2001—2018年中國-老撾交通走廊核心區植被穩定性對極端干旱的響應

劉媛媛,李 霞,王小博,王紹強,*,錢釗暉

1 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

2 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049

3 生態環境部對外合作與交流中心,北京 100035

干旱是一種水分持續虧缺的異常氣象現象,會對全球生態環境、社會、經濟和農業造成重大負面影響[1-2]。相比洪澇、高溫與地震等自然災害,干旱影響的范圍更廣,造成的損失更大[3-4]。過去一個世紀以來,在全球范圍內極端氣候事件的發生頻率與嚴重程度不斷提高[5-9]。研究干旱的時空分布格局不僅可為了解干旱的發生機制提供理論依據,還能為預防干旱災害提供有效措施[10]。同時,干旱嚴重影響陸地生態系統功能的穩定性,如光合能力、生態系統生產力和陸地碳匯[11]。目前,基于野外實驗與遙感方法的很多研究表明,干旱對植被生長和陸地生態系統造成了嚴重的負面影響[7,12-13]。因此,進一步了解植被對干旱的響應非常重要,可為提高陸地生態系統的穩定性提供理論依據。

目前,多種干旱指數已被用于全球或區域干旱監測[14-16]。Palmer干旱指數(Palmer Drought Severity Index,PDSI)自提出以來,已被廣泛應用于氣象、水文和生態等研究領域,在評估區域水分平衡與干旱嚴重程度等方面得到了良好的應用[17-20]。此外,很多研究應用PDSI分析了干旱在不同區域對植被生長的影響[9,21]。Zhang等[21]利用PDSI和歸一化植被指數NDVI研究了中國干旱的分布情況和干旱對植被生產力的影響。Dong等[9]利用植被指數和自校準PDSI分析了美國加利福尼亞州的嚴重干旱對植被的影響。

中老交通走廊核心區位于中國云南與老撾接壤地區,擁有豐富的自然資源。該地區雖然有較高的年降水量,但植被對日益嚴重的干旱較為敏感。中老交通走廊核心區主要的植被類型是常綠闊葉林與木本稀樹草原,覆蓋面積占總面積的90%以上。近期研究表明,相比其他植被類型,常綠闊葉林的干旱情況有加重的趨勢[22],且會經歷更長時間的干旱,可能會面臨更大的干旱風險[23-24]。此外,中老交通走廊核心區所處的老撾北部山區是老撾森林砍伐率最高的地區[25],建設鐵路和水電站等基礎設施會加劇該地區的森林砍伐,可能導致該地植被的穩定性下降。研究區的植被狀況受到氣候變化與人類活動的影響,會改變湄公河流域的水文條件[26]。作為湄公河流域的上游,研究區的植被狀況是影響整個流域生態環境質量的關鍵因素[27]。

植被的穩定性為植被指數的均值與標準差之比。植被的穩定性越高,抵御干旱的能力越強。植被的穩定性通常用抵抗力和恢復力來評估。抵抗力量化了干旱對生態系統抵抗力的直接影響,表現為干旱期間植被維持其原始水平的能力[28]。恢復力定義了干旱后生態系統功能恢復到正常狀態的速度[29]。目前,已有多個研究通過實驗或模型分析了植被對干旱的抵抗力和恢復力[29-30],但在研究區所在的湄公河流域開展植被對干旱的抵抗力和穩定性的研究很少。因此,研究中老交通走廊核心區的干旱時空分布特征以及植被的穩定性、抵抗力和恢復力對干旱的響應十分必要,有助于提高陸地生態系統的穩定性和抗災能力。

本研究根據1980—2018年的PDSI數據確定了中老交通走廊核心區的干旱事件,并對PDSI做了趨勢分析。基于2001—2018年的年均EVI數據,量化了中老交通走廊核心區植被的穩定性(年均EVI與其標準差之比)及其對干旱的抵抗力和恢復力。本文研究目標包括：1)闡明中老交通走廊核心區極端干旱事件的時空分布特征；2)評估研究區不同植被類型的穩定性及其對極端干旱事件的抵抗力和恢復力。

1 數據與方法

1.1 研究區

中老交通走廊核心區是指中老交通走廊(主要是昆曼公路中國-老撾段和中老鐵路)經過地區。研究區包括中國云南省的西雙版納傣族自治州1個地級行政區以及老撾北部的瑯南塔省、博膠省、烏多姆塞省、瑯勃拉邦、萬象省和萬象市6個省級行政區(圖1),總面積約8.4萬 km2,地理坐標為99.9—103.4°E,17.8—22.6°N,中老邊境長約710 km。地貌類型以山地和高原為主,高程在145—2415 m之間。研究區地處亞熱帶季風和熱帶季風兩個氣候區,年均日最高溫約28.5℃,多年平均降水量約1690 mm,雨量充沛但分布不均。該地區氣候終年溫暖濕潤,無四季之分,可分為旱季和雨季兩個季節,其中11月至次年4月是旱季,5月至10月是雨季[31]。研究區的土地覆蓋類型以常綠闊葉林和木本稀樹草原為主,分別占研究區總面積的57.42%和33.75%,而草地、農田和城市僅占研究區總面積的4.09%、2.79%和0.17%(圖1)。

圖1 研究區地理位置及土地覆蓋類型

1.2 數據來源及處理

本研究采用的土地覆蓋數據為MODIS衛星的MCD12Q1產品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/),其空間分辨率為500 m,時間為2017年。本研究在植被覆蓋區開展,研究區不包括水體和城市。基于MODIS土地覆蓋產品,本文選取了研究區5類主要的植被類型作為研究對象,分別是常綠闊葉林(EBF)、混交林(MF)、木本稀樹草原和稀樹草原(SAV)、草地(GRA)和農田(GRO)。

目前,NDVI是應用最廣泛的植被指數[32-33]。然而,相比于過去常用的NDVI,EVI增加了對植被的監測能力且能更好地反映植被的生長覆蓋狀態[34-35],目前已被廣泛應用于許多研究[36-37]。本研究所采用的EVI數據為MODIS衛星的MOD13Q1產品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/),其空間分辨率 250 m×250 m,時間分辨率16天,時間范圍為2001—2018年。利用MODIS MRT(MODIS Reprojection Tools)處理工具對MOD13Q1產品進行數據格式轉換和投影轉換等預處理操作。為了消除異常值的影響,采用最大合成法(MVC)制作EVI月值序列,最后計算逐年EVI均值。

Palmer 氣象干旱指數(Palmer Drought Severity Index, PDSI)[14]已被廣泛用于全球或區域干旱監測中,是中長期干旱監測的重要指標之一。在本研究中,PDSI、降水量和日最高溫數據均來自TerraClimate月尺度氣象數據集[38],時間范圍為1980—2018年,空間分辨率約為2.5 arc minutes。根據PDSI的值,旱澇從極端濕潤到極端干旱共分為10個等級(表1)[14]。極端干旱事件可根據受旱面積比例和干旱程度來統計[39],因此,本文綜合考慮極端干旱面積比例和PDSI值選出2001—2018年的極端干旱年份。PDSI、氣溫、降水和土地覆蓋數據經投影與裁剪等預處理后統一重采樣為250 m空間分辨率的柵格數據。

表1 PDSI 干濕等級及類型

1.3 穩定性、抵抗力和恢復力評估

植被的穩定性定義為Ym/δ,其中Ym是所有年份的年均EVI,δ是相同時間間隔下EVI的標準差。抵抗力和恢復力被用于評估極端氣候對植被穩定性的影響,其中,抵抗力指植被結構和功能保持其原始水平的能力,恢復力指植被恢復到干旱前水平的速度[40]。EVI可以用來表征植被的結構和光能利用效率,且MODIS產品具有很高的時間分辨率,因此,EVI是表征植被的穩定性及其對極端干旱的抵抗力和恢復力的一個良好指標。同之前研究的方法相似[11,41],抵抗力指數(Ω)和恢復力指數(Δ)的計算公式如下：

(1)

(2)

1.4 統計分析

本研究運用單因素方差分析(One-way ANOVA)分析不同植被類型穩定性、抵抗力和恢復力之間的差異,顯著性水平設置為0.05,P<0.05被認為具有統計學意義。

2 結果

2.1 干旱事件的年際分布

1980—2018年間,中老交通走廊核心區的年均PDSI值在-3.73至2.52間大幅波動(圖2)。根據PSDI值和極端干旱面積占比,中老交通走廊核心區2010年、1993年、1998年和1992年發生的干旱在1980—2018年間最為極端。其中,PDSI在2010年達到最低值,其次為1993年、1998年和1992年,以上4年極端干旱面積分別占總面積的47.46%、15.10%、14.94%和10.73%(圖2)。旱季的PDSI值介于-3.83和1.95之間,最嚴重的旱季干旱發生在2004年,其次為1993年和1980年。雨季PDSI值介于-4.60和3.41之間,最嚴重的雨季干旱發生在1992年,其次為2010年和1983年(圖2)。

2001—2018年間,出現極端干旱的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,以上年份極端干旱面積占總面積的比例分別為13.37%、47.46%、10.41%、12.00%和3.05%。如圖2所示,2005年和2010年在旱季和雨季都存在嚴重和極端干旱,但2015年和2016年僅在雨季存在大面積的嚴重與極端干旱,而旱季嚴重和極端干旱占比較低。從植被EVI的變化來看(圖3),2005年和2010年極端干旱導致EVI較相鄰年EVI有明顯降低,而2015年和2016年極端干旱對EVI的影響不大,常綠闊葉林、木本稀樹草原和混交林的EVI甚至比相鄰年的EVI還高,植物沒有受到干旱的不利影響,這說明2015年和2016年僅是氣象干旱年,主要是雨季氣象干旱,對植物來講不是極端干旱年。綜合考慮旱季和雨季的極端干旱面積比例和PDSI值,將2005年和2010年定義為2001—2018年間的極端干旱年份(圖2)。

圖2 1980—2018年年均PDSI及干旱面積比例

圖3 2001—2018年不同植被類型的年均EVI值和PDSI值

2.2 干旱的空間分布

1980—2018年期間,中老交通走廊旱季和雨季干旱的空間分布差異不明顯,PDSI低值主要出現在博膠省、瑯南塔省、西雙版納傣族自治州和萬象省西南部,說明以上地區的干旱程度較重(圖4)。圖3為中老交通走廊核心區各植被類型PDSI的年際變化。總的來說,常綠闊葉林和稀樹草原的年均PDSI較高,而混交林和農田的年均PDSI較低(圖3)。為了探討PDSI與氣象要素的關系,本文進一步研究了溫度和降水量與PDSI的相關性。中老交通走廊核心區各植被類型的年均PDSI與年降水量均呈顯著正相關(P<0.01),說明降水量是影響PDSI變化的關鍵因素之一。年均日最高溫與年均PDSI呈顯著負相關(P<0.01),說明該地區的溫度升高也是造成干旱的主要原因(表2)。

表2 各植被類型年均PDSI與年降水量的相關性和PDSI與年均日最高溫的相關性

圖4 1980—2018年年均PDSI值的空間分布

2.3 不同植被類型中植被對干旱的穩定性、抵抗力和恢復力

中老交通走廊植被的穩定性普遍較高,且表現出較大的空間變異性(圖5)。研究區常綠闊葉林和稀樹草原的穩定性較高,而混交林、草地和農田的穩定性較低(圖5；圖6)。結果表明,相比其他植被類型,常綠闊葉林和稀樹草原對干旱的穩定性明顯較高(P< 0.01,圖6；表3)。

植被對干旱的抵抗力在研究區內也表現出較大的空間變異性(圖5),常綠闊葉林和稀樹草原的抵抗力較高,而混交林、草地和農田的抵抗力較低(圖5；圖6)。相比其他植被類型,常綠闊葉林和稀樹草原植被類型均明顯表現出較高的抵抗力(P< 0.001,圖5；表3)。植被對干旱的抵抗力與年均日高溫和年均降水量呈顯著正相關(P< 0.01,表4)。

圖5 增強型植被指數(EVI)的穩定性、EVI對干旱的抵抗力和恢復力

圖6 不同植被類型的EVI對干旱的穩定性, 抵抗力和恢復力(平均值±標準方差)

表4 氣象要素與EVI對干旱的抵抗力和恢復力的相關性

植被對干旱的恢復力在研究區不同植被類型之間也具有顯著差異。其中,常綠闊葉林和稀樹草原的恢復力較高,混交林、草地和農田的恢復力較低(圖5；圖6)。研究區內常綠闊葉林和稀樹草原比其他植被類型也表現出較高的恢復力(P< 0.001,圖6；表3)。

3 討論

如圖2所示,2001—2018年中老交通走廊核心區經歷了5次極端干旱事件,出現極端干旱的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,其中嚴重干旱面積分布最廣的年份為2010年,這與Guo等[42]和Son等[31]的研究結果一致。本研究發現降水減少和溫度升高是影響中老交通走廊核心區干旱的主要原因(表3)。

如圖6所示,常綠闊葉林對干旱的抵抗力高于木本稀樹草原、混交林、草地和農田,表明中老交通走廊核心區的常綠闊葉林具有較高的抗旱能力。研究表明,植被生產力和陸地碳匯的時間變異性主要是由非常綠生態系統造成的,如草地、農田和落葉林等[43]。Huang等[11]發現在全球尺度上常綠闊葉林比其他植被類型具有更高的穩定性。常綠闊葉林具有較高的抗旱能力是由多種因素造成的。首先,從植物根系看,林木的根系發達,對干旱造成的水分缺失有較強的抵抗力,在嚴重干旱時可利用深層土壤的水分。因此,林地對干旱的抵抗力相對較強。而草本植物根系較淺,只能利用表層土壤水[44],容易受到水分缺失的影響,因而對干旱更為敏感,對干旱的抵抗力較弱。農作物與草本植物一樣根系較淺,且其穩定性和對干旱的抵抗力會受人類管理措施的影響。中老交通走廊核心區地形以山地為主,缺乏灌溉條件,導致農田對干旱的抵抗力較低。其次,從植物生理來看,相比水分利用,太陽輻射是限制常綠闊葉林生長的主要因素[45],基于遙感和野外實驗的多種研究表明,常綠闊葉林新葉發育和葉面積指數增加的主要驅動因素是旱季較高的太陽輻射[45]。常綠闊葉林旱季增長的光能利用效率(LUE)可能會增強植物對干旱的抵抗力。在旱季干旱前,常綠闊葉林會保留新葉去掉舊葉,從而維持較高的光能利用效率[11,45]。以上原因均會造成常綠闊葉林比其他植被類型更加穩定和抗旱。

溫度升高造成的熱浪等極端氣候事件通過減少水的供應和生態系統二氧化碳的凈交換量,降低了植被的初級生產力,由此產生的干旱脅迫可能會進一步降低植物的生存能力[46]。然而,本研究中,植被對極端干旱的抵抗力與日高溫呈正相關(表4),說明溫度升高造成干旱(表2)的同時也提高了植被對極端干旱的抵抗力。該結果可能是由于大多數常綠闊葉林的季節最高溫仍低于冠層光合能力的最適溫度[47],因此,盡管溫度升高會造成干旱,但大氣溫度與常綠闊葉林最適溫度間的差距會防止溫度升高對生態系統光合作用造成負面影響。此外,日最高溫對植被生長的影響具有明顯的時滯效應[48],因此,溫度升高對植物的影響很復雜,具有一定的不確定性。

常綠闊葉林是中老交通走廊核心區的主要植被類型(圖1),常綠闊葉林的高穩定性表明其在維持該地區生態系統穩定性上發揮了關鍵作用。在未來干旱日益嚴重的情景下,常綠闊葉林的穩定性是否會下降仍有待進一步研究。中老交通走廊核心區所處的北部山區是老撾森林砍伐率最高的地區[25],加強該地區森林的合理開發利用和提高對常綠闊葉林的保護力度十分重要。

總體而言,本研究為研究中老交通走廊核心區植被穩定性對極端干旱的響應提供了參考,為理解干旱的機理和影響因素、提高陸地生態系統的穩定性和恢復力提供了理論依據。然而,本研究仍存在一定的局限性。例如,盡管遙感提供了一種研究大尺度植被與干旱關系的方法,但其更深層的響應機制需要做進一步的實地觀察與控制實驗。本文僅考慮了氣象干旱對植被的影響,缺少對土壤干旱的分析,而熱帶和亞熱帶季風區的降水較少時,極有可能土壤并不缺水,植物仍正常生長,因此,土壤干旱對植被生長的影響仍有待進一步研究。此外,本研究沒有考慮長期干旱造成的滯后效應,如干旱導致的樹木死亡和火災、干旱對植被的滯后效應和累積效應等。土壤、地形、地質和社會經濟發展等因素對干旱的影響也有待進一步研究。為了保障中老交通走廊核心區的安全建設,可根據當地情況采取短期或長期風險緩解措施,從而有效緩解干旱對該地區造成的損失。

4 結論

本文基于PDSI數據,分析了1980—2018年中老交通走廊核心區干旱的時空分布特征；此外,基于PDSI和EVI數據,量化了中老交通走廊核心區不同植被類型的穩定性(年均EVI與其標準差之比)及其對干旱的抵抗力(干旱期間植被結構和功能保持其原始水平的能力)和恢復力(植被恢復到干旱前水平的速度)。得出以下結論：

(1)2001—2018年間,中老交通走廊核心區共發生5次極端干旱事件,出現極端干旱事件的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,以上年份極端干旱面積占總面積的比例分別為13.37%、47.46%、10.41%、12.00%和3.05%,其中極端干旱面積分布最廣的年份為2010年。

(2)1980—2018年期間,中老交通走廊旱季和雨季干旱的空間分布差異不明顯,博膠省、瑯南塔省、西雙版納傣族自治州和萬象省西南部的干旱程度較重。降水減少和溫度升高是造成該地區干旱的主要原因。

(3)中老交通走廊核心區內常綠闊葉林的穩定性顯著高于木本稀樹草原、混交林、草地和農田。和其他植被類型相比,常綠闊葉林雖然暴露在干旱環境中的時間更長,但其對干旱事件具有最高的抵抗力和恢復力,在維持中老交通走廊核心區的生態系統穩定性上發揮著重要作用。研究區內各植被類型對干旱的抵抗力與溫度和降水呈顯著正相關關系。