张元梅 孙桂丽 鲁艳 李利
(新疆农业大学,乌鲁木齐,830052) (中国科学院新疆生态与地理研究所)
植被动态变化在能量交换、碳循环和区域人类活动中起到重要作用[1]。植被覆盖度(FVC)定义为地面植被垂直投影面积占土地总面积的百分比[2],是衡量植被动态变化的有效指标[3],植被覆盖度的变化在碳循环、陆地气候、环境保护等方面发挥着重要作用,监测植被覆盖度的动态变化,对区域生态综合治理和应对气候变化具有重要意义[4]。
植被的生长分布和气候条件具有紧密的联系,其中气温、降水是植物生长发育的关键驱动因子[5]。国内外学者针对气温、降水对植被覆盖度动态变化的影响展开了广泛研究,例如西南地区降水对植被覆盖度起促进作用,气温对植被覆盖度的影响因地区而异[6];三江源地区降水是植被生长的主要驱动因子[7];气温和降水综合的影响对吉县植被覆盖度高值区和建筑区的植被起抑制作用[8]。然而植被的动态变化不仅受气候因素的影响,也会受到人类活动的影响[9]。人类活动对植被的影响具有两面性,生态工程、耕地扩张、水土保持措施、城市绿化等对植被生长做出了积极贡献[10],过度放牧、不合理的土地利用与开垦、采矿以及工业活动、城市化、建筑用地扩展等措施导致植被覆盖度下降[11]。植被的动态变化通常受到气候变化和人类活动的综合影响,随着气候变化、人类活动强度的不断增加,干旱区生态面临着显著的变局和挑战[12],分离、量化气候变化和人类活动对区域植被覆盖度的影响,对于理解和预测植被动态变化、制定科学的生态环境保护和恢复策略、评估可持续发展能力具有至关重要的意义[13]。
塔里木盆地位于中国新疆南部,植被主要分布在塔里木盆地边缘,不同大小和形状的绿洲散布在塔里木盆地边缘[14]。塔里木盆地是内陆干旱区对气候变化响应极其敏感的地区[15],由于人类活动的日益活跃,绿洲农业得到了大力发展[16],塔里木河调水工程、三北防护林工程、防沙治沙等措施也相继实施,这些工程的实施增加了植被覆盖度[17]。近年来由于水热条件和开发建设加剧,对塔里木盆地植被覆盖度变化产生了不同的影响,目前缺乏关于塔里木盆地植被受气候变化、人类活动影响的相关研究,尤其是气候变化和人类活动对不同植被类型植被覆盖度变化相对贡献率的研究十分有限。因此,本研究利用残差分析量化气候变化和人类活动对塔里木盆地植被覆盖度的影响程度,为塔里木盆地开展生态修复工程、保护生态环境提供科学依据。
塔里木盆地位于中国新疆南部(图1),由天山、昆仑山、阿尔金山环绕,主要包括的行政区有:巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)、阿克苏地区、喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州(以下简称克州)、和田地区。气候干燥,年降水量稀少,盆地地貌格局具有环带分布的特征,由外围向中心依次为山地、丘陵、山前冲积扇、冲积平原、沙漠,冲积扇前缘和沿河发育的绿洲镶嵌分布在盆地的周边地带,盆地边缘绿洲区多年平均降水量为50 mm,土壤类型主要有风沙土、棕漠土、盐土、草甸土等[18],生态系统脆弱,易受人为干扰的影响。本研究选取塔里木盆地边缘的绿洲区域、绿洲外围植被分布区、塔克拉玛干沙漠公路周围植被分布区作为研究区。
图1 研究区示意图
数据来源:归一化植被指数(NDVI)来源于美国国家航空航天局(NASA)数据中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)提供的MODIS13A1数据产品,空间分辨率为500 m,时间分辨率为16 d。选取2000—2022年全年植被生长季4—10月份的影像资料,为方便后续的分析,对归一化植被指数影像进行格式及投影转换,采用最大值合成法(MVC)得到环塔里木盆地植被生长季的归一化植被指数数据,该数据集具有时间连续、空间分辨率较高等优点,且被广泛应用于植被长势监测方面的研究[19];气象数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)的2000—2022年月平均气温、月平均降水量,空间分辨率为0.008 333 3°(约1 km),将月平均气温和月平均降水量数据重采样为空间分辨率500 m的栅格数据,选取4—10月份的气象数据,通过均值法得到年平均气温、降水;植被类型数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)的中国数据空间分辨率为1∶100万(米)的植被类型图。
像元二分模型计算方法:本研究采用像元二分模型,计算植被覆盖度[20],计算公式为:
Fi=(Ni-Ns)/(Nv-Ns)。
式中:Fi为第i年的植被覆盖度;Ni为i年的归一化植被指数合成数据;Ns为纯裸土像元的归一化植被指数值,接近于0;Nv为纯植被像元的归一化植被指数值,接近于1。然而在实际环境中很少能够满足条件要求,遥感图像通常受噪声的影响,在计算过程中,依据干旱区环境特征通常取像元灰度值在累积概率为5%、95%时的值,计算荒漠地区的植被覆盖度[21]。本研究结合前人的研究经验,选取前5%对应的归一化植被指数值作为Ns,后95%对应的归一化植被指数值作为Nv。
一元线性回归法:本研究中选择一元线性回归法,分析植被覆盖度变化趋势[22],计算公式为:
式中:S为斜率;n为时间序列总年数;yi为第i年时间序列取值。S>0表示植被覆盖度呈增长趋势,反之则呈减少趋势。
多元回归残差分析方法:多元回归残差分析能将气候变化与人类活动对植被变化的影响进行区分,进而定量评估人类活动对植被的贡献[23],建立气温、降水、人类活动与植被覆盖度的多元回归分析模型,首先通过气候因子与植被覆盖度的多元回归模型,计算模型中的各个参数,进而计算出气候因子影响时的植被覆盖度预测值(Fc),人类活动影响时的植被覆盖度预测值(Fh)可以用实际植被覆盖度值(Fr)与Fc之差来表示[24]。计算公式如下:
Fc=(∑aici)+b;
Fh=Fr-Fc。
式中:ai、b为模型参数;ci为气候因子(气温、降水);i为气候因子类型。
将气候变化和人类活动影响的植被覆盖度变化程度分为7个等级:严重退化、中度退化、轻微退化、基本不变、轻微改善、中度改善、明显改善[25]。根据Fr、Fc、Fh的趋势率(Kr、Kc、Kh)划分植被覆盖度变化的驱动因素,植被覆盖度呈改善趋势:当Kr、Kc、Kh均大于0时,表明气候变化和人类活动均使植被覆盖度改善;当Kr和Kc大于0、Kh小于0时,表明气候变化是植被覆盖度改善的主导因素;当Kr和Kh大于0、Kc小于0时,表明人类活动是植被覆盖度改善的主导因素。植被覆盖度呈退化趋势:当Kr、Kc、Kh均小于0时,表明气候变化和人类活动均使植被覆盖度退化;当Kr和Kc小于0、Kh大于0时,表明气候变化是植被覆盖度退化的主导因素;当Kr和Kh小于0、Kc大于0时,表明人类活动是植被覆盖度退化的主导因素。分别计算气候变化和人类活动对植被覆盖度改善或退化的贡献率,计算公式如下:
式中:Cc、Ch分别为气候变化和人类活动的贡献率。
3.1 植被覆盖度的时空变化特征
从2000年起到2022年的23 a期间,环塔里木盆地植被覆盖度的年均值呈现波动上升趋势,植被覆盖度变化范围为0.359～0.410,最小值出现在2000年,最大值出现在2012年,多年均值为0.382,平均增长速率为每10年增长0.008,植被覆盖度总体呈增加趋势。各个植被类型的年均植被覆盖度也呈增长趋势,其中农业的植被覆盖度平均值和增长速率最快,这是因为环塔里木盆地以农业为主,随着绿洲农业的发展,农业植被面积快速扩增。而荒漠植被生存环境较为恶劣,且受各种生态保护、修护的措施面积较少,因此荒漠植被的面积较广,但植被覆盖度和增长速率最慢(图2)。
图2 2000—2022年环塔里木盆地和各植被类型的植被覆盖度随时间变化曲线
由图3可知,2000—2022年环塔里木盆地各个地区绿洲内的植被覆盖度均值较高,其次是绿洲周围地区和河流附近地区,剩余地区的植被生存环境恶劣,植被生长稀疏,植被覆盖度较低,这种植被分布格局使植被覆盖度均值分布呈明显的区域集中性特征。空间上植被覆盖度呈现“北高南低”的分布格局,植被覆盖度低值区主要分布在巴州地区的且末县、若羌县,这些地区由于土地荒漠化和沙漠化严重,导致整体植被覆盖度较低。阿克苏地区植被覆盖度高值区主要分布在库车、沙雅、新和交界地区、阿克苏市、温宿县南部、阿瓦提县北部和阿拉尔市;喀什地区植被覆盖度整体较高,巴州地区、和田地区的植被覆盖度高值区面积较小,这些植被覆盖度高值区主要是绿洲区域和河流附近的胡杨林、灌木林。环塔里木盆地大部分区域植被覆盖度呈现减少趋势,植被覆盖度呈减少趋势的区域面积占71.89%,其中植被覆盖度呈显著减少的区域面积占40.38%,主要分布在巴州的且末县、若羌县;植被覆盖度呈增加趋势的区域面积占28.11%,其中植被覆盖度呈显著增加的区域占13.22%,主要分布在绿洲周围地区、喀什地区以及和田地区的部分荒漠植被区;除原有的绿洲区域植被覆盖度增加外,其它植被覆盖度增加区域主要在绿洲外围,是由于原来的绿洲荒漠过渡带开垦为新的绿洲区域,增加了植被覆盖度。
图3 2000—2022年植被覆盖度的均值空间分布和变化趋势分布格局
3.2 气候变化与人类活动对植被覆盖度的影响
将2000—2022年气候因子影响时的植被覆盖度预测值(Fc)和人类活动影响时的植被覆盖度预测值(Fh)进行变化趋势分析。气候变化影响时,环塔里木盆地面积占比为88.37%的区域植被覆盖度基本保持不变;改善区域的面积占比为4.43%,主要分布在库尔勒市、策勒县南部、阿拉尔市,阿克苏市、温宿县以及库车市、沙雅县、新和县的交界区域;退化区域的面积占比为7.21%,主要分布在乌什县、沙雅县北部、库车市南部、尉犁县北部(图4)。
图4 气候变化、人类活动影响时植被覆盖度变化趋势等级空间分布
人类活动影响时,植被覆盖度值的趋势率范围为-0.054～0.057,人类活动对环塔里木盆地的植被覆盖度影响以改善为主,改善区域的面积占比为47.26%,明显改善的区域主要分布在人类居住的绿洲区域以及塔里木河流域。退化区域的面积占比为19.78%,主要分在塔里木盆地南缘的民丰县、且末县、若羌县(图4)。人类活动和气候变化对环塔里木盆地植被覆盖度均存在正负效应,人类活动对植被覆盖度的改善作用大于气候变化的改善作用,尤其是绿洲及其周围,证明绿洲面积的扩增对植被覆盖度的影响显著。
图5为影响环塔里木盆地植被覆盖度主导驱动因子的空间分布格局,环塔里木盆地植被覆盖度受人类活动和气候变化共同作用改善的面积占比为19.79%,主要分布在库尔勒、轮台、阿克苏地区、喀什地区中东部、策勒县南部和于田县南部。植被覆盖度受气候变化改善的区域面积较少,零星分散在环塔里木盆地。植被覆盖度受人类活动影响改善的区域占7.32%,在环塔里木盆地北缘分布相对集中,且分布面积高于南缘。环塔里木盆地植被覆盖度退化主要受气候变化和人类活动两者共同作用主导,面积占比为49.55%,主要分布在巴音郭楞蒙古自治州、柯坪、英吉沙、岳普湖、莎车、民丰。其次是人类活动主导的植被覆盖度退化面积占比为18.33%,主要集中分布在塔里木盆地南缘。植被覆盖度受气候变化影响导致退化的区域面积较少,呈零星分布在整个区域。由此可见,2000—2022年间,环塔里木盆地植被覆盖度的变化主要受气候变化与人类活动的共同影响。
图5 影响植被覆盖度变化的主导因子空间分布格局
不同植被类型的植被覆盖度改善以及退化区受气候变化、人类活动影响的面积占比见表1,气候变化和人类活动的共同作用是各植被类型植被覆盖度变化的主要主导因子,尤其在草甸、灌木中比例相对较高。除农业植被退化区受气候变化单独影响的比例为38.37%外,其他各植被类型改善区和退化区受气候变化单独影响的比例均小于10%。
表1 各植被类型植被覆盖度变化的驱动因素空间分布比例
3.3 气候变化和人类活动对不同植被类型覆盖度的相对贡献率
根据植被覆盖度的变化趋势划分植被覆盖度改善区和退化区,改善区是植被覆盖度趋势率大于0的区域,主要以绿洲及绿洲外围区域为主,退化区是植被覆盖度趋势率小于0的区域,主要分布在部分绿洲内部及植被稀疏的区域,尤其是巴州地区。分别计算气候变化和人类活动在植被覆盖度改善区和退化区的贡献率(图6),在植被覆盖度的改善区,气候变化的平均相对贡献率为20.91%,在大部分的植被覆盖度改善区,气候变化的相对贡献率均小于25%;人类活动的平均相对贡献率为79.03%,人类活动对植被覆盖度改善区的相对贡献率整体较高,在阿克苏中部地区、和田地区、喀什地区的相对贡献率大于75%。气候变化在植被覆盖度退化区的相对贡献率为22.25%,气候变化相对贡献率大于75%的区域主要分布在喀什地区、阿克苏地区的绿洲区域;人类活动在植被覆盖度退化区的相对贡献率为77.75%,相对贡献率较高的区域主要分布在绿洲外围的植被稀疏和荒漠化较为严重的区域,尤其在且末、若羌较为明显。结果表明,在植被改善区,人类活动的贡献率更大,绿洲区域内的植被退化主要受气候变化影响,其余地区受人类活动的影响。
图6 改善区和退化区气候变化、人类活动的相对贡献率
表2为气候变化和人类活动在各植被类型的改善区、退化区的相对贡献率,人类活动在各植被类型的植被覆盖度改善区的相对贡献率大于气候变化的相对贡献率,尤其在草甸、农业植被的植被覆盖度改善区,人类活动的相对贡献率分别为82.87%、82.63%,说明各植被类型的植被改善主要受人类活动的影响。在农业植被的植被覆盖度退化区,气候变化的相对贡献率为79.90%,说明农业植被退化主要受气候变化的影响,其他植被类型退化区的气候变化贡献率均小于34%。
表2 气候变化和人类活动对各植被类型植被覆盖度变化的相对贡献率
2000—2022年环塔里木盆地植被覆盖度整体呈波动上升趋势,各植被类型的植被覆盖度也均呈现上升趋势。空间上面积占比为43.73%区域的植被覆盖度呈上升趋势,植被覆盖度在空间分布上呈“北高南低”的格局。整体来看,植被覆盖度变化呈上升趋势,但在空间分布格局上,戈壁、沙漠区域面积较大,这些区域植被生长状况较差,且受到植被改善的措施较少,植被覆盖度改善困难,使植被覆盖度在空间上呈上升趋势的面积较少。
人类活动是影响环塔里木盆地植被变化的关键因素,人类活动对植被变化的影响存在双重效应,对改善区植被覆盖度变化的相对贡献率为79.03%,对退化区植被覆盖度变化的相对贡献率为77.75%。对植被变化存在正向效应主要是由于绿洲扩建和生态工程等措施,例如农业植被的植被覆盖度增加速率最快,且对整个区域植被覆盖度的贡献最大,这主要与绿洲农业的发展有关,塔里木盆地西部—北缘、塔里木河干流及以北区域,是全疆耕地面积增加最大的区域,随着滴灌、覆膜灌溉等技术的推广,原本未利用的沙漠、戈壁、盐碱地被开垦为耕地[26],使绿洲面积扩增。另一方面生态工程的实施也促进了植被生长状况的显著改善,例如柯柯牙工程通过实施杨树防护林与果园的结合模式,在促进区域经济发展的同时,不仅提高了土地的利用效率,还对防治风沙、保持水土、改善地区气候等环境问题起到了积极作用[27];自2000年塔里木河下游生态输水工程实施后,植被面积扩大,植被生产能力增强,下游植被生长状况得到明显改善[28];还包括荒漠化防治工程、退耕还林、天然林保护工程等,这些生态工程的实施对环塔里木盆地植被覆盖度增加作出了积极贡献,且由人类活动主导。人类活动导致植被覆盖度减少的主要原因是人口增加导致的过度开垦和水资源的不平衡利用[29],耕地增加扩增了非荒漠化土地面积,但随着耕地面积的急剧增加,对生态用水的需求产生了强烈的竞争,这一过程加快了绿洲边缘区域中度与轻度荒漠化的演变,使以天然植被为主体的生态系统更为脆弱[30],由于干流上游和支流的输水量减少,导致干流下游输水量减少或断流,地下水位下降,进一步引发了天然植被大面积死亡[31]。因此,生态工程的实施对植被覆盖度有促进作用,但人类活动强烈的区域也会使植被覆盖度减少。总体而言,人类活动对植被变化的正向效应大于负向效应,未来应减少不合理的土地利用方式、加强生态环境治理、合理规划利用水资源,以促进植被覆盖度整体增长速率更快和植被覆盖度高值区面积扩增。
近年来新疆“暖湿化”趋势明显,变暖程度逐渐增强[32],这种趋势对环塔里木盆地植被产生了一系列复杂的影响,即有促进作用,也有抑制作用,并呈现出一定的区域性差异。整体来看,气候变化对植被覆盖度变化的相对贡献率较低,对植被覆盖度改善区和退化区的相对贡献率都小于25%,说明气候变化总体对植被生长的影响较小。气候变化对植被覆盖度变化的促进作用主要表现在气温升高可以提供充足的热量,有助于植物进行光合作用,从而促进其生长[33],此外,还会导致冰川和积雪融化,融水补给河流流量,这有助于促进绿洲区域植被和流域内植被生长[34],但这种促进作用在未来存在不可持续性,如果气温持续变暖,冰川消失后,河流流量可能出现断流等现象,导致流域内植被覆盖度减少。在干旱区,由于降水稀少且蒸发强烈,植被的生长发育对降水量表现出高度的敏感性[35],降水量的增加也有利于植被生长。温度是影响植被物候最重要的因素,气温升高引起植被返青期提前、枯黄期延后,使植被生长季节延长,与降水增加的叠加效应会进一步促进植被的生长[36]。气候变化对植被生长的抑制作用主要表现在高温和干旱,在干旱区,对依赖于降水和地下水的植被而言,尤其是荒漠植被,温度升高导致蒸发量增大、干旱胁迫加剧[37],从而导致植被覆盖度下降。
本研究采用残差分析评估气候变化和人类活动对环塔里木盆地植被覆盖度的影响,但未能分离各项生态工程分别对植被覆盖度的影响,气候因子中只考虑了气温、降水对植被的影响,其他气候因子对植被的影响有待进一步研究[38]。因此,后续研究中需要深入探究不同气候因子和各项人类活动主导的生态修复工程对植被覆盖度的影响。
(1)2000—2022年期间,环塔里木盆地整体植被覆盖度和各植被类型的植被覆盖度均呈显著上升趋势,其中农业植被的植被覆盖度上升速率最快,荒漠植被的植被覆盖度上升最慢。植被覆盖度均值在空间上呈现“北高南低”的空间分布格局,植被覆盖度呈增加趋势的区域面积占28.11%。
(2)环塔里木盆地整体植被覆盖度的变化主要由气候变化和人类活动共同主导,但人类活动的影响大于气候变化。气候变化和人类活动的共同作用时,植被覆盖度的改善、退化面积占比分别为19.79%、49.55%。在各植被类型植被覆盖度的改善区、退化区的影响因素均以气候变化和人类活动的共同作用为主。
(3)气候变化和人类活动对植被覆盖度变化的影响均具有双重效应。在植被覆盖度的改善区和退化区,人类活动的相对贡献率大于气候变化的相对贡献率,气候变化对绿洲内部的植被覆盖度退化区有较高的相对贡献率。人类活动在各植被类型的植被覆盖度改善区的相对贡献率大于气候变化的相对贡献率。气候变化对农业植被退化区的相对贡献率更高,人类活动对其他植被类型的相对贡献率更高。
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