額爾齊斯河流域MOD系統變化及其對氣候與人類活動的響應

李佳秀, 陳亞寧, 劉志輝, 李 稚

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.中國科學院 新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

IPCC第5次評估報告[1]明確指出，近百年來全球氣溫的顯著上升，物質能量循環的加快已對不同尺度的大氣圈、水圈及生物圈產生了明顯的影響，由此引發的資源和環境問題嚴重威脅人類生存和區域發展。中亞干旱與半干旱區屬于典型的溫帶大陸性氣候，該區深處大陸腹地，廣泛發育山脈和盆地，其獨特的氣候及自然地貌形成了典型的山地—綠洲—荒漠(MOD)耦合系統。其中，水熱條件是系統中植被生長發育的主要限制因子，影響著植物種群組成與分布[2]。水分是聯系山地—綠洲—荒漠系統最直接的紐帶，山地向盆地輸送了大量的地表水和地下水，決定了天然綠洲的規模及范圍，也影響著人工綠洲的發展潛力，綠洲邊緣和外圍環繞著荒漠。山地、綠洲、荒漠鑲嵌共生，相互作用，共同支撐著干旱區的完整體系[3]。

中亞干旱與半干旱區對全球氣候變化響應敏感，特別是額爾齊斯河流域被國內外學者認為是地球上生態系統最易受影響乃至最為瀕危的區域之一[4]，在當前氣候與環境條件下，其社會經濟系統與生態系統的協調發展已成為社會各界十分關注的問題。目前針對該區的研究主要著眼于特定因素的深入分析，如水質狀況[4]、水資源開發和利用[5]、降水和溫度變化特征[6]、對水資源的影響[7]、土地利用變化[8-9]和碳循環[10]等，也有學者探討了系統結構特征和相關性質[11]，但未涉及系統的動態變化及影響機制探討。本文旨在通過研究流域內上、中和下游區不同MOD子系統的變化及其對氣候變化與人類活動的響應，揭示自然和人為環境變化下系統各個組分的變化特征和發展規律，為科學認識全球變化對中亞干旱半干旱區不同區域空間差異性影響提供依據。

1　研究區概況

額爾齊斯河發源于中國新疆富蘊縣阿爾泰山南坡，沿阿爾泰山南麓流向西北，進入哈薩克斯坦國，注入齋桑泊，后于哈薩克斯坦東北部繼續流向西北，進入俄羅斯后匯入鄂畢河，最終匯入北冰洋，為鄂畢河的最大支流。流域全長4 248 km，面積164萬km2。本文的研究區是中哈兩國境內的額爾齊斯河流域，該流域自東南向西北延伸，位于73°22′38″—85°7′53″E，46°48′23″—53°11′19″N。其中，中國境內河長633 km，流域面積為4.53萬km2，河川徑流量85億m3[7]；哈薩克斯坦境內河長1 698 km，流域面積為91.8萬km2，河川徑流量255億m3[5]。該區具有明顯的溫帶荒漠氣候特征，受西風帶控制，水汽主要來源于大西洋和北冰洋，年平均降雨量311 mm，蒸發量相對較小。年平均溫度3.3℃，夏季溫和干燥，冬季寒冷多雪，春秋季短暫而不明顯。地勢整體呈東南高，西北低。

研究區屬于典型的MOD系統，分別對應流域的上、中、下游區域。阿爾泰山脈發育了額爾齊斯河并注入齋桑谷地，荒漠、草原和森林呈帶狀分布于山地不同海拔高度上。河流出山口發育沖積扇平原，外圍是西伯利亞低地，植被類型豐富多樣，平原植被稀疏。人工綠洲主要分布在河流的高、低階地上[12]。河流西南岸的平原及丘陵則分布著廣泛的溫帶荒漠。

水分的演變及轉化過程，直接影響著系統的穩定性。地貌類型決定系統的基礎和框架，而氣候的差異和變化則在地貌差異的基礎上進一步影響了水文特征和植被的類型[11]，區域內的人類活動顯著改變了地表反射率以及水和能量的循環，對區域及全球尺度的氣候系統產生影響。

2　數據來源與研究方法

2.1　數據資料

氣象資料來源于美國NCDC(http:∥www.ncdc.noaa.gov)及中國氣象科學數據共享網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。選取流域內信息較為完整的16個站點(哈國11個，中國5個)1970—2011年的數據，其中哈國降水數據2000—2011年部分缺測，由周邊臨近站點插值補缺完成。站點分布于流域各個區域及不同海拔高度上，取算術平均值，可代表流域整體實際水平。遙感影像資料選取Landsat 1978—1979年、1989年、1999年和2013年共4期，7—10月份，地物清晰、云量小于10%的影像。對4期遙感影像分別進行輻射定標、大氣校正等預處理過程，采用監督分類的SVM(支持向量機)方法對影像進行監督分類，以哈薩克斯坦國1∶500萬生態環境數據作為基礎，運用ENVI軟件進行土地利用/覆被類型的分類與制圖。集合《中國土地分類系統》，將圖像分為耕地、林地、鹽漬地等7類。

2.2　研究方法

2.2.1非參數Daniel檢驗該方法是建立在Spearman秩相關系數基礎之上，檢驗非平穩數據序列觀測值與時間是否存在著同時增加或減少的趨勢，同時確定其顯著水平。當Daniel檢驗的秩相關系數的顯著水平p值小于等于0.05時，表明時間序列數據有顯著上升或下降趨勢，否則無顯著趨勢[13]。

2.2.2DFA去趨勢波動分析法用于非平穩時間序列中的長程相關分析并對未來趨勢做出預測。具體方法詳見參考文獻[14-15]。分析時間節點S與F(S)的冪律相關性，即：

lnF(S)=alnS+b

(1)

式中：a為DFA指數，不同的指數值反映了不同的時間過程。當a=0.5，序列是隨機序列。當0

2.2.3景觀指數計算利用Fragstats軟件，從景觀類型與斑塊水平的兩個角度計算景觀指數，包括斑塊數量、斑塊形狀指數、斑塊密度、Shannon多樣性指數和Shannon均勻度指數。各個指數所代表的生態學意義及計算方法參見文獻[16]。景觀指數能夠定量地反映土地利用的結構與空間配置，是景觀格局的高度濃縮。各景觀指數的定義及生態學意義如表1所示。

表1　景觀指數的方程及生態學意義

3　結果與分析

3.1　流域氣候變化特征

3.1.1氣溫與降水的變化趨勢額爾齊斯河流域多年平均溫度為3.26℃，從圖1A中可以看出，研究區近40 a的平均溫度整體呈上升趨勢，增溫速率為0.37℃/10 a，且通過了Daniel顯著性檢驗(p=0.0049)，這與全球[1]、中亞[17]及新疆北部[18]氣溫不斷升高的變化趨勢一致。研究區氣溫在20世紀90年代中期前主要呈負距平，而之后呈正距平，特別是2000年以后升溫幅度明顯，是近40 a升溫幅度最大且持續時間最長的一次升溫(圖1B)。

圖1　流域溫度序列及離差

研究區多年平均降水量為311 mm，屬于中亞干旱半干旱區的相對濕潤區。從圖2A中可以看出，近40 a研究區降水的增加速率為9.77 mm/10 a，但未通過Daniel顯著性檢驗。有研究表明，中亞地區各個國家的降水變化趨勢有所差異[19]，本研究區降水的增加趨勢不明顯，但上游區降水量的顯著增加與中國西北干旱區[20]及新疆高山地區[21]的增濕趨勢一致。研究區降水在2000年以前呈正、負距平交替變化，總體平穩，其中最大低降水出現在1975年，2000年后降水以正距平為主，是近40 a降水增幅最大且持續時間最長的一段時期(圖2B)。

綜上所述，研究區近40 年氣溫和降水均呈波動上升變化趨勢，水熱狀況趨于改善。溫度上升趨勢顯著(p=0.0049)，降水增加趨勢不顯著(p=0.0663)。從時間尺度看，降水變化滯后于溫度4～5 年。

3.1.2氣溫與降水未來變化趨勢采用DFA法分析上游區和全流域氣溫、降水的未來變化趨勢，對比子區域與整個流域未來氣候變化的差異。研究發現，上游區氣溫和降水的DFA值分別為0.588，0.730，均介于0.5～1(圖3A—3B)。表明上游區未來氣溫和降水都將繼續保持增長的趨勢，而且溫度的持續上升相對于降水具有更高的可靠性。

圖2　流域降水序列及離差

對于流域整體，雖然氣溫和降水呈多年增長趨勢(0.37℃/10 a，9.77 mm/10 a)，但其DFA值分別為1.537，1.786，均大于1.5，屬布朗振蕩，無法判斷整個流域未來氣溫和降水變化的可能方向(圖3C—3D)。這種上游區未來增長趨勢明確但全流域不明確的現象是由于上游區地形及地物結構相對單一，而全流域環境復雜造成的。因此有必要分子系統對研究區氣候與生態的動態變化作深入研究。

圖3　上游區域和整個流域DFA對比分析

3.2　MOD系統動態變化分析

3.2.1MOD子系統劃分水熱條件對MOD各系統具有限制作用，綠洲與荒漠的相互演變過程就是以水熱為代表的環境條件逐步改善的過程[22]。在不考慮水文因子的情況下，對整個流域多年平均溫度和降水進行全區域插值，分別劃分3級，并將各區域值累積相乘后共構成6級，得到整個研究區的水熱分級圖，值越高的區域指示水熱狀況越好。在分級基礎上，再沿著干流從上游到下游選取3塊有代表性的子區域A(齋桑泊)，B(塞米伊)和C(巴普洛達爾)，分別代表山地系統、綠洲系統和荒漠系統(表2)。結合3個子區域近40 a內的氣候和遙感影像數據，分析研究MOD系統各組分變化特征及其與氣候變化和人類活動之間的關系。

表2　目標子區域信息

3.2.2MOD子系統動態變化分析A區作為典型的山地系統，分析得出，A區年平均溫度為1.67 ℃，年降水量為292.5 mm，近40 a線性增溫和增濕率分別為0.39℃/10 a和4.8 mm/10 a。區域內，由于齋桑泊的存在，水體充足，達全區面積的15%；但裸地面積較大，達30%以上，廣泛分布于湖邊與山地；綠地(耕地和自然植被)主要分布于支流的階地及湖岸高地，面積約占全區面積的20%，自1979—1999年綠地面積有所增加，而1999年后有所減少；裸地面積由35.27%上升到47.19%且持續上升；水體面積穩步小幅上升，從14.6%增加到了16.7% (圖4A)。

B區作為典型的綠洲系統，年平均溫度為4.08℃，線性增溫率為0.16℃/10 a，年降水量為309.5 mm，無明顯升降趨勢。山前沖積平原水熱充足，該區域迎風坡山地有大量的耕地和天然植被，植被覆蓋度高達40%～50%。其中，針葉林集中于額爾齊斯河北岸的西伯利亞低地，荒地和裸地主要分布在河流南部的哈薩克丘陵。從圖像分析也可知荒地和裸地占該區的20%左右。1979—1989年，水體面積由1979年的0.8%增加到了1989年的1.5%，綠地面積也增加了6.9%。1989—1999年沼澤和裸地面積明顯減少，分別減小了5.3%和3%，而荒地面積卻增加了7.7%。1999—2013年荒地和裸地擴大，達到了全區面積的46.7%，而綠地面積減小了14.3% (圖4B)。

C區作為典型的荒漠系統，年平均溫度為2.87 ℃，線性增溫率為0.15℃/10 a，年降水量為326.8 mm，線性增濕率6.14 mm/10 a。該區是徑流耗散區，水熱狀況一般，多年植被覆蓋度基本維持在50%左右。區域南部作為過渡緩沖帶的荒漠面積較大，達到了20%左右。區域內有許多小型的水域，部分已干涸或鹽堿化。1979—1989年綠地面積基本維持不變，裸地以及鹽堿地面積增加，增幅分別為0.41%和3.46%。1989—1999年大量荒地退化成裸地，荒地隨之減少了18.8%，其他地物面積幾乎不變；1999—2013年綠地面積擴大了10.99%，荒地面積，沼澤和水體都有小幅的減少(圖4C)。

3.2.3景觀格局動態變化分析A，B，C這3個子區域中，B和C區受人類活動的影響較大，因此其景觀格局的變化較大。利用Fragstats軟件，從景觀類型與斑塊水平兩個角度計算景觀指數。

圖4　1979-2013年A，B和C區土地利用類型變化

從表3中可知，B區和C區的斑塊數量從1979—1999年持續增加，1999—2013年略有減少，可見區域破碎性增加。B區景觀Shannon多樣性指數和Shannon均勻度指數先降低再升高，說明該區域的景觀異質性程度呈現先下降再上升的趨勢，景觀類型趨于多樣化發展。C區景觀Shannon多樣性指數和Shannon均勻度指數則先上升再下降，說明該區域景觀異質性程度呈現先上升再下降的趨勢，景觀類型越豐富，景觀所含的信息量和信息的不定性越大。從年份對比可以看出1999年B區和C區景觀形狀結構最為復雜。而1999年以后，斑塊形狀指數減小，斑塊復雜性降低，說明區域的景觀結構與形狀區域規則化、聚集化。

3.2.4MOD系統對氣候變化和人類活動的響應由景觀變化分析可知1999年前后各子系統都發生了較其他時期更為明顯的變化。區分MOD各子系統，進一步討論其受氣候變化和人類活動的影響。

(1) 山地系統。由流域氣候的暖濕化趨勢以及A區近年水體和沼澤面積的變化(圖4和表3)可以推斷，地表水資源得到了暫時性增加。主要是因為氣溫升高導致的高山冰雪融水增加[17]。A區氣溫和降水的增長率分別為0.39℃/10 a和4.8 mm/10 a，而綠地面積與平均溫度和降水的相關系數分別為0.53和0.98，氣溫和降水的增加使得A區綠地面積在1979—1999年增加，但2013年有所減少。人類活動使得該區自然植被面積有所減少，而耕地面積增加；不可用地面積(裸地和鹽堿—沙地)與平均溫度和降水的相關系數分別為0.64和-0.84，不可用地面積逐年增加。由進一步的遙感解譯可知，區域內自然植被主要是山地林帶，1989年林地面積的增加，一定程度上抑制了不可用地的增加，1999—2013年，隨著林地面積大幅減少，不可用地的面積增加迅速(表4)。

表4　A區域地物景觀百分比　%

(2) 綠洲系統。1979—1989年，隨著B區水庫的建立，水體面積顯著增加，至1999年后維持相對穩定的規模；沼澤面積有一定的起伏，總體呈下降趨勢；綠地面積同平均溫度和降水的相關性都不高，分別為0.48和-0.36。伴隨著區域水體面積的顯著增加，引水灌溉和開墾力度加大，耕地面積隨之增加。而自然植被受限于氣候和水文條件，1999—2013年退縮明顯。荒地面積自1989年后持續增加。不可用地面積與平均溫度的相關性較好，相關系數為-0.80，與降水的相關性較差，相關系數為-0.1。1979—1999年受綠地面積擴大和氣溫上升的影響，不可用地面積逐漸縮減。相應的，1999—2013年綠地規模退縮，不可用地面積擴大(表5)。

表5　B區域地位景觀百分比　%

(3) 荒漠系統。1979—1989年C區水體面積有所增加，之后小幅減少。綠地主要分布在干流附近及河流北岸，同平均溫度和降水的相關系數分別為0.65和0.95，與降水的相關性較大。1979—1989年植被面積變化不大，主要是其他地向耕地的轉化；1989—2013年隨著人類活動影響，水熱狀況的改善，耕地和自然植被面積擴大。不可用地面積與平均溫度和降水的相關系數分別為0.88和0.61，與溫度的相關性較大。區域內溫度升高，且伴隨著綠地向外擴張，導致1989年以來荒地面積減少，但不可用地面積增加(表6)。

表6　C區域地物景觀百分比　%

4　討 論

山地高海拔冰川和積雪融水是額爾齊斯河的主要補給源，氣溫升高使得冰雪融水增多，伴隨流域內降水量的增加，使得流域內植被覆蓋面積增加[23]。但流域內由于人為開發，生態環境進一步變得復雜，對整個生態系統的影響也更加明顯。山地系統中，非農業用地主要為山區森林，山區森林面積的增加有助于抑制不可用地面積的增加。可見，森林對穩定系統組分和調節氣候和水資源供給是非常重要的。

綠洲作為整個MOD系統中最為活躍的組分，水熱狀況較為良好，同時是人類活動的中心，受到自然和人為因素的共同影響與制約。綠洲內溫度、降水和植被覆蓋變化導致蒸散發率、反照率、地表粗糙率等綜合效應的不同，也會對自身起到調節作用[24]。同時人類生產生活方式的變化導致綠洲內景觀變化更為劇烈，生態環境的脆弱性程度加大[25]。

荒漠作為綠洲系統外圍的屏障和儲備[26]，緩沖了干旱半干旱區惡劣氣候對于綠洲的侵害，為綠洲的擴展和演替提供了基礎。除氣候變化對其造成的長時間尺度的影響外，目前荒漠系統受人類的干預也變得越來越多，生態環境變得十分敏感。人類活動的持續增強，植被覆蓋面積將進一步減少而裸地面積增加，最終導致更大面積的鹽堿化和沙化，使得區域的脆弱性增加[27]，并減弱未來農業生產和生態的適應性。例如20世紀著名的咸海危機[28]和塔里木河生態水文危機[29]被認為是由于過多的人類活動造成的。

本文僅對MOD系統的土地類型進行了基本的分類分析，但人工綠地、森林、灌木和草地沒有被進一步分類。因此，人類和自然因素對MOD系統的影響需要進一步更精確的分類和定量分析。

5　結 論

(1) 研究區整體變得暖濕，水熱狀況趨于良性發展，但溫度和降水并不協同變化，加上地形地貌的差異，各個子系統對氣候變化和人類活動的響應存在差異。1999年是研究區景觀格局的轉折點，景觀結構、形狀和數量都在一定程度上有所增加，這一轉變與人類活動的影響密不可分。

(2) A區山地系統也受到人類活動的影響，但影響較小。其年均氣溫最小，線性升溫率卻最高。近40 a來，在氣候變暖的影響下，水體面積小幅增長，植被面積先增加后減少，主要表現為耕地面積擠占自然植被面積而使得自然植被面積的減少。裸地面積在1999年前幾乎無變化而之后有所增加。研究區土地利用類型向不可利用地類轉換的面積越來越大。

(3) B區綠洲系統地處山前沖擊平原，受氣候和人類的共同影響，近40 a來該區氣溫有所升高，但降水量無明顯變化。該區植被覆蓋度高，但天然植被面積自1999年后降低，而耕地面積大幅增加，可知人類耕作活動對這一地區土地利用改變十分明顯。

(4) C區增濕率在3個區域最高，多年植被覆蓋度基本維持在50%左右，但結構單一，區內鹽堿化較嚴重，受綠洲擴張的影響，荒地面積自1979年以來顯著減小。

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