干旱对赤峰市不同生态系统影响的差异

彭 健, 张宝林,2, 宋佳欣, 郭 佳, 元雪娇

(1.内蒙古师范大学 化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022;2.内蒙古自治区环境化学重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010020)

干旱是常见的自然灾害之一,具有发展缓慢、影响范围广、成灾复杂等特点[1],全球每年因干旱灾害造成的经济损失高达60亿～80亿美元[2]。随着气候变化,全球极端干旱面积扩大[3-4],干旱灾害发生的频数和强度可能会大幅升高[5]。在信息时代背景下,遥感技术实现了农业旱情的准确监测,成为抗旱减灾的重要技术手段。基于遥感技术的旱情监测始于20世纪70年代,与传统的实地测量和气象站点法相比,具有监测范围广、时效性强、人力物力投入小等优点。随着旱情监测方法和监测指标研究的不断深入[6],光学遥感(热惯量法、植被指数法、植被指数和温度法)和微波遥感成为干旱指标反演的主要技术方法[7-8]。由于具有更丰富的数据源和长时间序列数据,光学遥感在旱情监测中得到广泛应用。其中,由于温度植被干旱指数(TVDI)能准确获取旱情的时序变化及空间分布,基于MODIS的TVDI干旱监测被广泛应用[9-10]。在内蒙古草地[11]、荒漠草原[12]、农田[13]旱情监测中,TVDI取得了较好的监测效果; 但是,基于TVDI应用的干旱对不同生态系统的影响研究却罕见报道。

内蒙古自治区赤峰市是重要的商品粮生产基地,但受气候、地理环境等因素的影响,“十年九旱,年年春旱”严重制约着社会经济及生态环境的可持续发展。然而对于全市旱情的时空变化,尚缺少基于长时间序列数据的研究。本研究基于2000-2019年生长季(5-9月)MODIS数据构建TVDI,分析了赤峰市生长季旱情的时空变化,探讨了干旱对森林、灌丛、草地和农田生态系统的影响。研究可为减灾部门旱情风险评估提供科学依据,为防旱、治旱措施的制定提供参考,减轻干旱对农牧业生产和社会生活带来的不利影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

赤峰市处于内蒙古自治区东南部,下辖3个区(松山区、元宝山区和红山区)、2个县(宁城县、林西县)和7个旗(阿鲁科尔沁旗,巴林左旗,巴林右旗,克什克腾旗,翁牛特旗,喀喇沁旗和敖汉旗)(图1)。赤峰市地形地貌复杂,地势西高东低,丘陵沟壑交错。地处温带大陆性季风气候区,热量条件好,无霜期120～160 d,≥10 ℃年活动积温2 700～3 300 ℃。根据中国科学院土地利用土地覆被遥感监测数据集[14],将赤峰市生态系统分为森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇生态系统和裸地。本文研究了干旱对各生态系统(森林生态系统、灌丛生态系统、草地生态系统、农田生态系统面积占比分别为16.23%、2.75%、47.70%、25.63%,合计92.31%)的影响(图1)。

图1 赤峰土地利用类型空间分布Fig.1 Spatial distribution of land uses in Chifeng

1.2 数据来源与处理

研究所用MODIS数据来自NASA(national aeronautics and space administration)和EOS(earth observe system),包括2000-2019年农作物生长季(5-9月)8 d合成地表温度Ts(MOD11A2)和16 d合成NDVI(MOD 13A2)数据,空间分辨率均为1 km。为使时间分辨率一致,采用最大值合成法生成时间分辨率为1个月的Ts和NDVI数据[15]; 研究所用土壤湿度数据源自中国气象科学数据共享服务网。另外,旱情的空间分析利用ArcGIS的空间统计模块进行; 利用SAS 10.4进行相关、回归等统计分析。

1.3 研究方法

Sandholt等[16]在Goetz[17]、Moran[18]等提出的Ts-NDVI梯形特征空间的基础上,提出了TVDI概念,并进一步对其生态特征做出解释。Ts与NDVI负相关,任何一个NDVI值对应唯一一组Tsmin(湿边)和Tsmax(干边)[18],存在若干条近似线性的土壤湿度等值线,相交于干湿边[19],等值线的斜率反映土壤含水量状况。研究所建Ts-NDVI特征空间如图2所示,其中,TVDI的计算公式为

图2 Ts-NDVI特征空间Fig.2 Ts-NDVI feature space

(1)

Tmin=a1+b1×Indv,

(2)

Tmax=a2+b2×Indv,

(3)

(1)式中T表示任一像元的地表温度(K),Tmin和Tmax分别表示某一Indv值所对应的最低地表温度和最高地表温度; (2)式和(3)式分别为特征空间内干、湿边拟合公式,其中a1、b1为湿边拟合系数,a2、b2为干边拟合系数。Itvd的值域为(0,1),值越小,表示植被蒸发量越大,旱情越轻; 值越大,表示植被蒸发量越小,旱情越重。在计算Itvd时考虑了地表温度反演方法、地形因素与植被指数的影响。由于Itvd不能很好地表征植被覆盖度过低区土壤干湿状况,在构建温度与植被指数特征空间时,取Indv>0.2进行干、湿边拟合。同时,由于赤峰地区地形复杂,高程差值约为2 km,影响地表温度反演的准确性,基于DEM对地表温度数据进行修正:

表1 TVDI等级划分Tab.1 Drought classification by TVDI

T2=T1+H×m,

(4)

其中，T2为经地形修正后的地表温度,T1为地形修正前的地表温度,H为高程值,m为地表温度随高程的变化程度,一般m取值为0.6×10-2℃/m。

研究采用齐述华等[20]的干旱等级划分法,将旱情分为湿润、正常、轻旱、中旱和重旱5个等级,见表1。

选取2000-2013年生长季内赤峰市郊区和翁牛特旗农业气象站点测得的0～20 cm土壤湿度数据与TVDI进行相关分析。结果表明,TVDI与0～20 cm土壤相对湿度呈显著负相关性(r赤峰=-0.567 5,r翁牛特旗=-0.629 0,α=0.05)(图3),说明TVDI可以用于赤峰地区旱情监测。

图3 赤峰市和翁牛特旗TVDI与土壤湿度关系Fig.3 Relationships between TVDI and soil relative humidity in Chifeng (a) and Ongniud (b)

2 结果与分析

2.1 2000-2019年赤峰市旱情变化

由2000-2019年生长季TVDI均值可知,生长季TVDI多年均值为0.58,旱情主要以轻旱为主,中旱次之。其中,2000-2001年为中旱,尤以2001年(TVDI=0.671)旱情严重，见图4(a)。

在生长季内,2000-2019年不同干旱类型面积比例显示,轻旱和中旱影响面积较大。春季(5月)旱情相对严重,轻旱和中旱灾区占总面积的75.2%,重旱灾区占总面积的9.6%。夏季(6-8月)、秋季(9月)中旱面积变化不明显,轻旱有减少趋势,而重旱面积呈扩大趋势,从春季的9.6%增加至秋季的18%。总体而言,赤峰市春旱严重,夏、秋季旱情面积总体稳定,但轻旱面积呈减少趋势,而重旱面积有扩张趋势，见图4(b)。

2.2 赤峰市旱情空间变化特征

近20年赤峰市旱情频发,2000-2019年间,尤以2001年、2012-2013年、2017年和2019年旱情影响严重。不同类型干旱在空间分布上存在明显的地域差异,整体上以受轻旱影响为主(图5)。翁牛特旗北地区较为干旱,尤以阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、巴林右旗南部明显; 西部丘陵区较湿润,集中分布在克什克腾旗西南部。因此,赤峰市旱情等级由东至西逐渐降低,呈过渡态分布。

重旱主要发生在赤峰市东部,包括阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、巴林右旗的东南部和翁牛特旗中部以及敖汉旗东北部,影响面积占全市面积的13.5%; 重旱发生面积虽然最小,但局部重旱现象发生频率较高。中旱和轻旱在各旗(县、区)均有发生,影响面积占全市面积的65.4%,主要集中发生在赤峰市中部。湿润和正常区域主要分布在燕山丘陵区,包括克什克腾旗、翁牛特旗的西南部和喀喇沁旗、宁城县的西部,占全市面积的21.1%。

图4 2000-2019年赤峰市TVDI和5-9月不同干旱类型面积占比动态变化Fig.4 Changes of annul mean TVDI (a) and drought coverage from May to September(b) in Chifeng in 2000-2019

图5 2000-2019年赤峰市生长季内旱情等级空间分布Fig.5 Drought distribution during the growing season in Chifeng in 2000-2019

续图5 2000-2019年赤峰市生长季内旱情等级空间分布Continued Fig.5 Drought distribution during the growing season in Chifeng in 2000-2019

图6 2000-2019年赤峰市不同植被生态区TVDI的变化Fig.6 TVDI changes in different vegetation ecosystems in Chifeng in 2000-2019

2.3 干旱对赤峰市生态系统的影响

GIS空间统计分析显示,尽管地理位置不同(图1),不同生态区TVDI变化年际间趋势一致,说明赤峰市受区域性干旱威胁。在不同的生态区,TVDI平均值表现为农田>灌丛>草地>森林,说明TVDI用于衡量干旱对不同生态系统的影响,表现为农田生态系统>灌丛生态系统>草地生态系统>森林生态系统(图6)。

不同生态系统TVDI间F=115.78,概率P<0.0001<α=0.01,说明不同生态系统TVDI差异极显著(表2)。

TVDI值以农田生态区最高。农田生态系统TVDI显著高于灌丛、草地和森林生态系统,草地和灌丛生态系统TVDI值无显著差异,但二者显著高于森林生态系统(表3)。

表2 不同生态系统TVDI方差分析

3 讨论

表3 不同植被生态区TVDI的多重比较Tab.3 Duncan’s multiple range test for TVDI

3.1 MODIS TVDI旱情监测适宜性分析

TVDI和相对土壤湿度的相关关系表明TVDI可以作为表示土壤含水量的指标[21],可用于大范围干旱状况监测[22]。研究表明TVDI与表层土壤相对湿度存在显著负相关性[20,23-25],与本研究结果一致;TVDI可用于赤峰市旱情时空演变研究,毕力格等[23]也验证了TVDI用于内蒙古旱情监测的合理性。本研究中,基于TVDI揭示的赤峰市旱情时空演变的空间特征得到了相关研究的验证[26-29]。例如,2017年赤峰市旱情影响面积较大(图5),尤以阿鲁科尔沁旗、敖汉旗、巴林左旗和巴林右旗为重[27-28]。

研究表明赤峰市全市以受轻旱影响为主,中旱次之。本研究基于遥感技术的旱情监测结果与基于气象数据和统计资料[30-32]的结论相同。但是,当前基于TVDI的干旱划分标准不同[20,22,33],如何对TVDI进行干旱分级仍需深入研究[22]。由于TVDI对NDVI低值区适应性差[34],本研究在进行地表温度反演时限定NDVI>0.2,而杨玲等[35]利用TVDI分析西辽河流域土壤湿度时发现干旱地区主要分布在沙丘地带。此外,基于TVDI的旱情监测存在局限性[15,36-37],TVDI可能主要由地表温度空间分布决定[22]。本研究在计算TVDI时考虑了地表温度反演方法和地形因素的影响,也应考虑了用于TVDI计算的NDVI产品算法的影响,因此,TVDI用于干旱监测还有进一步改进的空间。

3.2 赤峰市干旱发生的时空特征

3.2.1 赤峰市干旱发生的时间特征 2000-2019年间,虽然干旱发生的地区不同,但赤峰市每年均有不同程度旱情发生,旱灾是赤峰市的主要自然灾害之一。TVDI可用于赤峰市旱情演变研究,在旱情发生的时间特征上得到了相关研究的验证[26-29],研究表明赤峰市干旱出现概率在80%以上,灾损占遭受各种自然灾害的农田面积的50%以上[38]。

赤峰市春旱严重,其次为秋旱和夏旱。赤峰市14个气象站1961-2018年气象资料表明春季农业干旱风险大[39]。近20年,赤峰市春季、夏季、秋季均有干旱现象发生,“风调雨顺”年份极少。春旱最为严重,夏季和秋季旱情有所缓和,与毕力格等[23]的研究结果一致,也与在翁牛特旗[26]、喀喇沁旗[40]、松山区[41]等地开展的研究结果一致。气候统计资料表明赤峰市春旱年约占70%,春旱频次约占60%,夏旱频次约占15%,大面积干旱基本五年四遇[28]。

3.2.2 赤峰市干旱发生的空间特征 赤峰市生长季旱情具有明显的空间分异,由西南向东北旱情加剧。杨玲等[35]利用TVDI研究西辽河流域时认为,干旱地区主要分布在奈曼旗-敖汉旗-巴林右旗沙丘地带以及巴林左旗和阿鲁科尔沁旗东部地区,湿润地区主要分布在建平县-宁城县-喀喇沁旗-围场县-克什克腾旗境内,这一空间分布与本研究结果相似。此外,据统计资料,阿鲁科尔沁旗、巴林左旗旱灾发生频率最高,而克什克腾旗、赤峰市区最少[28],赤峰市北部地区比南部干旱情况更为突出[39],上述研究成果支持本文所得结论。王志春等[42]基于GIS的赤峰市干旱灾害风险区划表明克什克腾旗、喀喇沁旗、宁城县的干旱风险指数最低,与本文结论相同,但干旱风险指数最高区域为林西县和翁牛特旗,与本文结论有出入,可能与本文未考虑防灾、抗灾、治灾能力等因素有关。

3.3 干旱对不同生态系统的影响

基于TVDI的干旱研究表明干旱对农田生态系统影响较大,其次为灌丛、草地和森林生态系统。赵琛等[43]认为不同植被类型下土壤含水量不同,表现为森林>草地>荒漠,与本文结论相似; 而张更喜等[44]则认为不同植被类型对干旱的敏感性表现为草地>林地>耕地。由于植被冠层结构和光学属性使空间特征发生变化,在应用TVDI进行大范围干旱化研究时,需要考虑土地利用格局、植被类型等影响因素[34,45-46]。在甘肃省,植被类型以荒漠为主、土地利用以沙地和戈壁为主的地区干旱面积较大[47]。在同一地理区域,干旱对不同生态系统的影响可反映水分利用效率对气候变化的响应[48],根据赤峰市生态系统的空间分布(图1)可以发现,重旱集中影响东北部草地生态系统,中旱区主要分布在农田生态系统和灌丛生态系统,而森林生态系统主要分布于轻旱和正常区(图5)。因此,草地生态系统是赤峰市对气候变化响应的敏感区和脆弱区,其次是灌丛生态系统和农田生态系统,森林生态系统最不敏感。由于农田生态系统是自然-经济复合系统,受灌溉等人类活动影响,旱情评价影响因素复杂。

3.4 影响干旱的因素探讨

干旱一般是因降水与蒸散失衡引起土壤供水不足造成的[49]。研究表明，干旱的形成除了与气温、降水、地形地貌和植被类型等[46-47]有关外,还与人类活动密切相关[29]。气温、降水、海拔、坡度、植被类型和土地覆盖类型是甘肃省干旱的主要影响因素,并与其他因素叠加,形成了“东南润西北旱”的格局[47]。赤峰市北、西、南三面环山,受地理位置、地形地势、副热带高压和季风环流等因素影响,降水量呈北、西、南部多,中东部偏少趋势,即北部的克什克腾旗、巴林左旗部分地区以及南部的锦山、敖汉旗南部、宁城县等地区降水量较高,而中东部的翁牛特旗东部等地区旱灾频繁[29]。此外,赤峰市北部地区土壤类型主要为沙土或沙壤土,保水性差,失墒快[27]。赤峰市地处温带半干旱大陆性季风气候区,降水不均,保证率低。降水量年内、年际变化大且时空分布不均匀,水土资源组合不平衡是造成农牧业干旱的主要原因。赤峰市作物生长期蒸发量是同期降水量的4.1倍,土壤水分损失大[50]; 尤其是在少雨地区,气温高,地表植被稀疏,土壤水分蒸发旺盛,干旱发生频繁[29]。经济因素和人为因素也影响干旱的发生和发展,前者包括由于人口增长和社会经济发展导致水资源刚性需求增加,后者包括人类活动造成的生态环境破坏、耕作方式不当造成的土壤结构恶化、水资源利用率低等导致水资源短缺[38,50]。

受全球气候变化影响,全球气候呈变暖趋势,厄尔尼诺、拉尼娜现象频繁,降水量少、高温等异常恶劣天气增多[38]。气温升高,大气干燥度加重,土壤水分损耗大,蒸散量与降水量不平衡,农业种植和畜牧业用水紧张,农业灌溉用水周期缩短,地下水过度开采,水资源短缺等因素加剧了生态环境的恶化[51]。例如 2017年赤峰市旱情影响面积较大,是由入春以来气温持续偏高,北部地区降水偏少,出现春夏连旱造成的[27]。

4 结论

基于TVDI的干旱监测表明赤峰市春旱严重,秋旱、夏旱次之; 旱情以轻旱为主,中旱次之。重旱主要发生在东部,轻旱、中旱主要分布在中部,而西部地区以轻旱和正常为主。干旱对赤峰市不同植被生态区的平均影响强度表现为农田>灌丛>草地>森林,但草地生态系统是对干旱响应的敏感区和脆弱区,其次是灌丛和农田,森林生态系统最不敏感。由于影响干旱的因素复杂多样,应根据区域植被覆盖类型对基于TVDI的干旱划分标准进行深入研究,为应对气候变化提供科学依据。