「絲綢之路經濟帶」乾旱-半乾旱區生態環境全球變化響應的空間認知

摘要

在高強度人類活動和全球變化的影響下，「絲綢之路經濟帶」的資源環境面臨嚴峻問題與挑戰。地處「絲綢之路經濟帶」核心區的中亞地區的生態環境退化已經上升為全球乾旱地區生態環境問題突出地區之一，嚴重製約了中亞及周邊國家的經濟與社會發展。文章針對「絲綢之路經濟帶」核心區的中國新疆、中亞地區及周邊區域的典型生態環境要素：植被要素和水資源要素，基於長時間序列的衛星遙感數據，研究和分析了其參數時空演進格局及對氣候變化的響應。研究結果表明，中亞地區近幾十年的生態環境總體上呈現退化趨勢，具體表現為水儲量減少、湖泊面積萎縮、地表土壤水分減少和植被退化等。

「一帶一路」是中國面對 21 世紀世界發展新格局制定的具有突破性、全局性、長遠性的國家重大戰略。 「絲綢之路經濟帶」東邊緊鄰亞太經濟圈，西邊系著發達的歐洲經濟圈，被認為是「世界上最長、最具有發展潛力的經濟大走廊」。「21 世紀海上絲綢之路」是面向南海、太平洋和印度洋的戰略合作經濟帶。在「一帶一路」建設實施過程中，亟需解決區域生態文明建設相關的資源環境問題。國家發展和改革委、外交部、商務部聯合發布的《推動共建絲綢之路經濟帶和 21 世紀海上絲綢之路的願景與行動》也提出，在投資貿易中突出生態文明理念，加強生態環境、生物多樣性和應對氣候變化合作，共建綠色絲綢之路。

在高強度人類活動和全球變化的影響下，「絲綢之路經濟帶」的資源環境面臨嚴峻問題與挑戰。（1）水資源短缺嚴重製約了該地區的經濟發展，氣候變暖導致的冰雪消融已經嚴重影響了這一地區水資源安全；（2）面臨著全球變化帶來的極端氣候事件增多、重大自然災害頻發和生態環境惡化等一系列問題與挑戰；（3）也存在著因重大基礎設施投資巨大、涉及國家多、環境複雜在建設選址（線）與工程地質環境、自然生態環境以及突發災害等方面帶來的諸多風險與問題。因此，如何保證這一地區資源環境的可持續性是實施「絲綢之路經濟帶」建設面臨的重大挑戰。

空間觀測技術具有宏觀、快速、準確認知對象的優勢，開展基於空間觀測的「絲綢之路經濟帶」資源環境格局研究可以獲得對「絲綢之路經濟帶」豐富、全面的科學認識，從而為國家建設「絲綢之路經濟帶」提供科學諮詢和科技支撐。本文針對「絲綢之路經濟帶」核心區的中國新疆、中亞地區及周邊區域的典型生態環境要素：植被要素（植被綠度、植被覆蓋度）和水資源要素（湖泊、土壤水分和水儲量變化），基於長時間序列的衛星遙感數據，研究和分析了這些典型生態環境要素參數時空演進格局及對氣候變化的響應，同時，針對該區域的生態環境問題提出了相應舉措的建議。

1、研究數據與方法

1.1 數據源

（1）氣候要素數據

（2）植被要素監測遙感數據

研究中國新疆及中亞乾旱區植被變化特徵及其對氣候變化的響應，這對中亞及中國新疆乾旱區的生態重建與修復有重要的參考意義。本文研究數據為長時間序列 GIMMS NDVI3g （1982—2011年） 遙感數據集。

（3）水資源要素監測數據源

湖泊面積變化監測數據：獲取了 7 個湖泊近 30 年的 4 期光學影像：1978 年 2 6 景 Landsa t MSS、1989 年 24 景Landsat TM、1998 年 28 景 Landsat TM、2010 年 30 景Landsat ETM+。Landsat MSS 的空間解析度是 60 m，Landsat TM/ETM+ 是 30 m。為保證季相一致，並考慮多雲等天氣的影響，選取 8—10 月份中亞地區湖泊的平水期影像，個別缺失的影像數據用平水期接近的月份代替。湖泊水位變化提取數據採用的是 T/P 衛星 1992—2002 年的 MGDR 和 Envisat 衛星 2002—2012 年的 RA2_GDR 雷達高度計數據，分別由法國國家太空研究中心（CNES）和歐洲空間局（ESA）提供。

土壤水分數據為 ESA 發布的 1978—2010 年的ECVSM（基本氣候變數）主被動微波融合土壤水分數據，空間解析度為 0.25°，時間解析度為天，單位為體積含水量（m-3/m-3）。由於標準化和融合處理有賴於不同感測器之間的重疊時段，而 SMMR（1978 年 10 月—1987年 8 月）與後續的 SSM/I（1987 年 7 月 至今）卻僅有不到兩個月的重疊時間段，這使其與後續土壤水分產品趨勢很難保持一致。因而本文參考 Wouter Dorigo 等人的研究，將研究時間劃分為兩個時段（1979—1986 年和 1988—2010 年）。

本文使用的重力水數據為 GRACE Level-2 RL05 數據，由美國德克薩斯大學空間研究中心（UTCSR，Universityof Texas, Center for Space Research）提供（http://isdc.gfz-potsdam.de/grace）。 時間跨度為 2003 年 1 月—2014 年 12 月，缺失月份的數據由其前後兩個月線性內插得到，球諧係數展開至 60 階次。

1.2 研究方法

（1）植被要素變化遙感監測方法

使用復相關及偏相關分析方法分析氣候因子對植被生長的影響效果，並採用滯後相關分析法考慮植被對降雨脈衝反應的時間差，探討生長季的植被對降雨的滯後響應。其次採用 MODIS 數據和像元二分模型方法，對中亞地區的草地覆蓋度（2000—2013 年）進行了反演，並採用一元線性擬合趨勢分析法觀測了新疆及中亞五國2000—2013 年最大草地覆蓋度的變化趨勢。

（2）微波遙感土壤水分動態及其對氣候變化響應規律分析方法

針對微波遙感土壤水分數據，綜合 4 種典型的統計分析方法：線性趨勢分析方法、Mann-kendall 趨勢檢驗法、pearson 相關分析方法和相關性 t 檢驗法，提出一種新的微波遙感土壤水分動態及其對氣候變化響應規律分析方法。另外，引入一種標準化處理和集合分析方法對一種微波感測器的多種演算法反演的土壤水分產品進行處理進而得到一種更為客觀合理的土壤水分集合數據。

（3）基於最小二乘譜分析的水儲量變化分析方法

使用 GRACE 數據計算了空間 1° 經緯格網點上質量異常的時間序列，由於這些質量異常主要表示的是水文信號，具有明顯的周年和半周年變化，可通過最小二乘譜分析方法進行水儲量擬合。擬合結果的振幅可以表示水儲量周期變化的強烈程度，而線性速率則可以表示時間段內水儲量增加或減少的趨勢。

2 、「絲綢之路經濟帶」生態環境全球變化響應

2.1 新疆及中亞地區降水與溫度變化趨勢

圖 1 為 1979—2010 年中亞及我國新疆地區降水（a）和溫度（b）變化趨勢。新疆及中亞地區近 30年來除裏海北部、巴爾喀什湖西部及東南邊界外，大部分地區的降水都在減少；相對而言，我國新疆西部大部分地區的降水都在增多。中亞五國及我國新疆地區近 30 年來均呈升溫的趨勢，其中我國新疆準噶爾盆地、塔里木盆地以及中亞鹹海西北、卡拉庫姆沙漠地區均顯著升溫。

圖 1 1979—2010 年中亞及我國新疆地區降水（a）和溫度（b）變化趨勢圖

2.2 植被要素時空變化及氣候變化響應分析

2.2.1 植被綠度（1982—2011年）時空變化特徵及氣候變化響應

基於 1982—2011年 GIMMS NDVI3g 數據分析了植被綠度的時空變化格局，發現近 30 年來，中亞乾旱區植被年平均生長狀況波動較大。1982—1991年間，多數植被區呈現綠化的趨勢，少數退化植被區主要集中在鹹海流域；而在1992—2011年間，全區植被基本呈現退化趨勢，其中哈薩克北部的草地和耕地退化較為嚴重（圖 2a 和圖 2b）。整體上，中亞乾旱區植被生長變化呈現單峰曲線，在 1991 年後植被呈現顯著退化的趨勢（圖2c）。不同的植被類型, 植被年際變化趨勢也呈現出不同的特徵。中亞乾旱區主要植被類型為草地、農田（耕地）、灌木和森林，這 4 種植被類型在 1982—1991 年間退化面積比例較小；而在 1992—2011年間，顯著退化面積比例均超過了 20%。

圖2 1982—1991 年和1992—2011 年間中亞地區植被綠度年際變化趨勢空間圖（a、b）及時序圖（c）

中亞乾旱地區是一個水資源嚴重不足、蒸發量非常大的地區，降雨和溫度的變化嚴重影響著當地植被的生長狀況。相比於 1982—1991 年，中亞地區植被對氣候的響應明顯變弱（圖 3a1、圖 3b1）。其中，降雨對大部分地區植被影響變弱，但在阿姆-錫爾河流域地區的影響加強（圖 3a2、圖 3b2）；溫度對植被的影響則由正相關轉變為負相關，表明持續升高的氣溫開始抑制植被的生長（圖3a3、圖 3b3）。1982—1991 年，植被與降雨相關性較強，且滯後期多數為 0—1個月；但 1992—2011 年，二者的相關性明顯減弱，並且滯後期在多數地區（尤其是中亞中部）延長到 3 個月。同時，植被與溫度的相關性也在 1992—2011 年間明顯較弱，且在生長末期滯後期延長。總體而言，1991年之後，中亞地區植被顯示齣劇烈的退化，氣候因子對植被的影響較1991年之前減弱，這表明該地區的植被退化還可能是由於一些非氣候因素（人為作用、土地利用變化等）引起的。

圖 3 植被對降雨和溫度的復相關係數（a1—b1），以及對降雨（a2—b2）和溫度（a3—b3）的偏相關係數

2.2.2 植被覆蓋度（2000—2013 年）時空變化特徵

2000—2013 年間，中亞乾旱區植被覆蓋度年際間波動較大，均值總體為下降趨勢。變化極顯著減少（slope θ

0，0.01

0，P≤0.01）的地區占草地總面積的 1.18%，二者之和占草地總面積的 2.57%。

中亞五國及中國新疆草地覆蓋度變化趨勢區域性差異較大，整體呈現退化趨勢，退化區域主要分布在哈薩克的北部和西北部地區以及部分流域地區；少部分地區植被覆蓋度呈增加趨勢，如中國新疆地區（圖 4a）。針對不同等級草地覆蓋度的變化趨勢研究發現，中等、中高和高植被覆蓋度的草地有向低、中低植被覆蓋度的草地轉換的趨勢（圖 4b）。從國家及地區角度分析發現，14 年間吉爾吉斯斯坦、塔吉克、哈薩克的草地覆蓋度均值變化波動很大，相對而言，中國新疆地區的草地覆蓋度均值變化比較平緩。哈薩克的草地覆蓋度均值以 -0.0055·a-1（P

圖 4 2000—2013 年中亞乾旱區（a）草地覆蓋度變化趨勢空間分布圖，（b）各等級草地面積佔總草地面積百分比的變化趨勢圖

2.3 水資源要素時空變化及氣候變化響應分析

2.3.1 中亞地區典型湖泊面積與水位變化分析

採用 Landsat 衛星數據分析中亞地區 7 個典型湖泊面積的時空變化（圖 5a），發現除薩雷卡梅什湖外，其他 6 個湖泊在 1978—2010 年的面積都出現不同程度的萎縮，2010 年的湖泊總面積是 1978 年的 51.95%。鹹海、巴爾喀什湖及薩雷卡梅什湖是中亞地區平原尾閭湖的典型代表，它們的湖泊面積變化最大。鹹海曾經是世界第四大水體，如今面積縮減最為顯著，2010 年的湖泊面積僅為 1978 年的 22.31%；巴爾喀什湖雖然在 1998—2010 年間面積出現回升，但近 30 年的面積總體趨勢是縮減的，縮減了 6.59%；薩雷卡梅什湖 1978 年的面積只有 210.65km2，至 1989 年猛增至 3 329.01km2，之後近 20 年的面積變化則相對穩定。

利用 1992—2002 年的 Topex/Poseidon 衛星 MGDR（雷達高度計）和 2002—2012 年的 Envisat 衛星 RA2_GDR（雷達高度計）獲取了 1992—2012 年 10 月份的湖泊雷達高度計數據（圖 5b）。鹹海水位呈較大幅度降低，近 20 年平均水位下降了3.52m，於 1987 年自然分成南、北鹹海兩片水域。南北鹹海自身的水位變化差異較大，北鹹海水位變化幾經升降，2005 年後逐漸穩定，呈現緩慢回升趨勢，近 20 年水位上升了 1.6 m。南鹹海水位持續下降，2010 年達到最低值，近 20 年水位下降了8.63 m，在 7 個湖泊中水位變化最大。薩雷卡梅什湖水位變化基本呈持續增長態勢，前 10 年水位增長幅度持續變大，2007 年後趨於平穩，近 20 年水位上升了 6.3 m。巴爾喀什湖水位變化相對穩定，近 20 年水位上升了 1.33 m。總的來說，近 20 年間水位變化最大的是作為平原尾閭湖的薩雷卡梅什湖和鹹海，高山封閉湖（伊塞克湖、阿拉湖）變化最小，水位變化不足 0.5 m；區別於前兩類湖泊，吞吐湖（薩瑟克湖、齋桑泊）水位變化相對複雜，既有薩瑟克湖較穩定的水位上升，也有齋桑泊相對較大的水位波動。

氣候變化（尤其氣溫變化）對高山封閉湖泊水位變化起決定性作用。近年來，伊塞克湖和阿拉湖流域氣溫的持續升高使得冰川融水作用加強，從而增加了入湖徑流量，使得伊塞克湖和阿拉湖出現面積增加和水位升高現象。鹹海面積的劇減和水位的下降使得湖泊對流域氣候的調節作用減弱，乾涸的湖底積聚著大量的鹽土，對當地農區產生直接的消極影響。

圖 5 （a）1978—2010 年中亞主要湖泊的面積變化圖，（b）1992—2012 年 10 月中亞主要湖泊水位變化圖

2.3.2 新疆及中亞地區土壤水分時空變化格局及氣候變化響應

基於 1979—2010 年的主被動微波遙感數據反演的新疆及中亞土壤水分數據，開展新疆及中亞地表土壤水時空變化研究。圖 6 為新疆及中亞地區 1979—1986年土壤水分變化趨勢時空分布和 1988—2010 年 SM 變化趨勢時空分布。1979—1986 年間，中亞五國整體以變干為主，而我國新疆以變濕為主。但 1988—2010 年間，兩個區域均以變干為主，但中亞五國北部地區的變化趨勢更為明顯。總的來說，中亞各國的土壤水分均顯著減小，哈薩克土壤水分最先開始顯著減小，其後依次為烏茲別克、土庫曼、吉爾吉斯斯坦和塔吉克。除吉爾吉斯斯坦以外，中亞其他四國的土壤水分均對氣溫的顯著上升表現出一致的減小趨勢，對降水變化的響應並不明顯。

圖 6 （a）1979—1986 年土壤水分變化趨勢時空分布，（b）1988—2010 年土壤水分變化趨勢時空分布

通過對中國新疆與中亞土壤水分變化進行對比發現：中亞地區 2007 年之前4—10 月的平均土壤水分要高於我國新疆地區，但在 2007 年之後兩個區域相差不多。這可能是由以下兩個原因造成的：（1）中亞地區的土壤干化趨勢要明顯大於我國新疆地區，這是由降水和氣溫的綜合影響造成的，尤其是近年來中亞地區降水的持續下降和氣溫的顯著上升；（2）自 2004 年以來我國新疆地區的土壤水分明顯上升，這很可能與近年來我國新疆地區的增溫、增濕有所關聯。

從溫度和降水的變化趨勢及相關性分析可見（圖7），1979—2010 年間，地表土壤水均與降水呈正相關關係，與氣溫呈負相關關係。但在不同的時間段有不同的表現。1979—1986 年間，地表土壤水變化與降水呈顯著的正相關，而與氣溫的負相關性並沒有通過 0.05 顯著水平檢驗。說明，該時間段內降水的減少主導了地表土壤水的干化趨勢。 1988—2010 年間，地表土壤水變化與氣溫顯著負相關，而與降水則呈微弱的正相關。說明該時段內，氣溫的上升主導了地表土壤水的干化趨勢。中亞地區與我國新疆地區 4—10 月的土壤水分均與氣溫顯著負相關，與降水的正相關性均不顯著。這表明，近 23 年來中亞地區與我國新疆地區 4—10 月的土壤水分均對氣溫的顯著上升表現出一致的減少趨勢，降水變化對土壤水分的影響並不明顯。

圖 7 我國新疆及中亞地區土壤水分、溫度和降水的變化趨勢圖

2.3.3 中亞及周邊區域水儲量變化監測及分析

基於重力衛星 GRACE 數據，對中亞地區的水儲量變化進行了遙感監測與分析。GRACE 數據能夠反映陸地總體水儲量變化。通過 2003—2014 年 GRACE 衛星數據分析得到（圖 8）：中亞地區的水儲量總體上處於減少的趨勢，裏海地區和哈薩克西北是減少比較嚴重的區域；在烏茲別克和土庫曼交界處水儲量有增加的趨勢，主要原因是該地區是農業區，近幾年該地區修建了水利設施，蓄水量增加導致水儲量有增加的趨勢，另外，在巴爾喀什湖北部地區水儲量有增加的趨勢，主要原因可能是伊犁河的水大量流入。從圖 8 還可以看到，中國西部與各國交界地區的冰川區水儲量均處於減少的趨勢，即冰川均處於融化的趨勢且減少的趨勢還比較顯著。中國新疆的北部地區水儲量處於較為顯著的減少趨勢，另外，青藏高原（西藏和青海）和塔里木河流域周圍地區如帕米爾、喀喇崑崙、西崑崙和天山的山地冰川亦均處於消融趨勢，同時，由於冰川融化導致地表徑流和湖泊的增多，造成青藏高原和塔里木河流域的水儲量有較大幅度地增加；中國西部的甘肅和寧夏地區水儲量有輕微增加的趨勢，雲南和四川地區水儲量有較大的增加趨勢。水儲量增加的原因除了近幾年這些地區降水有一定幅度的增加外，有可能近年來國家採取了較為有效的對於西部地區的生態環境的保護和水資源的高效利用和管理措施。

圖 8 中國新疆與中亞及周邊區域2003—2014 年水儲量線性變化趨勢圖

3、結論及建議

本文利用衛星遙感數據對中國新疆、中亞五國及相關周邊區域的生態環境要素的變化情況進行了遙感監測。總體來說，中亞地區多數植被呈現劇烈退化趨勢，尤以哈薩克的退化最為嚴重，除了氣候因素，植被退化可能還由一些非氣候因素引起；其水資源量在近幾十年內也具有較大的潛在減少的趨勢，具體表現為水儲量減少、湖泊面積萎縮和地表土壤水下降。

為了有效應對該區域的生態環境退化加重的問題，建議：（1）在「絲綢之路經濟帶」核心區實施全流域水資源協同管理，強化流域水源涵養、高效用水，弱化所謂「生態建設」，以自然保護為主。跨境河流是新疆與中亞國家重要的歷史和現實紐帶，合理水資源管理是發展經濟帶的關鍵所在。「絲綢之路經濟帶」建設亟需以水資源和生態環境容量及其時空格局為依據，進行科學規劃和布局，制訂科學的可持續發展規劃和實施方案。嚴禁忽視水資源承載力和生態環境容量的做法。需要進一步科學論證、進行科學的資源承載力和環境容量的科學評估，使資源開發和利用建立在資源、環境可持續的基礎之上。（2）在「絲綢之路經濟帶」核心區加強冰川、積雪和湖泊面積、河道斷流與地下水的時空變化的空間觀測，開展區域生態環境評估，為合理的生態保護、補救措施及生態補償提供信息支持，為生態安全提供科學依據，為全球變化影響下的乾旱區可持續發展提供科學信息支撐。

以上內容刊發於《中國科學院院刊》2016年第5期「空間科技助力『一帶一路』建設」，作者為遙感地球所李新武、張麗、郭華東、傅文學、鹿琳琳、邱玉寶、王心源，中科院大氣物理所賈根鎖。

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