轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)氣候變化特征及對(duì)NDVI的影響

任釔潼，程清平,2,3，金韓宇，張宏英，王 平

(1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，昆明 650224；2.西南生態(tài)文明研究中心，昆明 650224；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院玉龍雪山冰凍圈與可持續(xù)發(fā)展國家(云南省)科學(xué)野外觀測研究站，蘭州 730000；4.云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500)

保護(hù)區(qū)在減少棲息地?fù)p失和維持物種的可持續(xù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，氣候變化和人為壓力已對(duì)保護(hù)區(qū)生物多樣性構(gòu)成巨大威脅。已有研究指出，在氣候變化下，江西武夷山、河北大海陀、吉林長白山、寧夏賀蘭山、西藏羌塘、西藏雅魯藏布大峽谷和甘肅祁連山等保護(hù)區(qū)NDVI對(duì)氣溫、降水響應(yīng)敏感，除氣候影響外，張玉琴等、李娟等、付健新等指出地形地貌因子(坡度、坡向)亦會(huì)影響NDVI變化趨勢。已有研究主要側(cè)重于平均氣溫、降水對(duì)保護(hù)區(qū)NDVI的影響。近年來，極端氣候事件呈增加、增強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間延長的態(tài)勢，將可能顯著影響區(qū)域植被動(dòng)態(tài)變化，保護(hù)區(qū)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)與日俱增。因此，勢必需要進(jìn)一步揭示保護(hù)區(qū)NDVI對(duì)極端氣候變化的響應(yīng)。當(dāng)前，中國氣候脆弱性較高的保護(hù)區(qū)主要分布在西南地區(qū)和青藏高原的部分地區(qū)，尤其是云南氣候變化風(fēng)險(xiǎn)更高。轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(簡稱轎子山)位于滇中高原，作為我國少有的高山保護(hù)區(qū)之一，保存有代表性的滇中高原植被與生境垂直帶譜，對(duì)氣候變化尤為敏感，識(shí)別極端氣候事件對(duì)保護(hù)區(qū)植被的影響特征，可為保護(hù)區(qū)氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和監(jiān)測預(yù)警提供參考依據(jù)。

基于此，本研究利用保護(hù)區(qū)所在的東川區(qū)與祿勸彝族苗族自治縣(祿勸縣)20世紀(jì)50—80年代氣候要素資料和1961—2019年逐日氣候要素?cái)?shù)據(jù)集、2017—2019年保護(hù)區(qū)周邊自動(dòng)氣象站逐時(shí)氣溫、降水要素?cái)?shù)據(jù)集、1999—2016年1 km月尺度歸一化植被指數(shù)集(NDVI)，圍繞2個(gè)問題展開研究：(1)氣候(極端)要素和溫度帶垂直組合隨時(shí)間如何變化？(2)保護(hù)區(qū)NDVI如何響應(yīng)極端氣候變化？

1 研究區(qū)概況

轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(102.80°—102.98°E，26.00°—26.20°N)位于東川區(qū)與祿勸縣交匯處，分為轎子山片區(qū)和普渡河片區(qū)，總面積16 456 hm(圖1)。山勢南北延伸，主峰為雪嶺(4 344.1 m)，該峰是青藏高原以東海拔最高的山地，也是北半球該緯度帶上最高山地之一。轎子山位于北亞熱帶半濕潤氣候區(qū)，水分和熱量條件垂直分異顯著，夏季受熱帶海洋氣團(tuán)控制多云雨，冬季受熱帶大陸氣團(tuán)控制少降水。區(qū)域?qū)偕稚鷳B(tài)系統(tǒng)類型自然保護(hù)區(qū)，主要保護(hù)對(duì)象為以攀枝花蘇鐵、須彌紅豆杉、林麝等為代表的珍稀瀕危野生動(dòng)植物資源及其棲息環(huán)境，分布有我國面積最大的高山柏林和海拔最低的高山松林。

圖1 站點(diǎn)分布與研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

東川區(qū)和祿勸縣氣象數(shù)據(jù)資料均由東川區(qū)和祿勸縣氣象局提供，所搜集氣象數(shù)據(jù)資料見文獻(xiàn)[18-21]。1 km月尺度歸一化植被指數(shù)(NDVI，1999—2016年)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)，30 m數(shù)字高程模型(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)。

2.2 研究方法

采用一元線性回歸、Pettitt非參數(shù)法分析氣候要素、極端氣候指數(shù)、NDVI趨勢特征。通過Arcgis 10.5反距離權(quán)重插值20世紀(jì)50—80年代、2017—2019年平均氣溫、年降水量的柵格并利用等值線工具分別提取等溫線與等降水量線。對(duì)DEM(30 m)進(jìn)行柵格重分類，劃分間隔為500 m，將保護(hù)區(qū)劃分為4個(gè)海拔帶，統(tǒng)計(jì)不同海拔帶內(nèi)柵格值，用以研究不同海拔帶NDVI變化特征。此外，為探究植被對(duì)極端氣候事件的響應(yīng)，將NDVI與極端氣候指數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析。

2.2.1 極端氣候指數(shù) 結(jié)合保護(hù)區(qū)氣候特征，從ETCCDI定義的極端指數(shù)中選取14個(gè)表征極端氣溫指數(shù)和9個(gè)表征極端降水指數(shù)，定義見http://etccdi.pacificclimate.org/list_27_indices.shtml。采用R ClimDex軟件計(jì)算東川、祿勸站極端氣溫/降水指數(shù)。

2.2.2 溫度帶劃分 參考鄭景云等和王宇溫度帶劃分標(biāo)準(zhǔn)，探討全球變暖下轎子山垂直方向溫度帶的動(dòng)態(tài)變化，各指標(biāo)分類見表1。以日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃積溫日數(shù)作為主要指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確辨別山地地區(qū)熱量地域分異。落雪站(可代表轎子山高海拔地區(qū)氣候狀況)歷史1月平均氣溫為1.3 ℃，7月平均氣溫為11.8 ℃，由此可知，1月平均氣溫和7月平均氣溫并不是轎子山地區(qū)主要限制因子。故本文以日平氣均溫≥10 ℃持續(xù)日為主要指標(biāo)，以≥10 ℃積溫為參考指標(biāo)，1月平均氣溫與7月平均氣溫為輔助指標(biāo)劃分轎子山溫度帶。

表1 云南溫度帶劃分標(biāo)準(zhǔn)[26-27]

對(duì)于垂直溫度帶的劃分，2017—2019年研究區(qū)有5個(gè)自動(dòng)氣象站和2個(gè)國家站的氣象數(shù)據(jù)可用，其中東川和祿勸站在2個(gè)時(shí)段均有，且最低點(diǎn)均是東川站，盡管前后站點(diǎn)不同，但在空間上均比較接近，因而可用于揭示2017—2019年相對(duì)于20世紀(jì)50—80年代垂直溫度帶的變化。依據(jù)表2推算轎子山每隔100 m高度下的≥10 ℃積溫日數(shù)、≥10 ℃積溫、1月平均氣溫以及7月平均氣溫，并以此進(jìn)行溫度帶識(shí)別劃分。

表2 轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)≥10 ℃積溫日數(shù)、≥10 ℃積溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫垂直遞減率

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域氣候

3.1.1 氣候要素時(shí)間變化趨勢 從圖2可以看出，轎子山年平均氣溫顯著升高，年日照時(shí)間、年平均風(fēng)速、年霧日呈顯著降低態(tài)勢，年降水量、年平均相對(duì)濕度趨于緩慢降低。從顯著突變點(diǎn)來看，年霧日、年日照時(shí)間突變年相對(duì)提早，年平均氣溫、年平均風(fēng)速較為滯后，年平均相對(duì)濕度突變年最為滯后。

圖2 1961-2019年轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)氣候要素年際變化

3.1.2 平均氣溫空間變化特征 由圖3a～圖3f可知，20世紀(jì)50—80年代轎子山年平均氣溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫總體分布呈南高北低、西高東低趨勢。轎子山西部、北部等溫線分布較為密集，表明溫差大，可能與轎子山地形關(guān)系密切。相較于20世紀(jì)50—80年代，2017—2019年年平均氣溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫表現(xiàn)為北高南低、東高西低趨勢。等溫線分布特征均表現(xiàn)為東密西疏，可能是由于2017—2019所使用的部分站點(diǎn)與20世紀(jì)50—80年代不同而對(duì)平均氣溫空間分布格局產(chǎn)生影響。總體來看，轎子山平均氣溫變化具有海拔依賴性的特點(diǎn)，且各局部地區(qū)平均氣溫趨于上升。從平均氣溫變幅來看，轎子山西部(地勢較高)氣溫增幅小于轎子山東部(地勢較低)。

3.1.3 年降水量空間變化特征 由圖3g～圖3h可知，轎子山年降水量空間分布特征為西多東少。20世紀(jì)50—80年代，轎子山西部等降水量線分布較為密集，向東等降水量線分布逐漸稀疏，即年降水量的空間差異向東逐漸減小。由于20世紀(jì)50—80年代部分站點(diǎn)終止使用，2017—2019年所使用的站點(diǎn)數(shù)量以及站點(diǎn)地理參數(shù)上的不同可能對(duì)等降水量線的分布產(chǎn)生影響，但不會(huì)造成最終結(jié)論偏差，因此仍有研究意義。基于此，相較于20世紀(jì)50—80年代，2017—2019年等降水量線表現(xiàn)為東密西疏，即年降水量的空間差異東大西小，轎子山除西南角、東北角年降水量趨于減少外，大部分地區(qū)呈增加態(tài)勢，西南區(qū)域變幅最大。

圖3 20世紀(jì)50-80年代與2017-2019年轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)平均氣溫、年降水量分布

3.2 溫度帶劃分

從圖4可以看出，20世紀(jì)50—80年代，轎子山垂直溫度帶依次為南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、山地寒溫帶和山地亞寒帶。相較于20世紀(jì)50—90年代，2017—2019年轎子山基帶溫度帶為北熱帶，南亞熱帶下界隨之抬升200 m，中亞熱帶上界降低約100 m，北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、山地寒溫帶、山地亞寒帶下界下降約100～300 m。

圖4 20世紀(jì)50-80年代與2017-2019年轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)溫度帶

3.3 極端氣溫與降水事件分析

3.3.1 極端氣溫 由圖5可知，東川站暖指數(shù)(除TXx)趨于增長，冷指數(shù)(除TXn、TNn)趨于下降，且僅TN10p通過0.05顯著檢驗(yàn)。突變點(diǎn)通過0.05顯著性檢驗(yàn)的極端氣溫指數(shù)中，暖指數(shù)多于冷指數(shù)，TXx突變相對(duì)提早(1974年)，TNx、SU25、TX90p、TN10p突變相對(duì)同步(2008—2010年)。祿勸站暖指數(shù)均趨于上升，以TXx、TNx、SU25、TR20、TX90p、TN90p、WSDI最為顯著，冷指數(shù)(除TNn)呈下降態(tài)勢，以TNn、FD0、TN10p、CSDI最為顯著。突變點(diǎn)通過0.05顯著性檢驗(yàn)的極端氣溫指數(shù)中，暖指數(shù)多于冷指數(shù)，冷指數(shù)(1989—2000年)突變相對(duì)同步性強(qiáng)于暖指數(shù)(1991—2005年)。

圖5 1961—2019年轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)東川、祿勸站極端暖、冷指數(shù)年際變化

3.3.2 極端降水 由圖6可知，東川站強(qiáng)度指數(shù)、極端降水量指數(shù)(R95p除外)趨于不顯著增長，極端降水日指數(shù)(R10 mm除外)趨于不顯著降低，極端干旱日指數(shù)趨于輕微下降，未有極端降水指數(shù)突變點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)。祿勸站強(qiáng)度指數(shù)趨于不顯著增長，極端降水量指數(shù)(除R99p)、極端降水日指數(shù)趨于不顯著降低，極端干旱日指數(shù)趨于輕微上升。僅RX1與R99p存在顯著突變且均為1984年。綜上，東川、祿勸站降雨強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，極端降水日趨于減少，東川站極端降水量趨于緩慢增加，祿勸站趨于緩慢減少。

圖6 1961—2019年轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)東川、祿勸站極端降水指數(shù)年際變化

3.4 NDVI時(shí)空特征以及對(duì)極端氣候指數(shù)的響應(yīng)

3.4.1 NDVI時(shí)空特征 由圖7可知，不同海拔范圍下NDVI均趨于顯著增長，NDVI增速隨海拔升高減小。1 736～3 236m海拔帶NDVI值為0.6～0.8，3 236～3 736 m海拔帶內(nèi)NDVI值范圍為0.4～1.0。2003年以前，海拔1 736～2 236，2 236～2 736 m區(qū)域內(nèi)NDVI值為0.6～0.8，并且穩(wěn)定不變，2 736～3 236，3 236～3 736 m海拔帶內(nèi)分別約有11.86%，10.77%的柵格NDVI值降低。2003年—2010年，4個(gè)海拔帶(從低到高)分別有約33.33%，16.67%，11.86%，4.62%的柵格NDVI值增長，2010—2012年又存在不同程度的NDVI值下降。2012—2016年，各海拔帶分別有約33.33%，50.00%，53.34%，28.41%的柵格NDVI值趨于增長。

圖7 1999-2016年轎子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同海拔帶NDVI趨勢變化以及值結(jié)構(gòu)

3.4.2 NDVI對(duì)極端氣候事件的響應(yīng) 圖8為東川站和祿勸站極端氣候指數(shù)與轎子山年平均NDVI(NDVI)、年最大NDVI(NDVI)、年最小NDVI(NDVI)的Spearman相關(guān)。NDVI、NDVI與暖/冷指數(shù)多呈正/負(fù)相關(guān)，且NDVI與暖指數(shù)中的TXx(東川)、SU25(祿勸)、TR20呈顯著正相關(guān)，與冷指數(shù)中的TX10p(東川)呈顯著負(fù)相關(guān)。NDVI與暖/冷指數(shù)多呈負(fù)/正相關(guān)，與其中的WSDI(東川)、TNx呈顯著負(fù)相關(guān)。

注：*表通過0.05顯著性檢驗(yàn)。

總體來看，3個(gè)NDVI指數(shù)與極端降水指數(shù)相關(guān)性偏弱，僅NDVI與RX1(祿勸)，NDVI與R25 mm(東川)呈顯著正相關(guān)，即降雨強(qiáng)度、極端降雨日數(shù)分別對(duì)NDVI、NDVI升高存在促進(jìn)作用。

4 討 論

4.1 氣候變化特征

從表3可以看出，多數(shù)山地保護(hù)區(qū)僅研究氣溫、降水2個(gè)氣候要素：氣溫趨于升高或降低，降水除轎子山外均趨于增加。本研究表明，轎子山年日照時(shí)間、年平均風(fēng)速、年霧日趨于顯著降低。此外，平均氣溫與降水量等值線分布未考慮地形影響，其插值結(jié)果可能存在一定的偏差(圖3)。轎子山暖指數(shù)、降水強(qiáng)度指數(shù)趨于增長，冷指數(shù)、極端降水日指數(shù)趨于下降，與Shao等的研究結(jié)論一致。此外，張善紅等和Guan等分別發(fā)現(xiàn)，秦嶺地區(qū)和青藏高原溫度帶(氣候帶)正向高海拔攀升，本研究表明，轎子山同樣存在該現(xiàn)象，即基帶溫度帶由南亞熱帶轉(zhuǎn)為北熱帶，原南亞熱帶整體高度抬升。

表3 國家級(jí)山地自然保護(hù)區(qū)氣候要素趨勢比較

4.2 NDVI趨勢的海拔差異

轎子山海拔1 736～2 236，2 236～2 736，2 736～3 236，3 236～3 736 m區(qū)域內(nèi)NDVI斜率分別為7.28×10，5.85×10，5.28×10，3.75×10a，表明隨海拔升高，NDVI增速減緩。Tao等研究表明，西南地區(qū)不同海拔帶NDVI均趨于增長，且增速隨海拔升高而上升，以海拔1 200～3 500 m范圍內(nèi)NDVI增速的垂直變化率最高，每1 000 m升高0.06%/a；Jiang等研究發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)海拔<3 400 m，NDVI顯著增長，3 400 m以上NDVI先增后降不一致；而Li等研究表明，雅魯藏布江大峽谷保護(hù)區(qū)NDVI增速隨海拔升高顯著降低，海拔≤3 000 m、NDVI增速為0.05/10～0.08/10 a、海拔>3 000 m，NDVI增速為0.01/10～0.03/10 a。上述差異可能與研究區(qū)域大小和海拔帶劃分標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)。

除海拔作用外，張玉琴等、李娟等、付建新等、魏建瑛等研究指出，坡度、坡向不同，區(qū)域內(nèi)NDVI趨勢變化也會(huì)出現(xiàn)差異。因此，NDVI趨勢變化受海拔作用外，坡度、坡向可能也有所影響。

4.3 NDVI與極端氣候指數(shù)相關(guān)

氣溫通過影響植物的碳素同化和消耗過程，從而控制植被生長，同時(shí)也通過調(diào)節(jié)區(qū)域蒸散過程控制土壤水分影響植被生長；降水則通過調(diào)控土壤水分間接影響植被變化。本研究發(fā)現(xiàn)，轎子山極端氣溫指數(shù)與NDVI、NDVI、NDVI的相關(guān)性整體強(qiáng)于極端降水指數(shù)，與Shao等的研究結(jié)果西南地區(qū)極端氣溫指數(shù)對(duì)NDVI、LAI、GPP的貢獻(xiàn)率大于極端降水指數(shù)一致。進(jìn)一步來看，NDVI對(duì)極端暖指數(shù)TXx、TR20、SU25呈顯著正相關(guān)，而NDVI與暖指數(shù)TNx、WSDI呈顯著負(fù)相關(guān)，表明NDVI對(duì)夜間和白晝氣溫響應(yīng)存在顯著差異，這與Peng等的研究結(jié)論晝夜升溫存在對(duì)NDVI的非同步性作用一致。極端降水指數(shù)中，僅強(qiáng)度指數(shù)中的RX1、極端降水日指數(shù)中R25 mm分別與NDVI、NDVI呈顯著正相關(guān)，表明降水強(qiáng)度、大雨日數(shù)對(duì)NDVI影響較大。然而，NDVI與極端降水指數(shù)均未通過顯著性檢驗(yàn)，表明極端降雨指數(shù)對(duì)NDVI的影響不明顯。

Jiang等、Yin等、Wei等分別揭示了西南地區(qū)、橫斷山區(qū)、瀾滄江流域不同植被類型NDVI在不同海拔帶對(duì)平均氣溫/極端氣溫、降水/極端降水存在顯著不同的海拔依賴性變化。因此，若轎子山不同海拔下可用氣象站更多(如落雪、雪山等站持續(xù)監(jiān)測或現(xiàn)自動(dòng)站監(jiān)測氣象序列更長)，可進(jìn)一步揭示轎子山不同海拔帶不同植被類型對(duì)不同海拔帶極端氣候指數(shù)的響應(yīng)。

氣候變化已對(duì)中國西南氣候脆弱性地區(qū)的生物多樣性構(gòu)成巨大威脅，保護(hù)區(qū)氣候風(fēng)險(xiǎn)閾值的精確識(shí)別是氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理的基礎(chǔ)。目前，我國自然保護(hù)區(qū)建設(shè)與管理的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未納入氣候變化風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查與管控的相關(guān)內(nèi)容，缺乏成熟的極端氣候變化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)警等技術(shù)，未來可設(shè)立自然保護(hù)區(qū)適應(yīng)氣候變化的專項(xiàng)資金，以加強(qiáng)自然保護(hù)區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的管控能力建設(shè)。

5 結(jié) 論

(1)轎子山年平均氣溫(0.13 ℃/10 a)趨于顯著升高，年日照時(shí)間(-58.73 h/10 a)、年平均風(fēng)速(-0.21(m·s)/10 a)和年霧日(-4.8 d/10 a)均顯著下降。

(2)20世紀(jì)50—80年代、2017—2019年轎子山基帶溫度帶分別為南亞熱帶、北熱帶，相較于20世紀(jì)50—80年代，2017—2019年南亞熱帶攀升。

(3)1999—2016年，海拔1 736～2 236(0.07/10 a)，2 236～2 736(0.06/10 a)，2 736～3 236(0.05/10 a)，3 236～3 736 m(0.04/10 a)的區(qū)域NDVI均趨于顯著增長，但增幅隨海拔升高而減小。

(4)NDVI對(duì)暖指數(shù)、降水強(qiáng)度指數(shù)、極端降水日指數(shù)響應(yīng)更為敏感，白晝氣溫升高促進(jìn)/抑制NDVI/NDVI增長，夜間氣溫升高對(duì)NDVI產(chǎn)生較大影響。