近50a毛乌素沙地植被覆盖变化及其原因分析

近50a毛乌素沙地植被覆盖变化及其原因分析

全球气候变化已成为人类面临的几个主要挑战之一，包括影响人类活动的各个方面，包括是否对生态系统产生严重影响。气候变化不可避免,所以社会和个体都必须积极适应这种变化,避免其产生的负面影响,或利用其带来的有利影响。适应气候变化是一个长期的过程,需要社会和个体调整他们的行为方式,以适应气候变化带来的影响。位于我国北中部半干旱、干旱地带的毛乌素沙地是一个脆弱的自然-经济-社会复合生态系统。由于地处农牧交错带,毛乌素沙地的土地经营及利用模式涉及农业生产和畜牧业生产等多种方式,其形成、动态与自然环境及人类社会的变化有着千丝万缕的联系。历史已多次证明,在这一地区若出现连续几年的少雨干旱,自然植被中某些种群就会衰退,植被覆盖率将下降。而在人为干预下,只要破坏地表植被,如开垦、超载放牧等,必然加剧土地的沙化。本文在定量分析内蒙古境内毛乌素沙地气温和水分资源各分量时空变化的基础上,结合TM影像和中巴资源卫星影像,从气候变化和群落水分收支平衡的角度,对毛乌素沙地近20a的植被覆盖变化及其原因进行分析,揭示毛乌素气候变化与沙地植被群落水分收支平衡状况与植被覆盖变化间的内在关系,对合理利用沙地资源、改善沙区自然环境具有重要意义,并为该区域的可持续发展及管理提供科学依据。1数据来源和方法1.1影像解译与分析所用的气候数据为内蒙古气象局资料中心提供的1961—2007年毛乌素沙地6个气象台站(乌审召、乌审旗、河南乡、鄂托克旗、鄂托克前旗和伊金霍洛旗)月平均气温(T)和月降水量(P)资料。利用1988-09-12TM影像、2002-08-29TM影像和2008-05-30中巴资源卫星影像为基本数据影像,参照1∶25万地形图对影像做几何校正,误差控制在2个像元以内。利用PCI8.2、ERDAS8.7软件对3期影像进行人机交互解译,解译地面信息基础为2008年7—8月详细的地面样方调查,确保2008年影像中每一种色彩的斑块都与实际植被类型一一匹配。解译完成后,又进行了实测验证,准确率达到了90%。在此基础上,对1988和2002年影像进行分析和解译。在Arc/Info9.2完成3期植被图,并进行叠加分析。1.2样品的蒸散计算文中采取高桥公式,估算了毛乌素沙地的陆面蒸发(E),并对水资源各分量(P,E,P-E)时空变化的特征进行讨论,其相关计算公式为:Δw=P−E(1)E=3100P3100+1.8P2e(−34.4T235+T)(2)Δw=Ρ-E(1)E=3100Ρ3100+1.8Ρ2e(-34.4Τ235+Τ)(2)其中:Δw为可利用降水量(mm),P为月降水总量(mm),T为月平均温度(℃),E为利用月降水和平均气温所计算的月地面实际蒸散量(mm)。该方案克服了在低温下无法计算以及陆面蒸发会大于降水的缺点,已在文献中进行过验证,证明不失为当前计算蒸散的一个较好方法。气候要素在近50a(1961—2007年)的变化速率由线性趋势法得到,它实际上是用最小二乘法计算气候要素和时间的线性回归系数,正(负)值表示增加(减小)趋势。趋势的信度及突变点检验采用非参数Mann-Kendall方法,该方法广泛应用于时间序列趋势的非参数检验。对于各气候要素,距平是1961—2007年的平均值,并做了标准化处理。采用土柱称重法对群落蒸散量进行测定。根据群落结构的特点,分成两种计算方式:①乔木林、灌木林的蒸腾、蒸散量,采用“群落蒸散各种群蒸腾棵间蒸散”模式计算;②草本植物建群的群落作物株高的蒸散直接采用土柱称重测得的蒸散值。水分收支平衡采用张新时1994年提出的水分收支平衡公式:P+RI+GW+ST≥TR+EV+PC+ROΡ+RΙ+GW+SΤ≥ΤR+EV+ΡC+RΟ其中:RI为地表与地下径流补充水,GW为潜水供应,ST为沙层持水,TR为植物蒸腾耗水,EV为地表蒸发耗水,PC为沙地深层渗透水,RO为通过地表与地下径流流出水。在实验地内,由于地形较平坦,沙土易渗水,土壤表面不易形成径流(RI、RO=0),考虑到地表蒸发耗水(实验证明,土表的蒸散值不能忽略,尤其在降雨量较大的时期),渗入深层的水与潜水补给相抵(PC=GW),沙层持水ST来自降水,可以不计。因此,上面的水分收支平衡公式可简化为:P≥TR+EVΡ≥ΤR+EV2结果与分析2.1毛乌素沙地年平均气温特征毛乌素沙地1961—2007年年平均气温为7.15℃,并且以0.33℃/10a的变化率呈极显著增加趋势(相关系数r=0.713,假设检验p<0.001),但是与内蒙古全区(变化率0.37℃/10a)和所处的鄂尔多斯高原(变化率0.43℃/10a)增温强度相比,其变暖程度并不是很剧烈。全区域年均温变化趋势的范围为0.16～0.50℃/10a。年平均气温升高的程度呈现出西北部最强、东南部最弱的趋势。除河南、乌审召镇2个地区的升温幅度低于全国的增温幅度(0.30℃/10a)外,其余66.7%的站点均高于全国的增温幅度,其中乌审旗、鄂托克旗2个区域的增温趋势最强,平均增温幅度为0.50和0.47℃/10a。累积距平是一种较常用的判断变化趋势的方法,通过对累积距平曲线的观察,可以划分变化的阶段性。从图2可以看出,近50a来年平均气温的变化具有阶段性,大体经历了2个变化阶段:第一阶段1961—1986年年均温以负距平为主,年均温呈减少趋势,最大负距平出现在1984年;第二阶段1987—2007年年均温以正距平为主,年均温呈增加趋势,气温最高的几年均出现在20世纪90年代后,最大正距平出现在1998年,其次出现在2006年和1999年。根据Mann-Kendall突变检验分析方法,可初步确定出现交叉点的时间是区域气候变量序列发生突变的时间。利用该方法对毛乌素沙地年平均气温的突变特征进行了检验,给定显著性水平u0.05=±1.645,u0.01=±2.326(图3)。可以看出,近50a来,毛乌素沙地年均温序列在1993年发生了突变,从突变年开始,年均温增加趋势开始非常明显,通过了99%的显著性检验。2.2毛乌素沙地水资源资源分区从1961—2007年毛乌素沙地年平均P、E、Δw的变化率(表1)可见,P、E、Δw均呈现出逐年减少的趋势。虽然近50a毛乌素沙地E呈现出减少的趋势,但是P减少的趋势较E明显,即P的年递减速率比E的年递减速率高近17倍。因此,随着毛乌素沙地P以-8.92mm/10a的速率减少,仍然导致Δw以-9.34mm/10a的高速率逐年减少。但是无论是全区域还是分地区的P、E和Δw,其变化率均未通过0.05的信度检验(r0.05=0.288),表明从1961—2007年毛乌素沙地水分资源各分量变化不明显。从空间尺度来看,毛乌素沙地可利用降水资源区域分布不均,P、E和Δw呈现出相同的分布规律,即东南部P和Δw多、E强,西北部相反(表2)。其中伊金霍洛旗和乌审旗形成了全区的可利用降水资源的高值区,多年年均P分别为344.01mm和338.42mm,Δw多年均值达88.62mm和87.68mm。从1961—2007年毛乌素沙地年平均P、E和Δw的距平、累积距平及线性趋势(图4)可见,近50a间水分资源各分量的变化可归纳为3个阶段:(1)1961—1978年间,水资源各分量的年际变化幅度很大,近50a中,P、E和Δw各量最大正、负距平的年份都出现在这个阶段;(2)1979—2000年,P呈现逐年减少的趋势,较第一阶段年际间变化幅度减小、持续时间更长,E和Δw也表现为相同的趋势;(3)2001—2007年,P、E和Δw都呈现增加—降低—增加的趋势,所不同的是P、E增加持续时间长于Δw,在2004年后呈下降趋势,而Δw在2002年就开始出现减少趋势。2007年,P、E和Δw都略有回升。但E增加的幅度较P更明显,Δw增加趋势缓慢。由P、E和Δw的距平序列Mann-Kendall突变检验分析可以看出,近50a间,在0.01的显著水平下正、反序列曲线出现多次交叉,可确定该区域1961—2007年P、E、Δw序列发生了多次的突变,表明各分量增多或减少呈现出波动性,但各种变化趋势都没有通过显著性检验。2.3气候变化对毛乌素沙地植被覆盖的影响2.3.1毛乌素沙地主要植物群落类型与蒸散量的关系利用TM影像和中巴资源卫星影像获得的地理信息,得到毛乌素沙地1988、2002和2008年植被图,以此来反映研究区沙地植被3个时期的空间格局。毛乌素沙地主要群落类型为固定沙地小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyliaLam.)群落、固定沙地沙蒿(Artemisiaordosica)群落、半固定沙地沙柳(Salixpseilophila)群落、半固定沙地沙蒿群落、低湿地群落、流动沙地以及人工植被(林地和农田)。作者所在课题组于2004年、2005年对毛乌素沙地主要植物群落类型及其棵间7、8月份的蒸散量进行了测定,根据前面介绍的水分收支平衡公式,得出研究区主要群落类型7、8月份的水分收支平衡状况(表3)。可以看出:固定沙地沙蒿群落、半固定沙柳群落在7、8两个月份是处于亏损状态的,而流动沙地、半固定沙地沙蒿群落、固定沙地小叶锦鸡儿群落、低湿地植被这4个类型是处于盈余状态,并存在着半固定沙地沙柳灌丛>固定沙地沙蒿群落>半固定沙地沙蒿群落>低湿地>固定沙地小叶锦鸡儿>流动沙地。此外,大量的研究表明,研究区农田类型的蒸散量非常大,群落的水分平衡处于巨额亏损状态。2.3.2水分平衡亏缺群落类型的转出和分配通过叠加分析,建立了毛乌素沙地20a间植被的转移概率矩阵。矩阵元素表示一种植被类型转移到另一类植被类型的面积比例,由此可以直观地看出各类植被动态变化趋向与变化幅度。1988—2002年间,T呈显著增加的趋势(p<0.01),而同期的P和Δw恰好呈现出逐年减少的趋势,尤其是Δw较1961—1978年的年均88.16mm下降到年均61.42mm。因此,从表4可以看出,为适应这种气候变化,毛乌素沙地植被群落组成在这15a当中发生了剧烈的变化。较1988年,固定沙地沙蒿群落的保有率仅为7.2%,主要转出方向为半固定沙蒿群落,转出率达65.4%,表明逐年减少的Δw不足以维持水分亏缺类型固定沙地沙蒿群落生长,导致部分沙蒿植株个体的死亡,植被类型向着耗水量较少的水分盈余型半固定沙蒿群落转变,发生了严重的固定沙地逆向变化为半固定沙地的现象。而半固定沙地沙蒿群落的保留率较大,为73.6%,主要转出方向为人工植被(主要成为农田)、低湿地,转出率分别为9.7%、5.5%。尤其值得关注的是严重的水分亏缺群落类型——半固定沙地沙柳群落的消失,主要被耗水量较少些的固定沙地和水分盈余型半固定沙地沙蒿群落取代。作为水分亏缺型的农田,主要转入方向为固定和半固定沙地沙蒿群落和固定沙地小叶锦鸡儿群落,表明在该阶段,存在着较为严重的开垦固定、半固定沙地为农田的人为因素;而其主要转出方向为流动沙地,表明农田在退耕后,还林还草政策没有得到积极落实。综上,1998—2002年间,毛乌素沙地植被群落组成随着T的增加、P和Δw的逐年减少,水分平衡亏缺群落类型固定沙地沙蒿群落、半固定沙柳群落面积都在减小,且减小的面积较大。表明该区域植被格局适应气候变化向着植被耗水量减少的方向发展。大部分水分平衡盈余的植被生态类型,如流动沙地、半固定沙地沙蒿群落、低湿地植被的面积都有所增加。依前所述,2002—2007年毛乌素沙地气温继续呈逐年升温的趋势,P、E和Δw呈现出波动的形式,但是Δw年均为68.2mm,较1988—2002年有所增加。从表5可以看出,2002—2008年毛乌素沙地植被类型发生了较大变化,固定沙地沙蒿群落向半固定沙蒿群落的逆转程度下降,其转化率仅为6.7%。这一趋势表明Δw的增加使固定沙地沙蒿群落植株个体死亡率降低,并且也导致了50.6%的水分盈余型半固定沙地沙蒿群落向水分亏缺型固定沙地沙蒿群落的自然转化。但是,该时段Δw也并不是很充沛,因此,高水分亏缺型的半固定沙地沙柳群落有58.5%转化为固定沙地沙蒿群落,16.3%转化为半固定沙蒿群落。固定沙地小叶锦鸡儿保有率较上一时段显著提高,但是其主要转出方向为人工植被,转出率为72.0%,表明开垦固定沙地为农田的行为较上一时段加剧。水体面积明显减少,由上一时段的3.8%保有率下降为0.5%。湖泊面积减小的趋势,主要还是人为的原因,主要来自人类对地下水的抽取,用于农业、牧业人工牧场的灌溉。流动沙地的保有率为16.8%,有20.6%被固定沙地沙蒿群落固定,28.2%被半固定沙地沙蒿群落固定,23.8%开垦成为农田。这种变化说明6a中当地飞播造林、人工种植等生态建设措施取得了显著的成效,流动沙地得到了很大程度的治理。但是流动沙地作为一种高水分盈余型的群落类型,这种变化产生的生态后果是整个生态系统耗水量的增加。3水分收放平衡是毛乌素沙地最大、最重要的生态学过程(1)1981—2007年,毛乌素沙地年平均气温以0.033℃/a的变化率呈极显著增加趋势;水资源各分量均呈现出逐年减少的趋势,但是其变化率均未通过0.05的信度检验。(2)1988—2002年,在温度显著增加、P和Δw逐年减少的气候条件下,毛乌素沙地植被覆盖表现出:水分收支平衡亏缺的植被类型即固定沙地沙蒿、半固定沙地沙柳面积减少,而水分收支平衡盈余的植被类型半固定沙地沙蒿群落面积呈增加的趋势;(3)2002—2008年间在温度继续增温、P和Δw虽有波动但有所增加的气候条件下,沙地植被覆盖呈现的总体趋势与上一时段相反。近20a间,毛乌素沙地植被覆盖变化的原因既有气候变化的驱动,主要体现在固定沙地沙蒿群落、半固定沙地沙蒿群落和半固定沙地沙柳群落之间的转化;同时也反映出人类活动的影响,如固定沙地小叶锦鸡儿、水体和农