水熱條件分別控制了中國溫帶草地NDVI的年際變化和增長趨勢

何玉杰,孔 澤,戶 曉,張 江,王 猛,彭長輝,4,朱求安

1 河海大學水文水資源學院,南京 210098 2 西北農林科技大學林學院,生態預測與全球變化研究中心, 楊凌 712100 3 東北師范大學地理科學學院,長白山地理過程與生態安全教育部重點實驗室, 長春 130024 4 魁北克大學蒙特利爾分校環境科學研究所,蒙特利爾加拿大 C3H3P8 5 國家地球系統科學數據中心,國家科技基礎條件平臺,北京 100101

全球變化背景下,生態系統的可持續發展是人類面臨的共同的挑戰[1]。陸地生態系統對氣候變化的響應一直是全球變化生態學領域的研究熱點[2—3]。草地作為我國陸地生態系統的重要組成部分,其面積約占國土總面積五分之二[4—5],具有強大的生態功能,如保持水土、防風固沙、調節氣候以及涵養水源等,是可持續發展畜牧業的基礎[6],并且對發揚地區人文歷史、維系區域生態平衡和發展區域經濟有重要價值和意義[7]。與此同時,草地生態系統生境脆弱,對氣候變化和人類活動因素的改變響應十分敏感[8]。研究表明半個世紀以來中國草地面積在逐漸的減少,僅1995年到2000年我國干旱地區的草原面積就減少約5.5×105hm2[9],尤其在全球變暖的背景下,我國溫帶地區的草地枯黃期和生長季的長度均受到了不同程度的影響[10]。中國溫帶地區近年來的氣候呈現逐漸暖干化,對草地植被的分布以及草地生產力產生負面影響,不僅破壞了草地的生態環境平衡,更是對可持續發展草原畜牧業產生了嚴重的威脅[11]。

植被指數是能夠有效反映一定時間內植被覆蓋程度和植被生長情況的指示因子[11],被廣泛應用于植被動態變化的研究中。傳統草地植被生產力實測主要依靠人工野外定點實際觀測,在不同時間和空間尺度研究上局限性較大,而植被指數數據主要借助于衛星遙感技術進行觀測,能夠有效補充地面觀測,實現空間尺度轉換,優勢突出[12]。其中歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index,NDVI)是目前應用最為廣泛的植被指數之一[13],在植被覆蓋、凈初級生產力 (Net primary production,NPP)、生物量以及物候等方面的進行了大量的研究[14]。如根據GIMMS NDVI 3g數據集研究表明北半球植被生長季時長自1981年以來有所延長,植被覆蓋的整體趨勢有所增加,并且由于秋季NDVI的增加,導致在1982—2013年生長季北半球76%的地區的NDVI同樣呈現增長趨勢[15]。因此利用植被指數來分析植被生長、分布等對氣候變化的響應被認為是一種有效的方法和手段。

水熱因子是植物生長的必要因子,不論是降水、溫度和太陽輻射等單獨作用還是共同作用都會在不同尺度上對植被變化產生影響[16—17]。20多年來,氣候變化對中國草地生態環境的影響及草地植被覆蓋變化的研究較多,包括草地植被指數時空變化格局及其對水熱因子的響應[1]。有研究通過對全球植被NDVI變化趨勢分析后得出北半球中高緯度氣溫升高引起植被活動的增加[18]；Piao等[9]在中國溫帶地區草地NDVI與氣候因子之間的關系研究中得出：1982—1999年草地NDVI持續增長,生長季降水在200mm左右視為溫帶地區草地植被生長的轉折點。并且有研究表明,降水對草地植被生長有著明顯的滯后影響,周期在50—60d不等[3]；段藝芳等人[20]則認為,在黃土高原地區,大部分植被對溫度的滯后效應不明顯。

綜上所述,我國溫帶草地植被生長狀態對氣候變化在年際及趨勢變化上的響應特征仍需進一步研究。本研究以中國溫帶草地為研究對象,以其生長季降水總量為水條件,平均溫度和太陽輻射為熱條件,采用去趨勢分析和相關性分析法對1982—2015年中國溫帶草地生長季NDVI動態變化及其對氣候水熱因子變化的響應進行了解析,并以2個月為滯后時間尺度,對生長季溫帶草地NDVI對水熱因子的滯后響應進行了探討。本研究在描述溫帶草地NDVI與氣候的關系的基礎上,分別探求水、熱條件在時間和空間上對溫帶草地生長的影響,從而區分水熱條件對溫帶草地生長季NDVI的年際變化和整體增長趨勢的貢獻。這將有助于更加準確地把握溫帶草地植被時空變化格局,全面認識草地—氣候相互關系,有利于指導畜牧周期、合理利用草地資源,為保護和監測溫帶草地生態環境及可持續發展畜牧業提供理論參考。

1 數據和方法

1.1 研究區域

中國溫帶草地從東到西包括我國大部分北方草地地區,其溫度帶包括寒溫帶、中溫帶和暖溫帶,由于西北地區的嚴重干旱條件和東部季風氣候的共同作用,其氣候條件有著明顯的季節性和空間差異性,植被覆蓋的時空變化特征也十分的明顯,故溫帶草地成為對氣候變化響應最為敏感的地區之一[21]。

本文研究的草地類型分布范圍是根據《1:100萬中國植被圖集》[22]經過數字化處理,按不同溫度帶和植被類型歸類后得到的矢量底圖(http://www.resdc.cn/),從而提取得到的中國溫帶草地研究區域(圖1)。

圖1 研究區域Fig.1 Study area of temperate grassland in China

1.2 數據來源與預處理

本文研究時段為1982—2015年,將5—10月定義為溫帶草地的生長季[23],利用溫帶草地地區生長季NDVI和氣象數據(降水、溫度、太陽輻射)研究中國溫帶草地植被動態、氣候因子變化及其相互關系,并統一將空間數據分辨率設為8km×8km。

1.2.1NDVI數據

NDVI數據來自于美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)全球監測與模型研究組(Global Inventory Monitoring and Modelling Studies,GIMMS)提供的1982年1月至2015年12月,每15d合成的空間分辨率為8km的數據集 (GIMMS NDVI 3g (https: //ecocast. arc.nasa.gov/data/pub /gimms/))。NDVI值域為-1.0—1.0,NDVI小于0,表明無植被覆蓋,或表明存在較大的云團、水體或者冰雪覆蓋等影響近紅外波段存反射,NDVI等于零則代表該地區無植被生長[24]。通常,NDVI 指數大于0.1代表有植被生長,且數值越大表示植被生長狀況或者覆蓋狀況越好[25]。為減少云、大氣、太陽高度角等不確定因素的影響,本文取NDVI大于0.1的部分合成為逐月數據,求其生長季平均值來反映草地生長情況。基于ArcGIS采用最大值合成法(MVC)分別建立1982—2015年生長季、5—6月、7—8月和9—10月NDVI數據集。

1.2.2氣候數據

本文選取與植被生長關系最為密切的生長季平均溫度、月平均太陽輻射和降水總量作為影響草地生長季NDVI變化的主要氣候因子。中國逐月(1982—2015)的溫度和降水數據來自中國國家地球系統科學數據中心 (http://www.geodata.cn/),輻射逐月數據來自國家氣象科學數據中心(http://www.data.cma.cn/),并選取溫帶草地分布范圍內27個輻射監測站,統計其逐月的太陽輻射總量。本研究將降水作為水分影響條件,平均溫度和月平均太陽輻射作為熱量影響條件,在此基礎上建立中國溫帶草地3—4月、5—6月、7—8月以及生長季的水熱條件數據集。

1.3 方法

本文利用線性回歸法分析近34年的中國溫帶草地生長季NDVI、溫度、太陽輻射和降水等因子在時間上的變化趨勢,以自變量的變化斜率的10倍表示該因子的“趨勢率”。并以氣候因子為自變量,NDVI為因變量,分析長時間序列下NDVI對氣候因子變化的響應關系。在去趨勢分析的基礎上,對NDVI與溫度、太陽輻射和降水分別進行時間和空間上的關系分析,以此來探究生長季中國溫帶草地植被生長對水熱條件的響應。去趨勢分析又稱作“消除波動趨勢分析法”,可以去除因子本身在時間趨勢上的特征,從而用以分析因子在時間波動格局之間的響應關系。在此基礎上,以兩個月為時間尺度,分別求得3—4月水熱因子與5—6月NDVI相關系數、5—6月水熱因子與7—8月NDVI相關系數以及7—8月的水熱因子與9—10月NDVI的相關系數,以及5—10月期間,每兩月的NDVI與水熱因子同時期相性來探究溫帶草地生長季NDVI對水熱條件的時滯效應。

2 結果與分析

2.1 1982—2015年中國溫帶草地生長季NDVI與氣象因子趨勢分析

圖2 1982—2015年中國溫帶草地生長季NDVI、降水和溫度年際變化、趨勢變化空間格局與趨勢顯著變化空間格局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灰色區域為非顯著變化區域

1982—2015年中國溫帶草地植被研究區生長季NDVI和溫度呈上升趨勢、降水呈下降趨勢(圖2)。整體上,生長季NDVI呈上升趨勢,趨勢率為0.007/10a,變化范圍在0.441—0.505之間。生長季NDVI的變化拐點分別是1998年和2006年,1998年之前NDVI呈現波動式增長,1998—2006年NDVI先大幅度上升后緩慢下降的變化過程,2007—2015年NDVI則為快速大幅度上升期。2012年為研究區生長季NDVI最大年,最大值為0.505。空間格局來看,溫帶草地生長季NDVI呈增長趨勢的地區主要集中在新疆草地、黃土高原草地東部以及內蒙古草地中部地區。呈減少趨勢的地區分布于東北草地西南部、內蒙古草地東北部及新疆草地西北部地區。從NDVI的顯著性水平空間格局顯示,溫帶草地NDVI整體呈下降趨勢的區域并未表現出顯著性,而NDVI呈增長趨勢的地區大部分通過了顯著性檢驗(P<0.05)。

研究區生長季降水年際波動較大,多年降水量平均水平為315.19mm。生長季降水整體上呈緩慢下降趨勢,趨勢率為-3.92mm/10a。降水在年際變化上呈階段式變化,1982—1997年降水變化較為平穩,1998年為生長季降水最大年,降水量達401.28mm；2001年為降水量最小年(268.82mm),2003年和2013年降水趨勢略有回升,但整體上仍表現為下降趨勢。從空間格局來說,生長季降水變化空間差異明顯,呈東部下降,西部增長的趨勢。其中降水呈減少趨勢的地區分布于內蒙古草地東北部地區,而呈增長趨勢的地區主要分布在內蒙古草地西南部、新疆草地西部和華北草地地區。從降水的顯著性水平空間格局來看,溫帶草地生長季降水的空間趨勢變化并不顯著。

溫帶草地生長季多年平均氣溫呈上升趨勢,增長速率為0.55℃/10a,多年平均水平為13.42℃。中國溫帶草地生長季平均溫最低年是1993年(12.43℃),是溫帶草地氣溫持續上升的開始,氣溫最高年為2015年(14.73℃)。溫帶草地生長季絕大部分地區平均氣溫呈顯著增長趨勢,尤其是內蒙古草地、黃土高原草地北部地區和新疆草地等地的平均氣溫增長幅度較大。

圖3 1982—2015年中國溫帶草地生長季輻射年際變化與輻射站點空間分布格局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

本研究選取分布于溫帶草地范圍內的27個輻射監測站的太陽輻射數據(圖3),生長季輻射月平均值整體呈顯著上升的趨勢(P<0.01),增長速率為12.23MJ m-210a-1)。太陽輻射的變化可以分為1982—1992年,1993—2003年和2004—2015三個階段。第一個階段,生長季月平均太陽輻射波動處于較低水平,最低太陽輻射值年出現在1988年(562.40MJ m-2mon-1)；第二個階段,生長季月平均太陽輻射于1993年上升到一個較高的水平,該階段太陽輻射波動起伏較為穩定；第三個階段,2004—2013年為生長季月平均太陽輻射整體呈現快速上升階段,2014年有所下降。

2.2 溫帶草地生長季NDVI對水熱因子的同時期響應

圖4 1982—2015年中國溫帶草地生長季NDVI對生長季降水、溫度和太陽輻射變化的響應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

圖5 1982—2015年中國溫帶草地生長季NDVI與降水、溫度和太陽輻射去趨勢變化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 溫帶草地生長季NDVI對水熱因子的滯后響應

表1為生長季NDVI對水熱因子在年際變化上的滯后響應系數,并且各個相關因子之間的相關性均通過了P<0.01的顯著性檢驗。由NDVI對水熱條件變化的時滯響應系數對比發現：溫帶草地生長季NDVI對水熱條件存在明顯的滯后響應關系。生長季前的溫度和太陽輻射是影響生長季初期NDVI的主要氣候因子。進入生長季后,降水對NDVI的滯后影響更加明顯。同步關系研究中,NDVI與水熱條件均為正相關。5—6月NDVI與同時期降水和太陽輻射相關系數較高；7—8月NDVI與同時期降水相關系數較高；9—10月NDVI與同時期太陽輻射相關系數較高。滯后關系中,NDVI與水熱條件均為正相關,其中5—6月NDVI與3—4月溫度和太陽輻射相關性較降水高；7—8月NDVI與5—6月降水相關性較高,與熱條件相關性不明顯；9—10月NDVI與7—8月降水和太陽輻射相關性較高,與溫度相關性不明顯。綜上,最為顯著的影響因素評估中,5—6月NDVI主要影響因素為3—4月溫度(R=0.551,P<0.01)；7—8月NDVI主要影響因素為5—6月的降水(R=0.606,P<0.01)；9—10月NDVI主要影響因素為7—8月降水(R=0.554,P<0.01)(表1)。

表1 生長季NDVI對水熱因子變化的滯后響應

2.4 溫帶草地NDVI對水熱因子響應的區域特征

圖6結果表明,去趨勢生長季NDVI與降水在大部分地區呈顯著正相關,相關水平較高。NDVI與溫度呈顯著負相關,尤其是在1999年之后,NDVI與降水的相關性更為顯著。從顯著分布格局來看,去趨勢后的NDVI與降水呈顯著正相關,并表現出較高的相關性水平,分布于內蒙古草地和新疆草地等地區(R>0.66)。去趨勢后生長季NDVI與溫度顯著負相關,相關性水平較低(-0.66 0.66),分布區域主要集中在內蒙古草地和新疆草地西北部。NDVI與溫度除了在新疆草地西北部表現出顯著負相關外,其他地區呈不顯著相關。2000—2015年間,NDVI與降水呈現出比前一時段更強的顯著正相關,而與溫度除了在內蒙古草地中部地區表現出顯著負相關外,大部分草地地區呈不顯著相關。

圖6 1982—2015年中國溫帶草地生長季NDVI與水熱因子去趨勢顯著相關空間分布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藍色代表負相關,紅色代表正相關,灰色部分為非顯著區域(P >0.05)

3 討論

本研究中,中國溫帶草地生長季NDVI與水熱因子的年際變化趨勢表明,降水呈顯著下降趨勢,溫度和太陽輻射呈顯著上升趨勢,區域氣候呈逐漸“暖干化”。空間上,生長季NDVI呈顯著上升格局,與水(降水)熱(溫度、太陽輻射)因子之間均表現為顯著正相關,表明研究區生長季熱因子(溫度和輻射)控制著NDVI的上升趨勢。通過NDVI與水熱因子的去趨勢年際變化關系分析,1982—2015年間溫帶草地NDVI年際變化主要受生長季水(降水)因子的年際變化所控制。另外,溫帶草地生長季NDVI對水熱因子變化滯后響應的結果表明, 5—6月NDVI對3—4月熱條件(溫度和太陽輻射)有著明顯的滯后響應,7—8月及9—10月NDVI分別對5—6月和7—8月的水條件(降水)有滯后響應。空間變化格局上,中國年降水總量呈現出由東北向西南的遞減分布特征[21,26—27],這可能與東亞夏季季風減弱有關,導致北方生長季的降水量有所下降[28],且降水量的變化是影響草地生產力變化主要因子,這一結論與本研究結果一致。持續變暖的過程影響著全球地區的氣候變化,使得北半球過去三十多年溫度為近千年氣溫最高[21],本研究結果也表明近34年中國溫帶草地溫度升溫速率較快,與在20世紀80年代以來升溫變快結果相一致[29],且高于Peng等[30]對全國平均氣溫的升溫速率的估算(0.27℃/10a)。本研究中1999年生長季溫度開始出現下降趨勢,其升溫幅度明顯減緩,與中國氣溫的年際變化的研究結果相符合[31—32],其主要影響因素是氣候系統本身的自然變化以及氣候外冷卻因子的產生等因素有關[33—34]。有研究表明太陽輻射時間變化規律明顯[35],我國東、西部地區的太陽輻射近50年逐漸下降,1999年之后略有回升[36—37]。并且在1980—2010年,我國年草地生產力與代際的降水、溫度和太陽輻射都呈正相關[25],本研究結果中太陽輻射存在明顯的時間變化規律,并與生長季NDVI呈顯著正相關。

本研究可將中國溫帶草地生長季NDVI的年際變化為三個階段,即1982—1998年的增長階段,1999—2006年增長趨勢放緩階段,2007—2015年快速增長的階段,與國內許多研究中國NDVI整體年際變化趨勢的結論一致。田海靜[25]認為在1982—2013年研究期間,1991—2000年是植被恢復不明顯時期,其余時間段為植被明顯恢復期。赫英明等[31]研究發現全國平均EVI(增強型植被指數)的趨勢率為1.0×10-3/a,與本研究中對NDVI趨勢變化研究結果相近。Liu等[30]研究則提出我國大部分地區的植被覆蓋變化都經歷了“增加—減少—增加”的過程,其對應變化的時間段與本研究的結果一致。以上研究結論均表明了近30年來我國植被覆蓋變化存在顯著的年際變化規律,其整體呈顯著增加趨勢特征。

本研究中,水條件指生長季降水,熱條件為生長季溫度和太陽輻射。張仁平[28]指出降水量可以改變植被的覆蓋度,對半干旱地區草地植被覆蓋影響較大,尤其是典型草原以及荒漠草原。且有研究指出溫帶草原和荒漠的生長季NDVI變化與降水呈現顯著正相關關系[38],驗證了本研究中生長季NDVI表現出年際間極大的起伏變化,是受到了生長季降水極大地起伏變化影響。Kaufmann等[32]研究認為北半球植被覆蓋增加是受全球氣候變暖所影響,金凱[39]研究認為中國近34年的生長季NDVI增加與溫度緊密相關,楊雪梅[40]認為太陽輻射的增加利于植被進行光合作用,并能夠有效促進植被提前進入生長季。溫帶草地地區地勢平坦,生長季地表植被吸收太陽輻射增加,同時太陽輻射的增加能夠引起地表溫度的上升,有效地促進植被生長。這些研究結果能夠支撐本文研究中近34年來溫帶草地生長季NDVI的顯著增加與熱因子的水平上升關系密切。從水熱階段變化來看,20世紀90年代后,我國北方地區氣候呈現出“暖干化”的趨勢,北方植被覆蓋的增加速度有放緩的趨勢,甚至部分地區出現下降的趨勢[41]。1998—2006年間氣溫和輻射顯著上升但降水不斷減少,氣候“暖干化”的趨勢引起生長季內的草地植被的水分脅追,導致生長季時期的草地植被生長趨勢下降[42]。這一研究結果則印證了NDVI的增長趨勢是受到熱條件(溫度和太陽輻射)的快速上升的影響。

溫度的上升和太陽輻射的增強有助于北半球高緯度地區植被提前進入生長季[11]。而我國的植被NDVI在夏秋季節對水熱條件的綜合反應比較復雜[32],9月份的太陽輻射和溫度的增多會增強植被蒸騰作用,使植被提前進入枯黃期,從而導致NDVI下降,而降水量的增加則會延緩這一現象[43]。本文以兩個月為滯后時間尺度,對中國溫帶草地生長季NDVI對水熱條件的滯后效應研究分析得出,3—4月溫度和太陽輻射與5—6月NDVI顯著正相關,表明進入生長季前熱條件的增加和積累有助于植被生長,促進其提前進入生長季。生長季中后期(7—10月)NDVI與5—8月降水呈顯著正相關,表明生長季期間研究區溫度和太陽輻射相對較高,降水則成為控制植被生長的主要因素。

區域性的氣候變化不僅僅受氣象因素單一作用的影響,人類活動的影響也不容小覷,往往是由二者共同作用所導致[44]。自1980年以來,我國氣溫快速變暖的主要原因是溫室效應、土地利用變化和人類活動引起的能源消耗釋放的熱量帶來的顯著影響,同時對植被生長變化具有積極戓消極的作用[45]。21世紀后,我國植被覆蓋的增加速率明顯加快,這與近年來我國實施的大型林業生態建設工程有關。陜西省西北部是我國退耕還林還草工程實施較為成功的地區,有研究學者發現該地區的人類活動對植被恢復起到了促進的作用[46]。因此,人類對草地資源過度使用行為(如過度放牧)和保護行為(如退耕還林還草)等產生的影響,可能會導致大氣—植被—土壤養分循環的改變。本研究主要考慮的氣候因子是水因子(降水)和熱因子(溫度和太陽輻射),然而溫帶草地對氣候變化十分敏感,中國溫帶地區分布范圍廣、包含草地類型眾多,極端條件發生強度不同會引起草地不同的強烈的反應,各影響因子之間互相作用和對植被產生的影響機制復雜。在進一步研究植被動態變化對氣候因子變化響應的過程中還應納入CO2濃度變化、干旱事件、氮沉降、土壤溫度、濕度以及風速等能夠對植被生長產生影響的環境因子。

4 結論

本研究以中國溫帶草地植被為研究對象,基于長時間序列NDVI和氣象數據,分析了我國溫帶草地生長季NDVI時空變化特征和對水熱因子變化的響應,探討生長季水熱條件的變化對草地植被生長狀態的可能影響。主要結論如下：

(1)1982—2015年中國溫帶草地生長季平均溫度和平均太陽輻射呈增長趨勢,降水量為下降趨勢,從整體上而言,溫帶草地氣候逐漸“暖干化”。

(2)中國溫帶草地生長季水熱因子與NDVI的年際變化關系表明,在1982—2015年間,中國溫帶草地生長季NDVI年際變化由降水因子主導,特別是在1999年之后,降水對于中國溫帶草地生長季NDVI年際變化的影響更為顯著。

(3)中國溫帶草地生長季NDVI對水熱因子變化的響應特征表明,1982—2015年中國溫帶草地生長季熱條件(溫度和太陽輻射)的顯著上升控制著其NDVI的增長趨勢。

(4)1982—2015年中國溫帶草地5—10月NDVI對水熱因子在年際變化上存在明顯的滯后響應,其中溫度對植被進入生長季有明顯的促進作用；而在生長季中后期,降水則成為對中國溫帶草地生長滯后影響主要控制因子。