气候变化背景下土地覆被响应冰川消融研究——以西藏山南地区为例

邢 婕

（河海大学公共管理学院，南京 210000）

由于自然和人为因素，全球变暖［1，2］，影响人类健康［3］。冰川变化反映气候变化［4］。中国冰川面积变化显著，1961—2006年平均每年的冰川融化径流量达到630亿m3［5］。学者以地球遥感影像为基础，探究冰川数量、冰川和气候的变化、内陆高原冰川变化差别等，国内多以喜马拉雅山、天山等大陆型或极大陆型冰川分布地区为研究对象［6］，有关西藏中部和南部的冰川研究报道较少；已有研究多集中在土地资源及水资源等单一层面，融水引起土地覆被变化的研究较少。本研究将气候、冰川、区域土地覆被三元素组合，研究冰川融化对土地覆被的影响，为高原寒区土地利用类型规划、生态环境保护、生态经济协调性发展提出建议［7］。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

山南地区位于西藏自治区南部，青藏高原冈底斯山-念青唐古拉山脉以南的雅鲁藏布江中下游，东经90°14′—94°22′，北纬27°08′—29°47′，面积79 254 km2，是古老文明发祥地；北接拉萨市，东与林芝市相连，西与日喀则市相邻，南与印度、不丹两国接壤，是中国西南边陲的战略要地。研究区域见图1。

图1 研究区域

1.2 数据来源

1）气象数据。气象数据来源主要为山南市泽当镇气象站的资料，时间为1985—2015年，包含每年的平均气温、每月的平均气温、最高气温、最低气温和每年的降水量。

2）土地覆被数据。土地覆被数据来源主要为山南市乃东区自然资源局编制的土地利用规划（2000—2018年）及土地利用现状表。

3）社会经济数据。社会经济数据来源主要为山南市统计局编制的山南市2000—2018年统计年鉴及山南市2000—2018年各乡镇统计报表。

1.3 研究方法

1）相关性分析。相关性分析确定要素之间的联系，分析两者及两者以上的多个因素的关系，采用Pearson相关系数。其计算公式为：

式中，r为相关系数，X、Y为相关变量，，N为样本数。

2）线性回归分析。线性回归衡量大于等于两方面的存在相互依赖性质的变量关系。构建草地面积与归一化植被系数的线性回归模型为：

式中，Agrass为草地面积，N为归一化差异植被指数（NDVI）。

在0～6℃冷却间使产品冷却至产品中心温度在8℃以下,然后产品用真空包装机包装成符合要求的规格，包装后的产品装箱并入库。

3）构建水文地质概念模型分析。根据水文和地质特点构建出相应的水文地质概念模型，利用HydroGeoSphere软件进行推论。应用模型分析气候变化和土地使用对地表和地下水的影响，研究土地覆被变化对冰川融化水的响应过程。

将地表水模型和地下水模型使用双重节点建立联系，将平面二维性的地表水模型放置于地下水模型上方，对2个模型进行时间、空间离散。地表水模型节点与地下水模型顶部节点空间坐标完全相同，保证模型联合后表层节点既有地表水属性，也有地下水属性，地表水节点可以和对应的地下水节点进行水力联系［8］。

阐释两者之间的水流交换使用达西流关系，具体公式为：

式中，d为地表水与地下水的耦合长度；QSG为地下水与地表水交换通量；kro为上游节点的相对渗透率；Kso为地下水表层介质的渗透系数；h为地下水水头；hs为地表水水头。

水文地质参数取值见表1。

表1 水文地质参数取值

2 结果与分析

2.1 气候变化驱动冰川消融过程

选取冰川面积作为代表冰川变化的研究变量。研究中发现相对湿度、蒸发量和气温、降水四者改变趋向一致，为简化研究过程，用气温、降水代表气候。相关性分析结果见表2。

表2 冰川面积与气候要素的相关性分析

2.2 冰川消融驱动土地覆被变化过程

雅砻河发源于山南东南部的雅拉香布雪山，流经山南地域。根据研究区域距雅拉香布雪山的距离，将研究区域在横向尺度上划分为3个区域，分别是距离冰川最近的上游冰川边缘纯牧区，中间位置的中游农业区，距离冰川最远的下游快速城镇化区。

2.2.1 上游冰川边缘纯牧区 用NDVI分析冰川和草地面积间的相关性（表3），探究冰川融水对土地覆被造成的影响。

表3 相关性分析结果

通过相关性分析，可知植被归一化指数和冰川面积为正相关关系，相关系数为0.583，并且在0.05水平显著相关。说明NDVI随着冰川面积的缩小相应也会减少。

建立NDVI和冰川面积的关系，如图2所示。冰川面积与NDVI呈倒“U”形。即当冰川开始消融，NDVI呈现短暂的快速增长趋势，但随着冰川面积减少到一定程度，NDVI达到最高值后，随着冰川消融的加剧，冰川融水也随之减少，NDVI指数继续下降最终趋于稳定，植被的生长情况也在逐渐退化。

图2 冰川面积与NDVI关系

NDVI直接体现植被生长的环境，由图3可见，草地面积与NDVI呈正相关关系，NDVI与冰川面积呈正相关关系，因此冰川面积与草地面积也呈正相关关系。

图3 草地面积与NDVI线性回归模型

通过相关性分析可知草地面积和冰川融水呈正相关关系（表4），相关系数为0.672，并且在0.05水平上呈显著相关，说明草地面积随着冰川融水的减少相应也会减少。

表4 冰川融水与草地面积相关性分析

NDVI逐渐降低，说明植被生长区域气候环境一直处于恶化且逐渐加深恶化程度，温度上升和降水减少等气候变化导致冰川消融，进而造成冰川面积缩小，冰川融水也逐年减少，对空中水的补给减少，对草地水补给也相应减少。同时河流径流量变少导致水热通量减少，草地水源涵养补给减少，净生产力下降，NDVI减少，即植被盖度降低，草地生态系统功能变差。本就生长困难的植被会更加难以生长，甚至原有的植被会发生退化，部分草地变成荒地，导致草地面积下降，载畜量随之减少。又因为单位面积草地承载力的降低，政府为做好保护草原的工作实行草原保护政策，只能压缩牲畜量，这样会造成牧业活动减少，牧业收入缩水，牧民们放弃放牧业而外出务工，劳动力向下游转移情况增多。

2.2.2 中游农业区 运用水文地质模型对中游农业区进行分析。将地表水边界状况、土地利用的类别、源汇项等进行概化，构建地表水概念模型。将地下水边界条件、河流径流量、源汇项等进行概化，构建地下水概念模型。源汇项包括年均降水量、蒸发量、地表水入渗量、灌溉入渗量，具体见表5。

表5 源汇项概化

由表5可见，降水量年均316 mm，有效利用的降水量仅200 mm；蒸发量年均550 mm，有效利用的蒸发量仅103 mm；地表入渗量3 629 mm，有效利用量1 913 mm；灌溉入渗量2 875 mm，有效利用量1 560 mm。有效利用水量占比不高。

分析2000、2010、2018年不同深度地表水向下转移量（表6）。地表水向地下水转移量较多，且随着深度增加，向下转移量减少，部分水分被土壤、植物吸收。各深度的地层，地表向地下转移的水量都呈随年份增加而减少的趋势，印证了冰川融水减少，导致地表向地下补给水减少。

表6 地表向地下转移水量

自然降水与农作物需水耦合度较低，在不引水灌溉的情况下，农作物普遍处于水分亏缺状态，自然降水无法满足作物对水分的需求，只能通过灌溉填补农作物用水空缺。

灌水量由有效降水量和人工浇灌水量组成，雅砻河流域农业灌溉主要依靠地表径流。对于地势相对高的劣等地（基本农田除外）来说，冰川融水减少，地表径流也相应减少，灌溉旺季（春季）灌溉水供给不足，而低等级用地灌溉成本较高，灌溉条件达不到日常所需。分析主要农作物用水供需情况（图4），作物需水量（900 mm）高于有效降水量（200 mm）与地面径流补给量（600 mm）的和，故无法得到有效灌溉。

图4 主要农作物用水供需情况

无法得到有效灌溉会导致粮食等农作物种植面积减少，总产量和单位面积产量下滑，农田弃耕，耕地会变为荒地或未利用地，耕地总面积减少。又因农业收入下降，农民弃耕，种植业劳动力需求减少，外出务工人员增多，劳动就业结构发生一定改变；而对于分布在河谷的设施农业（基本农田）等灌溉条件较好的土地来说，水利设施经过修缮，灌溉用水更多，单位面积产量得以上升，农作物总产量也略有提高，但会挤压普通农业用水，在一定程度上容易形成恶性循环。

2.2.3 下游快速城镇化区 城镇化形成是一个复杂的过程，经济状况占据主导地位。经济发展模式的多样化会有效带动地区发展和产业调整，城镇化发展离不开制度的变化、历史底蕴及行政政策的制定和改变［10］。山南市城镇化率达16%，镇域空间全新打造，形成以乃东为中心区域，周边县城作为支撑，环绕特色城镇的网状城镇结构。山南市泽当镇处流域下游地段，经济发展相对迅速，社会发育程度高，人口聚集能力强，成为快速城镇化区。上游冰川边缘纯牧区和中游农业区因草地和耕地的减少而发生人口和产业的重大变化，从事农牧业的人口减少，农业行业发展速度减缓，其他产业逐渐发展起来，农牧民再就业多从事二三产业，人口逐渐往下游快速城镇化区转移，导致下游建设用地扩张，产业用水随之增多。因接纳上游人口转移，生产生活用水增加，造成水资源短缺，加上对地表径流利用过度，河川径流量减少，河水逐渐干涸，流入雅鲁藏布江水文站测得的径流量减少，用水矛盾更为突出。

2.3 土地覆被结构变化趋势

研究区域2000—2018年在气候变化背景下冰川消融导致土地覆被发生变化的影响路径见图5，冰川融水对土地覆被结构造成一定影响。

图5 气候变化背景下冰川融水对土地覆被影响路径

用ArcGIS软件对2000、2005、2010、2015年和2018年遥感影像进行分析，得到山南地区土地利用类型空间分布（图6）。2000—2018年耕地面积总体减少680 km2，其中水田面积增加61 km2，旱地面积减少741 km2。林业用地面积减少2 792 km2，其中有林地面积减少4 808 km2，灌木林面积增加2 210 km2，疏林地面积减少145 km2，其他林地面积减少49 km2。草地面积总体减少904 km2，覆盖度较高的草地面积减少13 059 km2，中低覆盖度面积增加12 155 km2，总体由高覆盖度草地逐渐向中低覆盖度草地转变。水域面积总体减少，由于气候变暖气温升高，冰川消融速度加快，冰川面积呈加速缩小趋势，近20年共减少1 083 km2。湖泊面积变化趋势为“缩小—扩大—缩小”，在2010年达到峰值，近20年共减少98 km2，河渠面积增加203 km2。建设用地面积共计增加1倍，其中城镇用地面积增加15 km2，农村居民点面积减少1 km2，其他建设用地面积增加6 km2。2010—2018年未利用土地面积共增加3 946 km2，其中沼泽地面积增加2 km2，裸土地是在2010年后出现的，戈壁、盐碱地和其他未利用土地都在2015年后才出现。

3 结论

基于气象数据、土地利用遥感监测数据以及社会经济数据，对气候变化背景下西藏山南地区2000—2018年土地覆被变化对冰川融水的响应进行了研究分析，主要结论如下。

1）冰川面积与降水呈正比例关系，与气温呈反比例关系。降水多，冰川面积呈上升趋势，气温高，冰川面积呈缩减趋势。由于气候变暖，气候干旱，冰川融化愈发严重。

2）将研究区域分成流域上游冰川边缘纯牧区、中游农业区和下游快速城镇化区分别进行分析。上游冰川边缘纯牧区，随着冰川融水减少，对空中水的补给减少，对草地水补给也减少。径流量变少，水热通量减少，草地水源涵养减少，净生产力下降，NDVI显著降低，部分草地变成荒地等未利用地，草地面积下降；中游农业区，自然灌溉水（降水和径流）无法满足作物生长需求，导致农民放弃耕作，耕地变为荒地或未利用地，耕地面积减少；下游快速城镇化区，因上游冰川边缘纯牧区和中游农业区草地和耕地的减少，农牧民往下游快速城镇化区转移就业。为承接上、中游人口和产业的转移，下游建设用地扩张。

3）在气候变化的背景下，冰川消融后融水对2000—2018年山南市土地覆被造成一定影响，草地面积减少904 km2、耕地面积减少680 km2、建设用地面积增加20 km2、未利用地面积增加1 946 km2、林地面积减少2 792 km2、水域面积减少3 983 km2。