新疆艾比湖流域植被覆蓋度對氣候的響應*

陳 瑜，張 鵬

（1.新疆能源研究院有限責任公司，烏魯木齊830063；2.中國科學院新疆生態與地理所，烏魯木齊830011）

0 前言

艾比湖位于準噶爾盆地最低處，主要是靠地表徑流對自身進行補給，是一個生態環境十分獨特的濕地［1-2］，同時生物多樣性資源也極其豐富［3-5］。在全球變暖和人口數量增加以及農業用水需求量增大的影響下，造成艾比湖水位下降，導致湖兩岸胡楊林長勢不好的局面，而遠離湖邊的胡楊已基本死亡［4,6］。同時，由于受到艾比湖西北部阿拉山口風力的影響所形成的大風氣候帶，這些因素將會進一步加劇艾比湖流域天然植被退化、風沙災害、土地荒漠化、湖泊面積萎縮等；干涸湖床面積的逐年擴大，導致沙塵日數增加；20世紀末，精河縣浮塵天氣平均達到112 d，是20世紀60年代的9倍，每年降塵達2.89×108kg/km2［7］。關于艾比湖流域的氣候與植被方面的研究，前人做過相關工作，如降水、氣溫、植被覆蓋度等變化特征及其之間的相互關系［1-2,5-7］；但是，研究的空間范圍只限于對流域內的自然保護區［8］，或時間范圍只限于4期［9］，或研究時段過老（1998—2012）［10］，總之，沒有透徹分析艾比湖流域的植被覆蓋度變化過程，及其和氣候間的關系。

植被覆蓋度（NDVI）是反映植被生長狀況的良好指標。文章在3S技術及地統計軟件的支持下，分析近十幾年流域植被覆蓋度在時間與空間上的變化特征，結合氣候和農業數據，探討植被覆蓋度與當地氣溫、降水、耕地面積間的相互關系。

2 研究方法

2.1 研究區概況

艾比湖流域位于新疆西北部，準噶爾盆地南緣，地理位置介于43°38'N～45°52'N和79°53'E～85°02'E之間。流域包括博爾塔拉蒙古自治州的博樂市、阿拉山口市、溫泉縣和精河縣，塔城地區的烏蘇和托里縣南部，伊犁直屬的奎屯市和克拉瑪依的獨山子區（圖1）。

圖1 艾比湖流域概況圖Fig.1 Overview map of Ebinur Lake Basin

2.2 植被覆蓋度提取與趨勢檢驗

以2000年1月至2016年12月的204期MODIS13Q1 NDVI數據為基礎，結合土地利用現狀數據，采用像元二分模型法，提取艾比湖流域近18年來的植被覆蓋度（NDVI）數據、用于反演2000—2017年艾比湖流域植被覆蓋度的分布格局和變化規律。

該文中艾比湖流域植被蓋度提取用到的植被指數數據為MOD13Q1產品中的NDVI數據，空間分辨率為250 m，時間序列為2000年1月至2017年12月。對獲得的NDVI遙感數據除進行了數據格式轉換、鑲嵌、投影轉換及研究區提取等預處理處理外，為降低噪音信息對數據影像，還對其進行了Savitzky-Golay濾波和MVC合成處理，獲得代表植被生長最好狀況的年NDVI數據。

像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法，其計算公式如下：

式（1）中，Fc為植被覆蓋度，在該文中采用兩位小數表示，以與百分比區分，EVIsoil為研究區純裸土像元EVI值，EVIveg為純植被像元EVI值。參考前人經驗，分別取研究區EVI圖像直方圖的5%處和95%處EVI值代表EVIsoil值和EVIveg值［11］。

用非參數Mann-Kendall單調趨勢檢驗方法來檢驗年植被覆蓋度值在時間上變化趨勢的顯著性。

3 結果與分析

3.1 流域氣候變化特征

圖2是2000—2017年研究區典型氣象站氣溫與降水量變化過程。1961—2017年艾比湖流域主要氣象站數據資料顯示，阿拉山口、博樂、溫泉、精河年平均氣溫呈顯著增加趨勢（Z統計量值分別為3.75、5.86、3.61、4.77）。研究區降水也呈增加趨勢。阿拉山口、博樂、溫泉、精河年降水量分別呈顯著增加趨勢（Z統計量值分別為3.57、3.07、2.51、1.90）。

圖2 近18年艾比湖流域氣溫與降水變化Fig.2 Variation of temperatureand precipitation in Ebinur Lakebasin in recent 18 Years

雖然艾比湖流域降水呈增加趨勢，但由于氣溫升溫速率較快，蒸發增加的速率高于降水增加的速率，氣溫的增加強于降水，促使降水蒸散加劇，增加了氣候的干旱程度，氣候總體呈現干旱化的變化趨勢。

3.2 植被覆蓋度年際變化

艾比湖流域總體的植被覆蓋度在0.25～0.45之間波動（圖3），2002年植被覆蓋面積最大，2000年植被覆蓋面積最小，最高值出現在2002年，最低值出現在2000年。近18年艾比湖流域植被蓋度大體呈增長趨勢（圖3）。

圖3 植被覆蓋度指數年際變化Fig.3 Interannual variation of vegetation coverageindex

從2000—2017年植被覆蓋度的空間分布可以看出（圖4），近18年，艾比湖流域平均植被覆蓋度年均值多在0.25～0.45之間波動。艾比湖流域西部植被覆蓋度高、逐漸向東方向植被覆蓋度變低（圖4），這與艾比湖流域地區水熱條件分布基本一致，而在東部覆蓋度高是與艾比湖的存在有很大關系。從圖4中可以看出，2010年以后艾比湖流域的生態環境呈現轉好的跡象，植被覆蓋有明顯的改善，特別是艾比湖流域東部已出現不同程度的恢復。經過18年的變化，艾比湖流域四周植被覆蓋度有降低趨勢，周圍主要是山區，中部和東部植被覆蓋度有增加的趨勢；這些地區主要是人工綠洲，受人類活動影響較大，近些年人口增加，農田面積擴張，植被蓋度也相應增加。

圖4 研究區植被覆蓋變化Fig.4 Changesof vegetation cover in study area from 2000 to 2017

表1 氣候因子變化顯著性檢驗Table1 Significancetest of climatefactor change

3.3 植被覆蓋度與氣候、耕地面積變化的關聯性分析

從2000—2017年艾比湖流域植被蓋度、年均氣溫及年均降水間Pearson相關系數，結果發現植被覆蓋度與降水量間呈正相關，相關系數r=0.72（P＜0.05）；植被蓋度與氣溫呈負相關，相關系數r=0.58。這說明降水是影響植被覆蓋度的一個重要因子。

現將艾比湖流域近17年的植被覆蓋變化與阿拉山口、博樂、溫泉以及精河氣象站的降水數據進行擬合（圖5）得出：y=0.0011×x2-0.0327×x+0.613（R2=0.518，P＜0.05），對擬合函數進行求導：y'=0.0022×x-0.0327，令y'=0時，x=14.86；當月均降水量（mm）在區間［0，14.86］，植被蓋度隨降水量的增加而減少；當月均降水量在區間［14.86，23］時，植被蓋度隨月均降水量的增加而增加。

圖5 植被蓋度與降水關系Fig.5 Relationship between vegetation with timecoverageand precipitation

氣候是決定植被類型的主要因子，不同類型植被生長所需的水熱條件有著明顯的差異。艾比湖流域位于干旱、半干旱區，年均降水稀少，年內和年際分配不均，且蒸發旺盛。以艾比湖流域4個氣象站的月平均降水量數據來看，降水呈波動性變化，但主要可劃分為兩個時段：2000—2010年降水呈下降趨勢，2010—2017年降水呈增加趨勢（圖6）。隨著月降水量的增減變化，流域年均植被覆蓋度亦呈下降與上升趨勢，表現出隨著降水量的增減而同步變化（圖6）。在降水量少的年份（2000年、2006年、2008年、2014年）植被覆蓋度也低，流域西段、東北段區成為主要的植被覆蓋度降低顯著的區域。

圖6 植被覆蓋度與月降水量年際變化Fig.6 Vegetation coverageand monthly precipitation

根據1950—2009年的耕地數據，艾比湖流域的耕地面積不斷增加，且增速逐年增長，這與對應年份的植被覆蓋度指數的變化趨勢較為一致。該文得出近十幾年艾比湖流域中部和東部植被覆蓋度有增加的趨勢，這與孫麗等的研究指出艾比湖流域耕地面積變化中，2000年、2005年發生耕地面積的增加的主要區域和范圍較為一致。因此，流域植被覆蓋度與當地耕地面積之間關系較為密切。

4 討論

艾比湖流域植被覆蓋度總體上呈現四周高、中間低。位于艾比湖流域西部的溫泉縣、博樂市、托里縣西北部、精河縣南部、烏蘇市南部植被覆蓋度普遍較高，這些區域主要集中在博爾塔拉河、大河沿子河、精河、古爾圖河、四棵樹河、奎屯河、拉巴河及恰勒蓋河中上游；此外，第五師、第七師為人工農田，植被覆蓋度均較高。低值區主要分布在四棵樹河及奎屯河下游附近，即艾比湖流域中部。李瑞等［13］研究得出20世紀90年代新疆平均氣溫表現為升溫，認為氣候暖干化是當地湖泊萎縮的主要原因；朱小強等［14］對艾比湖濕地的研究中指出，當地越來越干旱是由于降水減少，蒸發快、風速大；而該文得出艾比河流域氣溫、降水均呈增加趨勢，但升溫速率高于降水增加的速率，這與李磊等［15］觀點一致，即艾比湖流域氣溫增加速度高于降水增加的速度，最終增加了氣候的干旱強度。

植被的對大氣下墊面溫度具有調節作用，植被退化使下墊面的“冷島效應”降低［17］，艾比湖流域年均氣溫由7.4℃（2000年）增加到7.9℃（2017），致使大氣飽和水汽壓隨溫度的升高而升高，大氣水分難以凝結（飽和水汽壓越大，水分越難凝結），空氣變干，土壤蒸發速率加快，從而使得在水汽含量有限的氣流經過是難以形成降水，而只有在空間水分含量充足時才形成降水，降低了降水在時間上的均勻分布，增加了降水的集中分布，也就是：相對于過去的綿綿細雨氣候，暴雨增多，這可能成為目前總降水量未減少反而增的主要原因之一。

另一方面，植被的退化，致使土壤蒸發速率加快，植物降水截留能力降低，地表徑流水分流失增加，減低了生態系統對大氣水分的補給，空氣變干。植被覆蓋度年際波動增強，表明在植被蓋度減低的前提下，植被對自然或認為干擾的抵抗力降低，生態系統更為敏感和脆弱。2000—2002年、2006年、2008年、2009年植被蓋度減低明顯，尤其是艾比湖流域的西段和東北段區域。因此，當艾比湖流植被達到嚴重退化程度時，即使有氣候條件的改善也將不會使流域植被恢復和生態改善，反而使氣候的變化成為生態進一步惡化的驅動因素。

耕地面積的增加加劇了對林草地的侵占，同時也增加了農業用水量。流域耕地大面積的擴張將擠占大量的林、草生態用水。近年來，雖然耕地實施了高新節水灌溉，而節約的水又被新增耕地占用，導致農業灌溉用水不但沒有減少，反而增加。據2015年的地區水利普查報告，流域內擁有機井數較20世紀80年代增加20余倍［18］，形成大規模的水資源過度開發導致地表水在上、中游被大量攔截，地下水過度開采，水資源供需水不平衡的問題長期無法解決遇到枯水年份，如1961—2017年艾比湖流域分別于1968年、1974年、1977年、1997年發生了重旱，流域氣候干旱化的演變趨勢給植被恢復帶來了不利條件。另一方面，該地區人口眾多，20世紀50—70年代人口急劇增長，年均人口增長率高達19.9%，1981—1990年人口年均增長率為1.38%［15］，人口的過快增長帶來需水量的增加，如在中游地區興修水利工程，引水灌溉使流域水體不斷減少。總水量一定，分給人工綠洲多了，天然綠洲必然會少［16］。

5 結論

（1）通過提取2000—2017年艾比湖流域植被覆蓋度，近18年艾比湖流域平均植被覆蓋年均值多在0.25～0.45之間波動，植被蓋度總體呈增長趨勢。艾比湖流域植被覆蓋度總體上呈現四周高、中間低的特征；流域西部植被覆蓋度高、逐漸向東方向植被覆蓋度變低。

（2）位于艾比湖流域西部的溫泉縣、博樂市、托里縣西北部、精河縣南部、烏蘇市南部植被覆蓋度普遍較高，這些區域主要集中在博爾塔拉河、大河沿子河、精河、古爾圖河、四棵樹河、奎屯河、拉巴河及恰勒蓋河中上游；東部覆蓋度高是與艾比湖的存在有很大關系；低值區主要分布在四棵樹河及奎屯河下游附近，即艾比湖流域中部。

（3）相對于過去的綿綿細雨氣候，目前暴雨增多，這成為目前總降水量未減少反而增的主要原因之一。但氣溫增加速度高于降水增加的速度，最終增加了氣候的干旱強度。

（4）2000—2017年艾比湖流域年均植被覆蓋度與當地降水呈同步性變化，兩者間具有正相關關系；同時，植被覆蓋度與當地耕地面積的變化在時間上均為增加趨勢。