黃土高原不同植被覆被類型NDVI對氣候變化的響應

劉 靜,溫仲明,剛成誠

1 中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心, 楊凌 712100 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100

植被覆被是表征陸地生態(tài)系統(tǒng)結構功能穩(wěn)定性的指示器,也是評價地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展狀況的重要指標之一[1- 2]。黃土高原地區(qū)水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境脆弱,是我國生態(tài)文明建設的重點區(qū)域。自退耕還林(草)工程實施以來,該區(qū)環(huán)境治理成效顯著[3- 4]。據統(tǒng)計,黃土高原植被持續(xù)改善的面積占整個區(qū)域的67.08%,在不同坡度和氣候區(qū)植被覆被明顯改善的均超過50%[5- 7]。但已有研究表明,黃土高原地區(qū)由于其特殊的地質地形條件加之近些年全球氣候變化影響,水熱狀況均已處于臨界值范疇[8],植被能否維持現有狀況抑或出現退化存在較大爭議。因此,研究該區(qū)植被覆被格局演變及其對氣候變化的響應,對了解區(qū)域植被發(fā)展動態(tài)及預測未來格局具有重要意義。

植被與氣候是目前研究生態(tài)與環(huán)境的重要內容。研究方法多基于歸一化植被指數(NDVI)從不同時空尺度上來分析,對于植被的組織尺度—植被類型研究較少[9],這可能是氣候因子如何驅動植被覆被變化以及在不同時空尺度的效應差異尚不明確的原因。如Liu等[10]基于GIMMS3g NDVI研究降雨量變化對全球植被生產力和恢復力的“記憶效應”,認為在干旱半干旱地區(qū),以降雨為主導的水分“記憶效應”顯著。同樣,Eckert 等[11]基于MODIS NDVI 時間序列數據對蒙古土地退化及恢復進行趨勢分析,通過對溫度和降雨兩種氣象因子與NDVI的相關分析說明,僅有降雨與NDVI有較為一致的變化趨勢。Lamchin 等[12]通過分析1982—2014年亞洲植被NDVI的季節(jié)變化與溫度、降水、蒸散發(fā)等因子的相關關系表明,溫度是引起亞洲地區(qū)植被NDVI變化的最主要因素。在我國,植被與氣候因子間的關系研究也仍有爭議。Pang等[13]利用GIMMS NDVI3g數據探究1982—2012年青藏高原地區(qū)植被變化趨勢以及對溫度、降雨因素變化的響應,結果顯示在生長期,不同季節(jié)和不同月份溫度均與NDVI正相關,但降雨在不同季節(jié)對NDVI的作用并不一致。李輝霞等[14]基于Spot VEGETATION/ NDVI對三江源地區(qū)植被覆被變化及驅動因素的研究顯示,氣候和人為因素對植被生長的貢獻率分別為79.32%和20.68%,溫度和降雨對植被生長效應相當。這些研究表明,植被覆蓋對氣候變化的響應比較復雜,出現這種現象的原因可能與研究尺度的不同有關,也可能與這些研究中沒有區(qū)分不同植被類型的差異有關。很多研究將NDVI在空間上作為一個連續(xù)變量,與溫度、降雨等氣候因子的空間變化做相關分析[11-12]；有些是將全區(qū)的NDVI均值與區(qū)域氣候因子做相關分析[13-14]。前者雖然考慮了NDVI的空間變化,但沒有進一步解析不同植被類型的響應差異；后者則忽略了NDVI的空間變化對植被與氣候相互關系的影響。但事實上由于人為干擾或景觀環(huán)境異質性,不同尺度區(qū)域內的植被類型的構成是不同的,而不同植被類型由于在物種組成、群落結構、根系分布[15]等方面存在較大差異,對外界環(huán)境變化的響應也均不相同。這些差異可能是植被覆蓋與氣候變化的響應關系較為復雜的重要原因。因此,了解區(qū)域內不同植被類型NDVI對氣候變化響應的差異,對于正確認識區(qū)域植被覆蓋與氣候變化的響應關系具有重要意義。

植被是黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的根本舉措[16],溫度和降雨被普遍認為是影響黃土高原地區(qū)植被格局變化的主要驅動因素[17]。其中降雨是限制植被發(fā)展的關鍵因子[18-19],降雨的可利用性直接決定區(qū)域植被持續(xù)發(fā)展的可能性。溫度只是植被生長的一個積極效應因素,調控植被季節(jié)變化,并且對植被生長作用具有兩面性,具體受到水分條件的支配[20-21]。目前該區(qū)在植被格局演變與氣候因子相關關系研究中,也多集中于在溫度、降雨兩個因素,且在分析過程中,同樣多以全區(qū)NDVI為研究對象,忽略了不同植被覆被類型對氣候變化的響應差異,弱化了類型變化對氣候因子響應的差異性。而有研究表明,黃河流域草地是對降雨變化響應最顯著的類型,灌木和森林的響應均不顯著[22-24]。為此,本研究將基于MODIS/NDVI植被遙感數據和ESA CCI-LC植被覆被分類數據,探討黃土高原不同植被類型覆被的時空變化,并分析氣溫、降水、相對濕度和日照等因素對不同類型植被覆蓋的影響,以期為預測未來黃土高原植被演變提供理論基礎,同時對指導生產實踐具有一定的意義。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地處我國西北地區(qū),范圍在100°52′—114°33′E、33°41′—41°16′N 之間(圖1),跨甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、青海等七省[25],東西綿延約1000 km,南北地跨750 km左右,面積約64萬km2。該區(qū)屬于大陸性季風氣候,年均溫為9—12℃,年均降雨量在100—800 mm之間。受全球氣候變化的影響,黃土高原在1961—2010年間年均氣溫總體增幅約1.91℃,年均降雨量減少約29.11 mm,氣候波動較為明顯[26]。主要的植被覆被類型分為草地、農田、灌木、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林和鑲嵌類型植被(鑲嵌林地、鑲嵌草地)。

圖1 黃土高原植被覆被類型分布(2000—2015年)Fig.1 Distribution of different vegetation cover types in the Loess Plateau, 2000—2015

1.2 數據來源

1.2.1土地覆被數據

土地覆被類型數據來源于歐洲航天局所研制在氣候變化背景下的土地覆被(ESA CCI-LC)影像圖(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer.),空間分辨率300 m。黃土高原地區(qū)植被覆被類型分為農田、鑲嵌草地(草本分布>50%)、灌木、草地、鑲嵌林地(喬木分布>50%)、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、城市、裸地、水體共12類[27-28],文中選取時間節(jié)點2000和2015年兩期,用以表示當年植被覆被類型。在全球范圍內,ESA CCI-LC數據的整體精度估計為71.7%,且該數據資料目前已被廣泛應用于全球范圍內的土地利用/土地覆蓋變化監(jiān)測[29-31]。

1.2.2遙感植被數據

MODND1T/NDVI植被指數數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn),空間分辨率500 m,時間為2000—2015年每旬,共566幅影像。利用python進行邊界裁剪,再按年使用最大值合成法(MVC)消除云和大氣散射等干擾誤差[32],為將云干擾降到最低,本文中使用NDVImax作為植被指數指標[14],數據處理基于ArcGIS10.3平臺。

1.2.3氣象觀測數據

降水、氣溫、相對濕度、日照時數每日觀測數據來自國家氣象信息中心,數據集包含中國824個基準、基本氣象站,從全國各站點中篩選出黃土高原范圍內具有2000—2015年連續(xù)觀測數據的共82個站點。數據篩選工作通過 R 實現[33],對氣象數據使用普通克里金插值法,像元大小采用與NDVI數據相同的空間分辨率。

1.3 數據處理方法

1.3.1植被覆被類型未變區(qū)域提取

為最小化土地利用變化對植被類型分布的影響[10],提取2000—2015年間植被覆被類型未變區(qū)域,利用2000年和2015年ESA CCI-LC土地覆被類型數據在ArcGIS10.3平臺采用Intersect工具,處理得到16年里植被類型發(fā)生轉移變化的區(qū)域,將其與城市、裸地、水體等類型合并為同一類,通過重分類得到黃土高原2000—2015年植被覆被類型未變區(qū)域圖。這些植被類型未變化區(qū)域,是分析不同植被類型植被指數對氣候變化響應的基礎。

1.3.2線性趨勢分析

利用線性最小二乘回歸的方法[34]對每年的NDVImax以及插值得到的年均氣溫、年均日照時數、年總降水量以及年均相對濕度利用公式(1)進行計算,分析逐個像元值在2000—2015年間的變化趨勢。

(1)

式中,slope表示變化斜率,單位為每年；n=16代表總年份數,i表示第幾年,yi表示第i年變量y的值,y分別代表年NDVImax、年均氣溫、年均日照時數、年總降水量以及年均相對濕度。slope>0表示各變量在這16年間的變化趨勢為增加,反之slope<0,表示變化趨勢減少。對線性趨勢的結果用F檢驗的方法對其顯著性進行檢驗,公式如下：

(2)

1.3.3Pearson相關分析

為明確植被與氣候之間相互關系,利用Pearson相關系數分別對全區(qū)及不同植被覆被類型區(qū)的植被年NDVImax與相應年均氣溫、年均日照時數、年總降水量以及年均相對濕度進行統(tǒng)計分析,計算相關系數并進行顯著性檢驗,公式如下：

(3)

1.3.4多元線性回歸模型和通徑分析

以2000—2015年未發(fā)生變化的植被覆被類型數據為分類依據,借助ArcGIS10.3平臺的Zonal Statistics工具提取每種植被覆被類型區(qū)域內的年NDVImax、年均氣溫、年均日照時數、年總降水量以及年均相對濕度等數據,再用逐步回歸的方法建立年NDVImax與各氣候要素間的回歸模型,并對模型進行檢驗。根據線性回歸方程結果的標準回歸系數(Standardized Coefficients)得到不同氣候因子與NDVI的通徑系數,間接通徑系數由氣候因子間相關系數與通徑系數乘積得到,該方法的實現基于SPSS的“Linear”程序,通徑系數、相關系數由Coefficients和Correlations的輸出結果獲得[35]。

2 結果與分析

2.1 全區(qū)植被NDVI和氣候因素的變化趨勢及相互關系

圖2 2000—2015年黃土高原植被NDVI及氣候因子變化趨勢Fig.2 Change trend of NDVI and climate factors in the Loess Plateau, 2000—2015a. 年均NDVImax; b. 年NDVImax變化趨勢; c. 年均氣溫變化趨勢; d. 年均日照時數變化趨勢; e. 年總降水量變化趨勢; f. 年均相對濕度變化趨勢; 大于0表示呈增加趨勢, 反之減少

由圖2所示,2000—2015年間植被年NDVImax均值范圍是0.041—0.982(圖2a),高值主要分布在山西省東部和陜西省南部地區(qū),低值主要位于長城以北地區(qū)以及寧夏、甘肅部分地區(qū)。年NDVImax趨勢連續(xù)減少幅度為-0.036—0,增加幅度為0—0.052(圖2b)。其中顯著增加區(qū)域從低到高占比分別是16.47%(P<0.05)、22.69%(P<0.01)、35.09%(P<0.001),顯著減少區(qū)域占比不到4%(圖3a,3b)。這表明黃土高原大部分地區(qū)植被NDVI呈顯著增加趨勢[6- 7]。年均日照時數減少幅度為-0.826—0,增加幅度為0—0.921(圖2d),顯著減少范圍占比27.5%,主要分布在山西大部、陜西南部、甘肅與寧夏交界的部分地區(qū)；顯著增加區(qū)域占5.5%,主要分布于內蒙古巴彥淖爾市地區(qū)(圖3d)。說明日照顯著減少范圍較大,僅局部地區(qū)日照顯著增加。相對濕度僅減少趨勢有顯著性,主要分布在山西東部地區(qū),較顯著減少區(qū)域占0.91%,顯著減少區(qū)域占7.47%(圖3f),減少幅度在-0.007—0之間(圖2f)。大部分區(qū)域年均溫度與年總降水量均無顯著性變化,極少部分有顯著增加趨勢。溫度有顯著增加趨勢的主要位于青海省范圍的西部地區(qū),占整個黃土高原的1.93%(圖3c),增加幅度為0—0.046(圖2c),降水呈顯著增加的地方主要位于陜西榆林東部以及山西大同、朔州、忻州三市的交界范圍內,占整個黃土高原的1.68%(圖3e),增加幅度在0—12.602之間(圖2e)。

對植被年NDVImax與各氣候要素作簡單線性相關分析結果表明(表1),年總降水量與NDVImax正相關,年均溫、年均相對濕度、年均日照時數均與NDVImax呈負相關,但相關性并不顯著,徐麗萍、張含玉等人的研究也證明了這一點[36-37]。這可能與研究的時間尺度有關。有研究表明黃土高原生長季溫度與植被呈顯著負相關,降水與植被呈顯著正相關[38-39],且氣候變化對植被影響有一定滯后性,這些因素都有可能造成在全區(qū)尺度,氣候變化對植被無顯著影響。也可能是不同植被類型對氣候變化的響應存在差異,從而掩蓋了氣候變化對植被的作用[22- 24]。

2.2 不同植被覆被類型區(qū)NDVI與氣候因素變化

通過對植被類型進行合并后重分類得到黃土高原2000—2015年植被覆被類型未變化區(qū)域,分為常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、鑲嵌林地、鑲嵌草地、灌木、草地、農田9種主要植被覆被類型(圖2)。在未變化的植被覆被類型中,草地面積最大,占整個黃土高原的39.86%,農田次之,比例為35.21%。落葉闊葉林和鑲嵌類型(鑲嵌林地和鑲嵌草地)植被區(qū)域面積相近,分別占到7.69%和8.35%。常綠闊葉林僅占全區(qū)1.98%,灌木及落葉針葉林分布范圍較小,占比均不到1%(表2)。然而不同植被覆被類型NDVI與其所占面積大小并不互相對應,分別為常綠闊葉林 > 常綠針葉林 > 落葉闊葉林 > 落葉針葉林 > 鑲嵌草地 > 農田 > 鑲嵌林地 > 草地 > 灌木(圖4),且逐年呈顯著增加趨勢(表2)。其中農田和常綠闊葉林增加幅度最大,為0.012/a；鑲嵌草地增幅最較小,增幅為0.004/年。其中,落葉闊葉林與鑲嵌林地、常綠針葉林與灌木分別都有一致的增幅,分別為0.008/年和0.007/年。

各植被覆被類型區(qū)內降水、相對濕度、氣溫和日照的年統(tǒng)計量年變化情況如圖5所示,不同植被覆被類型區(qū)氣候特征明顯。常綠闊葉林與落葉闊葉林區(qū)氣溫最高、降水量最大、日照時間最短、相對濕度最大。常綠針葉林、農田以及鑲嵌林地區(qū)氣候條件較特征并不突出,氣溫、日照、降水及相對濕度年均值都位于中等水平。灌木、落葉針葉林、草地與鑲嵌草地的氣候條件相似,這些區(qū)域區(qū)氣溫、降水和相對濕度都較低,日照時間較長。其落葉針葉林的氣溫最低,灌木的降水和相對濕度最低,日照時間最長。落葉針葉林氣溫在2006年有突增,常綠闊葉林氣溫在2008年有驟減,這可能是由黃土高原近些年氣候暖干的趨勢變化所造成[40-41]。

表1 黃土高原全區(qū)NDVImax與氣候因子的相關系數

“*” 表示在P<0.05水平相關性顯著

表2 不同植被覆被類型所占比例及NDVImax年變化趨勢

圖3 變化趨勢顯著性等級及其比例Fig.3 Significance and proportions of the change trenda. 年NDVImax變化趨勢顯著性;b. 年NDVImax變化趨勢顯著性等級比例; c. 年均氣溫變化趨勢顯著性;d. 年均日照時數變化趨勢顯著性;e. 年總降水量變化趨勢顯著性;f. 年均相對濕度變化趨勢顯著性

2.3 不同植被覆被類型區(qū)NDVI對氣候因子的響應機制

在不同植被覆被類型區(qū)氣候因子對各植被覆被類型的作用有明顯差異。由表3可知,草地僅與降水顯著相關,年NDVImax在P<0.05水平與年總降水量呈正相關,相關系數為0.56；鑲嵌草地與降水和日照顯著相關,年NDVImax在P<0.05水平分別與年總降水量正相關、和年均日照時數負相關,相關系數為0.44和-0.44。灌木與降水和相對濕度顯著相關,年NDVImax在P<0.05水平與年總降水量和年均相對濕度呈正相關,相關系數分別為0.49、0.5；農田、落葉闊葉林、常綠闊葉林和鑲嵌林地僅與日照顯著相關,年NDVImax分別在P<0.05、P<0.01、P<0.05、P<0.05水平與年均日照時數呈負相關,相關系數分別是-0.47、-0.64、-0.49、-0.44。常綠針葉林與相對濕度和日照顯著相關,年NDVImax分別在P<0.05、P<0.01水平與年均相對濕度和年均日照時數負相關,相關系數分別是-0.47和-0.6。落葉針葉林由于分布范圍極小,與各氣候因子沒有顯著相關性。年均溫與各植被覆被類型年NDVImax都無顯著相關性,說明氣溫在年尺度上對不同類型植被作用均不顯著。

表3 不同植被覆被類型區(qū)年NDVImax與氣候因子相關系數

“*”, “**” 分別表示在P<0.05,P<0.01水平相關性顯著

圖4 不同植被覆被類型NDVImax年變化 Fig.4 Annual changes of NDVImax in the different vegetation cover type zone

圖5 不同植被覆被類型區(qū)氣候因子年統(tǒng)計量變化Fig.5 Annual changes of the climatic factors in different vegetation cover type zone

對不同植被覆被類型區(qū)氣候因子與植被NDVI建立多元線性回歸模型,灌木與落葉針葉林由于分布范圍較小,回歸模型均不顯著。其余各類植被覆被類型線性回歸分析結果如表4所示,各回歸方程和回歸系數均通過P<0.05顯著性水平檢驗,并且不同植被覆被類型對氣候因子的敏感度均存在差異[35]。其中常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林都受到年均相對濕度以及年均日照時數兩種氣候因素的負效應驅動,且年均相對濕度對植被的影響較大,三種植被覆被類型回歸系數分別是-0.4092、-0.896、-0.9126。鑲嵌林地與農田受到年均相對濕度和年均日照時數的負效應以及年總降水量的正效應影響,其中相對濕度的負效應最為明顯,兩種植被覆被類型回歸系數分別為-2.4213、-2.4884。鑲嵌草地受年均相對濕度的負效應和年總降水量的正效應作用,年均相對濕度的作用系數較大,為1.1724。草地只受到年總降水量的正效應影響,作用系數為0.0007。同一氣候因素對不同植被覆被類型的作用機制相同,相對濕度與日照對植被有負效應,降水對植被有正效應。

為了進一步分離各氣候因子對不同植被覆被類型的影響,基于通徑分析對不同植被覆被類型NDVI與氣候因子的相關系數進行分解,結果如表5所示：在氣候因子對植被的直接作用中,相對濕度和日照都與NDVI直接負相關,降水與NDVI直接正相關。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林與日照的通經系數分別為-0.576707、-0.79197、-0.735352,其絕對值大于相對濕度與其之間的通經系數,說明日照與以上三種植被覆被類型的線性關系更強。同理,鑲嵌林地、農田與日照的通經系數分別為-0.44、-0.47,日照與植被間的線性關系強度大于降水、大于相對濕度。鑲嵌草地和草地都與降水有較強的直接線性關系,通經系數為0.44和0.56。在氣候因子對植被的間接作用中,相對濕度與日照相互之間的間接作用與植被均呈正相關。降水通過相對濕度與植被負相關,相對濕度通過降水與植被正相關,而降水與日照相互之間的間接作用與植被的相關性恰好與之相反,降水通過日照與植被正相關,日照通過降水與植被負相關。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林區(qū)相對濕度通過日照的間接通經系數分別是0.10092、0.21927、0.15428,說明相對濕度通過日照間接作用與植被有較大的相關性。鑲嵌林地、農田范圍降水通過相對濕度與植被的相關性較強,間接通經系數為-0.38403、-0.40204。鑲嵌草地則是相對濕度通過降水與植被的相關性較大,間接通經系數為0.35215。

表4 黃土高原2000—2015年不同植被覆被類型年NDVImax與氣候因子回歸模型

Table 4 Simulation models based on the annual NDVImaxof different vegetation cover types and climate factors of the Loess Plateau, 2000—2015

植被覆被類型Vegetation cover types回歸模型Regression modelsR2F自由度 /(f1,f2)Degree offreedomP標準化殘差Residualstandarderror常綠闊葉林Evergreen broad leaf forestsy=1.3895(???) - 0.4092R1(?) - 0.0034S1(?)0.486(2,13)0.0142(?)0.0155落葉闊葉林Deciduous broad leaf forestsy=2.0285(???) - 0.896R2(??) - 0.0094S2(?)0.6813.88(2,13)0.0006(???)0.0209常綠針葉林Evergreen needle leaf forestsy=2.0122(???) - 0.9126R3(???) - 0.009S3(???)0.7418.09(2,13)0.0002(???)0.0172鑲嵌林地Mosaic treey=2.7554(???) - 2.4213R4(??) + 0.0006P4(?) -0.0134S4(?)0.699.01(3,12)0.0021(??)0.0379鑲嵌草地Mosaic grasslandy=1.1058(???) - 1.1724R5(?) + 0.0007P5(?)0.445.10(2,13)0.0232(?)0.0342草地Grasslandy=0.2606(?) + 0.0007P6(?)0.316.31(1,14)0.0249(?)0.0479農田Cropy=2.8183(???) - 2.4884R7(??) + 0.0005P7(?) - 0.013S7(?)0.667.88(3,12)0.0036(??)0.0386

y: 年NDVImax;P: 年總降水量, total annual precipitation;R: 年均相對濕度, mean annual relative humidity;S: 年均日照時數, mean annual sunshine hours; “*”, “**”, “***” 分別代表P值在小于0.05, 0.01, 0.001水平的顯著性

表5 基于通徑分析的不同植被覆被類型NDVImax與氣候因子的相關系數分解

P: 年總降水量, total annual precipitation;R: 年均相對濕度, mean annual relative humidity;S: 年均日照時數, mean annual sunshine hours

3 討論

黃土高原自退耕還林(草)工程實施以來,植被覆被發(fā)生了較大變化。本文結果表明,從2000至2015年,黃土高原全區(qū)植被年NDVImax增加范圍廣、趨勢明顯。顯著增加區(qū)域占總面積的74.25%,不同植被覆被類型年NDVImax也呈顯著增加趨勢,其中常綠闊葉林和農田增加幅度最大,為0.012/年。這與何遠梅、劉哲等人的研究結果相一致,表明自退耕還林以來,黃土高原地區(qū)植被覆被得到極大改善[5- 7]。

黃土高原全區(qū)植被覆被NDVI與溫度、日照、降水和相對濕度等氣候因子之間沒有顯著相關性。在相關的研究中,以全區(qū)NDVI為響應變量,年尺度上與氣候因子作相關關系分析時,研究結果多數無顯著相關性[36-37]。但在不同植被覆被類型區(qū),氣候因子對植被覆被NDVI存在顯著作用,且不同植被覆被類型差異明顯。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林都受到年均相對濕度以及年均日照時數兩種氣候因素的負效應驅動,且年均相對濕度對植被的影響較大,三種植被覆被類型回歸系數分別是-0.4092、-0.896、-0.9126。這些植被覆被類型區(qū)氣候特征是高溫、高濕、日照時間短,日照越強、相對濕度越大容易對植被生長造成限制。鑲嵌林地與農田受到年均相對濕度和年均日照時數的負效應以及年總降水量的正效應影響,其中相對濕度的負效應最為明顯,兩種植被覆被類型回歸系數分別為-2.4213、-2.4884。這些區(qū)域水熱條件較差,日照越強、相對濕度越大對植被生長造成的限制更加明顯。鑲嵌草地受年均相對濕度的負效應和年總降水量的正效應作用,年均相對濕度的作用系數較大,為1.1724。草地只受到年總降水量的正效應影響,作用系數為0.0007。這些以草本為主的植被覆被類型區(qū)氣候特征是低溫、低濕、日照時間長,因此降水的作用比較顯著。年均相對濕度和年總日照時數對常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林及鑲嵌林地有顯著負效應,年總降水量則對草地與鑲嵌草地有顯著正效應。這表明以喬木為主的植被覆被類型受年均相對濕度和年總日照時數影響顯著,而以草本為主的類型則都受到年總降水量的顯著作用,與李曉兵、孫睿、劉綠柳 等人[22- 24]的研究結果相一致。上述結果表明,采用全區(qū)NDVI指數進行植被與氣候因子的響應關系分析,往往會忽略不同植被類型間的差異性。在黃土高原整個區(qū)域尺度上,年尺度上的NDVI往往與氣候因子沒有顯著的相關性[36-37],這種整體尺度上的不相關性,可能與不同植被類型植被指數的時間變化節(jié)律上的相互補充有關,從而掩蓋了不同植被類型對氣候變化響應的真實性,顯然不利于揭示大尺度植被與環(huán)境變化的響應關系。

相對濕度與日照相互之間的間接作用與植被均呈正相關。降水通過相對濕度與植被負相關,相對濕度通過降水與植被正相關,而降水與日照相互之間的間接作用與植被的相關性恰好與之相反,降水通過日照與植被正相關,日照通過降水與植被負相關。在全區(qū)和不同植被覆被類型區(qū)降水都與NDVI呈正相關,說明黃土高原地區(qū)植被對降水的響應比較一致,并且植被對降水的需求都存在上升空間。日照在全區(qū)與植被NDVI呈負相關,在不同植被覆被類型區(qū)僅與灌木NDVI正相關,表明日照在大部分地區(qū)超過了植被生長的需求限度,也從側面反映了水分脅迫可能會加劇植被的光抑制效應[42]。氣溫和相對濕度均與全區(qū)植被NDVI呈負相關,在不同植被覆被類型區(qū)僅灌木、落葉針葉林、草地和鑲嵌草地與氣溫呈負相關,其余呈正相關。負相關區(qū)域干旱、相對濕度低、日照時間長,雖然氣溫較低也仍對植被生長具有負作用；而正相關區(qū)域降水多,相對濕度大,日照時間短,雖然氣溫較高但仍對植被生長有利。不同植被覆被類型對相對濕度的響應與氣溫完全相反,負相關區(qū)域相對濕度大,正相關區(qū)域相對濕度低,說明相對濕度的變化范圍超過了植被的生長耐受限度。

氣溫無論在整個區(qū)域尺度還是不同植被類型區(qū)對植被的影響均不顯著,可能是因為黃土高原地區(qū)干旱缺水,溫度對植被的影響被水分條件所限制[20-21]。日照時數對植被年NDVImax有負效應,但光是植物光合作用的催化劑[43],受大氣環(huán)境的影響,同一光照強度可能產生不同的光合有效輻射[44],所以研究日照時數對植被的影響還應考慮光合有效輻射。文中相對濕度對植被有負效應,植被處在相對貧乏的水分條件下,相對濕度增加可能會降低氣孔導度[45-46],對植被生長產生負效應。降水雖然對植被有顯著促進作用,但黃土高原部分農田作物主要是靠灌溉水來維持,如內蒙古河套平原地區(qū),農作物受人為因素影響較大[17],所以農田對降水的響應還應結合人為因素綜合分析。此外,由于研究使用的遙感影像分辨率不高,缺少紋理細節(jié)信息,不能區(qū)分天然林與人工林[47],所以無法剔除人為因素的影響,這還有待下一步的深入研究。

4 結論

本文基于ESA CCI-LC植被覆被分類數據以及MODND1T/NDVI植被指數數據,使用趨勢分析、Pearson相關、多元線性回歸模型以及通徑分析等方法,分析了2000—2015年黃土高原不同植被覆被類型與氣候因子的變化及其相互作用關系,探討了不同植被覆被類型對氣候因子的響應差異,得出以下結論：

(1)從2000至2015年,黃土高原全區(qū)植被年NDVImax增加范圍廣、趨勢明顯,顯著增加的區(qū)域占總面積的74.25%。不同植被覆被類型年NDVImax分別為常綠闊葉林>常綠針葉林>落葉闊葉林>落葉針葉林>鑲嵌草地>農田>鑲嵌林地>草地>灌木,并且都呈顯著增加趨勢,其中常綠闊葉林和農田增加幅度最大,為0.012/年。

(2)黃土高原全區(qū)植被覆被NDVI與氣溫、日照、降水和相對濕度等氣候因子之間沒有顯著相關性,但在不同植被覆被類型區(qū),氣候因子對植被覆被NDVI存在顯著作用。這說明對植被類型進行區(qū)分,更有利于揭示氣候對植被的作用機制。

(3)在全區(qū)和不同植被覆被類型區(qū)降水都與NDVI呈正相關,說明黃土高原地區(qū)植被對降水的響應比較一致。日照在全區(qū)與植被NDVI呈負相關,在不同植被覆被類型區(qū)僅與灌木NDVI正相關。降水量少、相對濕度低、日照時間長的區(qū)域氣溫與NDVI呈負相關,降水量大,相對濕度大,日照時間短的區(qū)域氣溫與NDVI呈正相關。不同植被覆被類型對相對濕度的響應與氣溫完全相反,負相關區(qū)域相對濕度大,正相關區(qū)域相對濕度低,說明相對濕度的變化范圍超過了植被生長的耐受限度。

(4)常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林及鑲嵌林地等以喬木為主的植被覆被類型受年均相對濕度和年總日照時數影響顯著,草地、鑲嵌草地等以草本為主的植被覆被類型則受到年總降水量的顯著作用。氣溫無論在整個區(qū)域尺度還是不同植被類型區(qū)對植被的影響均不顯著。