引用本文
赵军, 马小平, 魏伟. 近50年黑河流域潜在植被的演替及生态环境变化研究. 23(5): 61-68
ZHAO Jun, MA Xiao-ping, WEI Wei. Vegetation succession and ecological changes in the Heihe River watershed over the past 50 years. Acta Prataculturae Sinica, 23(5): 61-68  
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近50年黑河流域潜在植被的演替及生态环境变化研究
赵军*, 马小平, 魏伟
西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070
*通讯作者。

作者简介:赵军(1963-),男,山西河津人,教授,博士。E-mail:zhaojun@nwnu.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目“中国潜在草原格局演替及其对气候变化响应的GIS模拟”(40961206)资助
摘要

本研究以综合顺序分类法(IOCSG)为基本理论方法,在GIS的支持下,利用黑河流域14个气象站点1961-2010年间50年的气候数据模拟出黑河流域潜在植被的演替过程,在此基础上耦合植被对气候变化的动态响应,分析不同气候条件下黑河流域潜在生态环境的变化。结果表明:1)黑河流域潜在植被类型在逐渐减少,到c时期(1991-2010)时仅有11种植被类型,并且在空间分布上差异性很大,下游额济纳旗地区植被类型非常单一。2)黑河中上游气候暖湿化,潜在植被向暖湿的植被类型发展,但变暖的速度大于变湿的速度,使植被类型不断退化;而下游额济纳旗地区,气候逐渐暖干化,潜在植被向暖干的植被类型发展,荒漠化较为严重。3)随着气候的变化,全流域植被类型逐渐减少,潜在生态环境逐渐恶化,近年来下游额济纳旗地区植被生态环境的严重恶化是气候变化和人为因素共同导致的结果。

关键词: 黑河流域; 潜在植被; 演替; 潜在生态环境变化; 气候变化
中图分类号:S181.6 文献标志码:A 文章编号:1004-5759(2014)05-0061-08
Vegetation succession and ecological changes in the Heihe River watershed over the past 50 years
ZHAO Jun, MA Xiao-ping, WEI Wei
College of Geographical and Environment Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
Abstract

Potential vegetation succession processes in the Heihe River watershed were simulated over a 50 year period from 1961 to 2010 using integrated sequence classification. The simulation was supported by GIS information and climate data from 14 weather stations covering this time period. Linking the dynamic response of vegetation to climate change was achieved by analyzing the potential ecological environment changes in the Heihe River watershed under different climate conditions. The results show that: 1) Potential vegetation types gradually reduced in the Heihe River watershed with only 11 types remaining by the 1991 to 2010 period, and with significant differences in spatial distribution. 2) In the upper and middle reaches of the Heihe River watershed the climate is predicted to become wetter and warmer and the potential vegetation influence indicates a change toward warm and wet adapted species but with a more rapid change to warm than wet adapted species. In contrast, the climate becomes drier and warmer with a corresponding change in the potential vegetation type to warm and dry in the downstream mesozoic-cenozoic region, aggravating desertification. 3) As the climate changes, vegetation types gradually reduce in the entire drainage basin and the potential ecological damage increases. Climate change and human factors have resulted in serious deterioration of the ecological environment in downstream mesozoic-cenozoic areas.

Keyword: Heihe River watershed; potential vegetation; succession; the change of potential ecological environment; climate change

潜在植被是一种与所处立地达到平衡的演替终态, 反映的是在无人类干扰的情况下, 立地所能发育形成的最稳定最成熟的一种顶级植被类型, 是一个区域现状植被的发展趋势[1]。潜在植被的研究能够反映气候条件对植被形态变化的影响, 是植被-环境分类与关系研究的起点, 也是全球变化与陆地生态系统研究的关键[2]。因此, 深入分析潜在植被的演替变化, 探讨气候变化条件下潜在生态环境的变化机制无论是在保护生态环境, 减缓生态破坏, 还是在预测未来气候对生态环境的影响等方面都有着重要的意义。近年来, 国内外专家对潜在植被的研究广泛而深入, Brzeziecki等[3]选取气候、地形和土壤等因素, 建立了植物群落与选择因子的概率模型, 应用GIS技术模拟了瑞士山区71种森林群落的地理分布; Guisan等[4]利用年平均温度与山地植物的线性关系模拟了瑞士Valais地区的高山植物空间分布; Dymond和Johnson[5]在加拿大Kananaskie河流域利用土壤水分、温度和太阳辐射模拟了植被的空间格局; 我国学者张秀英和赵传燕[6]选取对潜在生态环境影响较大的指标构建数学生态环境模型, 利用主成分分析方法对陇中黄土高原潜在生态环境进行评价; 赵茂盛等[7]应用改进的MAPSS模型模拟了中国当前气候状况下潜在植被类型及叶面积指数的分布; 任继周等[8]应用综合顺序分类法分析了1950-2000年和2001-2050年期间的草原类型演替及碳汇动态与全球气候变化之间的响应关系; 赵传燕等[9]通过野外观测取样, 结合气温降水的空间分布, 对黄土高原祖厉河流域内的潜在草地植被分布进行了模拟, 李飞等[10]以综合顺序分类法(IOCSG)为潜在植被评定模型, 在GIS研究方法的支持下, 对西北干旱区潜在植被进行了模拟, 并对其动态变化进行了分析。目前, 大多数研究成果都是围绕潜在植被的空间分布和演替特征展开的[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23], 而从潜在植被入手, 进一步定量研究潜在生态环境变化特征的研究尚不多见。因此本文想从潜在植被的演替变化入手, 深入总结研究潜在生态环境的变化方向和强度。

黑河流域是我国西北干旱地区一个典型的内陆河流域, 流域内景观类型多样, 各种自然资源较为丰富。同时, 由于流域深处亚欧大陆腹地, 降水相对较少, 温度较高, 气候干旱, 加之近几十年来人类活动对流域内有限水资源的过度开采利用等, 使得流域内许多自然植被生态环境恶化、生态系统十分脆弱和不稳定。因此, 对流域内潜在生态环境变化方向和强度机理的研究及分析是为流域内的生态恢复和重建提供科学依据的迫切需要。本文应用时间较长的气象站点数据, 通过模拟流域内潜在植被演替变化的过程, 对流域内植被生态环境的变化进行定量的评价分析, 研究气候变化条件下潜在生态环境变化的方向和强度, 以便为黑河流域生态治理提供决策支持。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

黑河流域是我国西北干旱地区第二大内陆河流域, 位于河西走廊中部, 大致介于97° 00'~102° 00' E, 37° 30'~43° 00' N之间, 干流全长821 km, 跨越了青海、甘肃、内蒙古三个省区, 流域面积约为14.29万 km2(图1)。是甘蒙西部最大的内陆河流域, 由于流域地处亚欧大陆腹地, 远离海洋, 降水少, 蒸发量大, 太阳辐射强烈, 气候干燥, 昼夜温差较大, 为典型的大陆性气候。上游祁连山区的冰雪-森林带是全流域水资源的发源和涵养区, 中游张掖绿洲是西北干旱区最大的连片人工绿洲, 下游主要以荒漠为主, 其额济纳旗绿洲是遏制巴丹吉林沙漠西移和南迁, 减缓沙尘暴的重要生态屏障。

图1 黑河流域示意图Fig.1 Schematic diagram of Heihe River watershed

1.2 数据来源与处理

本研究采用的气候数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do), 从该网站提供的黑河流域周边17个气象台站中, 选取14个气象台站(梧桐沟、金塔、吉诃德3个站点的数据不全)1961-2010年间50年的降水数据和温度数据, 分析潜在植被的演替变化过程; 数字高程模型(DEM)采用国际科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn/)发布的30 m分辨率的DEM数据。分别求得每个气象台站的年降水数据和> 0℃的年积温数据(∑ θ ), 以15年, 15年, 20年为时间周期, 将数据分成a、b、c三个时间段[10], 在ArcGIS中用克里格插值(kriging)方法对研究区的降水数据进行空间插值; 再用分区DEM修正的反距离加权插值(IDW)方法对研究区> 0℃年积温数据进行空间插值, 最终得到年降水量、年积温的空间栅格数据; 最后, 采用综合顺序分类法(IOCSG)的湿润度模型, 利用栅格数据运算得到研究区的湿润度数据(K)。对> 0℃年积温和湿润度数据分别进行分级, 通过地理信息系统(GIS)的空间叠置分析得到a、b、c三个时期黑河流域潜在植被的类型分布及演替变化过程图(图2)。

图2 黑河流域潜在植被分布及演替变化图Fig.2 Distribution and succession of potential vegetation in Heihe River watershed

1.3 潜在植被的评定模型

本文所运用的模型是任继周、胡自治、牟新待等提出的气候-土地-植物综合顺序分类法, 简称综合顺序分类法, 此理论唯物的承认气候、土地、植物在构成草地这一土地-生物资源中的作用, 认识及处理气候、土地和植物等因素在草原分类中的顺序关系, 并按其稳定程度顺序地安排它们在一定的级别中作为分类指标。在具体的划分中, 首先以量化的生物气候指标— — > 0℃年积温数据(∑ θ )和湿润度数据(K)为依据, 根据热量带与湿润度所构成的二维分类结构图进行类的划分[2, 11, 12]。

K=R/0.1∑ θ

式中, K为湿润度, R为年降水量; ∑ θ 为> 0℃年积温; 0.1为模型调整系数。

1.4 潜在生态环境的评价方法

采用ArcGIS软件中的Data management Tools下的Features To Point工具计算出各个潜在植被类型在3个时期(a、b、c)的重心分布图(图3, 图4), 进而分析阐述重心的迁移变化。

图3 黑河流域潜在植被面积变化Fig.3 The area of potential vegetation change in Heihe River watershed

图4 黑河流域潜在植被类型重心分布箭头方向表示植被重心迁移方向Fig.4 The gravity center of potential vegetation types in Heihe River watershed

生态系统的脆弱性是一个自然的或社会的系统遭受来自气候变化持续危害的范围或程度, 是系统状况的综合表现之一, 具有一定的模糊性[13]。因此为了研究潜在生态环境的变化, 本文根据潜在植被的分布特征将植被类型划分为4大类:即Ⅱ F为森林; Ⅰ D、Ⅰ E、Ⅰ F、Ⅱ C、Ⅱ D、Ⅱ E、Ⅲ C为草原草甸; Ⅱ B、Ⅲ B、Ⅳ B为半荒漠; Ⅳ A、Ⅲ A为荒漠, 并定义植被从荒漠向森林方向的演替变化为正向变化, 反之为负向变化, 以潜在植被的演替方向和演替次数定义植被分布对气候变化的适应性, 以潜在植被演替变化的面积大小和强度定义植被分布对气候变化的敏感性, 分析气候变化对植被生态环境的影响, 进而定量研究黑河流域潜在生态环境的变化。

2 结果与分析
2.1 潜在植被的分布格局

依据IOCSG植被评定模型, 划分出黑河流域的潜在植被类型在a时期(1961-1976)为13种类型, b时期(1976-1990)为12种类型, c时期(1991-2010)为11种类型(图2)。从整体上看, 黑河流域植被分布比较单一, 大的景观类型主要以半荒漠和荒漠为主(图2)。并且不同区域潜在植被类型分布差异较大, 从空间分布上看, 黑河流域潜在植被的分布表现出明显的纬度地带性特征和干湿度地带性特征。下游额济纳旗地区深居内陆腹地, 是典型的大陆性气候, 具有降水少、蒸发强烈, 温差大, 风大沙多, 日照时间长等特点, 其潜在植被的类型比较单一, 主要以温暖极干暖温带荒漠(Ⅳ A)和微温极干温带荒漠(Ⅲ A)为主, 还有极少的暖温干旱暖温带半荒漠类型(Ⅳ B); 中游河西走廊平原区, 光热资源较为丰富, 温度较高, 降水量相对较少而蒸发强烈, 其潜在植被的类型主要以微温干旱温带半荒漠(Ⅲ B)为主; 上游南部祁连山区, 其降水较多, 温度较低, 陆面蒸发蒸腾量很大, 气候较为湿润, 分布有寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类(Ⅰ F), 寒温干旱山地半荒漠类(Ⅱ B), 寒温微干山地草原类(Ⅱ C), 寒温微润山地草甸草原类(Ⅱ D), 寒温湿润山地草甸类(Ⅱ E), 寒温潮湿寒湿性针叶林类(Ⅱ F), 微温微干温带典型草原(Ⅲ C)等类型, 其潜在植被类型较为丰富, 植被生态系统较为复杂。

2.2 潜在植被的演替变化特征

从3个时期潜在植被分布及演替的情况来看(图2), 黑河流域潜在植被类型逐渐减少, 植被生态系统稳定性在减弱, 整体上, 流域内的潜在植被大致按以下方向演替变化:Ⅰ D→ Ⅰ E→ Ⅰ F→ Ⅱ B→ Ⅱ C→ Ⅱ D→ Ⅱ E→ Ⅱ F→ Ⅲ A→ Ⅲ B→ Ⅲ C→ Ⅳ A→ Ⅳ B, 即朝着暖湿的植被类型方向演替发展。这与黑河流域气候逐渐变暖变湿的趋势是相同的[14, 15, 16]。但是下游额济纳旗地区气温逐年升高, 蒸发量增大, 而降水量逐年减少, 使微温干旱温带半荒漠类(Ⅲ B)逐渐向微温极干温带荒漠类(Ⅲ A)和温暖极干暖温带荒漠类(Ⅳ A)演替, 使其荒漠类植被Ⅲ A和Ⅳ A的面积总体增大, 分别从a时期(1961-1975)的89961.2 km2增加到b时期(1976-1990)的91313.3 km2再到c时期(1991-2010)的93009.2 km2, 说明下游额济纳旗地区朝着暖干的植被类型方向演替发展, 荒漠化加剧。

a时期(1961-1975)有13种潜在植被类型(Ⅰ D、Ⅰ E、Ⅰ F、Ⅱ B、Ⅱ C、Ⅱ D、Ⅱ E、Ⅱ F、Ⅲ A、Ⅲ B、Ⅲ C、Ⅳ A、Ⅳ B)。从a时期(1961-1975)到b时期(1976-1991)的演替变化过程中, 寒冷微润少雨冻原、高山草甸草原类潜在植被(Ⅰ D)消失, 被演替变化为寒冷湿润冻原、高山草甸类(Ⅰ E), 剩下12种潜在植被类型(Ⅰ E、Ⅰ F、Ⅱ B、Ⅱ C、Ⅱ D、Ⅱ E、Ⅱ F、Ⅲ A、Ⅲ B、Ⅲ C、Ⅳ A、Ⅳ B), 而寒冷湿润冻原、高山草甸类(Ⅰ E)面积从a时期的4784.5 km2减少到b时期的1979 km2, 大部分面积沿祁连山西北方向演替为寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类(Ⅰ F)。上游祁连山区分布的寒温草原类潜在植被(寒温微干山地草原类, Ⅱ C; 寒温微润山地草甸草原类, Ⅱ D)向寒温湿润山地草甸类(Ⅱ E)演替变化, 使Ⅱ E的面积从a时期的2489.8 km2增加到b时期的5102.6 km2, 再到c时期的8057.2 km2, 说明黑河下游地区逐渐向暖湿的植被类型方向演替变化, 分布在祁连山西北部的寒冷湿润冻原、高山草甸类(Ⅰ E)经过b时期(1976-1990)到c时期(1991-2010)的演替变化, 逐渐被寒温微润山地草甸草原类(Ⅱ D)和寒温湿润山地草甸类(Ⅱ E)所代替。微温干旱温带半荒漠(Ⅲ B)主要分布在走廊平原区, 其面积为31318.6 km2(1961-1975), 经过b时期(1976-1990)和c时期(1991-2010)的演替变化, 微温干旱温带半荒漠(Ⅲ B)逐渐被演替为微温微干温带典型草原类(Ⅲ C)和暖温干旱暖温带半荒漠类型(Ⅳ B), 面积也从31318.6 km2(1961-1975)→ 29083.3 km2(1976-1990)→ 222954.4 km2(1991-2010)(图3)。主要是因为走廊平原区降水量逐年增加, 积温逐年升高, 导致气候从中温带转向暖温带, 干旱转向微干旱。

2.3 潜在生态环境的变化

潜在植被是一种与它所处立地的气候环境达到一种平衡的演替终态。区域性气候环境的变化直接影响着立地潜在植被类型的分布[10]。

从表1可以看出, 整体上, 在黑河流域潜在植被类型的演替变化中负向变化大于正向变化, 即潜在生态环境逐渐恶化, 半荒漠类植被向荒漠类变化的趋势一直存在, 但演替变化面积呈减小趋势。个别的, 像草原草甸和森林之间的正向演替变化大于负向变化但变化面积不大。说明黑河流域潜在生态环境对气候变化的适应性较差, 敏感性较强, 气候变化对植被类型的演替影响较大。

表1 黑河流域潜在生态环境面积变化 Table 1 The changed area of potential ecological environment in Heihe River watershedkm2

在a→ b的变化中, 半荒漠和荒漠间的负向变化远远大于正向变化, 半荒漠类植被逐渐荒漠化; 半荒漠、草原草甸和森林之间的演替变化中正向变化大于负向变化, 但是演替变化的面积均很小。在b→ c的变化中, 除了草原草甸和森林间的正向变化大于负向变化外, 其他植被类型之间的演替变化均为负向变化且变化规模较大。说明80年代以后潜在生态环境恶化的趋势越来越明显, 速度有所加快。

在全球气候变化的影响下, 植被分布的水热条件发生变化, 进而驱动植被的演替变化。从图4来看, 黑河下游潜在植被的重心逐渐向南移动, 半荒漠类植被类型逐渐向荒漠类转化, 荒漠化加剧, 由于植被类型单一, 所以对气候变化非常敏感, 应对气候变化的能力也非常有限。中上游地区潜在植被的重心变化较为复杂, 植被演替变化交替发生, 大致呈现出沿着祁连山向西北方向移动的趋势, 说明在暖湿化的气候变化条件下, 植被类型比较丰富的地区, 其植被对气候变化的适应性相对较强, 但是由于变暖的速度大于变湿的速度, 导致植被类型有所减少, 植被逐渐退化, 生态环境趋于不稳定状态。

a→ b的转化过程中(表2), 半荒漠向草原草甸类转化1313 km2, 占流域面积的0.92%, 主要发生在中上游地区, 向荒漠类转化1899 km2, 占流域面积的1.3%, 发生在下游额济纳旗地区, 主要原因是降水量的逐渐减少和温度的逐渐升高; 草原草甸类逐渐向森林类转化255 km2; 而荒漠类向半荒漠类、森林类向草原草甸类的反弹演替变化均不大, 说明下游额济纳地区植被生态系统对气候变化的敏感性较强, 恢复能力较弱, 植被生态系统极不稳定, 容易受到气候变化和外界因素的影响。

表2 黑河流域潜在植被类型a(1961-1975)→ b(1976-1990)的转移变化 Table 2 The shift change of potential vegetation type from a (1961-1975) to b (1976-1990) in Heihe River watershedkm2

b→ c的转化过程中(表3), 半荒漠类向荒漠类转化1671 km2, 使下游额济纳旗地区的荒漠化趋势进一步加剧, 草原草甸类向半荒漠类转化859 km2, 向森林类转化1536 km2, 森林类向草原草甸类反弹转化189 km2, 说明中上游地区植被生态系统对气候变化的适应性较弱, 敏感性较强, 随着气候暖湿化, 植被向暖湿的植被类型转化, 其类型逐渐退化减少。

表3 黑河流域潜在植被类型b(1976-1990)→ c(1991-2010)的转移变化 Table 3 The shift change of potential vegetation type from a (1976-1990) to b (1991-2010) in Heihe River watershed km2

整体上看, 流域内荒漠类、森林类植被类型面积总体呈现增加的趋势(图5), 分别从a(1961-1975)时期的89961.2和43.6 km2增加到c(1991-2010)时期的93009.2和1624.2 km2, 平均增加速度为60.9和30.2 km2/a; 草原草甸类植被类型从a(1961-1975)时期到b(1976-1990)时期的演替中面积增加1077.3 km2, 但是在b(1976-1990)时期到c(1990-2010)时期的演替中又大幅度的减少, 到c(1990-2010)时期仅有19712.7 km2; 半荒漠类植被类型面积呈现减少的趋势, 平均递减速度为70.2 km2/a, 其递减速度较快, 植被类型逐渐减少, 流域内植被逐渐退化, 植被生态环境恶化, 植被生态系统逐趋单一化, 其稳定性逐渐降低。

图5 黑河流域潜在生态环境的面积变化Fig.5 The area of the potential ecological environment change in Heihe River watershed

3 结论

本研究在模拟黑河流域潜在植被分布和演替的基础上, 耦合了植被分布和演替与气候变化的动态响应, 分析研究了在气候变化条件下流域内不同时间尺度上植被潜在生态环境的分布变化和稳定性, 得出以下结论。

1)从潜在植被分布来看, 流域内植被的分布有一定的纬度地带性和干湿地带性。上游祁连山区潜在植被类型丰富, 生态系统较为复杂, 随着纬度的逐渐增加, 植被的类型逐渐减少, 到下游额济纳旗地区植被比较单一, 生态系统极不稳定。

2)从植被演替来看, 中上游地区的潜在植被逐渐向暖湿性植被类型方向发展, 下游额济纳旗地区的潜在植被向暖干性的植被类型方向发展, 这与流域内的气候变化是相似的。说明潜在植被类型演替的驱动因素主要是气候变化条件下植被分布所需的水热条件发生的改变。

3)从整体来看, 随着气候的变化, 流域内的潜在植被类型在不断减少, 植被生态环境逐渐恶化。尤其是下游额济纳旗地区, 逐渐向荒漠化方向发展, 生态系统极不稳定, 中上游地区的植被逐渐向暖湿性植被类型发展, 特别是寒温潮湿寒湿型针叶林类(Ⅱ F)面积迅速扩大, 但草原草甸类植被类型逐渐减少, 植被单一化, 类型转化较复杂, 其生态系统稳定性较强, 潜在生态环境变化不明显。

本研究从潜在植被的演替入手, 分析了潜在生态环境的变化, 结果与黑河流域实际生态环境的变化相比较发现:近几十年来, 黑河流域生态环境严重恶化、植被减少的原因是不同的, 中上游地区气候逐渐变暖变湿, 植被退化的主要原因是人类不合理的利用有限的水资源, 滥砍滥伐造成的; 下游地区植被迅速退化, 沙漠化不断加剧是由于中上游过度开发利用水资源, 致使下游水资源缺乏, 甚至枯竭, 加之气候逐渐变暖变干, 使得生态环境恶化, 植被减少。

The authors have declared that no competing interests exist.

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