盐池县荒漠草原人工植被重建对区域生态系统蒸散的影响

2019-12-11杜灵通马龙龙倪细炉

水土保持通报 2019年5期

丹杨，杜灵通，王乐，马龙龙，孟晨，倪细炉

（1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏银川750021；2.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏银川750021）

荒漠草原是干旱、半干旱地区的一种特殊草原植被类型，其植被往往具有明显的过渡性特征，中国北方草原由于长期的过度放牧和开垦，发生了不同程度的退化［1］，其中宁夏回族自治区盐池县的荒漠草原在20世纪70到80年代经历了较为严重的退化过程。随后，盐池县实施了一系列防沙治沙生态治理工程，特别是2000年来大面积实施的退耕还林工程和禁牧政策，致力于抑制和逆转当地的沙漠化，已取得了明显成效［2］。其中，大面积采用“人工种植柠条＋封育措施”的人工植被重建模式对退化荒漠草原进行治理，现已形成约8.9×104hm2的以俗称柠条的中间锦鸡儿（Cɑrɑgɑnɑintermediɑ）为优势种的荒漠草原灌丛景观［3］，其生态学过程和稳定性维持机理成为当前研究的热点。

蒸散（evapotranspiration，ET）由土壤蒸发与植物蒸腾组成，它既是陆地生态系统中土壤—植被—大气间水分消耗的主要途径［4］，也是生态系统水循环中最重要的水文过程之一［5］，还是联系植物气孔行为、水分利用和碳循环的关键生态过程［6］。在干旱半干旱地区，蒸散是草地生态系统主要的水分消耗方式，也是控制生态系统结构的关键过程［7］，对维持生态系统的稳定性具有重要意义。荒漠草原人工生态治理导致的灌丛化过程，尽管与自然灌丛化的成因不同［8］，但其也改变了原有植被结构，理论上会对草地生态系统碳水循环过程产生影响［9-10］。植被结构的变化会影响植物蒸腾过程，进而引起生态系统蒸散变化，而这种变化规律目前尚没有定量的研究。目前已有研究多集中在植被特征［11-14］和蒸散变化趋势［15-17］等方面，从区域尺度上宏观研究人工植被重建对蒸散影响的报道较少。因此，本文采用覆盖盐池县的长时间序列卫星遥感监测数据，开展荒漠草原植被重建对区域生态系统蒸散的影响，以期为干旱半干旱地区荒漠草原的生态修复提供理论依据。

1 研究区概况、数据与方法

1.1 研究区概况

盐池县（37°04′—38°10′N，106°30′—107°47′E）位于宁夏回族自治区东部，面积6 769 km2。盐池气象站观测的1958—2017年平均气温为8.34℃，年均降水量为296.99 mm，属于典型的温带大陆性气候。在地理单元上，盐池北接毛乌素沙漠，东南与黄土高原相连，属于黄土丘陵向鄂尔多斯台地的过渡地带，全县自东南向西北由干草原向荒漠草原过渡。土壤类型主要是灰钙土，其次是黑垆土和风沙土，其中南部黄土高原丘陵区以黑垆土为主，其次为灰钙土，北部鄂尔多斯缓坡丘陵区以风沙土、灰钙土为主。主要天然植物种有达乌里胡枝子（Lespedezɑdɑvuricɑ）、短花针茅（Stipɑbreviflorɑ）、白草（Pennisetum centrɑsiɑticum）、赖草（Leymus secɑlinus）、老瓜头（Cynɑnchum komɑrovii）等［18］。盐池近几十年在防沙治沙中，大面积人工种植柠条对荒漠草原自然植被干扰强烈，这样的人工植被重建模式也逆转了盐池县的土地沙漠化过程［19］。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 数据来源本研究所需要的数据主要包括中分辨率成像光谱仪（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）的ET、归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）以及降水数据。其中，MODIS数据来源于美国航空航天局网站（https：∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。主要使用 MODIS 的陆地二级产品MOD13A1归一化植被指数数据集和四级产品MOD16A2蒸散数据集［20-21］。ET 数据空间分辨率为500 m，时间分辨率是8 d，2001—2018 年共计828景。NDVI数据时间分辨率为16 d，空间分辨率为500 m，2001—2018共414景。气象数据来源于中国气象数据网（http：∥data.cma.cn）的中国地面气候资料日值数据集（V3.0），选取盐池站2001—2018年的日累积降水量数据。

1.2.2 数据处理方法首先使用MODIS Reprojection Tool软件对MODIS遥感影像进行预处理，将正弦曲线投影转换为阿尔伯斯等积投影，并将HDF 数据格式转化为Geo TIFF 数据格式。再根据MODIS产品的数据说明，将填充值剔除后，采用IDL 编程算法使用2001—2018年的同一期数据均值进行插补，之后使用ArcGIS软件插补缺少的2 景影像并裁剪获得覆盖盐池县区域的空间数据。将获得的盐池县空间数据利用Python编程对影像进行批量处理计算，获得月时间尺度的数据，再采用最大值合成算法［22］和累加法分别计算年NDVI和年ET。最后使用ENVI软件和IDL编程对NDVI和ET 系列遥感图像进行像元统计分析和数值计算。

1.3 研究方法

1.3.1 趋势分析为了定量的分析盐池县ET 和NDVI的变化趋势，采用处理得到2001—2018 年的年NDVI和年ET 数据，使用最小二乘回归分析法，对植被和蒸散的变化进行回归模拟：

式中：k——回归斜率；n——研究时段；i——时间变量，i＝1，2，… ，n；xi——第i年的样本值（NDVI或ET）；当k＞0说明样本数据处于增加趋势，反之则是减少趋势。结合数据变化趋势和F 检验（p＝0.05，p＝0.01），可得到极显著上升（k＞0，p＜0.01），显著上升（k＞0，0.01＜p＜0.05），不显著上升（k＞0，p＞0.05），不显著下降（k＜0，p＞0.05），显著下降（k＜0，0.01＜p＜0.05），极显著下降（k＜0，p＜0.01）这6种变化趋势。

1.3.2 相关分析利用Pearson 相关分析法研究NDVI和ET 的关系，定量评估植被变化与蒸散的关系，其计算公式如下：

式中：xi——第i年的NDVI；yi——第i年的ET；¯x，¯y——NDVI和ET 的多年均值；Rxy——相关系数，当Rxy＞0时表示正相关，当Rxy＜0时表示负相关。Pearson相关系数Rxy的绝对值越大，表示因变量与自变量的相关程度越高。

2 结果与分析

2.1 NDVI变化特征

2001—2018年盐池县年均NDVI为0.288 0，其中最低的2005 年为0.213 0，最高的2018 年为0.388 7。年均NDVI整体较低，体现了盐池县的气候植被特点，盐池地处半干旱地区，植被类型以荒漠草原为主，植被覆盖度整体偏低、生产力偏弱。但近18 a的NDVI变化呈显著性上升趋势，年增长幅度为0.006 0／a（见图1），尽管在一些年份出现波动，但整体上升趋势特征很显著，对比历史同期的极端气候情况，可以发现波动低谷与宁夏经历的极端干旱事件［23］有关。从近18 a盐池县年内逐月NDVI的变化来看，年内NDVI表现出随植被生长季变化的单峰特征（图1）。NDVI在2月达到最低值，在4月植被进入生长季后，NDVI表现出明显上升态势，在8月生长季达到最旺盛时，NDVI也达到最高值0.27。之后，随着秋冬季的来临，植被开始逐渐衰落，NDVI开始下降。NDVI的这种变化特征与盐池地区的主要植物生长节律一致。

图1 2001－2018年盐池县NDVI的年际和平均年内变化特征

从2001—2018的NDVI均值空间分布来看（图2），盐池东南部大水坑镇—麻黄山乡一带和东北部花马池镇的NDVI值相对较高。大水坑—麻黄山乡一带为黄土丘陵区，小气候相对湿润，植被本底较好；东北部花马池镇发展有较大面积的灌溉农业，故植被相对丰茂。而盐池西部，特别是西北部为大面积的荒漠草原，其NDVI值偏低，只有一些以农业灌溉垦殖区和生态治理重点区为中心的斑块状区域NDVI稍高。从NDVI的空间变化趋势来看，呈上升趋势的区域面积占盐池县域的98.55%，其中65.34%的区域达到了显著性上升（p＜0.05），42.07%的区域达到了极显著上升（p＜0.01）。由此可见，近些年盐池县宏观的植被盖度、密度增长明显，生态治理工程在植被恢复方面取得了显著的成效。

图2 2001－2018年盐池县NDVI均值和变化趋势

2.2 ET变化特征

2001—2018年盐池县年均ET 为266.73 mm，其最小值出现在2001年，为204.31 mm，最大值出现在2016年，为318.77 mm（见图3）。大多数年份ET低于同期盐池县的降水量，只有在2005，2006，2010和2013等个别年份，生态系统ET高于同年降水量，可见盐池荒漠草原地区生态系统ET 的水分来源主要为降水向土壤的补给，当在个别干旱年份，生态系统过多的需水会损耗到深层土壤水及浅层地下水。ET 年际间也呈波动增强趋势，增长幅度为6.27 mm／a，增强趋势达到了极显著。盐池荒漠草原的月均ET 为20.44 mm，低于月均降水量5.73 mm。年内ET 从年初开始逐渐降低，在5月达到最低值12.78 mm 后，随着夏季降水的增加、太阳辐射的增强和植被快速生长期的到来，ET开始上升，在8月达到24.81 mm 的顶峰，之后，随着雨季和植物生长季的结束，ET 开始下降（图3）。由于ET 由土壤蒸发和植被蒸腾共同构成，其年内变化虽然在一定程度上受自然降水的影响，但荒漠草原的沙质土壤—植被系统对降水转化为ET 有一定的滞后作用，故ET 在全年的波动没有降水波动大。

图3 2001－2018年盐池县ET的年际和年内变化特征

从ET 的空间分布情况来看，表现出由西北向东南逐渐增高的特征（见图4）。ET 的这种空间分布与地理、气候特征有关，盐池县从西北向东南由风沙区的荒漠草原向黄土区的典型草原过渡，降水量也由北向南逐渐增加。

除了ET 在空间上随地理、气候变化的规律性特征外，盐池县在惠安堡镇—冯记沟乡—王乐井乡—花马池镇一线还分布着一些ET 高于周边状态的斑块状区域，这些斑块状高ET 区为20世纪90年代建成的扬黄灌区和库井灌区，由灌溉农业导致的高蒸发和高蒸腾引起斑块状高ET。ET 的年际间变化斜率显示，全县ET 在2001—2018年间均呈上升趋势，进一步利用F 检验（p＜0.01）得出，盐池县的ET 上升趋势达到了极显著。通过对比ET 均值和变化趋势图得出，ET 平均值越高的区域，其近18 a的变化斜率也越高。

图4 2001－2018年盐池县ET均值和变化趋势

2.3 人工植被重建对区域生态系统蒸散的影响

已有研究表明，封育禁牧、灌区开发、退耕还林等人类活动促使盐池NDVI的显著增加［8］，故盐池县NDVI的变化一定程度上代表了人工植被重建的强弱。为定量探讨荒漠草原人工植被重建对生态系统蒸散的影响，利用Pearson相关分析法研究了近18 a ET 与NDVI间的相关性。结果表明，近18 a盐池荒漠草原ET 与NDVI存在极显著正相关关系（R＝0.82，p＜0.01），即在植被生长茂盛的年份，其生态系统的蒸散也更强（见图5）。

由于年NDVI是由最大值合成算法获得，其代表的是一年中植被生长最好的状态，但不能说明植被生长全过程中ET 与NDVI的关系。为此，本研究累加了盐池荒漠草原主要植物的生长季（4—9月）的ET，并分析其与生长季平均NDVI的关系。结果显示，植被生长季的ET 与NDVI存在更强的相关性（R＝0.89，p＜0.01），即荒漠草原植被生长过程中，NDVI越高的年份，植被生长越丰茂，生态系统蒸散也越强（图5）。此外，从2001—2018年间生长季（4—9 月）和非生长季（10月至次年3月）的逐月ET 与NDVI关系来看，在生长季二者存在极显著正相关关系（R＝0.82，p＜0.01），即随着植物生长越茂盛，NDVI越高，ET 也越高，这与前文NDVI和ET 的特征一致，如在8月NDVI达到年内最大，ET 也升到年内最高。而在非生长季二者不存在相关关系，即非生长季生态系统ET 主要来自于蒸发，与植被生理生态活动的关系不大（图5）。

此外，从NDVI和ET 的像元相关性分析来看（图6），NDVI越高的像元，其ET 值也越高，在盐池县全境31 490 个像元中，二者的相关系数达到了0.63（p＜0.001）。这一结果说明，在不同覆盖度（不同NDVI）下生态系统的ET 存在差异，高覆盖度的植被类型其蒸散更强，如灌溉农业、森林和高盖度草原。从NDVI变化斜率和ET 变化斜率的相关性分析也可以看出，NDVI在近18 a上升越快的像元，其ET也增强的越快。由此可初步判断，盐池荒漠草原植被盖度的增加和植被结构的变化，在一定程度上驱动了区域生态系统蒸散的增强。

图5 2001－2018年盐池县NDVI与ET间的相关性

图6 2001－2018年盐池县像元尺度NDVI与ET及二者变化斜率的相关性

进一步对年均的NDVI采用自然断点法分级，并使用ArcGIS 软件中的分区统计工具，结合2001—2018年蒸散变化斜率的数据，分析不同NDVI范围内ET 的变化情况。结果表明，在NDVI最高值区（0.46～0.72），ET 的变化斜率也最大，达到了10.46 mm／a；在NDVI的最低值区（0.06～0.24），ET 的变化斜率也最小，只有5.58 mm／a，这一结果再次证实，高植被覆盖区其近18 a的生态系统蒸散增强越快（见表1），即在荒漠草原区域高密度、高盖度的植被结构会产生更大的生态系统蒸散，消耗更多的水资源。

同时，统计了不同NDVI变化趋势下的ET 变化斜率。结果表明，尽管盐池所有区域的ET 在近18 a均在增强，但不同NDVI变化趋势下的ET 变化斜率存在差异。全县仅有0.078%的区域其植被在退化，NDVI呈显著下降趋势，而这些区域的ET 仍然呈现增强趋势，但增强速度在所有类型中最慢。在植被盖度、密度增加，NDVI 呈显著上升的区域（占全县65.34%），其ET 增强速度快。在NDVI为极显著上升的区域ET 增强速度最快，达到了6.72 mm／a（表2）。盐池县通过在荒漠草原实施系列生态治理工程，促使县域内植被盖度、密度明显增强，这也加剧了其生态系统的蒸散耗水，在干旱半干旱地区降水量有限的情况下，快速大量的生态系统水分蒸散增加和耗水量加大，无疑对这一脆弱生态系统的稳定性带来了压力，一些深根灌木会不断的消耗深层土壤水分，进而导致水分供需平衡失衡。虽然盐池降水量在2001—2018年也呈现上升趋势，但蒸散的增强速率明显大于降水增加速率，长期可能会导致人工重建植被生态系统的稳定性下降。

表1 2001－2018年盐池县不同NDVI值域范围的ET变化斜率

表2 2001－2018年盐池县不同NDVI变化趋势下的ET变化斜率

3 讨论

盐池县NDVI的上升，整体植被的好转与人工植被重建实施的系列生态治理工程有关。盐池县沙漠化土地曾占县域面积的52%，1961—1990年间，北部的沙漠化面积还扩大了12.5%，引起了当地政府的高度重视。盐池县天然草原面积占全县总面积的65.12%，由于当地的气候条件和人类活动的压力，2000年后草原出现了生态赤字，2002年底，盐池县开始实施禁牧封育政策［24］。同期盐池县还实施了退耕还林、三北防护林、天然林保护等重点生态建设工程，这些项目覆盖境内73%荒漠化面积，中强度沙化土地基本得到治理，实现了“人进沙退”，也在荒漠草原上建设和抚育起大面积的人工灌木林［3］。截止2017年，全县超过1.33×105hm2沙化土地得到有效治理，20 hm2以上的明沙丘基本消除，林木覆盖度、植被覆盖率分别提高到31%和68%［25］。

ET 在连接陆地生态系统的碳水循环和能量平衡中发挥着至关重要的作用，同时也受到植被和环境的动态影响［26］。吴荣军等［16］利用遥感—过程耦合模型对淮河流域ET 模拟研究，并对其时空变化特征、不同覆被类型下的区域实际蒸散特征及其主要影响因子进行定量分析。结果表明该区域内农田由于灌溉条件好，土壤水分供应相对充足的原因使得其蒸散贡献量最大，这很好地解释了盐池县ET 的空间分布中出现的农田斑块高值区的现象。万红莲等［14］在探究近40 a来干旱时空变化格局及其对植被覆盖的响应时，发现干旱发生最严重的是春季，这与本研究中蒸散的年内变化在春季时达到最低的结果一致。植物在春季开始生长而又没有充足的水分，因此，这是一年中生态系统供水最为匮乏的时期。刘可等［17］研究了宁夏草地2000—2014年的蒸散时空分布格局与演变规律，其研究结果表明盐池县所在区域的蒸散变化趋势小于与本文中得到结果，这可能是因为两者研究的时间序列长度不同，盐池县在2015—2018 年间降雨量与蒸散量显著增加，蒸散增加的趋势上涨。

大量的人工植被的种植，使得植被覆盖度增加，对生态系统的生态水文过程产生了重要的影响［27-28］。Zhang等［26］探究了1982—2013年全球植被绿化以及气候变化对蒸散的影响，结果表明蒸散呈明显的上升趋势，并且与NDVI高度相关（R＝0.91，p＜0.01），这与本文得到的结论一致。盐池县面积小空间异质性低，加之其所在的半干旱区特有气候条件，在大量的造林工程实施后也在一定程度上加速了研究区域的蒸散。王雅舒等［29］分析了退耕还林还草工程对黄土高原退耕区ET 的影响，结果表明ET 的增加主要归因于植被增多，并且指出在退耕阶段植被蒸腾与土壤蒸发相比对ET 的贡献率更大，也反应了植物生长对ET 的增加有很大的影响。随着植被盖度增加，土壤蒸发占比减小［29］，如果未来土壤水分出现持续减少，可能会使植被的生长受到限制，从而影响到生态恢复的效果。由于在降雨量低于500 mm 的区域可以忽略地表径流的产生［30］，因此在盐池荒漠草原降雨是水分的来源，ET 是水分耗散的主要途径。本研究分析了蒸散与降水的数据，虽然自2001年以来年降水量高于年蒸散量，但蒸散的增加趋势明显强于降水的增加趋势，这种情况持续下去可能会打破盐池荒漠草原的水分供需平衡关系，从而影响到荒漠草原生态系统的稳定性。已有研究表明，气候变化也会加剧水文循环从而影响ET［31］，尤其在水分限制的区域，温度与降水会影响ET 的年际变化［32］，由于全呈变暖趋势，影响地表蒸发，进而使蒸散增加［33］。本研究中部分植被退化的区域，蒸散仍呈现上升趋势可能是由于气候变暖所致。由于蒸散的复杂性，降水与温度造成的影响还需要进一步的深入研究。