毛乌素沙地气候变化及其对植被覆盖的影响

表 1 1961 2007年鄂尔多斯高原水 分资源各分量的变化 T able 1 V ariat ion of component of w ater resou rce in M u U s Sandy L and from 1961 to 2007
降水量 P
陆面蒸散 E
可利用降水 w
全年均值 /mm
0 090
从空间尺度来看, 毛乌素沙地可利用降水资源区域分布不均, P、E 和 w 呈现出相同的 分布规律, 即东南部 P 和 w 多、E 强, 西北部相反 ( 表 2)。其中伊金霍洛旗和乌审旗形成 了全区的可利用降水资源的高值区, 多年年均 P 分别为 344 01 mm 和 338 42 mm, w 多年 均值达 88 62 mm 和 87 68 mm。
累积距平是一种较常用的判断变化趋势的方法, 通过对累积距平曲线的观察, 可以划分 变化的阶段性 [ 16] 。从图 2可以看出, 近 50 a来年平均气温的变化具有阶段性, 大体经历了 2个变化阶段: 第一阶段 1961 1986年年均温以负距平为主, 年均温呈减少趋势, 最大负距 平出现在 1984年; 第二阶段 1987 2007年年均温以正距平为主, 年均温呈增加趋势, 气温 最高的几年均出现在 20世纪 90年代后, 最大正距平出现在 1998年, 其次出现在 2006年和 19 99年 。
逐年减少的趋势。虽然近 50 a毛乌素沙地 E 呈现出减少的趋势, 但是 P 减少的趋势较 E 明 显, 即 P 的年递减速率比 E 的年递减速率高近 17倍。因此, 随着毛乌素沙地 P 以 - 8 92 mm / 10 a的速率减少, 仍然导致 w 以 - 9 34 mm /10 a的高速率逐年减少。但是无论是全 区域还是分地区的 P、E 和 w, 其变化率均未通过 0 05的信度检验 ( r0 05 = 0 288), 表明从 1961 2007年毛乌素沙地水分资源各分量变化不明显。
1 数据来源与方法
1 1 数据来源 所用的气候数据为内蒙古气象局资料中心提供的 1961 2007年毛乌素沙地 6个气象
收稿日期: 2010- 01- 05; 修订日期: 2010- 05- 16。 基金项目: 国家自然科学基金地区科学基金项目 ( 40861002, 31060076 ) ; 内蒙古自然科学基金 ( 20080404M S0609) 。 第一作者简介: 王立新 ( 1975- ) , 男, 内蒙古赤峰人, 副教授, 硕士, 主要从事草地和湿地生态学的研究。 * 通信作者, E m ai:l liuhm im u@ yahoo. cn
P + R I + GW + ST & TR + E V + PC + RO 其中: RI 为地表与地下径流补充水, GW 为潜水供应, ST 为沙层持水, TR 为植物蒸腾耗水, EV 为地表蒸发耗水, PC 为沙地深层渗透水, RO 为通过地表与地下径流流出水。
在实验地内, 由于地形较平坦, 沙土易渗水, 土壤表面不易形成径流 ( RI、RO = 0), 考虑 到地表蒸发耗水 ( 实验证明, 土表的蒸散值不能忽略, 尤其在降雨量较大的时期 ) , 渗入深层 的水与潜水补给相抵 ( PC = GW ) , 沙层持水 ST 来自降水, 可以不计。因此, 上面的水分收支 平衡公式可简化为:
图 3 年均温距平 M ann K endall突变检验 F ig 3 Exam ination s of abrup t ch ange points for m ean annua l tem peratures series byM ann K endall
2 2 可利用降水资源的年际变化规律 从 1961 2007年毛乌素沙地年平均 P、E、 w 的变化率 ( 表 1) 可见, P、E、 w 均呈现出
第 25卷 第 12期 2010年 12月
自 然资源学报
JOURNAL OF NATURAL RESOURCES
V o l 25 N o 12 D ec., 2010
毛乌素沙地气候变化及其对植被覆盖的影响
王立新 1a,
2
,
刘华民 1b* ,
杨
劼
1 b,
2
,
梁存柱
1 b,
2
,
王
炜
1
b
,
张继恩 1b
( 1. 内蒙古大学 a 环境与资源学院, b 生命科学学院, 呼和浩特 010021;
图 2 1961 2007年年平均气温 ( )年际变化 Fig 2 In ter annual variation of m ean annual temp eratures from 1961 to 2007
12期
王立新等: 毛乌素沙地气候变化及其对植被覆 盖的影响
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根据 M ann K endall突变检验分析方法, 可初步确定出现交叉点的时间是区域气候变量 序列发生突变的时间。利用该方法对毛乌素沙地年平均气温的突变特征进行了检验, 给定 显著性水平 u0 05 = ∋ 1 645, u0 01 = ∋ 2 326( 图 3) 。可以看出, 近 50 a来, 毛乌素沙地年均 温序列在 1993年发生了突变, 从突变年开始, 年均温增加趋势开始非常明显, 通过了 99% 的显著性检验。
从 1961 2007年毛乌素沙地年平均 P、E 和 w 的距平、累积距平及线性趋势 (图 4) 可 见, 近 50 a间水分资源各分量的变化可归纳为 3个阶段:
地 增温趋势显著, 变化率为 0 33 /10 a。全区域年均温变化趋势的范围为 0 16~ 0 5 /10 a,
且增温的程度存在西北部最强、东南部最弱 的趋势。水 分资源 各分量 时空分 布极不 均匀: 东南
部降水量 P 和可利用降水 w 多、陆面蒸散 E 强, 西北部相反。P、E、 w 均呈现出逐年减少的趋
图 1 毛乌素沙地示意图 F ig 1 Sketch map of M u U s Sandy Land
1 2 主要方法 文中采取高桥公式 [ 3] , 估算了毛乌素沙地的陆面蒸发 ( E ), 并对水资源各分量 ( P, E,
P - E )时空变化的特征进行讨论, 其相关计算公式为:
w = P-E
个较好方法。
气候要素在近 50 a( 1961 2007年 ) 的变化速率由线性趋势法得到, 它实际上是用最小 二乘法计算气候要素和时间的线性回归系数, 正 (负 ) 值表示增加 ( 减小 ) 趋势。趋势的信度 及突变点检验采用非参数 M ann Kenda ll方法, 该方法广泛应用于时间序列趋势的非参数检
P & TR + EV
2 结果与分析
2 1 温度的年际变化规律及其信度检验 毛乌素沙地 1961 2007年年平均气温为 7 15 , 并且以 0 33 / 10 a的变化率呈
极显著增加趋势 ( 相关系数 r = 0 713, 假设 检验 p < 0 001) , 但是与内蒙 古全区 ( 变化率 0 37 /10 a)和所处的鄂尔多斯高原 (变化率 0 43 /10 a)增温强度相比 , [ 15] 其变暖程度 并不是很剧烈。全区域年均温变化趋势的范围为 0 16~ 0 50 /10 a。年平均气温升高的 程度呈现出西北部最强、东南部最弱的趋势。除河南、乌审召镇 2个地区的升温幅度低于全 国的增温幅度 ( 0 30 /10 a) 外, 其余 66 7% 的站点均高于全国的增温幅度, 其中乌审旗、 鄂托克旗 2个区域的增温趋势最强, 平均增温幅度为 0 50和 0 47 / 10 a。
2 03 2
自然资源学报
25卷
验 [ 9 12] 。对于各气候要素, 距平是 1961 2007年的平均值, 并做了标准化处理。 采用土柱称重法对群落蒸散量进行测定。根据群落结构的特点, 分成两种计算方式:
∀ 乔木林、灌木林的蒸腾、蒸散量, 采用 # 群落蒸散各种群蒸腾棵间蒸散 ∃模式计算; % 草本 植物建群的群落作物株高的蒸散直接采用土柱称重测得的蒸散值 [ 13] 。水分收支平衡采用 张新时 1994年提出的水分收支平衡公式 [ 14] :
位于我国北中部半干旱、干旱地带的毛乌素沙地是一个脆弱的自然 - 经济 - 社会复合 生态系统。由于地处农牧交错带, 毛乌素沙地的土地经营及利用模式涉及农业生产和畜牧业 生产等多种方式, 其形成、动态与自然环境及人类社会的变化有着千丝万缕的联系。历史已多 次证明, 在这一地区若出现连续几年的少雨干旱, 自然植被中某些种群就会衰退, 植被覆盖率 将下降。而在人为干预下, 只要破坏地表植被, 如开垦、超载放牧等, 必然加剧土地的沙化 [ 2] 。
313 9
241 7
72 2
变化率 / ( mm /10 a) 区域变化范围 / ( mm /10 a)
- 8 92 - 17 88~ 5 80
- 0 53 - 8 65~ 5 50
- 9 34 - 16 60~ - 4 11
相关系数 r
0 129
0 015
0 250
假设检验 p
0 387
0 920
本文在定量分析内蒙古境内毛乌素沙地气温和水分资源各分量时空变化的基础上, 结 合 TM 影像和中巴资源卫星影像, 从气候变化和群落水分收支平衡的角度, 对毛乌素沙地近 20 a的植被覆盖变化及其原因进行分析, 揭示毛乌素气候变化与沙地植被群落水分收支平 衡状况与植被覆盖变化间的内在关系, 对合理利用沙地资源、改善沙区自然环境具有重要意 义, 并为该区域的可持续发展及管理提供科学依据。
( 1)
E
=
3 100P
3 100 +
1
8P 2 e
-
34 4T 235+ T
( 2)
其中: w 为可利用降水量 ( mm ) , P 为月降水总量 ( mm ), T 为月平均温度 ( ), E 为利用月