氣候和植被變化對黃土高原蒸散發(fā)的影響

楊 潔，裴婷婷(.甘肅甘谷縣新興鎮(zhèn)政府，甘肅 天水 7400； .甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

陸地蒸散發(fā)(簡稱為ET)將土壤和植被中大量的水轉(zhuǎn)移到大氣中，緊密聯(lián)系著陸地生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)、能量循環(huán)和碳循環(huán)。蒸散發(fā)的變化對區(qū)域植被生長和氣候反饋產(chǎn)生重要的影響[1]，尤其是在以嚴(yán)重的水分脅迫為特征的干旱半干旱區(qū)。全面理解氣候和植被對蒸散發(fā)時空模式的驅(qū)動作用，對于預(yù)測地表-大氣相互關(guān)系起到了至關(guān)重要的作用[2]。大量研究表明，蒸散發(fā)的變化歸因于氣候和植被的共同影響[3]?，F(xiàn)有的研究尺度包括空間(從點到全球)和時間尺度(從月到幾十年)[4-5]，研究方法包括單個/區(qū)域的渦動觀測、遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動集以及地表模型等[6-7]。目前，研究發(fā)現(xiàn)，在很多水分限制區(qū)域溫度和降水的年際變化主導(dǎo)控制區(qū)域ET變化[8]，其他氣候因素的變化，比如土壤含水量，太陽輻射，水汽壓差以及風(fēng)速[9-10]，它們在調(diào)節(jié)區(qū)域蒸散發(fā)的時空模式上同樣也起到了重要的作用。另外，蒸散發(fā)的變化受到了植被生長的影響[11]，而這種影響在不同的植被類型之間有所差異。因此，植被生長/地表覆蓋和氣候因素對于量化和理解區(qū)域蒸散發(fā)的時空模式仍存在很多不確定性。

以往的研究對于理解區(qū)域蒸散發(fā)的時空模式以及氣候和植被變化對蒸散發(fā)的影響提供了基礎(chǔ)[12]，但是，目前氣候升溫存在明顯的季節(jié)不對稱性。最新的IPCC5報道，春季和冬季的升溫速率更快[13]，不對稱的季節(jié)增溫調(diào)節(jié)了水熱狀況(如土壤含水量)的季節(jié)性模式以及相應(yīng)的植被生長/活動。黃土高原經(jīng)歷了快速且明顯的季節(jié)性升溫，盡管以往學(xué)者對黃土高原氣候變化和植被生長對于蒸散發(fā)的影響已經(jīng)做了大量的研究[14-15]，但是，氣候和植被生長的季節(jié)性變化對蒸散發(fā)的季節(jié)性影響卻鮮有研究，而該問題對于將來預(yù)測水分限制區(qū)域的季節(jié)性水文循環(huán)以及陸地-大氣相互關(guān)系則是一個關(guān)鍵的先決條件。因此，基于大尺度遙感數(shù)據(jù)，運用廣義線性模型探究1982～2011年氣候和植被變化對黃土高原蒸散發(fā)影響的季節(jié)性差異，分析了蒸散發(fā)季節(jié)性差異的內(nèi)在機理。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原的地理位置為E 100°54′～114°33′，N 33°43′～41°16′，東西長約1 300 km，南北寬約700 km，總面積 64萬km2，主要由山西高原、陜甘晉高原、隴中高原、鄂爾多斯高原和河套平原組成，占了中國國土面積的6.6%。海拔高度在89～5 210 m，年降水量為150～800 mm，多集中于6～9 月，屬于典型的大陸季風(fēng)氣候特征，冬季寒冷，夏季溫暖濕潤，雨熱同期。年均氣溫為3.6～14.3℃，其水平分布和垂直分布差異較大。黃土高原的蒸發(fā)量普遍高于實際降水量，年蒸發(fā)量為1 400～2 000 mm，其總體趨勢是南低北高，東低西高。

為了改善黃土高原水土流失、荒漠化以及環(huán)境惡化的問題，在1999年我國開始實施退耕還林還草工程。自退耕還林還草工程實施以來，黃土高原的植被類型以及植被覆蓋均發(fā)生了顯著變化，截止2009年底，全國累計完成退耕造林 902.26萬 hm2，配套荒山造林1 413.72萬hm2，灌叢面積達到4.64萬km2，草地面積達到 27.14萬km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 NDVI 數(shù)據(jù)集 最新的第三代歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來源于超高分辨率輻射儀(Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR))/國家海洋和大氣局衛(wèi)星(National Oceanographic and Atmospheric Agency (NOAA) satellites)，全球庫存建模和映射研究組Global Inventory Modeling and Mapping Studies (GIMMS) group，即GIMMS NDVI3g。該套數(shù)據(jù)空間分辨率為0.083°，時間分辨率為半月，時間尺度為1982～2011年。

1.2.2 ET數(shù)據(jù)集 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于全球渦動通量塔的觀測數(shù)據(jù)(簡稱FLUXNET ET)，使用模型樹整合機器學(xué)習(xí)的算法獲得，并通過了內(nèi)部交叉驗證和模型模擬。該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為0.5°，時間分辨率為月，時間長度為1982～2011年。為了和其他數(shù)據(jù)相匹配，將這套數(shù)據(jù)集重采樣到0.083°。

1.2.3 氣候數(shù)據(jù)集 柵格溫度及降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國區(qū)域高時空分辨率地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集融合中國氣象局氣象站點的數(shù)據(jù)而制作的一套時間分辨率為3 h，空間分辨率0.1°，時間尺度為1982～2011年的數(shù)據(jù)集。文中將3 h合并為天，空間分辨率重采樣到0.083°。

1.2.4 植被類型圖 1∶1 000 000的中國植被底圖來源于中國科學(xué)院植物所。將數(shù)據(jù)庫中的10種植被亞類合并為6大類，包括林地(針葉林、闊葉林和高山植被)，草地(草原，草甸)，灌木、荒漠、栽培植被以及其他(沼澤和無植被覆蓋)。將植被圖空間分辨率重采樣為0.083°，且主要集中分析了林地、灌木和草地3種植被類型(圖1)。

圖1 黃土高原植被分類圖Fig.1 Distribution map of vegetation types in the Loess Plateau

1.3 研究方法

運用廣義線性模型(GLM)來探究氣候和植被生長對于ET的影響，該模型被認為是釋放自變量對于因變量的相對貢獻的行之有效的方法。

廣義線性模型是對經(jīng)典線性模型理論的重要推廣，模型自1972年由Nelder和Wedderburn引入以來，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[16]。

廣義線性模型[17-18]：

μi=E[Yi]=g-1(∑Xijβj+ξi)

var[Yi]=φV(μi)/ωi

式中：βj為需要估計的模型向量參數(shù)，ξi為干擾項，Yi為因變量向量，Xij為自變量向量，φ為方差函數(shù)V(x)的散布參數(shù)，ωi指觀察值的信度，var為方差。

廣義線性模型是由隨機部分、系統(tǒng)部分和聯(lián)系函數(shù)3部分構(gòu)成。隨即部分可以明確因變量的概率分布，系統(tǒng)部分用于確定預(yù)測解釋變量的線性函數(shù)，聯(lián)系函數(shù)用于描述系統(tǒng)成分與隨機成分的期望值之間的函數(shù)關(guān)系。

NDVI被用來表征植被變化，該指標(biāo)被認為是在特定季節(jié)植被生長的整體狀況的指示，將NDVI<0.1的值在最后的分析中剔除。降水、溫度和NDVI為自變量，而ET為因變量。所有的變量在進行廣義線性模型之前去趨勢。將生長季定義為4～10月。數(shù)據(jù)處理和分析均在Matlab和R軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對黃土高原蒸散發(fā)的影響

通過對比發(fā)現(xiàn)，春季、夏季和秋季3個季節(jié)中溫度對ET的貢獻(簡稱RCTEM)普遍較小，且夏季的RCTEM高于春季和秋季，同時通過計算進一步證實，春季的RCTEM為2.85%±1.50%，夏季的RCTEM為3.21%±1.03%，秋季的RCTEM為2.59%±1.08%，這3個季節(jié)的空間分布較為均勻(表1)。另外，不同植被的溫度對ET的貢獻也存在明顯的差異，夏季林地RCTEM高于春季和秋季，而灌木和草地則表現(xiàn)為春季RCTEM高于夏季和秋季。同時，同一季節(jié)的RCTEM在植被類型之間也存在差異。春季灌木RCTEM最高，達到7.28±5.45%；而夏季林地RCTEM(4.42%±3.57%)高于灌木和草地；秋季不同植被RCTEM普遍較低，RCTEM最高的植被是草地。

表1 1982～2011年不同植被類型的氣候和植被對蒸散發(fā)貢獻的季節(jié)性差異Table 1 Spatial pattern of the relative contributions of climate and vegetation growth to evapotranspiration in different seasons in 1982-2011

注：春季4、5月，夏季6-8月，秋季9、10月。表中括號里的數(shù)值指的是廣義線性模型通過顯著性檢驗的象元點所占的比例

2.2 降水對黃土高原蒸散發(fā)的影響

降水對ET貢獻程度(簡稱RCPRE)普遍較高，RCPRE在春季、夏季和秋季分別為16.35%±5.30%,12.25%±4.73%,和11.06%±5.75%，且在更干旱的區(qū)域/植被類型中發(fā)現(xiàn)更高的RCPRE，草地和荒漠在3個季節(jié)的RCPRE普遍高于林地和灌木，且這兩種植被在春季的RCPRE最高。同樣，為了進一步明確降水對ET的貢獻。隨著降水梯度的變化，將降水以50 mm為間隔進行劃分，并提取相應(yīng)區(qū)間內(nèi)RCPRE(圖2)。通過對比發(fā)現(xiàn)隨著年均降水量從200 mm增加到650 mm，降水對ET的貢獻在3個季節(jié)中都出現(xiàn)了降低趨勢，盡管春季在350～400 mm內(nèi)RCPRE更高，但是并不影響整體趨勢。降水對ET的貢獻隨著降水梯度的增加而降低，在春季從40.87%±19.19%減少到4.89%±5.60%,在夏季從30.38%±15.14% 減少到7.69%±8.55%,在秋季從28.57%±16.06%減少到3.65%±3.12%。值得注意的是，幾乎在所有的降水梯度內(nèi)，春季降水對ET的貢獻都要高于夏季和秋季，同時，夏季降水對ET的貢獻表現(xiàn)出更大的空間變化，在草地中發(fā)現(xiàn)更高的RCPRE。

圖2 1982～2011年降水對ET貢獻隨降水梯度變化的季節(jié)性差異Fig.2 Relationships between the relative contributions of precipitation to evapotranspiration and mean annual precipitation along a precipitation gradient in the Loess Plateau during 1982～2011

2.3 植被生長對黃土高原蒸散發(fā)的影響

NDVI對ET的貢獻(RCNDVI)存在明顯的空間差異。春季，在植被覆蓋更高的區(qū)域發(fā)現(xiàn)NDVI對ET的貢獻也更高，區(qū)域主要是以林地(RCNDVI為25.6%±12.84%)和灌木(RCNDVI為18.31%±13.81%)為主。但是，夏季林地RCNDVI(10.24%±13.87%)相比春季(24.18%±15.69%)減少，夏季更高的RCNDVI主要出現(xiàn)在農(nóng)田以及退耕還林還草工程的核心區(qū)。更為顯著的是，調(diào)查發(fā)現(xiàn)在秋季3種植被類型的RCNDVI普遍較高，RCNDVI在3種植被類型中從18.07%±12.09%變到24.55%±12.15%。同時，通過對比同一種植被在不同季節(jié)之間的RCNDVI，發(fā)現(xiàn)灌木和草地在秋季的RCNDVI明顯高于春季和夏季，而林地則表現(xiàn)出春季的RCNDVI略高于秋季，而春季的RCNDVI最低。概率密度函數(shù)(PDF)進一步展示了不同植被類型的RCNDVI存在明顯的季節(jié)性差異(α=0.05)(圖3)。林地和灌木的概率密度函數(shù)在3個季節(jié)均表現(xiàn)出較為一致的浮動范圍，RCNDVI均在0～60%，而草地的概率密度函數(shù)在春季的分布范圍最低，草地春季RCNDVI的范圍為0～40%，另外，草地在夏季和秋季RCNDVI的范圍則擴展到0～60%。

圖3 1982～2011年不同植被NDVI對蒸散發(fā)貢獻的概率密度分布Fig.3 Probability density function (PDF) of the relative contribution of normalized difference vegetation index (NDVI) to evapotranspiration for different vegetati on type during 1982～2011

3 討論

基于大尺度遙感數(shù)據(jù)，運用廣義線性模型探究了氣候和植被變化對黃土高原蒸散發(fā)的影響，通過分析發(fā)現(xiàn)氣候和植被對蒸散發(fā)的影響存在明顯的季節(jié)性差異。在水分受限的黃土高原，降水和植被生長對于季節(jié)性的ET的分布模式具有重要的影響[19-20]，但是，各因素對ET的貢獻易受到季節(jié)性水熱狀況以及植被結(jié)構(gòu)和功能(植被生長以及用水策略)的影響。和以往研究結(jié)果一致，研究發(fā)現(xiàn)降水在3個季節(jié)對ET均起到了十分重要的控制作用。黃土高原的植被在生長季經(jīng)歷了較為嚴(yán)重的水分短缺，因此，水分供給在調(diào)節(jié)ET的變化中扮演了重要的作用，尤其是在更干的區(qū)域/植被類型[21]。有研究表明更溫暖的春季促使植被物候提前以及春季高蓋度植被生長的增加[22]，而這些植被對于陸地ET的變化產(chǎn)生重要的影響，即春季NDVI對ET的高貢獻，而秋季NDVI對ET的高貢獻則可能歸因于近年來黃土高原秋季物候的延長。

試驗對數(shù)據(jù)進行了全面的評估，但是不同數(shù)據(jù)源的結(jié)果仍然存在不確定以及可能的偏差，尤其是在空間尺度的縮放上差異就會更加明顯。為了進一步理解驅(qū)動區(qū)域水循環(huán)的潛在過程，使用擴展的現(xiàn)場觀測網(wǎng)絡(luò)，更加精準(zhǔn)的遙感數(shù)據(jù)，以及改進的生態(tài)系統(tǒng)模型等多種手段的綜合研究是非常有必要的。

4 結(jié)論

(1)溫度對黃土高原蒸散發(fā)的影響相對降水和NDVI普遍較低，但是仍然存在明顯的季節(jié)性差異。整體上表現(xiàn)為夏季溫度對ET的影響最大，但是不同植被類型的溫度對ET的影響季節(jié)差異明顯。

(2)降水是黃土高原蒸散發(fā)變化的重要影響因素之一，3個季節(jié)均表現(xiàn)出隨著降水的增加，對ET的影響逐漸減小。

(3)NDVI對黃土高原蒸散發(fā)的影響顯著，尤其是秋季林地、灌木、草地3種植被NDVI對ET的貢獻普遍較高。

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