郝新忠,石長(zhǎng)春*,高振梁,張瑞麗,高 榮,張繼平,馬雅莉,喬一娜

(1.陜西省林業(yè)科學(xué)院,陜西 西安 710000;2.陜西榆林毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,陜西 榆林 719000)

荒漠化是指原本有土地覆蓋的干旱、亞干旱地區(qū)或半干旱地區(qū),由于氣候變化、人類活動(dòng)等多種因素的影響,導(dǎo)致土地逐漸失去植被、水源和肥力,變得貧瘠、干燥、裸露甚至沙漠化的過(guò)程。荒漠化是一種嚴(yán)重的土地退化現(xiàn)象,會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)很大的影響[1-2]。我國(guó)面積廣袤,西北地區(qū)受到來(lái)自大陸氣候的影響,加上海拔較高,多種地理、氣候因素影響,土地荒漠化問(wèn)題仍然較為嚴(yán)重。這種嚴(yán)重荒漠化也導(dǎo)致西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受?chē)?yán)重破壞,制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,當(dāng)?shù)卣词乖O(shè)法采取措施發(fā)展經(jīng)濟(jì)也會(huì)受到環(huán)境影響,導(dǎo)致當(dāng)?shù)匕l(fā)展舉步維艱[3-5]。

針對(duì)西北地區(qū)較為嚴(yán)重的荒漠化問(wèn)題,有許多研究學(xué)者進(jìn)行了研究分析,并且通過(guò)研究確定治理荒漠化的策略。馬靜利等[6]探索氣象因素與荒漠化地區(qū)的空氣污染之間的關(guān)系,確定不同季節(jié)、環(huán)境、氣候等因素對(duì)荒漠化地區(qū)空氣污染的影響,并且制定能夠緩解污染的策略,確定初步研究成果。羅曉玲等[7]通過(guò)資料分析,確定近60 a來(lái),西北地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴的演變特征和該區(qū)域受到氣象因子影響的情況,研究結(jié)果顯示該區(qū)域的沙塵暴變化呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢(shì),并且確定大氣環(huán)流是導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生沙塵暴的最主要因素,該研究結(jié)果也為該區(qū)域未來(lái)沙塵暴治理提供方向。大多數(shù)學(xué)者近年對(duì)于荒漠化區(qū)域的研究都集中在中國(guó)北部的草原區(qū)域與西北干旱區(qū)域的綠洲,但是對(duì)于西北傳統(tǒng)荒漠化區(qū)域的研究較少,西北地區(qū)荒漠化問(wèn)題已經(jīng)有幾百年歷史,具有較為重要的研究意義?；哪拍钕嚓P(guān)研究過(guò)程中,西北地區(qū)作為面積較廣闊且荒漠化問(wèn)題較突出的區(qū)域,是研究荒漠化內(nèi)在機(jī)理最為主要的地區(qū),對(duì)該地區(qū)展開(kāi)深入研究,能夠獲得荒漠化主要機(jī)理問(wèn)題[8-11]。目前相關(guān)研究成果主要集中在內(nèi)蒙古區(qū)域、青藏高原區(qū)域等,草地荒漠化研究成果比較充分,水資源的影響因素也分析較為充分,但是對(duì)于西北荒漠化問(wèn)題還存在欠缺,不能針對(duì)具體情況制定詳細(xì)治理措施[12]。

所研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱,氣象因子變化多種多樣,為此,研究氣象因子變化特征對(duì)典型地區(qū)荒漠化的影響,獲得較為有指導(dǎo)意義的指標(biāo)數(shù)據(jù)。在研究區(qū)域布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)遙感設(shè)備以及水分含量監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取植被變化、土壤變化以及氣象信息,使得研究更為準(zhǔn)確。歸一化植被指數(shù),并結(jié)合趨勢(shì)分析法和Mann-Kendall法進(jìn)行分析。通過(guò)了解氣象因子變化特征對(duì)荒漠化的影響,為荒漠化的預(yù)防、監(jiān)測(cè)和治理提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)氣候變化和荒漠化的關(guān)聯(lián)研究,有助于制定合理的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

所研究的典型地區(qū)是毛烏素沙地東南部榆林市西北部的沙質(zhì)荒漠化土地,地理坐標(biāo)為38°N,109°E,海拔900～1 200 m。該地區(qū)包含7個(gè)縣(區(qū)),分別為定邊、靖邊、橫山、神木、府谷、佳縣和榆陽(yáng),這些縣(區(qū))又包含99個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),該地區(qū)在植物地理學(xué)范疇中屬于重要分界線,在地域?qū)用嫔暇哂幸欢í?dú)特性和代表性。從榆林氣象局收集該區(qū)域近10 a來(lái)的氣象數(shù)據(jù),綜合該地區(qū)的地理地貌,確定該地區(qū)的氣候特征,該地區(qū)劃分為溫帶和暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,各個(gè)季節(jié)的氣候特征都較為明顯,白晝與夜晚的溫差較大,全年中只存在較短時(shí)間的無(wú)霜期,氣象數(shù)據(jù)顯示,全年平均溫度約為10 ℃,年降水量400 mm。幾乎每年的各個(gè)季節(jié)都會(huì)出現(xiàn)不同類型、不同程度的氣象災(zāi)害,據(jù)統(tǒng)計(jì),冰雹、霜凍、干旱等氣象災(zāi)害出現(xiàn)頻率較高,這些自然災(zāi)害對(duì)于當(dāng)?shù)丨h(huán)境、生態(tài)健康、荒漠化發(fā)展均造成嚴(yán)重影響。該地區(qū)存在不同土壤類型,風(fēng)沙土47.73萬(wàn)hm2,占土壤面積的71.8%,黃土性土壤12.55萬(wàn) hm2,占土壤面積的18.9%。該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)由多種類型組成,除荒漠以外,還存在較大面積的農(nóng)田、草原等結(jié)構(gòu),以及大量適應(yīng)荒漠環(huán)境的植被,特色植物包括沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙竹(Psammochloavillosa)與苦豆子(Sophoraalopecuroides)等[13]。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本研究主要探究氣象因子變化特征對(duì)典型地區(qū)荒漠化的影響,所以需要布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)該地區(qū)的氣象情況、植被情況以及水分情況。使用地理信息系統(tǒng)技術(shù),結(jié)合衛(wèi)星,幫助確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。這些技術(shù)可以提供空間分布信息和輔助工具,從而更有效地布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)代表相應(yīng)的地域單元,以確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和代表性。為此,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的植被測(cè)點(diǎn)、土壤測(cè)點(diǎn)和氣象測(cè)點(diǎn)樣本分別為8、5個(gè)和9個(gè)。各測(cè)點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖1。

通過(guò)圖1中各個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得研究區(qū)域的植被變化信息、土壤變化信息以及氣象信息。將該信息作為分析氣象因子變化特征對(duì)典型地區(qū)荒漠化的影響的重要支撐數(shù)據(jù)。植被測(cè)點(diǎn)主要使用遙感設(shè)備拍攝圖像,遙感設(shè)備型號(hào)為S3小型機(jī)載多光譜成像儀,具有1 200萬(wàn)像素,圖像分辨率為12 MegaPixel(4 000×3 000 px),其光譜通道為紅+綠+近紅外-660/550/850 nm。收集植被的蓋度、高度、生物量等情況,每年5-9月為數(shù)據(jù)采集時(shí)間,由于植物生長(zhǎng)周期較長(zhǎng),需要長(zhǎng)時(shí)間才能觀測(cè)植被的詳細(xì)變化,因此監(jiān)測(cè)頻次設(shè)置為5 a/次[14-16]。土壤監(jiān)測(cè)主要獲取研究區(qū)域的土壤水分、土壤覆蓋等信息,監(jiān)測(cè)過(guò)程中會(huì)使用遙感設(shè)備與其他水分含量監(jiān)測(cè)設(shè)備,水分含量監(jiān)測(cè)設(shè)備的型號(hào)為T(mén)DR 3 000電阻式土壤水分傳感器,測(cè)量范圍為0%～100%(體積含水量),分辨率為0.1%。因?yàn)橥寥浪肿兓瘯?huì)受到植被生長(zhǎng)影響,所以采集頻次和時(shí)間與植被監(jiān)測(cè)一致。氣象監(jiān)測(cè)需要監(jiān)測(cè)有關(guān)研究區(qū)域的詳細(xì)氣象因子變化特征,包括平均氣溫與風(fēng)速、水分蒸發(fā)量、降水量以及出現(xiàn)大風(fēng)天氣的日數(shù)[17-18],該氣象數(shù)據(jù)由各個(gè)氣象站獲得。

1.3 氣象因子變化特征對(duì)荒漠化影響測(cè)算

對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯,實(shí)現(xiàn)氣象因子變化特征對(duì)荒漠化影響測(cè)算。這些特征包括植被蓋度、土壤含水量、地表溫度、高程等。這些特征的提取可以通過(guò)遙感指數(shù)計(jì)算?；哪O(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)是植被覆蓋指數(shù)(vegetation index,VI),該指數(shù)計(jì)算使用波段間比值運(yùn)算提取植被,紅外波段反射率NIR與紅光波段反射率RED均為重要參數(shù)。歸一化植被覆蓋度指數(shù)(normalized differ ence vfgetation index,NDVI,式中用NDVI表示)是計(jì)算區(qū)域干旱情況、植被生長(zhǎng)情況的關(guān)鍵指標(biāo),NDVI的計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

氣象因子變化特征也是影響NDVI的關(guān)鍵,氣象因子變化特征對(duì)NDVI的影響程度如式(2)所示。

(2)

式(1)的詳細(xì)原理如下:

使用遙感設(shè)備獲得研究區(qū)域變化情況,遙感圖像中包含多個(gè)像元,將這些像元作為混合像元,像元信息使用式(3)描述。

S=S1+S2

(3)

式中:S代表研究區(qū)域整個(gè)遙感圖像上的像元信息;S1與S2分別代表土壤與植被像元信息。在全部像元中,由植被覆蓋所占比例就是研究區(qū)域中的植被覆蓋率;土壤的覆蓋率則是全部像元“1”,減去植被面積。假如存在一個(gè)純像元,植被或者土壤的貢獻(xiàn)就是這個(gè)純像元的信息。

S1=(1-Fv)Ssoil

(4)

S2=Fv·Sveg

(5)

S=(1-Fv)Ssoil+Fv·Sveg

(6)

式中:Sveg與Ssoil分別代表植被覆蓋像元與土壤覆蓋像元;Fv用于描述植被覆蓋度。

通過(guò)像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度,使用式(6)推導(dǎo)。假設(shè)植被和土壤2個(gè)部分提供一像元NDVI值,純植被和純土壤的像元NDVI值分別表示為NDVIveg和NDVIsoil,受到氣象因子特征變化產(chǎn)生的植被覆蓋度計(jì)算如式(7)所示。

(7)

通過(guò)遙感圖像與實(shí)際采集相關(guān)數(shù)據(jù),確定研究區(qū)域中植被覆蓋與土壤覆蓋面積,由此確定荒漠化變化面積。

1.4 氣象因子變化特征顯著性檢驗(yàn)

使用趨勢(shì)分析法與Mann-Kendall方法,確定多年來(lái)研究區(qū)域中氣溫、降水、蒸發(fā)量等氣象因子變化特征對(duì)典型區(qū)域荒漠化的影響。趨勢(shì)分析法下,各個(gè)氣象因子變化特征的變化趨勢(shì)如式(8)所示。

(8)

式中:使用Kslope描述各個(gè)氣象因子變化特征的變化趨勢(shì)斜率,i表示各個(gè)年份;Yi表示第i年的氣象因子特征(降水、蒸發(fā)量、風(fēng)速等)變化。根據(jù)式(8)計(jì)算出的變化趨勢(shì)斜率開(kāi)展顯著性檢驗(yàn),n表示樣本量。

使用Mann-Kendall方法分析氣象因子突變檢驗(yàn),假設(shè)存在n個(gè)樣本量的時(shí)間序列Y,Sk是依據(jù)該序列建立的秩序列。

(9)

式中:rij表示時(shí)間序列起始點(diǎn)。

假設(shè)時(shí)間序列為隨機(jī)獨(dú)立狀態(tài),使用式(10)描述統(tǒng)計(jì)量。

(10)

式中:k=2,3,…,n。UF1為0時(shí),UFk屬于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,同時(shí)依據(jù)時(shí)間序列計(jì)算獲得的統(tǒng)計(jì)量序列。依據(jù)時(shí)間序列逆序,重復(fù)計(jì)算過(guò)程,設(shè)定UBk-UFk,同時(shí)繪制這一關(guān)系曲線,如果UBk、UFk其中之一的值不低于0,說(shuō)明序列呈現(xiàn)出上升趨勢(shì);如果其中任意一個(gè)值<0證明序列呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。提前設(shè)定一個(gè)顯著性水平a,對(duì)照正態(tài)分布表,如果|UFk|>Ua,證明存在顯著序列變化趨勢(shì);如果UBk與UFk曲線相交,交點(diǎn)位于臨界線上,該交點(diǎn)相對(duì)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子年均值分析

使用監(jiān)測(cè)設(shè)備與遙感設(shè)備獲得研究區(qū)域8個(gè)植被測(cè)點(diǎn)和9個(gè)氣象因子測(cè)點(diǎn)的植被生長(zhǎng)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵氣象因子。統(tǒng)計(jì)榆林沙區(qū)近10 a的關(guān)鍵氣象因子和植被蓋度年均值,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 近10 a關(guān)鍵氣象因子和植被蓋度年均值變化Table 1 Annual mean changes in key meteorological factors and vegetation coverage in the past 10 years

由表1可看出,除2020年和2021年氣象因素不太理想以外,研究區(qū)域近5 a的降水量明顯高于前5 a降水量,蒸發(fā)量與平均氣溫均有所降低,自2016年以后8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)、浮塵日數(shù)、揚(yáng)塵日數(shù)、沙塵暴日數(shù)相較于2016以前明顯減少,說(shuō)明近5 a來(lái),研究區(qū)域的氣象因子變化特征發(fā)生明顯變化,這些變化有利于植被生長(zhǎng)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),不同年份之間的蒸發(fā)量存在一定的波動(dòng)和變化,2017-2019年,蒸發(fā)量相對(duì)較低,說(shuō)明種植植物可以引起蒸發(fā)量的波動(dòng)和變化。經(jīng)過(guò)環(huán)境治理后,作物可以降低地表蒸發(fā),為土壤中的植物留下更多水分,使該地區(qū)氣象因子呈現(xiàn)出良性發(fā)展的趨勢(shì)。通過(guò)觀察這些數(shù)據(jù),可以看出不同年份和樣地之間的植被蓋度存在一定的波動(dòng)和變化。

為反映氣象因子變化對(duì)荒漠化的影響,引入spearman相關(guān)系數(shù),當(dāng)Spearman相關(guān)系數(shù)為正時(shí),表明2個(gè)變量呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)Spearman相關(guān)系數(shù)為負(fù)時(shí),表明兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其計(jì)算公式為

(11)

式中:ρ表示Spearman相關(guān)系數(shù);di表示每對(duì)數(shù)據(jù)觀測(cè)的等級(jí)差;N表示樣本數(shù)量。

根據(jù)式(11)計(jì)算,ρ=0.91,說(shuō)明降水量與植被覆蓋率變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性較強(qiáng)。降水量增加,植被覆蓋率增加。

2.2 氣象因子變化特征對(duì)荒漠化影響

在不同年份獲取研究區(qū)域的5個(gè)土壤測(cè)點(diǎn)和9個(gè)氣象因子測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。以此得到植被覆蓋面積、土壤面積以及荒漠化面積變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同年期氣象因子及荒漠化面積變化Fig.2 Changes of meteorological factors and desertification area in different years

對(duì)降水量和荒漠化面積進(jìn)行相關(guān)性分析,通過(guò)計(jì)算得到ρ=-0.82,表明降水量和荒漠化面積呈負(fù)相關(guān),降水量增加,荒漠化面積減少。結(jié)合圖2可知,近10a監(jiān)測(cè)點(diǎn)的研究區(qū)域降水量整體增加,植2004年研究區(qū)域的沙漠化情況與2021年研究區(qū)域遙感影像與解譯統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

被面積逐年增加,荒漠化面積逐年降低,說(shuō)明國(guó)家投入大量精力、人力,治理毛烏素沙地東南部榆林市西北部的沙質(zhì)荒漠化問(wèn)題,取得一定成績(jī)。

由圖3可知,該研究區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在治理前荒漠化較為嚴(yán)重,治理后植物蓋度顯著上升,氣象因子中的年蒸發(fā)量與土地荒漠化關(guān)聯(lián)最緊密。通過(guò)計(jì)算NDVI發(fā)現(xiàn),近幾年的氣象因子變化特征發(fā)生明顯變化,經(jīng)過(guò)環(huán)境治理,植被留下更多水分,使該地區(qū)氣象因子呈現(xiàn)出良性發(fā)展,蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì),這意味著樣地水分供應(yīng)相對(duì)充足,有利于植物的生長(zhǎng)。且沙塵大風(fēng)天氣減少,使得荒漠化面積減小。氣象因子與當(dāng)?shù)刂脖蛔兓⑼寥篮砍尸F(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,典型地區(qū)的土地荒漠化問(wèn)題得到良好治理,綠洲面積顯著提升。這些變化不僅改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,還為可持續(xù)發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。然而,還需要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)評(píng)估治理效果的持久性和可持續(xù)性,并繼續(xù)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)保護(hù)和管理該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。

3 結(jié)論與討論

荒漠化區(qū)域的監(jiān)測(cè)與治理是目前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中不可忽視的部分,也是高效分析荒漠化成因的關(guān)鍵切入點(diǎn)?；哪年P(guān)鍵因素是植被破壞,而植被生長(zhǎng)受到各種氣象因子變化特征的影響,為此,研究氣象因子變化特征對(duì)典型地區(qū)環(huán)境荒漠化的影響。分析氣象因子年均值、植被情況年均值和氣象因子變化特征對(duì)荒漠化影響效果,以毛烏素沙地東南部榆林市西北部的沙質(zhì)荒漠化土地作為研究地,布置植被測(cè)點(diǎn)、土壤測(cè)點(diǎn)和氣象測(cè)點(diǎn),通過(guò)計(jì)算植被覆蓋指數(shù)測(cè)算氣象因子變化特征對(duì)荒漠化影響,并采用趨勢(shì)分析法與Mann-Kendall方法對(duì)氣象因子變化特征進(jìn)行檢驗(yàn)。

研究區(qū)域近5 a的降水量呈增加趨勢(shì)、蒸發(fā)量逐年減少、平均氣溫和風(fēng)速均有所降低,8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)、浮塵日數(shù)、揚(yáng)沙日數(shù)、沙塵暴日數(shù)逐年減少,氣象因子變化特征明顯,有利于植物的生長(zhǎng)。

通過(guò)提高植物覆蓋率可以有效降低地表蒸發(fā)量,保留土壤中的水分,降低土壤的荒漠化水平,使該地區(qū)土壤呈良性發(fā)展趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)治理后的土地沙漠化水平得到明顯改善,降水量整體增加,蒸發(fā)量逐漸降低,植被面積逐年增加,有效降低了沙塵大風(fēng)天氣的發(fā)生頻率,提升了綠洲面積,為可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

由此可知,近年來(lái)研究區(qū)域降水量上升、蒸發(fā)量變少,出現(xiàn)大風(fēng)的天數(shù)也有所減少,沙塵出現(xiàn)時(shí)間也縮短,這種氣象因子變化特征有利于植被生長(zhǎng),使得植被蓋度顯著上升,降低土地荒漠化的擴(kuò)展面積,有效抑制荒漠化發(fā)展。