準噶爾盆地植被與土壤鹽漬化關聯性變化趨勢分析

杜秉晨曦 , 程勇翔, 吳 玲

石河子大學,生命科學學院, 石河子 832000

植被是聯結土壤、大氣和水分等要素的自然紐帶,對氣候變化敏感[1]。近年來受全球氣候變化的影響,中國西北地區正由暖干型向暖濕型氣候轉變[2]。這種氣候變化對地處干旱半干旱區的準噶爾盆地植被影響十分顯著。近60年來,盆地所在區域年均氣溫和降水量分別以0.35 ℃/(10a)和13.25 mm/(10a)的速率增加[3],并且降水多集中在一年中的兩端[4]。氣候特點及其當前變化趨勢理論上有利于盆地短命植物和旱生植物的生長和繁殖。相關研究表明自2000年以來盆地內古爾班通古特沙漠短命植物覆蓋度隨著年降水量的增加而增加[5],旱生植物也呈現緩慢上升趨勢[6]。但刁鳴軍等[7]在分析近年來準噶爾盆地植被整體變化時發現,雖然盆地植被總體呈增加趨勢,但仍有近33.0%的區域植被呈現退化趨勢,目前學者對這些區域植被退化的成因尚無明確解釋。

另有研究表明,準噶爾盆地中的一些低平地和矮沙丘因為近年來表土鹽分升高,致使其上梭梭幼苗萌發受到抑制,種群發生衰退[8-9]。王飛等[10]以新疆塔里木盆地南緣為研究區,利用NDVI、SI二者之間的關系構建特征空間,表明隨著含鹽量的增加,NDVI逐漸降低。陳實等[11]基于MODIS數據土壤鹽漬化遙感監測指數(SRSI)對北疆2000—2014土壤鹽漬化狀況進行監測分析,結果表明北疆農區土壤鹽漬化整體呈現降低趨勢。何寶忠[12]基于MOD13A1-NDVI數據,探討土壤鹽漬化與植被和地貌類型的關系,結果表明在植被繁茂區域多為非鹽漬化和輕度鹽漬化區,植被稀疏多為重鹽漬化區,且高程較低區域的鹽漬化現象普遍較重。

綜上所述,土壤鹽漬化變化是否是驅動當前準噶爾盆地植被整體趨好,局部退化的間接原因,目前尚缺乏詳細研究。對盆地低洼聚鹽區是否會隨著當前氣候變化出現“鹽增植減”的假設也尚未進行過證明。因此,研究擬通過SRSI及NDVI等生態因子趨勢分析來反映盆地植被及土壤鹽漬化動態變化,探索盆地近年來氣候-鹽漬化-植被變化間的因果關系。實現對準噶爾盆地植被及土壤鹽漬化變化趨勢及二者相關性的準確描述,結果為荒漠植被保護提供一定的科學依據。

1 研究區概況

準噶爾盆地位于中國新疆北部,地理坐標為42°36′18″—48°39′30″N,82°17′44″—96°1′13″E,東北為阿爾泰山,南為天山山脈,西側為準噶爾西部山地,盆地呈三角形,是中國第二大的內陸盆地,面積約為38萬km2,海拔189—1569 m,東高西低,如圖1所示。盆地中部有我國面積最大的固定、半固定沙漠-古爾班通古特沙漠。按照區域13個氣象站點1951—2019年觀測數據統計準噶爾盆地年均溫為2—11 ℃,年降水量為20—295 mm,日降水量≥0.1 mm累積日數年平均值為14—107 d,相對濕度年平均值為33%—62%,年日照時數平均值為2542—3335 h。準噶爾盆地植被呈非緊縮型分布,代表植物有梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)、白梭梭(HaloxylonPersicumBunge ex Boiss. Et Buhse)、琵琶柴(Reaumuriasongonica(PalL)Maxim.)、檉柳(TamarixchinensisLour.)、鹽穗木(Halostachyscaspica(Bieb.) C. A. Mey.)和早春短命植物等。盆地土壤以棕鈣土和荒漠灰鈣土為主,局部為龜裂土、草甸土和鹽堿土等土壤類型。

圖1 研究區介紹Fig.1 Introduction to the research area

2 研究數據與方法

2.1 研究數據及預處理

研究所用數據包括中國農業統計數據平臺(http://hx.acmr.com.cn/)獲取的相應縣、市耕地播種面積數據。中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)下載獲得的1951—2019年準噶爾盆地十三個氣象站月值數據,該數據用于研究區氣候特征的描述。美國國家航空航天局官網(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)下載獲得的2002—2019年MOD09A1數據 (MODIS Terra 500m地表反射率8天合成數據產品),數據軌道號為h23v04、h24v04,共獲取1824幅遙感影像,將下載后的影像利用MRT(MODIS Reprojection Tools)軟件進行圖像拼接和投影轉換(橢球體WGS- 84,投影Mercator)。通過MOD09A1地表反射率500 m狀態信息,獲取每幅影像晴空像元歸一化植被指數(NDVI)、土壤鹽漬化指數(SRSI)和土壤濕度指數(SIMI)。

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中ρnir、ρred、ρblue、ρswir1和ρswir2分別代表MOD09A1中的近紅外、紅、藍、短波紅外1和短波紅外2波段。

基于指標計算,研究按照季節變化結合MODIS數據日期來確定統計時間范圍春季(3月6日—5月25日)、夏季(5月26日—8月29日)、秋季(8月30日—11月25日)、生長季(3月6日—11月25日,運用最大值合成法(Maximum Value Composite, MVC)得到每年春、夏、秋和生長季NDVI的最大值。在SRSI最大值統計時間范圍選取中,研究為避免準噶爾盆地春、秋積雪對結果的影響,最大值統計時間范圍選擇春季(4月15日—5月25日)、夏季(5月26日—8月29日)、秋季(8月30日—10月15日)、生長季(4月15日—10月15日)的遙感影像參與相應SRSI最大值合成。為排除雪山與河流、湖泊等高SRSI變異區域對結果的影響,研究利用SRSI變異系數小于90%的條件對上述地類進行了去除,剩余研究區被用于結果分析。

另外,研究下載了2002—2019年MODIS Terra 6 km月值地表溫度(MOD11B3)和500 m年值土地分類數據(MCD12Q1),熱帶測雨觀測計劃(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)0.25°月值降水等輔助分析數據。以上數據經圖像預處理,數據投影信息與MODIS09A1相同。因MOD11B3和TRMM數據主要用于結果區域正確性檢驗,故研究未改變其各自數據的空間分辨率。

2.2 研究方法

2.2.1Mann-Kendall趨勢分析

研究對盆地各季節NDVI和SRSI時間序列進行Mann-Kendall趨勢變化分析,其檢驗公式為[13]：

(4)

(5)

S為正態分布,其均值為0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當統計量S取值不同時,算公式分別為：

(6)

在雙邊趨勢檢驗中,對于給定的置信水平α,若|Z|≥Z1-α/2,即在置信水平α上,時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢,零值表示不變,負值表示減少趨勢。本研究中當α為95%置信水平時,Z的取值為1.96。指標變化趨勢的等級劃分如表1所示。

表1 指標變化趨勢等級劃分表

2.2.2Hurst指數趨勢預測

為進一步探討NDVI和SRSI時間序列未來可能的變化趨勢,研究利用Hurst趨勢分析預測了兩組序列未來的變化方向。Hurst指數計算過程為[14]：

對于時間序列{Vart},t=1,2,…,n,首先定義均值序列：

(7)

其次計算出累計離差,公式為：

(8)

然后計算出極差,公式為：

(9)

再利用如下公式計算標準差：

(10)

H為Hurst指數,采用最小二乘法和公式log(R/S)n=a+H×logn得到H值,該值有以下三種形式：如果0.5

2.2.3相關性分析

研究通過相關系數分析,探討NDVI和SRSI時間序列在各季節的相關關系,利用相關系數顯著性檢驗(0.05水平)判定二者間關系是否顯著,所得結果再結合NDVI和SRSI趨勢變化方向進行綜合解釋。相關性計算公式如下：

(11)

3 結果與分析

3.1 準噶爾盆地植被及土壤鹽漬化季節變化規律分析

研究將2002—2019年NDVI和SRSI春、夏、秋三季平均值的結果進行排序,探討植被和表土鹽漬化的季節消長,由圖2可知,盆地綠洲農作物年生長峰值出現在夏季(夏綠型),古爾班通古特沙漠植被年生長峰值出現在春季(春綠型),地勢相對低洼(多鹽生植物生長區)其上植被年生長峰值出現在秋季(秋綠型),研究結果與各類群植被生長規律相吻合[15]。盆地土壤鹽漬化情況則表現為春季峰值型最為普遍,夏、秋次之。對比圖2中兩幅圖,可得同一空間中植被生長和土壤鹽漬化的峰值發生季節在時間上不重疊,表明二者峰值呈負關聯,即表土鹽分高的季節不利于植被的生長。

圖2 準噶爾盆地春、夏、秋三季NDVI和SRSI平均值排序結果圖Fig.2 Ranking results of NDVI and SRSI average values in spring, summer and autumn in Junggar BasinNDVI: 歸一化植被指數, SRSI: 土壤鹽漬化指數

3.2 準噶爾盆地植被與土壤鹽漬化的趨勢變化分析

研究對2002—2019年盆地不同季節NDVI和SRSI時間序列分別進行Mann-Kendall趨勢分析,并按表1進行等級劃分,結果如圖3所示,盆地NDVI整體呈增加趨勢,局部呈減趨勢,各季節NDVI呈增加趨勢的面積占比在63.50%—90.93%之間,平均為77.98%(圖4)。而盆地SRSI整體呈減少趨勢,局部呈增加趨勢,各季節SRSI呈減少趨勢的面積占比在46.50%—86.78%之間,平均為70.68%(圖5)。春季是盆地植被增加及土壤鹽漬化減少面積占比都最大的一個季節。

圖3 準噶爾盆地各季節NDVI和SRSI Mann-Kendall變化趨勢等級劃分結果圖Fig.3 Ranking results of seasonal NDVI and SRSI Mann-Kendall trend in Junggar Basin

盆地中古爾班通古特沙漠各季節NDVI呈增加趨勢的面積占比在65.00%—88.20%之間,平均為76.79%,其中春季NDVI呈增加趨勢的面積占比最高(圖4)。分析原因與沙漠區域近年來春季降水增加,沙地表面聚鹽能力差,短命植物大量生長繁殖密切相關[16]。盆地中綠洲區域各季節NDVI呈增加趨勢的面積占綠洲總面積的63.50%—90.93%,平均為81.56%。滴灌技術的廣泛運用使得綠洲區域大面積鹽堿地、荒漠、草地轉變為耕地,極大的增加了盆地內耕地面積,綠洲變的越來越綠[17]。盆地荒漠區各季節NDVI呈增加趨勢的面積占比為71.54%—78.48%,平均為76.30%。

圖4 2002—2019年準噶爾盆地NDVI 各等級變化趨勢面積占比分析Fig.4 Analysis on the proportion of NDVI change trend area of each rank in Junggar basin from 2002 to 20191: 春季Spring; 2: 夏季Summer; 3: 秋季Fall; 4: 生長季Growing Seasons. Ⅰ: 古爾班通古特沙漠Gurbantunggut desert; Ⅱ: 綠洲Oasis; Ⅲ: 荒漠區Desert area; Ⅳ: 準噶爾盆地Junggar basin. SID: 顯著減少Significant decrease; SLD: 一般減少Slight decrease; CON: 不變Constant; SLI: 一般增加Slight increase; SII: 顯著增加Significant increase

盆地春季SRSI呈增加趨勢的面積占比最小,為總面積的16.13%,其次為夏季26.72%,最后為秋季36.33%(圖5)。分析秋季盆地SRSI呈增加趨勢的面積占比高的原因,與近年來秋季氣溫升高、降水增加密切相關[18]。沙漠和荒漠區SRSI呈增加趨勢的面積占比排序與盆地整體規律一致,而綠洲區該面積占比排序則為春季<秋季<夏季,這與綠洲夏季農作物生長峰值規律相吻合。

圖5 2002—2019年準噶爾盆地SRSI各等級變化趨勢面積占比分析Fig.5 Analysis on the area proportion of SRSI change trend of different rank in Junggar basin from 2002 to 20191: 春季Spring; 2: 夏季Summer; 3: 秋季Fall; 4: 生長季Growing seasons. Ⅰ: 古爾班通古特沙漠Gurbantunggut desert; Ⅱ: 綠洲Oasis; Ⅲ: 荒漠區Desert area; Ⅳ: 準噶爾盆地Junggar basin. SID: 顯著減少Significant decrease; SLD: 一般減少Slight decrease; CON: 不變Constant; SLI: 一般增加Slight increase; SII: 顯著增加Significant increase

研究對盆地各季節NDVI和SRSI時間序列分別進行Hurst趨勢預測分析,結果如圖6所示,從圖中可以看出,植被和土壤鹽漬化指數的未來變化趨勢總體表現為當前兩者呈顯著增加的區域未來仍會繼續增加,當前兩者呈顯著減少的區域未來仍會繼續減少,但一些當前變化趨勢不顯著的區域,Hurst指數未來變化趨勢預測結果與當前變化趨勢方向相反。

圖6 2002—2019年準噶爾盆地各季節NDVI和SRSI Hurst變化趨勢預測圖Fig.6 Prediction of NDVI and SRSI Hurst future change trend in different seasons of Junggar basin from 2002 to 2019

3.3 植被與土壤鹽漬化的相關性分析

研究將SRSI和NDVI發生趨勢變化且相關性分析為顯著的區域求交集,得到二者存在趨勢變化且關系密切的區域,結果如圖7所示,準噶爾盆地大部分區域近20年均表現為“鹽減植增”模式,其次盆地范圍地勢相對較低的區域表現為“鹽增植減”模式,各研究時段兩種模式的面積合計占盆地總面積的37.36%—57.83%,平均為51.75%(圖8),結果表明土壤鹽漬化程度與植被生長呈負相關關系。盆地中僅有較少區域表現為“鹽減植減”或“鹽增植增”模式。

圖7 準噶爾盆地各季節SRSI和NDVI二者存在趨勢變化且呈顯著相關的區域分布圖Fig.7 The result distribution diagram of SRSI and NDVI in different seasons of Junggar basin, which have a trend change and a significant correlation

表2 準噶爾盆地各季節SRSI和NDVI二者存在趨勢變化且呈顯著相關的區域面積統計/(104·km2)

沙漠區除秋季外,春、夏及生長季“鹽減植增”的區域面積占比均超過沙漠顯著相關區域面積56.76%,其中春季“鹽減植增”模式面積占比最高,達到沙漠顯著相關區域面積的85.51%。綠洲區域夏季“鹽減植增”區域面積占比最高,達到整個綠洲區顯著相關區域面積的89.51%,而綠洲生長季“鹽增植增”變化模式占比最高為35.01%(圖8),這充分體現了人類活動對農業生產環境的調控作用。荒漠區各季節SRSI與NDVI呈負相關的區域面積占比與盆地整體相當。

圖8 準噶爾盆地SRSI和NDVI發生趨勢變化且相關性分析為顯著的區域各類型面積百分比Fig.8 Area percentage of each type that SRSI and NDVI have tendency changes and significant correlation in Junggar Basin: 增加Increase; : 降低Decrease. 1: 春季Spring; 2: 夏季Summer; 3: 秋季Fall; 4: 生長季Growing seasons. Ⅰ: 古爾班通古特沙漠Gurbantunggut desert; Ⅱ: 綠洲Oasis; Ⅲ: 荒漠區Desert area; Ⅳ: 準噶爾盆地Junggar basin

4 討論

相關分析表明由于厄爾尼諾—南方濤動引發的暖濕氣流變化和中緯度西風帶對水汽的輸送,最終導致北疆降水量增加[19- 22]。為了解不同季節降水對植被的影響,研究利用TRMM降水數據分析了2002—2019年盆地各季節降水格局的變化。從圖9可知盆地春、秋兩季降水增加較為明顯,夏季降水增加相對較少,該結果與Zhang[23]等所得北疆地區降水量在冷季比暖季增加更快的結論一致。降水量及冷季降水的增加總體上有利于植被的生長和繁殖。降水格局變化在本研究表現為盆地各季節有63.50%—90.93%的植被呈增加變化趨勢。該結果與近年來盆地旱生植物呈現緩慢上升變化趨勢[6],沙漠短命植物覆蓋度變化及萌發機制等研究結論相吻合[24]。

圖9 2002—2019年準噶爾盆地季節性降水的Mann-Kendall結果分析圖Fig.9 Mann-Kendall analysis of seasonal precipitation in Junggar basin from 2002 to 2019

區域溫度的升高和降水的增加導致一些地勢相對較低的地區(低平地、低洼處及河水匯流處)土壤鹽分增加。Taghizadeh-Mehrjardi等[25]研究表明高程、坡度等地形參數會對土壤鹽漬化的聚集有重大的影響。盧磊[26]等認為地勢高低變化會影響土壤鹽漬化的分布格局,一般地勢較低處的土壤鹽分相對高。對比研究結果可知,近年來盆地表土鹽分增加區均為地勢相對低洼的區域(圖1、圖3)。這些區域常年排水不暢,受近年來降水增加的影響,地表溫度會下降[27-28],氣溫升高,區域巨大的蒸發降水比[29]使得這些低洼處在降水后表土易于再次變干,土壤毛管水作用增強,鹽分表聚,鹽脅迫導致植被生長不良,植被退化,植被的退化導致土壤表面無法保存水分使得該地區的土壤濕度逐漸下降。為證明該推斷,完善結果證據鏈,研究利用遙感土壤濕度指數和地表溫度趨勢分析,選取土壤鹽漬化對植被影響最為典型的兩個區域給予論證(圖10),樣區Ⅰ 和Ⅱ 分別位于福海縣的中部和和布克賽爾蒙古自治縣與瑪納斯縣交界處。兩個樣區的地形均易發生土壤鹽漬化,受氣候變化影響,上述地區2002—2019年降水升高(圖9),地表溫度降低,配合地形和土壤因素,這些地區均表現為土壤鹽漬化增加,植被因鹽分脅迫無法正常生長發育導致植被覆蓋下降,同時,土壤濕度與植被覆蓋呈正相關,在空間分布上具有較好的一致性[30-31],植被覆蓋的降低使得該地區土壤無法保持濕潤狀態土壤逐漸變干(圖10)。以上分析通過閉合證據鏈的方式證明了盆地中的積水聚鹽區植被因鹽而退化的結果正確,回答了近年來盆地植被雖總體增加,但仍有部分區域呈現退化的主要成因。

圖10 準噶爾盆地“鹽增植減”結果驗證分析圖Fig.10 Validation analysis chart of “SRSI increase and NDVI decrease” results in Junggar Basin

人為因素是導致盆地綠洲植被變化的主要因素。研究基于MCD12Q1全球植被分類方案1和統計數據,分析2002—2019年盆地綠洲變化,結果與研究所得該區植被呈顯著增加的結論相一致(圖11)。雖然盆地綠洲一些特殊積水地形也表現為春季土壤鹽分呈較明顯增加趨勢,但受區域農業生產模式轉變的影響,特別是滴灌使得灌頭下土壤水分接近飽和,水分擴散后形成一個半圓錐形的土壤浸潤體,土壤鹽分隨水移動后,鹽被淋洗到浸潤體的外圍,結果土壤耕作層鹽分下降[32],促進了農作物生長。這是綠洲鹽堿地在生長季呈現“鹽增植增”的內在原因。

圖11 2002—2019年準噶爾盆地耕地及播種面積變化Fig.11 Changes of cultivated land and sown area in Junggar basin from 2002 to 2019

5 結論

受區域降水和氣溫升高的影響,近20年來準噶爾盆地各季節植被整體呈增加趨勢,增加區域面積占比為63.50%—90.93%,平均為77.98%。土壤鹽漬化呈減少趨勢,減少區域占比為46.50%—86.78%,平均為70.68%。但在地形低洼、排水不暢的區域土壤鹽漬化程度加重,植被減少。關聯性分析結果表明植被與鹽漬化變化趨勢普遍呈負相關,其中二者存在趨勢變化且又呈顯著負相關的區域面積占盆地總面積的37.36%—57.83%,平均為51.75%。氣候變化驅動的土壤鹽漬化變化成為影響當前準噶爾盆地植被變化的重要生態因子。