气候变化背景下近15 a乌梁素海流域植被动态变化

燕守广，李海东，方 颖，汪 光

(1.南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；3.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655)



气候变化背景下近15 a乌梁素海流域植被动态变化

燕守广1,2，李海东2①，方 颖1②，汪 光3

(1.南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；3.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655)

以内蒙古乌梁素海流域为研究对象，利用SPOT-VGT NDVI、数字高程模型(DEM)和气象数据，分析了1999—2013年流域植被覆盖变化及其海拔效应，并结合年平均气温和年降水量变化，探讨了流域植被变化对气候变化的响应。结果表明，乌梁素海流域植被覆盖度总体较低，NDVI多年平均值仅为0.213；1999—2013年乌梁素海流域94.8%的区域植被覆盖呈明显增加趋势，2013年NDVI年平均值比1999年增加22.4%；乌梁素海流域的植被覆盖表现为随高程增加而减少的趋势，1999—2013年NDVI年变化率随高程的变化趋势显著，仅在海拔梯度1 000 m处出现显著减小趋势(Mann-Kendall检验的统计值Z<-1.64)，在其余海拔高度均呈显著增加趋势(Z> 1.64)；1999—2013年乌梁素海流域NDVI年平均值变化与年降水量呈显著正相关(P< 0.05)，与年平均气温呈负相关(P> 0.05)。

气候变化；植被覆盖；海拔梯度；NDVI；内蒙古

气候变化已成为全球性的环境问题,已经并将继续对流域生态系统产生重要影响[1-2]。植被作为陆地生态系统的重要组成部分,具有调节径流、涵养水源和保持水土的重要功能[3-5]。研究表明,植被变化不仅受区域气候和海拔等环境要素的制约[6],同时也影响着地表的能量交换、生物地球化学循环和水文循环等过程[3,7]。植被格局对气候变化的响应是全球变化的重要研究领域,尤其是在高纬度和高海拔地区[6,8]。内蒙古乌梁素海作为我国北方干旱地区的典型湖泊,长期受到气候变化与人类活动的多重影响。近年来,乌梁素海流域水资源量严重下降,湖泊黄藻经常爆发,给当地的经济发展和居民生活带来不便[9-10]。气候变化可通过改变流域植被下垫面,影响蒸散发、土壤渗透性和土壤水分等[11-12],造成地表径流和营养物质分布状态改变,并最终对湖泊水环境质量产生广泛影响[13-14]。基于此,选择乌梁素海流域植被作为研究对象,综合运用SPOT-VGT NDVI、数字高程模型(DEM)和气象数据,分析气候变化背景下1999—2013年流域植被覆盖的动态变化,以期揭示植被变化的海拔效应和气候变化影响,从而为下一步深入探究气候变化对乌梁素海流域的累积性影响和气候变化风险评估提供依据。

1 研究区概况

乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内,面积约293 km2,南北长约36 km,东西宽约8 km,湖面平均高程1 018.5 m,80%的水域深度为0.8～1.0 m。乌梁素海系200多a前黄河改道形成的河迹湖,在黄河流域具有重要的生态功能。乌梁素海是我国北方候鸟重要的迁徙和繁殖地,也是全球半荒漠地区极为少见的、具有很高生态效益的大型多功能湖泊。乌梁素海有近200种鸟类和20多种鱼类繁衍生息,其中国家一、二类保护鸟类12种,《中日候鸟保护协定》保护鸟类48种,是国际社会关注的湿地系统生物多样性保护区,2002年被国际湿地公约组织正式列入《国际重要湿地名录》[15]。

乌梁素海流域涉及磴口县、巴彦淖尔市、杭锦后旗、五原县、乌拉特前旗、乌拉特中旗和乌拉特后旗。流域高程范围为987～2 351 m,平均海拔为1 299 m,高程<1 050 m地区占流域面积的38.9%。流域属温带大陆性气候区,四季分明。夏季水气充沛,降水集中,雨热同步,是作物生长的旺盛季节。冬季1月平均气温约为-10 ℃,夏季7月平均气温约为23 ℃,年日照时数为3 100～3 300 h。根据《中国植被图(1∶100万)》,流域的地带性植被类型为戈壁针茅荒漠草原、芨芨草盐生草甸、羊茅草甸、蒙古扁桃灌丛、柽柳灌丛、杨树和栽培植被等。

2 材料与方法

2.1 数据收集

研究数据包括1999—2013年乌梁素海的归一化植被指数(NDVI，INDV)、气象数据以及高程数据。其中,NDVI数据为1999—2013年的SPOT-VGT NDVI数据,来源于全球SPOT-VGT NDVI数据分发网站(http:∥www.vgt.vito.be),空间分辨率为1 km,时间分辨率为10 d,1 a有36期数据。NDVI数据在分发前已进行了几何、辐射和大气等校正处理。气象数据包括流域内及周边的海力素、乌特拉中旗、临河和包头4个气象站的月平均气温、降水量观测数据(表1),来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.gov.cn/)。高程数据为30 m和1 km分辨率的SRTM DEM数据(http:∥srtm.csi.cgiar.org/),30 m空间分辨率数据用于制作高精度的乌梁素海流域数字高程模型(DEM),以更好地反映流域地貌(图1);1 km分辨率数据用于分析NDVI变化与海拔梯度的关系。

表1 1999—2013年乌梁素海流域内及周边主要气象站点的基本情况

Table 1 General information of the major meteorological stations in and around the Wuliangsuhai Basin during 1999-2013

编号站点海拔/m多年平均降水量/mm多年平均气温/℃气候倾向率年降水量/(mm·a-1)年平均气温/(℃·a-1)53231海力素15101465.881.80-0.03153336乌拉特中旗12882166.303.93-0.01353513临河10721359.010.02-0.09253446包头10672908.222.08-0.052

海力素站位于乌拉特后旗,临河站位于巴彦淖尔市,包头站位于流域外。

2.2 数据处理

首先,对4—10月基于栅格的SPOT-VGT NDVI旬数据集求取平均值,计算得到1999—2013年15期乌梁素海流域植被生长季(4—10月)的NDVI数据集。将SPOT遥感影像中的像元亮度值(ND)转换为INDV值，计算公式为ND=(INDV+0.1)/0.004。其次,基于乌梁素海流域边界,裁切得到1999—2013年流域植被生长季的NDVI数据集。利用该数据集,一是计算流域NDVI年平均值,以分析1999—2013年流域NDVI的年际变化情况;二是基于NDVI遥感数据的像元值,计算1999—2013年流域NDVI的多年平均值;三是基于NDVI遥感数据的像元值,运用线性回归分析法,计算1999—2013年流域NDVI的年变化率,以分析流域植被覆盖变化的空间格局。

基于1 km分辨率的流域DEM数据,以100 m为间隔,将乌梁素海流域的高程划分为14个海拔梯度(中心点高程分别为1 000,1 100,1 200,…,2 300 m),每个海拔梯度为该中心点高程±50 m的一个高程区间(例如海拔梯度1 000 m即为高程950～1 050 m,海拔梯度1 100 m 即为高程1 050～1 150 m,其他依此类推)。基于海拔梯度划分,绘制流域NDVI多年平均值、NDVI年变化率和Mann-Kendall检验统计值(Z值)的箱线图,以分析流域植被覆盖变化的海拔效应。其中,箱体的高低表示四分位距(interquartile range,IQR)的大小,即第3四分位数(Q3)和第1四分位数(Q1)之差,反映数据批的集中范围。

利用1999—2013年海力素、乌特拉中旗、临河和包头4个气象站的月平均气温和降水量观测数据,计算每个气象站的年平均气温和年降水量。对4个气象站的数据进行区域平均,计算得到乌梁素海流域的气候变化数据,以分析流域近15 a的气候变化特征。

2.3 数据分析

运用线性回归分析法,计算1999—2013年流域NDVI平均值和每个像元对应NDVI的年变化率,以及流域年平均气温、年降水量变化的倾向率。运用Mann-Kendall非参数趋势检验法(简称M-K检验)对流域NDVI变化、气候变化的显著性进行检验,当|Z|≥1.28、1.64和2.32时,分别表示通过90%、95%和99%的显著性水平检验[16]。

基于1999—2013年流域NDVI年平均值、4个气象站的年平均气温和年降水量数据,利用Pearson相关分析方法检测气候变化对流域植被覆盖变化的影响。

3 结果与分析

3.1 1999—2013年流域植被覆盖变化

由图1可见,乌梁素海流域的植被覆盖度总体较低,1999—2013年流域NDVI多年平均值仅为0.213。流域大部分地区的NDVI多年平均值< 0.2,占其总面积的56.7%(其中< 0.1的地区占2.9%);NDVI多年平均值介于0.2～0.3的地区占流域总面积的19.8%;NDVI多年平均值介于>0.3～0.4的地区占流域总面积的22.5%;NDVI多年平均值> 0.4的地区仅占流域总面积的1.0%。

1999—2013年,乌梁素海流域绝大部分地区(占总面积的94.8%)植被覆盖呈增加趋势。就NDVI年变化率而言,介于>0.003～0.005 a-1的地区占流域总面积的比例最大(达42.8%),NDVI年变化率为>0.002～0.003、>0.001～0.002、>0.005～0.007、0～0.001、> 0.007以及< 0 a-1的地区占流域总面积的比例分别为16.0%、13.9%、12.5%、5.6%、4.1%和5.2%。仅有5.2%的区域植被覆盖呈下降趋势,且以斑块状分布在杭锦后旗、巴彦淖尔市和五原县等海拔较低的地区。

由图1可见,乌梁素海流域植被覆盖的增加趋势显著,有51.8%的地区达到99%显著水平(Z>2.32),23.5%的地区达到95%显著水平(Z>1.64)。仅有0.78%的地区植被覆盖的下降趋势达95%显著性水平(Z<-1.64)。

3.2 流域植被变化的海拔效应

由图2可见,乌梁素海流域的植被覆盖表现为随高程增加而减少的趋势。就近15 a不同海拔梯度的NDVI多年平均值的四分位距(箱体高低)而言,除在海拔梯度1 700和1 800 m处较大外,总体上在海拔梯度1 000～2 300 m处呈现随高程增加而减小的趋势。就中位数的大小而言,自海拔梯度1 000 m开始增加,在1 100 m处达到最大,其后逐渐减小,但是在1 700～1 800 m处呈略微增加趋势,在海拔梯度>1 900 m后则基本趋于平稳。不同海拔梯度NDVI多年平均值的最大值呈随高程增加而减小的变化趋势,这基本与四分位距的变化趋势一致,而其最小值随高程的变化趋势则不明显。

1999—2013年乌梁素海流域植被覆盖的年变化率随高程的变化趋势显著。不同海拔梯度NDVI年变化率的四分位距随高程增加的变化趋势基本与NDVI多年平均值的变化趋势一致。然而,不同海拔梯度NDVI年变化率的中位数则呈现随高程的增加而先增加后减小的趋势,在海拔梯度1 200 m处达最大,其后逐渐减小,但在1 700 m处略有增加,至1 800 m后仍呈减少趋势;自海拔高度> 1 900 m后,NDVI年变化率基本保持稳定。就不同海拔梯度NDVI年变化率而言,其最大值随高程的变化总体上呈不断减小趋势;但其最小值则随高程的增加,表现为先增加后减小的趋势,并在海拔梯度1 000 和1 100 m处出现负值,表明该海拔梯度植被覆盖受到的负面干扰较大。

由图2还可见,乌梁素海流域NDVI的年变化率除在海拔梯度1 000 m处出现NDVI年变化率显著减小外(Z<-1.64)，在其余海拔梯度(>1 000～2 300 m)的增加趋势均较显著(Z>1.64)。

图1 1999—2013年乌梁素海流域NDVI多年平均值、年变化率和Z值的分布

3.3 气候变化对流域植被变化的影响

由图3可见,1999—2013年乌梁素海流域NDVI增长趋势明显,年变化率为0.003 4 a-1,通过99%的显著性水平检验(Z=3.07)。2013年NDVI年平均值比1999年增加22.4%。近15 a NDVI年平均值的最大值出现在2012年(0.253),远高于1999—2013年的多年平均值(0.213),其次为2013年(0.239)和2004年(0.222)。近15 a NDVI年平均值的最小值出现在2001年(0.178),远小于近15 a的平均值,其次为2000年(0.188)、2006年(0.192)和2006年(0.195)。

1999—2013年,乌梁素海流域的年平均气温呈不断下降趋势,气候倾向率为-0.047 ℃·a-1,通过95%的显著性水平检验(Z=-1.68)。1999年流域年平均气温最高(8.2 ℃),远高于1999—2013年的多年平均值(7.4 ℃),其余依次为2007年(8.1 ℃)和2006年(7.8 ℃),2001、2002和2013年均为7.7 ℃。2012年流域年平均气温最低(6.3 ℃)。

图中矩形箱体的顶部和底部线条分别对应该海拔梯度包含数据

就流域年降水量而言,近15 a表现为波动性增加趋势,气候倾向率为1.956 mm·a-1,但未能通过95%的显著性水平检验(Z=0.30)。2012年流域年降水量达最大(326 mm),远高于1999—2013年的多年平均值(197 mm),其余依次为2008年(282 mm)和2003年(278 mm)。2005年流域年降水量最小(119 mm),其余依次为2000年(135 mm)、2011年(145 mm)和2013年(155 mm)等。近15 a乌梁素海流域的年平均气温、年降水量的变化趋势基本和海力素、乌特拉中旗、临河、包头4个气象站的变化趋势一致(表1)。

Pearson相关分析表明,1999—2013年乌梁素海流域的NDVI年平均值与年降水量呈显著正相关(r=0.516,P=0.049<0.05),与年平均气温呈负相关(r=-0.448,P=0.094>0.05)。这表明年降水量的略微增加对流域植被覆盖的增加有促进作用,年平均气温的下降可能对流域植被覆盖的增加有一定的抑制作用。比如,2012年降水充沛(326 mm),气温明显偏低(6.3 ℃),导致其NDVI年平均值(0.253)为近15 a来最大。1999年降水较少(仅179 mm),气温明显偏高(8.2 ℃),导致其NDVI年平均值(0.195)明显低于多年平均值(0.213)。

图3 1999—2013年乌梁素海流域NDVI年平均值、年平均气温和年降水量变化

4 结论

(1)乌梁素海流域的植被覆盖(以NDVI表征)总体较低,1999—2013年绝大部分地区的植被覆盖呈增加趋势,占流域总面积的94.8%,且51.8%的地区达到99%显著性水平。仅有5.2%的区域植被覆盖呈下降趋势,主要分布在杭锦后旗、巴彦淖尔市、五原县等海拔较低的地区。

(2)乌梁素海流域的植被覆盖表现为随高程增加而减少的趋势,1999—2013年NDVI年变化率随高程的变化趋势显著,仅在海拔梯度1 000 m处出现显著减小趋势(Z<-1.64),在其余海拔高度均呈显著增加趋势(Z>1.64)。

(3)1999—2013年乌梁素海流域NDVI的年变化率为0.003 4 a-1,2013年NDVI年平均值比1999年增加22.4%。1999—2013年流域年平均气温呈不断下降趋势,气候倾向率为-0.047 ℃·a-1,通过95%的显著性水平检验(Z=-1.68)。流域年降水量近15 a则呈波动性增加趋势,气候倾向率为1.956 mm·a-1,但未通过95%的显著性检验(Z=0.30)。1999—2013年流域NDVI年平均值变化与年降水量呈显著正相关(P<0.05),与年平均气温呈负相关,但相关性不显著(P>0.05)。

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(责任编辑： 许 素)

Dynamics of Vegetation in the Wuliangsuhai Basin Under Climate Change During the Years From 1999 to 2013.

YAN Shou-guang1,2, LI Hai-dong2, FANG Ying1, WANG Guang3

(1.College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;3.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China)

Based on the SPOT-VGT normalized difference vegetation index (NDVI) dataset, SRTM digital elevation model (DEM), and metrological data accumulated during the years from 1999 to 2013 in four observatory stations in the Wuliangsuhai Basin, Inner Mongolia, analyses were performed for inter-annual changes in vegetation coverage in the region and their elevation effect, and at the mean time exploration was done of responses of the vegetation to climate changes through comparing changes in annual mean temperature and annual precipitation. Results show that (1) on the whole, the basin was quite low in vegetation coverage, with a multi-year mean of NDVI being 0.213; however, vegetation coverage in 94.8% areas of the basin exhibited an apparent rising trend, and the trend in 51.8% areas of the region passed the 99% confidence level (a statistical variable calculated by the non-parametric Mann-Kendall test ofZ>2.32); and the annual mean NDVI was 22.4% areas in 2013 than in 1999; (2) vegetation coverage in the region declined with rising elevation and annual NDVI change rate also varied significantly with elevation, exhibiting a declining trend around 1 000 m in elevation and rising trends in all the others; and (3) variation of annual mean NDVI in the region was significantly and positively related to annual mean precipitation (P<0.05), but negatively to annual mean temperature (P>0.05).

climate change; vegetation coverage; altitudinal gradient; NDVI; Inner Mongolia

2016-01-29

环保公益性行业科研专项(201509027)

X826

A

1673-4831(2016)06-0958-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.014

燕守广(1975—),男,江苏沛县人,副研究员,博士生,主要从事生态保护与环境规划方面的研究。E-mail: ysg@nies.org

① 通信作者E-mail: lihd2020@163.com

② 通信作者E-mail: fangying@nies.org