由气候、水分和土壤等主要自然条件不同尺度上的时空分布所决定的陆地生态系统是地球生态系统的主要组成部分^[1]。它是提供人类必要的动植物资源, 在维持生态平衡和水平衡、调节气候、降解污染、珍稀动植物等。气候变化和土地利用/土地覆盖变化(Land use and land cover change, LUCC)是环境演变的主要两个方面, 同时它们之间也存在互相影响和制约的复杂错综关系。2000年的政府间气候变化专门委员会报告表明, 近百年来, 全球气候与环境发生了重大变化, 其中过去50 a的变化更为明显^[2], 20世纪50年代以来气候变暖的一半以上是人类活动造成的^[3]。随着人口的不断增加及社会经济的快速发展, 加紧人类大规模水土开发活动的步伐, 自然植被区转为农作区, 长年覆盖的土地变为季节覆盖的耕地^[4]。在这种环境演变的大局下研究气候变化和人类活动的生态效应是目前相关领域学者研究的焦点问题之一^[5]。在不同地理环境下陆地生态系统对气候变化和人类活动的响应不同。除此之外, 不同区域降水、蒸发和辐射能量等气候因素对不同植被的驱动作用也不相同^[6]。在我国西北干旱与半干旱地区陆地生态系统的变化往往受多种要素的综合作用和影响^[7], 其中陆地生态系统对降水和蒸发及其收支平衡决定的水分条件非常敏感^[8]。由于在不同空间尺度上进行植被变化的动态检测较难, 相应研究成果也较少。特别是我国西北干旱区不同时空尺度生态系统对气候变化和人类活动响应的敏感性等亟待进一步研究的重点问题之一。我国西北干旱区气候变化明显、地貌条件较复杂、人类生产活动对LUCC的影响显著^[9], 探索人类活动和气候变化的生态效应具有重要的理论意义及实用价值。

1 研究区

焉耆盆地位于中天山的依连哈比尔尕山、科克铁克山、蒙尔宾山和南天山的库鲁克塔格山之间的山间盆地。在行政上包括新疆巴音郭楞蒙古自治州的焉耆县、和静县、和硕县、博湖县、库尔勒市的塔什店区、巴州直属的乌拉斯台农场、清水河农场、巴州种畜场以及新疆生产建设兵团农二师的21团、22团、24团、25团、27团、223团等。本研究以焉耆盆地及其周围山脉分布的Landsat遥感影像WRS2-Path143/Row31条带区为主, 适当考虑盆地分水岭界线, 由于遥感数据的时空局限性剪掉研究区东南的小部分划分了研究区的空间范围(图 1)。整个研究区地处85°6′—87°36′E, 41°33′— 42°42′N, 总面积为14504.53 km², 地势西高东低、北高南低, 总体表现为四周向盆地倾斜的地貌形态, 具有明显环绕盆地的“立体气候”特征。根据人类活动的强度及自然地理条件, 焉耆盆地可分为人类活动对自然环境扰动最强的绿洲平原区(海拔高度低于1400 m等高线的区域, 总面积为9018.46 km²)和气候变化对环境演变的影响为主的山区(海拔高度高于1400 m等高线的区域, 总面积为5486.07 km²)^[10]。研究区气候属于暖温带大陆性干旱气候, 热量与光照丰富, 山区和绿洲平原区多年的平均气温分别为-4.84 ℃和8.60 ℃, 降水量分别为200.25, 76.27 mm, 蒸发能力分别为1408.23 mm和1973.65 mm。由于盆地平原区自然地理条件适宜于农业发展, 20世纪50年以来, 尤其是70年代后绿洲区农业耕地面积处于增长趋势, 焉耆盆地已成为在我国受人类活动影响明显的区域^[11]。

2 数据及其处理 2.1 气象要素数据

已有研究表明, 降水、蒸发和辐射能量等是影响陆地生态系统的主要气象要素, 其中植被覆盖度变化对降水和蒸发极为敏感^[1]。因此, 本研究选用的气象要素数据包括位于焉耆盆地山区的大山口、巴音布鲁克和巴仑台气象站和盆地平原区内的和静县、焉耆县、塔什店气象站的逐年(1970—2014)降水和(1980—2014)蒸发数据。其中, 因1980年之前的山区蒸发量观测不连续, 蒸发量数据从1980年开始。

2.2 遥感数据及其处理

本文采用美国地质调查局USGS(http://earthexplorer.usgs.gov/)提供的1973—2014年间的Landsat MSS、TM、OLI遥感影像数据(表 1)和美国国家航空航天局与日本经济产业省合作完成的先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型ASTER GDEM V2.0(分辨率为30 m)数据。此外, 还有2014年10月在研究区通过野外考察采集的大量控制点数据、各种地物的定位采样数据和研究区人口统计数据(表 2)等。对Landsat遥感影像进行几何校正、格式转换、大气纠正、直方图式图像镶嵌、图像裁剪等预处理。DEM和控制点相结合提取海拔高度为1400 m的山区及平原边界线。

3 研究方法

陆地生态系统、气候变化和人类活动的关系是相互作用、相互影响和相互制约等非线性关系的总合^[12]。其中, 气候变化和人类活动对陆地生态系统的影响是主要的, 它们之间也存在息息相关的关系, 但气候变化和人类活动相互作用研究迄今还未形成一套成熟的理论与方法体系^[13]。因此, 本研究主要运用以下方法, 以气候变化和人类活动作为相互独立的两个方面, 研究其生态效应。

3.1 气候变化突变点检测与趋势分析方法

采用非参数Mann-Kendall(MK)趋势检验分析法^[14-15], 分析了焉耆盆地山区和平原区降水、蒸发年平均数据的变化趋势。对存在突变点的时间序列数据采用非参数MK Sneyers突变检验^[16], 对突变点进行信度检验, 从而验证突变点的真伪, 确定本研究需要的遥感数据时期；根据不同时期的遥感数据得出不同时期植被综合指数的变化, 判断焉耆盆地及周围山区的土地利用/土地覆盖变化。

3.2 土地利用与土地覆盖动态监测

根据中国国家标准化管理委员会于2007年8月发布的《土地利用现状分类》^[17]和FAO/UNEP土地分类系统, 考虑研究区陆地生态系统特征, 在实地考察和验证的基础上, 研究区的土地利用/土地覆盖划分为：(1) 高地植被(海拔高度1400 m以上的植被), (2) 人工绿洲(包括灌溉区、人工林地、果园等), (3) 天然绿洲(在自然条件下形成和成长的植被, 其作用主要体现在生态方面), (4) 裸地(包括裸地、建设用地、盐碱地等), (5) 沙漠, (6) 水域(湖泊、河流、池塘、水库等), (7) 冰川积雪, (8) 湿地等8种类型。从反映植被状况考虑, 整个研究区分为植被覆盖和非植被(包括水域、沙漠、裸地、冰川)两大类。在以上土地利用/土地覆盖类型体系的基础上, 结合实地考察获取的采样点数据对预处理的Landsat影像数据进行解译分类和精度评价。精度评价表明整个分类结果的总精度大于89.60% (kappa系数大于0.84), 其中部分年份的分类结果如图 3所示。并利用1973—2014年的5期分类的遥感影像结果图进行LUCC分析。

3.3 生物量及其变化的估算

科学家已经创建了40多种植被指数(Vegetation index，缩写为VI)^[18]。由于VI与植被的覆盖度、生物量、叶面积指数等有较好的相关性, VI是从遥感影像获取大范围植被信息的有效办法^[19]。干旱区的植被稀疏、破碎化程度高, 选择适宜的VI是陆地生态系统状态遥感监测的关键。已有研究表明^[20], 土壤调整植被指数(soil adjusted vegetation index, SAVI)最适合干旱地区陆地生态系统的变化研究, 其计算方法为:

式中, 近红外(线)(near infrared or red band, NIR)为Landsat影像近红外波段的反射率, R为红光波段的反射率, L为土壤调节参数。由于L为0.5时, 消除土壤背景影响的效果为最佳, 本文同样取的L值为0.5。然后, 以便将SAVI的灰度值范围拉伸为0—255^[21]。为了更好反映及进行评价植被覆被类型、植被覆盖率和生物量的变化, 采用了区域遥感植被综合指数L及其变化ΔL, 其计算公式为：

式中, L为区域植被综合指数；C_i为该区域内植被覆被类型i的面积百分比, SAVI_i为该区域内植被覆被类型i的植被指数SAVI, ΔL为从时间a到时间b区域植被综合指数L的变化量。若ΔL为正值, 则该区域地表植被覆盖率提高、生物量总体增加, 植被覆盖区的生态环境趋好；否则趋于恶化。

在干旱地区对于非植被覆被类型, 主要通过面积变化反映其对生态环境变化的影响^[22], 即水域、冰川等与水相关土地覆被类型面积百分比增加, 这说明有利于干旱区陆地生态系统的发展, 反之则相反；对于沙地、裸地等而言, 其对生态的作用相反：若其面积比例增加, 不利于干旱区陆地生态环境质量的提高；比例减少, 有利于干旱区陆地生态环境的发展。非植被覆被类型的面积变化的幅度ΔC、植被类型/非植被覆被类型的变化率R表征其对陆地生态系统变化的作用表达式为:

式中, (C_w2-C_w1)为河流、湖泊、冰川等土地覆被类型面积百分比在某个时段内的变化；(C_d2-C_d1)为植被类型/非植被覆被类型百分比在某个时段内的变化。当ΔC>0和R>0时, 则非植被覆被类型的变化有利于陆地生态环境的发展, 生态趋于好转；当ΔC < 0和R < 0时, 则不利于生态环境的发展, 表明生态环境质量下降。

4 结果与分析 4.1 气候变化特征分析 4.1.1 降水量变化特征

MK趋势检验结果显示(图 2), 焉耆盆地降水量在过去40a(1970—2014年)里呈现增加趋势(图 2), 山区和平原区降水量上升趋势达到显著性水平, Z值分别为3.0和3.2(P < 0.01)。MK Sneyers突变检验结果显示, 焉耆盆地的山区和平原区分别经历了1976年、1977年、1978年, 2009年和1998年、2000年、2007年的突变点。根据突变点可以将焉耆盆地平原区降水量变化过程分为4个阶段：1970—1998年降水量呈减少趋势, 平均值为76.8 mm, 1985年降水量达到了历史最低值18.3 mm, 1999—2000年降水量急剧增加, 平均值为72.9 mm, 增加速率为-3.9 mm/a；2001—2007年降水量呈波动增加, 增加速率为0.1 mm/a, 2008—2014年降水量明显增加, 平均值为77.9 mm, 增加速率为0.7 mm/a, 达到了显著水平。山区降水量变化过程分为4个阶段：1970—1976年降水量波动增加, 平均值为193.2 mm, 1977—1978年降水量急剧下降, 下降速率为34.8 mm/a, 1979—2000年呈明显增加, 达到显著水平, 增加速率为1.33 mm/a, 1998年降水量达到历史最大值269.2 mm, 2010—2014年呈增加趋势, 平均值为235.6 mm, 处于较稳定水平。MK趋势检验结果表明, 近40a来焉耆盆地山区和平原区年均降水变化呈增加趋势, 并且达到了显著水平；MK Sneyers突变检验结果也显示, 焉耆盆地1970年以来降水有了明显突变点。

4.1.2 蒸发量的变化特征

蒸发量MK趋势检验结果显示, 焉耆盆地蒸发在过去30年(1980—2014年)里在山区呈减少趋势(图 2), Z值为-4.20, 在平原区呈减少趋势(图 2), Z值为-3.60, 显著性水平都达到99%。MK Sneyers突变检验结果显示, 焉耆盆地山区和平原区经历的突变点分别为1999年和2006年(图 2)；根据突变点焉耆盆地平原区蒸发量变化过程分为2个阶段：1980—2006年蒸发量明显下降, 平均值为1912.60 mm, 达到显著水平, 1998年平原蒸发量下降到历史最低值为1667.20 mm, 2007—2014年蒸发量急剧上升, 平均值为2197.50 mm, 增加速率为33.36 mm/a；山区蒸发量变化过程分为2个阶段：1980—1999年蒸发量呈增加趋势, 平均值为1526.90 mm, 2000—2014年呈下降趋势, 平均值为1250 mm, 下降速率为18.50 mm/a, 达到显著水平。MK趋势检验结果表明, 近30年来焉耆盆地年均山区蒸发变化呈有减少趋势, 但在平原区1998年之前处于减少趋势, 1998年之后略有增加趋势, 平原区蒸发量的总体变化显示波动性降低趋势。

4.2 LUCC分析

根据以上的MK突变点分析获得的时间段, 选用了1973年、1977年、1994年、2004年和2014年的Landsat遥感影像(表 1)进行解译和LUCC分析, 其结果如表 3和图 3所示。

从表 3可以看出, 焉耆盆地山区1973—2014年之间的高地植被面积一直处于增加趋势, 而冰川面积处于减少趋势, 研究区冰川面积变化与天山冰川面积变化趋势^[23]基本吻合。在此期间, 平原区天然绿洲和湿地1994年前呈现减少趋势, 1994年后呈现增加趋势, 人工绿洲面积呈直线型增加；平原区裸地面积1973—1977期间增加, 之后处于减少趋势；沙漠面积1973—2004年期间减少, 此后增加；研究区水域面积在整个研究期间呈波动性减少趋势, 其中除1994—2004年期间增加外, 其它时段均呈现减少趋势。

综上所述, 在1973—2014年期间, 山区裸地面积减少为5.40%, 冰川面积减少为3.36%, 高地植被面积增加为8.76%；平原区天然绿洲面积增加为1.96%, 沙漠面积减少为1.62%, 水域面积减少为1.30%, 人工绿洲面积增加为15.41%, 湿地面积增加为1.27%。人工绿洲作为人类对自然干扰强度的一个指标, 反映了近40a来人类在焉耆盆地平原区的活动加剧, 年际变化同降水、蒸发不同步。可以看出, 焉耆盆地陆地生态系统的变化是气候变化和人类活动双重影响引起的, 但在山区和平原区各因素的影响存在差异。

4.3 生物量变化趋势及其归因分析

LUCC对陆地生态系统结构产生很大影响, 是改变陆地植被生物量的主要原因^[22], 而气候条件、水分条件和土壤养分是决定生态系统类型的主要驱动因素。遥感植被指数VI是这些因素在不同尺度的区域中在不同程度上组合而成的定性表征, 并与地面生物量成正相关。为了更明确地反映研究区气候变化、人类活动分别对山区、平原区植被和非植被覆盖的影响及其程度, 根据公式1—5计算1973—2014年之间山区和平原区的植被综合指数L及其变化量ΔL和变化率R_L, 非植被覆盖类型面积百分比ΔC及其变化率R_c, 其结果如表 4所示。

从表 4可以看出, 70年代以来焉耆盆地山区、平原区的植被覆被类型和非植被类型综合指数发生了明显的变化。在山区, 1973—1994年期间L一直处于增加趋势, ΔC和R_c都大于0, 特别是1977—1994年期间的增长明显, 对应的ΔL为17.253；可以看出, 在此期间的增加量与山区的降水量成正相关；1994年之后山区降水量呈现波动性增加趋势, 但增加幅度越来越变少(图 2), 1994年之后山区生物量显示微弱减少趋势, 与山区降水量的变化趋势基本保持一致；1980—1994年期间山区蒸发量呈现波动性增加, 增加幅度不明显。因此, 20世纪90年代中旬前后山区生物量的变化主要与山区降水量成正相关关系。从总体上看, 1973—2014年之间山区生物量处于好转趋势。

在平原区1973—2014年期间L一直处于增加趋势, 特别是1994年之后的ΔL和R_L上升趋势更明显, 分别10%和27%以上(表 4)；这种激增的时空变化趋势与研究区人口(表 2)、社会经济发展趋势同步。除此之外, 在此期间绿洲平原区的降水量增加而蒸发量减少, 这种变化会引起土壤中盈余水分的累积, 并有利于陆地生态系统的健康发展。可以看出, 近40a焉耆盆地绿洲平原区生物量的增加主要是人类活动与区域社会经济发展等内部因素引起的, 降水量增加、同期蒸发量减少等气候变化的外部因素促进绿洲平原区生物量的不断增加和陆地生态系统的好转。

5 结论

本研究利用新疆焉耆盆地及其周围区域遥感影像、气象观测数据和社会经济数据, 运用气候突变和趋势检测法、LUCC分析、陆地植被生物量及其估算等方法, 研究近40a来气候变化和人类活动的生态效应。研究结果表明：(1) 焉耆盆地陆地生态系统在不同时空尺度上的演变是气候变化及人类活动长期综合作用引起的结果；(2) 山区陆地生态系统对区域气候变化非常敏感, 其中降水变化是决定山区地表植被生存状态和分布的重要因素；(3) 近40a来人类活动的推动作用和有益气候变化的支撑明显地改善了焉耆盆地绿洲平原区生态系统。其中, 改革开放以来, 人口急剧增加、开荒耕地、植树造林和社会经济快速发展, 是焉耆盆地绿洲平原区生态系统结构及其时空分布的主要因素。

总之, 干旱区不同时空尺度陆地生态系统对气候变化和人类活动的响应不同, 是多种自然和人文因素在不同方式、不同程度上组合作用的结果。对于新疆焉耆盆地近40a来的变化而言, 其陆地生态系统状况的好转是气候变化和人类活动的共同结果, 其中气候变化是决定山区生态系统生存状态和分布的重要因素, 人类活动则通过快速地大范围地扩展绿洲平原区影响其生态系统。