“一帶一路”區(qū)域極端氣候事件變化及其對典型農(nóng)業(yè)區(qū)生長季的影響*

殷 聰，楊 飛

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023)

氣候變化背景下，極端氣候事件的頻率、持續(xù)時間和強(qiáng)度都有持續(xù)增強(qiáng)的趨勢[1?2]。極端氣候事件是指顯著偏離正常狀態(tài)下氣候要素（如氣溫、降水量等）觀測值的事件[3]，通常表現(xiàn)出異常性、劇烈性和突發(fā)性。極端氣候事件的發(fā)生意味著有機(jī)體賴以生存的外界環(huán)境劇烈變化，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的各個成分和環(huán)節(jié)。植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生產(chǎn)者[4?6]，在過去的幾十年中，氣候變化已經(jīng)顯著影響了植物的動態(tài)變化[7?9]。極端氣候事件引起的外界環(huán)境變化直接影響植物的光合作用和呼吸作用等生命活動，在宏觀上表現(xiàn)為植物生長周期和節(jié)律的變化[10?11]。農(nóng)作物作為人類最重要的食物來源，其生長狀況更是直接關(guān)系到糧食安全，極端氣候事件可能改變農(nóng)作物正常的生長周期，從而影響農(nóng)作物產(chǎn)量，洪水和干旱等甚至可能直接導(dǎo)致農(nóng)作物死亡。農(nóng)作物生長季能夠直觀反映作物的生長狀況，從而反映作物的產(chǎn)量形成過程并評估產(chǎn)量高低，研究極端氣候事件對農(nóng)作物生長季的影響對于確保糧食安全具有重要意義[12?16]。

植被物候會對極端氣候事件作出一系列的響應(yīng)，植被物候的變化，如生長季始期（SOS）和生長季末期（EOS）的提前或延后，客觀反映了氣候變化對植被生態(tài)系統(tǒng)的影響。當(dāng)前，針對氣溫、降水等氣象因素對植被物候的影響已經(jīng)開展了廣泛研究。Suepa等[17]以東南亞季風(fēng)區(qū)為研究區(qū)，在季節(jié)尺度研究了降水對植被物候的影響，結(jié)果顯示降水對自然植被物候和農(nóng)作物物候有顯著影響。Jeong等[18]對1982?2008年北半球植被物候的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并分析了溫度對植被物候的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度會影響SOS和EOS的變化速率：1982?1999年，北美的EOS延后了8.1d，而在2000?2008年延后了1.3d；歐洲EOS的變化幅度顯著高于SOS，而東亞的 LOS則有增加的趨勢。Piao等[19]基于AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)分析了1982?1999年氣候變化對中國溫帶植被物候的影響，結(jié)果表明植被的SOS提前了0.79d·a?1，EOS延遲了0.37d·a?1，LOS增加了1.16d·a?1。丁明軍等[20]以青藏高原為研究區(qū)，基于SPOT VGT數(shù)據(jù)研究了高寒草地物候的時空分布特征，結(jié)果顯示溫度、降水和海拔均會影響物候的時空分布。

“一帶一路”區(qū)域氣象災(zāi)害頻發(fā)、人類活動密集。近年來，不斷升級的極端氣候事件對該區(qū)域的生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境都造成了重大影響[21]。研究區(qū)域極端氣候事件和植被物候的時空變化特征對于分析氣候變化和人類活動加劇背景下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)具有重要意義。此外，當(dāng)前研究多針對氣溫、降水等氣象因素對植被物候的影響，多個研究已經(jīng)提出了極端氣候事件在植被物候變化中的重要作用[22?24]，但相關(guān)研究相對較少。為了分析“一帶一路”區(qū)域極端氣候事件和植被物候的時空變化規(guī)律，并探究極端氣候事件對農(nóng)作物生長季的影響，本研究以“一帶一路”區(qū)域為研究區(qū)，基于逐月歷史氣候數(shù)據(jù)和逐年植被物候數(shù)據(jù)，采用趨勢分析和統(tǒng)計分析等方法研究極端氣候事件和植被物候的時空變化規(guī)律，并選取歐洲東南部耕地、中國北部內(nèi)蒙古草原、印度中部耕地和泰國北部耕地為典型農(nóng)業(yè)區(qū)，分析典型極端氣候事件對典型農(nóng)業(yè)區(qū)生長季的影響規(guī)律，以探究極端氣候事件對不同區(qū)域生長季的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

“一帶一路”區(qū)域橫跨亞歐非三大洲，東西范圍12.09°E?169.66°W，南北范圍11.01°S?81.86°N，涉及8個地區(qū)、超過66個國家和地區(qū)，區(qū)域人口約44億[25]，該區(qū)域自然災(zāi)害頻發(fā)、人口高度聚集、生態(tài)環(huán)境脆弱，是全球受氣象災(zāi)害影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一[26]。地勢中間高、四周低，海拔總體上由青藏高原向四周逐漸降低，海拔最低點(diǎn)為?430.5m，最高點(diǎn)為8844.43m。土地覆被類型多樣，東南亞主要為常綠闊葉林，俄羅斯西部主要為落葉闊葉林和常綠針葉林，西伯利亞腹地分布著廣袤的落葉針葉林，青藏高原和中亞北部主要為草地，中國西北部、中亞、西亞和北極圈以內(nèi)主要為裸地，中國東部、南亞、俄羅斯南部和東歐受人類農(nóng)業(yè)活動影響，廣泛分布著耕地（圖1）。各區(qū)域氣候迥異，氣溫西南高、東北低，最高年平均氣溫31.49℃，最低年平均氣溫?20.05℃。東南部和西北部降水多，中部降水少，最大年平均總降水量8283.35mm，最小年平均總降水量為0。

選擇歐洲東南部耕地、中國北部內(nèi)蒙古草原、印度中部耕地和泰國北部耕地4個典型農(nóng)業(yè)區(qū)為研究區(qū)，其空間位置如圖1所示。

圖1 四個典型農(nóng)業(yè)區(qū)的位置及“一帶一路”沿線土地覆被情況（2015年）Fig.1 Location of 4 typical agricultural regions in "One Belt and One Road" region and land cover in 2015

1.2 數(shù)據(jù)及其來源

1.2.1 氣候數(shù)據(jù)選擇

使用WorldClim（https://www.worldclim.org/）逐月歷史氣候數(shù)據(jù)集分析“一帶一路”區(qū)域的極端氣候事件。該數(shù)據(jù)集由CRU?TS?4.03數(shù)據(jù)集[27]降尺度，并基于WorldClim2.1[28]誤差糾正獲得，空間范圍為全球，時間范圍為1990?2018年，空間分辨率為2.5′（約4600m），包括月最高氣溫、月最低氣溫和月總降水量3個變量。使用平均氣溫數(shù)據(jù)在季節(jié)尺度和年尺度分析了“一帶一路”區(qū)域的極端氣候事件。

1.2.2 植被物候數(shù)據(jù)選擇

植被物候數(shù)據(jù)來自亞利桑那大學(xué)植被指數(shù)和物候?qū)嶒炇遥╤ttps://vip.arizona.edu/）。植被物候數(shù)據(jù)集是其主要產(chǎn)品之一，該數(shù)據(jù)集基于MODIS數(shù)據(jù)，使用與遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)相適應(yīng)的分段Logistic函數(shù)來表征植被年際動態(tài)，并提取物候。該方法允許在大尺度上監(jiān)測植被動態(tài)，并且不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)平滑或定義閾值[29]。該數(shù)據(jù)集的空間范圍為全球，時間范圍為1981?2016年，空間分辨率為0.05°（約5600m），時間分辨率為年，共包括12個變量。依據(jù)該數(shù)據(jù)集提供的質(zhì)量控制文件，僅使用質(zhì)量較高數(shù)據(jù)，以避免不可靠數(shù)據(jù)可能對結(jié)果造成的影響，主要對SOS、EOS、LOS和植被指數(shù)峰值日期（DPS）4個物候變量進(jìn)行研究（表1）。

表1 植被物候變量說明Table 1 Description of vegetation phenology variables

1.2.3 土地覆被數(shù)據(jù)

為了研究數(shù)十年內(nèi)極端氣候事件對農(nóng)作物生長季的影響，需要保持土地覆被基本不變，以排除土地覆被類型變化對生長季的干擾。土地覆被數(shù)據(jù)來自歐洲航天局（https://cds.climate.copernicus.eu/），該數(shù)據(jù)集的空間范圍為全球，時間范圍為1992?2015年，空間分辨率為300m，時間分辨率為年。該數(shù)據(jù)集依據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）的土地覆被分類系統(tǒng)（LCCS），將土地覆被分為22類。選擇在1992年和2015年土地覆被類型一致的區(qū)域，并進(jìn)一步篩選土地覆被類型為耕地和草地的區(qū)域，以研究土地覆被類型保持不變的農(nóng)業(yè)區(qū)的生長季變化。

1.3 統(tǒng)計分析方法

1.3.1 極端氣候事件的定義

極端氣候事件是指顯著偏離正常狀態(tài)下氣候要素（如氣溫、降水量等）觀測值的事件[30?31]。將1990?2018年各月或各季節(jié)平均氣溫的平均值作為正常狀態(tài)下各月或各季節(jié)氣溫的參考，計算各月或各季節(jié)平均氣溫相對于參考?xì)鉁氐钠x值Δ，并將結(jié)果劃分為4個等級：當(dāng)某一時段的氣溫偏離值Δ≥3℃時，定義該時段發(fā)生了極端炎熱事件；當(dāng)1.5℃≤Δ＜3℃時，定義該時段發(fā)生了極端熱事件；當(dāng)?1.5℃≥Δ＞?3℃時，定義該時段發(fā)生了極端冷事件；當(dāng)Δ≤?3℃，定義該時段發(fā)生了極端寒冷事件。參考?xì)鉁赜嬎闶綖?/p>

式中，Ti,j為第i年第j月（1?12月）或j季節(jié)（春夏秋冬）的平均氣溫，Rj為整個分析期第j月或j季節(jié)的參考?xì)鉁?，單位均為℃?/p>

基于1990?2018年的月平均氣溫數(shù)據(jù)，分別在季節(jié)尺度和年尺度統(tǒng)計極端氣候事件。在季節(jié)尺度，按照北半球的季節(jié)劃分方式，將3?5月劃分為春季，6?8月劃分為夏季，9?11月劃分為秋季，12月?翌年2月劃分為冬季。季節(jié)尺度的參考?xì)鉁貫楦骷竟?jié)多年（1990?2018年）平均氣溫的平均值。在年尺度，考慮到氣溫對植被物候影響的滯后效應(yīng)[32?34]，將一年定義為第一年9月?翌年8月[24]，以反映前一年秋冬季節(jié)氣溫對第二年春季植被物候的影響。

1.3.2 物候統(tǒng)計分析

植物的開花、結(jié)實(shí)、繁殖和枯萎等生命活動均會受到外界環(huán)境的影響。當(dāng)出現(xiàn)極端氣候事件時，植物會做出反應(yīng)來適應(yīng)外界環(huán)境的變化，植被物候可以精確地反映這種現(xiàn)象。為了量化極端氣候事件對植被物候的影響，對物候變化量在不同極端氣候事件條件下的變化進(jìn)行分析，物候變化量被定義為極端氣候事件條件下的植被物候（Pe）與正常氣候條件下植被物候（P0）的差值（ΔP），即

式中，Pe為有極端氣候事件發(fā)生時的植被物候，P0為沒有極端氣候事件發(fā)生時的植被物候，用年日序表示；ΔP即植被物候的變化量（d）。

主要考慮了SOS和EOS兩個物候變量的變化情況。當(dāng)ΔP＞0，表示該物候推遲，當(dāng)ΔP＜0時，表示該物候提前[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 “一帶一路”區(qū)域極端氣候事件變化特征

為了驗證極端氣候事件定義的有效性，選取2008年冬季和2010年夏季的兩次典型極端氣候事件。2008年冬季中國發(fā)生了大范圍的冰雪凍災(zāi)，西北部的陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆以及南部的江西、廣東、廣西、云南等20余個?。▍^(qū)、市）均不同程度受到影響。圖2a較好地反映了這次極端低溫事件，以中亞的極端寒冷事件為中心，極端冷事件從西亞一直蔓延到中國西北部和南部，波及范圍極廣。與此同時，東歐和俄羅斯西北部經(jīng)歷了大范圍的極端高溫事件，表明2008年冬天該地區(qū)普遍為“暖冬”。2010年夏季俄羅斯西部發(fā)生了嚴(yán)重的高溫?zé)崂耸录摰貐^(qū)經(jīng)歷了1880年以來最炎熱的7月，并且許多地區(qū)創(chuàng)下了歷史最高溫度記錄。圖2b反映了2010年夏季，在“一帶一路”大部分區(qū)域的氣溫保持正常的情況下，俄羅斯西南部的氣溫顯著高于平均水平，在俄羅斯西南部和幾個東歐國家檢測到了極端炎熱事件。

圖2 2008年冬季和2010年夏季極端氣候事件的空間分布Fig.2 Distribution of extreme climate events in the winter of 2008 and summer of 2010

計算發(fā)生極端氣候事件的格點(diǎn)數(shù)占“一帶一路”區(qū)域所有格點(diǎn)的比例，由圖3可見，1990?2018年“一帶一路”區(qū)域發(fā)生極端高溫事件區(qū)域的面積比例呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，而發(fā)生極端低溫事件區(qū)域的面積比例呈現(xiàn)減少的趨勢。同時，極端氣候事件主要以極端冷事件和極端熱事件為主，而極端寒冷事件和極端炎熱事件相對較少。分季節(jié)來看，春季極端熱事件增加趨勢明顯（圖3a），發(fā)生極端熱事件的區(qū)域面積平均每10a增加5.8個百分點(diǎn)，2016年和2017年春季的極端熱事件波及了“一帶一路”約30%的區(qū)域。2011年以來，極端炎熱事件也頻繁發(fā)生。夏季少有極端炎熱事件和極端寒冷事件（圖3b），極端熱事件的發(fā)生頻率近年來呈現(xiàn)增加的趨勢，而極端冷事件則顯著減少。秋季極端熱事件和極端冷事件近年來有所增加（圖3c）。冬季各種極端氣候事件頻繁（圖3d），極端冷事件和極端熱事件的平均面積比例為10%，極端寒冷事件和極端炎熱事件的平均面積比例為4%，且冷熱事件有以5a為周期交替發(fā)生的現(xiàn)象。

圖3 1990?2018年各季節(jié)逐年發(fā)生極端氣候事件區(qū)域面積占“一帶一路”區(qū)域總面積的比例Fig.3 The proportion of annual extreme climate events area in “One Belt and One Road” region in each season from 1990 to 2018

2.2 “一帶一路”區(qū)域植被物候特征

由圖4可見，研究區(qū)內(nèi)平均SOS總體上呈現(xiàn)隨緯度升高而推遲的層狀變化特點(diǎn)，赤道附近的印度尼西亞平均SOS為1月，北回歸線附近的中南半島國家和中國東南沿海地區(qū)為2月，北緯40°附近的東歐和中亞為3月，俄羅斯從南向北的平均SOS逐漸由4月過渡到6月。另外，海拔高度也顯著影響SOS，青藏高原的平均SOS為5月。印度的SOS主要受降水的影響，由于印度的雨季為6?10月，因此該區(qū)域的平均SOS為6?7月（圖4a）。平均EOS和平均LOS也呈現(xiàn)隨緯度升高而推遲的層狀變化特點(diǎn)，緯度越高，EOS越早，LOS越短。印度的生長季結(jié)束于旱季開始的3月，北極圈以內(nèi)的LOS僅為2～3個月，而赤道附近的印度尼西亞則達(dá)到了10個月以上（圖4b和4c）。平均DPS實(shí)際反映了植被生長的外界環(huán)境達(dá)到最佳的時間。由于溫度對植被生長的決定性作用，北回歸線以北區(qū)域的DPS普遍為夏季，而北回歸線以南由于常年高溫，其他因素（如降水）決定了DPS（圖4d）。

圖4 1981?2016年“一帶一路”區(qū)域平均植被物候Fig.4 Average vegetation phenology in “One Belt and One Road” region from 1981 to 2016

計算1981?2016年植被物候的年際變化率并進(jìn)行顯著性檢驗（P≤0.05）。由圖5可見，“一帶一路”區(qū)域84.75%的區(qū)域SOS變化率小于0，表明該區(qū)域的SOS普遍提前，其中大部分區(qū)域的變化率在?2～0，表明大部分區(qū)域的SOS平均每年提前少于2d。變化率小于0的區(qū)域主要為“一帶一路”區(qū)域的北部，南亞和東南亞的變化率大于0，表明這些區(qū)域的SOS有延后的趨勢（圖5a）。EOS則普遍延后，89.13%的區(qū)域EOS變化率大于0，且主要集中在“一帶一路”區(qū)域的北部，與SOS提前的區(qū)域在空間上高度關(guān)聯(lián)，這導(dǎo)致了LOS普遍增加，89.2%的區(qū)域LOS變化率大于0，且主要分布在“一帶一路”區(qū)域北部（圖5b和5c）。54.26%的區(qū)域DPS延后，離散分布在整個區(qū)域，而DPS提前的區(qū)域則相對集中，主要分布在中國東北部和中亞（圖5d）。

圖5 1981?2016年“一帶一路”區(qū)域植被物候年際變化率Fig.5 Change rate of vegetation phenology in “One Belt and One Road” region from 1981 to 2016

2.3 極端氣候事件對農(nóng)作物生長季的影響

歐洲東南部耕地的平均SOS為2?3月，平均EOS為11?12月。故分別選擇春季和秋季的極端氣候事件分析其對SOS和EOS的影響。由圖6可見，在1996年春季極端冷事件的作用下，歐洲東南部耕地區(qū)93.9%的區(qū)域農(nóng)作物生長季始期（SOS）推遲，平均推遲了17.5d（圖6a）；2014年春季的極端熱事件使56.7%的區(qū)域SOS提前，平均提前11.3d（圖6b）；1997年秋季的極端冷事件使81.2%的區(qū)域農(nóng)作物生長季末期（EOS）平均提前了42.1d（圖6c）；2009年秋季的極端熱事件使51.4%的區(qū)域EOS平均推遲了32.4d（圖6d）。

圖6 歐洲東南部耕地區(qū)域遭遇極端氣候事件時生長季物候變化量（ΔP，d）Fig.6 Variations in growing season phenology during extreme climatic events in cultivated areas of southeastern Europe (ΔP, d)

由圖7可見，總體上，低溫會縮短內(nèi)蒙古草原植物的生長期，而高溫會延長植物的生長期。1995年春季的極端冷事件使62.3%的區(qū)域SOS平均推遲了20.1d（圖7a）；1998年春季的極端熱事件使59.6%的區(qū)域SOS平均提前了14.2d（圖7b）；2002年秋季的極端冷事件使58.0%的區(qū)域EOS平均提前了11.5d（圖7c）；2006年秋季的極端熱事件使54.6%的區(qū)域EOS平均推遲了8.8d（圖7d）。

圖7 內(nèi)蒙古草原區(qū)域遭遇極端氣候事件時生長季物候變化量Fig.7 Variations in growing season phenology during extreme climatic events in Inner Mongolia Grassland of China (ΔP, d)

圖8為極端氣候事件對印度大陸耕地和泰國北部耕地植被物候的影響。印度大陸耕地的主要類型是旱地，在喜馬拉雅山脈南麓分布著連片的水田。由圖可見，1997年春季的極端冷事件使印度北部耕地58.5%的區(qū)域SOS延后，平均延后了18.7d（圖8a）；在2010年春季極端熱事件影響下，印度大陸32.3%的區(qū)域植被物候提前，平均提前了15.4d（圖8b）。泰國是中國重要的糧食進(jìn)口國，泰國北部分布著連片的耕地。2011年春季的極端冷事件使泰國北部36.7%的區(qū)域SOS平均推遲了19.4d（圖8c），而2016年春季的極端熱事件使70.2%的區(qū)域SOS平均提前了20.5d（圖8d）。

圖8 印度中部耕地（a、b）和泰國北部耕地（c、d）區(qū)域遭遇極端氣候事件時生長季物候變化量Fig.8 Variations in growing season phenology during extreme climatic events in cultivated land in central India and northern Thailand (ΔP, d)

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

“一帶一路”區(qū)域的極端氣候事件特別是極端高溫事件有明顯的增加趨勢，且不同季節(jié)的變化趨勢有明顯差異，表現(xiàn)為夏季極端高溫事件顯著增加，極端低溫事件顯著減少，而冬季各類極端氣候事件均有緩慢的增長趨勢，這與已有研究一致。閆慧敏等對內(nèi)蒙古極端氣候事件時空格局的研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古極端低溫事件頻率明顯減少，而極端高溫事件發(fā)生頻率與持續(xù)時間持續(xù)迅速增加[35]。陳曉晨等對中國未來極端氣候事件的預(yù)測表明，未來中國極端高溫事件（如暖夜、暖晝、熱帶夜）明顯增多，極端冷事件（如冷夜、冷晝、霜凍）減少[36]。對植被物候時空變化的分析結(jié)果顯示，“一帶一路”北回歸線以北的區(qū)域SOS有顯著提前的趨勢，EOS有顯著延后的趨勢，導(dǎo)致該區(qū)域生長季普遍延長。而“一帶一路”北回歸線以南的區(qū)域生長季變化不顯著，主要受到降水等其他因素的影響。表明植被物候受到多個氣象因素的影響，如氣溫、降水、光周期等[37?42]，且在不同的區(qū)域主導(dǎo)因素不同。

分析4個典型農(nóng)業(yè)區(qū)極端氣候事件對農(nóng)作物生長季的影響發(fā)現(xiàn)，極端高溫事件對SOS有提前作用，對EOS有延遲作用，而極端低溫事件的作用相反。大量研究顯示，氣象因素（氣溫和降水等）通常被認(rèn)為在植被物候變化中起主要作用[43?46]。氣溫升高和降水增多通常對SOS有積極作用，但是這種作用是非線性的，在不同時期和區(qū)域?qū)Σ煌闹脖活愋陀胁煌淖饔肹37,47?48]。因此，極端氣候事件在植被物候中的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

“一帶一路”區(qū)域的極端氣候事件以極端熱事件和極端冷事件為主，且總體上呈現(xiàn)增加的趨勢。極端高溫事件的增加趨勢明顯，而極端低溫事件則表現(xiàn)出了減少的趨勢，這種趨勢在夏季最明顯。冬季各類極端氣候事件頻繁發(fā)生，且極端高溫和極端低溫事件交替出現(xiàn)，每年受到極端氣候事件影響的區(qū)域面積約占“一帶一路”區(qū)域的20%。SOS、EOS和LOS總體上隨緯度位置層狀變化。一般來說，緯度越高，SOS越晚，EOS越早，導(dǎo)致LOS縮短。海拔和降水也顯著影響植被物候，例如青藏高原的平均SOS比同緯度的其他地區(qū)晚一個月，印度的生長季與雨季同步。同時，在全球變暖背景下，“一帶一路”大部分區(qū)域的SOS有提前的趨勢，而EOS有延后的趨勢，這導(dǎo)致了LOS的普遍延長。

當(dāng)極端高溫事件發(fā)生時，歐洲東南部耕地、內(nèi)蒙古草原、印度大陸耕地和泰國北部耕地4個典型農(nóng)業(yè)區(qū)SOS普遍提前，而EOS普遍延后，從而LOS延長。極端低溫事件則會導(dǎo)致SOS的延遲和EOS的提前。此外，極端事件越劇烈，植被物候受的影響越大。