民勤荒漠绿洲植被覆盖对地下水和降水变化的响应

2022-04-15薛文瑞杨自辉郭树江王强强张剑挥

中国农学通报 2022年8期

薛文瑞，杨自辉，张永，郭树江，王强强，张剑挥

（1甘肃省武威市石羊河林业总场，甘肃民勤733300；2甘肃省治沙研究所/甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，兰州 730070；3兰州大学资源环境学院，兰州 730000）

0 引言

水是干旱地区植被生长的限制因子。由于干旱地区受水分的限制，生物过程微弱，所以生态系统脆弱[1-2]。干旱区荒漠绿洲植被生长的水分来源主要有大气降水、高山冰雪融水、地下水和土壤水[3-5]。相关研究表明：地下水位较高的干旱地区由于降水稀少，蒸发强烈，植被的生长主要依赖于地下水[6]。此外，降雨入渗形成的土壤水分对于浅根植被（草本植物）的生长尤为重要，土壤水分是联系大气降水、地表水和地下水的重要纽带[7]。

针对地下水位的高低和降水量的大小对干旱区植被生长的直接或者间接作用，相关学者开展了大量研究，并且提出地下水位的高低对于维持干旱区植被的生命过程，植被覆盖具有举足轻重的作用[8-10]。齐蕊等[11]分析了鄂尔多斯高原的地下水和干旱指数对植被覆盖空间分布的影响，研究结果认为：地下水位的下降会导致荒漠地区植被覆盖的降低，并且认为地下水埋深在小于3 m之内，植被覆盖达到最高；此外地下水埋深在7 m之内对于植被生长影响最显著。管子隆等[12]在分析青海格尔木河中游植被覆盖与地下水关系认为：地下水埋深在4 m之内，植被覆盖对于地下水的变化最敏感，此外，地下水埋深超过8 m，地下水对地表植被的水源补给不太显著。杨自辉等[13-14]分析了民勤绿洲荒漠植被白刺(Nitraria tangutorumBobr)种群的生长过程中的地下水位临界范围为7 ～11 m，超过此临界范围，其他植被迅速退化，白刺种群扩展，群落植被类型发生变化，植物种类减少。虽然地下水位高低是影响荒漠植物生长发育的主要因素之一，但当地下水位下降至植物很难利用时，降水就会成为植被生长的主导条件。对民勤荒漠植被的生长发育而言，降水存在一个临界值，当连续两年降水量年均达140 mm以上时，对植被的生长有促进作用。近年来民勤荒漠绿洲地下水位在23 m左右，植被已无法利用，多年平均降水量在118 mm，但降水量在逐年有增加趋势，2018年降水量达180 mm，达到60年极值。通过以上分析认为，研究地下水位下降、降水量增加对民勤荒漠植物生长发育的影响具有重要意义。

鉴于此，本研究利用MODIS-NDVI数据以及多年地下水位和降水量观测数据，分析民勤绿洲荒漠植被覆盖与地下水位和降水量的关系，探讨植被对环境变化的响应，为干旱区荒漠绿洲生态治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

民勤荒漠绿洲位于甘肃省河西走廊石羊河下游。南部为祁连山，西部为巴丹吉林沙漠，北部和东部为腾格里沙漠。平均海拔在1400 m左右，气候为大陆性干旱沙漠气候，多年平均降水量在118 mm左右，年蒸发量2600 mm左右。绿洲天然植被主要有白刺、，柽柳(TamarixchinensisLour.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.Syst.Veg)等灌木和沙米[Agriophyllum squarrosum(Linn.)Moq]、盐生草(Halogeton glomeratus)等一年生草本植物以及少量的人工灌木林梭梭[Haloxylon ammodendron(C.A.Mey.)Bunge]。研究区根据地下水位观测井结合绿洲荒漠植被和少量的人工固沙林来划定，如图1，灌区灌溉植被不在研究范围。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

气象数据主要来自民勤县以及周边县市气象站实际观测的月降水数据。时间跨度为1990—2018年。地下水埋深数据来自每月机井测量数据，本研究选择2000、2005、2010、2015、2018年民勤绿洲地下水埋深数据，来反映民勤绿洲19年的地下水位变化。此外，利用1990—2018年长时间序列的民勤绿洲周边的年降水数据，通过趋势分析，来反映当前以及未来的气候变化背景。

通过LAADS DACC网站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)获取了MOD13Q1的8—9月16天合成NDVI数据，通过投影转换、最大值合成等处理，最终获取了2000—2018年的年际尺度NDVI，目的是定量分析在气候变化背景下，民勤绿洲植被覆盖对降水变化的响应程度以及变化趋势。

2 结果与分析

2.1 民勤绿洲地下水埋深时空变化

图2是民勤绿洲2000、2005、2010、2015、2018年地下水位埋深状况。从空间分布来看，绿洲的东南部地下水埋深最浅，北部次之，中部地下水位最深；地下水埋深的极大值出现在西部边缘地区，极小值出现在东部和东南部边缘地区。中部地区地下水位普遍较低，该地区是民勤绿洲的核心地带，也是民勤县人口和耕地的主要分布地区，生活用水和农业用水量大，因此，民勤绿洲的地下水位总体呈现“漏斗”状，受复杂的地质结构影响，地下水位在区域空间上高低分布相应的比较复杂，相近的地方地下水位高低差别较大。

图2 2000—2018年民勤绿洲地下水位变化

从时间变化来看地下水埋深，2000—2015年间，西部边缘地区地下水埋深一直处于增加趋势；中部地下水埋深在2000—2005年期间呈现增加趋势，在2005—2018年呈现减少趋势；西部区域为石羊河八大河支流的西大河和东大河，为金昌流域的昌宁和昌盛乡，不属于武威—民勤盆地绿洲；中部地下水位降幅变小，地下水位趋于稳定，主要原因是石羊河流域治理规划的实施，民勤县从2005年之后关闭大量机井，防治地下水的过渡开采，外流域调水进入民勤，促进地下水位资源供需平衡。但是，东部及东南部区域地下水埋深小于4 m的范围在2000—2010年期间逐渐减少，2015—2018年期间地下水位高于4 m的分布范围基本保持稳定状态。

2.2 各年地下水埋深的面积变化

为了定量分析民勤绿洲地下水的各年面积变化趋势，探究地下水在近些年生态环境保护政策下的恢复情况，以2000年地下水埋深作为参考，将荒漠绿洲地下水埋深共分为6个等级，目的是反映浅层、中层和深层地下水埋深面积所占绿洲总面积的比例，以此来反映地下水的年际面积分布动态变化。这6个等级分别是：浅层：1 ～3、3 ～5 m；中层：5 ～10、10 ～15 m；深层：15 ～30 m和＞30 m。

根据图3可以看出，1 ～3 m的地下水埋深年际波动变化较小，总体处于稳定趋势；3 ～5 m的地下水埋深总体波动幅度较大，从2000年的5.97%降至2018年的0.81%，但是2005—2018年分布面积略有下降，后期变化趋于稳定；5 ～10 m的地下水埋深从2000—2018年一直处于减少趋势，2000年面积占比为14.51%，2018年面积占比为11.38%，19年时间共下降3.13个百分点；10 ～15 m地下水埋深的面积比率总体处于下降趋势，从2000年的20.09%降至2018年的13.95%，2010年以后面积减少幅度变小并且变化趋于稳定；15 ～30 m范围的地下水埋深总体处于上升趋势，从2000年的58.1%增至2018年的68.4%，19年间共增加10.3个百分点，增加速度较快，其分布区域也进一步扩张。＞30 m的地下水埋深在监测时间段内总体处于缓慢增加趋势，从2000年的0.51%增加到2018年的5.35%，19年增加了4.84个百分点。

图3 不同地下水埋深年际面积占绿洲面积的百分率变化

不同等级的地下水埋深的面积占比。其中所占绿洲总面积比例最高的是地下水埋深在15 ～30 m的分布范围，而且在不同监测时间面积比例均在60%以上波动变化。此外，1 ～3 m和＞30 m的地下水埋深面积最小，并且面积比例分别在0.1% ～0.6%和0.5% ～5%之间波动变化。从这些结果可以看出，民勤绿洲大部分地区地下水埋深均在15 ～30 m之间，部分地区地下水埋深在10 ～15 m之间(13% ～20%)。

综上所述，2000—2018年间，地下水位在3 m内分布面积变化不大，3 ～15 m的地下水位的分布范围在缩小，15 ～30 m及以上的地下水位分布面积在扩大；2005—2018年间，地下水位在15 m以上的分布范围趋于稳定，15 m以下在扩展。以上结果说明2005年国家开展石羊河流域综合治理工程取得显著成效，地下水位下降得到控制，但较深层地下水位（15 m以下）分布面积在增加，地下水位恢复并不乐观。

2.3 不同地下水埋深对NDVI的影响

归一化植被指数(NDVI)可以反映一个地区植被覆盖程度。植被覆盖程度越高，NDVI的值也越接近1，为了探究在什么深度范围的地下水对于植被生长或者植被覆盖贡献程度最大；通过获取不同地下水埋深范围对应的NDVI的均值，反映不同监测时间段内NDVI的变化（图4）。通过图4发现，除了2005年，其他时期的NDVI均在地下水埋深1 ～3 m处达到最大值，并且在2000—2018年，该地下水范围的NDVI值逐步增加，在2018年NDVI值变化和地下水埋深在5 m的范围变化关系最密切，由于2018年全年降水量是有气象记录以来的最大值，这对NDVI有重要的影响，其他时间在1 ～10 m范围内，NDVI值随着地下水埋深的增加逐步降低，但是在10 ～15 m增加，15 m之后处于减少趋势，说明地下水埋深在10 m之内，对于NDVI的值贡献最大，可以认为民勤绿洲植被生长的临界地下水为在10 m以内，地下水埋深＞10 m的年际变化对NDVI值没有明显的影响，与前人实测研究植被与地下水位相关性，得出的地下水位达到7.45 ～11.65 m范围是民勤绿洲生态环境治理的主要目标[13]相一致，采用归一化植被指数和地下水位相关性方法，进一步验证了民勤生态环境治理中的生态地下水位范围。这对民勤生态环境建设中，采用增补生态用水措施，提升地下水位高度具有重要的理论价值。

图4 2000—2018年不同地下水埋深NDVI的变化

民勤荒漠绿洲自然植被主要是白刺、沙拐枣(Calligonum mongolicumTurcz.)、沙蒿、柽柳以及一年生草本植物等，人工栽培植物主要是梭梭、沙枣(Elaeagnus angustifoliaLinn.)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskiiKom.)等，不同植物需要地下水位高低不同，柽柳属于利用地下水植物，地下水位在3 ～8 m时柽柳生长良好，低于该水位，退化死亡。梭梭根系发达，垂直根系可达10 m左右，地下水位在7 ～10 m梭梭生长良好，低于该地下水位，梭梭退化。白刺和沙拐枣在沙地中浅层根系特别发达，沙拐枣根系在沙层表面50 m分布广泛，地下水位逐渐降低时，他们由依靠地下水逐渐演变为依靠降水来生存。草本植物主要利用降水生存。根据植物根系特性，地下水位在10 m内对NDVI贡献最大，进一步说明10 m地下水位是民勤生态临界地下水位。

2.4 研究区年降水变化趋势

在全球气候变化的背景下，自从20世纪80年代以来，中国西北地区的气候表现为变暖和变湿的过程[15]。甘肃民勤作为中国西北生态环境脆弱区也是气候变化的敏感地区，水是植被覆盖和生长过程的限制因子，降水又是植被生长的重要水源之一；那么绿洲荒漠植被必然会对降水的变化产生明显的响应；为了更加准确的表达在当前气候变化背景下甘肃民勤降水的变化特征，本研究选择民勤周边6个国家标准气象站的年降水数据。降水距平制图见图5。

图5 民勤绿洲周边气象站年降水量距平和变化趋势

根据图5，在1990—2018年，凉州区气象站年降水量变化趋势不明显外，其他5个气象站年降水量均处于增加趋势。其中，巴彦浩特年降水量增加速率为7.3 mm/10 a，并且在2011年之后，年降水量大部分年份均高于2000—2018年平均降水量，并且在2018年达到一个相对高值。巴丹吉林年降水量增加速率为6.4 mm/10 a，并且在2006年之后降水变化幅度较大；民勤年降水量平均增加速率为7.5 mm/10 a，2018年年降水量达到极值；永昌年降水量平均增加速率为13.1 mm/10 a；金川区年降水量增加速率为4.2 mm/10 a。综上所述，民勤以及周边气象站降水大部分处于增加趋势，在全球气候变暖背景下，处于生态环境脆弱的荒漠区表现为暖湿化趋势。

2.5 NDVI对年降水变化的响应

根据以上分析，民勤绿洲正在经历着气候的暖湿化过程；气温的增加有利于延长荒漠和绿洲植被的生长季；处于增加趋势的降水可以改善植被覆盖，促进植被生长。为了定量分析植被覆盖在年际尺度上对于降水的响应特征，以及预测植被覆盖的未来变化趋势，研究使用2000年以来MODOIS-NDVI的16天合成数据，利用最大值合成方法获得监测时间内年际尺度的NDVI，分析了其变化趋势。制图结果见图6。

图6 2000—2018年研究区NDVI的年际变化趋势

根据图6，研究区的NDVI在2000—2018年呈现明显的上升趋势，并且平均增加速率为0.02/10 a,并且通过了显著性检验(P＜0.01)。说明随着降水的增加，NDVI也表现为显著的增加趋势，植被覆盖总体向好的趋势发展。笔者选取了降水处于增加趋势且距离研究区最近的民勤站数据，通过对比降水和NDVI的年际变化幅度可以发现：在降水处于较高的年份时，对应的年NDVI也处于较高值，说明在大部分年份年降水和年NDVI的变化幅度相关性基本一致；同时，年内降水多发生在秋季，降水对植被生长的响应有一个滞后现象，据前人研究，民勤荒漠绿洲区，当年降水对小灌木和草本的生长具有影响，但对较大的灌木的影响出现在第二年，只有连续两年的降水量在140 mm以上，对植被生长有一个大的促进作用[14]。根据研究结果，在当前气候变化背景下，民勤绿洲植被覆盖会逐步改善，对于后期开展生态环境治理提供了一个良好的气候环境。

根据荒漠区植物生长特性，民勤地区植物有浅根性和深根性之分，随着地下水位的逐年下降，靠地下水生长的一些植物逐渐衰退死亡（柽柳、沙枣等），一些植物逐步演变成靠降雨生长（白刺、沙拐枣等），还有部分植物依靠两者生长（梭梭等），当地下水位下降到10 m以内，地下水位对植物的贡献最大，但地下水位下降到10 m以下时，降雨量对植被覆盖贡献率最大，介于10 m左右的地下水位，地下水和降雨对植被覆盖的贡献，根据植物特性而定，深根性植物覆盖受地下水位影响较大，浅根系植物的覆盖受降雨量大小的影响较大。