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

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]。過去40 a來，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，106°11′—110°56′E，總面積約9.5萬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

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以定量表征某一時(shí)期土地利用類型之間的轉(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、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?，沙地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?。其中，耕地和低覆蓋度草地分別增加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?，未利用?其他和沙地)和水體轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍８?、未利用地、水體面積分別減少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?，植被覆蓋度明顯增加。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。

4 結(jié) 論

(1) 1980—1999年，毛烏素沙地及周邊降水量變化不顯著，升溫明顯；2000—2016年，該區(qū)域降水量呈逐漸增加趨勢(shì)，升溫趨勢(shì)變緩。

(2) 該區(qū)降水和溫度變化及其對(duì)退耕措施的響應(yīng)在沙地與非沙地差異較小，因此，大的空間尺度上，氣象模型構(gòu)建可以忽略下墊面物質(zhì)的差異。

(3) 該區(qū)溫度變化是地表覆蓋、反射率、凈輻射量等變化的綜合效應(yīng)，最高和最低氣溫對(duì)退耕的響應(yīng)比平均氣溫的響應(yīng)更敏感。退耕后降水增加是植被覆蓋度增加和地表溫度降低所造成的水文小循環(huán)過程加劇造成的。