我国北方地区植被对水分亏缺的响应特征分析

刘 灏,何刘鹏,丁怡博

[1.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州450003;2.水利部黄河流域水治理和水安全重点实验室(筹),河南 郑州 450003]

植被与气候变化的关系一直是研究热点,大多数研究集中在分析降水、气温、土壤水分等单一指标与植被生长的关系,如DING et al.[1］和王兆礼等[2］分析了中国范围内植被与农业和气象干旱的关系,NIU et al.[3］研究了青藏高原植被对土壤水分的响应机制,GU et al.[4］调查了植被与气候因子(气温和降水)变化的滞后效应。植物生长需要水分的参与,水分亏缺会影响植物的生理过程,如根系吸水、叶片蒸腾、水分传导等,进而影响植物形态、叶面积、光合作用强度、根冠发育情况等,限制植物生长甚至造成植物死亡。植物生长所需的水量受多种因素的共同影响,单一指标无法准确描述植物与区域水量变化之间的关系,而水分亏缺通常指区域尺度输入的降水量无法补充输出的蒸散发量[5］,可综合反映区域尺度上的水分状况,因此分析植被对水分亏缺变化的响应程度和时间有助于理解植被动态变化与水分变化之间的关系[6］。

各种植被指数被广泛应用于植被动态变化研究,其中基于Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR)卫星的Global Inventory Modeling and Mapping Studies(GIMMS)的NDVI产品具有较长的监测时间序列(1982—2015年),用于分析植被与水分亏缺的关系时,其结果具有更高的精确度[1］。本研究以我国北方地区为研究区,基于长时间序列气象和植被数据,总结我国北方地区不同类型区域的植被和水分亏缺特征,及植被对水分亏缺的响应程度,探讨不同植被类型对水分亏缺的敏感程度,以期为深入研究区域尺度水量时空变化对植被的影响提供参考,也可为“双碳”目标背景下的政策制定提供依据。

1 研究区概况

我国北方地区位于东经83°～124°、北纬27.5°～53.5°,自东向西呈三级阶梯状的高程分布,第一级阶梯主要为青藏高原、柴达木盆地,第二级阶梯主要为准噶尔盆地、塔里木盆地、内蒙古高原和黄土高原,第三级阶梯主要为东北平原和华北平原[见图1(a)]。我国北方地区主要为温带大陆性和温带季风气候区[7］,年均降水量在200～600 mm之间[8］。不同地区的主要植被类型呈现不同的特征,其中东北片区的植被类型以针叶林、落叶阔叶林为主,华北片区的植被类型以落叶阔叶林、草地和农田为主,西北片区的植被类型以荒漠和草地为主。基于我国干旱、半干旱气候区的划分方法,结合降水、植被类型等基本特征,本研究将我国北方地区分为寒温带针叶林区(Ⅰ)、温带落叶阔叶林区(Ⅱ)、暖温带落叶阔叶林区(Ⅲ)、温带草原区(Ⅳ)和温带荒漠区(Ⅴ)5个分区,划分结果见图1(b),各分区土地利用情况见图1(c)和表1。

表1 中国北方地区5个分区土地利用情况

图1 研究区概况

1)Ⅰ分区位于大兴安岭北部,属于东西伯利亚南部落叶针叶林,是欧亚大陆北方针叶林沿山地向南的延续部分,山地海拔在600～1 000 m之间,不同地点年均气温为-5～-1.2 ℃,年均降水量为400～600 mm,土地利用类型以林地为主,其次是草地和农田。

2)Ⅱ分区位于东北地区的东部区域,包括小兴安岭和长白山山区,属海洋性温带季风气候区,呈现山峦重叠、地势起伏的地形特点,不同地区年均气温为-1～6 ℃,年均降水量为600～800 mm,土地利用类型以林地为主,其次是农田和草地。

3)Ⅲ分区位于华北地区,地形以山地、丘陵和平原为主。四季分明,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,不同地区年均气温为8～14 ℃,年均降水量为500～1 000 mm,土地利用类型以草地和农田为主。

4)Ⅳ分区包括东北平原、内蒙古高原、黄土高原和准噶尔盆地北部的一部分,属温带半湿润、半干旱气候区,地形以山地和平原为主,不同地区年均降水量为300～500 mm,土地利用类型以草地为主,不同地区其次是农田和林地。

5)Ⅴ分区位于我国西北部,属温带干旱气候和极端干旱气候区,地形以沙漠和戈壁为主,不同地区年均降水量为100～800 mm,土地利用类型以沙漠为主。

2 研究方法与数据来源

2.1 数据来源

植被数据采用由美国NASA的生态预测实验室生产的时间分辨率1个月、空间分辨率8 km×8 km的1982—2015年GIMMS NDVI遥感产品数据(http://ecocast.arc.nasa.gov/)。降水、风速、气温、日照时数、相对湿度等气象要素数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/),采用反距离权重法将气象站点数据插值为时间分辨率1个月、空间分别率8 km×8 km的空间数据。土地利用类型和植被类型数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/Default.aspx)。

2.2 研究方法

2.2.1 水分亏缺量

在大尺度范围内,区域的水分亏缺通常被定义为一个系统或一个区域水分供需差额或收支赤字[5］。本研究根据区域的水量平衡原理,将降水量和潜在蒸散发量的差值定义为区域水文循环过程中的水分亏缺量。Penman-Monteith模型具有蒸散发量的物理基础和较为广泛的应用,可较为准确地模拟植被的潜在蒸散发量,本研究应用FAO56 Penman-Monteith模型模拟潜在蒸散发量。Penman-Monteith模型为[9-10］

(1)

式中:PET为潜在蒸散发量,单位mm;Rn为太阳净辐射,单位MJ/(m2·d);G为土壤热通量,单位MJ/(m2·d);Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率,单位kg·Pa/℃;γ为湿度计常数,单位kg·Pa/℃;es为饱和水汽压,单位kPa;ea为实际水汽压,单位kPa;T为2 m高度处平均气温,单位°C;u2为2 m高度处的风速,单位m/s。

水分亏缺量计算公式为

D=P-PET

(2)

式中:D为水分亏缺量,单位mm;P为降水量,单位mm。

2.2.2 植被对水分亏缺的响应程度和响应时间

本研究采用最大系数法确定植被对水分亏缺的响应程度和响应时间[11］,具体是指:以栅格为单位,计算不同时间尺度下NDVI和水分亏缺量的Pearson相关系数,将不同时间尺度下的最大相关系数定义为植被对水分亏缺的响应系数,将最大相关系数所在的时间尺度定义为植被对水分亏缺的响应时间。响应系数越大,代表植被对水分变化越敏感;而响应时间指水分亏缺发生变化,致使土壤湿度发生变化,进而引起植被生长状态发生变化的这段时间,响应时间越长,代表由水分亏缺变化引起植被生长状态发生变化所需的时间越长。最大相关系数计算公式为

(3)

3 结果与讨论

3.1 我国北方地区植被特征

调查我国北方地区不同分区的植被特征差异和动态变化特征,可为后续分析植被对水分亏缺的响应提供基础。通过总结我国北方地区不同分区1982—2015年各季节NDVI均值(见图2),发现我国北方地区不同分区各季节NDVI值呈现夏季>秋季>春季>冬季,夏季的植被覆盖程度明显高于其他3个季节,秋季和春季近似,冬季植被覆盖程度最低。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区相同季节NDVI值比较接近,Ⅳ分区各季节NDVI值略低于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区,Ⅴ分区各季节NDVI值明显低于其他4个分区。DING et al.[1］通过研究表明林地生物群落的植被覆盖程度和生态抵抗能力普遍高于草地和农田,且远高于荒漠植被。XU et al.[12］通过研究同样表明东北、华北和西北的植被覆盖程度依次降低。由表1可知,不同的植被类型和生物群落是造成我国北方地区不同分区植被覆盖程度差异的主要原因。

图2 我国北方地区5个分区各季节NDVI均值

为进一步分析我国北方地区不同分区的植被覆盖变化特征,基于NDVI月尺度和年尺度数据计算了NDVI在年际和年内的标准差(见图3)。我国北方地区NDVI年际标准差在0.002～0.030之间,而年内标准差在0.01～0.27之间,NDVI在年内不同月份的变化要大于在年际间的变化,表明植被覆盖程度在不同季节间变化明显,而在年际间变化较小。Ⅰ、Ⅱ分区NDVI年内标准差高于其他分区,主要是因为这两个区域的植被以针叶林和落叶阔叶林为主,植被生长随季节变化比较显著。Ⅴ分区NDVI年际和年内标准差均低于其他分区,表明该区域植被覆盖程度在不同季节间和年际间的变化均较小。

图3 5个分区的NDVI在年际和年内的标准差

3.2 我国北方地区不同分区水分亏缺情况

图4为我国北方地区不同分区的降水量、潜在蒸散发量和水分亏缺量统计结果。由图4(a)可以得到:

图4 5个分区降水量、潜在蒸散发量和水分亏缺量统计结果

不同分区按年均降水量大小排序为Ⅲ分区(520～750 mm)>Ⅱ分区(550～725 mm)>Ⅰ分区(450～500 mm)>Ⅳ分区(325～450 mm)>Ⅴ分区(100～175 mm);不同分区按年均潜在蒸散发量大小排序为Ⅴ分区(1 150～1 250 mm)>Ⅲ分区(1 125～1 200 mm)>Ⅳ分区(1 025～1 150 mm)>Ⅱ分区(925～975 mm)>Ⅰ分区(775～850 mm)。由图4(b)可以得到不同分区年均水分亏缺量依次为Ⅴ分区(-1 150～-1 000 mm)<Ⅳ分区(-800～-600 mm)<Ⅲ分区(-600～-400 mm)<Ⅰ分区(-400～-300 mm)<Ⅱ分区(-350～-200 mm)。不同分区的年均降水量差异较大,年均潜在蒸散发量差异相对较小。Ⅴ分区年均降水量最小,年均潜在蒸散发量最大,导致水分亏缺最严重,且明显高于其他分区。

3.3 植被对水分亏缺的响应

通过计算植被对水分亏缺的响应系数和响应时间并分析其空间分布特征(见图5),可以得到:东北平原中部、内蒙古高原中部、准噶尔盆地南部的植被与水分亏缺呈现正相关关系,且相关系数较高;塔里木盆地植被与水分亏缺呈现负相关,且相关系数较低。东北平原、内蒙古高原和华北平原植被对水分亏缺的响应时间较短,青藏高原和塔里木盆地植被对水分亏缺的响应时间较长。

图5 我国北方地区植被对水分亏缺的响应系数和响应时间空间分布

通过计算我国北方地区不同分区植被对水分亏缺的响应系数[见图6(a)],得到各分区响应系数大小排序为:Ⅰ分区(0.75～0.80)>Ⅳ分区(0.70～0.80)>Ⅱ分区(0.55～0.75)>Ⅲ分区(0.45～0.70)>Ⅴ分区(0.18～0.75)。通过计算不同分区植被对水分亏缺的响应时间[见图6(b)]可知:Ⅰ分区植被对水分亏缺的响应时间主要为5个月,其面积占比为96%;Ⅱ分区的响应时间主要为5个月或6个月,其面积占比分别为59%和36%;Ⅲ分区的响应时间主要为5个月或6个月,其面积占比分别为38%和49%;Ⅳ分区的响应时间主要为5个月,其面积占比为68%;Ⅴ分区的响应时间比较分散,2、3、4、5和11个月的面积占比分别为15%、20%、13%、10%和13%。

图6 5个分区植被对水分亏缺的响应系数和响应时间

植被类型是影响植被对水分亏缺的响应程度和响应时间的重要因素。通过计算各分区中不同植被类型对水分亏缺的响应系数[见图7(a)]和响应时间[见图7(b)],发现Ⅰ分区林地和草地对水分亏缺的响应系数分别为0.76～0.81和0.77～0.81;Ⅱ分区农田和林地对水分亏缺的响应系数分别为0.57～0.73和0.68～0.76;Ⅲ分区农田和草地对水分亏缺的响应系数分别为0.39～0.63和0.51～0.72;Ⅳ分区农田和草地对水分亏缺的响应系数分别为0.65～0.75和0.71～0.78;Ⅴ分区草地和沙漠植物对水分亏缺的响应系数分别为0.73～0.88和0.13～0.41。Ⅰ分区中林地和草地对水分亏缺的响应系数接近,同时Ⅰ分区中草地对水分亏缺的响应系数高于其他分区的草地;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分区中农田对水分亏缺的响应系数均低于同分区的其他植被;Ⅴ分区中草地和沙漠植物对水分亏缺的响应系数差异较大,草地对水分亏缺的响应系数高于沙漠植物,沙漠植物对水分亏缺的响应系数是所有植被类型中最低的。除Ⅴ分区外,其他分区的农田、草地、林地对水分亏缺的响应时间一般为5或6个月。人类活动影响是造成不同植被类型对水分亏缺响应程度不同的主要原因。SHI et al.[13］发现人类的灌溉活动会降低农田植被对水分亏缺的敏感程度和延迟响应时间。在本研究中,人类灌溉活动会影响Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分区的农田作物生长,使得农田对水分亏缺的响应程度低于同分区的其他植被类型;此外,不同植被的生理结构差异也是造成植被对水分亏缺响应程度差异的原因,如沙漠植物具有特殊的生理结构,使得其对水分变化的敏感程度较低,导致Ⅴ分区沙漠植物对水分亏缺的响应程度明显低于其他植被类型。

F、G、C、D分别代表林地、草地、农田、沙漠。

4 结论

通过采用NDVI和水分亏缺量描述植被动态变化和水分条件,基于长时间序列数据和栅格尺度的计算,总结了我国北方地区不同分区植被特征和水分亏缺特征,分析了我国北方地区不同分区植被对水分亏缺的响应系数和响应时间,结果表明:①我国北方地区夏季的植被覆盖程度明显高于其他3个季节,秋季和春季近似,冬季植被覆盖程度最低,年际NDVI变化程度低于年内不同季节NDVI的变化程度;②较高的年均潜在蒸散发量和较低的年均降水量导致Ⅴ分区水分亏缺最严重;③植被对水分亏缺的响应系数表现为Ⅰ分区>Ⅳ分区>Ⅱ分区>Ⅲ分区>Ⅴ分区,除Ⅴ分区外,植被对水分亏缺的响应时间集中在5或6个月;④受人类灌溉活动影响,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分区农田对水分亏缺的响应程度低于同分区的其他植被类型,而沙漠植物的特殊生理结构导致其对水分亏缺的响应程度较低。