毛乌素沙地暖湿化特征分析及其对植被变化的影响

2022-10-10朱永华罗平平王美宇

水土保持学报 2022年5期

朱永华, 罗平平, 郭倩, 张盼, 王美宇, 闫龙, 汪勇

(1.延安大学建筑工程学院，陕西延安 716000；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054；3.长安大学水与环境学院，西安 710054；4.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

尽管气候变化具有不确定性和复杂性，但全球气候变暖已成为不争的事实。气候变暖所带来的大气水汽及循环动力增加，使得降水与蒸发的强度和空间分布也随之发生改变，且北半球变化更为明显。然而，气候变化不仅影响自然环境和生态系统平衡，也能衡量与预测生态系统变化。因此，气候变化对地球上几乎所有的景观和生态系统都产生了重大影响，包括沙地。

气象因子通过改变相应的生态水文过程，在沙地环境的生态功能中起着至关重要的作用。中国西北部，特别是黄河流域毛乌素沙地，由于独特的地带性与敏感性，其生态系统正面临着比以往更大的挑战与机遇。因此，识别沙地区域气候变化特征及其与植被变化的响应关系，为生态环境建设提供参考，已成为当前的重要科学课题。

与气温升高、降水增加、蒸发改变等有关的气候变化已经并将继续对沙地生态系统产生重大影响。此前的研究表明，在全球气候变暖背景下，我国西北地区气候正由暖干向暖湿转型。与此同时，北半球中高纬度特别是亚洲和北美40°—70°N地区植被变化呈显著的线性增加趋势。然而，针对沙地区域气候变化周期与突变特征的精确描述相对较少，导致沙地生态环境未来变化的不确定性显著增强，给科学制定水资源管理与保护对策带来显著影响。自20世纪70年代首次提出归一化差异植被指数(NDVI)以来，已被广泛用于评估对环境变化的生态响应。因此，本研究在前人研究基础上，试图从基础层面通过Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和相关分析阐释沙地区域气候变化特征，探索区域植被变化与气候因子的响应关系。研究成果可能有助于理解气候变化对半干旱地区沙地的影响，从而为在当前气候变化下有效保护和管理这些宝贵的生态系统提供科学依据。

1 研究区概况

毛乌素沙地(简称沙地)位于鄂尔多斯高原向陕北高原过渡地带，自西北向东南倾斜，地理坐标为107°20′—111°30′E，37°30′—39°20′N，面积4.0×10km(图1)。研究区属温带季风区气候，年平均气温6.10～8.15 ℃；多年平均降水量在沙地东南部为400～440 mm，并向西逐渐递减，直至250 mm左右；7—9月集中全年降水量的60%～70%，降水强度较大，常以暴雨形式出现；年平均风速2.1～3.3 m/s，年平均大风日数10～40天，最多达95天。沙地的植被大致划分为3个(亚)地带与3大类群，3大(亚)地带分别为荒漠草原亚地带，干草原亚地带，干草原亚地带向森林草原过渡地带；3大类群为梁地上的草原与灌丛植被，半固定、固定沙丘与沙地上的沙生灌丛，滩地上的草甸、盐生与沼泽植被。

图1 研究区位置和气象站点分布

2 数据来源与方法

2.1 数据来源及预处理

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网站发布的陕西省、内蒙古自治区8个气象观测站(东胜站、鄂托克旗站、伊金霍洛旗站、定边站、横山站、洛川站、榆林站、吴起站)1959—2019年逐日平均气温和降水量，采用数理统计等方法进行数据预处理，计算得到年平均及生长季(4—10月)的气温、降水量和蒸发量。

植被指数(NDVI, normalized difference vegetation index)可以准确反映地表植被覆盖状况，对植被变化状况监测、植被资源合理利用和其他生态环境相关领域的研究有十分重要的参考意义。研究区月尺度NDVI数据集源自中国科学院资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn)，基于SPOT/VEGETATION PROBA-V 1KM PRODUCTS旬1KM植被指数数据(http://www.vito-eodata.be)，采用最大值合成法生成的1998年以来的月尺度植被指数数据集，获取时间为1998年4月至2019年12月，空间分辨率为1 km。基于冬季毛乌素沙地大部分植被停止生长或被冰雪覆盖，NDVI均值无法准确反映出冬季植被覆盖状况，所以本文以年NDVI最大值作为研究数据。

2.2 研究方法

2.2.1 数理统计法计算蒸发量作为重要气候因子的蒸发量对于区域内水循环增强起着重要促进作用，其值大小可反映区域暖湿化状况。本文基于研究区内8个气象站逐月气温和降水量数据，通过数理统计法计算出蒸发量，使研究区的气候要素更加完善，分析结果更加准确，计算公式为：

式中：为月蒸发量(mm)；为月降水量(mm)；为月平均气温(℃)。

2.2.2 M-K突变检验法气候要素的突变检验采用非参数统计检验方法—Mann-Kendall突变检验(M-K)，明确气象因子的突变期及分析其变化趋势。该方法具有不要求样本数据一定遵守某特定概率分布，也不受少数异常点的影响，计算简便等优点，并能够准确反映出样本的长期变化趋势和突变情况。

当M-K突变检验的UF或UB的值大于0时，表示数据序列呈上升趋势；反之，数据序列则呈下降趋势。在α=0.05的显著性水平下，显著性区间为(-1.96，1.96)，如果UF或UB值超过临界线(±1.96)，表明数据序列上升或下降趋势显著。当UF与UB 2条曲线存在交点，且交点位于显著性区间内，则交点为突变点。

2.2.3 Morlet小波分析法小波分析是研究时间序列的一种多分辨功能的方法，它不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出变化的周期规律，揭示时间序列中的变化周期，能充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势，并能够对系统未来发展趋势进行定性估计。小波分析的基本思想是用一簇小波函数来表示或逼近某一信号和函数，小波函数是指具有振荡性，能够迅速衰减到0的一类函数。

小波方差分析是小波分析的重要内容，将时间域上的关于的所有小波系数的平方积分称为小波方差。小波方差图能反映时间序列中所包含的各种尺度(周期)的波动及其强弱(能量大小)随尺度变化的特性。通过方差图，可非常方便地查找一个时间序列中起主要作用的周期。

3 结果与分析

3.1 气候变化特征分析

3.1.1 气温变化趋势由图2可知，1959—2019年，沙地研究期内各站均气温均呈上升趋势。定边、洛川、鄂托克旗、榆林、东胜站点极差较大，气温上升倾向率分别为0.396，0.308，0.324，0.371，0.501 ℃/10 a，东胜站在1967年达到平均最低气温4.43 ℃，2013年达平均最高气温8.14 ℃。吴起、横山、伊金霍洛旗站点极差相对较小，但仍在上升，气温上升倾向率分别为0.160，0.216，0.269 ℃/10 a，吴起站在1967年到平均最低气温6.84 ℃，1998年达平均最高气温9.21 ℃。

图2 1959-2019年研究区年均气温变化曲线

1959—2019年，沙地年平均气温呈上升趋势，最低值出现在1967年，为6.46 ℃；最高值出现在1998年，为9.49 ℃，极差3.03 ℃。温度的年代际变化1960—1970年平均气温为7.4 ℃，1971—1980年平均气温为7.5 ℃，1981—1990年平均气温为7.6 ℃，1991—2000年平均气温为8.4 ℃，2001—2010年平均气温为8.8 ℃，2010年代(2011—2019)平均气温为8.8 ℃。研究期内沙地年平均气温差值为1.7 ℃，线性速率达0.32 ℃/10 a，呈极显著(=0.744，<0.001)变化趋势，区域气候变暖趋势明显。

3.1.2 降水变化趋势由图3可知，在8个气象站中，研究区西北部的定边、横山、榆林和伊金霍洛旗站的降雨量呈上升趋势，各站线性速率分别为7.32，0.73，11.92，5.63 mm/10 a。降水量增加极差变化最大的是定边县站，降水量在1964年达到平均最高554.5 mm，1982年达平均最低179.9 mm。降水量增加极差变化最小的是横山站和榆林站，降水量分别在1964年、2016年达到平均最高降水量，分别为686.9，772.8 mm，1965年同时达平均最低降水量165.2，159.1 mm。洛川、鄂托克旗、吴起和东胜站的降雨量呈下降趋势，各站的线性速率分别为-5.26，-0.025，-0.431，-1.79 mm/10 a。降水量降低极差最小的是洛川站，降水量在1964年达到554.5 mm，1982年达平均最低179.9 mm。降水量降低极差最大是鄂托克旗站，降水量在1976年达到661.6 mm，1982年达平均最低125.2 mm。

图3 1959-2019年研究区年降水变化曲线

研究期间沙地年平均降雨量呈上升趋势，最低值217.5 mm出现在1965年，最高值632.7 mm出现在1964年，极差达415.2 mm。降水量的年代际变化为，1960年代(1960—1970)平均降水为426.8 mm，1970年代(1971—1980)平均降水为390.3 mm，1980年代(1981—1990)平均降水为390.8 mm，1990年代(1991—2000)平均降水362.0 mm，2000年代(2001—2010)平均降水为399.1 mm，2010年代(2011—2019)平均降水为456.3 mm。研究期内沙地年平均降水量差值为11.2 mm，线性速率达1.83 mm/10 a，呈极显著(=0.744，<0.001)变化趋势，区域气候变湿趋势明显。

3.1.3 蒸发变化趋势由图4可知，1959—2019年沙地区域各站蒸发量，除吴起站呈下降趋势，速率为-0.12 mm/10 a外，定边、横山、洛川、榆林、鄂托克旗、伊金霍洛旗和东胜站均呈现出上升趋势，各站线性速率分别为9.04，5.04，4.20，5.83，5.14，8.61，5.97 mm/10 a。蒸发量升高极差最大的是定边站，蒸发量在1964年达365.2 mm，1982年仅为168.8 mm。升高极差最小的是洛川站，蒸发量在2006年达到463.6 mm，1995年仅为273.1 mm。

图4 1959-2019年研究区年蒸发量变化曲线

研究期间沙地年平均蒸发量呈上升趋势，最低值出现在1965年，为188.0 mm；最高值出现在1964年，为386.9 mm，极差达198.9 mm。蒸发量的年代际变化为，1960—1970年平均蒸发量为288.8 mm，1971—1980年平均蒸发量为279.0 mm，1981—1990年平均蒸发量为284.6 mm，1991—2000年平均蒸发量272.8 mm，2001—2010年平均蒸发量为297.2 mm，2011—2019年平均蒸发量为326.9 mm。研究期内沙地年平均蒸发量差值为33.8 mm，线性速率达5.54 mm/10 a，呈极显著(=0.744，<0.001)变化趋势，区域气候暖湿化趋势明显。

3.2 气候要素的突变分析

3.2.1 气温突变分析由图5可知，研究区1959—2019年平均气温突变，横山、榆林、鄂托克旗、东胜站UF曲线和UB曲线有唯一交点，均出现在1971年，且交点在=0.05显著性临界线范围内，表明该点可作为年平均气温突变时刻；而定边、洛川、伊金霍洛旗、吴起站UF曲线和UB曲线在1971年左右存在多个交点，且均在临界线之间，表明该期间为年平均气温的突变期。

图5 1959-2019年研究区年均气温突变检验

研究区年平均气温曲线UF波动较大，并且在1963—1989年UF()<0，说明年均气温在该期间呈现降低的趋势；然而，1990—2019年UF()>0，则表明在1990—2019年呈现升高的趋势；且UF曲线在1997年以后呈现出显著性上升趋势(=1.96)，甚至在1999年呈极显著性上升趋势(=2.58)，表明区域气温变暖趋势显著。从总体趋势看，UF曲线呈上升趋势表明，近60年沙地年均气温呈逐渐上升趋势，与线性趋势分析的结果一致。曲线UF和曲线UB在1971—1981年几乎全部重合，有多个交点，且交点均处于0.05显著性临界线范围内。这表明，1971年是沙地研究期间年均气温开始突变的时间，且在1970—1981年存在显著的突变，判断在这段时间内气温发生了由冷变暖的突变。

3.2.2 降水量突变分析以沙地年降水量为基础值，对其进行突变分析，由图6可知，定边、横山、榆林、鄂托克旗、伊金霍洛旗、吴起、东胜站UF曲线和UB曲线在1970—1990年出现多个交点，且均位于=0.05显著性临界线范围内，表明降水在1970年之后存在显著突变，变化频繁。而洛川站UF曲线和UB曲线仅在1975年和1991年处相交，均位于=0.05显著性临界线范围内，表明洛川站降水在70—90年代存在显著性突变。

图6 1959-2019年研究区年降水量突变检验

研究区年平均降水曲线UF整体呈波动上升，大部分位于=0.05显著性临界线范围内，说明近60年平均降水在该期间呈现不显著上升趋势，与线性趋势分析的结果一致。曲线UF在1960年、1962—1963年、1965—2016年均UF()<0，说明沙地平均降水在此期间呈现降低趋势；而在1961年、1964年、2017—2019年均UF()>0，则表明其在此期间呈现增加趋势，且在2017年后上升幅度迅速加快。曲线UF和UB在1971—1999年几乎全部重合，有多个交点，且交点均处于0.05显著性临界线范围内。1971年是沙地研究期间平均降水开始突变的时间，且在1971—1999年存在显著的突变，表现出降水由少变多的变化过程，气候由干向湿产生突变。

3.2.3 蒸发量突变分析以沙地年降水量与气温为基础值，运用公式计算求得的年蒸发量，并对其进行突变分析，由图7可知，横山、鄂托克旗、伊金霍洛旗、东胜站UF和UB曲线分别在1971—1988年、1999—2004年、2016—2018年附近有多个交点，表明发生多次突变。定边、洛川站均在2004—2016年发生突变，吴起站在1971—1998年发生突变。各站的平均蒸发UF曲线均呈不同程度的上升趋势，表明沙地区域蒸发量上升，气候变化驱动力增强。

图7 1959-2019年研究区年蒸发量突变检验

研究区年平均蒸发曲线UF整体呈波动上升，大部分位于=0.05显著性临界线范围内，说明近60年平均蒸发在该期间呈现不显著上升趋势，与线性趋势分析的结果一致。曲线UF在1962—1963年、1965—2002年、2005—2011年均UF()<0，这说明，沙地平均蒸发量在此期间呈现降低的趋势；而在2003—2004年和2012—2019年均UF()>0，则表明在此期间呈现增加的趋势，且在2012年后上升幅度迅速加快。曲线UF和UB在1971—1988年几乎全部重合，有多个交点，且均处于=0.05显著性临界线范围内。1971年是沙地1959—2019年平均蒸发量突变的始发时间，且在1971—1988年存在显著的突变。在1999—2000年和2016—2017年UF曲线和UB曲线均有1个交点，这表明降水在1999—2000年和2016—2017年又发生单独的2次突变，且在该突变之后UF曲线继续呈上升趋势，表明区域蒸发量上升趋势持续发展。

3.3 气候变化周期性分析

3.3.1 气温周期变化分析以沙地年均气温为基础值，进行小波周期分析。由图8可知，定边、横山、洛川、榆林站年平均气温小波系数等值线在14～16，19～23，26～29年左右时间尺度上较为密集，出现小波系数高、低值中心变化；鄂托克旗、伊金霍洛旗、吴起、东胜站年平均气温小波系数等值线在4～9，10～16，19～23，25～30年左右时间尺度上较为密集，出现小波系数高、低值中心变化。区域年平均气温从1960—1970年存在4～6，8～12，15～30年的周期振荡，从1970—2007年存在4～6，10～15，18～23，25～30年的4个振荡周期，从2007年之后又出现4～6，8～12，15～30年的3个振荡周期，其中以25～30年的周期振荡特征最为明显。

结合图8的小波方差图可知，定边、横山、洛川、鄂托克旗、区域平均的小波方差仅在28年处存在单峰,吴起站小波方差在4，7，13，28年达到极值，伊金霍洛旗站小波方差在15，28年达到极值，榆林和东胜站小波方差存在7，13，28年3个峰值，并均在28年最大，表明28年为第1主周期, 该结果明确了气温小波系数时间序列等值线图所揭示的周期。

图8 1960-2019年研究区年均气温Morlet小波系数和小波方差

3.3.2 降水周期变化分析以沙地年降水为基础值，进行小波周期及分析。由图9可知，各站年降水量小波系数等值线在3～5，5～9，10～16，20～30年左右时间尺度上较为密集，综上分析可得，各站年降水量从1960—1980年存在3～5，6～9，10～16，20～30年的周期振荡，出现小波系数高、低值中心变化。而从1980—2005年存在5～15，17～25，25～30年的3个振荡周期，从2005年之后又出现6～10，12～15，20～30年的周期振荡，其中20～30年的周期振荡最明显。

结合图9的小波方差图可知，各站均存在多个峰值，诸如，定边站小波方差在3～9，13，28年达到极值，东胜站小波方差在4～5，7，13～14，22，28年达到极值，鄂托克旗站小波方差在4～5，13，22年达到极值，吴起站小波方差在4～13，28年达到极值，洛川、伊金霍洛旗站小波方差在4～5，13，28年达到极值，横山、榆林站小波方差在7，13，28年达到极值；但各站均在28年附近呈现出最大值，表明其为各站降水的第1主周期。结果明确了降水小波系数时间序列等值线图所揭示的周期。

图9 1960-2019年研究区年降水量Morlet小波系数和小波方差

3.3.3 蒸发周期变化分析以沙地年降水量与气温为基础值，运用公式计算求得的年蒸发量，并对其进行周期变化分析。由图10可知，定边、横山、洛川、榆林、鄂托克旗、东胜站年蒸发量小波系数等值线均在3～5年短时间尺度上较为密集；定边、横山、榆林、吴起站年蒸发量小波系数等值线均在10～15年中时间尺度上较为密集；洛川、鄂托克旗、伊金霍洛旗、吴起、东胜站年蒸发量小波系数等值线均在20～30年长时间尺度上较为密集。进一步分析区域蒸发量周期变化，区域平均年蒸发量从1960—1970年存在3～5，3～8，11～15，20～30年的周期振荡，从1970年之后到2019年存在5～10，18～24，25～30年的3个振荡周期，其中20～30年的周期振荡最强。

结合图10的小波方差图可知，定边、横山站小波方差存在3个峰值，洛川站存在2个峰值，榆林、吴起站仅存在单一峰，但其极值均为28年处，表明蒸发量以28年为第1主周期；东胜站小波方差在4，12，22，28年达到极值，伊金霍洛旗站小波方差在5，8，13，22，28年达到极值，且均在22，28年最大，表明年蒸发量存在22，28年的第1主周期；鄂托克旗站小波方差在13，22年达到极值，且22年最大，表明年蒸发存在22年的第1主周期。为进一步明确区域蒸发量周期分布，针对区域平均蒸发量的小波方差图进行分析可知，其在4，7，14，22，28年达到极值，且28年处最大，表明区域年蒸发量以28年的第1主周期，22，14年的第2主周期，7年的第3主周期和4年的第4主周期。

图10 1960-2019年研究区年蒸发量Morlet小波系数和小波方差

3.4 暖湿化对区域植被的影响

3.4.1 植被覆盖的时间变化特征 1998—2019年沙地生长季NDVI值(图11)在0.47～0.82波动，总体呈现波动增加趋势，变化率为0.135/10 a。NDVI值变化分为4个阶段，其中1998—2002年呈缓慢下降趋势，2002—2004年呈急速上升趋势，2005—2018年呈现小波幅的总体增长趋势，2018-2019年NDVI均值出现了大幅度下降。

3.4.2 毛乌素沙地NDVI变化对气候变化的响应由图11可知，1998—2019年沙地生长季平均气温呈现小幅下降趋势，降幅仅为0.028 ℃/10 a；降水量表现为大幅波动上升趋势，上升幅度呈51.92 mm/10 a；蒸发量也呈现上升趋势，幅度达30.12 mm/10 a。该结果表明，1998—2019年毛乌素沙地气候在生长季的暖湿化趋势及水循环动力持续增强。

为探索研究区气候因子与植被的响应关系，本文绘制了其时间序列对照图。由图11可知，平均气温的年际变化与NDVI的年际变化总体上变化趋势一致，仅在2018年随着气温的小幅下降，NDVI值呈现大幅上升；降水的年际变化与NDVI的年际变化在 2000—2002年，2014—2016年呈现相反的增减趋势，其余年份的增减趋势均一致；蒸发的年际变化与NDVI的年际变化在2000—2002年、2009—2011年、2013—2017年呈现相反的增减趋势。为进一步探索其间响应关系，本文基于经典统计学原理进行了相关性分析发现，沙地生长季NDVI与降水和蒸发均呈显著正相关，相关系数分别为0.479(<0.05)和0.500(<0.05)，而与气温呈负相关，相关系数仅为0.041(>0.05)。基于上述分析可知，气候因子对植被NDVI的响应关系为温度<降水<蒸发。

图11 1998-2019年研究区生长季NDVI与气温、降水量、蒸发量的关系

4 讨论

近几十年来，中国西北地区暖湿化逐渐成为本领域研究的热点与重点问题。由于暖湿化现象存在不确定性，不同地区气候因子的变化特征异质性明显，且其与区域植被变化关系复杂。本研究表明，受西风环流、高原季风和东亚季风环流的综合作用，毛乌素沙地区域气象因子时空特征具有明显的区域性和复杂性。研究区气温、降水及蒸发均呈上升趋势，区域气候向暖湿化趋势发展，该结果验证了施雅风在2003年所提出的西北地区气候暖湿化发展的预测，也与张强等、Luo等及Huo等在该区域对气候因子变化特征的研究结果基本一致，即区域环境因子变化显著。

全球气温上升趋势显著，区域变暖已明确。降水与蒸发同样作为衡量研究区域暖湿化的重要指标，二者呈显著波动上升趋势，变湿增强，这与张强等基于多源数据进行的西北暖湿化的时空特征分析结果相似。前人通过构建干旱指数，并提出西北地区于21世纪开始进入增湿期。然而，本文针对研究区各站及区域平均降水与蒸发特征进行M-K突变分析发现，突变均起始于19世纪70年代，且在80—90年代带存在显著的突变，气候由“干”转“湿”过程虽然也具有年代性，但时间节点略有不同。首先，推测这与研究区位置有关，区域气候条件受多因素影响，具有显著的空间异质性；其次，可能与数据的时间序列长短有关，百年长序列、50年以上中序列和30年左右短序列的气象因子特征及变化规律不统一。本文着重分析了区域气象因子的小波周期及方差分析，揭示其主要存在28年的第1主周期，5～10年的小周期更换频繁，与胡永宁等在沙地典型区乌审旗研究出的结果相一致。气象因子周期性与年际性共同阐释了研究区暖湿化的变化趋势。

气候的变化将为该区域生态环境带来全新的机遇与挑战。毛乌素沙地绿色植被生态演变向好趋势发展显著，气候变化是关键性驱动因素。本文基于NDVI时间序列数据特征分析，探讨其与气象因子间的响应关系发现，研究区植被NDVI值呈上升趋势，杨梅焕等的研究结果证实了这一趋势。并找出植被与蒸发和降水呈正相关的响应关系，蒸发显著性大于降水，证实二者是黄土高原区植被变化的主要限制因素。

蒸发升高与植被的水资源利用率提升有密切联系，对植被生长起到促进作用。然而，由于气象因子的时空差异性，蒸发也会抑制植被变化，针对这种现象，应引起学者们相应关注。植被与气温在研究中呈负相关的响应关系，证实生长季气温降低对植被变化起抑制作用，这与郭紫晨等指出毛乌素沙地植被NDVI上升与气温升高存在关联的结论相似，但在气温变化趋势性与二者相关性方面存在差异。结合本研究结果，推测气温与植被响应关系存在滞后性和空间异质性，需要将来深化研究。