“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”干旱-半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境全球變化響應(yīng)的空間認(rèn)知*

李新武張 麗郭華東傅文學(xué)鹿琳琳邱玉寶王心源賈根鎖 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 北京 00094 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 北京 0009

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“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”干旱-半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境全球變化響應(yīng)的空間認(rèn)知*

李新武1張 麗1郭華東1傅文學(xué)1鹿琳琳1邱玉寶1王心源1賈根鎖2
1 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 北京 100094
2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 北京 100029

摘要在高強(qiáng)度人類活動(dòng)和全球變化的影響下，“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的資源環(huán)境面臨嚴(yán)峻問(wèn)題與挑戰(zhàn)。地處“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”核心區(qū)的中亞地區(qū)的生態(tài)環(huán)境退化已經(jīng)上升為全球干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出地區(qū)之一，嚴(yán)重制約了中亞及周邊國(guó)家的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展。文章針對(duì)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”核心區(qū)的中國(guó)新疆、中亞地區(qū)及周邊區(qū)域的典型生態(tài)環(huán)境要素：植被要素和水資源要素，基于長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究和分析了其參數(shù)時(shí)空演進(jìn)格局及對(duì)氣候變化的響應(yīng)。研究結(jié)果表明，中亞地區(qū)近幾十年的生態(tài)環(huán)境總體上呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為水儲(chǔ)量減少、湖泊面積萎縮、地表土壤水分減少和植被退化等。

關(guān)鍵詞“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”，空間觀測(cè)，生態(tài)環(huán)境，全球變化響應(yīng)，空間認(rèn)知

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.05.009

*資助項(xiàng)目：中科院學(xué)部咨詢項(xiàng)目（Y4 Y00700 Q M），中科院遙感與數(shù)字地球所“一三五”突破項(xiàng)目（Y6SG0400C X）

修改稿收到日期：2016年4 月25日

“一帶一路”是中國(guó)面對(duì) 21 世紀(jì)世界發(fā)展新格局制定的具有突破性、全局性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性的國(guó)家重大戰(zhàn)略。 “絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”東邊緊鄰亞太經(jīng)濟(jì)圈，西邊系著發(fā)達(dá)的歐洲經(jīng)濟(jì)圈，被認(rèn)為是“世界上最長(zhǎng)、最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕?jīng)濟(jì)大走廊”。“21 世紀(jì)海上絲綢之路”是面向南海、太平洋和印度洋的戰(zhàn)略合作經(jīng)濟(jì)帶。在“一帶一路”建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，亟需解決區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)相關(guān)的資源環(huán)境問(wèn)題。國(guó)家發(fā)展和改革委、外交部、商務(wù)部聯(lián)合發(fā)布的《推動(dòng)共建絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和 21 世紀(jì)海上絲綢之路的愿景與行動(dòng)》也提出，在投資貿(mào)易中突出生態(tài)文明理念，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境、生物多樣性和應(yīng)對(duì)氣候變化合作，共建綠色絲綢之路。

在高強(qiáng)度人類活動(dòng)和全球變化的影響下，“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的資源環(huán)境面臨嚴(yán)峻問(wèn)題與挑戰(zhàn)。（1）水資源短缺嚴(yán)重制約了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，氣候變暖導(dǎo)致的冰雪消融已經(jīng)嚴(yán)重影響了這一地區(qū)水資源安全；（2）面臨著全球變化帶來(lái)的極端氣候事件增多、重大自然災(zāi)害頻發(fā)和生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題與挑戰(zhàn)；（3）也存在著因重大基礎(chǔ)設(shè)施投資巨大、涉及國(guó)家多、環(huán)境復(fù)雜在建設(shè)選址（線）與工程地質(zhì)環(huán)境、自然生態(tài)環(huán)境以及突發(fā)災(zāi)害等方面帶來(lái)的諸多風(fēng)險(xiǎn)與問(wèn)題。因此，如何保證這一地區(qū)資源環(huán)境的可持續(xù)性是實(shí)施“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

空間觀測(cè)技術(shù)具有宏觀、快速、準(zhǔn)確認(rèn)知對(duì)象的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展基于空間觀測(cè)的“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”資源環(huán)境格局研究可以獲得對(duì)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”豐富、全面的科學(xué)認(rèn)識(shí)，從而為國(guó)家建設(shè)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”提供科學(xué)咨詢和科技支撐。本文針對(duì)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”核心區(qū)的中國(guó)新疆、中亞地區(qū)及周邊區(qū)域的典型生態(tài)環(huán)境要素：植被要素（植被綠度、植被覆蓋度）和水資源要素（湖泊、土壤水分和水儲(chǔ)量變化），基于長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究和分析了這些典型生態(tài)環(huán)境要素參數(shù)時(shí)空演進(jìn)格局及對(duì)氣候變化的響應(yīng)，同時(shí)，針對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題提出了相應(yīng)舉措的建議。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

（1）氣候要素?cái)?shù)據(jù)

本文主要用英國(guó)CRU（University of East Anglia, Climatic Research Unit）發(fā)布的高分辨率降水和溫度數(shù)據(jù)（http:// www.cru.uea.ac.uk/data）。該數(shù)據(jù)為月值集，其原始數(shù)據(jù)為 0.5° 經(jīng)緯格網(wǎng)，經(jīng)過(guò)格網(wǎng)平均得到 1° 經(jīng)緯格網(wǎng)值。

（2）植被要素監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)

研究中國(guó)新疆及中亞干旱區(qū)植被變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，這對(duì)中亞及中國(guó)新疆干旱區(qū)的生態(tài)重建與修復(fù)有重要的參考意義。本文研究數(shù)據(jù)為長(zhǎng)時(shí)間序列 GIMMS NDVI3g （1982—2011年） 遙感數(shù)據(jù)集。

（3）水資源要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

湖泊面積變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：獲取了 7 個(gè)湖泊近 30 年的 4 期光學(xué)影像：1978 年 26 景 Landsat MSS、1989 年 24 景Landsat TM、1998 年 28 景 Landsat TM、2010 年 30 景Landsat ETM+。Landsat MSS 的空間分辨率是 60 m，Landsat TM/ETM+ 是 30 m。為保證季相一致，并考慮多云等天氣的影響，選取 8—10 月份中亞地區(qū)湖泊的平水期影像，個(gè)別缺失的影像數(shù)據(jù)用平水期接近的月份代替。湖泊水位變化提取數(shù)據(jù)采用的是 T/P 衛(wèi)星 1992—2002 年的 MGDR 和 Envisat 衛(wèi)星 2002—2012 年的 RA2_GDR 雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，分別由法國(guó)國(guó)家太空研究中心（CNES）和歐洲空間局（ESA）提供。

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為 ESA 發(fā)布的 1978—2010 年的ECVSM（基本氣候變量）主被動(dòng)微波融合土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，空間分辨率為 0.25°，時(shí)間分辨率為天，單位為體積含水量（m-3/m-3）。由于標(biāo)準(zhǔn)化和融合處理有賴于不同傳感器之間的重疊時(shí)段，而 SMMR（1978 年 10 月—1987 年 8 月）與后續(xù)的 SSM/I（1987 年 7 月 至今）卻僅有不到兩個(gè)月的重疊時(shí)間段，這使其與后續(xù)土壤水分產(chǎn)品趨勢(shì)很難保持一致［1,2］。因而本文參考 Wouter Dorigo 等人［1］的研究，將研究時(shí)間劃分為兩個(gè)時(shí)段（1979—1986 年和 1988—2010 年）。

本文使用的重力水?dāng)?shù)據(jù)為 GRACE Level-2 RL05 數(shù)據(jù)，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)空間研究中心（UTCSR，University of Texas, Center for Space Research）提供（http:// isdc.gfz-potsdam.de/grace）。 時(shí)間跨度為 2003 年 1 月—2014 年 12 月，缺失月份的數(shù)據(jù)由其前后兩個(gè)月線性內(nèi)插得到，球諧系數(shù)展開(kāi)至 60 階次。

1.2 研究方法

（1）植被要素變化遙感監(jiān)測(cè)方法

使用復(fù)相關(guān)及偏相關(guān)分析方法分析氣候因子對(duì)植被生長(zhǎng)的影響效果，并采用滯后相關(guān)分析法考慮植被對(duì)降雨脈沖反應(yīng)的時(shí)間差，探討生長(zhǎng)季的植被對(duì)降雨的滯后響應(yīng)。其次采用 MODIS 數(shù)據(jù)和像元二分模型方法，對(duì)中亞地區(qū)的草地覆蓋度（2000—2013 年）進(jìn)行了反演，并采用一元線性擬合趨勢(shì)分析法觀測(cè)了新疆及中亞五國(guó)2000—2013 年最大草地覆蓋度的變化趨勢(shì)。

（2）微波遙感土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化響應(yīng)規(guī)律分析方法

針對(duì)微波遙感土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，綜合 4 種典型的統(tǒng)計(jì)分析方法：線性趨勢(shì)分析方法、Mann-kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法、pearson 相關(guān)分析方法和相關(guān)性 t 檢驗(yàn)法，提出一種新的微波遙感土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化響應(yīng)規(guī)律分析方法。另外，引入一種標(biāo)準(zhǔn)化處理和集合分析方法對(duì)一種微波傳感器的多種算法反演的土壤水分產(chǎn)品進(jìn)行處理進(jìn)而得到一種更為客觀合理的土壤水分集合數(shù)據(jù)［3］。

（3）基于最小二乘譜分析的水儲(chǔ)量變化分析方法

使用 GRACE 數(shù)據(jù)計(jì)算了空間 1° 經(jīng)緯格網(wǎng)點(diǎn)上質(zhì)量異常的時(shí)間序列，由于這些質(zhì)量異常主要表示的是水文信號(hào)，具有明顯的周年和半周年變化，可通過(guò)最小二乘譜分析方法進(jìn)行水儲(chǔ)量擬合［4,5］。擬合結(jié)果的振幅可以表示水儲(chǔ)量周期變化的強(qiáng)烈程度，而線性速率則可以表示時(shí)間段內(nèi)水儲(chǔ)量增加或減少的趨勢(shì)。

2“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”生態(tài)環(huán)境全球變化響應(yīng)

2.1 新疆及中亞地區(qū)降水與溫度變化趨勢(shì)

圖 1 為 1979—2010 年中亞及我國(guó)新疆地區(qū)降水（a）和溫度（b）變化趨勢(shì)。新疆及中亞地區(qū)近 30年來(lái)除里海北部、巴爾喀什湖西部及東南邊界外，大部分地區(qū)的降水都在減少；相對(duì)而言，我國(guó)新疆西部大部分地區(qū)的降水都在增多。中亞五國(guó)及我國(guó)新疆地區(qū)近 30 年來(lái)均呈升溫的趨勢(shì)，其中我國(guó)新疆準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地以及中亞咸海西北、卡拉庫(kù)姆沙漠地區(qū)均顯著升溫。

圖 1 1979—2010年中亞及我國(guó)新疆地區(qū)降水（a）和溫度（b）變化趨勢(shì)圖

2.2 植被要素時(shí)空變化及氣候變化響應(yīng)分析

2.2.1 植被綠度（1982—2011年）時(shí)空變化特征及氣候變化響應(yīng)

基于 1982—2011年 GIMMS NDVI3g 數(shù)據(jù)分析了植被綠度的時(shí)空變化格局，發(fā)現(xiàn)近 30 年來(lái)，中亞干旱區(qū)植被年平均生長(zhǎng)狀況波動(dòng)較大。1982—1991年間，多數(shù)植被區(qū)呈現(xiàn)綠化的趨勢(shì)，少數(shù)退化植被區(qū)主要集中在咸海流域；而在1992—2011年間，全區(qū)植被基本呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，其中哈薩克斯坦北部的草地和耕地退化較為嚴(yán)重（圖 2a 和圖 2b）。整體上，中亞干旱區(qū)植被生長(zhǎng)變化呈現(xiàn)單峰曲線，在 1991 年后植被呈現(xiàn)顯著退化的趨勢(shì)（圖2c）。不同的植被類型, 植被年際變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出不同的特征。中亞干旱區(qū)主要植被類型為草地、農(nóng)田（耕地）、灌木和森林，這 4 種植被類型在 1982—1991 年間退化面積比例較??；而在 1992—2011年間，顯著退化面積比例均超過(guò)了 20%［6］。

圖2 1982—1991年和1992—2011年間中亞地區(qū)植被綠度年際變化趨勢(shì)空間圖（a、b）及時(shí)序圖（c）

中亞干旱地區(qū)是一個(gè)水資源嚴(yán)重不足、蒸發(fā)量非常大的地區(qū)，降雨和溫度的變化嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)刂脖坏纳L(zhǎng)狀況。相比于 1982—1991 年，中亞地區(qū)植被對(duì)氣候的響應(yīng)明顯變?nèi)酰▓D 3a1、圖 3b1）。其中，降雨對(duì)大部分地區(qū)植被影響變?nèi)?，但在阿?錫爾河流域地區(qū)的影響加強(qiáng)（圖 3a2、圖 3b2）；溫度對(duì)植被的影響則由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，表明持續(xù)升高的氣溫開(kāi)始抑制植被的生長(zhǎng)（圖3a3、圖 3b3）。1982—1991 年，植被與降雨相關(guān)性較強(qiáng)，且滯后期多數(shù)為 0—1個(gè)月；但 1992—2011 年，二者的相關(guān)性明顯減弱，并且滯后期在多數(shù)地區(qū)（尤其是中亞中部）延長(zhǎng)到 3 個(gè)月。同時(shí)，植被與溫度的相關(guān)性也在 1992—2011 年間明顯較弱，且在生長(zhǎng)末期滯后期延長(zhǎng)?？傮w而言，1991年之后，中亞地區(qū)植被顯示出劇烈的退化，氣候因子對(duì)植被的影響較1991年之前減弱，這表明該地區(qū)的植被退化還可能是由于一些非氣候因素（人為作用、土地利用變化等）引起的。

圖 3 植被對(duì)降雨和溫度的復(fù)相關(guān)系數(shù)（a1—b1），以及對(duì)降雨（a2—b2）和溫度（a3—b3）的偏相關(guān)系數(shù)

2.2.2 植被覆蓋度（2000—2013 年）時(shí)空變化特征

2000—2013 年間，中亞干旱區(qū)植被覆蓋度年際間波動(dòng)較大，均值總體為下降趨勢(shì)。變化極顯著減少（slope θ?＜0，P≤0.01）的草地區(qū)占草地總面積的 4.89%，顯著減少（slope θ?＜0，0.01＜P≤0.05）的草地區(qū)占草地總面積的 7.41%，二者之和占草地總面積的 12.30%。顯著增加（slope θ?＞0，0.01＜P≤0.05）地區(qū)占草地總面積的1.39%，極顯著增加（slope θ?＞0，P≤0.01）的地區(qū)占草地總面積的 1.18%，二者之和占草地總面積的 2.57%。

中亞五國(guó)及中國(guó)新疆草地覆蓋度變化趨勢(shì)區(qū)域性差異較大，整體呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，退化區(qū)域主要分布在哈薩克斯坦的北部和西北部地區(qū)以及部分流域地區(qū)；少部分地區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，如中國(guó)新疆地區(qū)（圖 4a）。針對(duì)不同等級(jí)草地覆蓋度的變化趨勢(shì)研究發(fā)現(xiàn)，中等、中高和高植被覆蓋度的草地有向低、中低植被覆蓋度的草地轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)（圖 4b）。從國(guó)家及地區(qū)角度分析發(fā)現(xiàn)，14 年間吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、哈薩克斯坦的草地覆蓋度均值變化波動(dòng)很大，相對(duì)而言，中國(guó)新疆地區(qū)的草地覆蓋度均值變化比較平緩。哈薩克斯坦的草地覆蓋度均值以 -0.0055·a-1（P ＜0.05）的速率顯著下降，而吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦和中國(guó)新疆分別以 0.0004·a-1、0.0018·a-1、0.0019·a-1（P ＜0.05）的速率顯著上升。

圖 4 2000—2013 年中亞干旱區(qū)（a）草地覆蓋度變化趨勢(shì)空間分布圖，（b）各等級(jí)草地面積占總草地面積百分比的變化趨勢(shì)圖

2.3 水資源要素時(shí)空變化及氣候變化響應(yīng)分析

2.3.1 中亞地區(qū)典型湖泊面積與水位變化分析

采用 Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析中亞地區(qū) 7 個(gè)典型湖泊面積的時(shí)空變化（圖 5a），發(fā)現(xiàn)除薩雷卡梅什湖外，其他 6 個(gè)湖泊在 1978—2010 年的面積都出現(xiàn)不同程度的萎縮，2010 年的湖泊總面積是 1978 年的 51.95%。咸海、巴爾喀什湖及薩雷卡梅什湖是中亞地區(qū)平原尾閭湖的典型代表，它們的湖泊面積變化最大。咸海曾經(jīng)是世界第四大水體，如今面積縮減最為顯著，2010 年的湖泊面積僅為 1978 年的 22.31%；巴爾喀什湖雖然在 1998—2010 年間面積出現(xiàn)回升，但近 30 年的面積總體趨勢(shì)是縮減的，縮減了 6.59%；薩雷卡梅什湖 1978 年的面積只有 210.65 km2，至 1989 年猛增至 3 329.01 km2，之后近 20 年的面積變化則相對(duì)穩(wěn)定。

利用 1992—2002 年的 Topex/Poseidon 衛(wèi)星 MGDR（雷達(dá)高度計(jì)）和 2002—2012 年的 Envisat 衛(wèi)星 RA2_GDR（雷達(dá)高度計(jì)）獲取了 1992—2012 年 10 月份的湖泊雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)（圖 5b）。咸海水位呈較大幅度降低，近 20 年平均水位下降了 3.52m，于 1987 年自然分成南、北咸海兩片水域。南北咸海自身的水位變化差異較大，北咸海水位變化幾經(jīng)升降，2005 年后逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢回升趨勢(shì)，近 20 年水位上升了 1.6 m。南咸海水位持續(xù)下降，2010 年達(dá)到最低值，近 20 年水位下降了8.63 m，在 7 個(gè)湖泊中水位變化最大。薩雷卡梅什湖水位變化基本呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，前 10 年水位增長(zhǎng)幅度持續(xù)變大，2007 年后趨于平穩(wěn)，近 20 年水位上升了 6.3 m。巴爾喀什湖水位變化相對(duì)穩(wěn)定，近 20 年水位上升了 1.33 m?？偟膩?lái)說(shuō)，近 20 年間水位變化最大的是作為平原尾閭湖的薩雷卡梅什湖和咸海，高山封閉湖（伊塞克湖、阿拉湖）變化最小，水位變化不足 0.5 m；區(qū)別于前兩類湖泊，吞吐湖（薩瑟克湖、齋桑泊）水位變化相對(duì)復(fù)雜，既有薩瑟克湖較穩(wěn)定的水位上升，也有齋桑泊相對(duì)較大的水位波動(dòng)［7］。

氣候變化（尤其氣溫變化）對(duì)高山封閉湖泊水位變化起決定性作用。近年來(lái)，伊塞克湖和阿拉湖流域氣溫的持續(xù)升高使得冰川融水作用加強(qiáng)，從而增加了入湖徑流量，使得伊塞克湖和阿拉湖出現(xiàn)面積增加和水位升高現(xiàn)象。咸海面積的劇減和水位的下降使得湖泊對(duì)流域氣候的調(diào)節(jié)作用減弱，干涸的湖底積聚著大量的鹽土，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)區(qū)產(chǎn)生直接的消極影響。

圖 5 （a）1978—2010 年中亞主要湖泊的面積變化圖，（b）1992—2012 年 10 月中亞主要湖泊水位變化圖

2.3.2 新疆及中亞地區(qū)土壤水分時(shí)空變化格局及氣候變化響應(yīng)

基于 1979—2010 年的主被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演的新疆及中亞土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，開(kāi)展新疆及中亞地表土壤水時(shí)空變化研究。圖 6 為新疆及中亞地區(qū) 1979—1986年土壤水分變化趨勢(shì)時(shí)空分布和 1988—2010 年 SM 變化趨勢(shì)時(shí)空分布。1979—1986 年間，中亞五國(guó)整體以變干為主，而我國(guó)新疆以變濕為主。但 1988—2010 年間，兩個(gè)區(qū)域均以變干為主，但中亞五國(guó)北部地區(qū)的變化趨勢(shì)更為明顯?？偟膩?lái)說(shuō)，中亞各國(guó)的土壤水分均顯著減小，哈薩克斯坦土壤水分最先開(kāi)始顯著減小，其后依次為烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦、吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦。除吉爾吉斯斯坦以外，中亞其他四國(guó)的土壤水分均對(duì)氣溫的顯著上升表現(xiàn)出一致的減小趨勢(shì)，對(duì)降水變化的響應(yīng)并不明顯。

圖 6 （a）1979—1986年土壤水分變化趨勢(shì)時(shí)空分布，（b）1988—2010年土壤水分變化趨勢(shì)時(shí)空分布

通過(guò)對(duì)中國(guó)新疆與中亞土壤水分變化進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：中亞地區(qū) 2007 年之前 4—10 月的平均土壤水分要高于我國(guó)新疆地區(qū)，但在 2007 年之后兩個(gè)區(qū)域相差不多。這可能是由以下兩個(gè)原因造成的：（1）中亞地區(qū)的土壤干化趨勢(shì)要明顯大于我國(guó)新疆地區(qū)，這是由降水和氣溫的綜合影響造成的，尤其是近年來(lái)中亞地區(qū)降水的持續(xù)下降和氣溫的顯著上升；（2）自 2004 年以來(lái)我國(guó)新疆地區(qū)的土壤水分明顯上升，這很可能與近年來(lái)我國(guó)新疆地區(qū)的增溫、增濕有所關(guān)聯(lián)［8］。

從溫度和降水的變化趨勢(shì)及相關(guān)性分析可見(jiàn)（圖7），1979—2010 年間，地表土壤水均與降水呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但在不同的時(shí)間段有不同的表現(xiàn)。1979—1986 年間，地表土壤水變化與降水呈顯著的正相關(guān)，而與氣溫的負(fù)相關(guān)性并沒(méi)有通過(guò) 0.05 顯著水平檢驗(yàn)。說(shuō)明，該時(shí)間段內(nèi)降水的減少主導(dǎo)了地表土壤水的干化趨勢(shì)。 1988—2010 年間，地表土壤水變化與氣溫顯著負(fù)相關(guān)，而與降水則呈微弱的正相關(guān)。說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)，氣溫的上升主導(dǎo)了地表土壤水的干化趨勢(shì)。中亞地區(qū)與我國(guó)新疆地區(qū) 4—10 月的土壤水分均與氣溫顯著負(fù)相關(guān)，與降水的正相關(guān)性均不顯著。這表明，近 23 年來(lái)中亞地區(qū)與我國(guó)新疆地區(qū) 4—10 月的土壤水分均對(duì)氣溫的顯著上升表現(xiàn)出一致的減少趨勢(shì)，降水變化對(duì)土壤水分的影響并不明顯［9］。

圖 7 我國(guó)新疆及中亞地區(qū)土壤水分、溫度和降水的變化趨勢(shì)圖

2.3.3 中亞及周邊區(qū)域水儲(chǔ)量變化監(jiān)測(cè)及分析

基于重力衛(wèi)星 GRACE 數(shù)據(jù)，對(duì)中亞地區(qū)的水儲(chǔ)量變化進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)與分析。GRACE 數(shù)據(jù)能夠反映陸地總體水儲(chǔ)量變化。通過(guò) 2003—2014 年 GRACE 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析得到（圖 8）：中亞地區(qū)的水儲(chǔ)量總體上處于減少的趨勢(shì)，里海地區(qū)和哈薩克斯坦西北是減少比較嚴(yán)重的區(qū)域；在烏茲別克斯坦和土庫(kù)曼斯坦交界處水儲(chǔ)量有增加的趨勢(shì)，主要原因是該地區(qū)是農(nóng)業(yè)區(qū)，近幾年該地區(qū)修建了水利設(shè)施，蓄水量增加導(dǎo)致水儲(chǔ)量有增加的趨勢(shì)，另外，在巴爾喀什湖北部地區(qū)水儲(chǔ)量有增加的趨勢(shì)，主要原因可能是伊犁河的水大量流入。從圖 8 還可以看到，中國(guó)西部與各國(guó)交界地區(qū)的冰川區(qū)水儲(chǔ)量均處于減少的趨勢(shì)，即冰川均處于融化的趨勢(shì)且減少的趨勢(shì)還比較顯著。中國(guó)新疆的北部地區(qū)水儲(chǔ)量處于較為顯著的減少趨勢(shì)，另外，青藏高原（西藏和青海）和塔里木河流域周圍地區(qū)如帕米爾、喀喇昆侖、西昆侖和天山的山地冰川亦均處于消融趨勢(shì)，同時(shí)，由于冰川融化導(dǎo)致地表徑流和湖泊的增多，造成青藏高原和塔里木河流域的水儲(chǔ)量有較大幅度地增加；中國(guó)西部的甘肅和寧夏地區(qū)水儲(chǔ)量有輕微增加的趨勢(shì)，云南和四川地區(qū)水儲(chǔ)量有較大的增加趨勢(shì)。水儲(chǔ)量增加的原因除了近幾年這些地區(qū)降水有一定幅度的增加外，有可能近年來(lái)國(guó)家采取了較為有效的對(duì)于西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和水資源的高效利用和管理措施。

圖 8 中國(guó)新疆與中亞及周邊區(qū)域2003—2014年水儲(chǔ)量線性變化趨勢(shì)圖

3 結(jié)論及建議

本文利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)新疆、中亞五國(guó)及相關(guān)周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境要素的變化情況進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)?？傮w來(lái)說(shuō)，中亞地區(qū)多數(shù)植被呈現(xiàn)劇烈退化趨勢(shì)，尤以哈薩克斯坦的退化最為嚴(yán)重，除了氣候因素，植被退化可能還由一些非氣候因素引起；其水資源量在近幾十年內(nèi)也具有較大的潛在減少的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為水儲(chǔ)量減少、湖泊面積萎縮和地表土壤水下降。

為了有效應(yīng)對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境退化加重的問(wèn)題，建議：（1）在“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”核心區(qū)實(shí)施全流域水資源協(xié)同管理，強(qiáng)化流域水源涵養(yǎng)、高效用水，弱化所謂“生態(tài)建設(shè)”，以自然保護(hù)為主?？缇澈恿魇切陆c中亞國(guó)家重要的歷史和現(xiàn)實(shí)紐帶，合理水資源管理是發(fā)展經(jīng)濟(jì)帶的關(guān)鍵所在。“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)亟需以水資源和生態(tài)環(huán)境容量及其時(shí)空格局為依據(jù)，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和布局，制訂科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案。嚴(yán)禁忽視水資源承載力和生態(tài)環(huán)境容量的做法。需要進(jìn)一步科學(xué)論證、進(jìn)行科學(xué)的資源承載力和環(huán)境容量的科學(xué)評(píng)估，使資源開(kāi)發(fā)和利用建立在資源、環(huán)境可持續(xù)的基礎(chǔ)之上。（2）在“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”核心區(qū)加強(qiáng)冰川、積雪和湖泊面積、河道斷流與地下水的時(shí)空變化的空間觀測(cè)，開(kāi)展區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)估，為合理的生態(tài)保護(hù)、補(bǔ)救措施及生態(tài)補(bǔ)償提供信息支持，為生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)，為全球變化影響下的干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)信息支撐。

參考文獻(xiàn)

1 Dorigo W, de Jeu R, Chung D, et al. Evaluating global trends （1988–2010） in harmonized multi-satellite surface soil moisture. Geophysical Research Letters, 2012, 38（18）: 1-7.

2 Liu Y Y, Dorigo W A, Parinussa R M, et al.Trend-preserving blending of passive and active microwave soil moisture retrievals. Remote Sensing of Environment, 2012（123）: 280-297.

3 Draper S C, Wakler J P, Steinle P J, et al. An evaluation of AMSR-E derived soil moisture over Australia. Remote Sensing of Environment, 2009, 113: 703-710.

4 Tapley B D, Bettadpur S, Ries J C, et al. GRACE measurements of mass variability in the Earth system. Science, 2004, 305: 503-505. Doi: 10.1126/science.1099192.

5 Singh A, Seitz F, Schwatke C. Inter-annual water storage changes in the Aral Sea from multi-mission satellite altimetry, optical remote sensing, and GRACE satellite gravimetry. Remote Sensing of Environment. 2012, 123（0）: 187-195.

6 Zhou Y, Zhang L, Fensholt R, et al. Climate contributions to vegetation variations in Central Asian vrylands: Pre- and post-USSR Collapse. Remote Sensing, 2015, 7: 2449-2470. Doi: 10.3390/rs70302449.

7 成晨, 傅文學(xué), 胡召玲, 等. 基于遙感技術(shù)的近30年中亞地區(qū)主要湖泊變化. 國(guó)土資源遙感, 2015, 27（1）: 146-152.

8 胡汝驥, 姜逢清, 王亞俊, 等. 中亞（五國(guó)）干旱生態(tài)地理環(huán)境特征. 干旱區(qū)研究, 2014, 31（1）: 1-12.

9 Li X W, Gao X Zh, Wang J K, et al. Microwave soil moisture dynamics and response to climate change in Central Asia and Xinjiang Province, China, over the last 30 years. Journal of Applied Remote Sensing, 2015, 9（1）: 096012-096012.

李新武 中科院遙感與數(shù)字地球所研究員，數(shù)字地球科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/數(shù)字陸地系統(tǒng)研究室主任。IEEE 會(huì)員, 中國(guó)生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì)生態(tài)遙感專業(yè)委員會(huì)委員。主要研究方向?yàn)闃O化 SAR、極化干涉 SAR 和極化層析成像 SAR 模型與方法、全球環(huán)境變化遙感、極地環(huán)境遙感和城市環(huán)境遙感等，主持和參加了包括國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、面上基金、重點(diǎn)和重大基金、國(guó)家“973”基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國(guó)家“863”高技術(shù)和國(guó)家科技支撐計(jì)劃和中科院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目等課題，發(fā)表論文 80 余篇，其中 40 余篇被 SCI 收錄，合著專著 2 部。E-mail:lixw@radi.ac.cn

Li Xinwu Professor, the director of Digital Land System Division of Key Laboratory of Digital Earth Sciences. The member of Ecological Remote Sensing Specialized Committee of China Ecology Society. His current research interests include model and method of polarimetric SAR, polarimetric interferometric SAR and polarimetric tomographic SAR, global change remote sensing, polar remote sensing, and urban remote sensing. he was funded or joined by more than ten scientific research projects at national and ministerial levels, including projects by the National Basic Research Program of China （‘973’ Program）, the National High Technology Research and Development Program of China （‘863’Program）, and by National Natural Science Foundation of China. He was awarded by one government’s prizes and one international’s prizes, they are one first-class Beijing Science and Technology Award （foundation class） and Big Data Climate Challenge winners of United Nations （UN）. In recent years, he has published over 84 peer-reviewed papers, of which more than 40 of them are indexed in Web of Science （SCI）. He has jointly written two books: Scientific Satellites for Global Change Research and Remote Sensing Time Series: Revealing Land Surface Dynamics. E-mail:lixw@radi.ac.cn

專題：空間科技助力“一帶一路”建設(shè)Strategy & Policy Decision Research

Space Recognition of Eco-environment Global Change Response of Arid and Semi-arid Region of the Silk Road Economic Belt

Li Xinwu1Zhang Li1Guo Huadong1Fu Wenxue1Lu Linlin1Qiu Yubao1Wang Xinyuan1Jia Gensuo2
（1 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China; 2 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China）

AbstractUnder the influence of intensive human activities and global change, the resources and environment of the Silk Road Economic Belt are facing the severe issues and challenges. As a core area of the Silk Road Economic Belt, Central Asia and its surrounding area is well known for its ecological environment degradation in arid and semi-arid regions all over the world. The ecological environment degradation seriously restricted the economic and social development in Central Asia and its neighboring countries. In this study, aimed at the typical factors of ecological environment in Xinjiang of China, Central Asia and its surrounding area, such as climate, vegetation, and water, the spatial and temporal variation of these typical factors and its responses to global change were studied and analyzed based on the long time series of satellite remote sensing data. The results indicated that, in Central Asia and its surrounding area, ecological environment changes presented a trend of deterioration in recent decades, specifically by water storage reduction, lake area shrink, soil moisture decreasing, vegetation degradation, etc.

Keywordsthe Silk Road Economic Belt, Earth observation, eco-environmental, global change response, space recognition