秦岭山地对气溶胶的生态屏障效应

孟清, 白红英, 赵婷，郭少壮，齐贵增

(1.西北大学城市与环境学院，西安 710127； 2.西北大学陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，西安 710127)

0 引言

陆地表层自然环境要素及其之间的相互作用是自然地理系统形成与演化的主要驱动力之一，即格局对过程的影响[1]。山地的屏障作用对区域自然环境的塑造，尤其是对大气环流和生态环境有着重要的影响作用。学者们对于平行岭谷的阻隔效应开展的研究较多，对自然要素的影响主要包括季风[2]、温度与热量[1]、降雨[3]、植被动态变化[4-5]和孢粉[6]，涉及人文要素相对较少，例如对建设用地格局演变的研究[7]。高登义[8]探讨了喜马拉雅山脉和横断山脉的山地屏障作用对降水分布和气候自然带的影响； 孟小绒[9]分析了秦岭山地的强阻挡作用对预报降雪准确性的影响； 陈志超等[10]研究了伏牛山对水热等自然地理要素的阻隔作用。阻隔作用下的区域生态效应已经成为山地生态学研究的热点之一[11-12]。

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系； 大气气溶胶粒子通常包括烟粒、尘埃、盐粒、水滴、冰晶、微生物、植物的孢子和花粉等[13]。大气气溶胶粒子通过对太阳辐射的吸收与散射改变地面接收的太阳辐射能从而缓解全球增温现象[14-18]； 另一方面，气溶胶粒子作为云的凝结核通过改变云的微物理特征和变化周期，间接地影响气候[19-21]。此外，气溶胶与酸雨和雾霾等环境问题都与气溶胶密切相关[22-24]，且严重危害人类健康。气溶胶光学厚度(aerosol optical depth，AOD)是气溶胶的重要光学特性之一，其为气溶胶的消光系数在垂直方向上的积分[25]。目前，对于气溶胶的观测，卫星遥感具有连续、动态、宏观和快速等特点，能够弥补地面观测无法获取连续时空分布特征的缺点[26]。He等[27]采用MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)数据研究了长江流域气溶胶的年际变化及其驱动因素。刘状等[28]利用MODIS MOD08M3产品反演了中国北方7个省(地市)气溶胶的时空分布特征； 吴国雄等[29]分析了气溶胶与东亚季风的相互影响，发现东亚季风强弱对气溶胶的输送和浓度分布有明显的影响； 张亮林等[30]基于MODIS数据研究了中国AOD的时空分布特征，指出胡焕庸线以东为AOD高值区，以西为低值区。俞海洋等[31]利用MODIS对北京及周边区域大气气溶胶的时空变化特征进行了分析，并对影响气溶胶的关键气象因素进行了探讨，研究发现气溶胶光学厚度在夏春季大于秋冬季，而且春季相对湿度是影响气溶胶光学厚度的重要因素，同时低风速和南风也是造成气溶胶光学厚度高值的原因之一。徐小红等[32]和戴进等[33]研究了气溶胶对秦岭山脉地形云降水的影响，结果表明气溶胶的增加抑制了地形云降水。杜川利等[34]研究了气溶胶和城市热岛效应对秦岭地区近50 a气温序列影响，结果表明气溶胶对秦岭气温冷却幅度为0.21 ℃/10 a。

秦岭山地横亘在中国中部，作为南北分界线，秦岭山地相对高差达3 000 m，地面起伏度较大，地形上南坡缓长，北坡陡峭，且南北麓的自然景观和人文景观都呈现出迥然不同的状态，且北麓城镇化水平较高，本文以位于陕西的秦岭腹地为研究对象，借助Terra/MODIS MOD04_3k气溶胶光学厚度产品，对秦岭山地南、北麓AOD的时空分布规律及其与地形的关系进行研究，旨在揭示秦岭山地对大气气溶胶分布的阻隔作用及其地形效应，从而为气候变化研究及环境治理等提供理论支撑和科学依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

本文研究区为位于陕西省境内的秦岭腹地[35]，在32°40′N～34°35′N，105°30′E～111°3′E之间，总面积约6.19万km2，约占陕西省总土地面积30%，如图1所示。秦岭山地大体上与1月0 ℃等温线、800 mm等降水量线基本一致，也是长江与黄河两大流域的分水岭。秦岭山地北仰南俯，海拔范围在195～3 771.2 m，其中>1 500 m的山地面积为1.46×104km2； >2 000 m的面积为3 675.5 km2； >3 000 m的面积为130.23 km2。秦岭北坡位于关中平原南部地区，主要包括宝鸡、西安和渭南大部分县区； 秦岭南坡位于秦巴山之间，跨越商洛、安康和汉中等地区[35]。截至2015年底，秦岭北部地区总人口约2 280万，生产总值11 223.61亿元； 秦岭南部地区人口约为844.55万人，生产总值2 459.12亿元[36]。秦岭山地水量充沛，年均降水量约为825 mm，北坡平均降水量为737.25 mm，南坡平均降水量为847.37 mm[37]。秦岭山地植被覆盖度良好，植被覆盖率达84%，北坡为75%，南坡为86%，秦岭南北坡均以高植被覆盖为主[38]。秦岭山体庞大，对冬季西伯利亚寒流和夏季太平洋湿润的水汽具有明显的“阻隔作用”，使得中国南北出现了不同的气候型和植被类型[39]，北坡属于暖温带半湿润气候，广泛分布暖温带落叶阔叶林； 南坡为北亚热带湿润气候，分布着北亚热带常绿阔叶—落叶阔叶混交林，特殊的地理位置，使秦岭山地成为全球生态环境变化的敏感区。

图1 秦岭的地理位置Fig.1 Location of the Qinling Mountains

1.2 数据源

搭载于Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)，是目前气溶胶探测的一个重要仪器，MODIS探测仪可以提供从可见光、近红外到远红外共计36个通道的探测资料，具有较高的空间分辨率，扫描宽度为2 330 km，可为陆地、海洋、大气、气溶胶及云的观测提供高分辨率的检测产品，目前已经得到广泛应用。在本文中选用的气溶胶光学厚度资料来源于NASA最新发布的Terra/MODIS MOD04_3k产品，时间序列自2002年1月至2017年12月，空间分辨率为3 km×3 km，数据获取自https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/网站。数字高程模型(digital elevation model，DEM)，分辨率为25 m×25 m。

2 研究方法

1)山地与平原的地形特征主要区别在于其高程和坡度两个关键性指标[40]。因此本文在国际UNEP-WCMC(联合国环境规划署-世界保护监测中心)对山地划分标准的基础上，考虑到中国山地的复杂多变，各地区山地类型差异较大，并结合秦岭地区的实际环境[41]，植被覆盖率和农作物生长情况，将秦岭地区的平原和山地划分依据如下： ①海拔<600 m，坡度<5°的区域为平原地区； ②海拔在600～1 000 m之间的区域为低山地区； ③海拔在1 000～2 500 m之间的区域为中山； ④海拔在2 500～3 771.2 m的全部区域为高山。

2)核密度估计法(Kernel density estimation, KDE)，是一种用于估计概率密度函数的非参数方法，是由Emanuel Parzen在1962年提出的[42]，又名Parzen窗(Parzen window)。核密度估计法的公式为：

(1)

式中：K为核函数(非负、积分为1，符合概率密度性质)，h>0为一个平滑参数，称为带宽，也有人叫窗口。核密度估计的目的是给定一组样本量大的数据，估计出该数据总体的概率密度函数。核密度估计法能有效地表达高密度二维散点图的空间分布特征，针对一般散点图难以辨别变量分布的集中度[42]。在本文中用来分析秦岭地区AOD集聚中心的分布情况。

3 结果与分析

3.1 秦岭山地南北麓年均AOD时空变化

2002—2017年，秦岭南、北麓AOD逐年均值时空分布如图2和表1所示。由图2、表1中可以看出，16 a来AOD在南、北麓时空上变化差异显著，秦岭北麓年均AOD值均高于秦岭南麓，表现出秦岭山地对气溶胶的生态屏障作用。大多数年份且在秦岭地区AOD整体较高的年份，高值均出现在秦岭北麓的关中城市群，关中城市群位于秦岭山地和渭北山系间，此区域处于经济发达、人口密度大，为四周高、中间低的地形，导致气溶胶不易扩散，而且有研究表明AOD高值中心一般分布在人口聚集、经济发达和海拔较低的地方[43-44]。另外，由图1还可以看出，秦岭山地的年均AOD分布还与地形明显相关，除了北麓关中盆地是AOD的高值区，在南麓低海拔的汉中盆地亦出现了AOD高值区。由此可见，AOD的分布除了具有纬向差异还与地形有关。

表1 秦岭南、北麓2002—2017年年均AOD对比Tab.1 Comparison of annual average AOD between2002 and 2017 over the southern and northernslopes of the Qinling Mountains

3.2 秦岭生态屏障效应下AOD的分布特征

由于秦岭山地南、北麓的空间异质性，为了更进一步研究秦岭山地对AOD的阻隔作用，分别提取秦岭山地从西到东沿不同经度(107°E，108°E，109°E和110°E)下大气气溶胶及海拔沿纬度的变化，由于秦岭山脊线是一条东西向波动的线，特选出每条经度与之交点，以此进行南北对比分析，结果如图3所示。从图3可以看出，秦岭山地南坡缓长，北坡陡峭，南、北麓AOD波动较大，从极值、均值和南北麓相同海拔的AOD值来看，AOD在不同经度上基本表现出“北高南低”的特点。

从极值来看，秦岭山地从西向东不同经度上，北麓的AOD极大值在升高，南麓的极大值在减小。就均值来看，除了107°E，秦岭南、北麓的均值均为0.23外，108°～110°E的AOD在南、北麓上存在差异性，北麓均值分别为0.27，0.47和0.47，南坡均值分别为0.24，0.25和0.25，由此可见，AOD均值亦存在“南高北低”的特点。为了更进一步的研究AOD在秦岭山地南北麓的差异性，分别选取秦岭山地南北麓所有海拔相同上的AOD值进行对比分析，见表2。由表2可知，相同海拔上南北麓的AOD值亦存在差异性，在19个采样点中有15个AOD值北麓高于南麓，分布在山地西部(107°E和108°E)的高海拔区处(1 200 m)，有4个值南麓高于北麓，分布在山地东部(109°E和110°E)，北坡AOD均高于南坡。综上所述，秦岭山地经度上从西到东，AOD值基本表现为北麓高于南麓，此外，AOD值均与海拔密切相关。

表2 秦岭山地南北坡相同海拔沿不同经度的AOD值对比Tab.2 Comparison of AOD values along differentlongitudes at the same altitude on the northernand southern slopes of the Qinling Mountains

3.3 秦岭山地AOD与地形的关系

3.3.1 秦岭山地AOD随海拔的变化规律

秦岭山地相对海拔差异较大，为研究秦岭山地AOD随海拔的变化规律，使用ArcGIS10.3提取2002年1月至2017年12月16 a来秦岭山地不同海拔梯度上的AOD值，结果如图4(a)所示。从图4(a)可以看出，秦岭山地16 a来大气气溶胶光学厚度在海拔上表现差异显著，随着海拔的上升，AOD呈对数下降趋势。运用滑动T检验法对AOD随海拔变化进行突变分析得知，突变点位于海拔2 000 m左右，对趋势方程求导后得到AOD随海拔的变化速率图4(b)，由图4(b)可知，在海拔2 000 m以下，AOD呈显著地加速下降趋势(p<0.01)，速率为0.001/1 000 m； 在海拔2 000 m以上，AOD呈显著匀速下降趋势(p<0.01)，速率几近为0。

(a) AOD随海拔的变化规律

(b) AOD随海拔变化速率图图4 16 a间秦岭山地AOD随海拔的变化规律Fig.4 Variation of AOD with Altitude over theQinling Mountains during 16 Years

3.3.2 秦岭山地AOD与地形的关系

AOD的分布除了具有南北差异和经向差异，还受地形、坡度和坡向影响，因此将秦岭地区按照海拔和坡度分级分为平原、低山、中山和高山4种地形，如图5所示，平原地区主要为秦岭北麓的关中盆地、南部的汉中盆地和安康盆地3大区域； 平原和低山的面积分别占秦岭地区总面积的16%和25%，中山面积分布较广，约占秦岭地区面积的58%； 高山面积分布较少，只占1%。利用ArcGIS10.3和核密度估计法提取出秦岭地区不同地形下的空间密集中心，如图6所示。从图6中可以得知，AOD密集中心在秦岭山地不同地形下分布差异较大。平原区的集聚中心分布在海拔330～420 m处，集聚中心约79%的值集聚在0.35～0.71之间，并且在330～340 m之间出现了高值集聚中心(AOD=0.7)，此海拔多为秦岭南、北麓城市群，故此处人口较密集； 低山区的集聚中心分布在海拔900～1 000 m处，集聚中心约79%的值集聚在0.15～0.32之间； 中山区的集聚中心在海拔1 000～1 400 m处，集聚中心约60%的值集聚在0.19～0.3之间，此3种地形下，AOD均呈雾状分布； 高山区AOD呈零星点状分布无集聚中心。

图5 秦岭地区地形分类图Fig.5 Topographic classification Mapover the Qinling Mountains

3.3.3 秦岭山地AOD与南北坡地形的关系

为了进一步分析秦岭山地南北坡地形与AOD的关系，本文将分别分析南坡和北坡海拔和AOD的关系。如图7所示，秦岭山地北坡的AOD聚集中心(AOD=0.6)分布在海拔500 m处，而秦岭南坡AOD的聚集中心(AOD=0.22)分布在海拔1 100～1 200 m处。此外，从图7中还可以得知，随着秦岭北坡海拔的升高，AOD值呈“对数型”曲线下降； 而南坡的下降趋势表现不明显。

4 结论

本文基于Terra/MODIS MOD04_3k遥感产品研究了秦岭山地对大气气溶胶光学厚度的生态屏障效应及其与地形的关系。主要结论如下：

1)2002年1月至2017年12月16 a来秦岭北麓年均AOD值均高于秦岭南麓，高值均出现在秦岭北麓的关中城市群； AOD的扩散具有明显的纬向性特征，作为一种生态屏障，对大气气溶胶的扩散具有明显的阻隔作用。

2)秦岭山地AOD表现出南北差异较大。不论秦岭南、北麓AOD的极值、均值和相同海拔处的AOD都表现出“南低北高”的特点，同时，秦岭山地AOD与海拔表现出明显的负相关关系。

3)AOD随海拔的分布规律表现在： AOD随海拔上升呈现对数下降趋势，在海拔2 000 m以下，AOD呈显著的加速下降趋势，速率为0.001/1 000 m； 在海拔2 000 m以上，AOD呈显著地匀速下降趋势，速率接近为0。

4)AOD在秦岭山地不同地形下分布差异较大。平原区的集聚中心分布在海拔330～420 m处，集聚中心约79%的值集聚在0.35～0.71之间，并且在330～340 m之间出现了高值集聚中心； 低山区的集聚中心分布在海拔900～1 000 m处，约79%的值集聚在0.15～0.32之间； 中山区的集聚中心在海拔1 000～1 400 m处，约60%的值集聚在0.19～0.3之间； 高山区AOD呈零星点状分布无集聚中心。AOD集聚中心在秦岭北坡的海拔分布比南坡低，北坡AOD集聚中心值高于南坡。AOD随着秦岭北坡海拔升高而呈对数下降趋势，南坡下降趋势不明显。

以上结论表明，由于秦岭山地的阻隔作用使得对AOD产生明显的生态屏障作用，另一方面，AOD受地形影响，在海拔2 000 m以下表现得最为密集，应在此区域加强气溶胶的监测与环境的治理工作。