河西走廊植被水碳通量對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)

吳昕蕾 范云飛 康德奎 何玉江 王素芬*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.甘肅省水利廳石羊河流域水資源利用中心，甘肅 武威 733000)

根據(jù)IPCC第六次評(píng)估報(bào)告，1850—1900年以來，全球平均氣溫上升約1.0 ℃，并預(yù)測在未來氣溫上升速度將加快，20年后平均將上升1.5 ℃[1]。氣候的急劇變化是人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過度消耗的體現(xiàn)，而陸地生態(tài)系統(tǒng)作為受人類影響最大的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)的響應(yīng)最劇烈。陸地水-碳循環(huán)是地表物質(zhì)與能量交換的主要載體，植被的水碳特征可以有效反映區(qū)域生態(tài)狀況，氣候變化與人類活動(dòng)將促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)中植被的水-碳交互作用，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響增強(qiáng)[2-3]。

蒸散發(fā)作為植被水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，參考作物蒸散量(ET0)表征了在特定高度、地表阻力、反照率和無水分脅迫條件下假想?yún)⒖甲魑锏恼羯⒛芰?。ET0是研究區(qū)域植被需水量等水分指標(biāo)的重要參數(shù)，有時(shí)可用于表征區(qū)域植被水通量，通過討論ET0對(duì)于氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)，對(duì)估算區(qū)域農(nóng)業(yè)蒸散量、反映植被需水量以及氣候變化情況有重要作用[4-7]。王蒙等[8]通過量化ET0的影響因素，發(fā)現(xiàn)江蘇省ET0變化的主控因子是風(fēng)速和相對(duì)濕度，并以此為參考依據(jù)提高農(nóng)業(yè)對(duì)未來氣候變化的適應(yīng)性。Liu等[9]利用通徑分析探究青藏高原不同高程區(qū)ET0的氣候驅(qū)動(dòng)模式，結(jié)果表明在2005年ET0發(fā)生突變上升前，不同高程區(qū)的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素并不相同，而在2005年之后，最高氣溫成為了整個(gè)區(qū)域共同的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子，說明ET0的突變與氣候因素之間的響應(yīng)關(guān)系存在一定的連續(xù)性、耦合性機(jī)制。此外，為表征植物固定與轉(zhuǎn)化光能的能力，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的重要指標(biāo)，是綠色植物在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所累積的有機(jī)物的數(shù)量。徐茜等[10]利用改進(jìn)的CASA模型分析了NPP在黃土高原地區(qū)的時(shí)空演變特征，通過探究各自然因素之間的差異對(duì)NPP變化的影響，分析了不同地貌類型區(qū)域上NPP演變的主要驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果顯示在不同地貌類型區(qū)上的主要驅(qū)動(dòng)因素差異明顯，水熱條件是影響NPP空間分布格局的主要因素，特別是對(duì)干旱氣候區(qū)的影響尤為突出。土地利用變化作為人類活動(dòng)的重要體現(xiàn)[11-12]，可根據(jù)土地利用時(shí)空格局的變化側(cè)面了解并評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)的劇烈程度。Cao等[13]通過比較錫林郭勒盟草地的土地利用變化情況以反映人為土地轉(zhuǎn)換與管理措施對(duì)該區(qū)域NPP的影響，強(qiáng)調(diào)了土地利用在人類活動(dòng)中的重要性。Yang等[14]利用氣候變化和土地利用變化以量化自然因素和人類因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改變的貢獻(xiàn)，模擬了未來不同情景下面臨的挑戰(zhàn)并提出合理解決方案。

植被水碳通量的時(shí)空演變規(guī)律及影響因素是一個(gè)持續(xù)的熱點(diǎn)問題，已有研究表明ET0或NPP時(shí)空變化受氣象因素或人類活動(dòng)的劇烈影響[15-18]，但少有研究關(guān)注于區(qū)域尺度上，兩者同時(shí)對(duì)氣侯變化與人類活動(dòng)的響應(yīng)狀況。因此，探究復(fù)雜的氣候變化以及人類活動(dòng)的持續(xù)干預(yù)對(duì)于區(qū)域植被和生態(tài)環(huán)境的綜合影響，對(duì)于未來區(qū)域資源合理調(diào)配十分重要。

因此，為探究西北旱區(qū)植被水碳通量在氣候變化以及人類活動(dòng)影響下的時(shí)空演變特征，本研究擬以河西走廊作為研究區(qū)域，以ET0和NPP作為表征區(qū)域水碳通量的指標(biāo)，基于河西走廊2000—2020年氣象數(shù)據(jù)、MODIS NPP產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)以及土地利用變化數(shù)據(jù)，討論在氣候與土地利用格局變化下的植被水碳通量時(shí)空演變格局，以獲得2000—2020年河西走廊地區(qū)植被水碳通量與生態(tài)系統(tǒng)的互饋效應(yīng)，旨在指導(dǎo)河西走廊水資源合理分配、土地利用格局優(yōu)化以及為生態(tài)治理與恢復(fù)提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

西北河西走廊地處37°17′～42°48′ N、92°12′～103°48′ E，具體地理位置見圖1。河西走廊地區(qū)作為西北旱區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，總面積66萬 hm2，東西方向長約1 000 km，南北方向?qū)捰?0 km 到100 km不等，是西北干旱區(qū)人類活動(dòng)最為劇烈的地區(qū)，同時(shí)也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)域，其人地矛盾問題也最為突出[19]。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍杲邓考s200～400 mm，降水量自東南至西北逐漸減少，有明顯的空間變異性[20]，年蒸發(fā)量約500～1 100 mm，蒸發(fā)量是降水量的3倍左右，氣候干燥，風(fēng)沙大。河西走廊地形復(fù)雜多變，有疏勒河、黑河和石羊河三大內(nèi)陸河貫穿其中，自然景觀以沙漠及戈壁、綠洲和平原為主，在其西部主要表現(xiàn)為大量戈壁沙漠，由三大水系在河西走廊中部、東部平原發(fā)育出部分綠洲[21]。沙漠等未利用土地在河西走廊上面積最大，林草地分布廣，而耕地與城鎮(zhèn)主要分布于內(nèi)陸河周邊，面積較小。因此兼顧高效農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境治理成為河西走廊的主要發(fā)展方向，其中荒漠化是最迫切的亟待解決的重要環(huán)境問題。

圖1 河西走廊地區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of Hexi Corridor

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括2000—2020年河西走廊地區(qū)氣象數(shù)據(jù)、NPP遙感數(shù)據(jù)、地理高程數(shù)字模型和土地利用類型分布數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)包括降水量、平均氣溫、最高溫、最低溫、2 m處平均風(fēng)速、站點(diǎn)平均氣壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)長，均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)地面觀測氣象數(shù)據(jù)日數(shù)據(jù)集。NPP遙感數(shù)據(jù)來自于美國航空航天局(NASA)MODIS數(shù)據(jù)集提供的2000—2020年的NPP年值產(chǎn)品MOD17A3H，空間分辨率為500 m。地理高程數(shù)字模型和土地利用分布情況數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/)。選取2000、2005、2010、2015和2020年5個(gè)年份的土地利用空間分布，均為基于landsat8遙感影像的1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1參考作物蒸散量(ET0)的估算

本研究選擇由FAO-56所推薦的Penman-monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量[22]。該公式綜合考量了影響田間水分散失的大氣及作物因子，并結(jié)合能量平衡、空氣動(dòng)力學(xué)以及表面參數(shù)，建立了一個(gè)對(duì)于任何水分狀態(tài)下適用于任何植被類型的綜合模型，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為熱通量,MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；U2為離地面2 m高處的風(fēng)速，m/s；(es-e0)為飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差，kPa；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

1.3.2M-K突變檢驗(yàn)與趨勢(shì)分析

本研究通過M-K突變性檢驗(yàn)與趨勢(shì)檢驗(yàn)探究氣象因子、ET0以及NPP的時(shí)間序列上的變異特征，并利用變異系數(shù)分析ET0和NPP在區(qū)域上2000—2020年間變化波動(dòng)程度的空間分布格局。

M-K突變檢驗(yàn)通過對(duì)時(shí)間序列xi構(gòu)造秩序列ri(表示xi>xj(1≤j≤i)的樣本累計(jì)數(shù))定義統(tǒng)計(jì)變量UFk：

(2)

(3)

(4)

(5)

趨勢(shì)檢驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量Z作為指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

式中：var(S)為方差；n為時(shí)間序列個(gè)數(shù)。

變異系數(shù)是統(tǒng)計(jì)學(xué)中衡量數(shù)據(jù)變化程度的統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算公式如下：

(8)

1.3.3地統(tǒng)計(jì)分析

以氣象站點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用反距離權(quán)重法(IDW)對(duì)各氣象因素和ET0進(jìn)行空間插值，得到其逐年空間分布情況。具體計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

利用ArcGIS軟件將河西走廊地區(qū)的土地利用類型重分類為6大類：耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地和未利用土地。通過地統(tǒng)計(jì)分析探索數(shù)據(jù)：1)統(tǒng)計(jì)各年各地類在河西走廊上的面積占比，以獲得不同土地類型逐時(shí)段的增減情況；2)對(duì)2000年與2020年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加融合，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)分析得到2000—2020年土地利用的動(dòng)態(tài)變化，建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；3)通過空間多圖層和點(diǎn)密度分析數(shù)據(jù)多年變化以獲得區(qū)域受影響程度的空間分布情況。

1.3.4地理探測器模型

地理探測器是一種融合多種統(tǒng)計(jì)方法的分析工具，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠處理分析數(shù)值量和定性數(shù)據(jù)兩大類數(shù)據(jù)，并且能夠探究氣象因素對(duì)水碳通量的交互影響。該模型包括4個(gè)探測器：因子探測、交互作用探測、生態(tài)探測以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測。因子探測主要是對(duì)因變量Y的空間分異性以及每個(gè)自變量X解釋Y的空間分異性的程度進(jìn)行探測，用q值量化衡量解釋的程度高低，q值越大代表該自變量X對(duì)因變量Y的解釋能力越強(qiáng)，反之則越弱，q的表達(dá)式為[23]：

(12)

(13)

SST=Nσ2

(14)

式中：h=1,2,…；L為變量Y或因子X的分層，即分類或分區(qū)；Nh和N分別為層h和全區(qū)的單元數(shù)；σh2和σ2分別是層h和全區(qū)的Y值的方差；SSW和SST分別為層內(nèi)方差之和。

交互作用探測是評(píng)估2個(gè)因子X1和X2共同作用下對(duì)因變量Y的解釋能力是否會(huì)增強(qiáng)或減弱，交互探測結(jié)果按由弱至強(qiáng)可分為5類：非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強(qiáng)、獨(dú)立和非線性增強(qiáng)。生態(tài)探測器利用F檢驗(yàn)，比較說明各影響因素對(duì)于水碳通量空間差異性的驅(qū)動(dòng)作用是否有顯著影響。風(fēng)險(xiǎn)探測器通過t檢驗(yàn)來判斷兩個(gè)子區(qū)域間的屬性均值是否有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素變化趨勢(shì)

以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究2000—2020年河西走廊上平均氣溫、降水量、平均氣壓、平均相對(duì)濕度和日照時(shí)長的變化規(guī)律，趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見圖2?？芍浩骄鶜鉁嘏c降水量均呈上升趨勢(shì)，在95%顯著性水平下降水量上升趨勢(shì)顯著，而平均氣溫不顯著。平均氣壓、平均相對(duì)濕度和日照時(shí)長均呈下降趨勢(shì)，其中平均氣壓和平均相對(duì)濕度在95%顯著性水平下下降趨勢(shì)顯著。在2015年降水量出現(xiàn)突變點(diǎn)，即在2015年后降水量突變性上升。2008年與2011年前后，平均相對(duì)濕度與平均氣壓也存在突變點(diǎn)，在突變點(diǎn)后顯著下降。

圖2 氣象因素M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 M-K trend test results of meteorological factors

與2000年相比，2020年河西走廊地區(qū)氣候條件變化顯著，平均氣溫上升了約0.48 ℃，日平均降水量增加1.2 mm，這與劉凱等[3]對(duì)中國多年來的氣候變化趨勢(shì)研究結(jié)果相符，說明在氣候變暖的影響下河西走廊整體氣候趨于暖濕，且影響較為顯著。

2.2 土地利用格局變化

5個(gè)年份的土地利用類型分布格局見圖3?？芍喊l(fā)現(xiàn)2000—2020年河西走廊地區(qū)的土地利用類型分布整體變化不顯著，但均有明顯變化趨勢(shì)。21年間城鎮(zhèn)用地、耕地與水域面積分別增加65%、21%和14%，未利用土地與林地面積減少2%～4%，草地面積無明顯變化。耕地面積在黑河流域以及石羊河流域中部地區(qū)顯著增加；而未利用土地在民勤縣、張掖市等地區(qū)被草地、耕地等其他土地所覆蓋的現(xiàn)象較明顯；城鎮(zhèn)用地面積的增大主要是在原有城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張所導(dǎo)致，分布在原有城鎮(zhèn)用地周邊。

圖3 2000—2020年河西走廊土地利用分布格局Fig.3 Land use distribution pattern in Hexi Corridor from 2000 to 2020

利用地統(tǒng)計(jì)分析得到河西走廊上不同地類占比分布，由圖4(a)可見：未利用土地在河西走廊的總土地面積中所占比例最大(約65.0%)，城鎮(zhèn)用地所占比例最小(約0.6%)。在西北部大部分區(qū)域以及民勤縣北部大多是沙漠、戈壁以及鹽堿地等未利用土地，穿插有部分草地。草地和林地主要分布在沿祁連山山脈、中部地區(qū)以及西南部地區(qū)。水域主要沿石羊河、黑河以及疏勒河河網(wǎng)分布，所占比例極小。城鎮(zhèn)用地多依附于三大水系，在石羊河與黑河流域分布最廣。

利用土地類型轉(zhuǎn)移矩陣以探究2000—2020年間不同地類間的轉(zhuǎn)移情況，結(jié)果如圖4(b)可見：相比于2000年，2020年未利用土地主要轉(zhuǎn)換為草地，其次是耕地；草地除轉(zhuǎn)移為未利用土地外，還有相當(dāng)部分轉(zhuǎn)移為耕地與林地；耕地與林地均主要轉(zhuǎn)換為草地；水域轉(zhuǎn)移為未利用土地與草地面積較大；城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)化為耕地面積最大。2000—2020年整體土地利用格局向植被增多的方向轉(zhuǎn)變，受人類活動(dòng)干預(yù)的區(qū)域面積大幅增加。

圖4 2000—2020年河西走廊土地利用類型變化情況Fig.4 Changes of land use types in Hexi Corridor from 2000 to 2020

2.3 水碳通量時(shí)空演變特征

ET0多年均值空間分布如圖5(a)所示?？芍汉游髯呃壬螮T0的分布呈現(xiàn)自西向東遞減的空間格局，有較明顯的空間差異性。日均值最高出現(xiàn)在敦煌市(4.02 mm)，最低值出現(xiàn)在天祝藏族自治縣(2.61 mm)。敦煌至玉門一帶ET0普遍較高，天祝藏族自治縣附近明顯低于其他區(qū)域。由圖5(e)可以看出，21年間ET0均值在河西走廊上整體較為穩(wěn)定，其中在黑河中游變化波動(dòng)最劇烈，其次是在敦煌、肅北、玉門、民勤等地區(qū)變化程度較大。

NPP多年均值在河西走廊上的分布情況如圖5(c)?？梢姡篘PP多年均值在河西走廊地區(qū)呈現(xiàn)自南向北、自西向東遞減的空間格局。最高值在天祝藏族自治縣(319.4 g/m2),在祁連山山脈、武威市、天祝藏族自治縣和張掖市數(shù)值較高，最低值在肅北蒙古族自治縣(93.9 g/m2)，最高值約為最低值的3.4倍。21年來整體NPP變化波動(dòng)不大，在黑河中上游以及武威北部小部分地區(qū)CV值較大，說明該區(qū)域年際變化波動(dòng)劇烈，其次是石羊河流域古浪縣、武威市以及永昌市鄰近區(qū)域。在祁連山山脈一帶CV值均偏小，說明近20年該區(qū)域NPP變化較小，整體趨于穩(wěn)定。

圖5 2000—2020年河西走廊ET0與NPP時(shí)空演變特征化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Spatial and temporal evolution characteristics of ET0and NPP in Hexi Corridor from 2000 to 2020

根據(jù)MK突變性檢驗(yàn)以及趨勢(shì)分析結(jié)果，河西走廊21年間ET0在95%顯著性水平下呈顯著上升趨勢(shì)，并且在2011—2012年之間出現(xiàn)明顯突變點(diǎn)。河西走廊上NPP均值年際變化同樣在95%顯著性水平下呈顯著上升趨勢(shì)，在2010年前后出現(xiàn)明顯突變點(diǎn)。在2010—2012年期間區(qū)域植被水碳通量均出現(xiàn)明顯突變，說明在此前后生態(tài)環(huán)境可能因氣候變化或人類活動(dòng)影響發(fā)生較大轉(zhuǎn)變。

2.4 植被水碳通量驅(qū)動(dòng)因子交互作用

2.4.1氣象驅(qū)動(dòng)因素分析

通過地理探測器探究不同氣象因素對(duì)ET0與NPP影響效應(yīng)。為獲得更加準(zhǔn)確的探測結(jié)果，依照數(shù)據(jù)變化區(qū)間長度不同，劃定不同因素的等級(jí)數(shù)，利用自然斷點(diǎn)法將平均氣溫和日照時(shí)長分成15個(gè)等級(jí)，將降水量、平均相對(duì)濕度和平均氣壓分為25個(gè)等級(jí)。

由因子探測結(jié)果顯示，對(duì)于ET0與NPP而言5個(gè)氣象因素均通過了99%水平的顯著性檢驗(yàn)，可以對(duì)ET0與NPP空間變異性做出不同程度的解釋。ET0的單因子相關(guān)性結(jié)果發(fā)現(xiàn)：平均相對(duì)濕度q值最大接近1，其次是降水量與日照時(shí)長，均超過了0.8。平均氣溫的q值最低，僅為平均相對(duì)濕度的30%左右。NPP的結(jié)果顯示，日照時(shí)長對(duì)NPP變化的影響最大，其次是平均相對(duì)濕度，這兩個(gè)因子對(duì)NPP變化的解釋能力最強(qiáng)，其次是降水量、平均氣壓，平均氣溫對(duì)其變化的作用明顯低于其他4個(gè)因子。

交互探測器結(jié)果顯示，對(duì)于ET0而言，平均相對(duì)濕度與其他因素交互作用最強(qiáng)，均接近于1，降水量與平均氣壓交互作用q值最低。降水量本身對(duì)ET0影響作用較小，與其他因子交互后q值明顯提高。所有因子的交互作用都是雙因子增強(qiáng)作用，表示任意兩個(gè)因子之間交互作用均大于單個(gè)因子的個(gè)體作用。對(duì)于NPP而言，平均氣溫與降水量、平均氣壓之間的交互作用呈現(xiàn)非線性增強(qiáng)，其余因子兩兩之間均為雙因子增強(qiáng)。其中平均氣壓與平均相對(duì)濕度的交互作用q值最大，平均氣溫與平均氣壓的交互作用q值最小。降水量與其他因子的交互作用普遍較強(qiáng)，而降水自身的q值并不是最高的，進(jìn)一步說明因子間的交互作用對(duì)NPP空間分布的控制程度更高。

利用生態(tài)探測器以比較各個(gè)因子之間對(duì)ET0與NPP空間變異性影響的差異性，通過F檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與其他因子之間以及降水量與平均相對(duì)濕度均存在顯著差異。

風(fēng)險(xiǎn)探測器結(jié)果顯示ET0與NPP與氣象因素的相關(guān)方向相反，即ET0隨氣溫、日照時(shí)長和平均氣壓等級(jí)的增加而上升，呈正相關(guān)，其余呈負(fù)相關(guān)；而平均氣溫、日照時(shí)長和平均氣壓與NPP值變化呈負(fù)相關(guān)，平均相對(duì)濕度和降水量與NPP值變化呈正相關(guān)。ET0與NPP隨平均氣溫增加變化波動(dòng)較大，可以發(fā)現(xiàn)其顯著性明顯低于其他4個(gè)因子。

表1 ET0與NPP氣象驅(qū)動(dòng)因素的單因子相關(guān)性分析Table 1 Single factor correlation analysis on the meteorological driving factors of ET0 and NPP

表2 ET0與NPP氣象驅(qū)動(dòng)因素的雙因子交互探測結(jié)果Table 2 Two-factor interactive detection results of the meteorological drivers of ET0 and NPP

2.4.2不同地類變化下的響應(yīng)

近20年來，ET0在水域上日均值最大(3.23 mm)，在城鎮(zhèn)用地、草地、林地以及耕地上均值較小，均在3.17 mm左右。自2000—2020年各個(gè)地類上ET0均值一致呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，其中林地增幅最大，達(dá)8.6%；耕地增幅最小為6.5%。NPP在耕地上均值最大(182.88 g/m2)，未利用土地上最小(40.58 g/m2)，僅為耕地的22%。除城鎮(zhèn)用地外，其他5種地類都有不同程度的增長，耕地與林地漲幅超40%，草地與水域增長約30%，未利用土地增長13%左右。ET0與NPP在不同地類上的分布有顯著差異，這與不同地類的氣候條件與下墊面情況密切相關(guān)。

圖6 2000—2020年不同地類的ET0與NPP均值Fig.6 Mean values of ET0 and NPP of different land types from 2000 to 2020

顯然，不同地類的互相轉(zhuǎn)化與ET0和NPP的變化關(guān)系緊密，利用地統(tǒng)計(jì)分析建立ET0與NPP對(duì)于地類轉(zhuǎn)移的損益矩陣。結(jié)果顯示不同地類轉(zhuǎn)為林地或未利用土地時(shí)ET0增長明顯高于轉(zhuǎn)移為其他地類，其他地類轉(zhuǎn)化為耕地所增加的ET0均處于較低水平。林地轉(zhuǎn)入其他地類所增加的ET0最高值相較于最低值高100%，除未利用土地外其他地類轉(zhuǎn)移間的差異均高于60%。對(duì)于NPP而言，除城鎮(zhèn)用地外四種地類轉(zhuǎn)入耕地所增加的NPP都是最高的，其次是林地與草地。城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)為林地時(shí)NPP增加最多。其他地類轉(zhuǎn)化為未利用土地所增加的NPP最低。不同地類轉(zhuǎn)化所引起的NPP變化差異大，林地、水域以及未利用土地最大值均比最小值高1倍以上，城鎮(zhèn)用地極值間差距最小，最大值高出最小值43%。

3 討 論

3.1 氣候變化與人類活動(dòng)影響下植被水碳通量時(shí)空演變模式

河西地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，敏感性高，近年來人類活動(dòng)愈加強(qiáng)烈，對(duì)該區(qū)域植被生長與生態(tài)狀況的影響較大。自2000年以來河西走廊潛在蒸散發(fā)與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力有所波動(dòng)但整體保持上升的趨勢(shì)，這與汪精海等[24]和李傳華等[25]的相關(guān)研究結(jié)果一致。

地理探測器結(jié)果顯示氣象因子對(duì)于水碳通量的演變有顯著影響。平均相對(duì)濕度和日照時(shí)長是主導(dǎo)因素，且與其他氣象因子交互作用明顯增強(qiáng)。ET0與平均氣溫呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)，NPP則反之。戶廣勇等[26]與范也平等[27]分別對(duì)于水碳通量變化驅(qū)動(dòng)因子的討論結(jié)果與本研究相似。在河西走廊的經(jīng)濟(jì)中心城市帶NPP偏高，NPP與土地利用變化面積年際波動(dòng)大。主要由于區(qū)域城市化程度高，人口密度大，耕地、草地面積覆蓋率高，對(duì)于涵養(yǎng)水源，擴(kuò)展耕地面積，保護(hù)林草地等生態(tài)保護(hù)方面重視程度高。祁連山山脈草地與林地密度大，NPP在山脈附近達(dá)到高值。西部及民勤縣大部分地區(qū)為荒漠、戈壁與裸巖石質(zhì)地等未利用土地，沿疏勒河與石羊河水系有小部分綠洲，氣溫高，降水少，蒸散量大，地區(qū)生態(tài)敏感性強(qiáng)，因此導(dǎo)致ET0明顯高于其他區(qū)域，且年際變化劇烈，NPP極低。

在氣溫高、降水少的沙漠地區(qū)由于人類活動(dòng)的干擾較少，植被水碳通量的主要控制因素為氣候條件，而在城鎮(zhèn)以及耕地等人類活動(dòng)密集的區(qū)域，人類活動(dòng)對(duì)植被水碳通量的干擾不容忽視，對(duì)于調(diào)節(jié)該區(qū)域的氣候以及植被密度等方面有重要作用(圖7)，這與李傳華等[25]研究發(fā)現(xiàn)河西走廊大部分區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)NPP有積極影響的結(jié)果一致。草地及林地屬于較為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，水碳通量的變化主要依賴于氣候條件的變化以及部分地區(qū)退耕還林、還草政策的實(shí)施。在氣候變化與人類活動(dòng)的共同影響下，河西走廊生態(tài)環(huán)境的空間變異性顯著，且生態(tài)環(huán)境的變化對(duì)水碳通量有顯著影響，同時(shí)水碳通量的時(shí)空演變也反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。

圖7 河西走廊受氣候變化及人類活動(dòng)影響程度區(qū)域分布Fig.7 Regional distribution of impacts of climate change and human activities in Hexi Corridor

3.2 河西走廊的生態(tài)治理管理與效應(yīng)

河西走廊NPP空間分異性強(qiáng)，在部分地區(qū)年際變化較不穩(wěn)定，表明區(qū)域生態(tài)演替發(fā)生較為頻繁，并且地區(qū)生態(tài)環(huán)境在向好發(fā)展。而ET0在絕大部分區(qū)域也是呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)的，這主要取決于地區(qū)氣候條件的變化，說明該地區(qū)氣候條件變化方向較為一致，趨勢(shì)較為顯著。總體來說，在人類與自然的共同作用下，近20年來河西走廊的生態(tài)環(huán)境總體向好。

2000年后，河西走廊地區(qū)展開了大面積的生態(tài)治理工程，經(jīng)過20年的不斷努力，防沙治沙工程、流域生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)植被等方面取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展[28]。將甘肅2014年第五次荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果與2009年的第四次監(jiān)測結(jié)果相比，全省荒漠化土地面積整體呈減小趨勢(shì)[27]。在2016年之后，加強(qiáng)了河西走廊疏勒河、黑河以及石羊河三大內(nèi)陸河流域的生態(tài)治理。河西走廊上的居住用地以及耕地多依附于內(nèi)陸河以及祁連山發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)在流域干流附近的城鎮(zhèn)居民用地以及耕地明顯增多，NPP顯著升高且變化較劇烈，說明在氣候變化的條件下生態(tài)治理促進(jìn)了區(qū)域生態(tài)演替過程，生態(tài)改善效果顯著，這與孫欽珂等[30]、方創(chuàng)琳等[31]以及Kang等[32]相關(guān)研究的研究結(jié)果一致。民勤、敦煌等沙漠地區(qū)通過人工造林、工程固沙、恢復(fù)植被等措施重點(diǎn)治理，對(duì)于該區(qū)域的生態(tài)治理有顯著作用，由河道衍生的綠洲面積不斷增大，特別是民勤地區(qū)20年來NPP不斷呈上升趨勢(shì)，生態(tài)演替速度加快。

對(duì)于未來的城鎮(zhèn)規(guī)劃和農(nóng)田管理，需要加強(qiáng)河西走廊地區(qū)水土資源的合理調(diào)配。由于氣候趨于暖濕，河西走廊ET0均值呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，特別是河西走廊西北地區(qū)氣候干旱，蒸散量大，故提高水資源利用效率尤為重要。關(guān)注敦煌、玉門等地的用水缺口，建設(shè)引調(diào)水工程以助力地區(qū)發(fā)展。武威、高臺(tái)、金昌等多個(gè)大型灌區(qū)可通過增加經(jīng)濟(jì)投入發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)，考慮秸稈還田、輪作、休耕等耕作制度，調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)以解決生態(tài)資源與經(jīng)濟(jì)利益之間的矛盾；而人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干預(yù)是可控的，目前河西走廊NPP整體穩(wěn)定上升，土地利用情況較20年前有明顯變化，尤其黑河與石羊河流域中部的張掖、永昌、武威等地城鎮(zhèn)與耕地面積不斷增大。未來人類對(duì)河西走廊自然景觀的干預(yù)應(yīng)在可持續(xù)發(fā)展為原則的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)城市化的擴(kuò)張管理，不能以犧牲生態(tài)的條件發(fā)展經(jīng)濟(jì)，盡量保護(hù)林地、草地以及濕地面積；另外，目前河西走廊西北部大面積戈壁沙漠及東部巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠的生態(tài)情況仍不容樂觀，氣候加速變暖是暫時(shí)無法改變的趨勢(shì)，因此需要持續(xù)關(guān)注荒漠化區(qū)域的生態(tài)狀況，尤其民勤縣作為阻隔兩大沙漠交匯的綠洲區(qū)域需要重點(diǎn)保護(hù)，積極采取相應(yīng)的措施(例如植樹造林、涵養(yǎng)水源等)以避免生態(tài)脆弱區(qū)域環(huán)境加速惡化，防止區(qū)域周圍的可利用土地受到影響。

4 結(jié) 論

本研究以多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析河西走廊地區(qū)2000—2020年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水(ET0)、碳(NPP)通量時(shí)空變化的影響，本研究主要結(jié)論如下：

1)2000—2020年，河西走廊地區(qū)ET0和NPP均呈顯著上升趨勢(shì)，突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在2010年和2011年前后，在該時(shí)間點(diǎn)后水碳通量呈現(xiàn)突變性的顯著上升。在空間上，ET0呈現(xiàn)西高東低的分布格局，NPP多年均值自南向北遞減，在西部區(qū)域以及民勤縣值普遍較低。21年間ET0年際變化均較為穩(wěn)定，而NPP的變化波動(dòng)相較于ET0更加顯著。在黑河上游和武威-永昌一帶ET0和NPP變化波動(dòng)大，生態(tài)演替活動(dòng)頻繁，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。

2)平均氣溫、降水量、平均氣壓、日照時(shí)長和平均相對(duì)濕度5個(gè)氣象因素對(duì)ET0和NPP的影響顯著：平均相對(duì)濕度是ET0變化的主控因子，日照時(shí)長是NPP變化的主控因子；但雙因子組合對(duì)ET0與NPP的時(shí)空演變特征的解釋能力更強(qiáng)，對(duì)ET0和NPP影響最大的雙因子組合均是平均相對(duì)濕度和降水量，平均氣溫對(duì)兩者變化的影響最小且對(duì)兩者的影響與其他因子間存在顯著不同。

3)2000—2020年河西走廊地區(qū)沙漠、戈壁等未利用土地面積顯著減少，耕地、水域與城鎮(zhèn)用地面積大幅提高。不同地類的轉(zhuǎn)移對(duì)ET0和NPP的變化有很大影響且存在較大差異，不同地類轉(zhuǎn)為林地以及未利用土地時(shí)ET0漲幅明顯增大，轉(zhuǎn)移為耕地時(shí)漲幅較低。其他地類轉(zhuǎn)為耕地時(shí)NPP增加最多，轉(zhuǎn)為未利用土地時(shí)最少。在未來的土地利用規(guī)劃中，應(yīng)將土地格局引起的植被水碳通量變化考慮在內(nèi)，合理擴(kuò)張城市，保護(hù)耕地，擴(kuò)展林草地面積，最大限度減少人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的消極影響。

4)植被水碳通量變化可以較好地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變趨勢(shì)，在氣候條件變化和人類活動(dòng)的影響下，河西走廊地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境向好。面對(duì)氣候變暖的大環(huán)境，人類活動(dòng)對(duì)于生態(tài)的影響不容小覷，在人類活動(dòng)比較頻繁的地區(qū)，例如黑河中上游流域、武威市等區(qū)域應(yīng)避免人類對(duì)環(huán)境的過度改造，同時(shí)保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)間的平衡；對(duì)于沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)通過植樹造林、固沙防沙等合理的干預(yù)措施以改善環(huán)境，防止生態(tài)持續(xù)惡化。因此，河西走廊地區(qū)生態(tài)問題仍需要重視，實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)仍需要政策的大力支持以及群眾的共同努力。