2001—2018年中國-老撾交通走廊核心區(qū)植被穩(wěn)定性對極端干旱的響應

劉媛媛,李 霞,王小博,王紹強,*,錢釗暉

1 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049

3 生態(tài)環(huán)境部對外合作與交流中心,北京 100035

干旱是一種水分持續(xù)虧缺的異常氣象現(xiàn)象,會對全球生態(tài)環(huán)境、社會、經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)造成重大負面影響[1-2]。相比洪澇、高溫與地震等自然災害,干旱影響的范圍更廣,造成的損失更大[3-4]。過去一個世紀以來,在全球范圍內(nèi)極端氣候事件的發(fā)生頻率與嚴重程度不斷提高[5-9]。研究干旱的時空分布格局不僅可為了解干旱的發(fā)生機制提供理論依據(jù),還能為預防干旱災害提供有效措施[10]。同時,干旱嚴重影響陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性,如光合能力、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和陸地碳匯[11]。目前,基于野外實驗與遙感方法的很多研究表明,干旱對植被生長和陸地生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的負面影響[7,12-13]。因此,進一步了解植被對干旱的響應非常重要,可為提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

目前,多種干旱指數(shù)已被用于全球或區(qū)域干旱監(jiān)測[14-16]。Palmer干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index,PDSI)自提出以來,已被廣泛應用于氣象、水文和生態(tài)等研究領域,在評估區(qū)域水分平衡與干旱嚴重程度等方面得到了良好的應用[17-20]。此外,很多研究應用PDSI分析了干旱在不同區(qū)域?qū)χ脖簧L的影響[9,21]。Zhang等[21]利用PDSI和歸一化植被指數(shù)NDVI研究了中國干旱的分布情況和干旱對植被生產(chǎn)力的影響。Dong等[9]利用植被指數(shù)和自校準PDSI分析了美國加利福尼亞州的嚴重干旱對植被的影響。

中老交通走廊核心區(qū)位于中國云南與老撾接壤地區(qū),擁有豐富的自然資源。該地區(qū)雖然有較高的年降水量,但植被對日益嚴重的干旱較為敏感。中老交通走廊核心區(qū)主要的植被類型是常綠闊葉林與木本稀樹草原,覆蓋面積占總面積的90%以上。近期研究表明,相比其他植被類型,常綠闊葉林的干旱情況有加重的趨勢[22],且會經(jīng)歷更長時間的干旱,可能會面臨更大的干旱風險[23-24]。此外,中老交通走廊核心區(qū)所處的老撾北部山區(qū)是老撾森林砍伐率最高的地區(qū)[25],建設鐵路和水電站等基礎設施會加劇該地區(qū)的森林砍伐,可能導致該地植被的穩(wěn)定性下降。研究區(qū)的植被狀況受到氣候變化與人類活動的影響,會改變湄公河流域的水文條件[26]。作為湄公河流域的上游,研究區(qū)的植被狀況是影響整個流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關鍵因素[27]。

植被的穩(wěn)定性為植被指數(shù)的均值與標準差之比。植被的穩(wěn)定性越高,抵御干旱的能力越強。植被的穩(wěn)定性通常用抵抗力和恢復力來評估。抵抗力量化了干旱對生態(tài)系統(tǒng)抵抗力的直接影響,表現(xiàn)為干旱期間植被維持其原始水平的能力[28]?；謴土Χx了干旱后生態(tài)系統(tǒng)功能恢復到正常狀態(tài)的速度[29]。目前,已有多個研究通過實驗或模型分析了植被對干旱的抵抗力和恢復力[29-30],但在研究區(qū)所在的湄公河流域開展植被對干旱的抵抗力和穩(wěn)定性的研究很少。因此,研究中老交通走廊核心區(qū)的干旱時空分布特征以及植被的穩(wěn)定性、抵抗力和恢復力對干旱的響應十分必要,有助于提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗災能力。

本研究根據(jù)1980—2018年的PDSI數(shù)據(jù)確定了中老交通走廊核心區(qū)的干旱事件,并對PDSI做了趨勢分析。基于2001—2018年的年均EVI數(shù)據(jù),量化了中老交通走廊核心區(qū)植被的穩(wěn)定性(年均EVI與其標準差之比)及其對干旱的抵抗力和恢復力。本文研究目標包括：1)闡明中老交通走廊核心區(qū)極端干旱事件的時空分布特征；2)評估研究區(qū)不同植被類型的穩(wěn)定性及其對極端干旱事件的抵抗力和恢復力。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)

中老交通走廊核心區(qū)是指中老交通走廊(主要是昆曼公路中國-老撾段和中老鐵路)經(jīng)過地區(qū)。研究區(qū)包括中國云南省的西雙版納傣族自治州1個地級行政區(qū)以及老撾北部的瑯南塔省、博膠省、烏多姆塞省、瑯勃拉邦、萬象省和萬象市6個省級行政區(qū)(圖1),總面積約8.4萬 km2,地理坐標為99.9—103.4°E,17.8—22.6°N,中老邊境長約710 km。地貌類型以山地和高原為主,高程在145—2415 m之間。研究區(qū)地處亞熱帶季風和熱帶季風兩個氣候區(qū),年均日最高溫約28.5℃,多年平均降水量約1690 mm,雨量充沛但分布不均。該地區(qū)氣候終年溫暖濕潤,無四季之分,可分為旱季和雨季兩個季節(jié),其中11月至次年4月是旱季,5月至10月是雨季[31]。研究區(qū)的土地覆蓋類型以常綠闊葉林和木本稀樹草原為主,分別占研究區(qū)總面積的57.42%和33.75%,而草地、農(nóng)田和城市僅占研究區(qū)總面積的4.09%、2.79%和0.17%(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置及土地覆蓋類型

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用的土地覆蓋數(shù)據(jù)為MODIS衛(wèi)星的MCD12Q1產(chǎn)品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/),其空間分辨率為500 m,時間為2017年。本研究在植被覆蓋區(qū)開展,研究區(qū)不包括水體和城市。基于MODIS土地覆蓋產(chǎn)品,本文選取了研究區(qū)5類主要的植被類型作為研究對象,分別是常綠闊葉林(EBF)、混交林(MF)、木本稀樹草原和稀樹草原(SAV)、草地(GRA)和農(nóng)田(GRO)。

目前,NDVI是應用最廣泛的植被指數(shù)[32-33]。然而,相比于過去常用的NDVI,EVI增加了對植被的監(jiān)測能力且能更好地反映植被的生長覆蓋狀態(tài)[34-35],目前已被廣泛應用于許多研究[36-37]。本研究所采用的EVI數(shù)據(jù)為MODIS衛(wèi)星的MOD13Q1產(chǎn)品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/),其空間分辨率 250 m×250 m,時間分辨率16天,時間范圍為2001—2018年。利用MODIS MRT(MODIS Reprojection Tools)處理工具對MOD13Q1產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換等預處理操作。為了消除異常值的影響,采用最大合成法(MVC)制作EVI月值序列,最后計算逐年EVI均值。

Palmer 氣象干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index, PDSI)[14]已被廣泛用于全球或區(qū)域干旱監(jiān)測中,是中長期干旱監(jiān)測的重要指標之一。在本研究中,PDSI、降水量和日最高溫數(shù)據(jù)均來自TerraClimate月尺度氣象數(shù)據(jù)集[38],時間范圍為1980—2018年,空間分辨率約為2.5 arc minutes。根據(jù)PDSI的值,旱澇從極端濕潤到極端干旱共分為10個等級(表1)[14]。極端干旱事件可根據(jù)受旱面積比例和干旱程度來統(tǒng)計[39],因此,本文綜合考慮極端干旱面積比例和PDSI值選出2001—2018年的極端干旱年份。PDSI、氣溫、降水和土地覆蓋數(shù)據(jù)經(jīng)投影與裁剪等預處理后統(tǒng)一重采樣為250 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

表1 PDSI 干濕等級及類型

1.3 穩(wěn)定性、抵抗力和恢復力評估

植被的穩(wěn)定性定義為Ym/δ,其中Ym是所有年份的年均EVI,δ是相同時間間隔下EVI的標準差。抵抗力和恢復力被用于評估極端氣候?qū)χ脖环€(wěn)定性的影響,其中,抵抗力指植被結(jié)構(gòu)和功能保持其原始水平的能力,恢復力指植被恢復到干旱前水平的速度[40]。EVI可以用來表征植被的結(jié)構(gòu)和光能利用效率,且MODIS產(chǎn)品具有很高的時間分辨率,因此,EVI是表征植被的穩(wěn)定性及其對極端干旱的抵抗力和恢復力的一個良好指標。同之前研究的方法相似[11,41],抵抗力指數(shù)(Ω)和恢復力指數(shù)(Δ)的計算公式如下：

(1)

(2)

1.4 統(tǒng)計分析

本研究運用單因素方差分析(One-way ANOVA)分析不同植被類型穩(wěn)定性、抵抗力和恢復力之間的差異,顯著性水平設置為0.05,P<0.05被認為具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 干旱事件的年際分布

1980—2018年間,中老交通走廊核心區(qū)的年均PDSI值在-3.73至2.52間大幅波動(圖2)。根據(jù)PSDI值和極端干旱面積占比,中老交通走廊核心區(qū)2010年、1993年、1998年和1992年發(fā)生的干旱在1980—2018年間最為極端。其中,PDSI在2010年達到最低值,其次為1993年、1998年和1992年,以上4年極端干旱面積分別占總面積的47.46%、15.10%、14.94%和10.73%(圖2)。旱季的PDSI值介于-3.83和1.95之間,最嚴重的旱季干旱發(fā)生在2004年,其次為1993年和1980年。雨季PDSI值介于-4.60和3.41之間,最嚴重的雨季干旱發(fā)生在1992年,其次為2010年和1983年(圖2)。

2001—2018年間,出現(xiàn)極端干旱的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,以上年份極端干旱面積占總面積的比例分別為13.37%、47.46%、10.41%、12.00%和3.05%。如圖2所示,2005年和2010年在旱季和雨季都存在嚴重和極端干旱,但2015年和2016年僅在雨季存在大面積的嚴重與極端干旱,而旱季嚴重和極端干旱占比較低。從植被EVI的變化來看(圖3),2005年和2010年極端干旱導致EVI較相鄰年EVI有明顯降低,而2015年和2016年極端干旱對EVI的影響不大,常綠闊葉林、木本稀樹草原和混交林的EVI甚至比相鄰年的EVI還高,植物沒有受到干旱的不利影響,這說明2015年和2016年僅是氣象干旱年,主要是雨季氣象干旱,對植物來講不是極端干旱年。綜合考慮旱季和雨季的極端干旱面積比例和PDSI值,將2005年和2010年定義為2001—2018年間的極端干旱年份(圖2)。

圖2 1980—2018年年均PDSI及干旱面積比例

圖3 2001—2018年不同植被類型的年均EVI值和PDSI值

2.2 干旱的空間分布

1980—2018年期間,中老交通走廊旱季和雨季干旱的空間分布差異不明顯,PDSI低值主要出現(xiàn)在博膠省、瑯南塔省、西雙版納傣族自治州和萬象省西南部,說明以上地區(qū)的干旱程度較重(圖4)。圖3為中老交通走廊核心區(qū)各植被類型PDSI的年際變化?？偟膩碚f,常綠闊葉林和稀樹草原的年均PDSI較高,而混交林和農(nóng)田的年均PDSI較低(圖3)。為了探討PDSI與氣象要素的關系,本文進一步研究了溫度和降水量與PDSI的相關性。中老交通走廊核心區(qū)各植被類型的年均PDSI與年降水量均呈顯著正相關(P<0.01),說明降水量是影響PDSI變化的關鍵因素之一。年均日最高溫與年均PDSI呈顯著負相關(P<0.01),說明該地區(qū)的溫度升高也是造成干旱的主要原因(表2)。

表2 各植被類型年均PDSI與年降水量的相關性和PDSI與年均日最高溫的相關性

圖4 1980—2018年年均PDSI值的空間分布

2.3 不同植被類型中植被對干旱的穩(wěn)定性、抵抗力和恢復力

中老交通走廊植被的穩(wěn)定性普遍較高,且表現(xiàn)出較大的空間變異性(圖5)。研究區(qū)常綠闊葉林和稀樹草原的穩(wěn)定性較高,而混交林、草地和農(nóng)田的穩(wěn)定性較低(圖5；圖6)。結(jié)果表明,相比其他植被類型,常綠闊葉林和稀樹草原對干旱的穩(wěn)定性明顯較高(P< 0.01,圖6；表3)。

植被對干旱的抵抗力在研究區(qū)內(nèi)也表現(xiàn)出較大的空間變異性(圖5),常綠闊葉林和稀樹草原的抵抗力較高,而混交林、草地和農(nóng)田的抵抗力較低(圖5；圖6)。相比其他植被類型,常綠闊葉林和稀樹草原植被類型均明顯表現(xiàn)出較高的抵抗力(P< 0.001,圖5；表3)。植被對干旱的抵抗力與年均日高溫和年均降水量呈顯著正相關(P< 0.01,表4)。

圖5 增強型植被指數(shù)(EVI)的穩(wěn)定性、EVI對干旱的抵抗力和恢復力

圖6 不同植被類型的EVI對干旱的穩(wěn)定性, 抵抗力和恢復力(平均值±標準方差)

表4 氣象要素與EVI對干旱的抵抗力和恢復力的相關性

植被對干旱的恢復力在研究區(qū)不同植被類型之間也具有顯著差異。其中,常綠闊葉林和稀樹草原的恢復力較高,混交林、草地和農(nóng)田的恢復力較低(圖5；圖6)。研究區(qū)內(nèi)常綠闊葉林和稀樹草原比其他植被類型也表現(xiàn)出較高的恢復力(P< 0.001,圖6；表3)。

3 討論

如圖2所示,2001—2018年中老交通走廊核心區(qū)經(jīng)歷了5次極端干旱事件,出現(xiàn)極端干旱的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,其中嚴重干旱面積分布最廣的年份為2010年,這與Guo等[42]和Son等[31]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)降水減少和溫度升高是影響中老交通走廊核心區(qū)干旱的主要原因(表3)。

如圖6所示,常綠闊葉林對干旱的抵抗力高于木本稀樹草原、混交林、草地和農(nóng)田,表明中老交通走廊核心區(qū)的常綠闊葉林具有較高的抗旱能力。研究表明,植被生產(chǎn)力和陸地碳匯的時間變異性主要是由非常綠生態(tài)系統(tǒng)造成的,如草地、農(nóng)田和落葉林等[43]。Huang等[11]發(fā)現(xiàn)在全球尺度上常綠闊葉林比其他植被類型具有更高的穩(wěn)定性。常綠闊葉林具有較高的抗旱能力是由多種因素造成的。首先,從植物根系看,林木的根系發(fā)達,對干旱造成的水分缺失有較強的抵抗力,在嚴重干旱時可利用深層土壤的水分。因此,林地對干旱的抵抗力相對較強。而草本植物根系較淺,只能利用表層土壤水[44],容易受到水分缺失的影響,因而對干旱更為敏感,對干旱的抵抗力較弱。農(nóng)作物與草本植物一樣根系較淺,且其穩(wěn)定性和對干旱的抵抗力會受人類管理措施的影響。中老交通走廊核心區(qū)地形以山地為主,缺乏灌溉條件,導致農(nóng)田對干旱的抵抗力較低。其次,從植物生理來看,相比水分利用,太陽輻射是限制常綠闊葉林生長的主要因素[45],基于遙感和野外實驗的多種研究表明,常綠闊葉林新葉發(fā)育和葉面積指數(shù)增加的主要驅(qū)動因素是旱季較高的太陽輻射[45]。常綠闊葉林旱季增長的光能利用效率(LUE)可能會增強植物對干旱的抵抗力。在旱季干旱前,常綠闊葉林會保留新葉去掉舊葉,從而維持較高的光能利用效率[11,45]。以上原因均會造成常綠闊葉林比其他植被類型更加穩(wěn)定和抗旱。

溫度升高造成的熱浪等極端氣候事件通過減少水的供應和生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳的凈交換量,降低了植被的初級生產(chǎn)力,由此產(chǎn)生的干旱脅迫可能會進一步降低植物的生存能力[46]。然而,本研究中,植被對極端干旱的抵抗力與日高溫呈正相關(表4),說明溫度升高造成干旱(表2)的同時也提高了植被對極端干旱的抵抗力。該結(jié)果可能是由于大多數(shù)常綠闊葉林的季節(jié)最高溫仍低于冠層光合能力的最適溫度[47],因此,盡管溫度升高會造成干旱,但大氣溫度與常綠闊葉林最適溫度間的差距會防止溫度升高對生態(tài)系統(tǒng)光合作用造成負面影響。此外,日最高溫對植被生長的影響具有明顯的時滯效應[48],因此,溫度升高對植物的影響很復雜,具有一定的不確定性。

常綠闊葉林是中老交通走廊核心區(qū)的主要植被類型(圖1),常綠闊葉林的高穩(wěn)定性表明其在維持該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性上發(fā)揮了關鍵作用。在未來干旱日益嚴重的情景下,常綠闊葉林的穩(wěn)定性是否會下降仍有待進一步研究。中老交通走廊核心區(qū)所處的北部山區(qū)是老撾森林砍伐率最高的地區(qū)[25],加強該地區(qū)森林的合理開發(fā)利用和提高對常綠闊葉林的保護力度十分重要。

總體而言,本研究為研究中老交通走廊核心區(qū)植被穩(wěn)定性對極端干旱的響應提供了參考,為理解干旱的機理和影響因素、提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和恢復力提供了理論依據(jù)。然而,本研究仍存在一定的局限性。例如,盡管遙感提供了一種研究大尺度植被與干旱關系的方法,但其更深層的響應機制需要做進一步的實地觀察與控制實驗。本文僅考慮了氣象干旱對植被的影響,缺少對土壤干旱的分析,而熱帶和亞熱帶季風區(qū)的降水較少時,極有可能土壤并不缺水,植物仍正常生長,因此,土壤干旱對植被生長的影響仍有待進一步研究。此外,本研究沒有考慮長期干旱造成的滯后效應,如干旱導致的樹木死亡和火災、干旱對植被的滯后效應和累積效應等。土壤、地形、地質(zhì)和社會經(jīng)濟發(fā)展等因素對干旱的影響也有待進一步研究。為了保障中老交通走廊核心區(qū)的安全建設,可根據(jù)當?shù)厍闆r采取短期或長期風險緩解措施,從而有效緩解干旱對該地區(qū)造成的損失。

4 結(jié)論

本文基于PDSI數(shù)據(jù),分析了1980—2018年中老交通走廊核心區(qū)干旱的時空分布特征；此外,基于PDSI和EVI數(shù)據(jù),量化了中老交通走廊核心區(qū)不同植被類型的穩(wěn)定性(年均EVI與其標準差之比)及其對干旱的抵抗力(干旱期間植被結(jié)構(gòu)和功能保持其原始水平的能力)和恢復力(植被恢復到干旱前水平的速度)。得出以下結(jié)論：

(1)2001—2018年間,中老交通走廊核心區(qū)共發(fā)生5次極端干旱事件,出現(xiàn)極端干旱事件的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,以上年份極端干旱面積占總面積的比例分別為13.37%、47.46%、10.41%、12.00%和3.05%,其中極端干旱面積分布最廣的年份為2010年。

(2)1980—2018年期間,中老交通走廊旱季和雨季干旱的空間分布差異不明顯,博膠省、瑯南塔省、西雙版納傣族自治州和萬象省西南部的干旱程度較重。降水減少和溫度升高是造成該地區(qū)干旱的主要原因。

(3)中老交通走廊核心區(qū)內(nèi)常綠闊葉林的穩(wěn)定性顯著高于木本稀樹草原、混交林、草地和農(nóng)田。和其他植被類型相比,常綠闊葉林雖然暴露在干旱環(huán)境中的時間更長,但其對干旱事件具有最高的抵抗力和恢復力,在維持中老交通走廊核心區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性上發(fā)揮著重要作用。研究區(qū)內(nèi)各植被類型對干旱的抵抗力與溫度和降水呈顯著正相關關系。