國西北地區(qū)降水增加時(shí)認(rèn)為熱力因子(水汽變化)和動(dòng)力因子(環(huán)流變化)均對(duì)西北變濕有顯著影響, 西北地區(qū)輻射變化導(dǎo)致篜散增強(qiáng), 大氣中的水汽含量升高以及局地氣流上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng), 為降水的增加提供了有利的熱力和動(dòng)力環(huán)境。降水與植被覆蓋度存在顯著的相關(guān)性, 植被覆蓋度的空間變化趨勢與降水的空間變化趨勢較為一致[43-44]。此外, 森林覆蓋度增加也使地表反照率降低, 造成地表反射短波輻射明顯減少。馬迪等[45]對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)森林覆蓋度增加的研究也表明森林覆蓋度增加后, 全年平均氣溫降低, 全年平均降水增加。

人類活動(dòng)和氣候變化是植被變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[46-47]。植被覆蓋變化得益于工程實(shí)施后的植被恢復(fù)和質(zhì)量提升, 另一方面也可能是對(duì)全球氣候變化大背景的響應(yīng)。有研究認(rèn)為氣溫升高是1982年以來中國植被覆蓋增加的主要?dú)夂蛞蛩豙48], 但人類活動(dòng)對(duì)中國植被覆蓋增加的貢獻(xiàn)比氣候變化的貢獻(xiàn)更大, 而且大面積植被覆蓋增加已對(duì)黃土高原的氣候變暖產(chǎn)生了一定的抑制作用, 植被覆蓋狀況越好、植被覆蓋增加越快, 越有利于緩解地表氣溫的上升。李應(yīng)林[49]運(yùn)用區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)集成模式(RIEMS)模擬未來土地覆蓋/利用變化情景對(duì)我國夏季氣候的影響, 結(jié)果也表明我國北方土地利用變化能對(duì)不同地區(qū)夏季氣候產(chǎn)生局地和非局地氣候效應(yīng)。工程區(qū)沙塵暴變化很大程度上受到植被覆蓋與相對(duì)濕度的影響[4]。崔曉等[50]研究認(rèn)為工程實(shí)施以來沙塵天氣發(fā)生日數(shù)呈顯著下降趨勢, 區(qū)域植被NDVI顯著增加, 二者存在顯著相關(guān)性。通常的研究認(rèn)為森林能降低風(fēng)速, 穩(wěn)定流沙作用[51]。然而, 有些研究認(rèn)為林草對(duì)水土保持起了重要作用, 但對(duì)大范圍風(fēng)的運(yùn)動(dòng)無任何影響[52]。從小尺度來看, 植被恢復(fù)能降低森林內(nèi)部及周邊近地面風(fēng)速[53], 但從大區(qū)域尺度來看, 森林降低風(fēng)速是有限的。然而, 我們在工程區(qū)的研究表明風(fēng)速并未出現(xiàn)降低, 反而有增大趨勢, 說明從大空間尺度來講, 植被蓋度或質(zhì)量提升或有利于加速區(qū)域空氣流通。相反的, 如果森林植被破壞嚴(yán)重, 可能造成區(qū)域氣候要素逆向變化, 例如, 高永剛等[54]在小興安嶺的研究表明森林植被減少造成區(qū)域氣溫升高、降水減少, 風(fēng)速減小。植被退化對(duì)我國區(qū)域氣候有著顯著影響, 植被退化導(dǎo)致溫度升高、降水(尤其是華北地區(qū))減少, 而且大范圍植被退化還可減弱東亞夏季風(fēng)環(huán)流, 從而影響季風(fēng)降水的分布[55-56]。雖然工程區(qū)風(fēng)速呈增大趨勢, 但研究表明工程區(qū)土壤風(fēng)蝕量總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢[6], 說明植被恢復(fù)和質(zhì)量提升對(duì)遏制土壤侵蝕, 減少沙源起到了積極作用。

5 結(jié)論

京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施近20年來風(fēng)沙天氣得到明顯改善, 雖然近25年來工程區(qū)土地利用類型變化不大, 但工程區(qū)81.5 %區(qū)域生長季平均NDVI呈上升趨勢, 其中37.6 %區(qū)域呈顯著上升趨勢, 平均變率約為0.005 a-1, 特別是工程區(qū)南部區(qū)域; 同時(shí), 工程區(qū)99.8 %植被區(qū)蒸散呈上升趨勢, 其中95.3 %區(qū)域呈顯著上升趨勢, 平均變率109.11 kg·m-2·a-1, 且蒸散時(shí)空格局與NDVI時(shí)空分布基本一致。工程實(shí)施前工程區(qū)氣象站點(diǎn)平均氣溫、極低氣溫、極高氣溫和平均氣溫距平都呈上升趨勢, 其中78%以上氣象站點(diǎn)平均氣溫距平呈顯著上升趨勢; 降雨量、降水距平百分率和平均相對(duì)濕度都呈減少趨勢, 其中16%的氣象站點(diǎn)降水距平百分率呈顯著減少趨勢; 然而工程實(shí)施后, 工程區(qū)內(nèi)平均氣溫、極低氣溫、極高氣溫和平均氣溫距平呈降低趨勢, 其中24%氣象站點(diǎn)平均氣溫距平呈顯著下降趨勢; 降雨量、降水距平百分率和平均相對(duì)濕度呈增加趨勢, 其中22%降水距平百分率呈顯著增加趨勢。從平均風(fēng)速和最大風(fēng)速變率來看, 工程實(shí)施前后也有一定的變化。工程實(shí)施前工程區(qū)內(nèi)82%氣象站點(diǎn)平均風(fēng)速、92%最大風(fēng)速呈降低趨勢, 其中顯著降低分別為30%、52%, 而工程實(shí)施后平均風(fēng)速、最大風(fēng)速呈降低趨勢的氣象站點(diǎn)分別下降為50%、76%。

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Analysis of vegetation cover and climatic elements change in the Beijing-Tianjin sandstorm source area based on 3S technology

JI He1, ZHAO Guangshuai2,*, LIU Min2, ZHANG Xin2, CUI Wei2

1. Hubei Forestry Survey and Design Institute, Wuhan 430000, China 2. China National Forestry-Grassland Economics and Development Research Center, State Forestry-Grasssland Administration, Beijing 100714, China

In order to analyze the change of vegetation cover and climatic elements in the Beijing-Tianjin sandstorm source area, we collected land use type data, NDVI parameters, and month data of meteorology stations before and after the implementation of the project in the Beijing-Tianjin sandstorm source area. We analyzed the spatial-temporal change of NDVI and evapotranspiration by least square method in the project area. By using MK nonparametric test, we analyzed spatial-temporal variation of climate elements in the study region. The results showed that: (1) The land use type had little change in the past 25 years. There was no significant change in the vegetation cover. (2) In the past 20 years, the average variability of the growing season average NDVI was 0.005 a-1. The growing season average NDVI showed an increasing trend in 81.5% of the project area, around 37.6% of which increased significantly (< 0.05). The average variability of the vegetation evapotranspiration was 109.11 kg·m-2·a-1, vegetation evapotranspiration showed an increasing trend in 99.8% of the project area, around 95.3% of which increased significantly (< 0.05). (3) Before and after the implementation of the project, the climatic elements in the project area changed significantly. Before the implementation of the project, the average temperature showed an increasing trend. In 78% of the meteorology station, the mean temperature anomaly significantly increased about 0.01 ℃·a-1. The precipitation and relative humidity showed a decreasing trend, and in 16% of the meteorology station, the mean precipitation anomaly significantly decreased by 0.33% a-1. After the implementation of the project, the temperature showed a decreasing trend in the project area. In 24% of the meteorology station, the mean temperature anomaly significantly deceased more than 0.008 ℃·a-1. The precipitation and relative humidity showed an increasing trend, and in 22% of the meteorology station, the mean precipitation anomaly significantly increased about 0.22% a-1. In general, the sandstorm weather in the Beijing-Tianjin sandstorm source area was obviously improved after almost two decades implementation of the project because of vegetation restoration.

Beijing-Tianjin sandstorm source control project;3S; vegetation cover; climatic elements; spatial-temporal variation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.016

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S774

A

1008-8873(2022)01-138-11

2020-05-25;

2020-07-01

林業(yè)重大問題調(diào)研-青年研究課題專項(xiàng)(JYQNXM2017-02);“十三五”森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升工程監(jiān)測研究(2130219-011)

紀(jì)和(1986—), 女, 湖北羅田人, 碩士, 工程師, 主要從事林業(yè)工程評(píng)價(jià)研究, E-mail: 5064581@163.com

趙廣帥, 男, 博士, 高級(jí)工程師, 主要從事生態(tài)工程監(jiān)測與評(píng)估研究, E-mail: zhaogsh@126.com