2000—2020年黃河流域植被生態質量變化及其對極端氣候的響應

曹 云,孫應龍,陳紫璇,延 昊,錢 拴

國家氣象中心,北京 100081

近百年來氣候變化加劇,極端天氣事件呈現頻率增加、強度加劇、持續時間延長的態勢,加之21世紀仍將以增加趨勢為主,影響范圍擴大,人類社會發展以及生態環境必將受到更為顯著影響[1—3]。作為陸地生態系統的重要組成部分,植被—氣候間相互作用形成了復雜系統,氣候變化對生態系統影響研究已成為全球生態氣候變化研究重點[4—5]。在氣候變暖、極端天氣頻發的背景下,生態系統結構和過程的氣候影響機制將更為復雜,加之研究起步相對較晚,近年來才逐步引起國內外學者的熱切關注[6—8]。

黃河流域處于我國生態保護和建設的重要戰略地位,幅員遼闊,橫跨我國東中西三大區域,流域地形地貌復雜多樣、水熱條件時空差異明顯,生態環境敏感脆弱,成為眾多學者研究關注的熱點區域[9—12]。20世紀70年代以來,黃河流域升溫趨勢明顯,極端高溫日數在不同季節均呈顯著增加趨勢,極端低溫日數呈顯著減少趨勢[13—14],但極端氣溫指數突變年份相對一致,多集中于20世紀90年代[15]。極端降水指數在黃河流域多呈下降趨勢,但變化趨勢不明顯,存在時空差異[16]。已有研究顯示,黃河上游總降水量和極端降水量2006年之后增加趨勢明顯[17],尤其河源區增加最為明顯,進一步提高了流域洪水爆發的可能性[13]；黃河中游2000年以來極端降水量也呈增加趨勢[18]；然而黃河下游極端降水量在1961—2005年總體呈減少趨勢[13]。此外極端降水對降水總量影響越來越大[18],對黃河流域生態環境影響也逐步加強。

作為我國北方重要的生態屏障和經濟地帶,黃河流域植被變化研究相對較多。在氣候變化和人類活動影響下,黃河流域植被NDVI總體呈增加趨勢[19—20]；植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)呈微小增加趨勢,波動較大[10,21]；植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)呈現從東南向西北遞減的分布,在時間變化上呈增加趨勢[22—23]。黃河流域植被變化時空分異性相對明顯,中上游對整個流域植被NPP的貢獻最大[21],NDVI在2005年以后增長趨勢明顯[20],植被覆蓋度增加趨勢的突變點大致在2000年[23]。總體來看,黃河流域植被時空變化特征受研究時段、指標方法以及植被類型的影響,存在一定差異[10,24]。

近年來隨著區域氣候變暖加劇,高溫干旱、暴雨洪澇等極端天氣事件增多,對流域生態系統產生直接或間接影響,加之不合理開發利用,造成流域部分地區植被稀疏、水土流失嚴重、水環境惡化[14,25—26],嚴重制約了黃河流域生態恢復和改善,需進一步加強流域生態氣候變化研究。圍繞黃河流域,以往有關植被氣候變化的影響研究,主要基于植被NDVI、凈初級生產力或覆蓋度等單一生態特征指標,多利用2010年之前數據資料,開展流域植被時空變化分析及其氣候響應研究[20,27—28],然而對黃河流域植被生態系統綜合監測評估,以及對氣候變化響應的研究相對缺乏,尤其是結合2000年以來極端氣候事件的影響研究尚不多見。因此,開展黃河流域植被生態綜合監測評估及其氣候變化響應研究,對維護黃河流域生態安全、掌握極端氣候事件的生態影響規律,具有十分重要的作用。本研究利用2000—2020年MODIS遙感資料和逐日氣象數據,以生態質量指數為評價指標,分析氣候變化背景下黃河流域植被生態質量的時空變化特征,揭示極端氣溫、降水變化對流域植被生態質量的影響,以期認識和了解黃河流域復雜多變的生態氣候影響特征,為明晰黃河流域植被生態質量變化規律、應對極端天氣事件影響提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

黃河,發源于青海南部巴顏喀拉山地區,自西向東流經9個省(區),最終在山東省東營市墾利縣流入渤海,全流域劃分為8個二級流域分區,在我國北方生態環境演變中具有重要地位[29—30]。黃河流域地勢西高東低,西北部屬干旱氣候,中部屬半干旱氣候,東南部屬半濕潤氣候,氣候復雜多樣,流域水資源總體緊張,水土流失和土地荒漠化嚴重,整體景觀格局趨于復雜化、破碎化和分散化[21,31—32]。黃河流域多年(2000—2020年)平均降水量485.7 mm,氣溫10.2 ℃,日照時數2383.7 h,空間分布差異明顯(圖1)。流域植被類型多樣,以草地、林地、耕地三類植被生態系統分布面積最廣,其中草地面積占比達到了41%[10]。

圖1 黃河流域多年平均氣溫和降水量Fig.1 Spatial distribution of annual precipitation and air temperature in the Yellow River Basin from 2000 to 2020

1.2 數據來源

氣象數據,來自國家氣象信息中心,選擇黃河流域地區分布較為均勻、記錄相對完整的320個站點,2000—2020年逐日平均氣溫、日最高(低)氣溫、日降水量等氣象數據。

遙感數據,為NASA提供MOD13A3級植被指數產品,空間分辨率1 km；植被類型、土地利用、海拔高程、土壤質地等基礎數據來自國家基礎地理信息中心和中國科學院南京土壤研究所等單位。

1.3 研究方法和評價指標

1.3.1植被生態質量指數

植被凈初級生產力和覆蓋度是反映區域生態系統生態質量的兩個重要指標,因此采用植被凈初級生產力(NPP)和覆蓋度(FVC)所構建的植被生態質量指數(Ecological Quality Index,EQI)作為評價指標[33—34],反映區域植被生態質量變化特征,計算公式如下：

(1)

式中,EQI為評估時段的植被生態質量指數,在0—100之間變化；FVC為評估時段植被覆蓋度,NPP為評估時段的植被凈初級生產力,NPPmax為評估時段植被NPP的最大值,f1和f2為權重系數,具體技術方法參見行業標準(QX/T 494—2019)[34]。

1.3.2極端氣候指標

本研究采用廣泛應用于極端天氣氣候事件研究的18個氣候指數[35—38],包括12個極端氣溫指數和6個極端降水指數(表1),基于2000—2020年黃河流域范圍內320個氣象觀測站點逐日氣溫、日最高(低)氣溫、降水量等氣象數據,計算極端氣候指標。

表1 極端氣候指標Table 1 Definition of extreme climate indices

1.3.3統計分析方法

(1)趨勢分析,采用一元線性回歸方法,對2000年以來黃河流域植被生態質量指數變化趨勢進行時間序列分析,以趨勢率表示變化趨勢的特征。趨勢率正負表示增加或減少趨勢,其值的大小反映增加或減少的速率；通常以其10年變化量來開展相應趨勢分析。趨勢率計算公式如下：

(2)

式中,n是研究時間序列的長度；i為第i年；Xi表示第i年的生態質量指數；θslope為趨勢率,表示指數隨時間變化的速率。

(2)Hurst指數,利用R/S分析法計算植被生態質量變化的Hurst指數,反映變化趨勢的可持續性特征。Hurst指數值(H)在0—1之間,其中當0≤H<0.5時,表示變化趨勢具有一定程度的反持續性,將來的變化趨勢與過去的相反；當0.5

(3)相關分析,為提高研究結果的精度,基于氣象站點分布,提取站點區域植被生態質量指數與極端氣候指數開展相關分析。采用Pearson相關系數,并基于相關系數的大小進行相關程度的分級[40],用于分析植被生態變化對極端氣候變化的響應特征。

2 結果與分析

2.1 植被生態質量時空變化特征

2.1.1不同季節變化特征

2000—2020年黃河流域不同季節植被生態指數在空間分布上大致相同(圖2),從西北部向東南部生態質量指數大致呈逐步升高趨勢。其中,河源地區和南部平原植被生態質量指數均要明顯高于流域其他地區,而流域中北部多為黃土地貌,水土流失嚴重,植被生態質量偏低。春季氣溫逐步升高,降水增多,黃河流域植被開始返青生長,植被覆蓋度和生產力相對較低,因而春季植被生態質量指數偏低。夏季是植物主要生長階段,流域植被生產力高、覆蓋度好,平均植被生態質量指數達到40.9,要明顯高于春季和秋季。

圖2 2000—2020年黃河流域植被生態質量指數季節均值和變化趨勢分布Fig.2 Spatial distribution of seasonal average and trend of EQI in the Yellow River Basin during 2000—2020

從季節多年變化趨勢來看,黃河流域大部地區植被生態質量指數多呈增加趨勢(圖2),尤其陜西中北部和山西西部等地生態質量指數增加明顯,季節變化率達到(5.0—7.5)/10a,明顯高于流域其他地區。2000年以來,整個流域季節植被生態質量指數呈顯著上升趨勢(P<0.05),春季、夏季和秋季的趨勢率分別達到3.0/10a、6.7/10a和3.1/10a(圖3),而且各季節Hurst指數均達到了0.8以上,變化趨勢具有較強持續性,表明主要生長季流域植被生態質量指數仍將延續過去變化,保持呈上升趨勢,流域植被生態質量將持續改善。

2.1.2年尺度變化特征

在年尺度上,流域植被生態質量空間分布與季節上分布相似(圖4),其中東南部平原地區植被生態質量指數最高,年均值達到30—50；中北部地區生態質量明顯偏差,指數大多低于20。2000—2020年,流域大部地區植被生態質量指數呈上升趨勢,分布面積占流域總面積的97.7%,其中生態質量指數每年增加0.5以上的流域面積占比,達到37.4%。此外,整個流域平均生態質量指數2000年以來也呈顯著上升趨勢(圖5),趨勢率達到4.4/10a(P<0.05),2020年生態質量指數較2000年提高了53.5%,尤其2012年以來各年生態質量指數均高于多年均值,流域植被生態質量改善趨勢明顯；且流域Hurst指數也達到0.8,說明整個流域植被生態質量改善趨勢具有較強持續性,未來黃河流域生態質量將保持改善趨勢。

圖4 2000—2020年黃河流域植被生態質量指數多年均值和變化趨勢分布Fig.4 Spatial distribution of annual average and trend of EQI in the Yellow River Basin during 2000—2020

圖5 2000—2020年黃河流域植被生態質量指數逐年變化特征Fig.5 Inter-annual Variations of annual Vegetation Ecological Quality in the Yellow River Basin from 2000 to 2020

2.2 植被生態質量指數對極端氣候的響應

2.2.1與極端氣溫指數相關分析

與極端氣溫類指數的相關分析顯示(圖6),黃河流域植被生態質量與氣溫類指數相關程度偏弱,相關系數在-0.3—0.3間的站點比例達到60%以上,達到顯著水平的站點比例為12%。其中,冷夜日數(TN10p)、霜凍日數(FD0)以及氣溫日較差(DTR)與植被EQI間存在較強的相關性,相關系數的絕對值>0.5的站點比例達到10%—15%,而且相關性達到顯著水平的站點比例也較高,為17%—20%。此外,黃河流域植被生態質量與氣溫類指數多以負相關為主,其站點比例平均達到65%,其中霜凍日數(FD0)和夏日日數(SU25)與植被生態質量指數具有負相關關系的站點最多,占比達到78%,說明日最低氣溫<0℃日數和日最高氣溫>25℃日數的增多,明顯不利于流域植被生態質量改善。僅生長期和暖夜日數與植被生態質量指數明顯以正相關為主,其站點比例分別達到72%和60%,其中與暖夜日數達到顯著水平的站點占比達到了19%。

圖6 2000—2020年黃河流域植被生態質量指數與氣溫類指數間相關系數的分布特征Fig.6 Spatial distribution of correlation coefficient between EQI and the temperature indices in the Yellow River Basin during 2000—2020紅色表示負相關,藍色表示正相關；實心表示達到0.05顯著相關水平；FD0：霜凍日數 Number of frost days；SU25：夏日日數 Number of summer days；ID0：結冰日數 Number of icing days；TR20：炎熱夜數 Number of tropical nights；GSL：生長季日數 Growing season length；DTR：氣溫日較差 Daily temperature range；TN10p：冷夜日數 Percentage of days when TN (daily minimum temperature)<10th percentile；TN90p：暖夜日數 Percentage of days when TN (daily minimum temperature)>90th percentile；TX10P：冷晝日數 Percentage of days when TX (daily maximum temperature)<10th percentile；TX90p：暖晝日數 Percentage of days when TX (daily maximum temperature)>90th percentile；WSDI：熱持續指數 Warm spell duration index；CSDI：冷持續指數 Cold spell duration index

對于大多數氣溫類指數,具有正相關的站點與具有負相關的站點,無明顯空間分布差異,正、負相關的站點在整個流域都有分布,但對于熱持續指數(WSDI),正、負相關的站點在流域內具有明顯地理空間分布差異,具有正相關的站點多分布于流域的中北部地區,負相關的站點多分布于南部地區,說明熱持續指數增加在氣溫相對偏低的北部地區,對植被生態質量具有一定正效應,在南部熱量充足地區對植被生長具有負效應。

2.2.2與極端降水指數相關分析

黃河流域植被生態質量指數與降水類指數的相關程度(圖7),多高于氣溫類指數,其中與降水強度指數(SDII)、中雨日數(R10)和雨日降水總量(PRCPTOT)的相關程度明顯偏強,相關系數的絕對值>0.3的站點比例分別達到71%、74%、85%。此外,黃河流域植被生態質量與降水類指數均以正相關為主,其站點比例平均達到85%,達到顯著水平的站點比例平均為37%。其中,中雨日數(R10)和雨日降水總量(PRCPTOT)與生態質量指數(EQI)間呈正相關的站點最多,占比達到99%,且達到顯著水平的站點比例分別為56%和68%。在降水類指數中,連續干旱日數(CDD)和連續濕潤日數(CWD)與植被生態質量指數間的相關性偏弱,但正、負相關性的站點分布存在空間上差異,呈負相關的站點多分布于南部地區。

3 討論

3.1 流域植被生態質量變化特征

在空間分布上,黃河流域植被生態質量指數從西北向東南大致呈遞增趨勢,這與流域植被NPP、NDVI逐漸升高分布特征相對一致[10,20,41],可能與區域分布植被生態系統類型具有較高的相關性[10]。從時間尺度來看,黃河流域NDVI多呈顯著增加趨勢[41],大部地區植被覆蓋度也呈增加趨勢[9,23,42],改善面積要大于退化面積[22]。從流域植被NDVI、NPP等不同指標變化的研究結果表明,黃河流域植被在不同時段多呈改善趨勢,這與本研究植被生態質量指數2000年以來呈增加趨勢的結論,基本一致。同時流域植被生態質量改善趨勢具有較強持續性,袁麗華等[20]研究也發現流域植被持續改善的面積占比達到53%。

區域氣候變化對植被生長具有重要影響,是黃河流域植被覆蓋變化的主要限制因素[27,43]。2000年以來,黃河流域降水和氣溫變化波動較大,但是總體上呈增加趨勢,分別為31.8mm/10a、0.33℃/10a(圖8),僅降水量與植被生態質量指數具有顯著的相關性。流域四季增溫趨勢較為明顯、秋季降水顯著增多,蒸散呈減少趨勢[27,44],區域氣候變化總體有利于流域植被恢復生長。近年來北方地區氣候呈溫暖濕潤的變化趨勢,促進了區域植被覆蓋增加[42],加之部分流域干旱呈降低的趨勢,特別是2005年之后植被干旱影響減弱[45—46],為黃河流域生態保護和高質量發展提供氣象保障。在黃河上游地區,也發現暖濕化趨勢是比較一致的氣候變化特征,尤其2000年以來降水明顯增多,流域植被指數呈增加趨勢,且2000年作為突變點,流域植被覆蓋度增加速率達到2000年以前的2倍[11,23]。

在黃河流域,氣溫和降水與植被NDVI具有顯著正相關的面積比例達到20%以上,成為影響流域植被生態變化的重要自然因子[11,41]。然而在不同地區、不同時段,氣象因子對植被生態影響存在一定差異。氣候驅動影響的研究表明,降水是黃河流域植被覆蓋年際變化的主要驅動因子,其相關程度要高于與氣溫相關性[9,43]；流域植被NPP變化受降水影響較大[21]。但有研究認為,黃河源區屬于熱量限制區,植被覆蓋對氣溫變化更為敏感[23],特別在春季植被NDVI與溫度呈顯著正相關性,而對降水變化不敏感[47]。也有研究發現,降水量和氣溫對黃河流域植被NPP變化的影響作用相當,但存在一定的空間差異性,可能與區域水熱資源條件的限制以及植被類型有關,如林地NPP變化主要受氣溫的影響,濕地和草地主要受降水的影響[10,21]。

此外,除受到自然條件影響以外,流域植被變化也受到人類活動的影響。“三北”防護林、“退耕還林還草”、坡改梯等一系列生態保護和修復工程的逐步實施,顯著提高了黃河流域植被NDVI和LAI,對區域乃至全國尺度的植被變化、生態環境改善具有重要意義[11,48—49]。近年來黃河流域林地、草地面積有所增加,植被NPP提高,這與流域多年持續開展水土保持措施有關,黃河流域生態保護建設成效逐步顯現[21,50]。在陜西北部、山西西部等黃河中游生態恢復和建設地區,植被生態質量出現明顯改善,其他研究也發現中游地區林地面積逐步增加[49—50],且中游地區植被NDVI增速最快[41],較好反映出人類活動對黃河流域生態環境改善的貢獻。然而城市擴張、過度放牧等人類活動成為流域部分地區植被NPP、NDVI下降的主要驅動力,甚至超過了氣候變化的影響[20—21,51]。下一步需圍繞不同植被類型、不同氣候區、不同地形地貌類型,分類開展流域植被生態質量時空變化的主導驅動力影響研究。

3.2 植被EQI對極端氣溫、降水的響應

與植被生態質量指數(EQI)相關分析表明,極端氣溫類指標對黃河流域植被影響具有相對一致,多以負相關為主,尤其與最低氣溫和最高氣溫相關的霜凍日數(FD0)和夏日日數(SU25)指標,有78%站點呈負相關,有15%站點達到顯著相關(P<0.05)。表明低溫日數和高溫日數的增加,均會減緩黃河流域植被的生長發育,導致流域植被生態質量下降。韓丹丹等[8]也發現黃土高原極端氣溫指數增加,影響植被生長,NDVI呈下降趨勢；而且其他地區研究也得到基本類似結果,極端氣溫指數與植被NDVI多呈負相關[39,52],暖、冷極端氣溫指數的增強在一定程度均對當地植被的生長發育產生不利影響。其主要原因在于北方地區水分條件總體偏差,時空分布不均,且高溫導致生態系統蒸騰蒸發加強,影響植物生長水分需求[39,53]；而氣溫偏低,會導致植被生長積溫不足,甚至出現低溫災害,從而對植物的生長發育產生不利影響[52]。值得關注的是,到2080年多數極端氣溫指標在黃河流域整體呈現上升趨勢,暖極端事件將更加嚴重[54],勢必對流域生態系統產生更大影響。

在黃河流域,極端降水類指數對黃河流域植被EQI影響程度,要明顯高于氣溫類指數,且均以正相關為主,尤其雨日和雨量類指標,具有正相關的站點比例高達到99%,達到顯著相關的站點比例超過50%。在西北地區研究也發現,降水類指數與植被NDVI以正相關為主,相關程度也高于氣溫類指數,降水對大部地區植被生長具有積極作用,利于區域植被改善[52]。說明在水資源相對偏少的北方地區,降水對植被影響更加明顯,而熱量條件影響在氣候相對濕潤的南方地區較為重要[55—57]。杜加強等[24]研究也發現半濕潤地區植被NDVI、NPP多與氣溫顯著正相關,半干旱地區則與降水量的正相關性更強,植被對降水量的響應更為敏感。植被與氣候變化間關系較為復雜,不同時段、不同區域間氣候影響存在較大不確定性,在后續研究中需進一步加強生態氣候影響過程和機理的探索。

4 結論

本文基于生態質量指數和極端氣候指標,分析了黃河流域2000—2020年植被生態質量時空分布特征及其對極端氣候變化的響應,得到以下結論：

(1)在季、年尺度,2000年以來黃河流域植被生態質量指數整體均呈顯著上升趨勢,流域植被生態明顯改善,其中夏季生態質量指數增加最快,平均每10年增加6.7。

(2)在空間分布上,黃河流域大部地區植被生態質量指數2000年以來均呈上升趨勢,分布面積占流域總面積的97.7%,且Hurst指數達到0.8,表明黃河流域植被改善具有強持續性,未來大部地區植被仍將持續改善。

(3)在氣候變化背景下,黃河流域植被生態質量指數與極端氣溫類指數多以負相關為主,與極端降水類指數多呈正相關,且相關程度要明顯高于極端氣溫類指數,尤其雨日和雨量指標,有99%的站點與生態質量指數呈正相關,有50%以上站點達到顯著水平。

(4)2000年以來黃河流域氣溫和降水總體呈增加趨勢,是流域植被生態質量改善的重要自然因素,其中降水對植被影響更為顯著。