民勤荒漠綠洲植被覆蓋對地下水和降水變化的響應(yīng)

薛文瑞，楊自輝，張 永，郭樹江，王強強，張劍揮

（1甘肅省武威市石羊河林業(yè)總場，甘肅民勤733300；2甘肅省治沙研究所/甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州 730070；3蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

0 引言

水是干旱地區(qū)植被生長的限制因子。由于干旱地區(qū)受水分的限制，生物過程微弱，所以生態(tài)系統(tǒng)脆弱[1-2]。干旱區(qū)荒漠綠洲植被生長的水分來源主要有大氣降水、高山冰雪融水、地下水和土壤水[3-5]。相關(guān)研究表明：地下水位較高的干旱地區(qū)由于降水稀少，蒸發(fā)強烈，植被的生長主要依賴于地下水[6]。此外，降雨入滲形成的土壤水分對于淺根植被（草本植物）的生長尤為重要，土壤水分是聯(lián)系大氣降水、地表水和地下水的重要紐帶[7]。

針對地下水位的高低和降水量的大小對干旱區(qū)植被生長的直接或者間接作用，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究，并且提出地下水位的高低對于維持干旱區(qū)植被的生命過程，植被覆蓋具有舉足輕重的作用[8-10]。齊蕊等[11]分析了鄂爾多斯高原的地下水和干旱指數(shù)對植被覆蓋空間分布的影響，研究結(jié)果認為：地下水位的下降會導(dǎo)致荒漠地區(qū)植被覆蓋的降低，并且認為地下水埋深在小于3 m之內(nèi)，植被覆蓋達到最高；此外地下水埋深在7 m之內(nèi)對于植被生長影響最顯著。管子隆等[12]在分析青海格爾木河中游植被覆蓋與地下水關(guān)系認為：地下水埋深在4 m之內(nèi)，植被覆蓋對于地下水的變化最敏感，此外，地下水埋深超過8 m，地下水對地表植被的水源補給不太顯著。楊自輝等[13-14]分析了民勤綠洲荒漠植被白刺(Nitraria tangutorumBobr)種群的生長過程中的地下水位臨界范圍為7 ～11 m，超過此臨界范圍，其他植被迅速退化，白刺種群擴展，群落植被類型發(fā)生變化，植物種類減少。雖然地下水位高低是影響荒漠植物生長發(fā)育的主要因素之一，但當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵林参锖茈y利用時，降水就會成為植被生長的主導(dǎo)條件。對民勤荒漠植被的生長發(fā)育而言，降水存在一個臨界值，當(dāng)連續(xù)兩年降水量年均達140 mm以上時，對植被的生長有促進作用。近年來民勤荒漠綠洲地下水位在23 m左右，植被已無法利用，多年平均降水量在118 mm，但降水量在逐年有增加趨勢，2018年降水量達180 mm，達到60年極值。通過以上分析認為，研究地下水位下降、降水量增加對民勤荒漠植物生長發(fā)育的影響具有重要意義。

鑒于此，本研究利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)以及多年地下水位和降水量觀測數(shù)據(jù)，分析民勤綠洲荒漠植被覆蓋與地下水位和降水量的關(guān)系，探討植被對環(huán)境變化的響應(yīng)，為干旱區(qū)荒漠綠洲生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤荒漠綠洲位于甘肅省河西走廊石羊河下游。南部為祁連山，西部為巴丹吉林沙漠，北部和東部為騰格里沙漠。平均海拔在1400 m左右，氣候為大陸性干旱沙漠氣候，多年平均降水量在118 mm左右，年蒸發(fā)量2600 mm左右。綠洲天然植被主要有白刺、，檉柳(TamarixchinensisLour.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.Syst.Veg)等灌木和沙米[Agriophyllum squarrosum(Linn.)Moq]、鹽 生 草(Halogeton glomeratus)等一年生草本植物以及少量的人工灌木林梭梭[Haloxylon ammodendron(C.A.Mey.)Bunge]。研究區(qū)根據(jù)地下水位觀測井結(jié)合綠洲荒漠植被和少量的人工固沙林來劃定，如圖1，灌區(qū)灌溉植被不在研究范圍。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)主要來自民勤縣以及周邊縣市氣象站實際觀測的月降水?dāng)?shù)據(jù)。時間跨度為1990—2018年。地下水埋深數(shù)據(jù)來自每月機井測量數(shù)據(jù)，本研究選擇2000、2005、2010、2015、2018年民勤綠洲地下水埋深數(shù)據(jù)，來反映民勤綠洲19年的地下水位變化。此外，利用1990—2018年長時間序列的民勤綠洲周邊的年降水?dāng)?shù)據(jù)，通過趨勢分析，來反映當(dāng)前以及未來的氣候變化背景。

通過LAADS DACC網(wǎng)站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)獲取了MOD13Q1的8—9月16天合成NDVI數(shù)據(jù)，通過投影轉(zhuǎn)換、最大值合成等處理，最終獲取了2000—2018年的年際尺度NDVI，目的是定量分析在氣候變化背景下，民勤綠洲植被覆蓋對降水變化的響應(yīng)程度以及變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 民勤綠洲地下水埋深時空變化

圖2是民勤綠洲2000、2005、2010、2015、2018年地下水位埋深狀況。從空間分布來看，綠洲的東南部地下水埋深最淺，北部次之，中部地下水位最深；地下水埋深的極大值出現(xiàn)在西部邊緣地區(qū)，極小值出現(xiàn)在東部和東南部邊緣地區(qū)。中部地區(qū)地下水位普遍較低，該地區(qū)是民勤綠洲的核心地帶，也是民勤縣人口和耕地的主要分布地區(qū)，生活用水和農(nóng)業(yè)用水量大，因此，民勤綠洲的地下水位總體呈現(xiàn)“漏斗”狀，受復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，地下水位在區(qū)域空間上高低分布相應(yīng)的比較復(fù)雜，相近的地方地下水位高低差別較大。

圖2 2000—2018年民勤綠洲地下水位變化

從時間變化來看地下水埋深，2000—2015年間，西部邊緣地區(qū)地下水埋深一直處于增加趨勢；中部地下水埋深在2000—2005年期間呈現(xiàn)增加趨勢，在2005—2018年呈現(xiàn)減少趨勢；西部區(qū)域為石羊河八大河支流的西大河和東大河，為金昌流域的昌寧和昌盛鄉(xiāng)，不屬于武威—民勤盆地綠洲；中部地下水位降幅變小，地下水位趨于穩(wěn)定，主要原因是石羊河流域治理規(guī)劃的實施，民勤縣從2005年之后關(guān)閉大量機井，防治地下水的過渡開采，外流域調(diào)水進入民勤，促進地下水位資源供需平衡。但是，東部及東南部區(qū)域地下水埋深小于4 m的范圍在2000—2010年期間逐漸減少，2015—2018年期間地下水位高于4 m的分布范圍基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 各年地下水埋深的面積變化

為了定量分析民勤綠洲地下水的各年面積變化趨勢，探究地下水在近些年生態(tài)環(huán)境保護政策下的恢復(fù)情況，以2000年地下水埋深作為參考，將荒漠綠洲地下水埋深共分為6個等級，目的是反映淺層、中層和深層地下水埋深面積所占綠洲總面積的比例，以此來反映地下水的年際面積分布動態(tài)變化。這6個等級分別是：淺層：1 ～3、3 ～5 m；中層：5 ～10、10 ～15 m；深層：15 ～30 m和＞30 m。

根據(jù)圖3可以看出，1 ～3 m的地下水埋深年際波動變化較小，總體處于穩(wěn)定趨勢；3 ～5 m的地下水埋深總體波動幅度較大，從2000年的5.97%降至2018年的0.81%，但是2005—2018年分布面積略有下降，后期變化趨于穩(wěn)定；5 ～10 m的地下水埋深從2000—2018年一直處于減少趨勢，2000年面積占比為14.51%，2018年面積占比為11.38%，19年時間共下降3.13個百分點；10 ～15 m地下水埋深的面積比率總體處于下降趨勢，從2000年的20.09%降至2018年的13.95%，2010年以后面積減少幅度變小并且變化趨于穩(wěn)定；15 ～30 m范圍的地下水埋深總體處于上升趨勢，從2000年的58.1%增至2018年的68.4%，19年間共增加10.3個百分點，增加速度較快，其分布區(qū)域也進一步擴張。＞30 m的地下水埋深在監(jiān)測時間段內(nèi)總體處于緩慢增加趨勢，從2000年的0.51%增加到2018年的5.35%，19年增加了4.84個百分點。

圖3 不同地下水埋深年際面積占綠洲面積的百分率變化

不同等級的地下水埋深的面積占比。其中所占綠洲總面積比例最高的是地下水埋深在15 ～30 m的分布范圍，而且在不同監(jiān)測時間面積比例均在60%以上波動變化。此外，1 ～3 m和＞30 m的地下水埋深面積最小，并且面積比例分別在0.1% ～0.6%和0.5% ～5%之間波動變化。從這些結(jié)果可以看出，民勤綠洲大部分地區(qū)地下水埋深均在15 ～30 m之間，部分地區(qū)地下水埋深在10 ～15 m之間(13% ～20%)。

綜上所述，2000—2018年間，地下水位在3 m內(nèi)分布面積變化不大，3 ～15 m的地下水位的分布范圍在縮小，15 ～30 m及以上的地下水位分布面積在擴大；2005—2018年間，地下水位在15 m以上的分布范圍趨于穩(wěn)定，15 m以下在擴展。以上結(jié)果說明2005年國家開展石羊河流域綜合治理工程取得顯著成效，地下水位下降得到控制，但較深層地下水位（15 m以下）分布面積在增加，地下水位恢復(fù)并不樂觀。

2.3 不同地下水埋深對NDVI的影響

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可以反映一個地區(qū)植被覆蓋程度。植被覆蓋程度越高，NDVI的值也越接近1，為了探究在什么深度范圍的地下水對于植被生長或者植被覆蓋貢獻程度最大；通過獲取不同地下水埋深范圍對應(yīng)的NDVI的均值，反映不同監(jiān)測時間段內(nèi)NDVI的變化（圖4）。通過圖4發(fā)現(xiàn)，除了2005年，其他時期的NDVI均在地下水埋深1 ～3 m處達到最大值，并且在2000—2018年，該地下水范圍的NDVI值逐步增加，在2018年NDVI值變化和地下水埋深在5 m的范圍變化關(guān)系最密切，由于2018年全年降水量是有氣象記錄以來的最大值，這對NDVI有重要的影響，其他時間在1 ～10 m范圍內(nèi)，NDVI值隨著地下水埋深的增加逐步降低，但是在10 ～15 m增加，15 m之后處于減少趨勢，說明地下水埋深在10 m之內(nèi)，對于NDVI的值貢獻最大，可以認為民勤綠洲植被生長的臨界地下水為在10 m以內(nèi)，地下水埋深＞10 m的年際變化對NDVI值沒有明顯的影響，與前人實測研究植被與地下水位相關(guān)性，得出的地下水位達到7.45 ～11.65 m范圍是民勤綠洲生態(tài)環(huán)境治理的主要目標[13]相一致，采用歸一化植被指數(shù)和地下水位相關(guān)性方法，進一步驗證了民勤生態(tài)環(huán)境治理中的生態(tài)地下水位范圍。這對民勤生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，采用增補生態(tài)用水措施，提升地下水位高度具有重要的理論價值。

圖4 2000—2018年不同地下水埋深NDVI的變化

民勤荒漠綠洲自然植被主要是白刺、沙拐棗(Calligonum mongolicumTurcz.)、沙蒿、檉柳以及一年生草本植物等，人工栽培植物主要是梭梭、沙棗(Elaeagnus angustifoliaLinn.)、檸 條 錦 雞 兒(Caragana korshinskiiKom.)等，不同植物需要地下水位高低不同，檉柳屬于利用地下水植物，地下水位在3 ～8 m時檉柳生長良好，低于該水位，退化死亡。梭梭根系發(fā)達，垂直根系可達10 m左右，地下水位在7 ～10 m梭梭生長良好，低于該地下水位，梭梭退化。白刺和沙拐棗在沙地中淺層根系特別發(fā)達，沙拐棗根系在沙層表面50 m分布廣泛，地下水位逐漸降低時，他們由依靠地下水逐漸演變?yōu)橐揽拷邓畞砩?。草本植物主要利用降水生存。根?jù)植物根系特性，地下水位在10 m內(nèi)對NDVI貢獻最大，進一步說明10 m地下水位是民勤生態(tài)臨界地下水位。

2.4 研究區(qū)年降水變化趨勢

在全球氣候變化的背景下，自從20世紀80年代以來，中國西北地區(qū)的氣候表現(xiàn)為變暖和變濕的過程[15]。甘肅民勤作為中國西北生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)也是氣候變化的敏感地區(qū)，水是植被覆蓋和生長過程的限制因子，降水又是植被生長的重要水源之一；那么綠洲荒漠植被必然會對降水的變化產(chǎn)生明顯的響應(yīng)；為了更加準確的表達在當(dāng)前氣候變化背景下甘肅民勤降水的變化特征，本研究選擇民勤周邊6個國家標準氣象站的年降水?dāng)?shù)據(jù)。降水距平制圖見圖5。

圖5 民勤綠洲周邊氣象站年降水量距平和變化趨勢

根據(jù)圖5，在1990—2018年，涼州區(qū)氣象站年降水量變化趨勢不明顯外，其他5個氣象站年降水量均處于增加趨勢。其中，巴彥浩特年降水量增加速率為7.3 mm/10 a，并且在2011年之后，年降水量大部分年份均高于2000—2018年平均降水量，并且在2018年達到一個相對高值。巴丹吉林年降水量增加速率為6.4 mm/10 a，并且在2006年之后降水變化幅度較大；民勤年降水量平均增加速率為7.5 mm/10 a，2018年年降水量達到極值；永昌年降水量平均增加速率為13.1 mm/10 a；金川區(qū)年降水量增加速率為4.2 mm/10 a。綜上所述，民勤以及周邊氣象站降水大部分處于增加趨勢，在全球氣候變暖背景下，處于生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠區(qū)表現(xiàn)為暖濕化趨勢。

2.5 NDVI對年降水變化的響應(yīng)

根據(jù)以上分析，民勤綠洲正在經(jīng)歷著氣候的暖濕化過程；氣溫的增加有利于延長荒漠和綠洲植被的生長季；處于增加趨勢的降水可以改善植被覆蓋，促進植被生長。為了定量分析植被覆蓋在年際尺度上對于降水的響應(yīng)特征，以及預(yù)測植被覆蓋的未來變化趨勢，研究使用2000年以來MODOIS-NDVI的16天合成數(shù)據(jù)，利用最大值合成方法獲得監(jiān)測時間內(nèi)年際尺度的NDVI，分析了其變化趨勢。制圖結(jié)果見圖6。

圖6 2000—2018年研究區(qū)NDVI的年際變化趨勢

根據(jù)圖6，研究區(qū)的NDVI在2000—2018年呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，并且平均增加速率為0.02/10 a,并且通過了顯著性檢驗(P＜0.01)。說明隨著降水的增加，NDVI也表現(xiàn)為顯著的增加趨勢，植被覆蓋總體向好的趨勢發(fā)展。筆者選取了降水處于增加趨勢且距離研究區(qū)最近的民勤站數(shù)據(jù)，通過對比降水和NDVI的年際變化幅度可以發(fā)現(xiàn)：在降水處于較高的年份時，對應(yīng)的年NDVI也處于較高值，說明在大部分年份年降水和年NDVI的變化幅度相關(guān)性基本一致；同時，年內(nèi)降水多發(fā)生在秋季，降水對植被生長的響應(yīng)有一個滯后現(xiàn)象，據(jù)前人研究，民勤荒漠綠洲區(qū)，當(dāng)年降水對小灌木和草本的生長具有影響，但對較大的灌木的影響出現(xiàn)在第二年，只有連續(xù)兩年的降水量在140 mm以上，對植被生長有一個大的促進作用[14]。根據(jù)研究結(jié)果，在當(dāng)前氣候變化背景下，民勤綠洲植被覆蓋會逐步改善，對于后期開展生態(tài)環(huán)境治理提供了一個良好的氣候環(huán)境。

根據(jù)荒漠區(qū)植物生長特性，民勤地區(qū)植物有淺根性和深根性之分，隨著地下水位的逐年下降，靠地下水生長的一些植物逐漸衰退死亡（檉柳、沙棗等），一些植物逐步演變成靠降雨生長（白刺、沙拐棗等），還有部分植物依靠兩者生長（梭梭等），當(dāng)?shù)叵滤幌陆档?0 m以內(nèi)，地下水位對植物的貢獻最大，但地下水位下降到10 m以下時，降雨量對植被覆蓋貢獻率最大，介于10 m左右的地下水位，地下水和降雨對植被覆蓋的貢獻，根據(jù)植物特性而定，深根性植物覆蓋受地下水位影響較大，淺根系植物的覆蓋受降雨量大小的影響較大。

3 結(jié)論

民勤綠洲地下水位呈現(xiàn)“漏斗”狀，綠洲內(nèi)部地下水埋深最大，綠洲外圍地下水埋深較小；石羊河流域綜合治理工程實施，地下水位在15 m以上的分布范圍趨于穩(wěn)定，15 m以下在擴展，石羊河流域綜合治理工程取得顯著成效，地下水位下降得到控制，但較深層地下水位（15 m以下）分布面積在增加，地下水位恢復(fù)任重道遠。

在民勤綠洲荒漠非灌溉區(qū)域，地下水位高，NDVI高，NDVI在地下水位1 ～3 m時最大，10 m達到最小，10 ～15 m逐漸提高，10 ～30 m逐漸下降。

10 m以內(nèi)的地下水對植被覆蓋影響最顯著，并且隨著深度增加，植被覆蓋進一步降低，10 m的地下水位是民勤綠洲植被生長的生態(tài)地下水臨界值；

民勤以及周邊降水量大部分處于增加趨勢，在全球氣候變暖背景下，處于生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠區(qū)表現(xiàn)為暖濕化趨勢。

民勤荒漠綠洲NDVI值和年降水量變化趨勢保持一致，均呈現(xiàn)逐年上升趨勢，在全球氣候變化的背景下，民勤綠洲降水量的逐漸增加對植被的恢復(fù)具有一定作用。