近50年黑河流域潛在植被的演替及生態(tài)環(huán)境變化研究

趙軍，馬小平，魏偉

（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

潛在植被是一種與所處立地達到平衡的演替終態(tài)，反映的是在無人類干擾的情況下，立地所能發(fā)育形成的最穩(wěn)定最成熟的一種頂級植被類型，是一個區(qū)域現(xiàn)狀植被的發(fā)展趨勢［1］。潛在植被的研究能夠反映氣候條件對植被形態(tài)變化的影響，是植被－環(huán)境分類與關(guān)系研究的起點，也是全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵［2］。因此，深入分析潛在植被的演替變化，探討氣候變化條件下潛在生態(tài)環(huán)境的變化機制無論是在保護生態(tài)環(huán)境，減緩生態(tài)破壞，還是在預(yù)測未來氣候?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的影響等方面都有著重要的意義。近年來，國內(nèi)外專家對潛在植被的研究廣泛而深入，Brzeziecki等［3］選取氣候、地形和土壤等因素，建立了植物群落與選擇因子的概率模型，應(yīng)用GIS技術(shù)模擬了瑞士山區(qū)71種森林群落的地理分布；Guisan等［4］利用年平均溫度與山地植物的線性關(guān)系模擬了瑞士Valais地區(qū)的高山植物空間分布；Dymond和Johnson［5］在加拿大Kananaskie河流域利用土壤水分、溫度和太陽輻射模擬了植被的空間格局；我國學(xué)者張秀英和趙傳燕［6］選取對潛在生態(tài)環(huán)境影響較大的指標構(gòu)建數(shù)學(xué)生態(tài)環(huán)境模型，利用主成分分析方法對隴中黃土高原潛在生態(tài)環(huán)境進行評價；趙茂盛等［7］應(yīng)用改進的MAPSS模型模擬了中國當前氣候狀況下潛在植被類型及葉面積指數(shù)的分布；任繼周等［8］應(yīng)用綜合順序分類法分析了1950－2000年和2001－2050年期間的草原類型演替及碳匯動態(tài)與全球氣候變化之間的響應(yīng)關(guān)系；趙傳燕等［9］通過野外觀測取樣，結(jié)合氣溫降水的空間分布，對黃土高原祖厲河流域內(nèi)的潛在草地植被分布進行了模擬，李飛等［10］以綜合順序分類法（IOCSG）為潛在植被評定模型，在GIS研究方法的支持下，對西北干旱區(qū)潛在植被進行了模擬，并對其動態(tài)變化進行了分析。目前，大多數(shù)研究成果都是圍繞潛在植被的空間分布和演替特征展開的［11－23］，而從潛在植被入手，進一步定量研究潛在生態(tài)環(huán)境變化特征的研究尚不多見。因此本文想從潛在植被的演替變化入手，深入總結(jié)研究潛在生態(tài)環(huán)境的變化方向和強度。

黑河流域是我國西北干旱地區(qū)一個典型的內(nèi)陸河流域，流域內(nèi)景觀類型多樣，各種自然資源較為豐富。同時，由于流域深處亞歐大陸腹地，降水相對較少，溫度較高，氣候干旱，加之近幾十年來人類活動對流域內(nèi)有限水資源的過度開采利用等，使得流域內(nèi)許多自然植被生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱和不穩(wěn)定。因此，對流域內(nèi)潛在生態(tài)環(huán)境變化方向和強度機理的研究及分析是為流域內(nèi)的生態(tài)恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)的迫切需要。本文應(yīng)用時間較長的氣象站點數(shù)據(jù)，通過模擬流域內(nèi)潛在植被演替變化的過程，對流域內(nèi)植被生態(tài)環(huán)境的變化進行定量的評價分析，研究氣候變化條件下潛在生態(tài)環(huán)境變化的方向和強度，以便為黑河流域生態(tài)治理提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域是我國西北干旱地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，位于河西走廊中部，大致介于97°00′～102°00′E，37°30′～43°00′N 之間，干流全長821km，跨越了青海、甘肅、內(nèi)蒙古三個省區(qū)，流域面積約為14.29萬km2（圖1）。是甘蒙西部最大的內(nèi)陸河流域，由于流域地處亞歐大陸腹地，遠離海洋，降水少，蒸發(fā)量大，太陽輻射強烈，氣候干燥，晝夜溫差較大，為典型的大陸性氣候。上游祁連山區(qū)的冰雪－森林帶是全流域水資源的發(fā)源和涵養(yǎng)區(qū)，中游張掖綠洲是西北干旱區(qū)最大的連片人工綠洲，下游主要以荒漠為主，其額濟納旗綠洲是遏制巴丹吉林沙漠西移和南遷，減緩沙塵暴的重要生態(tài)屏障。

圖1 黑河流域示意圖Fig.1 Schematic diagram of Heihe River watershed

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do），從該網(wǎng)站提供的黑河流域周邊17個氣象臺站中，選取14個氣象臺站（梧桐溝、金塔、吉訶德3個站點的數(shù)據(jù)不全）1961－2010年間50年的降水數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，分析潛在植被的演替變化過程；數(shù)字高程模型（DEM）采用國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（http：//datamirror.csdb.cn/）發(fā)布的30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。分別求得每個氣象臺站的年降水數(shù)據(jù)和＞0℃的年積溫數(shù)據(jù)（∑θ），以15年，15年，20年為時間周期，將數(shù)據(jù)分成a、b、c三個時間段［10］，在ArcGIS中用克里格插值（kriging）方法對研究區(qū)的降水數(shù)據(jù)進行空間插值；再用分區(qū)DEM修正的反距離加權(quán)插值（IDW）方法對研究區(qū)＞0℃年積溫數(shù)據(jù)進行空間插值，最終得到年降水量、年積溫的空間柵格數(shù)據(jù)；最后，采用綜合順序分類法（IOCSG）的濕潤度模型，利用柵格數(shù)據(jù)運算得到研究區(qū)的濕潤度數(shù)據(jù)（K）。對＞0℃年積溫和濕潤度數(shù)據(jù)分別進行分級，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間疊置分析得到a、b、c三個時期黑河流域潛在植被的類型分布及演替變化過程圖（圖2）。

1.3 潛在植被的評定模型

本文所運用的模型是任繼周、胡自治、牟新待等提出的氣候－土地－植物綜合順序分類法，簡稱綜合順序分類法，此理論唯物的承認氣候、土地、植物在構(gòu)成草地這一土地－生物資源中的作用，認識及處理氣候、土地和植物等因素在草原分類中的順序關(guān)系，并按其穩(wěn)定程度順序地安排它們在一定的級別中作為分類指標。在具體的劃分中，首先以量化的生物氣候指標——＞0℃年積溫數(shù)據(jù)（∑θ）和濕潤度數(shù)據(jù)（K）為依據(jù)，根據(jù)熱量帶與濕潤度所構(gòu)成的二維分類結(jié)構(gòu)圖進行類的劃分［2，11－12］。

式中，K為濕潤度，R為年降水量；∑θ為＞0℃年積溫；0.1為模型調(diào)整系數(shù)。

圖2 黑河流域潛在植被分布及演替變化圖Fig.2 Distribution and succession of potential vegetation in Heihe River watershed

1.4 潛在生態(tài)環(huán)境的評價方法

采用ArcGIS軟件中的Data management Tools下的Features To Point工具計算出各個潛在植被類型在3個時期（a、b、c）的重心分布圖（圖3，圖4），進而分析闡述重心的遷移變化。

圖3 黑河流域潛在植被面積變化Fig.3 The area of potential vegetation change in Heihe River watershed

生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性是一個自然的或社會的系統(tǒng)遭受來自氣候變化持續(xù)危害的范圍或程度，是系統(tǒng)狀況的綜合表現(xiàn)之一，具有一定的模糊性［13］。因此為了研究潛在生態(tài)環(huán)境的變化，本文根據(jù)潛在植被的分布特征將植被類型劃分為4大類：即ⅡF為森林；ⅠD、ⅠE、ⅠF、ⅡC、ⅡD、ⅡE、ⅢC為草原草甸；ⅡB、ⅢB、ⅣB為半荒漠；ⅣA、ⅢA為荒漠，并定義植被從荒漠向森林方向的演替變化為正向變化，反之為負向變化，以潛在植被的演替方向和演替次數(shù)定義植被分布對氣候變化的適應(yīng)性，以潛在植被演替變化的面積大小和強度定義植被分布對氣候變化的敏感性，分析氣候變化對植被生態(tài)環(huán)境的影響，進而定量研究黑河流域潛在生態(tài)環(huán)境的變化。

圖4 黑河流域潛在植被類型重心分布Fig.4 The gravity center of potential vegetation types in Heihe River watershed

2 結(jié)果與分析

2.1 潛在植被的分布格局

依據(jù)IOCSG植被評定模型，劃分出黑河流域的潛在植被類型在a時期（1961－1976）為13種類型，b時期（1976－1990）為12種類型，c時期（1991－2010）為11種類型（圖2）。從整體上看，黑河流域植被分布比較單一，大的景觀類型主要以半荒漠和荒漠為主（圖2）。并且不同區(qū)域潛在植被類型分布差異較大，從空間分布上看，黑河流域潛在植被的分布表現(xiàn)出明顯的緯度地帶性特征和干濕度地帶性特征。下游額濟納旗地區(qū)深居內(nèi)陸腹地，是典型的大陸性氣候，具有降水少、蒸發(fā)強烈，溫差大，風(fēng)大沙多，日照時間長等特點，其潛在植被的類型比較單一，主要以溫暖極干暖溫帶荒漠（ⅣA）和微溫極干溫帶荒漠（ⅢA）為主，還有極少的暖溫干旱暖溫帶半荒漠類型（ⅣB）；中游河西走廊平原區(qū)，光熱資源較為豐富，溫度較高，降水量相對較少而蒸發(fā)強烈，其潛在植被的類型主要以微溫干旱溫帶半荒漠（ⅢB）為主；上游南部祁連山區(qū)，其降水較多，溫度較低，陸面蒸發(fā)蒸騰量很大，氣候較為濕潤，分布有寒冷潮濕多雨凍原、高山草甸類（ⅠF），寒溫干旱山地半荒漠類（ⅡB），寒溫微干山地草原類（ⅡC），寒溫微潤山地草甸草原類（ⅡD），寒溫濕潤山地草甸類（ⅡE），寒溫潮濕寒濕性針葉林類（ⅡF），微溫微干溫帶典型草原（ⅢC）等類型，其潛在植被類型較為豐富，植被生態(tài)系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2.2 潛在植被的演替變化特征

從3個時期潛在植被分布及演替的情況來看（圖2），黑河流域潛在植被類型逐漸減少，植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性在減弱，整體上，流域內(nèi)的潛在植被大致按以下方向演替變化：ⅠD→ⅠE→ⅠF→ⅡB→ⅡC→ⅡD→ⅡE→ⅡF→ⅢA→ⅢB→ⅢC→ⅣA→ⅣB，即朝著暖濕的植被類型方向演替發(fā)展。這與黑河流域氣候逐漸變暖變濕的趨勢是相同的［14－16］。但是下游額濟納旗地區(qū)氣溫逐年升高，蒸發(fā)量增大，而降水量逐年減少，使微溫干旱溫帶半荒漠類（ⅢB）逐漸向微溫極干溫帶荒漠類（ⅢA）和溫暖極干暖溫帶荒漠類（ⅣA）演替，使其荒漠類植被ⅢA和ⅣA的面積總體增大，分別從a時期（1961－1975）的89961.2km2增加到b時期（1976－1990）的91313.3km2再到c時期（1991－2010）的93009.2km2，說明下游額濟納旗地區(qū)朝著暖干的植被類型方向演替發(fā)展，荒漠化加劇。

a時期（1961－1975）有13種潛在植被類型（ⅠD、ⅠE、ⅠF、ⅡB、ⅡC、ⅡD、ⅡE、ⅡF、ⅢA、ⅢB、ⅢC、ⅣA、ⅣB）。從a時期（1961－1975）到b時期（1976－1991）的演替變化過程中，寒冷微潤少雨凍原、高山草甸草原類潛在植被（ⅠD）消失，被演替變化為寒冷濕潤凍原、高山草甸類（ⅠE），剩下12種潛在植被類型（ⅠE、ⅠF、ⅡB、ⅡC、ⅡD、ⅡE、ⅡF、ⅢA、ⅢB、ⅢC、ⅣA、ⅣB），而寒冷濕潤凍原、高山草甸類（ⅠE）面積從a時期的4784.5km2減少到b時期的1979km2，大部分面積沿祁連山西北方向演替為寒冷潮濕多雨凍原、高山草甸類（ⅠF）。上游祁連山區(qū)分布的寒溫草原類潛在植被（寒溫微干山地草原類，ⅡC；寒溫微潤山地草甸草原類，ⅡD）向寒溫濕潤山地草甸類（ⅡE）演替變化，使ⅡE的面積從a時期的2489.8km2增加到b時期的5102.6km2，再到c時期的8057.2 km2，說明黑河下游地區(qū)逐漸向暖濕的植被類型方向演替變化，分布在祁連山西北部的寒冷濕潤凍原、高山草甸類（ⅠE）經(jīng)過b時期（1976－1990）到c時期（1991－2010）的演替變化，逐漸被寒溫微潤山地草甸草原類（ⅡD）和寒溫濕潤山地草甸類（ⅡE）所代替。微溫干旱溫帶半荒漠（ⅢB）主要分布在走廊平原區(qū)，其面積為31318.6km2（1961－1975），經(jīng)過b時期（1976－1990）和c時期（1991－2010）的演替變化，微溫干旱溫帶半荒漠（ⅢB）逐漸被演替為微溫微干溫帶典型草原類（ⅢC）和暖溫干旱暖溫帶半荒漠類型（ⅣB），面積也從31318.6km2（1961－1975）→29083.3km2（1976－1990）→222954.4km2（1991－2010）（圖3）。主要是因為走廊平原區(qū)降水量逐年增加，積溫逐年升高，導(dǎo)致氣候從中溫帶轉(zhuǎn)向暖溫帶，干旱轉(zhuǎn)向微干旱。

2.3 潛在生態(tài)環(huán)境的變化

潛在植被是一種與它所處立地的氣候環(huán)境達到一種平衡的演替終態(tài)。區(qū)域性氣候環(huán)境的變化直接影響著立地潛在植被類型的分布［10］。

從表1可以看出，整體上，在黑河流域潛在植被類型的演替變化中負向變化大于正向變化，即潛在生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，半荒漠類植被向荒漠類變化的趨勢一直存在，但演替變化面積呈減小趨勢。個別的，像草原草甸和森林之間的正向演替變化大于負向變化但變化面積不大。說明黑河流域潛在生態(tài)環(huán)境對氣候變化的適應(yīng)性較差，敏感性較強，氣候變化對植被類型的演替影響較大。

表1 黑河流域潛在生態(tài)環(huán)境面積變化Table 1 The changed area of potential ecological environment in Heihe River watershed km2

在a→b的變化中，半荒漠和荒漠間的負向變化遠遠大于正向變化，半荒漠類植被逐漸荒漠化；半荒漠、草原草甸和森林之間的演替變化中正向變化大于負向變化，但是演替變化的面積均很小。在b→c的變化中，除了草原草甸和森林間的正向變化大于負向變化外，其他植被類型之間的演替變化均為負向變化且變化規(guī)模較大。說明80年代以后潛在生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢越來越明顯，速度有所加快。

在全球氣候變化的影響下，植被分布的水熱條件發(fā)生變化，進而驅(qū)動植被的演替變化。從圖4來看，黑河下游潛在植被的重心逐漸向南移動，半荒漠類植被類型逐漸向荒漠類轉(zhuǎn)化，荒漠化加劇，由于植被類型單一，所以對氣候變化非常敏感，應(yīng)對氣候變化的能力也非常有限。中上游地區(qū)潛在植被的重心變化較為復(fù)雜，植被演替變化交替發(fā)生，大致呈現(xiàn)出沿著祁連山向西北方向移動的趨勢，說明在暖濕化的氣候變化條件下，植被類型比較豐富的地區(qū)，其植被對氣候變化的適應(yīng)性相對較強，但是由于變暖的速度大于變濕的速度，導(dǎo)致植被類型有所減少，植被逐漸退化，生態(tài)環(huán)境趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。

a→b的轉(zhuǎn)化過程中（表2），半荒漠向草原草甸類轉(zhuǎn)化1313km2，占流域面積的0.92%，主要發(fā)生在中上游地區(qū)，向荒漠類轉(zhuǎn)化1899km2，占流域面積的1.3%，發(fā)生在下游額濟納旗地區(qū)，主要原因是降水量的逐漸減少和溫度的逐漸升高；草原草甸類逐漸向森林類轉(zhuǎn)化255km2；而荒漠類向半荒漠類、森林類向草原草甸類的反彈演替變化均不大，說明下游額濟納地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性較強，恢復(fù)能力較弱，植被生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，容易受到氣候變化和外界因素的影響。

b→c的轉(zhuǎn)化過程中（表3），半荒漠類向荒漠類轉(zhuǎn)化1671km2，使下游額濟納旗地區(qū)的荒漠化趨勢進一步加劇，草原草甸類向半荒漠類轉(zhuǎn)化859km2，向森林類轉(zhuǎn)化1536km2，森林類向草原草甸類反彈轉(zhuǎn)化189km2，說明中上游地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的適應(yīng)性較弱，敏感性較強，隨著氣候暖濕化，植被向暖濕的植被類型轉(zhuǎn)化，其類型逐漸退化減少。

表2 黑河流域潛在植被類型a（1961－1975）→b（1976－1990）的轉(zhuǎn)移變化Table 2 The shift change of potential vegetation type from a（1961－1975）to b（1976－1990）in Heihe River watershed km2

表3 黑河流域潛在植被類型b（1976－1990）→c（1991－2010）的轉(zhuǎn)移變化Table 3 The shift change of potential vegetation type from a（1976－1990）to b（1991－2010）in Heihe River watershed km2

整體上看，流域內(nèi)荒漠類、森林類植被類型面積總體呈現(xiàn)增加的趨勢（圖5），分別從a（1961－1975）時期的89961.2和43.6km2增加到c（1991－2010）時期的93009.2和1624.2km2，平均增加速度為60.9和30.2km2/a；草原草甸類植被類型從a（1961－1975）時期到b（1976－1990）時期的演替中面積增加1077.3 km2，但是在b（1976－1990）時期到c（1990－2010）時期的演替中又大幅度的減少，到c（1990－2010）時期僅有19712.7km2；半荒漠類植被類型面積呈現(xiàn)減少的趨勢，平均遞減速度為70.2km2/a，其遞減速度較快，植被類型逐漸減少，流域內(nèi)植被逐漸退化，植被生態(tài)環(huán)境惡化，植被生態(tài)系統(tǒng)逐趨單一化，其穩(wěn)定性逐漸降低。

圖5 黑河流域潛在生態(tài)環(huán)境的面積變化Fig.5 The area of the potential ecological environment change in Heihe River watershed

3 結(jié)論

本研究在模擬黑河流域潛在植被分布和演替的基礎(chǔ)上，耦合了植被分布和演替與氣候變化的動態(tài)響應(yīng)，分析研究了在氣候變化條件下流域內(nèi)不同時間尺度上植被潛在生態(tài)環(huán)境的分布變化和穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論。

1）從潛在植被分布來看，流域內(nèi)植被的分布有一定的緯度地帶性和干濕地帶性。上游祁連山區(qū)潛在植被類型豐富，生態(tài)系統(tǒng)較為復(fù)雜，隨著緯度的逐漸增加，植被的類型逐漸減少，到下游額濟納旗地區(qū)植被比較單一，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定。

2）從植被演替來看，中上游地區(qū)的潛在植被逐漸向暖濕性植被類型方向發(fā)展，下游額濟納旗地區(qū)的潛在植被向暖干性的植被類型方向發(fā)展，這與流域內(nèi)的氣候變化是相似的。說明潛在植被類型演替的驅(qū)動因素主要是氣候變化條件下植被分布所需的水熱條件發(fā)生的改變。

3）從整體來看，隨著氣候的變化，流域內(nèi)的潛在植被類型在不斷減少，植被生態(tài)環(huán)境逐漸惡化。尤其是下游額濟納旗地區(qū)，逐漸向荒漠化方向發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，中上游地區(qū)的植被逐漸向暖濕性植被類型發(fā)展，特別是寒溫潮濕寒濕型針葉林類（ⅡF）面積迅速擴大，但草原草甸類植被類型逐漸減少，植被單一化，類型轉(zhuǎn)化較復(fù)雜，其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強，潛在生態(tài)環(huán)境變化不明顯。

本研究從潛在植被的演替入手，分析了潛在生態(tài)環(huán)境的變化，結(jié)果與黑河流域?qū)嶋H生態(tài)環(huán)境的變化相比較發(fā)現(xiàn)：近幾十年來，黑河流域生態(tài)環(huán)境嚴重惡化、植被減少的原因是不同的，中上游地區(qū)氣候逐漸變暖變濕，植被退化的主要原因是人類不合理的利用有限的水資源，濫砍濫伐造成的；下游地區(qū)植被迅速退化，沙漠化不斷加劇是由于中上游過度開發(fā)利用水資源，致使下游水資源缺乏，甚至枯竭，加之氣候逐漸變暖變干，使得生態(tài)環(huán)境惡化，植被減少。

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