新疆艾比湖流域植被覆盖度对气候的响应*

2021-02-14陈瑜，张鹏

中国农业信息 2021年5期

陈瑜，张鹏

（1.新疆能源研究院有限责任公司，乌鲁木齐830063；2.中国科学院新疆生态与地理所，乌鲁木齐830011）

0 前言

艾比湖位于准噶尔盆地最低处，主要是靠地表径流对自身进行补给，是一个生态环境十分独特的湿地［1-2］，同时生物多样性资源也极其丰富［3-5］。在全球变暖和人口数量增加以及农业用水需求量增大的影响下，造成艾比湖水位下降，导致湖两岸胡杨林长势不好的局面，而远离湖边的胡杨已基本死亡［4,6］。同时，由于受到艾比湖西北部阿拉山口风力的影响所形成的大风气候带，这些因素将会进一步加剧艾比湖流域天然植被退化、风沙灾害、土地荒漠化、湖泊面积萎缩等；干涸湖床面积的逐年扩大，导致沙尘日数增加；20世纪末，精河县浮尘天气平均达到112 d，是20世纪60年代的9倍，每年降尘达2.89×108kg/km2［7］。关于艾比湖流域的气候与植被方面的研究，前人做过相关工作，如降水、气温、植被覆盖度等变化特征及其之间的相互关系［1-2,5-7］；但是，研究的空间范围只限于对流域内的自然保护区［8］，或时间范围只限于4期［9］，或研究时段过老（1998—2012）［10］，总之，没有透彻分析艾比湖流域的植被覆盖度变化过程，及其和气候间的关系。

植被覆盖度（NDVI）是反映植被生长状况的良好指标。文章在3S技术及地统计软件的支持下，分析近十几年流域植被覆盖度在时间与空间上的变化特征，结合气候和农业数据，探讨植被覆盖度与当地气温、降水、耕地面积间的相互关系。

2 研究方法

2.1 研究区概况

艾比湖流域位于新疆西北部，准噶尔盆地南缘，地理位置介于43°38'N～45°52'N和79°53'E～85°02'E之间。流域包括博尔塔拉蒙古自治州的博乐市、阿拉山口市、温泉县和精河县，塔城地区的乌苏和托里县南部，伊犁直属的奎屯市和克拉玛依的独山子区（图1）。

图1 艾比湖流域概况图Fig.1 Overview map of Ebinur Lake Basin

2.2 植被覆盖度提取与趋势检验

以2000年1月至2016年12月的204期MODIS13Q1 NDVI数据为基础，结合土地利用现状数据，采用像元二分模型法，提取艾比湖流域近18年来的植被覆盖度（NDVI）数据、用于反演2000—2017年艾比湖流域植被覆盖度的分布格局和变化规律。

该文中艾比湖流域植被盖度提取用到的植被指数数据为MOD13Q1产品中的NDVI数据，空间分辨率为250 m，时间序列为2000年1月至2017年12月。对获得的NDVI遥感数据除进行了数据格式转换、镶嵌、投影转换及研究区提取等预处理处理外，为降低噪音信息对数据影像，还对其进行了Savitzky-Golay滤波和MVC合成处理，获得代表植被生长最好状况的年NDVI数据。

像元二分模型是目前植被覆盖度反演的有效方法，其计算公式如下：

式（1）中，Fc为植被覆盖度，在该文中采用两位小数表示，以与百分比区分，EVIsoil为研究区纯裸土像元EVI值，EVIveg为纯植被像元EVI值。参考前人经验，分别取研究区EVI图像直方图的5%处和95%处EVI值代表EVIsoil值和EVIveg值［11］。

用非参数Mann-Kendall单调趋势检验方法来检验年植被覆盖度值在时间上变化趋势的显著性。

3 结果与分析

3.1 流域气候变化特征

图2是2000—2017年研究区典型气象站气温与降水量变化过程。1961—2017年艾比湖流域主要气象站数据资料显示，阿拉山口、博乐、温泉、精河年平均气温呈显著增加趋势（Z统计量值分别为3.75、5.86、3.61、4.77）。研究区降水也呈增加趋势。阿拉山口、博乐、温泉、精河年降水量分别呈显著增加趋势（Z统计量值分别为3.57、3.07、2.51、1.90）。

图2 近18年艾比湖流域气温与降水变化Fig.2 Variation of temperatureand precipitation in Ebinur Lakebasin in recent 18 Years

虽然艾比湖流域降水呈增加趋势，但由于气温升温速率较快，蒸发增加的速率高于降水增加的速率，气温的增加强于降水，促使降水蒸散加剧，增加了气候的干旱程度，气候总体呈现干旱化的变化趋势。

3.2 植被覆盖度年际变化

艾比湖流域总体的植被覆盖度在0.25～0.45之间波动（图3），2002年植被覆盖面积最大，2000年植被覆盖面积最小，最高值出现在2002年，最低值出现在2000年。近18年艾比湖流域植被盖度大体呈增长趋势（图3）。

图3 植被覆盖度指数年际变化Fig.3 Interannual variation of vegetation coverageindex

从2000—2017年植被覆盖度的空间分布可以看出（图4），近18年，艾比湖流域平均植被覆盖度年均值多在0.25～0.45之间波动。艾比湖流域西部植被覆盖度高、逐渐向东方向植被覆盖度变低（图4），这与艾比湖流域地区水热条件分布基本一致，而在东部覆盖度高是与艾比湖的存在有很大关系。从图4中可以看出，2010年以后艾比湖流域的生态环境呈现转好的迹象，植被覆盖有明显的改善，特别是艾比湖流域东部已出现不同程度的恢复。经过18年的变化，艾比湖流域四周植被覆盖度有降低趋势，周围主要是山区，中部和东部植被覆盖度有增加的趋势；这些地区主要是人工绿洲，受人类活动影响较大，近些年人口增加，农田面积扩张，植被盖度也相应增加。

图4 研究区植被覆盖变化Fig.4 Changesof vegetation cover in study area from 2000 to 2017

表1 气候因子变化显著性检验Table1 Significancetest of climatefactor change

3.3 植被覆盖度与气候、耕地面积变化的关联性分析

从2000—2017年艾比湖流域植被盖度、年均气温及年均降水间Pearson相关系数，结果发现植被覆盖度与降水量间呈正相关，相关系数r=0.72（P＜0.05）；植被盖度与气温呈负相关，相关系数r=0.58。这说明降水是影响植被覆盖度的一个重要因子。

现将艾比湖流域近17年的植被覆盖变化与阿拉山口、博乐、温泉以及精河气象站的降水数据进行拟合（图5）得出：y=0.0011×x2-0.0327×x+0.613（R2=0.518，P＜0.05），对拟合函数进行求导：y'=0.0022×x-0.0327，令y'=0时，x=14.86；当月均降水量（mm）在区间［0，14.86］，植被盖度随降水量的增加而减少；当月均降水量在区间［14.86，23］时，植被盖度随月均降水量的增加而增加。

图5 植被盖度与降水关系Fig.5 Relationship between vegetation with timecoverageand precipitation

气候是决定植被类型的主要因子，不同类型植被生长所需的水热条件有着明显的差异。艾比湖流域位于干旱、半干旱区，年均降水稀少，年内和年际分配不均，且蒸发旺盛。以艾比湖流域4个气象站的月平均降水量数据来看，降水呈波动性变化，但主要可划分为两个时段：2000—2010年降水呈下降趋势，2010—2017年降水呈增加趋势（图6）。随着月降水量的增减变化，流域年均植被覆盖度亦呈下降与上升趋势，表现出随着降水量的增减而同步变化（图6）。在降水量少的年份（2000年、2006年、2008年、2014年）植被覆盖度也低，流域西段、东北段区成为主要的植被覆盖度降低显著的区域。

图6 植被覆盖度与月降水量年际变化Fig.6 Vegetation coverageand monthly precipitation

根据1950—2009年的耕地数据，艾比湖流域的耕地面积不断增加，且增速逐年增长，这与对应年份的植被覆盖度指数的变化趋势较为一致。该文得出近十几年艾比湖流域中部和东部植被覆盖度有增加的趋势，这与孙丽等的研究指出艾比湖流域耕地面积变化中，2000年、2005年发生耕地面积的增加的主要区域和范围较为一致。因此，流域植被覆盖度与当地耕地面积之间关系较为密切。

4 讨论

艾比湖流域植被覆盖度总体上呈现四周高、中间低。位于艾比湖流域西部的温泉县、博乐市、托里县西北部、精河县南部、乌苏市南部植被覆盖度普遍较高，这些区域主要集中在博尔塔拉河、大河沿子河、精河、古尔图河、四棵树河、奎屯河、拉巴河及恰勒盖河中上游；此外，第五师、第七师为人工农田，植被覆盖度均较高。低值区主要分布在四棵树河及奎屯河下游附近，即艾比湖流域中部。李瑞等［13］研究得出20世纪90年代新疆平均气温表现为升温，认为气候暖干化是当地湖泊萎缩的主要原因；朱小强等［14］对艾比湖湿地的研究中指出，当地越来越干旱是由于降水减少，蒸发快、风速大；而该文得出艾比河流域气温、降水均呈增加趋势，但升温速率高于降水增加的速率，这与李磊等［15］观点一致，即艾比湖流域气温增加速度高于降水增加的速度，最终增加了气候的干旱强度。

植被的对大气下垫面温度具有调节作用，植被退化使下垫面的“冷岛效应”降低［17］，艾比湖流域年均气温由7.4℃（2000年）增加到7.9℃（2017），致使大气饱和水汽压随温度的升高而升高，大气水分难以凝结（饱和水汽压越大，水分越难凝结），空气变干，土壤蒸发速率加快，从而使得在水汽含量有限的气流经过是难以形成降水，而只有在空间水分含量充足时才形成降水，降低了降水在时间上的均匀分布，增加了降水的集中分布，也就是：相对于过去的绵绵细雨气候，暴雨增多，这可能成为目前总降水量未减少反而增的主要原因之一。

另一方面，植被的退化，致使土壤蒸发速率加快，植物降水截留能力降低，地表径流水分流失增加，减低了生态系统对大气水分的补给，空气变干。植被覆盖度年际波动增强，表明在植被盖度减低的前提下，植被对自然或认为干扰的抵抗力降低，生态系统更为敏感和脆弱。2000—2002年、2006年、2008年、2009年植被盖度减低明显，尤其是艾比湖流域的西段和东北段区域。因此，当艾比湖流植被达到严重退化程度时，即使有气候条件的改善也将不会使流域植被恢复和生态改善，反而使气候的变化成为生态进一步恶化的驱动因素。

耕地面积的增加加剧了对林草地的侵占，同时也增加了农业用水量。流域耕地大面积的扩张将挤占大量的林、草生态用水。近年来，虽然耕地实施了高新节水灌溉，而节约的水又被新增耕地占用，导致农业灌溉用水不但没有减少，反而增加。据2015年的地区水利普查报告，流域内拥有机井数较20世纪80年代增加20余倍［18］，形成大规模的水资源过度开发导致地表水在上、中游被大量拦截，地下水过度开采，水资源供需水不平衡的问题长期无法解决遇到枯水年份，如1961—2017年艾比湖流域分别于1968年、1974年、1977年、1997年发生了重旱，流域气候干旱化的演变趋势给植被恢复带来了不利条件。另一方面，该地区人口众多，20世纪50—70年代人口急剧增长，年均人口增长率高达19.9%，1981—1990年人口年均增长率为1.38%［15］，人口的过快增长带来需水量的增加，如在中游地区兴修水利工程，引水灌溉使流域水体不断减少。总水量一定，分给人工绿洲多了，天然绿洲必然会少［16］。