毛烏素沙地降水和氣溫變化特征及其與植被因子的關(guān)系

2022-03-15 05:20:14高建倫王晶晶任永慶魏孝榮謝佰承

水土保持研究 2022年2期

高建倫, 王晶晶, 任永慶, 魏孝榮,4, 謝佰承

(1.陜西省榆林市氣象局, 陜西榆林 710014; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 陜西楊凌 712100; 3.陜西省水利廳河湖運(yùn)行處, 西安 710004; 4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所, 陜西楊凌 712100; 5.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410118)

人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/覆被變化(LUCC)已經(jīng)成為大氣環(huán)境系統(tǒng)變化的重要驅(qū)動(dòng)因子。LUCC通過(guò)地表覆蓋的改變影響蒸散發(fā)、地表反射率以及潛熱通量等因素，導(dǎo)致大氣與地表之間的能量交換、熱量平衡和水文過(guò)程發(fā)生變化，從而對(duì)區(qū)域和全球氣候環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1-3]。LUCC與區(qū)域氣候變化關(guān)系的研究也因此成為目前研究人類(lèi)活動(dòng)與全球氣候變化之間相互作用的熱點(diǎn)，受到不同領(lǐng)域研究者的關(guān)注[4]。

目前關(guān)于LUCC對(duì)氣候變化驅(qū)動(dòng)的研究主要集中在東北、華南、華北地區(qū)，而對(duì)于沙地/沙漠區(qū)域研究的較少[5-6]。毛烏素沙地位于我國(guó)黃土高原與鄂爾多斯高原交界區(qū)域，也是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成區(qū)域，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[7]。過(guò)去40 a來(lái)，受大規(guī)模植被恢復(fù)措施的影響，毛烏素沙地LUCC發(fā)生明顯改變，沙漠化得到遏制，20世紀(jì)90年代末沙漠化進(jìn)程出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)[8-10]，該區(qū)也因此成為研究沙地LUCC與氣候變化關(guān)系的理想平臺(tái)。

早期的研究結(jié)果表明，毛烏素沙地溫度呈顯著升高的趨勢(shì)，平均升高速率為0.054℃/a[11-12]，降水變化不顯著[13-14]。目前研究者已經(jīng)分析了毛烏素沙地氣象要素、植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)[15-17]，但較少有研究關(guān)注這一地區(qū)土地利用/覆被變化引起的氣候效應(yīng)。而且前期的氣候要素分析以整體年序列為主，未考慮LUCC導(dǎo)致沙漠化逆轉(zhuǎn)前后時(shí)期氣象要素的差異，而對(duì)這方面的認(rèn)識(shí)是辨析該區(qū)氣候變化驅(qū)動(dòng)因子的基礎(chǔ)。

本研究選取毛烏素沙地周邊9個(gè)氣象站點(diǎn)1980—2016年不同時(shí)間尺度的降水和溫度數(shù)據(jù)，借助1999年退耕還林政策的實(shí)施所造成的地表植被大幅變化，分析該區(qū)LUCC和氣候條件的關(guān)系，同時(shí)區(qū)分這種關(guān)系在沙地和非沙地的差異，以期從土地利用/覆被變化角度揭示毛烏素沙地氣候變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為深入認(rèn)識(shí)沙區(qū)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于36°48′—40°12′N(xiāo)，106°11′—110°56′E，總面積約9.5萬(wàn)km2，年平均氣溫為6.0～8.5℃。該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降水主要集中在7—9月份，年均降水量250～400 mm。毛烏素沙地是中國(guó)四大沙地之一，處于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中段，生態(tài)環(huán)境極度脆弱。由于自然氣候變化和不合理的土地利用，該區(qū)流沙不斷擴(kuò)大，加速毛烏素荒漠化進(jìn)程。20世紀(jì)70年代，該區(qū)域進(jìn)行植物治沙研究，實(shí)施防沙治沙措施。尤其1999年以后，實(shí)行退耕還林(草)，通過(guò)人為治理和保護(hù)，毛烏素沙地植被覆蓋度顯著增加[18]。

1.2 氣象要素變化趨勢(shì)分析

本文選擇毛烏素沙地及周邊的9個(gè)氣象站點(diǎn)1980—2016年的年均降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，其中缺失數(shù)據(jù)采用缺失日期所對(duì)應(yīng)的前后兩年同一時(shí)期數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行插補(bǔ)。根據(jù)土地利用變化特征，將氣象數(shù)據(jù)分為退耕前后兩個(gè)時(shí)期(1980—1999年和2000—2016年)進(jìn)行分析。本文采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，Thiel-Sen斜率估計(jì)法計(jì)算氣象數(shù)據(jù)在時(shí)間序列的變化率β。

1.3 觀測(cè)資料減去再分析法(OMR)

觀測(cè)資料減去再分析法(OMR)是由Kalnay等[19]提出，主要利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的再分析資料在同化時(shí)沒(méi)有使用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，導(dǎo)致再分析資料對(duì)土地利用和植被覆蓋度的變化不敏感。因此，觀測(cè)資料減去再分析資料的差值能夠反映LUCC變化對(duì)氣象數(shù)據(jù)的影響。該方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用于LUCC對(duì)區(qū)域氣候影響的研究[20-21]。本文利用觀測(cè)資料減去再分析(OMR)方法研究LUCC對(duì)氣溫的影響，OMR氣溫是指氣象站點(diǎn)氣溫減去再分析資料地面2 m氣溫。本研究選擇時(shí)間序列為1980—2016年的再分析資料地面2 m氣溫?cái)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于NCEP氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)，分辨率為0.2°(https:∥rda.ucar.edu/datasets/ds094.0/)。

1.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和NDVI變化率

土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣可以定量表征某一時(shí)期土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)變情況[22]。本研究基于ArcGIS軟件，對(duì)1980—2000年和2000—2015年土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)分別進(jìn)行矢量交叉分析(Intersect)，獲取1980—2000年和2000—2015年的土地利用轉(zhuǎn)變情況。1980年、2000年、2015年的30 m柵格的土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)不同時(shí)期 Landsat TM和ETM+影像目視解譯獲取。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠表征區(qū)域植被覆蓋的狀況。NDVI作為植被覆蓋度指標(biāo)被運(yùn)用于植被變化的研究。NDVI數(shù)據(jù)分別來(lái)源于AVHRR(1981—1985年)、Landsat 5(1986—1999年)、MODIS/Terra傳感器(2000—2016年)。NDVI的變化率代表植被覆蓋度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，其公式為：

(1)

式中:s為NDVI的變化率;n為時(shí)間跨度;i為時(shí)間排列序號(hào);NDVIi為第i年的NDVI。當(dāng)s>0時(shí)，NDVI隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，反之,為減少趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水和溫度變化

通過(guò)分析毛烏素沙地及周邊氣象站點(diǎn)年降水量變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，退耕還林草措施顯著改變了毛烏素沙地降水和溫度的變化趨勢(shì)，但是這種影響與下墊面物質(zhì)組成(沙地和非沙地)無(wú)關(guān)(表1)。1980—1999年，除鹽池站外，8個(gè)氣象站點(diǎn)的年降水量變化均不顯著，該時(shí)段沙地與非沙地的年降水量變化無(wú)明顯差異。2000—2016年，榆林、神木、鹽池和橫山站的年降水量呈顯著增加趨勢(shì)，其余站點(diǎn)增加不顯著。而且，2000—2016年降水量年增幅大于1980—1999年，沙地和非沙地的年降水量變化無(wú)明顯差別(表1)，表明植被恢復(fù)顯著促進(jìn)了該區(qū)降水量的增加，而且這種促進(jìn)作用在神木、榆林、鹽池和橫山顯著大于其他站點(diǎn)。

1980—1999年，毛烏素沙地及周邊地區(qū)的平均氣溫、最高和最低氣溫均顯著升高(表1)，3個(gè)氣溫指標(biāo)在9個(gè)氣象站點(diǎn)之間的增長(zhǎng)速率分別介于0.083～0.119，0.077～0.114，0.077～0.127℃/a。2000—2016年，僅有2個(gè)氣象站(東勝和神木)的平均氣溫變化顯著，3個(gè)氣象站(陶樂(lè)、榆林和神木)的最高氣溫變化顯著，6個(gè)氣象站(鄂托克旗、東勝、榆林、神木、定邊、靖邊)的最低氣溫變化顯著，其余氣象站的其他氣溫指標(biāo)變化均不顯著。毛烏素沙地及周邊氣象站點(diǎn)的最高氣溫和最低氣溫的變化不一致，而且沙地與非沙地之間無(wú)明顯差異。

毛烏素沙地及周邊2000—2016年的平均氣溫和最高氣溫增加速率小于1980—1999年，而且鄂托克旗和神木的平均氣溫以及榆林和神木的最高氣溫呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(表1)。除鹽池和榆林站外，其他站點(diǎn)2000—2016年的最低氣溫變化幅度均小于1980—1999年，而且鄂托克旗、神木和陶樂(lè)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(表1)。這些結(jié)果表明，毛烏素沙地的植被恢復(fù)顯著抑制了該區(qū)氣溫的升高。

表1 毛烏素沙地及周邊降水和溫度變化趨勢(shì)

2.2 降水和溫度變化的驅(qū)動(dòng)因子

1980—2016年毛烏素沙地OMR平均氣溫、最高和最低氣溫分別與該區(qū)平均氣溫、最高和最低氣溫之間呈顯著正相關(guān)(圖1)。OMR氣溫指標(biāo)與該區(qū)氣溫指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.639(最低氣溫)，0.623(最高氣溫)，0.504(平均氣溫)，表明毛烏素沙地LUCC對(duì)氣溫的影響程度為最低氣溫>最高氣溫>平均氣溫。因此，LUCC對(duì)毛烏素沙地的氣溫變化具有重要的驅(qū)動(dòng)作用，而且最高和最低氣溫對(duì)于LUCC的響應(yīng)相比平均氣溫敏感。

毛烏素沙地降水量與蒸散發(fā)之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.35,n=333,p<0.001)。2000—2016年毛烏素氣溫的降低以及植被恢復(fù)導(dǎo)致蒸散發(fā)增強(qiáng)，大氣中水汽含量增加，進(jìn)一步增加該區(qū)的降水量。因此，植被恢復(fù)對(duì)蒸散發(fā)的正效應(yīng)是該區(qū)降水量增加的主要因素。

2.3 毛烏素沙地土地利用和覆被變化

毛烏素沙地土地利用變化特征在1980—1999年、2000—2015年期間顯著不同。1980—1999年期間，土地利用變化方式主要為草地和未利用地(其他)轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀车剞D(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍Ｆ渲校睾偷透采w度草地分別增加561.8，1 575.1 km2，中、高覆蓋度草地分別減少554.1，757.8 km2(表2)。2000—2015年期間，主要為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸兀蠢玫?其他和沙地)和水體轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍８亍⑽蠢玫亍⑺w面積分別減少481.1，1 131.5，169.9 km2，高覆蓋度草地減少2 974.9 km2，林地和建設(shè)用地分別增加392.9，845.3 km2，中、低覆蓋度草地分別增加2 465.4，1 053.8 km2(表3)。

植被恢復(fù)顯著增加了毛烏素沙地及周邊地區(qū)NDVI值。1981—1999年、2000—2016年期間NDVI平均值分別為0.108，0.161。此外，植被恢復(fù)前(1980—1999年)，NDVI隨時(shí)間變化趨勢(shì)不顯著，然而，植被恢復(fù)后(2000—2016年)，NDVI隨時(shí)間呈顯著增加趨勢(shì)(圖2A)。

圖1 觀測(cè)資料減去再分析(OMR)氣溫與氣溫的關(guān)系

3 討論

本研究中，1980—2016年氣候變化與LUCC呈階段性變化特征。1980—1999年毛烏素沙地及周邊氣象站的降水量無(wú)顯著變化，然而，2000—2016年榆林、神木、鹽池、橫山的年降水量變化趨勢(shì)顯著增加。該時(shí)期降水量顯著增加的氣象站位于毛烏素沙地NDVI年增長(zhǎng)速度較高的區(qū)域。2000—2016年土地利用方式以林、草植被增加為主，林草引起潛熱通量增加，感熱通量減少，地表溫度降低[16]。同時(shí)，植被覆蓋度的增加引起土壤濕度增加[17]。氣溫和植被的共同作用增強(qiáng)了區(qū)域蒸散發(fā)，使得大氣中的水汽含量增加，造成2000—2016年降水量增加。全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS)獲取的該區(qū)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)也表明，與1980—1999年相比，2000—2016年該區(qū)各氣象站的蒸散發(fā)顯著增強(qiáng)(圖2B)。

土地利用和覆被變化引起地表生物物理屬性改變，導(dǎo)致地表熱量平衡和地氣間能量交換的改變，從而引起氣溫變化。毛烏素沙地LUCC主要變化為：1980—2000年以草地和沙地轉(zhuǎn)為耕地，高、中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地為主；2000—2015年以耕地轉(zhuǎn)為林、草地和沙地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸貫橹鳎脖桓采w度明顯增加。耕地轉(zhuǎn)為林、草地，反射率增加，地面凈輻射減少，溫度降低[23]。與林地和草地比，沙地潛熱通量低，感熱通量高[24]。沙地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值睾螅乇頊囟群蛥^(qū)域氣溫降低[25-26]，與之相反，沙地?cái)U(kuò)張則會(huì)增加區(qū)域溫度[27]。因此，該區(qū)2000—2016年氣溫增長(zhǎng)低于1980—1999年，并且退耕后66.67%的氣象站點(diǎn)氣溫隨時(shí)間的變化不顯著。全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS)獲取的該區(qū)反照率數(shù)據(jù)也表明，該區(qū)2000—2016年各氣象站點(diǎn)的平均反照率顯著高于1980—1999年(圖2C)。

表2 毛烏素沙地及周邊1980-2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 毛烏素沙地及周邊2000-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖2 毛烏素沙地歸一化植被指數(shù)(NDVI)、氣象站蒸散發(fā)和反照率變化

本研究雖然分析了毛烏素沙地主要?dú)夂蛞蜃优c植被恢復(fù)之間的關(guān)系，但是尚未詳細(xì)區(qū)分不同土地利用方式對(duì)氣候影響的內(nèi)在機(jī)制，因此，未來(lái)研究需加強(qiáng)沙地與林、草、建設(shè)用地相互轉(zhuǎn)變對(duì)氣候變化影響的生物地球物理機(jī)制研究。