基于3S的京津風沙源治理工程區植被覆蓋和氣候要素變化分析

紀和, 趙廣帥, 劉珉, 張鑫, 崔嵬

基于3S的京津風沙源治理工程區植被覆蓋和氣候要素變化分析

紀和1, 趙廣帥2,*, 劉珉2, 張鑫2, 崔嵬2

1. 湖北省林業勘察設計院, 武漢 430000 2. 國家林業和草原局經濟發展研究中心, 北京 100714

為分析評估京津風沙源治理工程區植被覆蓋和氣候要素變化, 收集工程實施前、后各時期工程區域土地利用類型數據、MODIS產品植被覆蓋(NDVI)數據和氣象站點月值數據, 利用最小二乘法擬合分析工程區NDVI和蒸散時空變化規律; 利用MK非參數檢驗分析區域氣候要素時空變化格局。結果表明(1)近25年來工程區土地利用類型變化不大, 植被面積未有顯著增加; (2)近20年, 工程區81.5%的區域生長季平均NDVI呈上升趨勢, 其中37.6%的區域呈顯著上升趨勢(< 0.05), 平均變率0.005 a-1; 同時, 99.8%的工程區域植被蒸散呈上升趨勢, 其中95.3%的區域呈顯著上升趨勢(< 0.05), 平均變率109.11 kg·m-2·a-1; (3)工程實施前、后對比, 氣候要素變化趨勢發生明顯變化, 工程實施前工程區平均氣溫呈上升趨勢, 其中78%以上氣象站點平均氣溫距平呈顯著上升趨勢, 上升幅度為0.01 ℃·a-1; 降雨量和平均相對濕度呈減少趨勢, 其中16%的氣象站點降水距平百分率呈顯著減少趨勢, 減少幅度在0.33% a-1以上。工程實施后, 工程區內氣溫呈降低趨勢, 其中24%的氣象站點平均氣溫距平呈顯著下降趨勢, 降幅在0.008 ℃·a-1以上; 降雨量和平均相對濕度呈增加趨勢, 其中22%的站點降水距平百分率呈顯著增加趨勢, 幅度約為0.22% a-1?？傮w上, 京津風沙源治理工程實施近20年來風沙天氣得到明顯改善, 植被恢復及原有植被質量的提升是環境改善的主要原因。

京津風沙源治理工程; 3S; 植被覆蓋; 氣候要素; 時空變化

0 前言

為改善和優化京津及周邊地區的生態環境質量, 治理沙化土地, 遏制沙塵危害, 2000年6月, 國家緊急啟動實施一項具有重大戰略意義的生態建設工程—京津風沙源治理工程[1–3]。目前, 工程第一期建設已于2012年實施完成, 第二期工程于2013年啟動建設。京津風沙源治理工程作為國家在首都及周邊地區部署實施的重點林業生態建設工程, 其主要關注點和任務是固土防沙, 減少京津沙塵天氣, 改善區域生態環境質量, 工程的治理效果長期以來受到社會各界和政府決策者的關注[3,4–7]。因此, 科學、客觀地評估京津風沙源治理工程對區域生態環境的改善效果顯得十分必要, 評估結果對指導后續工程建設也具有重要意義。

當前, 京津地區沙塵暴的來源、空間分布以及影響因素等方面都取得了很多研究成果。例如, 京津地區沙塵暴不僅來源于當地, 也有來自于內蒙古沙漠等較遠地區[8–9]; 首都圈沙塵暴具有明顯的空間分布規律, 西北部沙塵暴日數明顯多于東南部, 沙塵暴發生日數的年際波動較大[10]; 在諸多氣候因子中, 風速和相對濕度與沙塵暴關系最為密切, 從空間上降水量與沙塵暴發生日數呈負相關[11–12]。植被是陸地生態系統的主體, 其在阻滯風沙、涵養水源、調節氣候、維持區域生態系統平衡等方面發揮著重要作用[13]。一般認為植被恢復有利于降低氣溫和地表溫度, 增加濕度, 減小風速, 進而改善局地生態環境[14]。在大空間尺度上中國北方植被覆蓋變化與沙塵暴之間呈現負相關關系[15]。京津風沙源治理工程的相關研究也表明, 一期工程實施后, 植被覆蓋改善明顯, 植被覆蓋對減緩沙塵暴的作用明顯[16–18]。

3S技術為研究土地利用、土地覆蓋的時空演變提供了數據源與技術支持[19–21], 例如, 利用遙感數據源及GPS空間定位結合地面抽樣技術, 以地理信息系統為工具, 建立森林資源動態監測及評估體系。3S技術的發展, 給生態工程監測提供了更高的監測技術平臺, 不少研究利用3S技術構建大尺度工程動態監測體系并科學地評估其生態環境效應[6,21]。京津風沙源治理一期工程實施完成后, 許多學者分析工程建設形勢, 對工程的生態效益[16–18,23]、成效[24–25]、生態經濟影響[26–27]等方面進行卓有成效的研究, 剖析了其中存在的問題, 但從大區域范圍研究整個京津風沙源區植被恢復狀況比較缺乏。吳丹等[6]以風沙源綜合治理一期工程區2000—2010年生態系統土地利用/覆被變化、植被覆蓋度及防風固沙服務功能為指標, 綜合分析了工程的生態效應, 結果表明京津風沙源區整體生態狀況趨于好轉, 一系列生態工程的實施對于恢復自然植被和提升生態系統防風固沙服務功能起到了積極作用。目前, 京津風沙源治理工程二期正處于實施的關鍵階段, 其地位在生態環境日益惡化和經濟需求日益上漲的雙重壓力下顯得尤為重要?？傮w上, 京津風沙源治理工程效益評價的研究, 主要側重于對工程的現狀、特征以及產生原因的描述[28], 多以京津風沙地區為空間對象, 從整體和區域對比的角度分析植被覆蓋和氣候因子變化及其影響機制的探討相對較少[7,29]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

京津風沙源治理工程區西起內蒙古烏拉特后旗, 東至內蒙古阿魯科爾沁旗, 南起陜西定邊縣, 北至內蒙古東烏珠穆沁旗, 地理坐標為105o12′—121o01′ E, 36o49′—46o40′ N。目前工程已實施到第二期: 一期工程區建設范圍涉及北京、天津、河北、山西及內蒙古等5省(區、市)的75個縣(旗、市、區), 建設期為2001—2012年, 總面積約45.8萬 km2(圖1), 國家累計投資479億元, 工程建設累計完成營造林752.61萬hm2(其中退耕還林109.47萬hm2), 治理草地933萬hm2, 建設暖棚1100萬m2, 配備飼料機械12.7萬套, 開展小流域綜合治理1.54萬km2, 建設節水灌溉和水源工程21.3萬處, 易地搬遷18萬人; 二期工程區包括北京、河北、天津、山西、內蒙古和陜西6省(區、市)的138個縣, 建設期為2013—2022年, 總面積70.6萬 km2(圖1), 國家計劃投資878億元[30], 截止2017年, 工程建設累計完成營造林141.3萬hm2, 封山育林1320.06萬hm2, 治理草地14.85萬hm2, 開展小流域綜合治理17.94萬km2, 易地搬遷2.13萬人[31-32]。

1.2 研究區概況

1.2.1 數據獲取

(1)NDVI和蒸散數據

本研究中NDVI和蒸散數據來自美國航空航天局(NASA)Terra衛星提供的MODIS陸地專題產品: 基于最大值合成(MVC)方法, 每16天合成的250 m分辨率NDVI及其質量控制數據(Global MOD13Q1)和全球500 m蒸散8天合成數據(MOD16A2), 數據集經過幾何及大氣校正, 時間覆蓋2000年3月—2017年12月, 用來分析工程區植被覆蓋度變化和植被蒸散的時空動態。

圖1 研究區概況

Figure 1 General situation of study area

(2)土地利用類型數據

研究區土地利用類型數據來自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)提供的1995年、2000年、2005年、2010年、2015年五期全國土地利用類型圖, 空間分辨率為1 km。

(3)氣象站數據

基于站點的氣候數據主要來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)提供的中國地面氣候資料月值數據集, 主要包括工程區及周邊117個國家氣象臺站1990—2017年月值氣候觀測數據(平均氣溫、極低氣溫、極高氣溫、平均氣溫距平、平均風速、最大風速、降雨量、降水距平百分率、相對濕度)。

1.2.2 數據處理與分析

(1)土地利用變化分析

利用工程區1995年、2000年、2005年、2010年、2015年五期土地利用類型數據, 分析工程實施前、后土地利用類型變化情況, 重點關注森地、草地等土地利用類型的變化。

(2)植被覆蓋(NDVI)和蒸散時空格局分析

基于每個柵格像元, 利用最小二乘法擬合2000—2017年植被覆蓋(NDVI)和蒸散變化的斜率(Slope), 并給出F值檢驗, 分析其時空變化規律。

式中:為監測時間段的年數,V為第年的變量; 其中, Slope > 0說明變量在年間的變化趨勢是增加的, 反之則減少。以上所有分析都在Arcgis10.0中實現。

(3)氣象站氣候數據趨勢分析

利用工程區及周邊氣象站點月值數據, 分析區域氣候要素動態變化情況, 比較工程實施前、后以及工程區內、外氣候要素變化是否存在差異, 驗證工程實施后的生態氣候效應。Mann-Kendall(MK)非參數檢驗用于氣候數據變化趨勢的分析(R軟件包實現)。

2 結果與分析

2.1 工程區土地利用變化

整體來看, 近25年來工程區土地利用類型變化不大, 特別是2000年以后, 各土地利用類型面積所占比例和空間分布基本保持不變(圖2、表1)。

表1 各年份不同土地利用類型面積占比變化

圖2 各年份不同土地利用類型空間分布變化

Figure 2 Spatial distribution change of different land use types in different years

2.2 工程區NDVI和植被蒸散時空格局

近20年, 工程區生長季平均NDVI整體呈上升趨勢(圖3a、表2), 其中有37.6%的區域呈顯著上升趨勢(< 0.05), 平均變率為0.005 a-1, 特別是工程區南部區域; 顯著下降區域僅為1.9 %。約有95.3%的植被區域蒸散呈顯著上升趨勢, 平均變率為109.11 kg·m-2·a-1(圖3b、表2), 蒸散時空格局與NDVI時空分布基本一致(= 0.33,< 0.001), 說明工程區植被整體向好的方向發展。

表2 工程區生長季平均NDVI和蒸散變化趨勢統計(2000—2017年)

2.3 工程區氣候要素時空變化

2.3.1 氣溫時空變化

工程實施前, 工程區氣象站點平均氣溫(100%)、極低氣溫(90%)、極高氣溫(100%)和平均氣溫距平(98%)都呈上升趨勢(圖4 a1—a4), 其中78 %以上氣象站點平均氣溫距平呈顯著上升趨勢, 上升幅度為0.01℃·a-1(圖4 a4); 工程實施后, 氣溫變化趨勢發生逆轉, 工程區內平均氣溫(40 %)、極低氣溫(56%)、極高氣溫(78%)和平均氣溫距平(94%)呈降低趨勢的氣象站點明顯增加(圖4 b1—b4), 其中24%氣象站點平均氣溫距平呈顯著下降趨勢, 降幅在0.008 ℃·a-1以上, 特別是工程區南部(圖4 b4)。

2.3.2 降水時空變化

無論是從降雨量、降水距平百分率還是平均相對濕度來看, 工程實施前后都發生明顯變化, 工程實施前工程區大部分氣象站點降雨量(86%)、降水距平百分率(90%)和平均相對濕度(82%)都呈減少趨勢(圖5 a1—a3), 其中16%的氣象站點降水距平百分率呈顯著減少, 減少幅度在0.33 % a-1以上(圖5 a2); 而工程實施后, 三者呈增加趨勢的氣象站點明顯增多, 88 %的氣象站點降雨量呈增加趨勢(圖5 b1); 86 %的氣象站點降水距平百分率呈增加趨勢, 其中22 %呈顯著增加趨勢, 幅度在0.22 % a-1(圖5 b2); 38 %的氣象站點平均相對濕度呈增加趨勢, 呈減少趨勢站點僅剩22 %(圖5 b3)。

圖3 生長季平均NDVI(a)和蒸散(b)時空變化格局(2000—2017年)

Figure 3 The spatial-temporal change pattern of growing season average NDVI (a)and evapotranspiration (b) (2000-2017)

Figure 4 The spatial-temporal change patterns of mean temperature (a1, b1), extremely low temperature (a2, b2), extremely high temperature (a3, b3) and mean temperature anomaly (a4, b4) in the project area and its surroundings before (1990-2000) and after (2000-2017) project implementation (The green circle indicates a decrease, red circle indicates an increase; the size of the circle indicates the magnitude of the change, and a black dot in the middle indicates a significant change.)

2.3.3 風速時空變化

從平均風速和最大風速變率來看, 工程實施前后有一定的變化。工程實施前, 工程區內82 %的氣象站點平均風速、92 %的站點最大風速呈降低趨勢, 其中顯著降低的站點比例分別為30 %、52 %(圖6 a1、a2); 而工程實施后平均風速、最大風速呈降低趨勢的氣象站點分別下降為50 %、76 %(圖6 b1、b2)。工程實施后, 平均風速呈顯著上升趨勢的氣象站點增多, 平均風速變率呈顯著上升趨勢的氣象站點由工程實施前的5個增加到16個(圖6 a1、b1), 最大風速變率由2個增加到9個(圖6 a2、b2)。整體來看工程區風速呈持續降低趨勢, 特別是最大風速(圖6 a2、b2)。

圖5 工程實施前(1990—2000)、后(2000—2017)工程區及其周邊降雨量(a1、b1)、降水距平百分率(a2、b2)、平均相對濕度(a3、b3)時空變化格局(其中綠色圓圈表示增加, 紅色圓圈表示減少, 白色表示無變化, 圓圈大小表征變化幅度大小, 中間加黑點表征顯著變化)

Figure 5 The spatial-temporal change patterns of precipitation (a1, b1), percentage of precipitation anomaly (a2, b2), and mean relative humidity (a3, b3) in the project area and its surroundings before (1990-2000) and after (2000-2017) project implementation (The green circle indicates an increase, red circle indicates a decrease, white circle indicates no change; the size of the circle indicates the magnitude of the change, and a black dot in the middle indicates a significant change.)

圖6 工程實施前(1990—2000)、后(2000—2017)工程區及其周邊平均風速(a1、b1)、最大風速(a2、b2)時空變化格局 (其中綠色圓圈表示降低, 紅色圓圈表示升高, 圓圈大小表征變化幅度大小, 中間加黑點表征顯著變化)

Figure 6 The spatial-temporal change pattern of mean wind speed (a1, b1) and maximum wind speed (a2, b2) in the project area and its surroundings before (1990-2000) and after (2000-2017) project implementation (The green circle indicates a decrease, red circle indicates an increase; the size of the circle indicates the magnitude of the change, and a black dot in the middle indicates a significant change. )

4 討論

土地利用變化是影響植被狀況最重要因素之一[?33-34], 本研究表明工程區近25年土地利用類型未發生明顯改變。京津風沙源治理工程實施以來, 區域整體生態狀況趨于好轉, 風沙天氣明顯減少[6,30,35]; 工程區大部分區域NDVI呈顯著上升趨勢, 特別是工程區南部區域植被覆蓋增加明顯, 說明工程區生態環境的改善主要由于原有植被的恢復和質量提升。截止2017年, 一期、二期工程建設累計完成營造林893.91萬hm2, 封山育林1320.06萬hm2, 治理草地947.85萬hm2, 開展小流域綜合治理19.48萬km2, 易地搬遷20.13萬人, 這些建設內容極大促進工程區植被恢復和植被覆蓋度增加。2010年全國草原監測對河北、山西、內蒙古3省(區)29個京津風沙源工程縣(旗、市、區)的監測結果表明, 與非工程區相比, 工程區內植被蓋度平均提高15%, 植被高度提高54.1%, 鮮草產量每公頃提高81.1%, 并且植被由結構單一的草叢植被或灌草叢植被演替為喬、灌、草結合的復合植被系統, 退化嚴重的荒漠草原區的草地群落經封育后植物種數量由7種增加到11種以上[30]。李愈哲等[36]對工程區草地不同恢復措施的研究也表明工程恢復措施及措施組合均能不同程度恢復植被的地上生物量, 有利于區域沙塵固定和草地生產功能恢復, 群落物種和功能群構成整體趨向中生性頂級演變。

植被覆蓋度是決定植被蒸散量的重要因素[37-38]。工程區植被蒸散時空格局與NDVI時空分布基本一致(= 0.33,< 0.001)。與工程實施前相比, 工程區域氣候要素變化趨勢發生明顯變化, 氣溫等由升溫趨勢轉為降溫趨勢, 降水和相對濕度等由減少趨勢轉為增加趨勢。因此, 工程實施后可能產生一定的區域生態氣候效應。植樹造林等生態措施能對局地氣候產生有利影響, 林地增加情景下, 東北、西北東部區域溫度降低, 降水增加[39]。植被對地表水文過程影響明顯, 植被的存在能加速地表水文循環過程, 植被恢復后, 生態環境好轉, 內陸地區降水與蒸發明顯增加[40]。植被覆蓋變化通過改變地表反照率、粗糙度和土壤濕度等地表屬性, 從而影響輻射平衡、水分平衡等過程, 最終可以導致區域降水、環流形勢及大氣溫度、濕度等氣候變化[41]。整個工程區植被蒸散呈顯著增加趨勢, 植被通過蒸騰作用增加空氣濕度, 同時蒸騰作用吸收熱量起到降溫作用, 森林覆蓋度增加引起地表粗糙度的增加, 從而形成氣旋式輻合及異常的垂直上升運動, 也更容易成云致雨。Peng等[42]在分析我國西北地區降水增加時認為熱力因子(水汽變化)和動力因子(環流變化)均對西北變濕有顯著影響, 西北地區輻射變化導致篜散增強, 大氣中的水汽含量升高以及局地氣流上升運動增強, 為降水的增加提供了有利的熱力和動力環境。降水與植被覆蓋度存在顯著的相關性, 植被覆蓋度的空間變化趨勢與降水的空間變化趨勢較為一致[43-44]。此外, 森林覆蓋度增加也使地表反照率降低, 造成地表反射短波輻射明顯減少。馬迪等[45]對東亞季風區森林覆蓋度增加的研究也表明森林覆蓋度增加后, 全年平均氣溫降低, 全年平均降水增加。

人類活動和氣候變化是植被變化的主要驅動因素[46-47]。植被覆蓋變化得益于工程實施后的植被恢復和質量提升, 另一方面也可能是對全球氣候變化大背景的響應。有研究認為氣溫升高是1982年以來中國植被覆蓋增加的主要氣候因素[48], 但人類活動對中國植被覆蓋增加的貢獻比氣候變化的貢獻更大, 而且大面積植被覆蓋增加已對黃土高原的氣候變暖產生了一定的抑制作用, 植被覆蓋狀況越好、植被覆蓋增加越快, 越有利于緩解地表氣溫的上升。李應林[49]運用區域環境系統集成模式(RIEMS)模擬未來土地覆蓋/利用變化情景對我國夏季氣候的影響, 結果也表明我國北方土地利用變化能對不同地區夏季氣候產生局地和非局地氣候效應。工程區沙塵暴變化很大程度上受到植被覆蓋與相對濕度的影響[4]。崔曉等[50]研究認為工程實施以來沙塵天氣發生日數呈顯著下降趨勢, 區域植被NDVI顯著增加, 二者存在顯著相關性。通常的研究認為森林能降低風速, 穩定流沙作用[51]。然而, 有些研究認為林草對水土保持起了重要作用, 但對大范圍風的運動無任何影響[52]。從小尺度來看, 植被恢復能降低森林內部及周邊近地面風速[53], 但從大區域尺度來看, 森林降低風速是有限的。然而, 我們在工程區的研究表明風速并未出現降低, 反而有增大趨勢, 說明從大空間尺度來講, 植被蓋度或質量提升或有利于加速區域空氣流通。相反的, 如果森林植被破壞嚴重, 可能造成區域氣候要素逆向變化, 例如, 高永剛等[54]在小興安嶺的研究表明森林植被減少造成區域氣溫升高、降水減少, 風速減小。植被退化對我國區域氣候有著顯著影響, 植被退化導致溫度升高、降水(尤其是華北地區)減少, 而且大范圍植被退化還可減弱東亞夏季風環流, 從而影響季風降水的分布[55-56]。雖然工程區風速呈增大趨勢, 但研究表明工程區土壤風蝕量總體呈現下降態勢[6], 說明植被恢復和質量提升對遏制土壤侵蝕, 減少沙源起到了積極作用。

5 結論

京津風沙源治理工程實施近20年來風沙天氣得到明顯改善, 雖然近25年來工程區土地利用類型變化不大, 但工程區81.5 %區域生長季平均NDVI呈上升趨勢, 其中37.6 %區域呈顯著上升趨勢, 平均變率約為0.005 a-1, 特別是工程區南部區域; 同時, 工程區99.8 %植被區蒸散呈上升趨勢, 其中95.3 %區域呈顯著上升趨勢, 平均變率109.11 kg·m-2·a-1, 且蒸散時空格局與NDVI時空分布基本一致。工程實施前工程區氣象站點平均氣溫、極低氣溫、極高氣溫和平均氣溫距平都呈上升趨勢, 其中78%以上氣象站點平均氣溫距平呈顯著上升趨勢; 降雨量、降水距平百分率和平均相對濕度都呈減少趨勢, 其中16%的氣象站點降水距平百分率呈顯著減少趨勢; 然而工程實施后, 工程區內平均氣溫、極低氣溫、極高氣溫和平均氣溫距平呈降低趨勢, 其中24%氣象站點平均氣溫距平呈顯著下降趨勢; 降雨量、降水距平百分率和平均相對濕度呈增加趨勢, 其中22%降水距平百分率呈顯著增加趨勢。從平均風速和最大風速變率來看, 工程實施前后也有一定的變化。工程實施前工程區內82%氣象站點平均風速、92%最大風速呈降低趨勢, 其中顯著降低分別為30%、52%, 而工程實施后平均風速、最大風速呈降低趨勢的氣象站點分別下降為50%、76%。

[1] 李明志, 張學培. 實施京津風沙源治理工程的問題及對策[J]. 北京林業大學學報(社會科學版), 2004, 3(3): 76–79.

[2] 王亞明. 京津風沙源治理工程效益分析[J]. 北京林業大學學報(社會科學版), 2010, 09(3): 81–85.

[3] 張宏亮. 京津風沙源治理工程進展情況及存在問題[J]. 林業經濟, 2006, (9): 19–21.

[4] 覃云斌, 信忠保, 易揚, 等.京津風沙源治理工程區沙塵暴時空變化及其與植被恢復關系[J]. 農業工程學報, 2012, 28(24): 196–204.

[5] 吳波, 李曉松, 劉文, 等. 京津風沙源工程區沙漠化防治區劃與治理對策研究[J]. 林業科學, 2006, 42(10): 65–70.

[6] 吳丹, 鞏國麗, 邵全琴, 等. 京津風沙源治理工程生態效應評估[J]. 干旱區資源與環境, 2016, 30(11): 117–123.

[7] 嚴恩萍, 林輝, 黨永峰, 等. 2000-2012年京津風沙源治理區植被覆蓋時空演變特征[J]. 生態學報, 2014, 34(17): 5007–5020.

[8] 邱金桓, 孫金輝. 沙塵暴的光學遙感及分析[J]. 大氣科學, 1994, 18(1): 1–10.

[9] 莊國順, 郭敬華. 2000年我國沙塵暴的組成、來源、粒徑分布及其對全球環境的影響[J]. 科學通報, 2001, 46(3): 191–197.

[10] 陳玉福, 唐海萍. 近50年首都圈沙塵暴的變化趨勢及其與氣溫、降水和風的關系[J]. 環境科學, 2005, 26(1): 32–37.

[11] 邱玉珺, 牛生杰, 鄒學勇, 等. 沙塵天氣頻率與相關氣象因子的關系[J]. 高原氣象, 2008, 27(3): 637–643.

[12] 張加瓊, 張春來, 劉永剛, 等. 京津風沙源區沙塵天氣與風力、降水的時空相關性[J]. 中國沙漠, 2010, 30(6): 1278–1284.

[13] 王強, 張勃, 張志強, 等. 基于GIMMS AVHRR NDVI數據的三北防護林工程區植被覆蓋動態變化[J]. 資源科學, 2011, 33(2): 53–59.

[14] 宋慶豐. 中國近40年森林資源變遷動態對生態功能的影響研究[D]. 北京:中國林業科學研究院, 2015.

[15] 張鈦仁, 柴秀梅, 李自珍. 中國北方植被覆蓋度特征及其與沙塵暴關系[J]. 高原氣象, 2010, 29(1): 137–145.

[16] 石莎, 鄒學勇, 張春來, 等. 京津風沙源治理工程區植被恢復效果調查[J]. 中國水土保持科學, 2009, 7(2): 86–92.

[17] 高尚玉. 京津風沙源治理工程效益[M]. 北京: 科學出版社, 2012.

[18] 彭道黎. 京津風沙源治理工程監測技術[M]. 北京: 科學出版社, 2010.

[19] LOVELAND T R, MERCHANT J W, OHLEN D O, et al. Development of a land-cover characteristics database for the conterminous U.S.[J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 1991, 57(11): 1453–1463.

[20] SHI W Z, EHLERS M. Determining uncertainties and their propagation in dynamic change detection based on classified remotely-sensed images[J]. International Journal of Remote Sensing, 1996, 17(17): 2729–2741.

[21] 史培軍. 土地利用/覆蓋變化研究的方法與實踐[M]. 北京: 科學出版社, 2000.

[22] 李登科,卓靜,孫智輝. 基于RS和GIS的退耕還林生態建設工程成效監測[J]. 農業工程學報, 2008, 24 (12): 120–126.

[23] 王全會. 京津風沙源治理工程階段性評價[D]. 北京: 中國農業大學, 2005.

[24] 馮長紅. 京津風沙源治理工程區建設成效及可持續發展策略[J]. 林業經濟, 2006, (6): 35–35.

[25] 彭繼平. 京津風沙源工程進展與成效分析[J]. 中國林業, 2007, (08B): 39–39.

[26] 孟麗靜. 壩緣典型區域京津風沙源綜合治理研究[J]. 水土保持研究, 2007, 14(1): 67–68.

[27] 錢貴霞, 郭建軍. 京津風沙源治理工程及生態經濟影響解析[J]. 農業經濟問題, 2007, (10): 54–57.

[28] 郭磊, 陳建成. 京津風沙源治理工程效益評價研究綜述[J]. 中國林業產業, 2006, (3): 56–58.

[29] 胡培興. 京津風沙源成因分析與防治對策研究[D]. 南京: 南京林業大學, 2007.

[30] 國家林業局. 京津風沙源治理二期工程規劃(2013–2022年). 2013.

[31] 國家林業和草原局. 中國林業統計年鑒[M]. 北京: 中國林業出版社, 2014–2018.

[32] 王立群. 京津風沙源治理生態工程績效評估研究[M]. 北京: 中國林業出版社, 2012.

[33] FOLEY J A, RUTH D, ASNER G P, et al. Global consequences of land use[J]. Science, 2005, 309: 570–574.

[34] Zhou Wei, Li Jianlong, Mu Shaojie, et al. Effects of ecological restoration-induced land-use change and improved management on grassland net primary productivity in the Shiyanghe River Basin, north-west China[J]. Grass Forage Science, 2013, 69: 596–610.

[35] 楊艷麗,孫艷玲,王中良,等. 京津風沙源治理區植被變化的可持續性分析[J]. 天津師范大學學報(自然版), 2016, 36(2): 47–53.

[36] 李愈哲, 樊江文, 于海玲. 京津風沙源治理工程不同恢復措施對草地恢復過程的差異性影響[J]. 草業學報, 2018, 27 (5): 1–14.

[37] 張宇婷, 張振飛, 張志. 新疆大南湖荒漠區1992—2014年間植被覆蓋度遙感研究[J]. 國土資源遙感, 2018, 30(1): 173–178.

[38] 陳云浩, 李曉兵, 史培軍. 中國西北地區蒸發散量計算的遙感研究[J]. 地理學報, 2001, 56(3): 11–18.

[39] 徐麗萍. 黃土高原地區植被恢復對氣候的影響及其互動效應[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2008.

[40] 趙靖川, 劉樹華. 植被變化對西北地區陸氣耦合強度的影響[J]. 地球物理學報, 2015, 58(1): 47–62.

[41] 李巧萍, 丁一匯. 植被覆蓋變化對區域氣候影響的研究進展[J]. 大氣科學學報, 2004, 27(1): 131–140.

[42] PENG Dongdong, ZHOU Tianjun. Why was the arid and semiarid northwest China getting wetter in the recent decades?[J]. Journal of Geophysical Research, 2017, 122(17): 9060–9075.

[43] 張巖, 張清春, 劉寶元, 等. 降水變化對陜北黃土高原植被覆蓋度和高度的影響[J]. 地球科學進展, 2002, 17(2): 268–72.

[44] 陳曉光, 李劍萍, 韓穎娟, 等. 寧夏近20年來植被覆蓋度及其與氣溫降水的關系[J]. 生態學雜志, 2007, 26(9): 1375–83.

[45] 馬迪, 劉征宇, 呂世華, 等. 東亞季風區植被變化對局地氣候的短期影響[J]. 科學通報, 2013, 58(17): 1661–1669.

[46] ESSER G. Sensitivity of global carbon pools and fluxes to human and potential climatic impacts[J]. Tellus, 1987, 39B (3): 245–260.

[47] FIELD C B. Global change. Sharing the garden[J]. Science, 2001, 294 (5551): 2490–2491.

[48] 金凱. 中國植被覆蓋時空變化及其與氣候和人類活動的關系[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2019.

[49] 李應林. 植被帶的南北移動和土地利用情景對未來我國夏季氣候的可能影響[D]. 北京: 中國科學院研究生院(大氣物理研究所), 2005.

[50] 崔曉, 趙媛媛, 丁國棟, 等. 京津風沙源治理工程區植被對沙塵天氣的時空影響[J]. 農業工程學報, 2018, 34(12): 171–179.

[51] 丁一匯, 李巧萍, 董文杰. 植被變化對中國區域氣候影響的數值模擬研究[J]. 氣象學報, 2005, 63(5): 613–621.

[52] 劉巽浩. 森林生態的幾個問題[J]. 中國農業資源與區劃. 2005, 26(2): 14–17.

[53] 張一平, 何云玲, 鐘水新, 等. 岷江上游山地森林生態氣候效應[J]. 山地學報, 2005, 23(3): 300–307.

[54] 高永剛, 王育光, 溫秀卿, 等. 近43a來小興安嶺氣候變化趨勢特征及對林區生態環境的影響[J]. 黑龍江氣象, 2006(3): 8–14.

[55] ZHAO Mei, PITMAN A J, CHASE T. The impact of land cover change on the atmospheric circulation[J]. Climate Dynamics, 2001, 17(5/6): 467-477.

[56]符淙斌, 袁慧玲. 恢復自然植被對東亞夏季氣候和環境影響的一個虛擬試驗[J]. 科學通報, 2001, 46(8): 691–695.

Analysis of vegetation cover and climatic elements change in the Beijing-Tianjin sandstorm source area based on 3S technology

JI He1, ZHAO Guangshuai2,*, LIU Min2, ZHANG Xin2, CUI Wei2

1. Hubei Forestry Survey and Design Institute, Wuhan 430000, China 2. China National Forestry-Grassland Economics and Development Research Center, State Forestry-Grasssland Administration, Beijing 100714, China

In order to analyze the change of vegetation cover and climatic elements in the Beijing-Tianjin sandstorm source area, we collected land use type data, NDVI parameters, and month data of meteorology stations before and after the implementation of the project in the Beijing-Tianjin sandstorm source area. We analyzed the spatial-temporal change of NDVI and evapotranspiration by least square method in the project area. By using MK nonparametric test, we analyzed spatial-temporal variation of climate elements in the study region. The results showed that: (1) The land use type had little change in the past 25 years. There was no significant change in the vegetation cover. (2) In the past 20 years, the average variability of the growing season average NDVI was 0.005 a-1. The growing season average NDVI showed an increasing trend in 81.5% of the project area, around 37.6% of which increased significantly (< 0.05). The average variability of the vegetation evapotranspiration was 109.11 kg·m-2·a-1, vegetation evapotranspiration showed an increasing trend in 99.8% of the project area, around 95.3% of which increased significantly (< 0.05). (3) Before and after the implementation of the project, the climatic elements in the project area changed significantly. Before the implementation of the project, the average temperature showed an increasing trend. In 78% of the meteorology station, the mean temperature anomaly significantly increased about 0.01 ℃·a-1. The precipitation and relative humidity showed a decreasing trend, and in 16% of the meteorology station, the mean precipitation anomaly significantly decreased by 0.33% a-1. After the implementation of the project, the temperature showed a decreasing trend in the project area. In 24% of the meteorology station, the mean temperature anomaly significantly deceased more than 0.008 ℃·a-1. The precipitation and relative humidity showed an increasing trend, and in 22% of the meteorology station, the mean precipitation anomaly significantly increased about 0.22% a-1. In general, the sandstorm weather in the Beijing-Tianjin sandstorm source area was obviously improved after almost two decades implementation of the project because of vegetation restoration.

Beijing-Tianjin sandstorm source control project;3S; vegetation cover; climatic elements; spatial-temporal variation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.016

紀和, 趙廣帥, 劉珉, 等. 基于3S的京津風沙源治理工程區植被覆蓋和氣候要素變化分析[J]. 生態科學, 2022, 41(1): 138–148.

JI He, ZHAO Guangshuai, LIU Min, et al. Analysis of vegetation cover and climatic elements change in the Beijing-Tianjin sandstorm source area based on 3S technology[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 138–148.

S774

A

1008-8873(2022)01-138-11

2020-05-25;

2020-07-01

林業重大問題調研-青年研究課題專項(JYQNXM2017-02);“十三五”森林質量精準提升工程監測研究(2130219-011)

紀和(1986—), 女, 湖北羅田人, 碩士, 工程師, 主要從事林業工程評價研究, E-mail: 5064581@163.com

趙廣帥, 男, 博士, 高級工程師, 主要從事生態工程監測與評估研究, E-mail: zhaogsh@126.com