秦嶺山地對氣溶膠的生態屏障效應

孟清, 白紅英, 趙婷，郭少壯，齊貴增

(1.西北大學城市與環境學院，西安 710127； 2.西北大學陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室，西安 710127)

0 引言

陸地表層自然環境要素及其之間的相互作用是自然地理系統形成與演化的主要驅動力之一，即格局對過程的影響[1]。山地的屏障作用對區域自然環境的塑造，尤其是對大氣環流和生態環境有著重要的影響作用。學者們對于平行嶺谷的阻隔效應開展的研究較多，對自然要素的影響主要包括季風[2]、溫度與熱量[1]、降雨[3]、植被動態變化[4-5]和孢粉[6]，涉及人文要素相對較少，例如對建設用地格局演變的研究[7]。高登義[8]探討了喜馬拉雅山脈和橫斷山脈的山地屏障作用對降水分布和氣候自然帶的影響； 孟小絨[9]分析了秦嶺山地的強阻擋作用對預報降雪準確性的影響； 陳志超等[10]研究了伏牛山對水熱等自然地理要素的阻隔作用。阻隔作用下的區域生態效應已經成為山地生態學研究的熱點之一[11-12]。

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系； 大氣氣溶膠粒子通常包括煙粒、塵埃、鹽粒、水滴、冰晶、微生物、植物的孢子和花粉等[13]。大氣氣溶膠粒子通過對太陽輻射的吸收與散射改變地面接收的太陽輻射能從而緩解全球增溫現象[14-18]； 另一方面，氣溶膠粒子作為云的凝結核通過改變云的微物理特征和變化周期，間接地影響氣候[19-21]。此外，氣溶膠與酸雨和霧霾等環境問題都與氣溶膠密切相關[22-24]，且嚴重危害人類健康。氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)是氣溶膠的重要光學特性之一，其為氣溶膠的消光系數在垂直方向上的積分[25]。目前，對于氣溶膠的觀測，衛星遙感具有連續、動態、宏觀和快速等特點，能夠彌補地面觀測無法獲取連續時空分布特征的缺點[26]。He等[27]采用MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)數據研究了長江流域氣溶膠的年際變化及其驅動因素。劉狀等[28]利用MODIS MOD08M3產品反演了中國北方7個省(地市)氣溶膠的時空分布特征； 吳國雄等[29]分析了氣溶膠與東亞季風的相互影響，發現東亞季風強弱對氣溶膠的輸送和濃度分布有明顯的影響； 張亮林等[30]基于MODIS數據研究了中國AOD的時空分布特征，指出胡煥庸線以東為AOD高值區，以西為低值區。俞海洋等[31]利用MODIS對北京及周邊區域大氣氣溶膠的時空變化特征進行了分析，并對影響氣溶膠的關鍵氣象因素進行了探討，研究發現氣溶膠光學厚度在夏春季大于秋冬季，而且春季相對濕度是影響氣溶膠光學厚度的重要因素，同時低風速和南風也是造成氣溶膠光學厚度高值的原因之一。徐小紅等[32]和戴進等[33]研究了氣溶膠對秦嶺山脈地形云降水的影響，結果表明氣溶膠的增加抑制了地形云降水。杜川利等[34]研究了氣溶膠和城市熱島效應對秦嶺地區近50 a氣溫序列影響，結果表明氣溶膠對秦嶺氣溫冷卻幅度為0.21 ℃/10 a。

秦嶺山地橫亙在中國中部，作為南北分界線，秦嶺山地相對高差達3 000 m，地面起伏度較大，地形上南坡緩長，北坡陡峭，且南北麓的自然景觀和人文景觀都呈現出迥然不同的狀態，且北麓城鎮化水平較高，本文以位于陜西的秦嶺腹地為研究對象，借助Terra/MODIS MOD04_3k氣溶膠光學厚度產品，對秦嶺山地南、北麓AOD的時空分布規律及其與地形的關系進行研究，旨在揭示秦嶺山地對大氣氣溶膠分布的阻隔作用及其地形效應，從而為氣候變化研究及環境治理等提供理論支撐和科學依據。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

本文研究區為位于陜西省境內的秦嶺腹地[35]，在32°40′N～34°35′N，105°30′E～111°3′E之間，總面積約6.19萬km2，約占陜西省總土地面積30%，如圖1所示。秦嶺山地大體上與1月0 ℃等溫線、800 mm等降水量線基本一致，也是長江與黃河兩大流域的分水嶺。秦嶺山地北仰南俯，海拔范圍在195～3 771.2 m，其中>1 500 m的山地面積為1.46×104km2； >2 000 m的面積為3 675.5 km2； >3 000 m的面積為130.23 km2。秦嶺北坡位于關中平原南部地區，主要包括寶雞、西安和渭南大部分縣區； 秦嶺南坡位于秦巴山之間，跨越商洛、安康和漢中等地區[35]。截至2015年底，秦嶺北部地區總人口約2 280萬，生產總值11 223.61億元； 秦嶺南部地區人口約為844.55萬人，生產總值2 459.12億元[36]。秦嶺山地水量充沛，年均降水量約為825 mm，北坡平均降水量為737.25 mm，南坡平均降水量為847.37 mm[37]。秦嶺山地植被覆蓋度良好，植被覆蓋率達84%，北坡為75%，南坡為86%，秦嶺南北坡均以高植被覆蓋為主[38]。秦嶺山體龐大，對冬季西伯利亞寒流和夏季太平洋濕潤的水汽具有明顯的“阻隔作用”，使得中國南北出現了不同的氣候型和植被類型[39]，北坡屬于暖溫帶半濕潤氣候，廣泛分布暖溫帶落葉闊葉林； 南坡為北亞熱帶濕潤氣候，分布著北亞熱帶常綠闊葉—落葉闊葉混交林，特殊的地理位置，使秦嶺山地成為全球生態環境變化的敏感區。

圖1 秦嶺的地理位置Fig.1 Location of the Qinling Mountains

1.2 數據源

搭載于Terra和Aqua衛星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)，是目前氣溶膠探測的一個重要儀器，MODIS探測儀可以提供從可見光、近紅外到遠紅外共計36個通道的探測資料，具有較高的空間分辨率，掃描寬度為2 330 km，可為陸地、海洋、大氣、氣溶膠及云的觀測提供高分辨率的檢測產品，目前已經得到廣泛應用。在本文中選用的氣溶膠光學厚度資料來源于NASA最新發布的Terra/MODIS MOD04_3k產品，時間序列自2002年1月至2017年12月，空間分辨率為3 km×3 km，數據獲取自https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/網站。數字高程模型(digital elevation model，DEM)，分辨率為25 m×25 m。

2 研究方法

1)山地與平原的地形特征主要區別在于其高程和坡度兩個關鍵性指標[40]。因此本文在國際UNEP-WCMC(聯合國環境規劃署-世界保護監測中心)對山地劃分標準的基礎上，考慮到中國山地的復雜多變，各地區山地類型差異較大，并結合秦嶺地區的實際環境[41]，植被覆蓋率和農作物生長情況，將秦嶺地區的平原和山地劃分依據如下： ①海拔<600 m，坡度<5°的區域為平原地區； ②海拔在600～1 000 m之間的區域為低山地區； ③海拔在1 000～2 500 m之間的區域為中山； ④海拔在2 500～3 771.2 m的全部區域為高山。

2)核密度估計法(Kernel density estimation, KDE)，是一種用于估計概率密度函數的非參數方法，是由Emanuel Parzen在1962年提出的[42]，又名Parzen窗(Parzen window)。核密度估計法的公式為：

(1)

式中：K為核函數(非負、積分為1，符合概率密度性質)，h>0為一個平滑參數，稱為帶寬，也有人叫窗口。核密度估計的目的是給定一組樣本量大的數據，估計出該數據總體的概率密度函數。核密度估計法能有效地表達高密度二維散點圖的空間分布特征，針對一般散點圖難以辨別變量分布的集中度[42]。在本文中用來分析秦嶺地區AOD集聚中心的分布情況。

3 結果與分析

3.1 秦嶺山地南北麓年均AOD時空變化

2002—2017年，秦嶺南、北麓AOD逐年均值時空分布如圖2和表1所示。由圖2、表1中可以看出，16 a來AOD在南、北麓時空上變化差異顯著，秦嶺北麓年均AOD值均高于秦嶺南麓，表現出秦嶺山地對氣溶膠的生態屏障作用。大多數年份且在秦嶺地區AOD整體較高的年份，高值均出現在秦嶺北麓的關中城市群，關中城市群位于秦嶺山地和渭北山系間，此區域處于經濟發達、人口密度大，為四周高、中間低的地形，導致氣溶膠不易擴散，而且有研究表明AOD高值中心一般分布在人口聚集、經濟發達和海拔較低的地方[43-44]。另外，由圖1還可以看出，秦嶺山地的年均AOD分布還與地形明顯相關，除了北麓關中盆地是AOD的高值區，在南麓低海拔的漢中盆地亦出現了AOD高值區。由此可見，AOD的分布除了具有緯向差異還與地形有關。

表1 秦嶺南、北麓2002—2017年年均AOD對比Tab.1 Comparison of annual average AOD between2002 and 2017 over the southern and northernslopes of the Qinling Mountains

3.2 秦嶺生態屏障效應下AOD的分布特征

由于秦嶺山地南、北麓的空間異質性，為了更進一步研究秦嶺山地對AOD的阻隔作用，分別提取秦嶺山地從西到東沿不同經度(107°E，108°E，109°E和110°E)下大氣氣溶膠及海拔沿緯度的變化，由于秦嶺山脊線是一條東西向波動的線，特選出每條經度與之交點，以此進行南北對比分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，秦嶺山地南坡緩長，北坡陡峭，南、北麓AOD波動較大，從極值、均值和南北麓相同海拔的AOD值來看，AOD在不同經度上基本表現出“北高南低”的特點。

從極值來看，秦嶺山地從西向東不同經度上，北麓的AOD極大值在升高，南麓的極大值在減小。就均值來看，除了107°E，秦嶺南、北麓的均值均為0.23外，108°～110°E的AOD在南、北麓上存在差異性，北麓均值分別為0.27，0.47和0.47，南坡均值分別為0.24，0.25和0.25，由此可見，AOD均值亦存在“南高北低”的特點。為了更進一步的研究AOD在秦嶺山地南北麓的差異性，分別選取秦嶺山地南北麓所有海拔相同上的AOD值進行對比分析，見表2。由表2可知，相同海拔上南北麓的AOD值亦存在差異性，在19個采樣點中有15個AOD值北麓高于南麓，分布在山地西部(107°E和108°E)的高海拔區處(1 200 m)，有4個值南麓高于北麓，分布在山地東部(109°E和110°E)，北坡AOD均高于南坡。綜上所述，秦嶺山地經度上從西到東，AOD值基本表現為北麓高于南麓，此外，AOD值均與海拔密切相關。

表2 秦嶺山地南北坡相同海拔沿不同經度的AOD值對比Tab.2 Comparison of AOD values along differentlongitudes at the same altitude on the northernand southern slopes of the Qinling Mountains

3.3 秦嶺山地AOD與地形的關系

3.3.1 秦嶺山地AOD隨海拔的變化規律

秦嶺山地相對海拔差異較大，為研究秦嶺山地AOD隨海拔的變化規律，使用ArcGIS10.3提取2002年1月至2017年12月16 a來秦嶺山地不同海拔梯度上的AOD值，結果如圖4(a)所示。從圖4(a)可以看出，秦嶺山地16 a來大氣氣溶膠光學厚度在海拔上表現差異顯著，隨著海拔的上升，AOD呈對數下降趨勢。運用滑動T檢驗法對AOD隨海拔變化進行突變分析得知，突變點位于海拔2 000 m左右，對趨勢方程求導后得到AOD隨海拔的變化速率圖4(b)，由圖4(b)可知，在海拔2 000 m以下，AOD呈顯著地加速下降趨勢(p<0.01)，速率為0.001/1 000 m； 在海拔2 000 m以上，AOD呈顯著勻速下降趨勢(p<0.01)，速率幾近為0。

(a) AOD隨海拔的變化規律

(b) AOD隨海拔變化速率圖圖4 16 a間秦嶺山地AOD隨海拔的變化規律Fig.4 Variation of AOD with Altitude over theQinling Mountains during 16 Years

3.3.2 秦嶺山地AOD與地形的關系

AOD的分布除了具有南北差異和經向差異，還受地形、坡度和坡向影響，因此將秦嶺地區按照海拔和坡度分級分為平原、低山、中山和高山4種地形，如圖5所示，平原地區主要為秦嶺北麓的關中盆地、南部的漢中盆地和安康盆地3大區域； 平原和低山的面積分別占秦嶺地區總面積的16%和25%，中山面積分布較廣，約占秦嶺地區面積的58%； 高山面積分布較少，只占1%。利用ArcGIS10.3和核密度估計法提取出秦嶺地區不同地形下的空間密集中心，如圖6所示。從圖6中可以得知，AOD密集中心在秦嶺山地不同地形下分布差異較大。平原區的集聚中心分布在海拔330～420 m處，集聚中心約79%的值集聚在0.35～0.71之間，并且在330～340 m之間出現了高值集聚中心(AOD=0.7)，此海拔多為秦嶺南、北麓城市群，故此處人口較密集； 低山區的集聚中心分布在海拔900～1 000 m處，集聚中心約79%的值集聚在0.15～0.32之間； 中山區的集聚中心在海拔1 000～1 400 m處，集聚中心約60%的值集聚在0.19～0.3之間，此3種地形下，AOD均呈霧狀分布； 高山區AOD呈零星點狀分布無集聚中心。

圖5 秦嶺地區地形分類圖Fig.5 Topographic classification Mapover the Qinling Mountains

3.3.3 秦嶺山地AOD與南北坡地形的關系

為了進一步分析秦嶺山地南北坡地形與AOD的關系，本文將分別分析南坡和北坡海拔和AOD的關系。如圖7所示，秦嶺山地北坡的AOD聚集中心(AOD=0.6)分布在海拔500 m處，而秦嶺南坡AOD的聚集中心(AOD=0.22)分布在海拔1 100～1 200 m處。此外，從圖7中還可以得知，隨著秦嶺北坡海拔的升高，AOD值呈“對數型”曲線下降； 而南坡的下降趨勢表現不明顯。

4 結論

本文基于Terra/MODIS MOD04_3k遙感產品研究了秦嶺山地對大氣氣溶膠光學厚度的生態屏障效應及其與地形的關系。主要結論如下：

1)2002年1月至2017年12月16 a來秦嶺北麓年均AOD值均高于秦嶺南麓，高值均出現在秦嶺北麓的關中城市群； AOD的擴散具有明顯的緯向性特征，作為一種生態屏障，對大氣氣溶膠的擴散具有明顯的阻隔作用。

2)秦嶺山地AOD表現出南北差異較大。不論秦嶺南、北麓AOD的極值、均值和相同海拔處的AOD都表現出“南低北高”的特點，同時，秦嶺山地AOD與海拔表現出明顯的負相關關系。

3)AOD隨海拔的分布規律表現在： AOD隨海拔上升呈現對數下降趨勢，在海拔2 000 m以下，AOD呈顯著的加速下降趨勢，速率為0.001/1 000 m； 在海拔2 000 m以上，AOD呈顯著地勻速下降趨勢，速率接近為0。

4)AOD在秦嶺山地不同地形下分布差異較大。平原區的集聚中心分布在海拔330～420 m處，集聚中心約79%的值集聚在0.35～0.71之間，并且在330～340 m之間出現了高值集聚中心； 低山區的集聚中心分布在海拔900～1 000 m處，約79%的值集聚在0.15～0.32之間； 中山區的集聚中心在海拔1 000～1 400 m處，約60%的值集聚在0.19～0.3之間； 高山區AOD呈零星點狀分布無集聚中心。AOD集聚中心在秦嶺北坡的海拔分布比南坡低，北坡AOD集聚中心值高于南坡。AOD隨著秦嶺北坡海拔升高而呈對數下降趨勢，南坡下降趨勢不明顯。

以上結論表明，由于秦嶺山地的阻隔作用使得對AOD產生明顯的生態屏障作用，另一方面，AOD受地形影響，在海拔2 000 m以下表現得最為密集，應在此區域加強氣溶膠的監測與環境的治理工作。