新疆地區(qū)植被對水熱條件的時滯響應*

龐 靜，杜自強，張霄羽

(1．山西大學資源與環(huán)境學院，太原 030006;2．山西大學黃土高原研究所，太原 030006)

1 引言

植被覆蓋作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)一個重要組分，其對氣候變化的響應方式與響應程度是陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化關系研究中的重要內容。地表植被與氣候變化的關系因此也受到了眾多研究者的持續(xù)關注，以往的工作已經在植被對光、溫、水等基本氣候要素的響應方面取得了長足的進展。隨著近幾十年遙感技術的迅猛發(fā)展，時序NDVI數據由于其空間與時相的連續(xù)特性，被眾多學者作為不同時空尺度上研究植被-氣候關系的最有效地數據源［1-2］，各種可供利用的多源NDVI時間序列數據也使得基于遙感估算植被對于水熱等氣象因子的延遲響應成為可能。

盡管國內外已有大量的研究應用NDVI時間序列遙感數據集研究不同時空尺度植被與氣候的耦合關系［1-3］，但由于植被與氣候之間大量的物理過程與復雜的反饋機制以及研究的時空尺度、植被類型的差異等所得到的分析結論各有不同［4］。同時，這些工作大多集中在探討同期氣候因子對植被的0時滯影響，在一定程度上忽略了地表植被在接受氣候變量作用時由土壤、養(yǎng)分、人為活動等各種因素影響而所產生的記憶效應［5-6］。

由于氣候變化對植被影響的累積效應，植被的反饋往往出現時滯。我國位于從北溫帶到熱帶、從濕潤到干旱的不同氣候帶，西北［7］、西南［8］、東部［9］、北方［10］等不同區(qū)域的植被對氣候變化呈現出了明顯的時滯響應分異特征。由于植被覆蓋變化的氣候作用變量隨著時空尺度的不同會發(fā)生變化，而且地表植被對氣候變化的響應包括時空尺度各異的化學、生物物理過程，大尺度上的效應并不一定發(fā)生在小尺度上［11］。因此，為了更加深入地理解當前全球變化與植被生長的關系，更好地把握未來氣候變化情景下陸地植被生態(tài)系統(tǒng)的演化方向，針對特定的區(qū)域，集成不同時間尺度在特定的時段開展植被對全球變化的響應研究顯得尤為必要。

新疆深居歐亞大陸腹地與我國西北干旱區(qū)，地處中溫帶極端干旱的荒漠地帶，自然環(huán)境與氣候類型各異，水熱分布懸殊，是全球生態(tài)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)最脆弱的地區(qū)之一，植物生長對氣候因子依賴性較強。近幾十年，在以氣候變暖為主要特征的全球變化背景下，新疆的氣候總體呈暖濕化趨勢，加之目前頻繁出現的極端天氣、氣候災害等，這種特殊的氣候變化情景必然會對區(qū)域的植被資源產生影響，也為從區(qū)域或局地尺度驗證更大尺度植被與氣候變化相互關系提供了良好的實驗場所。

2 數據與方法

2.1 數據來源

由于降水、溫度對植被作用的有效時間尺度分布不均勻及其年際與季節(jié)的周期性特征，在較長的時間尺度 (年、季)上會過濾掉植被與水熱因子變化的細節(jié)特征而不能夠真實的反應植被對水熱因子的時滯響應，在旬等較短的時間尺度由于水熱因子比如降水的不連續(xù)性，其時滯關系會表現出一定的隨機性［12］，月尺度上，水熱等具有顯著生態(tài)學意義的氣候指標對植被生長狀況的影響更為明顯［6］。因此，從月尺度研究植被對氣候變化的響應具有更高的可信度與實際價值［13-14］。因此，該文遙感數據采用研究區(qū)1982～2006年最大化合成的逐月GIMMS-NDVI數據 (時間分辨率15天，空間分辨率8km)。該數據來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數據中心”。

一般研究認為10km是氣象站點數據的有效范圍，故選取了以氣象站點為中心10km為半徑計算NDVI平均值作為氣象站點所代表的該氣候條件下的植被平均生長狀況［15］。植被類型以氣象站點所在處植被類型為主，主要包括草原植被 (草甸草原、典型草原、荒漠草原)、荒漠植被 (沙漠、戈壁、溫帶荒漠)、草甸植被 (溫帶草甸、高寒草甸)、人工植被 (主要指一年一 (兩)熟或三年兩熟作物)以及濕生植被的沼澤。

植被在生長過程中以氣溫與降水的影響最為直接與重要，在干旱區(qū)域水熱條件是制約區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的主要因素。水熱條件的變化直接影響新疆地區(qū)植被的生長狀況且是導致該地區(qū)不同植被類型與天然草場生產力高低的決定性因素，其他氣候因子的影響相對較弱［16］。因此，氣象數據僅采用新疆境內同期歷年逐月平均溫度與降水量數據 (圖1)，其來源于中國氣象科學數據共享服務網的中國地面氣候月值數據集。借鑒前人研究［17-18］，遵從地理或行政區(qū)域的習慣歸屬，選取哈巴河、黑山頭、吉木乃等39個氣象站代表北疆區(qū)域;七角井、庫米什、和靜等20個氣象站代表南疆區(qū)域;尼勒克、鞏留、新源等13個山區(qū)氣象站代表天山山區(qū)。北疆、天山山區(qū)及南疆的氣溫、降水因子取各歸屬氣象站點的月平均值得到氣溫與降水的逐月區(qū)域平均狀態(tài)。

2.2 研究方法

2．2．1 時滯概念界定

時滯概念理解為氣候變量系統(tǒng)前一時刻狀態(tài)對植被生態(tài)系統(tǒng)當前狀態(tài)的滯后作用程度或植被生態(tài)系統(tǒng)的當前狀態(tài)對氣候變量系統(tǒng)的前一時刻狀態(tài)的記憶程度［19］。在氣候變量系統(tǒng)發(fā)生改變時，植被需要通過一定的時間才能對氣候因子的變化做出反應，植被的這種延遲響應通常以一定時間尺度內植被與氣候因子的相關水平在時間上是否出現滯后現象來衡量，時間序列的滯后相關分析以通過P≤0．05的顯著水平的t檢驗為依據［20］。如果有滯后互相關現象，則說明植被對氣候變化的響應具有時滯效應，將氣候要素與植被NDVI相關系數通過P≤0．05水平顯著檢驗的持續(xù)時間長度稱為時效，影響程度則通過時滯相關系數的大小來判斷。

圖1 研究區(qū)位置及氣象站點分布

2．2．2 數據歸一化

由于NDVI與氣象因子值域區(qū)間相差較大，在分析NDVI對氣候因子之間的響應關系時為了避免大值對小值的掩蓋，需要對原始水熱因子數據進行標準化處理。該文采用SPSS進行數據Z標準化得到時序標準化數據集。

2．2．3 時滯互相關分析

時滯互相關分析通過設定多個連續(xù)的時間滑動窗口計算某一時間段內的自變量與因變量之間的線性相關系數，從而確定自變量對因變量的作用時效與作用強度。該文采用目前研究滯后效應比較常用的時滯互相關方法［5-6］。

3 結果與分析

3.1 不同站點植被對水熱條件的時滯響應特征

基于氣象站點分析植被對氣候因子的時滯響應，能夠得到更準確的時滯效應時間尺度［21］。分析結果(圖2)表明不同站點的水熱因子組合對植被的影響不同:植被對降水的響應具有時滯性的站點比例為86．11%，其中1個月時滯響應的占總站點的37．50%，2個月時滯響應的占總站點的43．06%，3個月時滯響應的站點僅占總站點的5．56%;植被對氣溫的響應具有時滯性的站點占到94．44%，其中時滯時效為1個月的占總站點的61．11%，時滯時效為2個月的占總站點的31．94%，時滯時效3個月的站點僅占1．39%;降水與氣溫0時滯的站點分別為6．94%與5．56%。同時，分析站點的植被對氣候變化的響應結果也發(fā)現 (圖1):對于降水，植被與前期降水的相關程度大于同期的占到總站點的52．8%，小于同期的占到總站點的33．3%;對于氣溫，植被與前期氣溫的相關程度大于同期的占到總站點的44．4%，小于同期的占到總站點的48．6%。當然，植被與氣候因子的相互作用是一個非常復雜的過程，全疆仍有少部分站點植被與降水與溫度均無顯著相關，這說明植被生長還受到土壤類型、地形、生物及人類活動等其它非氣候因素的影響。這些因素對氣候變化的緩沖作用是植被對氣候條件變化產生時滯響應的因素之一。

圖2 不同站點植被對水熱條件的時滯響應時效與時滯相關程度統(tǒng)計

3.2 不同區(qū)域植被對水熱條件的時滯響應特征

全疆植被NDVI與降水與氣溫的時滯相關分析表明，植被對降水的響應通常表現為2個月的滯后 (r=0．663，P=0．036)，對氣溫的響應表現為1個月的滯后 (r=0．911，P=0．000)，植被對前期降水與對同期氣溫的響應程度較為明顯，且隨著月份的推移時滯相關系數越來越小。但由于北疆、天山、南疆各分區(qū)氣候條件的差異，新疆不同氣候區(qū)的植被對水熱因子的響應表現出鮮明的區(qū)域特征 (表1):(1)響應時效不同，北疆地區(qū)植被對氣溫的響應滯后1個月，對降水的響應滯后2個月;南疆地區(qū)植被對氣溫與降水的響應均滯后2個月;天山山區(qū)植被對氣溫與降水的響應均滯后1個月。(2)響應程度各異，北疆地區(qū)前1個月的降水對植被的影響程度大于同期與前2個月的影響程度，而氣溫對植被同期的影響程度大于前期 (前1個月與前2個月);南疆地區(qū)前1個月的降水與氣溫對植被的影響程度均大于同期與前2個月;天山山區(qū)則是同期的降水與氣溫對植被的影響程度均大于前期 (前1個月)。

北疆、天山、南疆復雜各異的地形條件及其對降水、大氣溫度、太陽輻射、風力活動、水氣傳輸等氣候變量的重新分配與組合，使其形成了植被對局地小氣候因子時滯響應的空間差異。在內陸干旱區(qū)與高山帶，植被的動態(tài)最容易受到土壤水分的影響。新疆地處受水分限制的西北干旱區(qū)，土壤有效水分的不足可能導致植被響應氣候變化出現時滯效應。

表1 不同地區(qū)植被對水熱因子響應的時滯互相關關系

3.3 不同類型植被對水熱條件的時滯響應特征

由于不同類型植被對自然環(huán)境的適應性與敏感性，它對氣溫與降水量的變化往往不能即時響應。從植被對水熱因子的時滯響應時效 (表2)來看，草甸、草原、荒漠及人工植被對氣溫響應時滯均為1個月，而沼澤植被對氣溫的響應時滯最長可達3個月;草甸與草原植被對降水的響應均滯后1個月，而荒漠、沼澤及人工植被對降水的響應則滯后2個月。這說明，草甸與草原普遍對水熱因子反映較為敏感，而荒漠與沼澤植被對水熱條件的反映則較為遲緩。人工植被多集中在綠洲與降水量相對較為豐富的地區(qū)、灌溉等水利條件良好，所以對降水并不敏感，而對氣溫的變化響應較為迅速。從植被對水熱因子的時滯響應程度(表2)來看，草甸與草原植被對水熱的響應相關程度同期均大于前期，當月的降水與氣溫均對其有較大影響;荒漠與人工植被對前1個月的降水響應程度大于同期，而對溫度的響應程度與降水正好相反，同期大于前期，當月的溫度與上1個月的降水對其影響較大;沼澤植被對水熱條件的響應程度與草甸、草原相反，均呈現為前期大于同期，當月的水熱條件并沒有完全發(fā)揮其作用力。這說明，各類植被相比，草原與草甸植被對水熱響應都比較敏感，荒漠與人工植被對溫度的反應比對降水的反應敏感，沼澤植被對水熱因子反應均比較遲緩。

不同植被類型對水熱條件的時滯響應也表明植被類型不僅影響NDVI與氣候變量的相關程度，也影響著NDVI對氣候變量的響應時間。干旱、半干旱區(qū)植物的生長發(fā)育、草原的養(yǎng)分循環(huán)、群落結構以及生態(tài)系統(tǒng)功能都高度依賴于土壤水分的變化，溫度的變化無疑影響著土壤水分含量，進而影響土壤養(yǎng)分的供給。因此，不同類型植被對土壤養(yǎng)分及水分的吸收能力不同，這很可能是導致不同類型植被對水熱等影響因子的記憶效應存在時間差異的原因［5］。

表2 不同類型植被對水熱因子響應的時滯互相關關系

4 結論與討論

對各個氣象站點1982～2006年逐月GIMMS-NDVI與同期對應的水熱因子進行時滯互相關分析，研究這些氣象站點所代表的主要植被類型對水熱條件變化的響應關系，以討論植被生長過程中水熱因子變化對其的影響程度以及不同氣候區(qū)域植被對水熱條件變化的響應差異?；谡军c的時滯相關分析方法探討植被對氣候因子記憶效應，能夠彌補水熱因子空間內插所帶來的不可控誤差的不足，研究結果將有助于更加深入的認識西北干旱區(qū)植被對氣候變化的響應與反饋。

總體上，新疆地區(qū)植被對水熱變化的響應都存在一定時間段的記憶效應，植被與前1個月與前2個月的氣溫與降水都有顯著地相關性。從記憶時效來看，植被對降水的響應一般以時滯2個月為主，對氣溫的響應一般以時滯1個月為主。在月尺度上植被對降水響應比對氣溫的響應滯后期長，可能與降水有一個通過土壤滲透、植物根系吸收才能被地表植被吸收的物理過程有關。這與韋振鋒等［22］的西北地區(qū)植被對降水的響應比對氣溫的響應滯后期長的結論相一致。從時滯相關程度或水熱因子對植被的影響程度來看，植被對前期降水與對同期氣溫的響應程度較為明顯。南、北疆、天山山區(qū)不同氣候區(qū)域的植被以及草甸、草原、荒漠及人工植被等不同類型的植被對水熱因子在時滯響應程度與響應時效方面也表現出明顯的時空異質性。李曉兵與史培軍［23］分析了中國典型植被與氣溫、降水的敏感性，發(fā)現荒漠植被對降水的變化表現出2個月的滯后時間，而且較當月與上個月降水的變化顯示出相差很小的相關關系，該文的結果與此一致。但所用數據、研究方法以及時空尺度的不同可能會導致不同的研究結果，比如，蒲云錦與韓春光［24］分析2002～2008年新疆地區(qū)48個氣象站點的月溫度與月降水與以對應氣象站點為中心半徑60 km范圍的MODIS NDVI植被指數的響應關系表明，全疆植被與溫度與降水有1個月時間滯后差，南疆植被與溫度以及北疆植被與降水均有1個月的滯后響應關系，該文的結論與此存在一定的差異。一個可能的解釋在于水熱因子組合對植被的生長影響機制復雜，在不同時期其發(fā)揮的作用也不盡相同。這也說明，受氣候因子與人為影響的協(xié)同作用，干旱生態(tài)系統(tǒng)植被對全球變化的響應仍然存在眾多的不確定性尚待厘清［25］。因此，進一步的研究需要地從當地植被群落結構、土壤質地、地形條件、土地利用、農牧業(yè)活動等角度對植被的記憶效應做出更加深入的機理闡釋。

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