氣候因子對(duì)黃土高原植被的影響

路慧萍,董剛,2*,趙芳媛,秦浩

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山西 太原 030006;3.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110016)

0 引言

黃土高原是生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一,存在干旱缺水與植被稀少等生態(tài)問題。由于長(zhǎng)期受氣候變化(如集約型暴雨和極端干旱)和人類活動(dòng)(如過(guò)度放牧和采煤)的影響,黃土高原水土流失問題十分嚴(yán)重[1-2]。前人研究認(rèn)為,黃土高原治理生態(tài)環(huán)境與減少水土流失的關(guān)鍵要素是改善植被[3]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,有連接大氣與土壤間物質(zhì)與能量交換的重要作用,對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感,同時(shí)具有很強(qiáng)的防土壤侵蝕和保水固土的作用[4-6]。

植被覆蓋變化在很大程度上代表了生態(tài)環(huán)境總體狀況,氣候變化和人類活動(dòng)均會(huì)影響植被變化[7],其中氣溫和降水是影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵氣候因素[8-9],水和能源的供應(yīng)決定了植被的大尺度空間變化[10-11]。張含玉等研究表明黃土高原月尺度上歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)主要受降雨量的影響,與氣溫相關(guān)較弱,植被生長(zhǎng)受當(dāng)月降雨量影響,無(wú)滯后期,對(duì)當(dāng)月溫度響應(yīng)有一個(gè)月的滯后期[12]; 張翀等認(rèn)為黃土高原東南部水熱條件較好有利于植被生長(zhǎng),西北部干旱缺水,氣溫較高不利于植被生長(zhǎng),而對(duì)降水更敏感[13];史曉亮等認(rèn)為黃土高原1982-2014年間植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)總體呈增加趨勢(shì)且與降水量顯著正相關(guān),與氣溫相關(guān)較弱,可以看出降雨是影響黃土高原NPP的重要因素[14]。 雖然黃土高原植被與氣候因子的響應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究,但這些復(fù)雜因素間的關(guān)系仍然沒有量化,應(yīng)該采用更先進(jìn)合理的分析方法探索這些因素之間的直接影響和間接影響。

為了改善黃土高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及控制嚴(yán)重的水土流失問題,1999年國(guó)家開展退耕還林還草生態(tài)工程以陡坡地退耕還林還草為主[15],黃土高原的植被覆蓋發(fā)生了較大變化,研究退耕還林后氣候因子對(duì)黃土高原植被覆蓋的影響,有助于理解退耕還林還草等生態(tài)工程對(duì)黃土高原生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。本文基于2000-2014年遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),從以下幾方面開展研究:(1)了解黃土高原2000-2014年植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)及不同氣候區(qū)林木與非林木植被蓋度的時(shí)間動(dòng)態(tài);(2)量化黃土高原不同氣候區(qū)氣候因子對(duì)植被蓋度、林木蓋度及非林木蓋度的直接影響;(3)量化不同氣候區(qū)氣候因子對(duì)NPP的直接影響及通過(guò)植被蓋度對(duì)NPP的間接影響,以期為以后的生態(tài)建設(shè)提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原(100°54′～114°33′E,33°43′～41°16′N)位于中國(guó)黃河中游,是世界上最大的黃土覆蓋區(qū)。(從東南至西北氣候變得越來(lái)越干旱。)行政區(qū)劃包括山西和寧夏的全部地區(qū)以及河南、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、陜西等省部分地區(qū),總面積達(dá)64.87×104km2 [16](圖1)。黃土高原為典型的大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷干燥,夏季多暴雨,降水分布不均。年平均溫度3.7～14℃,年總降水量144～812 mm[17]。土地利用類型主要包括林地、草地、農(nóng)田[18]。按地貌類型可以分為風(fēng)沙丘陵區(qū)、高原溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)等。土壤類型以黃綿土、風(fēng)沙土、灰鈣土、灰褐土及褐土為主,土壤固著性差易被暴雨沖刷,水土流失十分嚴(yán)重[19]。

Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Loess Plateau圖1 黃土高原氣象站點(diǎn)分布

黃土高原從東南向西北,年平均氣溫和降水量均呈遞減的趨勢(shì)。為了比較溫度和降水對(duì)黃土高原植被蓋度的影響,參考前人研究[20-22],以400 mm等降水線和8℃等溫線為界,將黃土高原劃分為4個(gè)氣候區(qū),即低溫多雨區(qū)(Low temperature and Rainy,LR)、高溫多雨區(qū)(High temperature and Rainy,HR),低溫少雨區(qū)(Low temperature and Less rainfall,LL)和高溫少雨區(qū)(High temperature and Less rainfall,HL)(圖2),在此基礎(chǔ)上研究氣溫和降水對(duì)植被的影響。

Fig.2 Climatic zones of the Loess Plateau圖2 黃土高原氣候分區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

植被數(shù)據(jù)來(lái)自中等分辨率成像光譜儀(MODIS)的MOD17A3 (NPP)和MOD44B (Vegetation Continuous Fields, VCF)產(chǎn)品數(shù)據(jù),選擇時(shí)間為2000-2014年,空間分辨率分別為1 000 m和250 m,數(shù)據(jù)利用 MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件、ArcGIS軟件及ENVI軟件等軟件進(jìn)行了處理。 所有數(shù)據(jù)均采用Universal Transverse Mercator (UTM)投影,WGS_1984坐標(biāo)系統(tǒng),通過(guò)重采樣空間分辨率均為1 000 m。其中MOD44B產(chǎn)品數(shù)據(jù)代表陸地表面植被覆蓋信息,包括三個(gè)組成部分,分別是林木覆蓋度(tree cover,TC)、非林木植被覆蓋度(non-tree cover,NTC)及非植被覆蓋度(non-vegetation cover,NVC),數(shù)值在0～100間,三者加和為100。本文僅使用TC和NTC數(shù)據(jù),將兩者數(shù)據(jù)在柵格尺度進(jìn)行加和代表植被覆蓋度(vegetation cover,VC)。

氣象數(shù)據(jù)為黃土高原214個(gè)站點(diǎn)的氣溫、降雨年值數(shù)據(jù),從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)下載,利用樣條函數(shù)法(spline)空間插值從而獲得1 000 m分辨率的刪格氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 年際變化率

使用一元線性回歸分析2000—2014年黃土高原植被覆蓋的年際變化趨勢(shì):

(1)

式中,S為一元線性回歸方程的斜率,代表植被覆蓋度變化的趨勢(shì);n為時(shí)間序列的年數(shù);i為具體計(jì)算時(shí)的某一年;VCi為第i年的植被覆蓋值。

1.3.2 路徑分析

使用路徑分析方法分析黃土高原氣候因子對(duì)植被的影響。黃土高原氣候因子對(duì)植被蓋度及NPP的影響涉及多個(gè)變量,除了因素間的直接影響外,還存在因素之間的間接影響等問題,路徑分析是解決這一類問題的有效方法。進(jìn)行路徑分析時(shí),先使用Z-score方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。為了獲得最簡(jiǎn)化的路徑分析模型,每次將P值不顯著的路徑去掉并對(duì)新模型重新參數(shù)化,直至所有路徑的P值達(dá)到顯著水平[23]。路徑分析使用R語(yǔ)言的lavaan程序包完成。

2 結(jié)果

2.1 黃土高原地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)

2.1.1 四個(gè)氣候分區(qū)下氣候與植被覆蓋的時(shí)間變化

圖3展示了4個(gè)氣候區(qū)2000-2014年氣溫及降雨的時(shí)間變化,年均降雨從大到小依次為PHR>PLR>PLL>PHL,其中2003年降雨最多,高溫多雨區(qū)達(dá)到745 mm;4個(gè)氣候區(qū)中氣溫年均值4～12℃,其中2012年氣溫最低,低溫多雨區(qū)為4.69℃,年均氣溫從大到小依次為THR>THL>TLL>TLR。

Fig.3 Comparison of precipitation, temperature under different climaticzones in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖3 2000-2014年黃土高原不同氣候分區(qū)的降水、溫度差異圖

從整體來(lái)看(圖4),黃土高原總植被覆蓋波動(dòng)明顯,15 a增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著(r=0.467,P>0.05),其中林木覆蓋度呈極顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)(r=0.864,P<0.01),而非林木植被覆蓋下降趨勢(shì)不顯著(r=-0.24,P>0.05)。從4個(gè)氣候區(qū)看,植被覆蓋度從大到小分別為VCHR>VCLR>VCLL>VCHL(圖5),多雨區(qū)的植被覆蓋明顯高于少雨區(qū),主要原因是多雨區(qū)林木覆蓋度明顯高于少雨區(qū)(圖6),多雨區(qū)的林木覆蓋度10%～20%,少雨區(qū)林木覆蓋度在4%以下。盡管不同氣候區(qū)林木蓋度均在增加,多雨區(qū)的林木蓋度增長(zhǎng)趨勢(shì)強(qiáng)于少雨區(qū),高溫少雨區(qū)林木蓋度最低且增長(zhǎng)最緩慢;4個(gè)氣候區(qū)的非林木植被蓋度37%～55%,其中少雨區(qū)非林木植被蓋度15a波動(dòng)較穩(wěn)定,多雨區(qū)非林木植被蓋度波動(dòng)較大,在2009-2012年間非林木植被蓋度逐年下降,在此期間林木蓋度逐年上升,在2012年林木蓋度達(dá)到15a最大值,與非林木植被蓋度表現(xiàn)出相反趨勢(shì)。

Fig.4 Changes of tree cover (a), non-tree cover (b) and vegetation cover(c) in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖4 2000—2014年黃土高原林木覆蓋度(a)、非林木植被覆蓋度(b)及植被蓋度(c)時(shí)間動(dòng)態(tài)

Fig.5 Changes of vegetation cover under different climatic zones in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖5 黃土高原不同氣候區(qū)的植被蓋度時(shí)間變化圖

Fig.6 Comparison of tree cover and non-tree cover under different climatic zones in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖6 黃土高原林木覆蓋度和非林木植被蓋度在不同氣候分區(qū)下的比較

2.1.2 黃土高原地區(qū)植被覆蓋的空間動(dòng)態(tài)

黃土高原植被蓋度從東南向西北遞減(圖7),林木植被主要分布在東南部,非林木植被在南部覆蓋度高,北部明顯較低。從植被變化趨勢(shì)來(lái)看,黃土高原大部分區(qū)域林木蓋度均有增加,其中TC顯著增加區(qū)占黃土高原總面積的40.56%(P<0.05),不顯著增加區(qū)占41.675%(P>0.05),顯著增加區(qū)主要分布在陜西北部、山西西北部、甘肅慶陽(yáng)地區(qū)以及寧夏南部等地區(qū),可見黃土高原地區(qū)近15 a(2000～2014)林木蓋度有明顯增加。非林木植被從整體來(lái)看增加與減少面積各約占一半,在內(nèi)蒙古南部、寧夏中部、甘肅白銀、定西以及河南等地表現(xiàn)為顯著或不顯著的增加趨勢(shì),顯著增加面積占7.38%(P<0.05),不顯著增加面積占39.245%(P>0.05);非林木植被蓋度減少區(qū)很大部分是林木蓋度增加區(qū),在林木蓋度顯著增加區(qū),非林木植被蓋度顯著減少區(qū)及不顯著減少區(qū)分別占到15.42%和44.29%,在林木蓋度不顯著增加區(qū),非林木植被蓋度顯著減少區(qū)及不顯著減少區(qū)分別占5.67%和45.77%。整體上黃土高原總植被覆蓋度15a顯著增加區(qū)占15.23%(P<0.05),不顯著增加面積占47.86%(P>0.05),整體呈增加趨勢(shì)。

2.2 不同氣候區(qū)氣候因子對(duì)植被的影響

4個(gè)氣候區(qū)中降雨對(duì)植被蓋度均為重要影響因子(圖8),在多雨區(qū)(0.304～0.325,P<0.05)對(duì)植被蓋度的貢獻(xiàn)比少雨區(qū)(0.146～0.188,P<0.05)大;溫度在少雨區(qū)對(duì)植被蓋度影響很弱(0.011～0.041,P<0.05),在高溫多雨區(qū)溫度對(duì)植被蓋度有顯著正效應(yīng)(0.187,P<0.05),而低溫多雨區(qū)則表現(xiàn)為較弱的負(fù)效應(yīng)(-0.081,P<0.05)。在不同氣候區(qū)降雨對(duì)NPP的影響均為顯著正效應(yīng)(0.272～0.565,P<0.05),在高溫少雨區(qū)影響最小,在低溫少雨區(qū)影響最大;氣溫對(duì)NPP的影響較弱,在高溫多雨區(qū)氣溫對(duì)NPP有顯著負(fù)效應(yīng)(-0.11,P<0.05),在高溫少雨區(qū)有顯著正效應(yīng)(0.147,P<0.05)，在低溫區(qū)對(duì)NPP影響較弱;降雨和氣溫不僅可以直接影響NPP,還可以通過(guò)植被蓋度間接影響NPP,由于多雨區(qū)植被蓋度對(duì)NPP的貢獻(xiàn)(0.403～0.488,P<0.05)明顯高于少雨區(qū)(0.146～0.186,P<0.05),并且多雨區(qū)氣溫和降雨對(duì)植被貢獻(xiàn)較大,所以多雨區(qū)氣溫和降雨對(duì)NPP的間接影響明顯高于少雨區(qū);不論多雨區(qū)還是少雨區(qū),降雨對(duì)NPP的直接和間接影響均大于氣溫對(duì)NPP的影響。

不同氣候區(qū)林木蓋度與非林木植被蓋度有明顯差異(圖6),整體上多雨區(qū)林木蓋度明顯高于少雨區(qū);不同氣候區(qū)降雨對(duì)林木蓋度均為重要的氣候因子(圖9),對(duì)林木蓋度有顯著正影響(0.178～0.463,P<0.05),其中高溫少雨區(qū)影響最小,多雨區(qū)影響均較強(qiáng),林木蓋度隨降雨增多而增大;氣溫對(duì)林木蓋度影響較小,高溫區(qū)對(duì)林木蓋度表現(xiàn)為很弱的正效應(yīng)(0.073～0.082,P<0.05),在低溫多雨區(qū)為不顯著的負(fù)影響(-0.009,P>0.05),在低溫少雨區(qū)表現(xiàn)為顯著負(fù)效應(yīng)(-0.168,P<0.05);相比林木蓋度,非林木植被蓋度對(duì)降雨的依賴性較低,在少雨區(qū)降雨對(duì)NTC表現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)(0.049～0.151,P<0.05),而在多雨區(qū)表現(xiàn)出較弱的負(fù)效應(yīng)(-0.102～-0.151,P<0.05);在高溫多雨區(qū)及低溫少雨區(qū)氣溫對(duì)NTC表現(xiàn)為顯著正效應(yīng)(0.102～0.317,P<0.05),在另外兩個(gè)區(qū)氣溫對(duì)NTC影響較弱。在多雨區(qū)NTC對(duì)TC均有顯著負(fù)影響(-0.341～-0.368,P<0.05),這與多雨區(qū)TC的增加伴隨NTC的降低一致(圖6)。不同氣候區(qū)林木蓋度對(duì)NPP的貢獻(xiàn)均大于非林木植被蓋度,多雨區(qū)林木蓋度對(duì)NPP貢獻(xiàn)(0.579～0.644,P<0.05)大于少雨區(qū)(0.289～0.455,P<0.05);相比少雨區(qū),多雨區(qū)TC與NTC對(duì)NPP的貢獻(xiàn)更大,降雨主要通過(guò)林木蓋度進(jìn)而間接影響NPP,高溫多雨區(qū)氣溫通過(guò)TC(0.082*0.644=0.053,P<0.05)與NTC(0.317*0.162=0.051,P<0.05)對(duì)NPP的間接影響差異不大。

3 討論和結(jié)論

黃土高原多年平均氣溫、降水量與植被蓋度的空間分布一致,均呈自東南向西北遞減的規(guī)律。多雨區(qū)的植被蓋度明顯高于少雨區(qū),說(shuō)明降雨是影響植被蓋度分布的重要限制因子。在干旱半干旱的黃土高原,降雨多有利于植被的生長(zhǎng)和恢復(fù);其中林木蓋度對(duì)降雨的依賴較強(qiáng),非林木植被蓋度對(duì)降雨的依賴較弱,可能是因?yàn)榻涤晔橇帜局脖恢匾乃謥?lái)源所致;而非林木植被大多是農(nóng)田和草地,由于耕作灌溉和放牧的影響,受人為干擾較大,使得降雨對(duì)其影響相對(duì)較弱,例如黃土高原東南部地勢(shì)平坦多盆地,農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的關(guān)中平原農(nóng)作物生產(chǎn)主要依賴于農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施,對(duì)降水的依賴性較弱[24]。

氣溫是影響植被分布的重要?dú)夂蛞蜃?相比降雨影響較弱,與降雨表現(xiàn)出一定的耦合作用。例如在少雨區(qū)氣溫對(duì)植被蓋度的影響均很弱,在多雨區(qū)氣溫與植被蓋度表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。在高溫多雨區(qū)氣溫對(duì)非林木植被有顯著正效應(yīng)(0.317,P<0.05),而在低溫多雨區(qū)氣溫對(duì)非林木植被有較弱負(fù)效應(yīng)(-0.098,P<0.05),可能是因?yàn)槎嘤陞^(qū)降雨較多,溫度成為植物生長(zhǎng)的限制因子;高溫多雨區(qū)海拔較低,多盆地,農(nóng)田多且分布集中,氣溫上升導(dǎo)致土壤溫度上升,加之氣溫較高加速植物內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度,使得植被物候期改變,延長(zhǎng)植被生長(zhǎng)季,進(jìn)而植被覆蓋度增加[25-28]。低溫多雨區(qū)海拔高,平均氣溫為4.5～6℃,是4個(gè)氣候區(qū)中年均氣溫最低的地區(qū),低氣溫導(dǎo)致植被生長(zhǎng)季較短,不利于植被蓋度的增加。

4個(gè)氣候分區(qū)中降雨對(duì)NPP均有顯著正效應(yīng),降雨通過(guò)影響植物光合作用中的水分供給影響植被生長(zhǎng),進(jìn)而影響NPP變化;對(duì)于較干旱地區(qū),NPP主要受降水量的影響;例如在少雨低溫區(qū)降雨對(duì)NPP影響最大,說(shuō)明降雨量少的地區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)降雨較敏感[7,29]。氣溫對(duì)NPP的影響較降雨弱,在高溫多雨區(qū)對(duì)NPP有顯著負(fù)效應(yīng)(-0.11,P<0.05),這可能是因?yàn)檩^高氣溫導(dǎo)致植物的呼吸作用較強(qiáng),消耗光合作用積累的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)而影響NPP。除氣候因子外,植被蓋度也會(huì)影響NPP變化;多雨區(qū)植被蓋度大,原因是林木蓋度較少雨區(qū)大,所以多雨區(qū)TC對(duì)NPP的貢獻(xiàn)較少雨區(qū)大。降水和氣溫等氣候因子不僅可以直接影響NPP,而且可以通過(guò)影響植被蓋度進(jìn)而間接影響NPP,由于多雨區(qū)氣候因子對(duì)植被蓋度的影響及植被蓋度對(duì)NPP的影響均大,所以多雨區(qū)氣候因子對(duì)NPP的間接影響較大;少雨區(qū)氣候因子對(duì)植被蓋度影響較小,加之植被蓋度較低,所以少雨區(qū)氣候因子對(duì)NPP的間接影響較小。

在氣候變化及實(shí)施退耕還林工程的大背景下,2000-2014年黃土高原地區(qū)林木蓋度顯著增加,降雨對(duì)植被蓋度的影響高于氣溫,說(shuō)明在干旱半干旱的黃土高原,降雨是限制植被生長(zhǎng)的重要因子。在低溫多雨區(qū),氣溫是限制植被生長(zhǎng)的重要因子;降雨和氣溫不僅可以直接影響NPP,還可以通過(guò)植被蓋度間接影響NPP,多雨區(qū)氣候?qū)PP間接作用較少雨區(qū)大。