華北平原植被動(dòng)態(tài)對(duì)氣象干旱的響應(yīng)特征

盧洪健　胡智丹

摘要基于中國華北平原1982—2012年NDVI和不同時(shí)間尺度SPI/SPEI數(shù)據(jù)，分析了植被綠度年際波動(dòng)對(duì)氣象干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)特征。結(jié)果表明：華北平原干旱對(duì)春季植被綠度的影響強(qiáng)于夏季，對(duì)北部的影響強(qiáng)于南部；植被綠度對(duì)長期干旱的響應(yīng)更明顯，但局部和季節(jié)差異非常明顯，北部植被響應(yīng)干旱的時(shí)間尺度較南部短；生長季水分虧缺是其植被干旱脆弱性的主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞植被綠度；干旱；時(shí)間尺度；干旱脆弱性；華北平原

中圖分類號(hào)S423；P467文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）36-0004-05

AbstractWe evaluated the response of different land biomes to drought by correlating the various timescale SPEI/SPI with a widely used indicator of vegetation activity，like the Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） in Northern China Plain （NCP） during 1982-2012.The results showed that the NDVI of spring cultivated vegetation were more sensitive to drought than that of summer vegetation，and the impact of drought on vegetation greenness in northern was more significant than that in southern.The response of vegetation to drought was usually more obvious at a long scale，but the strongest response timescale in northern was shorter than southern.In a word，water deficit during the growing season was the main driver of vegetation vulnerability to drought.

Key wordsVegetation greenness；Drought；Timescales；Drought vulnerability；Northern China Plain

干旱是生態(tài)系統(tǒng)地上凈初級(jí)生產(chǎn)力減少的主要驅(qū)動(dòng)因子之一，但不同的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干旱的敏感性存在較大差異[1-2]。由于不同植物群之間的水分利用策略存在很大的差異以及對(duì)干旱（水分虧缺程度）量化的困難，加上溫度上升與水分虧缺對(duì)植被的影響往往存在協(xié)同效應(yīng)，所以理解陸地植被（尤其是區(qū)域尺度上）對(duì)干旱的響應(yīng)仍是一大挑戰(zhàn)[3-4]。

干旱時(shí)間尺度是指由于干旱造成可識(shí)別的后果（如作物減產(chǎn)）出現(xiàn)時(shí)與干旱（水短缺）起始時(shí)間之間的時(shí)間滯后[5-7]，不同的植被類型對(duì)不同時(shí)間尺度干旱的響應(yīng)可能顯著不同。以往的研究大多通過簡單的降水距平（相對(duì)于平均狀況）來考慮植被對(duì)氣候的響應(yīng)，這會(huì)忽略溫度的作用以及在哪種干旱時(shí)間尺度上植被的響應(yīng)最顯著，而這兩者是識(shí)別氣候波動(dòng)的響應(yīng)和理解植被對(duì)干旱的敏感性的根本要素[8]。有研究分析不同時(shí)間尺度上標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）與3種植被參數(shù)[分別為表征植被綠度的歸一化植被指數(shù)（NDVI）、樹木徑向生長的樹輪數(shù)據(jù)和地上凈初級(jí)生產(chǎn)力]之間的關(guān)系，揭示了全球范圍內(nèi)不同氣候區(qū)的陸地植物群對(duì)干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)特征[9-10]。有學(xué)者采用多時(shí)間尺度SPEI和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）對(duì)地中海約旦河地區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)NDVI與6個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI相關(guān)性最好，但不同植被類型之間會(huì)存在較大差異，不同季節(jié)內(nèi)植被對(duì)干旱的響應(yīng)特征也會(huì)明顯不同[11]。也有研究者對(duì)中國西南地區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)植被綠度下降量出現(xiàn)的時(shí)刻與干旱事件之間存在4～6個(gè)月的滯后，而且發(fā)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干旱最敏感[12]?？傊?，水分虧缺與植被響應(yīng)之間的時(shí)間滯后受到植被類型、地區(qū)和土壤儲(chǔ)水能力等因素的綜合影響。

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，然而，降水年際間的強(qiáng)烈波動(dòng)使得其干旱發(fā)生較為頻繁，而近10多年來遭遇的少雨高溫期更激發(fā)了一些破紀(jì)錄的極端干旱事件，導(dǎo)致區(qū)域糧食安全和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力年際間的不穩(wěn)定性呈加劇趨勢(shì)[13-16]。筆者基于NDVI表征的植被綠度以及多時(shí)間尺度的氣候干旱指數(shù)SPI/SPEI，分析了華北平原植被綠度變化與干旱時(shí)間尺度之間的關(guān)聯(lián)性，以期揭示植被干旱脆弱性的控制因素，為氣候變化下區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理與功能保育提供參考。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況

華北平原地處拱衛(wèi)京師的畿輔地帶，不僅是我國的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，而且其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國有重要的戰(zhàn)略地位，全區(qū)耕地面積占全國的1/6。按照農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，華北平原屬暖溫帶作物兩年三熟區(qū)，復(fù)種指數(shù)平均為150%，向南逐漸增大。主要種植作物是冬小麥—夏玉米，一年兩熟，糧食產(chǎn)量約占全國的1/7，是我國的重要糧倉之一。區(qū)內(nèi)土地質(zhì)量差別懸殊，雖然本區(qū)水熱同季，有助于作物生長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力大，但是由于降雨不多，年內(nèi)分配不均，致使區(qū)域內(nèi)缺水，在一定程度上限制了光熱資源的充分利用，使得本區(qū)單位面積占有的水資源成為全國較低的地區(qū)之一，面臨著水資源安全和水短缺風(fēng)險(xiǎn)加重的問題，因此整個(gè)區(qū)域內(nèi)的糧食生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生關(guān)系十分密切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北地區(qū)旱災(zāi)平均受災(zāi)面積占全國受災(zāi)面積的比例最高，尤其是自20世紀(jì)80年代以來持續(xù)近30年的干旱已成為制約該地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出問題。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

氣象數(shù)據(jù)由中國氣象局提供，包括華北平原及周邊64個(gè)氣象站（圖1）的日均溫和降水量的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過比較分析距離平方反比法（IDS）、梯度距離平方反比法（GIDS）和普通克里格法（OK）3種插值方法的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)GIDS溫度插值的平均絕對(duì)誤差最小，且能較細(xì)致地反映溫度隨海拔高程的變化[17]。該研究采用GIDS將逐日的氣象數(shù)據(jù)內(nèi)插到華北平原所有的像元上（8 km柵格），然后采用月均溫、降水量分別計(jì)算1、2、3、6、9、12、18和24個(gè)月尺度的1982—2012年的逐月SPI和SPEI。

植被指數(shù)為NOAA-AVHRR 的1981—2006年的14 d最大化合成的8 km NDVI 數(shù)據(jù)和Terra-Modis衛(wèi)星提供的2000—2012年的16 d最大化合成的1 km NDVI數(shù)據(jù)（MOD13A2）。所有的遙感數(shù)據(jù)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為Lambert等積方位投影，空間分辨率為8 km，并經(jīng)過大氣、幾何糾正，消除云的影響。通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制文件進(jìn)行再處理，然后用SG濾波對(duì)NDVI進(jìn)行去噪、平滑處理。最后，根據(jù)2套數(shù)據(jù)重疊時(shí)間段內(nèi)的NDVI進(jìn)行回歸分析，融合成一套完整的1982—2012年的植被指數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3研究方法

為分析干旱指數(shù)與NDVI之間的關(guān)系，即將一年中各個(gè)月NDVI與不同時(shí)間尺度SPI進(jìn)行相關(guān)分析[18]。為了揭示華北平原和華北平原植被綠度年際變化對(duì)干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)特征，該研究采用上述方法，以融合、插值處理后1982—2012年不同月份的NDVI表征植被綠度，以SPI和SPEI（1、2、3、6、9、12、18和24個(gè)月尺度）表示干旱，進(jìn)而分析8 km柵格水平上NDVI-SPEI/SPI的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r），然后統(tǒng)計(jì)不同月份不同時(shí)間尺度上最大的r及相應(yīng)的時(shí)間尺度（月）。此外，以土地覆蓋類型數(shù)據(jù)為掩膜，統(tǒng)計(jì)各土地利用類型相應(yīng)的NDVI和SPI/SPEI，并分析其r。最后，以NDVI-SPI/SPEI最強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系r表征植被的干旱脆弱性，分析其空間差異及其與水平衡、降水和海拔高程等因子的相關(guān)關(guān)系。

2結(jié)果與分析

2.1華北平原植被綠度-干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)特征

分析8 km柵格水平上1982—2012年NDVI與不同時(shí)間尺度SPEI/SPI的關(guān)系，4—9月的r的空間分布如圖2所示，整體而言，r基本為正，說明氣象干旱對(duì)華北平原植被綠度年際變化的影響很大，但不同月份、地區(qū)NDVI對(duì)各時(shí)間尺度干旱的響應(yīng)差異明顯。4—6月的r比7—9月相對(duì)要大，北部地區(qū)的r比南部相對(duì)更大，長時(shí)間尺度上的r比短時(shí)間尺度相對(duì)更大。但也存在一些十分明顯的局部差異，例如，4月南部地區(qū)的r明顯比北部高（3～6個(gè)月尺度上），7月北部大部分地區(qū)在短時(shí)間尺度上的r要顯著高于長時(shí)間尺度上。但是南部一些地區(qū)7—9月NDVI與SPEI的r多為負(fù)，8月尤為如此，這很可能是因?yàn)樵摃r(shí)段內(nèi)的水分相對(duì)充沛，干旱相對(duì)很弱，莫興國等[13]研究表明，夏玉米生育期內(nèi)黃河以南水分有盈余；而黃河以北地區(qū)水分虧缺0～100 mm，這顯然也是北部地區(qū)7—9月的r為正的主要原因。綜上可知，春季干旱對(duì)整個(gè)華北平原植被綠度都具有顯著影響，而夏季干旱對(duì)北部地區(qū)植被的影響要顯著強(qiáng)于對(duì)南部地區(qū)。

對(duì)4—9月NDVI與1、3、6、9、12、18和24個(gè)月尺度的SPEI/SPI的r進(jìn)行比較分析，提取每個(gè)柵格上最大的r（6個(gè)月 × 7個(gè)尺度）以及相應(yīng)的時(shí)間尺度（月），結(jié)果如圖3所示。很顯然，r的總體格局為北部大于南部，但也存在一些很明顯的局部特征，如北部石家莊—邢臺(tái)一帶以及黃河下游沿岸多數(shù)地區(qū)的r都很低，這可能與其灌溉條件較好有關(guān)，而魯西南和河南商丘—亳州一帶的r則較高，可能受山地丘陵地形和土壤質(zhì)地的影響較大。與SPI相比，SPEI的r相對(duì)更高，說明聯(lián)合考慮水供應(yīng)和需求對(duì)干旱烈度影響的干旱指數(shù)，總體上更能反映出干旱對(duì)植被綠度的影響程度；只是在北部的泊頭—廊坊一帶，SPI的r反而高于SPEI。

分析整個(gè)區(qū)域不同植被類型NDVI年際變化與不同時(shí)間尺度SPEI/SPI的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，不同植被類型NDVI對(duì)干旱的響應(yīng)特征存在較大的差異（圖4、5）。就常綠林來講，其在生長季的旺期6—7月不僅對(duì)短期的（1～6個(gè)月尺

度）水平衡（降水-蒸散）虧缺敏感，而且對(duì)長期（12～24個(gè)月尺度）干旱的響應(yīng)很好；與之不同的是，落葉林在7月主要是對(duì)短期干旱很敏感。此外，在2月對(duì)9～12個(gè)月尺度的干旱

的響應(yīng)也較好。灌木在6—7月對(duì)干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)與常綠林類似，但在8月對(duì)長期干旱的響應(yīng)也好，而在9和10月對(duì)1～2個(gè)月尺度的水分虧缺還較為敏感。

農(nóng)業(yè)植被的響應(yīng)特征與自然植被的差異較大（圖5），其中平原水田在3月對(duì)2～3個(gè)月尺度的干旱較為敏感，而在5、7和8月對(duì)長時(shí)間尺度上的水分虧缺響應(yīng)較好。山地旱地和丘陵旱地的響應(yīng)特征基本一致，在5—7月和9—10月對(duì)各時(shí)間尺度的干旱都有較強(qiáng)的響應(yīng)，但也是在6月對(duì)2～3個(gè)月尺度的水分虧缺最為敏感，這是因?yàn)樯降睾颓鹆甑匦尾焕谕寥纼?chǔ)存水分，而6月又是作物生長需水旺盛時(shí)期，因此對(duì)短時(shí)間尺度上的水分虧缺較為敏感。平原旱地在7和10月對(duì)1～3個(gè)月尺度的干旱的響應(yīng)最好，而在5、8和9月

對(duì)長期的水分虧缺更為敏感。由此可見，對(duì)于主要種植冬小麥和夏玉米的華北平原來說，不同作物甚至同一作物在生長季的不同階段對(duì)干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)都可能存在較大差異。

綜合分析各植被類型、月份NDVI對(duì)不同尺度上的水供給（SPI）和水平衡（SPEI）的響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間尺度的增大，兩者的平均r都逐漸增大，但在18個(gè)月后，響應(yīng)開始減弱；但不同季節(jié)、植被類型之間的響應(yīng)差異很大，尤其表現(xiàn)在1～6個(gè)月的短時(shí)間尺度上（圖6）。因此，在對(duì)華北平原植被干旱脅迫的影響評(píng)估與監(jiān)測(cè)過程中，不僅要考慮短時(shí)間尺度上的水分虧缺，也要考慮長時(shí)間尺度上的累積干旱效應(yīng)。綜合來講，華北平原植被綠度的變化對(duì)干旱的響應(yīng)在18個(gè)月時(shí)間尺度上最明顯。

2.2植被干旱脆弱性影響因素分析

為了解釋NDVI變化與干旱時(shí)間尺度響應(yīng)關(guān)系（即植被干旱脆弱性）的空間分布差異，分析圖2中的r與其相應(yīng)生長季多年平均水量平衡（P-PET）之間的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖7所示?？傮w而言，各植被類型擬合的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r為負(fù)，換言之，水分虧缺越厲害的地區(qū)，干旱對(duì)植被綠度的影響越強(qiáng)，即植被干旱脆弱性越大。但是不同植被類型間的這種相關(guān)性明顯不同，平原

旱地、平原水田和自然植被（包括林地、草地、灌叢和稀樹草原）的r都小于-0.80，P小于0.01，且決定系數(shù)（R2）分別為0.74、0.74和0.60；說明生長季水量平衡（水分虧缺）是其植

被干旱脆弱性空間分異的主要驅(qū)動(dòng)因素。而對(duì)山地旱地和丘陵旱地來說，雖然其NDVI-SPEI的相關(guān)系數(shù)普遍高于平原地區(qū)，但它與水量平衡之間并非線性響應(yīng)關(guān)系，即簡單的水量平衡并不能很好地解釋NDVI-SPEI響應(yīng)關(guān)系的強(qiáng)弱，這一方面是因?yàn)閿M合的點(diǎn)較少，更重要的原因是，山地和丘陵地區(qū)水循環(huán)過程更為復(fù)雜多變，徑流對(duì)水平衡的影響很大，所以導(dǎo)致植被綠度對(duì)簡單的氣候水分平衡表征的干旱并未呈線性的響應(yīng)。生長季水平衡達(dá)-400 mm的山地旱地，植被干旱脆弱性最強(qiáng)，但對(duì)水分虧缺小于400 mm的地區(qū)，NDVI-SPEI的相關(guān)系數(shù)反而是隨水分虧缺量減少而增大的。

3結(jié)論與討論

該研究分析了中國華北平原植被動(dòng)態(tài)（NDVI）對(duì)不同時(shí)間尺度干旱（SPEI/SPI）的響應(yīng)特征，并探討了不同土地覆蓋類型的響應(yīng)差異，以期揭示其區(qū)域/局地尺度上植被綠度對(duì)干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)規(guī)律，并試圖解釋不同植被類型干旱脆弱性空間差異的主要驅(qū)動(dòng)因素。就華北平原而言，干旱對(duì)春季植被綠度的影響比夏季植被綠度強(qiáng)，對(duì)北部植被綠度的影響比南部強(qiáng)。其植被NDVI對(duì)干旱時(shí)間尺度的響應(yīng)特征較復(fù)雜，河北省中部、山東省大部分地區(qū)以及河南南部一些地區(qū)對(duì)短期干旱敏感，而河北西北部、河南中部和山東西北部、江蘇北部的少部分地區(qū)對(duì)長期的水分虧缺響應(yīng)更強(qiáng)。自然植被在其生長季旺期6—7月對(duì)短期和長期干旱的響應(yīng)都較強(qiáng)，春季農(nóng)業(yè)植被在2—4月對(duì)短時(shí)間尺度干旱的響應(yīng)較強(qiáng)，而夏季農(nóng)業(yè)植被在5—9月對(duì)長期的累積水分虧缺最敏感，但不同土地利用類型間的差異較大。

研究還表明，生長季水量平衡（P-PET）是華北平原自然植被、平原水田和平原旱地植被干旱脆弱性空間分異的主要控制因素，山地和丘陵旱地植被脆弱性的影響因素較復(fù)雜。這可能是因?yàn)椋腿A北平原植被活動(dòng)變化的驅(qū)動(dòng)因素而言，人類活動(dòng)的作用占主導(dǎo)地位，但氣候變化也是重要因素，且前者的作用相對(duì)更大。

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