薛文瑞，楊自輝，張 永，郭樹江，王強(qiáng)強(qiáng)，張劍揮

（1甘肅省武威市石羊河林業(yè)總場，甘肅民勤733300；2甘肅省治沙研究所/甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州 730070；3蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

0 引言

水是干旱地區(qū)植被生長的限制因子。由于干旱地區(qū)受水分的限制，生物過程微弱，所以生態(tài)系統(tǒng)脆弱[1-2]。干旱區(qū)荒漠綠洲植被生長的水分來源主要有大氣降水、高山冰雪融水、地下水和土壤水[3-5]。相關(guān)研究表明：地下水位較高的干旱地區(qū)由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，植被的生長主要依賴于地下水[6]。此外，降雨入滲形成的土壤水分對于淺根植被（草本植物）的生長尤為重要，土壤水分是聯(lián)系大氣降水、地表水和地下水的重要紐帶[7]。

針對地下水位的高低和降水量的大小對干旱區(qū)植被生長的直接或者間接作用，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究，并且提出地下水位的高低對于維持干旱區(qū)植被的生命過程，植被覆蓋具有舉足輕重的作用[8-10]。齊蕊等[11]分析了鄂爾多斯高原的地下水和干旱指數(shù)對植被覆蓋空間分布的影響，研究結(jié)果認(rèn)為：地下水位的下降會導(dǎo)致荒漠地區(qū)植被覆蓋的降低，并且認(rèn)為地下水埋深在小于3 m之內(nèi)，植被覆蓋達(dá)到最高；此外地下水埋深在7 m之內(nèi)對于植被生長影響最顯著。管子隆等[12]在分析青海格爾木河中游植被覆蓋與地下水關(guān)系認(rèn)為：地下水埋深在4 m之內(nèi)，植被覆蓋對于地下水的變化最敏感，此外，地下水埋深超過8 m，地下水對地表植被的水源補(bǔ)給不太顯著。楊自輝等[13-14]分析了民勤綠洲荒漠植被白刺(Nitraria tangutorumBobr)種群的生長過程中的地下水位臨界范圍為7 ～11 m，超過此臨界范圍，其他植被迅速退化，白刺種群擴(kuò)展，群落植被類型發(fā)生變化，植物種類減少。雖然地下水位高低是影響荒漠植物生長發(fā)育的主要因素之一，但當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵林参锖茈y利用時，降水就會成為植被生長的主導(dǎo)條件。對民勤荒漠植被的生長發(fā)育而言，降水存在一個臨界值，當(dāng)連續(xù)兩年降水量年均達(dá)140 mm以上時，對植被的生長有促進(jìn)作用。近年來民勤荒漠綠洲地下水位在23 m左右，植被已無法利用，多年平均降水量在118 mm，但降水量在逐年有增加趨勢，2018年降水量達(dá)180 mm，達(dá)到60年極值。通過以上分析認(rèn)為，研究地下水位下降、降水量增加對民勤荒漠植物生長發(fā)育的影響具有重要意義。

鑒于此，本研究利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)以及多年地下水位和降水量觀測數(shù)據(jù)，分析民勤綠洲荒漠植被覆蓋與地下水位和降水量的關(guān)系，探討植被對環(huán)境變化的響應(yīng)，為干旱區(qū)荒漠綠洲生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤荒漠綠洲位于甘肅省河西走廊石羊河下游。南部為祁連山，西部為巴丹吉林沙漠，北部和東部為騰格里沙漠。平均海拔在1400 m左右，氣候?yàn)榇箨懶愿珊瞪衬畾夂?，多年平均降水量?18 mm左右，年蒸發(fā)量2600 mm左右。綠洲天然植被主要有白刺、，檉柳(TamarixchinensisLour.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.Syst.Veg)等灌木和沙米[Agriophyllum squarrosum(Linn.)Moq]、鹽 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]。研究區(qū)根據(jù)地下水位觀測井結(jié)合綠洲荒漠植被和少量的人工固沙林來劃定，如圖1，灌區(qū)灌溉植被不在研究范圍。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)主要來自民勤縣以及周邊縣市氣象站實(shí)際觀測的月降水?dāng)?shù)據(jù)。時間跨度為1990—2018年。地下水埋深數(shù)據(jù)來自每月機(jī)井測量數(shù)據(jù)，本研究選擇2000、2005、2010、2015、2018年民勤綠洲地下水埋深數(shù)據(jù)，來反映民勤綠洲19年的地下水位變化。此外，利用1990—2018年長時間序列的民勤綠洲周邊的年降水?dāng)?shù)據(jù)，通過趨勢分析，來反映當(dāng)前以及未來的氣候變化背景。

通過LAADS DACC網(wǎng)站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)獲取了MOD13Q1的8—9月16天合成NDVI數(shù)據(jù)，通過投影轉(zhuǎn)換、最大值合成等處理，最終獲取了2000—2018年的年際尺度NDVI，目的是定量分析在氣候變化背景下，民勤綠洲植被覆蓋對降水變化的響應(yīng)程度以及變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 民勤綠洲地下水埋深時空變化

圖2是民勤綠洲2000、2005、2010、2015、2018年地下水位埋深狀況。從空間分布來看，綠洲的東南部地下水埋深最淺，北部次之，中部地下水位最深；地下水埋深的極大值出現(xiàn)在西部邊緣地區(qū)，極小值出現(xiàn)在東部和東南部邊緣地區(qū)。中部地區(qū)地下水位普遍較低，該地區(qū)是民勤綠洲的核心地帶，也是民勤縣人口和耕地的主要分布地區(qū)，生活用水和農(nóng)業(yè)用水量大，因此，民勤綠洲的地下水位總體呈現(xiàn)“漏斗”狀，受復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，地下水位在區(qū)域空間上高低分布相應(yīng)的比較復(fù)雜，相近的地方地下水位高低差別較大。

圖2 2000—2018年民勤綠洲地下水位變化

從時間變化來看地下水埋深，2000—2015年間，西部邊緣地區(qū)地下水埋深一直處于增加趨勢；中部地下水埋深在2000—2005年期間呈現(xiàn)增加趨勢，在2005—2018年呈現(xiàn)減少趨勢；西部區(qū)域?yàn)槭蚝影舜蠛又Я鞯奈鞔蠛雍蜄|大河，為金昌流域的昌寧和昌盛鄉(xiāng)，不屬于武威—民勤盆地綠洲；中部地下水位降幅變小，地下水位趨于穩(wěn)定，主要原因是石羊河流域治理規(guī)劃的實(shí)施，民勤縣從2005年之后關(guān)閉大量機(jī)井，防治地下水的過渡開采，外流域調(diào)水進(jìn)入民勤，促進(jìn)地下水位資源供需平衡。但是，東部及東南部區(qū)域地下水埋深小于4 m的范圍在2000—2010年期間逐漸減少，2015—2018年期間地下水位高于4 m的分布范圍基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 各年地下水埋深的面積變化

為了定量分析民勤綠洲地下水的各年面積變化趨勢，探究地下水在近些年生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策下的恢復(fù)情況，以2000年地下水埋深作為參考，將荒漠綠洲地下水埋深共分為6個等級，目的是反映淺層、中層和深層地下水埋深面積所占綠洲總面積的比例，以此來反映地下水的年際面積分布動態(tài)變化。這6個等級分別是：淺層：1 ～3、3 ～5 m；中層：5 ～10、10 ～15 m；深層：15 ～30 m和＞30 m。

根據(jù)圖3可以看出，1 ～3 m的地下水埋深年際波動變化較小，總體處于穩(wěn)定趨勢；3 ～5 m的地下水埋深總體波動幅度較大，從2000年的5.97%降至2018年的0.81%，但是2005—2018年分布面積略有下降，后期變化趨于穩(wěn)定；5 ～10 m的地下水埋深從2000—2018年一直處于減少趨勢，2000年面積占比為14.51%，2018年面積占比為11.38%，19年時間共下降3.13個百分點(diǎn)；10 ～15 m地下水埋深的面積比率總體處于下降趨勢，從2000年的20.09%降至2018年的13.95%，2010年以后面積減少幅度變小并且變化趨于穩(wěn)定；15 ～30 m范圍的地下水埋深總體處于上升趨勢，從2000年的58.1%增至2018年的68.4%，19年間共增加10.3個百分點(diǎn)，增加速度較快，其分布區(qū)域也進(jìn)一步擴(kuò)張。＞30 m的地下水埋深在監(jiān)測時間段內(nèi)總體處于緩慢增加趨勢，從2000年的0.51%增加到2018年的5.35%，19年增加了4.84個百分點(diǎn)。

圖3 不同地下水埋深年際面積占綠洲面積的百分率變化

不同等級的地下水埋深的面積占比。其中所占綠洲總面積比例最高的是地下水埋深在15 ～30 m的分布范圍，而且在不同監(jiān)測時間面積比例均在60%以上波動變化。此外，1 ～3 m和＞30 m的地下水埋深面積最小，并且面積比例分別在0.1% ～0.6%和0.5% ～5%之間波動變化。從這些結(jié)果可以看出，民勤綠洲大部分地區(qū)地下水埋深均在15 ～30 m之間，部分地區(qū)地下水埋深在10 ～15 m之間(13% ～20%)。

綜上所述，2000—2018年間，地下水位在3 m內(nèi)分布面積變化不大，3 ～15 m的地下水位的分布范圍在縮小，15 ～30 m及以上的地下水位分布面積在擴(kuò)大；2005—2018年間，地下水位在15 m以上的分布范圍趨于穩(wěn)定，15 m以下在擴(kuò)展。以上結(jié)果說明2005年國家開展石羊河流域綜合治理工程取得顯著成效，地下水位下降得到控制，但較深層地下水位（15 m以下）分布面積在增加，地下水位恢復(fù)并不樂觀。

2.3 不同地下水埋深對NDVI的影響

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可以反映一個地區(qū)植被覆蓋程度。植被覆蓋程度越高，NDVI的值也越接近1，為了探究在什么深度范圍的地下水對于植被生長或者植被覆蓋貢獻(xiàn)程度最大；通過獲取不同地下水埋深范圍對應(yīng)的NDVI的均值，反映不同監(jiān)測時間段內(nèi)NDVI的變化（圖4）。通過圖4發(fā)現(xiàn)，除了2005年，其他時期的NDVI均在地下水埋深1 ～3 m處達(dá)到最大值，并且在2000—2018年，該地下水范圍的NDVI值逐步增加，在2018年NDVI值變化和地下水埋深在5 m的范圍變化關(guān)系最密切，由于2018年全年降水量是有氣象記錄以來的最大值，這對NDVI有重要的影響，其他時間在1 ～10 m范圍內(nèi)，NDVI值隨著地下水埋深的增加逐步降低，但是在10 ～15 m增加，15 m之后處于減少趨勢，說明地下水埋深在10 m之內(nèi)，對于NDVI的值貢獻(xiàn)最大，可以認(rèn)為民勤綠洲植被生長的臨界地下水為在10 m以內(nèi)，地下水埋深＞10 m的年際變化對NDVI值沒有明顯的影響，與前人實(shí)測研究植被與地下水位相關(guān)性，得出的地下水位達(dá)到7.45 ～11.65 m范圍是民勤綠洲生態(tài)環(huán)境治理的主要目標(biāo)[13]相一致，采用歸一化植被指數(shù)和地下水位相關(guān)性方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了民勤生態(tài)環(huán)境治理中的生態(tài)地下水位范圍。這對民勤生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，采用增補(bǔ)生態(tài)用水措施，提升地下水位高度具有重要的理論價值。

圖4 2000—2018年不同地下水埋深NDVI的變化

民勤荒漠綠洲自然植被主要是白刺、沙拐棗(Calligonum mongolicumTurcz.)、沙蒿、檉柳以及一年生草本植物等，人工栽培植物主要是梭梭、沙棗(Elaeagnus angustifoliaLinn.)、檸 條 錦 雞 兒(Caragana korshinskiiKom.)等，不同植物需要地下水位高低不同，檉柳屬于利用地下水植物，地下水位在3 ～8 m時檉柳生長良好，低于該水位，退化死亡。梭梭根系發(fā)達(dá)，垂直根系可達(dá)10 m左右，地下水位在7 ～10 m梭梭生長良好，低于該地下水位，梭梭退化。白刺和沙拐棗在沙地中淺層根系特別發(fā)達(dá)，沙拐棗根系在沙層表面50 m分布廣泛，地下水位逐漸降低時，他們由依靠地下水逐漸演變?yōu)橐揽拷邓畞砩妗２荼局参镏饕媒邓?。根?jù)植物根系特性，地下水位在10 m內(nèi)對NDVI貢獻(xiàn)最大，進(jìn)一步說明10 m地下水位是民勤生態(tài)臨界地下水位。

2.4 研究區(qū)年降水變化趨勢

在全球氣候變化的背景下，自從20世紀(jì)80年代以來，中國西北地區(qū)的氣候表現(xiàn)為變暖和變濕的過程[15]。甘肅民勤作為中國西北生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)也是氣候變化的敏感地區(qū)，水是植被覆蓋和生長過程的限制因子，降水又是植被生長的重要水源之一；那么綠洲荒漠植被必然會對降水的變化產(chǎn)生明顯的響應(yīng)；為了更加準(zhǔn)確的表達(dá)在當(dāng)前氣候變化背景下甘肅民勤降水的變化特征，本研究選擇民勤周邊6個國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站的年降水?dāng)?shù)據(jù)。降水距平制圖見圖5。

圖5 民勤綠洲周邊氣象站年降水量距平和變化趨勢

根據(jù)圖5，在1990—2018年，涼州區(qū)氣象站年降水量變化趨勢不明顯外，其他5個氣象站年降水量均處于增加趨勢。其中，巴彥浩特年降水量增加速率為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年達(dá)到一個相對高值。巴丹吉林年降水量增加速率為6.4 mm/10 a，并且在2006年之后降水變化幅度較大；民勤年降水量平均增加速率為7.5 mm/10 a，2018年年降水量達(dá)到極值；永昌年降水量平均增加速率為13.1 mm/10 a；金川區(qū)年降水量增加速率為4.2 mm/10 a。綜上所述，民勤以及周邊氣象站降水大部分處于增加趨勢，在全球氣候變暖背景下，處于生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠區(qū)表現(xiàn)為暖濕化趨勢。

2.5 NDVI對年降水變化的響應(yīng)

根據(jù)以上分析，民勤綠洲正在經(jīng)歷著氣候的暖濕化過程；氣溫的增加有利于延長荒漠和綠洲植被的生長季；處于增加趨勢的降水可以改善植被覆蓋，促進(jìn)植被生長。為了定量分析植被覆蓋在年際尺度上對于降水的響應(yīng)特征，以及預(yù)測植被覆蓋的未來變化趨勢，研究使用2000年以來MODOIS-NDVI的16天合成數(shù)據(jù)，利用最大值合成方法獲得監(jiān)測時間內(nèi)年際尺度的NDVI，分析了其變化趨勢。制圖結(jié)果見圖6。

圖6 2000—2018年研究區(qū)NDVI的年際變化趨勢

根據(jù)圖6，研究區(qū)的NDVI在2000—2018年呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，并且平均增加速率為0.02/10 a,并且通過了顯著性檢驗(yàn)(P＜0.01)。說明隨著降水的增加，NDVI也表現(xiàn)為顯著的增加趨勢，植被覆蓋總體向好的趨勢發(fā)展。筆者選取了降水處于增加趨勢且距離研究區(qū)最近的民勤站數(shù)據(jù)，通過對比降水和NDVI的年際變化幅度可以發(fā)現(xiàn)：在降水處于較高的年份時，對應(yīng)的年NDVI也處于較高值，說明在大部分年份年降水和年NDVI的變化幅度相關(guān)性基本一致；同時，年內(nèi)降水多發(fā)生在秋季，降水對植被生長的響應(yīng)有一個滯后現(xiàn)象，據(jù)前人研究，民勤荒漠綠洲區(qū)，當(dāng)年降水對小灌木和草本的生長具有影響，但對較大的灌木的影響出現(xiàn)在第二年，只有連續(xù)兩年的降水量在140 mm以上，對植被生長有一個大的促進(jìn)作用[14]。根據(jù)研究結(jié)果，在當(dāng)前氣候變化背景下，民勤綠洲植被覆蓋會逐步改善，對于后期開展生態(tài)環(huán)境治理提供了一個良好的氣候環(huán)境。

根據(jù)荒漠區(qū)植物生長特性，民勤地區(qū)植物有淺根性和深根性之分，隨著地下水位的逐年下降，靠地下水生長的一些植物逐漸衰退死亡（檉柳、沙棗等），一些植物逐步演變成靠降雨生長（白刺、沙拐棗等），還有部分植物依靠兩者生長（梭梭等），當(dāng)?shù)叵滤幌陆档?0 m以內(nèi)，地下水位對植物的貢獻(xiàn)最大，但地下水位下降到10 m以下時，降雨量對植被覆蓋貢獻(xiàn)率最大，介于10 m左右的地下水位，地下水和降雨對植被覆蓋的貢獻(xiàn)，根據(jù)植物特性而定，深根性植物覆蓋受地下水位影響較大，淺根系植物的覆蓋受降雨量大小的影響較大。

3 結(jié)論

民勤綠洲地下水位呈現(xiàn)“漏斗”狀，綠洲內(nèi)部地下水埋深最大，綠洲外圍地下水埋深較小；石羊河流域綜合治理工程實(shí)施，地下水位在15 m以上的分布范圍趨于穩(wěn)定，15 m以下在擴(kuò)展，石羊河流域綜合治理工程取得顯著成效，地下水位下降得到控制，但較深層地下水位（15 m以下）分布面積在增加，地下水位恢復(fù)任重道遠(yuǎn)。

在民勤綠洲荒漠非灌溉區(qū)域，地下水位高，NDVI高，NDVI在地下水位1 ～3 m時最大，10 m達(dá)到最小，10 ～15 m逐漸提高，10 ～30 m逐漸下降。

10 m以內(nèi)的地下水對植被覆蓋影響最顯著，并且隨著深度增加，植被覆蓋進(jìn)一步降低，10 m的地下水位是民勤綠洲植被生長的生態(tài)地下水臨界值；

民勤以及周邊降水量大部分處于增加趨勢，在全球氣候變暖背景下，處于生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠區(qū)表現(xiàn)為暖濕化趨勢。

民勤荒漠綠洲NDVI值和年降水量變化趨勢保持一致，均呈現(xiàn)逐年上升趨勢，在全球氣候變化的背景下，民勤綠洲降水量的逐漸增加對植被的恢復(fù)具有一定作用。