水热条件分别控制了中国温带草地NDVI的年际变化和增长趋势

2022-03-10何玉杰彭长辉朱求安

生态学报 2022年2期

何玉杰,孔泽,户晓,张江,王猛,彭长辉,4,朱求安

1 河海大学水文水资源学院,南京 210098 2 西北农林科技大学林学院,生态预测与全球变化研究中心, 杨凌 712100 3 东北师范大学地理科学学院,长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室, 长春 130024 4 魁北克大学蒙特利尔分校环境科学研究所,蒙特利尔加拿大 C3H3P8 5 国家地球系统科学数据中心,国家科技基础条件平台,北京 100101

全球变化背景下,生态系统的可持续发展是人类面临的共同的挑战[1]。陆地生态系统对气候变化的响应一直是全球变化生态学领域的研究热点[2—3]。草地作为我国陆地生态系统的重要组成部分,其面积约占国土总面积五分之二[4—5],具有强大的生态功能,如保持水土、防风固沙、调节气候以及涵养水源等,是可持续发展畜牧业的基础[6],并且对发扬地区人文历史、维系区域生态平衡和发展区域经济有重要价值和意义[7]。与此同时,草地生态系统生境脆弱,对气候变化和人类活动因素的改变响应十分敏感[8]。研究表明半个世纪以来中国草地面积在逐渐的减少,仅1995年到2000年我国干旱地区的草原面积就减少约5.5×105hm2[9],尤其在全球变暖的背景下,我国温带地区的草地枯黄期和生长季的长度均受到了不同程度的影响[10]。中国温带地区近年来的气候呈现逐渐暖干化,对草地植被的分布以及草地生产力产生负面影响,不仅破坏了草地的生态环境平衡,更是对可持续发展草原畜牧业产生了严重的威胁[11]。

植被指数是能够有效反映一定时间内植被覆盖程度和植被生长情况的指示因子[11],被广泛应用于植被动态变化的研究中。传统草地植被生产力实测主要依靠人工野外定点实际观测,在不同时间和空间尺度研究上局限性较大,而植被指数数据主要借助于卫星遥感技术进行观测,能够有效补充地面观测,实现空间尺度转换,优势突出[12]。其中归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)是目前应用最为广泛的植被指数之一[13],在植被覆盖、净初级生产力 (Net primary production,NPP)、生物量以及物候等方面的进行了大量的研究[14]。如根据GIMMS NDVI 3g数据集研究表明北半球植被生长季时长自1981年以来有所延长,植被覆盖的整体趋势有所增加,并且由于秋季NDVI的增加,导致在1982—2013年生长季北半球76%的地区的NDVI同样呈现增长趋势[15]。因此利用植被指数来分析植被生长、分布等对气候变化的响应被认为是一种有效的方法和手段。

水热因子是植物生长的必要因子,不论是降水、温度和太阳辐射等单独作用还是共同作用都会在不同尺度上对植被变化产生影响[16—17]。20多年来,气候变化对中国草地生态环境的影响及草地植被覆盖变化的研究较多,包括草地植被指数时空变化格局及其对水热因子的响应[1]。有研究通过对全球植被NDVI变化趋势分析后得出北半球中高纬度气温升高引起植被活动的增加[18]；Piao等[9]在中国温带地区草地NDVI与气候因子之间的关系研究中得出：1982—1999年草地NDVI持续增长,生长季降水在200mm左右视为温带地区草地植被生长的转折点。并且有研究表明,降水对草地植被生长有着明显的滞后影响,周期在50—60d不等[3]；段艺芳等人[20]则认为,在黄土高原地区,大部分植被对温度的滞后效应不明显。

综上所述,我国温带草地植被生长状态对气候变化在年际及趋势变化上的响应特征仍需进一步研究。本研究以中国温带草地为研究对象,以其生长季降水总量为水条件,平均温度和太阳辐射为热条件,采用去趋势分析和相关性分析法对1982—2015年中国温带草地生长季NDVI动态变化及其对气候水热因子变化的响应进行了解析,并以2个月为滞后时间尺度,对生长季温带草地NDVI对水热因子的滞后响应进行了探讨。本研究在描述温带草地NDVI与气候的关系的基础上,分别探求水、热条件在时间和空间上对温带草地生长的影响,从而区分水热条件对温带草地生长季NDVI的年际变化和整体增长趋势的贡献。这将有助于更加准确地把握温带草地植被时空变化格局,全面认识草地—气候相互关系,有利于指导畜牧周期、合理利用草地资源,为保护和监测温带草地生态环境及可持续发展畜牧业提供理论参考。

1 数据和方法

1.1 研究区域

中国温带草地从东到西包括我国大部分北方草地地区,其温度带包括寒温带、中温带和暖温带,由于西北地区的严重干旱条件和东部季风气候的共同作用,其气候条件有着明显的季节性和空间差异性,植被覆盖的时空变化特征也十分的明显,故温带草地成为对气候变化响应最为敏感的地区之一[21]。

本文研究的草地类型分布范围是根据《1:100万中国植被图集》[22]经过数字化处理,按不同温度带和植被类型归类后得到的矢量底图(http://www.resdc.cn/),从而提取得到的中国温带草地研究区域(图1)。

图1 研究区域Fig.1 Study area of temperate grassland in China

1.2 数据来源与预处理

本文研究时段为1982—2015年,将5—10月定义为温带草地的生长季[23],利用温带草地地区生长季NDVI和气象数据(降水、温度、太阳辐射)研究中国温带草地植被动态、气候因子变化及其相互关系,并统一将空间数据分辨率设为8km×8km。

1.2.1NDVI数据

NDVI数据来自于美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)全球监测与模型研究组(Global Inventory Monitoring and Modelling Studies,GIMMS)提供的1982年1月至2015年12月,每15d合成的空间分辨率为8km的数据集 (GIMMS NDVI 3g (https: //ecocast. arc.nasa.gov/data/pub /gimms/))。NDVI值域为-1.0—1.0,NDVI小于0,表明无植被覆盖,或表明存在较大的云团、水体或者冰雪覆盖等影响近红外波段存反射,NDVI等于零则代表该地区无植被生长[24]。通常,NDVI 指数大于0.1代表有植被生长,且数值越大表示植被生长状况或者覆盖状况越好[25]。为减少云、大气、太阳高度角等不确定因素的影响,本文取NDVI大于0.1的部分合成为逐月数据,求其生长季平均值来反映草地生长情况。基于ArcGIS采用最大值合成法(MVC)分别建立1982—2015年生长季、5—6月、7—8月和9—10月NDVI数据集。

1.2.2气候数据

本文选取与植被生长关系最为密切的生长季平均温度、月平均太阳辐射和降水总量作为影响草地生长季NDVI变化的主要气候因子。中国逐月(1982—2015)的温度和降水数据来自中国国家地球系统科学数据中心 (http://www.geodata.cn/),辐射逐月数据来自国家气象科学数据中心(http://www.data.cma.cn/),并选取温带草地分布范围内27个辐射监测站,统计其逐月的太阳辐射总量。本研究将降水作为水分影响条件,平均温度和月平均太阳辐射作为热量影响条件,在此基础上建立中国温带草地3—4月、5—6月、7—8月以及生长季的水热条件数据集。

1.3 方法

本文利用线性回归法分析近34年的中国温带草地生长季NDVI、温度、太阳辐射和降水等因子在时间上的变化趋势,以自变量的变化斜率的10倍表示该因子的“趋势率”。并以气候因子为自变量,NDVI为因变量,分析长时间序列下NDVI对气候因子变化的响应关系。在去趋势分析的基础上,对NDVI与温度、太阳辐射和降水分别进行时间和空间上的关系分析,以此来探究生长季中国温带草地植被生长对水热条件的响应。去趋势分析又称作“消除波动趋势分析法”,可以去除因子本身在时间趋势上的特征,从而用以分析因子在时间波动格局之间的响应关系。在此基础上,以两个月为时间尺度,分别求得3—4月水热因子与5—6月NDVI相关系数、5—6月水热因子与7—8月NDVI相关系数以及7—8月的水热因子与9—10月NDVI的相关系数,以及5—10月期间,每两月的NDVI与水热因子同时期相性来探究温带草地生长季NDVI对水热条件的时滞效应。

2 结果与分析

2.1 1982—2015年中国温带草地生长季NDVI与气象因子趋势分析

图2 1982—2015年中国温带草地生长季NDVI、降水和温度年际变化、趋势变化空间格局与趋势显著变化空间格局Fig.2 Interannual change, trend change and significant trend change of NDVI, precipitation and temperature in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015灰色区域为非显著变化区域

1982—2015年中国温带草地植被研究区生长季NDVI和温度呈上升趋势、降水呈下降趋势(图2)。整体上,生长季NDVI呈上升趋势,趋势率为0.007/10a,变化范围在0.441—0.505之间。生长季NDVI的变化拐点分别是1998年和2006年,1998年之前NDVI呈现波动式增长,1998—2006年NDVI先大幅度上升后缓慢下降的变化过程,2007—2015年NDVI则为快速大幅度上升期。2012年为研究区生长季NDVI最大年,最大值为0.505。空间格局来看,温带草地生长季NDVI呈增长趋势的地区主要集中在新疆草地、黄土高原草地东部以及内蒙古草地中部地区。呈减少趋势的地区分布于东北草地西南部、内蒙古草地东北部及新疆草地西北部地区。从NDVI的显著性水平空间格局显示,温带草地NDVI整体呈下降趋势的区域并未表现出显著性,而NDVI呈增长趋势的地区大部分通过了显著性检验(P<0.05)。

研究区生长季降水年际波动较大,多年降水量平均水平为315.19mm。生长季降水整体上呈缓慢下降趋势,趋势率为-3.92mm/10a。降水在年际变化上呈阶段式变化,1982—1997年降水变化较为平稳,1998年为生长季降水最大年,降水量达401.28mm；2001年为降水量最小年(268.82mm),2003年和2013年降水趋势略有回升,但整体上仍表现为下降趋势。从空间格局来说,生长季降水变化空间差异明显,呈东部下降,西部增长的趋势。其中降水呈减少趋势的地区分布于内蒙古草地东北部地区,而呈增长趋势的地区主要分布在内蒙古草地西南部、新疆草地西部和华北草地地区。从降水的显著性水平空间格局来看,温带草地生长季降水的空间趋势变化并不显著。

温带草地生长季多年平均气温呈上升趋势,增长速率为0.55℃/10a,多年平均水平为13.42℃。中国温带草地生长季平均温最低年是1993年(12.43℃),是温带草地气温持续上升的开始,气温最高年为2015年(14.73℃)。温带草地生长季绝大部分地区平均气温呈显著增长趋势,尤其是内蒙古草地、黄土高原草地北部地区和新疆草地等地的平均气温增长幅度较大。

图3 1982—2015年中国温带草地生长季辐射年际变化与辐射站点空间分布格局Fig.3 Interannual variation and spatial distribution pattern of radiation sites of radiation in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015

本研究选取分布于温带草地范围内的27个辐射监测站的太阳辐射数据(图3),生长季辐射月平均值整体呈显著上升的趋势(P<0.01),增长速率为12.23MJ m-210a-1)。太阳辐射的变化可以分为1982—1992年,1993—2003年和2004—2015三个阶段。第一个阶段,生长季月平均太阳辐射波动处于较低水平,最低太阳辐射值年出现在1988年(562.40MJ m-2mon-1)；第二个阶段,生长季月平均太阳辐射于1993年上升到一个较高的水平,该阶段太阳辐射波动起伏较为稳定；第三个阶段,2004—2013年为生长季月平均太阳辐射整体呈现快速上升阶段,2014年有所下降。

2.2 温带草地生长季NDVI对水热因子的同时期响应

图4 1982—2015年中国温带草地生长季NDVI对生长季降水、温度和太阳辐射变化的响应Fig.4 Responses of precipitation, temperature and solar radiation to NDVI changes during the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015

图5 1982—2015年中国温带草地生长季NDVI与降水、温度和太阳辐射去趋势变化Fig.5 Changes in NDVI and precipitation, temperature and solar radiation in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015

2.3 温带草地生长季NDVI对水热因子的滞后响应

表1为生长季NDVI对水热因子在年际变化上的滞后响应系数,并且各个相关因子之间的相关性均通过了P<0.01的显著性检验。由NDVI对水热条件变化的时滞响应系数对比发现：温带草地生长季NDVI对水热条件存在明显的滞后响应关系。生长季前的温度和太阳辐射是影响生长季初期NDVI的主要气候因子。进入生长季后,降水对NDVI的滞后影响更加明显。同步关系研究中,NDVI与水热条件均为正相关。5—6月NDVI与同时期降水和太阳辐射相关系数较高；7—8月NDVI与同时期降水相关系数较高；9—10月NDVI与同时期太阳辐射相关系数较高。滞后关系中,NDVI与水热条件均为正相关,其中5—6月NDVI与3—4月温度和太阳辐射相关性较降水高；7—8月NDVI与5—6月降水相关性较高,与热条件相关性不明显；9—10月NDVI与7—8月降水和太阳辐射相关性较高,与温度相关性不明显。综上,最为显著的影响因素评估中,5—6月NDVI主要影响因素为3—4月温度(R=0.551,P<0.01)；7—8月NDVI主要影响因素为5—6月的降水(R=0.606,P<0.01)；9—10月NDVI主要影响因素为7—8月降水(R=0.554,P<0.01)(表1)。

表1 生长季NDVI对水热因子变化的滞后响应

2.4 温带草地NDVI对水热因子响应的区域特征

图6结果表明,去趋势生长季NDVI与降水在大部分地区呈显著正相关,相关水平较高。NDVI与温度呈显著负相关,尤其是在1999年之后,NDVI与降水的相关性更为显著。从显著分布格局来看,去趋势后的NDVI与降水呈显著正相关,并表现出较高的相关性水平,分布于内蒙古草地和新疆草地等地区(R>0.66)。去趋势后生长季NDVI与温度显著负相关,相关性水平较低(-0.66 0.66),分布区域主要集中在内蒙古草地和新疆草地西北部。NDVI与温度除了在新疆草地西北部表现出显著负相关外,其他地区呈不显著相关。2000—2015年间,NDVI与降水呈现出比前一时段更强的显著正相关,而与温度除了在内蒙古草地中部地区表现出显著负相关外,大部分草地地区呈不显著相关。

图6 1982—2015年中国温带草地生长季NDVI与水热因子去趋势显著相关空间分布Fig.6 Spatial distribution of de-trend correlation between NDVI and hydrothermal factors in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015蓝色代表负相关,红色代表正相关,灰色部分为非显著区域(P >0.05)

3 讨论

本研究中,中国温带草地生长季NDVI与水热因子的年际变化趋势表明,降水呈显著下降趋势,温度和太阳辐射呈显著上升趋势,区域气候呈逐渐“暖干化”。空间上,生长季NDVI呈显著上升格局,与水(降水)热(温度、太阳辐射)因子之间均表现为显著正相关,表明研究区生长季热因子(温度和辐射)控制着NDVI的上升趋势。通过NDVI与水热因子的去趋势年际变化关系分析,1982—2015年间温带草地NDVI年际变化主要受生长季水(降水)因子的年际变化所控制。另外,温带草地生长季NDVI对水热因子变化滞后响应的结果表明, 5—6月NDVI对3—4月热条件(温度和太阳辐射)有着明显的滞后响应,7—8月及9—10月NDVI分别对5—6月和7—8月的水条件(降水)有滞后响应。空间变化格局上,中国年降水总量呈现出由东北向西南的递减分布特征[21,26—27],这可能与东亚夏季季风减弱有关,导致北方生长季的降水量有所下降[28],且降水量的变化是影响草地生产力变化主要因子,这一结论与本研究结果一致。持续变暖的过程影响着全球地区的气候变化,使得北半球过去三十多年温度为近千年气温最高[21],本研究结果也表明近34年中国温带草地温度升温速率较快,与在20世纪80年代以来升温变快结果相一致[29],且高于Peng等[30]对全国平均气温的升温速率的估算(0.27℃/10a)。本研究中1999年生长季温度开始出现下降趋势,其升温幅度明显减缓,与中国气温的年际变化的研究结果相符合[31—32],其主要影响因素是气候系统本身的自然变化以及气候外冷却因子的产生等因素有关[33—34]。有研究表明太阳辐射时间变化规律明显[35],我国东、西部地区的太阳辐射近50年逐渐下降,1999年之后略有回升[36—37]。并且在1980—2010年,我国年草地生产力与代际的降水、温度和太阳辐射都呈正相关[25],本研究结果中太阳辐射存在明显的时间变化规律,并与生长季NDVI呈显著正相关。

本研究可将中国温带草地生长季NDVI的年际变化为三个阶段,即1982—1998年的增长阶段,1999—2006年增长趋势放缓阶段,2007—2015年快速增长的阶段,与国内许多研究中国NDVI整体年际变化趋势的结论一致。田海静[25]认为在1982—2013年研究期间,1991—2000年是植被恢复不明显时期,其余时间段为植被明显恢复期。赫英明等[31]研究发现全国平均EVI(增强型植被指数)的趋势率为1.0×10-3/a,与本研究中对NDVI趋势变化研究结果相近。Liu等[30]研究则提出我国大部分地区的植被覆盖变化都经历了“增加—减少—增加”的过程,其对应变化的时间段与本研究的结果一致。以上研究结论均表明了近30年来我国植被覆盖变化存在显著的年际变化规律,其整体呈显著增加趋势特征。

本研究中,水条件指生长季降水,热条件为生长季温度和太阳辐射。张仁平[28]指出降水量可以改变植被的覆盖度,对半干旱地区草地植被覆盖影响较大,尤其是典型草原以及荒漠草原。且有研究指出温带草原和荒漠的生长季NDVI变化与降水呈现显著正相关关系[38],验证了本研究中生长季NDVI表现出年际间极大的起伏变化,是受到了生长季降水极大地起伏变化影响。Kaufmann等[32]研究认为北半球植被覆盖增加是受全球气候变暖所影响,金凯[39]研究认为中国近34年的生长季NDVI增加与温度紧密相关,杨雪梅[40]认为太阳辐射的增加利于植被进行光合作用,并能够有效促进植被提前进入生长季。温带草地地区地势平坦,生长季地表植被吸收太阳辐射增加,同时太阳辐射的增加能够引起地表温度的上升,有效地促进植被生长。这些研究结果能够支撑本文研究中近34年来温带草地生长季NDVI的显著增加与热因子的水平上升关系密切。从水热阶段变化来看,20世纪90年代后,我国北方地区气候呈现出“暖干化”的趋势,北方植被覆盖的增加速度有放缓的趋势,甚至部分地区出现下降的趋势[41]。1998—2006年间气温和辐射显著上升但降水不断减少,气候“暖干化”的趋势引起生长季内的草地植被的水分胁追,导致生长季时期的草地植被生长趋势下降[42]。这一研究结果则印证了NDVI的增长趋势是受到热条件(温度和太阳辐射)的快速上升的影响。

温度的上升和太阳辐射的增强有助于北半球高纬度地区植被提前进入生长季[11]。而我国的植被NDVI在夏秋季节对水热条件的综合反应比较复杂[32],9月份的太阳辐射和温度的增多会增强植被蒸腾作用,使植被提前进入枯黄期,从而导致NDVI下降,而降水量的增加则会延缓这一现象[43]。本文以两个月为滞后时间尺度,对中国温带草地生长季NDVI对水热条件的滞后效应研究分析得出,3—4月温度和太阳辐射与5—6月NDVI显著正相关,表明进入生长季前热条件的增加和积累有助于植被生长,促进其提前进入生长季。生长季中后期(7—10月)NDVI与5—8月降水呈显著正相关,表明生长季期间研究区温度和太阳辐射相对较高,降水则成为控制植被生长的主要因素。

区域性的气候变化不仅仅受气象因素单一作用的影响,人类活动的影响也不容小觑,往往是由二者共同作用所导致[44]。自1980年以来,我国气温快速变暖的主要原因是温室效应、土地利用变化和人类活动引起的能源消耗释放的热量带来的显著影响,同时对植被生长变化具有积极戓消极的作用[45]。21世纪后,我国植被覆盖的增加速率明显加快,这与近年来我国实施的大型林业生态建设工程有关。陕西省西北部是我国退耕还林还草工程实施较为成功的地区,有研究学者发现该地区的人类活动对植被恢复起到了促进的作用[46]。因此,人类对草地资源过度使用行为(如过度放牧)和保护行为(如退耕还林还草)等产生的影响,可能会导致大气—植被—土壤养分循环的改变。本研究主要考虑的气候因子是水因子(降水)和热因子(温度和太阳辐射),然而温带草地对气候变化十分敏感,中国温带地区分布范围广、包含草地类型众多,极端条件发生强度不同会引起草地不同的强烈的反应,各影响因子之间互相作用和对植被产生的影响机制复杂。在进一步研究植被动态变化对气候因子变化响应的过程中还应纳入CO2浓度变化、干旱事件、氮沉降、土壤温度、湿度以及风速等能够对植被生长产生影响的环境因子。