干旱抵消生态恢复方案引起的京津 沙源地区植被变化的增加外文翻译资料

 2022-12-22 05:12

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本科生外文翻译

题 目 干旱抵消生态恢复方案引起的京津

沙源地区植被变化的增加

ENVIRONMENTAL SCIENCE amp; TECHNOLOGY

干旱抵消生态恢复方案引起的京津

沙源地区植被变化的增加

Zhitao Wu,Jianjun Wu, Bin He, Jinghui Liu, Qianfeng Wang, Hong Zhang, Yong Liu

北京师范大学地球表面过程国家重点实验室和资源生态，北京，100875，中国

山西大学黄土高原研究所，太原，030006

北京师范大学全球变化与地球系统科学学院，北京，100875

中国科学院地理科学与自然资源研究所，北京10010

摘要：中国政府为改善生态条件实施了“三北防护林工程”、“退耕还林工程”和“京津风沙源治理工程”在内的六大生态恢复工程。在工程期间，这些生态脆弱区域经历了频繁的干旱。然而，很少有人注意到干旱是否对这些生态工程项目存在影响。本研究以京津风沙源地区为研究区域，考察了干旱和生态恢复项目对植被变化趋势的影响，并探讨了“干旱信号”在评估生态恢复项目中的作用。结果表明: (1)在2000-2010年期间，北京遥感区域中心的植被变化增加，58.44%的研究区域归一化植被指数增加，其中11.80%的区域存在0.95置信水平以上的显著增加。归一化植被指数存在下降趋势的区域主要集中在研究区西南至东北一带。(2)在区域级别的空间尺度上，干旱是西南至东北地区植被变化减少的主要驱动力。2007年和2009年的夏季干旱造就了归一化植被指数的下降趋势。夏季出现的严重干旱和极端干旱分别使归一化植被指数减少了约13.06%和23.55%。(3)残差分析结果表明，人类活动特别是生态恢复方案，对植被变化有积极影响。因此，京津风沙源地区西南至东北地区的下降趋势不能用不当的生态恢复计划来解释，其部分原因是干旱，特别是夏季干旱。因此，干旱抵消生态恢复计划是有益于京津风沙源地区植被变化增加的。

  1. 引言

在过去的三十年里，中国境内严重的生态问题正在增加，如沙漠化、沙尘暴、土壤侵蚀和野生动物栖息地丧失[1-2]。为了改善中国的生态环境条件，中国政府启动了“三北防护林工程”、“京津沙源治理工程”和“退耕还林工程”在内的六项大规模生态修复工程[3-6]。这些大规模项目的实施改变了中国的生态环境。植被变化在一定程度上反映了生态环境的变化[7-8]。1982年到2010年期间，中国的植被变化呈上升趋势，这主要归功于大规模的植树造林[9-10]。此外，在干旱和半干旱地区，植被生长活动对降水过少或过量都非常敏感[11-14]，因而干旱对植被变化有显著影响[15-16]。近年来，三北防护林工程区、京津沙源地区等生态脆弱区域频繁发生干旱，而我们尚不清楚生态恢复方案和干旱对这些生态脆弱区域植被变化的影响。

此外，关于中国国家生态恢复计划的有效性也一直存在争议。一方面，许多中国研究人员和政府官员声称，生态恢复计划已经成功地治理了沙漠化和沙尘暴[17-19]。另一方面，一些专家达成共识，在半干旱和干旱地区实施的生态恢复计划效果可能不会很好[20-22]。Cao进一步指出，植树造林会导致生态系统恶化和土壤进一步风蚀[23]。然而，目前还不清楚这些生态脆弱区植被变化减少趋势是否确实是不当生态恢复规划的结果。此外，我们还不确定用干旱评估这些计划有效性是否准确。在评估生态恢复项目的效益时，是否应该考虑到我们还不清楚干旱对植被变化的影响。

为了回答这些问题，本研究选择了京津风沙源地区作为研究区域。自2001年起，中国政府实施了六大生态修复工程之一的京津沙源治理工程。我们选择这一研究区域的原因如下：首先，植被变化增加趋势已经报道了。有趣的是，在过去的十年里植被变化并没有明显的增长趋势[24]。其次，京津风沙源地遭受严重干旱。例如，2009年，京津风沙源地的几个省份(山西、河北和北京)遭遇了一场持续严重的干旱影响[25-26]。三是京津防沙治沙工程将于2010年底竣工，有必要对该工程的效果进行评估。

本研究旨在探讨干旱与生态恢复工程对植被变化趋势的影响，并探讨干旱指标在评估北沙岭地区生态恢复计划成效时可能存在的问题。首先，利用2000 - 2010年MODIS NDVI观测值和1952 - 2010年的降水资料，采用年、季、月尺度线性回归算法对京津风沙源地地区NDVI和标准化降水指数(SPI)的时空变化进行了表征。其次，分析了干旱对植被变化的影响，估算了特定干旱年份不同区域干旱对植被变化的影响程度。最后，我们将分开探讨极端干旱和生态恢复项目对NDVI的影响，以解决在评估生态恢复项目有效性时可能存在的“干旱指标”问题。

  1. 数据与方法
    1. 研究区

京津风沙源地西邻内蒙古大毛旗，东邻河北省平原县，南接山西省戴县，北接内蒙古东乌吉琴旗(图1a)。该区域的地理坐标为东经109度30分至119度20分和北纬38度50分至46度40分。北京、天津、河北、山西、内蒙古等省有75个县(旗、市、区)，总面积45.8万平方公里。区域位于东南，是海河平原的一部分；该地区西部、西北部、北部均位于内蒙古高原中部，地貌自西向东呈下降趋势；这些山脉位于平原和高原的中部，包括北部的太行山和燕山，以及南部从西南到东北的大兴安岭山脉。浑善达克沙地和科尔沁沙地位于中东部地区。该地区地形的变化导致了气候的差异，共存在两个气候带和五个气候区。该地区的年平均气温在4到7.5摄氏度之间。全年总降水量为250毫米至470毫米。[27]

为了评估生态恢复方案的效益，Gao将京津风沙源地划分为8个分区[27]：荒漠草原分区(荒漠草原); 典型草原(典型草原); 浑善达克沙地(浑善达克); 南部大兴安岭南山脉(大兴安岭南); 科尔沁沙地(科尔沁); 农牧交错带(农牧交错带); 晋北山区(晋北)和燕山水源保护区(燕山)。这些分区是根据京津风沙源地的复杂气候、地貌土壤和植被来定义的。在本文中，我们采用了相同的分区（图1）。

图1. 研究区

    1. 数据集

NDVI月数据来自NASA地球观测系统MODIS，其空间分辨率为1公里，时间覆盖2000年至2010年。MODIS月尺度NDVI数据采用最大值复合(MVC)方法，最大限度地降低了云干扰、大气效应和太阳天顶角效应[28]。与Stayback和Wang一样，本文采用0.05的NDVI阈值排除裸地和疏生植被区[28-29]。1952年到2010年间，中国国家气象中心共采集了分布在北沙河沿岸的28个气象站的月度降水和气温数据(图1)。

    1. 标准化降水指数（SPI）

在本研究中，我们使用McKee公司开发的标准化降水指数(SPI)来评估干旱事件[31]。SPI的计算方法是将历史降水数据拟合为特定时段和位置的伽马概率分布函数，将伽马分布转化为均值为0、标准差为1的正态分布。基于SPI的干旱分类如表1.32所示，我们使用了1个月、3个月和12个月的SPI分别表示每月、季节和每年的干旱情况。有关计算SPI的更多信息显示在支持信息(SI) (SI text S1)中。

表1 干旱等级分级

SPI

等级

minus;1.00 lt; SPIle; minus;0.5

轻度干旱

minus;1.50 lt; SPI le; minus;1.00

一般干旱

minus;2.00 lt; SPI le; minus;1.50

严重干旱

SPI le; minus;2.00

极度干旱
    1. 方法

采用线性回归方法对时间序列趋势进行检测和分析。回归曲线的斜率表示被研究变量的平均时间变化，如NDVI和SPI。正斜率表示上升趋势，负斜率表示下降趋势[34-36]。

利用残差分析方法分离了干旱和人类活动对NDVI的影响。首先，我们对每个像素进行了年度SPI和年度NDVI之间的线性回归计算。通过描述期望NDVI的线性回归，计算每个像素的观测NDVI与预测NDVI的回归差值。这些差异被称为残差，表明植被的变化响应不是由于干旱的影响。负残差表示人为退化的区域，正残差表示人为改善的区域。本文研究了2001 ~ 2010年的残差和，分析了人类活动对植被动态的影响。

  1. 结果
    1. 植被变化和SPI的时空变化趋势
      1. NDVI和SPI的区域趋势。

利用NDVI和SPI分别对京津风沙源地的植被和干旱条件进行了表征。NDVI在过去11年呈现出复杂的年际变化，总体呈每年0.0006 的增长趋势(R = 0.16, P=0.65)(图2a)。但NDVI的总体上升趋势无统计学意义。具体而言，NDVI在第一阶段(2001 - 2005)呈上升趋势，而在第二阶段(2006 - 2010)则出现波动，在2008年达到峰值，2009年达到低谷。2007年和2009年数值较低可能是导致京津风沙源地NDVI呈非显著增长趋势的原因之一。与年NDVI趋势相似，2000年至2010年的平均年SPI呈现出每年0.031 的增长趋势(图2a)。SPI也没有显著的变化趋势(R = 0.13, P = 0.71)。SPI的增加与NDVI的增加是一致的。在2003年、2004年、2008年和2010年，NDVI相对较高，与SPI峰值一致。与此同时，2001年、2007年和2009年的NDVI极小值与这些年来的SPI极小值相对应。此外，从年度角度来看，我们发现，若参考12个月合成SPI(SPI lt; -1)，整个京津风沙源地有5个干旱年(2000年、2001年、2005年、2007年和2009年)(图2a)。显然，研究区域在2009年经历了严重的干旱。与此同时，2009年也是11年来NDVI最低的一年。

此外，我们还分析了近11年来京津风沙源地中1个月尺度SPI和生长期NDVI (3 - 11月)的年际变化异常(图2b)。SPI波动规律与NDVI波动规律较好吻合。从区域来看，负月度NDVI异常主要是由干旱引起的，特别是在2007年和2009年的生长期中后期。因此，干旱可能是京津风沙源地地区NDVI下降的主要原因

图2. 2000-2010年NDVI和SPI的年际变化和月NDVI异常和月SPI

      1. NDVI和SPI的空间分布趋势。

区域平均NDVI和SPI的年际变化不能在空间尺度上反映真实的植被和干旱状况。京津风沙源地NDVI变化趋势表现出明显的异质性(图3a)，主要体现在燕山、陕北、大兴安岭南部、科尔沁南部、荒漠草原和西南典型草原(绿色)的大部分区域。而NDVI的下降主要发生在农牧交错带的大部分地区(位于研究区西南)、浑善达克南部(位于研究区中心)、大兴安岭北部和典型草原东南部(位于研究区东北)。这些NDVI呈下降的区域主要集中在研究区(红色)的西南-东北带。据统计，在过去的11年中，NDVI增加了58.44%，其中11.80%在0.95显著水平以上。此外，我们发现只有2.48%的总研究区域在0.95显著水平上有显著下降。

年SPI趋势的空间格局在2000 - 2010年也表现出较大的变动(图3b)， 京津风沙源地的大部分区域呈上升趋势(绿色)，部分区域呈下降趋势(红色)。同样，NDVI和SPI在2000年到2010年间的趋势也非常吻合。研究区SPI的下降趋势主要在西南-西南向带内。

为了进一步评估NDVI和SPI趋势之间的关系，从28个气象站提取了NDVI和SPI的变化趋势。28个气象站的NDVI趋势与SPI趋势呈显著正相关(p = 0.001)(图3c)。

为了分析干旱对NDVI趋势的影响，逐像元计算NDVI与SPI的相关系数(图3d)。大部分地区NDVI与SPI呈显著正相关，说明干旱对西南-东北地区NDVI下降的可能影响。图3d中相关系数为0.

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