风电场对草地植被生长影响分析，本文主要内容关键词为：植被论文,草地论文,生长论文,风电场论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P951 文献标识码：A文章编号：1000-0690(2016)06-0959-06 随着环境问题的加剧和资源的日益短缺，风能作为一项清洁能源，越来越受到各行业的重视，目前中国的能源政策也逐步向风能方向倾斜[1]。目前国内外很多学者开始思考风电开发过程对环境的负面作用，并试图衡量风电开发的利弊[2～5]。目前的研究多关注于风电场建设本身对风电场区域内植被、土壤、动物的扰动，或关注于风电场对周边地表温度、气候变化的可能影响[3，5-7]。现有研究表明，风电场区域内近地表的空气湿度以及表面感热通量均会减小，对云和降水等其他气象要素也能起到间接改变作用。同时，风电场的建设运行导致下风向的风速明显减小，造成了下风向处的气温发生较明显的上升或下降变化[8]，上述要素均会明显的改变植被生长状态。以内蒙古灰腾梁风电场为例，以遥感技术为主要手段，从区域尺度探讨风电场对植被生长影响的范围及强度，期待为风电场的建设、植被保护与恢复、生态环境改善等方面提供借鉴。 1 研究区位置与概况 研究区位于内蒙古灰腾梁百万千瓦级风力发电基地，是亚洲最大的风电场，2008年年底形成现有规模[9]。研究区地处阴山山脉东段，位于锡林浩特市南部、锡林浩特市和阿巴嘎旗交界处(图1)，北距锡林浩特市约55km，东北部为锡林郭勒自然保护区，北部为火山喷发形成的平顶山地貌，南部为浑善达克沙地自然保护区[10]，植被类型以大针茅(Stipa grandis)、克氏针茅(Stipa krylovii)、羊草(Leymus chinensis)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)为优势种。用手持GPS-62SC实地调查风电场分布的外边界，该边界是狭长的条形区域。为便于分析，做外切矩形获得风电场分布的矩形区(以下简称“电场区”)。同时做该矩形的50 km缓冲区(以下简称“缓冲区”)，选择50 km缓冲区作为研究区的理由如下：
图1 研究区位置 1)从已有研究看，风电场主要通过影响风速的形式对地表过程进行扰动，风电场影响风速衰减的距离为30～60 km[8]。 2)若选择50 km以上区域将包含锡林浩特市区及浑善达克沙地的大片区域，土地利用类型及植被类型和50 km以内区域有很大差异，导致分析结果和50 km以内的相比较不具一致的代表性。 2 数据来源及预处理 ①气象数据：2000-2014年内蒙古锡林浩特市气象站的风向、温度及降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网(网址：http://new-cdc.cma.gov.cn)；②遥感数据：2000-2014年MOD13Q1-NDVI数据来源于美国国家航空航天局(网址：http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)；③土地利用图：2000年土地利用图来源于中国西部环境与生态科学数据中心(网址：http://westdc.westgis.ac.cn)，2005年、2010年的30m土地利用图通过下载来自国际科学数据服务平台的Landsat5-TM数据由作者通过目视解译分类得到，经野外验证分类精度为88%(网址：http://datamirror.csdb.cn)[11]。 3 研究方法 3.1 草地范围的确定 为避免下垫面差异对研究结果产生明显的影响，研究重点集中在土地利用类型中的“草地”类型。利用2000年、2005年和2010年的土地利用图，计算出3个时间段的高、中、低度覆盖草地的公共区域，将公共区域作为本研究的草地范围。 3.2 NDVI数据的重构 所使用的NDVI数据虽然采用了最大值合成方法(Maximum Value Composite，MVC)对数据进行了去噪和除云处理，但是MVC方法仍然无法保证每旬图像的所有像元在该旬内都是无云、无噪声的[12]，因此需要对上述NDVI数据进行进一步处理。时间序列谐波分析法(Harmonic Analysis of Time Series，HANTS)结合了平滑和滤波2种方法，通过HANTS滤波最终实现图像的重构，进一步去除云量和噪声的影响[13]。另外，NDVI当年生长季和值相对于当年最大值来说更能代表植被当年生长状态[14]，所以将HANTS滤波后，各年生长季4～9月的NDVI求和，代表当年的植被生长状况。 3.3 植被生长趋势分析 为监测植被各年的变化状况，本文通过线性趋势斜率(LTA)方法，分别计算各像元2000-2008年，2008-2014年的各指标的总体变化情况，如下式所示[15]。 y=a×x+b (1) 式中，x是时间，y是变化指标(各年生长季4～9月NDVI的和，以下用NDVI_SUM表示)，a是趋势斜率，b是截距。a通过最小二乘法计算得到，来表示各指标的变化趋势。
式中，N表示参与计算的年份数量，2000-2008年N=9，2008-2014年N=7，
中的i-1时，则是研究时间段的第一年(分别指2000年、2008年)，依此类推。
是每个像元的当年生长季4～9月NDVI之和(NDVI_SUM)。当a＜0时表示该像元所代表的植被生长状态处于下降的状态，反之，a＞0则表示该像元所代表的植被生长状态处于上升的状态。 目前尚无对NDVI_SUM变化进行分级的统一标准，因此参考草地退化的国家标准[16]，对NDVI_SUM变化等级进行划分，并对缓冲区、矩形风电场区、上风区域、下风区域的各等级所占草地面积的百分比进行统计，表1所示。
3.4 风向对草地植被的影响 利用2000-2014年风向数据中以研究区矩形中心为圆心，分别向风向频率最高的WSW和SSW所夹方向(以下简称“上风区”)、风向频率最低的NNE和ENE所夹方向(以下简称“下风区”)分别做半径为30km、40km、50km的扇形(图2)，因0～30km半径的扇形在风电场矩形区域内，以0～30km作为风电场区对植被进行统一分析，最终分析上/下风向对植被影响的范围和强度。
图2 风向频率玫瑰图 4 结果与分析 利用上述方法分别得到2000-2008年、2008-2014年研究区及上下风处植被生长变化的空间分布图(图3)。
图3 2000-2008年(a)和2008-2014年(b)植被变化趋势 为进一步定量分析图3中各区域内植被变化情况，计算并归纳得到表1。由表1可以看出，从退化比例上看，2000-2008年，风电场区域内植被退化比例最小，为3.27%。下风区域退化区域所占比例最大，为19.68%。上/下风区植被退化比例均高于风电场区域及风电场缓冲区，可见2000-2008年上/下风区植被相对于其他区域来说，退化是比较明显的。而2008-2014年，随着植被整体恢复，各区域内植被退化比例基本持平，均在0.97%～2.01%范围之间变化，可见2008-2014年上/下风区植被恢复加快。 从恢复比例上看，2000-2008年风电场区域植被恢复比例为49.98%，是上述4个区域恢复比例最高的。2008-2014年植被存在整体恢复现象，风电场区域的植被的恢复比例也上升到63.12%，但我们发现此时该数值已经变成上述4个区域内最低的，可见风电场的运行确实对植被生长产生了影响，减慢了植被的恢复趋势。值得注意的是相对于2000-2008年，2008-2014年缓冲区和风电场区域恢复比例分别上升了26.66%和13.14%，但上风区域却上升了51.83%，下风区域上升了41.07%。可见风电场上/下风区植被恢复比例，尤其是上风区的恢复比例要远高于其他区域。
为了进一步分析上/下风区，距离风电场中心不同范围内植被的变化情况，按照3.4的方法，得到表2。从上表可以看出，相对于2000-2008年，2008-2014年0～30km、30～40km、40～50km上风区植被恢复的比例均显著高于下风区。值得注意的是：①0～30km的扇形区在风电场区域内，风电场建设过程中对植被的干扰应是相似的。通过笔者实地调查，0～30km之内上/下风区同时存在相似的放牧情形，可见食草动物对上述区域的干扰也是相似的，但下风区植被的恢复面积却是上风区恢复面积的近4倍，所以与下风区相比，风电场对上风区的植被产生更为显著的影响；②30～40km范围内，上风区植被恢复面积是下风区植被恢复面积的20余倍，40～50km，50km以上这种比例开始下降。所以距离风电场中心30～40km的上风区很可能是本研究区受风电场影响最为明显的区域，这与目前微观尺度的生态学调查结论是有差异的[4]。 综合表1和表2进行分析。总的来说，同风电场建成前相比，风电场建成后的2008-2014年缓冲区、风电场区、上/下风区的植被是处于恢复状态的，与缓冲区相比，风电场区植被恢复比例减少，而风电场上/下风区植被会加速恢复，尤其是上风区。 5 结论与讨论 5.1 结论 从上述的分析可知，灰腾梁风电场运行对矩形电场区及50 km缓冲区内植被的生长产生了明显的影响，但影响范围和强度是不均匀的，主要表现在：①相对于风电场建成前的2000-2008年，风电场建成后的2008-2014年缓冲区和风电场区域植被恢复比例分别上升了26.66%和13.14%，但上风区域却上升了51.83%，下风区域上升了41.07%。可见风电场上/下风区植被恢复比例，尤其是下风区的恢复比例要远高于其他区域，可见风电场运行的上/下风处更有利于植被的恢复；②风电场运行对风电场区域内/外植被的影响机制是不同的，电场运行后研究区植被是以恢复趋势为主，而风电场区域内植被恢复趋势减慢，而上/下风区域植被恢复趋势加快；③距离风电场中心30～40 km的上风区很可能是受风电场影响最为明显的区域，由于与目前微观尺度的生态学调查结论存在差异，这一结论还需要进一步分析确定。 5.2 讨论 下面几个因素会使本文的研究结果产生不确定性：①缓冲区范围不同会对植被生长比例产生影响；②风电场规模不同，对下垫面植被的影响强度和范围是不同的；③从区域尺度对地表真实放牧强度的衡量是一个复杂的过程，但真实放牧强度在研究区内是否严格一致，还需进一步分析。另外，本文结论的推广还需慎重，这和当地的植被及气候特点可能有很大的关系。温度和降水是决定植被生长的两个重要因素，笔者研究发现2000-2014年研究区年平均温度和年降水总量均是呈上升趋势的，该区域植被生长又是和温度及降水正相关的区域[11]。风电场对区域降水量的影响是有限的[17]，那么上/下风区植被的恢复很可能是温度上升加快引起的，在降水不足或下降区域，建设大规模的风力发电场，很可能形成或加快该区域气候性干旱。上述因素对植被生长过程影响是复杂的，本文没有逐个分析和实地验证各影响因素的变化情况，作者将在以后的工作中继续上述几方面的研究。 随着环境问题的加剧和资源的日益短缺，风能作为一项清洁能源，越来越受到各行业的重视，目前中国的能源政策也逐步向风能方向倾斜。风能带来积极的环境效应的同时，我们需要认真思考风电开发过程中对环境的负面作用，风电场对环境的影响是一个长期渐变的过程，这是一个不能忽视、但却难以衡量的过程。风电场到底对环境产生何种影响，利弊如何，急需进行深入系统的研究。 李国庆，张春华，张丽，等.风电场对草地植被生长影响分析——以内蒙古灰腾梁风电场为例[J].地理科学，2016，36(6)：959-964.[Li Guoqing,Zhang Chunhua,Zhang Li et al.Effects of Wind Farms on Grassland Vegetation:A Case Study of Huitengliang Wind Farm,Inner Mongolia.Scientia Geographica Sinica,2016,36(6):959-964.]
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