黃土高原植被類型變化和空間分布對(duì)氣象因子變化的響應(yīng)

李 斌,張金屯

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,太原 030051;2.北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,北京 100875)

1 前 言

全球變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及分布產(chǎn)生了重要的影響,陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化的關(guān)系,是全球變化研究的重要內(nèi)容,植被與氣候變化的關(guān)系一直是其中研究的焦點(diǎn)之一。植被地帶的形成,是大氣候長(zhǎng)期作用的結(jié)果,如果氣候發(fā)生較大幅度的變化,必然會(huì)反映到植被上,也就是說(shuō)氣候變化會(huì)對(duì)植被分布格局產(chǎn)生重要影響。因此,對(duì)植被地帶的分析,可以研究氣候?qū)χ脖坏挠绊慬1]。黃土高原,位于 100°52′～114°33′E,33°41′～41°16′N,是世界上黃土分布面積最大、最集中和黃土地貌最典型的地理單元。黃土高原西部和北部臨近大陸干旱氣候區(qū),受到沙漠化的嚴(yán)重威脅,而高原的其他地區(qū)則旱作農(nóng)田較多,植被缺乏,水土流失嚴(yán)重,干旱頻繁,是氣象因子變化敏感區(qū)[2,3]。當(dāng)前對(duì)于植被類型變化和氣候關(guān)系的研究,多是零星的,小尺度的[4,5],關(guān)于黃土高原區(qū)域尺度水平上植被類型變化和空間分布對(duì)氣象因子變化的響應(yīng)關(guān)系的研究還未有報(bào)道。

本文在利用雙向指示種分析 (Two-way indicator species analysis,T W INSPAN)分類和除趨勢(shì)典范對(duì)應(yīng)分析 (Detrended Canonical Correspondence Analysis,DCCA)排序的基礎(chǔ)上,選擇包括森林、森林草原、溫性草原、荒漠半荒漠等植被類型在內(nèi)的 171種典型植被類型,對(duì)年平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、年降水量、平均風(fēng)速等氣象因子變化的響應(yīng)進(jìn)行了研究。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本項(xiàng)研究所利用的植被數(shù)據(jù)為植被類型面積,來(lái)自黃土高原植被類型數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)。從原始黃土高原植被圖到生成本項(xiàng)研究所用的 171種典型植被類型面積數(shù)據(jù)的全部處理過(guò)程采用MapGIS6.0完成,以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量[6]。氣候數(shù)據(jù)引用黃土高原典型植被類型所在縣 (市、區(qū))或鄰近縣 (市、區(qū))的氣象資料,除極少數(shù)站外,大部分為 25年以上觀測(cè)記錄的平均值。根據(jù)黃土高原氣候特征,選取年平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、年降水量、平均風(fēng)速作為氣象因子用于數(shù)據(jù)分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

在 GIS軟件支持下,創(chuàng)建黃土高原的地理坐標(biāo),形成標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)、緯度黃土高原植被類型分布圖。

利用 GIS技術(shù),從植被類型圖上,提取每一種類型的空間分布范圍,然后分別與氣象站疊合。根據(jù)各類型空間分布的范圍和各氣象站的空間分布特征,生成植被類型面積數(shù)據(jù)庫(kù)及其對(duì)應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)[6]。對(duì)數(shù)據(jù)矩陣用除趨勢(shì)典范對(duì)應(yīng)分析 (Detrended Canonical Correspondence Analysis,DCCA)進(jìn)行排序,排序軸代表了植被的變化梯度。DCCA排序用國(guó)際通用軟件 CANOCO完成計(jì)算[7]。

植被數(shù)據(jù)與年平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、年降水量、平均風(fēng)速等氣象因子數(shù)據(jù)共同構(gòu)成本項(xiàng)研究的基本數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上,在 GIS軟件支持下,對(duì)黃土高原植被類型變化和空間分布對(duì)氣象因子變化的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析。

3 結(jié)果與分析

應(yīng)用DCCA分析方法,把植被數(shù)據(jù)矩陣和氣候數(shù)據(jù)矩陣結(jié)合起來(lái)。因?yàn)镈CCA排序結(jié)合了氣象因子,其應(yīng)反映出氣象因子的作用。在排序圖中各氣象因子符號(hào)的意義為：AMT：年平均氣溫;MHT：月平均最高氣溫;MLT：月平均最低氣溫;ASH：全年日照時(shí)數(shù);AME：全年最大蒸散量;AP：年降水量;MWS：平均風(fēng)速。圖中,氣象因子用箭頭表示,箭頭連線的長(zhǎng)短表示植被類型的分布與該因子關(guān)系的大小。

下圖是黃土高原主要植被類型的DCCA二維排序圖,我們從 171個(gè)植被類型中選擇了指示植被類型和主要的植被類型表示在圖上。從圖中可以明顯地看出與氣候梯度相關(guān)的植被類型的生態(tài)梯度。黃土高原地區(qū)的主要地帶性植被類型：暖溫帶森林植被,暖溫帶森林草原植被、溫帶草原植被、溫帶荒漠半荒漠植被在DCCA排序圖上有規(guī)律地分布,從右向左,植被由暖溫帶森林植被、暖溫帶森林草原植被、溫帶草原植被過(guò)渡到溫帶荒漠半荒漠植被。

圖 黃土高原主要植被類型與氣象因子疊加的DCCA排序Fig. DCCA ordination diagram of vegetation and meteorological factors in Loess Plateau

為了反映黃土高原各氣象因子變化對(duì)植被類型變化的影響,計(jì)算了各氣象因子之間的相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)下表)。反映了氣象因子之間的相關(guān)性的大小。從下表和上圖中可以看出,位于同一象限的氣象因子,相關(guān)系數(shù)為正值,位于不同象限的氣象因子,相關(guān)系數(shù)為負(fù)值。這表明年降水量、月平均最高氣溫和月平均最低氣溫三者之間為正相關(guān),而三者與年平均氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、平均風(fēng)速之間是負(fù)相關(guān),反之亦然。全年最大蒸散量和平均風(fēng)速的相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.766,年降水量和全年最大蒸散量的相關(guān)性也較大,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 -0.648。年平均氣溫和全年最大蒸散量的相關(guān)性最小,相關(guān)系數(shù)為 0.051,年平均氣溫和全年日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性也較小,相關(guān)系數(shù)為 -0.185。

表 黃土高原各氣象因子之間的相關(guān)性分析Tab. Correlation analysis among the meteorological factors

3.1 森林植被

從圖中可以看出,降水變化對(duì)森林植被類型的變化和空間分布的影響關(guān)系比其他氣象因子變化的影響強(qiáng),森林植被所處的大部分地區(qū)年降雨量在550～800mm。特別是分布在恒山、呂梁山、中條山和子午嶺等的落葉闊葉林的變化主要與降水的變化有關(guān)。從東到西,降水條件變化對(duì)森林植被類型變化的影響逐漸減小,森林植被類型的變化和空間分布與月平均最高氣溫和月平均最低氣溫的關(guān)系也比較好。從東到西,月平均最高氣溫和月平均最低氣溫變化對(duì)森林植被類型變化和空間分布的影響逐漸減小,即森林植被類型變化對(duì)月平均最高氣溫和月平均最低氣溫的敏感性減小。

3.2 森林草原植被

上圖中,降水變化對(duì)森林草原植被類型的變化和空間分布的影響關(guān)系比與其他氣象因子變化的影響強(qiáng),森林草原植被所處的大部分地區(qū)年降雨量在400～550mm,降雨增多,特別是夏秋季多暴雨,月平均最高氣溫、月平均最低氣溫變化亦有一定的影響。從景觀上看此植被區(qū)是森林與草原交錯(cuò)分布地帶,因長(zhǎng)期人為破壞植被、懇荒種田,大部分地區(qū)目前植被較少,以草原植被為主。在黃土高原上耐旱的草原植物沿著梁、峁頂部和陽(yáng)坡向南延伸,中生的喬木樹種則沿溝谷分布于溝谷和梁、峁的陰坡,組成各種森林草原植被。從東到西,降水條件變化、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫變化對(duì)森林草原植被類型變化和空間分布的影響逐漸減小。年平均氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、平均風(fēng)速對(duì)植被類型變化和空間分布的影響逐漸增加。主要是低溫限制了暖溫帶植被向北的分布,年平均 8℃氣溫等值線大致經(jīng)過(guò)原平、離石、神木、榆林、志丹、華池、環(huán)縣、平?jīng)?、涇源等地。此線以南為暖溫帶,以北為溫帶。

3.3 草原植被

圖中,從東到西,降水量、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫變化對(duì)植被類型變化和空間分布的影響逐漸減小,年降雨量在 300～400mm,較森林植被區(qū)、森林草原區(qū)大為減少,植被年平均氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、平均風(fēng)速對(duì)植被類型變化和空間分布的影響增加。上表中年降水量和全年最大蒸散量的負(fù)相關(guān)性最大,年降水量減少,全年最大蒸散量增大,年降水量和全年最大蒸散量之間構(gòu)成了這樣一種極不平衡的條件,農(nóng)田水分虧缺十分嚴(yán)重,年平均氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、大風(fēng)、降水量等綜合因子對(duì)黃土高原植被類型變化和空間分布的影響使森林草原植被往西北轉(zhuǎn)變成輕干旱的典型草原、重半干旱荒漠化草原。草甸草原分布在海拔高,氣候寒冷的地區(qū),其植被類型變化和空間分布主要年平均氣溫變化的影響。

3.4 荒漠半荒漠植被

圖中,荒漠半荒漠植被類型的變化和空間分布明顯受全年最大蒸散量、全年日照時(shí)數(shù)變化、年平均氣溫和大風(fēng)的影響。由于荒漠半荒漠植被主要分布于大陸性干旱半干旱帶氣候控制下的中緯度地帶的內(nèi)陸盆地與低山,氣候極端干旱,絕對(duì)干旱期約占 4到 5個(gè)月。年降雨量小于 200㎜,年降水量對(duì)荒漠半荒漠植被類型的變化和空間分布的影響較小,而全年最大蒸散量大,風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈,全年最大蒸散量和平均風(fēng)速的正相關(guān)性最大,在二者的促進(jìn)作用以及全年日照時(shí)數(shù)變化、年平均氣溫增大的共同作用下,對(duì)植被類型的變化和空間分布產(chǎn)生了明顯的影響。植被主要以紅砂 (Reaum uria soogorica)、珍珠 (Salsola passerina)、鹽爪爪 (Kalidium foliatum)等超旱生的半灌木和小灌木占優(yōu)勢(shì)。沙冬青 (Ammopip tanthus)、四合木 (Tetraena mongolica)、綿刺 (Potaninia mongolica)等為特有類型。

4 討 論

植被和氣候的關(guān)系一直是國(guó)內(nèi)外全球變化研究的焦點(diǎn)之一,植被生長(zhǎng)和氣象因子密切相關(guān),植被變化對(duì)氣象因子的響應(yīng)具有顯著的時(shí)空差異[8]。全球氣候變化的趨勢(shì)是基本一致的,即全球氣候變暖[9]。因此水分蒸發(fā)量必然增加,這將導(dǎo)致全球平均降雨量增加[10],但雨量增加也是不平衡的,高緯度地區(qū)和極地增加幅度較大,且季節(jié)變化較大。而在黃土高原中緯度地區(qū),雨量也有所增加,但由于溫度升高,蒸發(fā)量加大,積雪溶化提早,雨季也提前,故夏季也將更加干燥,土壤水分減少,內(nèi)陸干旱矛盾更為突出。黃土高原處在東南季風(fēng)與西北大陸性氣候的過(guò)渡地帶,因此,降雨量較少,年降水量東南部可達(dá) 800㎜左右,往北往西到呼和浩特和蘭州一線就降到 400㎜,往西北到寧夏平原就降到 200㎜以下。由于黃土高原光熱資源優(yōu)越,導(dǎo)致氣候干旱,同時(shí)區(qū)內(nèi)大風(fēng)日數(shù)較多,使得全年最大蒸散量較高。黃土高原的蒸發(fā)量普遍高于實(shí)際降水量,其總的趨勢(shì)是南低北高,東低西高。在年降水量最低的西北部,全年最大蒸散量最高,兩者之間構(gòu)成了一種極不平衡的條件,水分虧缺十分嚴(yán)重。目前應(yīng)對(duì)全球氣候變化的措施主要集中在減少CO2等溫室氣體的排放,包括優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約能源、提高能效、發(fā)展可再生能源和核電、提高綠色植物覆蓋面積等方面的一系列措施。此外,加大海洋 CO2庫(kù)容量的研究、加強(qiáng)碳捕獲和封存技術(shù)的研究也是控制氣候變暖的積極途徑。本文經(jīng)過(guò)對(duì)171種主要植被類型沿空間梯度的變化和空間分布對(duì)氣象因子的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析后,可以看出,就黃土高原而言,從東南到西北,降水量、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫逐漸減少,年平均氣溫、全年日照時(shí)數(shù)、全年最大蒸散量、大風(fēng)逐漸增加,植被類型由東南濕潤(rùn)半濕潤(rùn)森林、半干旱森林草原往西北轉(zhuǎn)變成輕干旱的溫帶典型草原、重半干旱溫帶荒漠化草原、干旱的荒漠半荒漠植被。說(shuō)明氣候條件的變化對(duì)這些植被類型生長(zhǎng)狀況的變化有較大的影響。氣象因子的變化影響著黃土高原植被的分異。

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