黄土高原植被物候时空变化及其与季节性干旱的关系

黄 莹，吴丽娟，赵 刚

（1.江西科技学院，江西 南昌 330098； 2.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250100）

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次报告指出全球几乎所有地区都出现了地表温度持续上升现象［1］，1950 年以来全球干旱地区面积每10 a 增加约1.74%［2］，未来40 a 中国北方极端温度事件发生频率将显著提高并影响生态系统的稳定性［3－4］。植被物候是反映气候变化的响应指标，在气候快速变化背景下物候变化会影响植物群落中不同物种间相互作用［5－7］，因此研究干旱与植被物候的关系对应对极端干旱事件具有重要意义。植被生长季始期（SOS）和植被生长季末期（EOS）在决定生长季长度和控制碳氮方面有同等重要的作用［8－11］。研究表明：植物往往会根据前一个物候的变化来调整后一个物候的时间［12－15］，暖化的春季是中国温带生态系统、青藏高原和北美北纬地区SOS提前的主要影响因素［16－18］，澳大利亚在湿润和干旱年份的物候差异明显［19］，气候变暖导致北半球SOS提前、EOS推迟［20］，干旱事件是影响植被物候变化最严重的气象灾害［21－23］，生长季开始前积温诱导的干旱导致中国东北草原SOS推迟和EOS提前、春季干旱推迟了草地和农田的EOS、秋季干旱提前了草地EOS［24］，干旱严重影响黄土高原生态环境和农业的健康持续发展［25－26］。尽管已有大量学者对植被物候进行了研究，但目前黄土高原不同植被类型物候对干旱敏感性响应的差异尚不明确，对黄土高原植被物候时空变化机理的研究还有待深化，因此笔者基于1982—2015 年NDVI数据，提取黄土高原植被SOS和EOS并分析了其时空动态变化情况、与季节性降水蒸散发指数SPEI的相关性，旨在揭示季节性干旱对黄土高原植被物候的影响，为应对极端干旱和水分胁迫研究等提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

黄土高原东起太行山、西至日月山、南临秦岭、北临阴山，地处东亚和南亚夏季风的边缘地带，植被对季风活动强度较为敏感。黄土高原从东南部到西北部年降水量由800 mm 降至150 mm，年降水量的55%～78%集中在6—9 月；气温昼夜变化幅度大，冬季干冷、夏季湿热、秋季降温快、春季升温快，年平均气温由西北部3.6 ℃提高到东南部14.3℃；全年太阳辐射充足，年日照时间2 200～2 800 h，年太阳辐射总量约为109 J／m2［27］；植被类型分带与年降水量分带密切相关，从东南部到西北部依次为森林－草原、典型草原、沙漠－草原、草原－荒漠带。黄土高原降水分布不均、蒸发量大、水资源严重短缺，植被覆盖度低，水土流失和土地退化严重。

1.2 数据来源与处理

（1）归一化植被指数（NDVI）。本研究采用1982—2015 年GIMMSNDVI（源于西部环境与生态科学数据下载中心网站https：／／ecocast.arc.nasa.gov／data／）提取黄土高原植被SOS和EOS，其空间分辨率为8 km。虽然GIMMSNDVI数据有一定局限性，但它是可用于提取植被特征的时间序列最长的NDVI数据。采用Savitzky－Golay 滤波方法对GIMMSNDVI序列数据进行去噪处理，以避免云导致的错误峰值［28］。

（2）气候数据。基于逐月格点降水和温度数据（源于国家气象科学数据中心网站https：／／data.cma.cn／data／index.html）提取反映干旱程度的标准化降水蒸散发指数（SPEI），具体方法参见文献［23］。用3 个月尺度和12 个月尺度的SPEI分别反映干旱的季节性（冬季为1—2 月和上年12 月，春季为3—5 月，夏季为6—8 月，秋季为9—11 月）变化特征、年际变化特征。基于ANUSPLIN 软件将SPEI插值为8 km 分辨率的网格数据。

（3）植被类型数据。把黄土高原植被类型分为栽培植被、林地、沼泽、灌木、草地、荒漠，各类植被面积数据源于《中国植被图（1 ∶100 万）数据集元数据》［29］，该数据集是反映我国自然资源条件及生态地理环境的重要基础图件，被广泛应用于各类科学研究工作中。

（4）高程数据。基于1 000 m 分辨率的数字高程模型（源于中国科学院资源环境科学数据平台http：／／www.resdc.cn）提取高程数据，重采样为8 km 分辨率，作为气象数据插值时的协变量。

1.3 研究方法

（1）物候期的提取。将NDVI曲线上升阶段距离最小值为最大值与最小值间距离的20%的时间点定义为植被SOS，将NDVI曲线下降阶段距离最大值为最大值与最小值间距离的80%的时间点定义为植被EOS［26］，SOS、EOS均用一年中距年初（1 月1 日）的天数表示。物候期提取方法有阈值法、滑动平均法、最大比率法等，本研究采用动态阈值法提取每个像元植被SOS和EOS，具体方法参见文献［9］。

（2）趋势分析和突变点检验。采用Sen 趋势分析法（具体方法参见文献［20］）和Mann－Kendall（M－K）突变点检验法（具体方法参见文献［1，30］），探究黄土高原植被SOS和EOS的时空动态变化情况。

（3）相关性分析。采用高阶偏相关分析法对不同植被类型SOS和EOS与季节性SPEI的相关性进行分析，具体方法参见文献［31］。

2 结果与分析

2.1 黄土高原植被物候的年际变化趋势

1982—2015 年黄土高原植被SOS和EOS年际变化趋势见图1，SOS和EOS突变点M－K 检验曲线见图2。

图1 黄土高原SOS 和EOS 年际变化趋势

图2 黄土高原SOS 和EOS 突变点M－K 检验曲线

由图1（a）可以看出，1989 年和2010 年分别是研究时段黄土高原植被SOS最晚年份和最早年份，SOS呈提前趋势，线性变化倾向率为－0.180 9 d／a；由图2（a）可以看出，1982—1994 年UF＞0（表明SOS以推迟趋势为主，其中1985 年、1987—1989 年SOS显著推迟），1995 年之后UF＜0（说明SOS以提前趋势为主，其中1997 年之后提前趋势显著），UF和UB曲线相交于1995 年，即1995 年为SOS开始突变的年份。

由图1（b）可以看出，1991 年和2007 年分别是研究时段黄土高原植被EOS最早年份和最晚年份，EOS呈推迟趋势，线性变化倾向率为0.094 2 d／a；由图2（b）可以看出，1982—1986 年UF＜0（说明EOS以提前趋势为主），1987 年之后UF＞0（说明EOS以推迟趋势为主，其中1992 年后EOS推迟趋势显著），UF和UB曲线相交于1990 年，即1990 年为EOS开始突变的年份。

2.2 黄土高原植被物候空间变化情况

根据M－K 突变点检验结果，把1995 年作为SOS突变年份、把1990 年作为EOS突变年份，探究不同时段SOS和EOS的时空分布特征。

黄土高原植被SOS各时段均值空间变化情况见图3。由图3（a）可以看出，1982—1994 年SOS从西北向东南逐渐提前，空间分布格局与水热资源空间布局具有一致性。统计分析表明：1982—1994 年有22.5%的SOS大于130 d，零星分布在黄土高原干旱和半干旱地区；有60.1%的SOS集中在110～130 d；SOS极端最早值（＜80 d）主要分布在海拔较低的关中盆地和河南省。由图3（b）可以看出，1995—2015 年SOS在毛乌素沙地、鄂尔多斯高原较1982—1994 年提前，其他地区SOS与1982—1994 年基本保持一致。

图3 黄土高原植被SOS 各时段均值空间变化情况

黄土高原植被EOS各时段均值空间变化情况见图4。由图4（a）可以看出，1982—1989 年EOS从西北向东南逐渐推迟。统计分析表明：有40.5%的EOS集中在260～270 d，有3.2%的EOS大于280 d（零星分布在黄土高原东南部半湿润区域）；EOS极端最小值（＜240 d）集中在干旱的毛乌素沙地、鄂尔多斯高原、陇中高原和关中盆地，这些地区植被主要为草地和栽培植被。由图4（b）可以看出，1990—2015 年EOS极端最小值（＜250 d）零星分布在陇中高原地区，较大值（＞270 d）集中分布在陕西省中部和甘肃省东部地区，毛乌素沙地、鄂尔多斯高原、陇中高原和关中盆地EOS与1982—1989 年相比有所推迟（集中在260～270 d）。

图4 黄土高原植被EOS 各时段均值空间变化情况

2.3 黄土高原各类植被物候变化趋势

黄土高原各类植被SOS和EOS变化率统计见表1。

表1 黄土高原各类植被SOS 与EOS 变化率统计 d／a

由表1 可知：1982—1994 年各类植被SOS均有所提前，除草地和荒漠SOS提前速率较小外，其他4 类植被SOS提前速率均在0.15 d／a 以上；1995—2015 年荒漠、栽培植被、沼泽SOS分别以0.320 3、0.210 8、0.184 1 d／a 的速率推迟，其他3 类植被SOS有所提前；1982—1989 年除荒漠EOS以0.007 9 d／a 的速率提前外，其他植被类型EOS均有所推迟，其中沼泽EOS推迟速率较小、其他4 类植被EOS推迟速率相对较大；1990—2015 年林地、灌木、荒漠EOS有所提前，其他3 类植被EOS有所推迟，变化速率均较小。

2.4 黄土高原植被物候与SPEI 的相关性

各类植被SOS、EOS与不同季节SPEI的相关性分析结果见表2、表3。

表2 各类植被SOS 与不同季节SPEI 的偏相关系数

表3 各类植被EOS 与不同季节SPEI 的偏相关系数

1982—1994 年，荒漠、草地、沼泽SOS与当年春季SPEI负相关，灌木、森林、栽培植被SOS与当年春季SPEI正相关；各类植被SOS均与上年夏季和秋季SPEI正相关，其中与上年夏季SPEI相关系数大都大于秋季的；各类植被SOS均与年初冬季SPEI负相关。1995—2015 年，除沼泽SOS与当年春季SPEI负相关外，其他植被SOS与当年春季SPEI正相关；各类植被SOS均与上年夏季和秋季SPEI正相关；灌木、沼泽SOS与年初冬季SPEI负相关，其他植被SOS与年初冬季SPEI正相关。

1982—1989 年，沼泽、灌木EOS与当年春季SPEI正相关，森林、草地、荒漠EOS与当年春季SPEI负相关；各类植被EOS与上年夏季和秋季SPEI大都负相关，其中灌木和森林EOS与上年夏季和秋季SPEI的相关性较强；沼泽、荒漠EOS与年初冬季SPEI负相关，其他植被类型EOS与年初冬季SPEI正相关。1990—2015 年，除沼泽EOS与当年春季SPEI正相关外，其他植被类型EOS与当年春季SPEI负相关；各类植被EOS与上年夏季、上年秋季和年初冬季SPEI均正向关。

2.5 讨 论

近年来，干旱对植被生长和生态系统功能产生了严重影响。上述分析表明，黄土高原植被SOS在1995年开始发生突变（由推迟趋势转变为提前趋势），EOS在1990 年开始发生突变（由提前趋势变为推迟趋势），这一研究结果与吉珍霞等［10，15］、Pei 等［11］的研究结果一致。候静等［32］研究发现，植被物候突变与气温变化有关，气温升高会使植被SOS提前。笔者研究发现，当年春季和年初冬季干旱程度越高，次年植被SOS推迟越明显，上年夏秋季干旱会导致次年植被SOS提前，1982—1994 年上年夏季SPEI对植被SOS的影响大于上年秋季SPEI对植被SOS的影响。侯青青等［33］研究发现，1995 年为黄土高原干旱的突变年，1995 年以后干旱加剧。Qin 等［34］研究发现，干旱和水分利用效率是黄河中游地区植被变绿的主要影响因子。这些研究结果都说明干旱对黄土高原植被生长产生了显著影响，干旱很可能是黄土高原植被SOS发生突变的主要原因。

干旱是黄土高原植被生长的主要限制因素，但目前对黄土高原季节性干旱与不同植被物候关系的研究结论还存在差异。如Zhao 等［35］研究发现，黄土高原干旱对植被物候的积累效应发生在5～10 个月范围内，而时滞效应发生在2～3 个月内，而笔者研究发现当年春季和年初冬季干旱会导致次年植被SOS推迟，上年夏秋季干旱会导致次年植被SOS提前。出现这种现象的可能原因是黄土高原植被经历了干燥寒冷的冬季之后，春季气温回升、日照时数增加、太阳辐射增强、风速加快等因素和干旱的共同作用会导致地表土壤水分进一步减少，虽然温度已经满足了植被返青的需求，但是随着温度升高和极端温度事件的增加以及伴随的干旱事件增多，使土壤水分和植被冠层水分蒸散发量增加，导致植被返青期推迟。随着蒸散发量增大，地表干燥度提高，裸露在外的土壤在强烈的太阳辐射、风和极端降水的侵蚀下，植被根系抓地力下降，从而进一步导致深层土壤水分蒸散发量增加，也会造成植被返青期推迟。此外，笔者研究发现，当年春季和上年夏季干旱会导致植被EOS推迟，上年秋季和年初冬季干旱会导致植被EOS提前，这一结果与吉珍霞等［15］研究结果一致，其主要原因是黄土高原春季多风沙和夏季炎热多暴雨的天气会增加地表蒸散发量［28］，加之黄土高原地处干旱和半干旱区，年降水量少且常年遭受风蚀、水蚀，当夏季干旱时，没有充足的土壤水分供给植被进行碳的合成，造成植被光合作用减弱、植被气孔关闭、叶片过早衰老，使植被提前进入枯黄期。

3 结 论

研究结果表明：黄土高原植被SOS在1995 年开始发生突变，由推迟趋势转变为提前趋势，平均变化倾向率为－0.180 9 d／a；EOS在1990 年开始发生突变，由提前趋势转变为推迟趋势，平均变化倾向率为0.094 2 d／a；当年春季干旱和年初冬季干旱会导致次年植被SOS推迟，上年夏秋季干旱会导致次年植被SOS提前，当年春季干旱和上年夏季干旱会导致植被EOS推迟，上年秋季干旱和年初冬季干旱会导致植被EOS提前。