黃土高原植被物候時空變化及其與季節(jié)性干旱的關(guān)系

黃 瑩，吳麗娟，趙 剛

（1.江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098； 2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次報告指出全球幾乎所有地區(qū)都出現(xiàn)了地表溫度持續(xù)上升現(xiàn)象［1］，1950 年以來全球干旱地區(qū)面積每10 a 增加約1.74%［2］，未來40 a 中國北方極端溫度事件發(fā)生頻率將顯著提高并影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［3－4］。植被物候是反映氣候變化的響應(yīng)指標(biāo)，在氣候快速變化背景下物候變化會影響植物群落中不同物種間相互作用［5－7］，因此研究干旱與植被物候的關(guān)系對應(yīng)對極端干旱事件具有重要意義。植被生長季始期（SOS）和植被生長季末期（EOS）在決定生長季長度和控制碳氮方面有同等重要的作用［8－11］。研究表明：植物往往會根據(jù)前一個物候的變化來調(diào)整后一個物候的時間［12－15］，暖化的春季是中國溫帶生態(tài)系統(tǒng)、青藏高原和北美北緯地區(qū)SOS提前的主要影響因素［16－18］，澳大利亞在濕潤和干旱年份的物候差異明顯［19］，氣候變暖導(dǎo)致北半球SOS提前、EOS推遲［20］，干旱事件是影響植被物候變化最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害［21－23］，生長季開始前積溫誘導(dǎo)的干旱導(dǎo)致中國東北草原SOS推遲和EOS提前、春季干旱推遲了草地和農(nóng)田的EOS、秋季干旱提前了草地EOS［24］，干旱嚴(yán)重影響黃土高原生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展［25－26］。盡管已有大量學(xué)者對植被物候進(jìn)行了研究，但目前黃土高原不同植被類型物候?qū)Ω珊得舾行皂憫?yīng)的差異尚不明確，對黃土高原植被物候時空變化機(jī)理的研究還有待深化，因此筆者基于1982—2015 年NDVI數(shù)據(jù)，提取黃土高原植被SOS和EOS并分析了其時空動態(tài)變化情況、與季節(jié)性降水蒸散發(fā)指數(shù)SPEI的相關(guān)性，旨在揭示季節(jié)性干旱對黃土高原植被物候的影響，為應(yīng)對極端干旱和水分脅迫研究等提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原東起太行山、西至日月山、南臨秦嶺、北臨陰山，地處東亞和南亞夏季風(fēng)的邊緣地帶，植被對季風(fēng)活動強(qiáng)度較為敏感。黃土高原從東南部到西北部年降水量由800 mm 降至150 mm，年降水量的55%～78%集中在6—9 月；氣溫晝夜變化幅度大，冬季干冷、夏季濕熱、秋季降溫快、春季升溫快，年平均氣溫由西北部3.6 ℃提高到東南部14.3℃；全年太陽輻射充足，年日照時間2 200～2 800 h，年太陽輻射總量約為109 J／m2［27］；植被類型分帶與年降水量分帶密切相關(guān)，從東南部到西北部依次為森林－草原、典型草原、沙漠－草原、草原－荒漠帶。黃土高原降水分布不均、蒸發(fā)量大、水資源嚴(yán)重短缺，植被覆蓋度低，水土流失和土地退化嚴(yán)重。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

（1）歸一化植被指數(shù)（NDVI）。本研究采用1982—2015 年GIMMSNDVI（源于西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)下載中心網(wǎng)站https：／／ecocast.arc.nasa.gov／data／）提取黃土高原植被SOS和EOS，其空間分辨率為8 km。雖然GIMMSNDVI數(shù)據(jù)有一定局限性，但它是可用于提取植被特征的時間序列最長的NDVI數(shù)據(jù)。采用Savitzky－Golay 濾波方法對GIMMSNDVI序列數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，以避免云導(dǎo)致的錯誤峰值［28］。

（2）氣候數(shù)據(jù)?；谥鹪赂顸c(diǎn)降水和溫度數(shù)據(jù)（源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站https：／／data.cma.cn／data／index.html）提取反映干旱程度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（SPEI），具體方法參見文獻(xiàn)［23］。用3 個月尺度和12 個月尺度的SPEI分別反映干旱的季節(jié)性（冬季為1—2 月和上年12 月，春季為3—5 月，夏季為6—8 月，秋季為9—11 月）變化特征、年際變化特征?；贏NUSPLIN 軟件將SPEI插值為8 km 分辨率的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

（3）植被類型數(shù)據(jù)。把黃土高原植被類型分為栽培植被、林地、沼澤、灌木、草地、荒漠，各類植被面積數(shù)據(jù)源于《中國植被圖（1 ∶100 萬）數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)》［29］，該數(shù)據(jù)集是反映我國自然資源條件及生態(tài)地理環(huán)境的重要基礎(chǔ)圖件，被廣泛應(yīng)用于各類科學(xué)研究工作中。

（4）高程數(shù)據(jù)?；? 000 m 分辨率的數(shù)字高程模型（源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)平臺http：／／www.resdc.cn）提取高程數(shù)據(jù)，重采樣為8 km 分辨率，作為氣象數(shù)據(jù)插值時的協(xié)變量。

1.3 研究方法

（1）物候期的提取。將NDVI曲線上升階段距離最小值為最大值與最小值間距離的20%的時間點(diǎn)定義為植被SOS，將NDVI曲線下降階段距離最大值為最大值與最小值間距離的80%的時間點(diǎn)定義為植被EOS［26］，SOS、EOS均用一年中距年初（1 月1 日）的天數(shù)表示。物候期提取方法有閾值法、滑動平均法、最大比率法等，本研究采用動態(tài)閾值法提取每個像元植被SOS和EOS，具體方法參見文獻(xiàn)［9］。

（2）趨勢分析和突變點(diǎn)檢驗(yàn)。采用Sen 趨勢分析法（具體方法參見文獻(xiàn)［20］）和Mann－Kendall（M－K）突變點(diǎn)檢驗(yàn)法（具體方法參見文獻(xiàn)［1，30］），探究黃土高原植被SOS和EOS的時空動態(tài)變化情況。

（3）相關(guān)性分析。采用高階偏相關(guān)分析法對不同植被類型SOS和EOS與季節(jié)性SPEI的相關(guān)性進(jìn)行分析，具體方法參見文獻(xiàn)［31］。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原植被物候的年際變化趨勢

1982—2015 年黃土高原植被SOS和EOS年際變化趨勢見圖1，SOS和EOS突變點(diǎn)M－K 檢驗(yàn)曲線見圖2。

圖1 黃土高原SOS 和EOS 年際變化趨勢

圖2 黃土高原SOS 和EOS 突變點(diǎn)M－K 檢驗(yàn)曲線

由圖1（a）可以看出，1989 年和2010 年分別是研究時段黃土高原植被SOS最晚年份和最早年份，SOS呈提前趨勢，線性變化傾向率為－0.180 9 d／a；由圖2（a）可以看出，1982—1994 年UF＞0（表明SOS以推遲趨勢為主，其中1985 年、1987—1989 年SOS顯著推遲），1995 年之后UF＜0（說明SOS以提前趨勢為主，其中1997 年之后提前趨勢顯著），UF和UB曲線相交于1995 年，即1995 年為SOS開始突變的年份。

由圖1（b）可以看出，1991 年和2007 年分別是研究時段黃土高原植被EOS最早年份和最晚年份，EOS呈推遲趨勢，線性變化傾向率為0.094 2 d／a；由圖2（b）可以看出，1982—1986 年UF＜0（說明EOS以提前趨勢為主），1987 年之后UF＞0（說明EOS以推遲趨勢為主，其中1992 年后EOS推遲趨勢顯著），UF和UB曲線相交于1990 年，即1990 年為EOS開始突變的年份。

2.2 黃土高原植被物候空間變化情況

根據(jù)M－K 突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果，把1995 年作為SOS突變年份、把1990 年作為EOS突變年份，探究不同時段SOS和EOS的時空分布特征。

黃土高原植被SOS各時段均值空間變化情況見圖3。由圖3（a）可以看出，1982—1994 年SOS從西北向東南逐漸提前，空間分布格局與水熱資源空間布局具有一致性。統(tǒng)計分析表明：1982—1994 年有22.5%的SOS大于130 d，零星分布在黃土高原干旱和半干旱地區(qū)；有60.1%的SOS集中在110～130 d；SOS極端最早值（＜80 d）主要分布在海拔較低的關(guān)中盆地和河南省。由圖3（b）可以看出，1995—2015 年SOS在毛烏素沙地、鄂爾多斯高原較1982—1994 年提前，其他地區(qū)SOS與1982—1994 年基本保持一致。

圖3 黃土高原植被SOS 各時段均值空間變化情況

黃土高原植被EOS各時段均值空間變化情況見圖4。由圖4（a）可以看出，1982—1989 年EOS從西北向東南逐漸推遲。統(tǒng)計分析表明：有40.5%的EOS集中在260～270 d，有3.2%的EOS大于280 d（零星分布在黃土高原東南部半濕潤區(qū)域）；EOS極端最小值（＜240 d）集中在干旱的毛烏素沙地、鄂爾多斯高原、隴中高原和關(guān)中盆地，這些地區(qū)植被主要為草地和栽培植被。由圖4（b）可以看出，1990—2015 年EOS極端最小值（＜250 d）零星分布在隴中高原地區(qū)，較大值（＞270 d）集中分布在陜西省中部和甘肅省東部地區(qū)，毛烏素沙地、鄂爾多斯高原、隴中高原和關(guān)中盆地EOS與1982—1989 年相比有所推遲（集中在260～270 d）。

圖4 黃土高原植被EOS 各時段均值空間變化情況

2.3 黃土高原各類植被物候變化趨勢

黃土高原各類植被SOS和EOS變化率統(tǒng)計見表1。

表1 黃土高原各類植被SOS 與EOS 變化率統(tǒng)計 d／a

由表1 可知：1982—1994 年各類植被SOS均有所提前，除草地和荒漠SOS提前速率較小外，其他4 類植被SOS提前速率均在0.15 d／a 以上；1995—2015 年荒漠、栽培植被、沼澤SOS分別以0.320 3、0.210 8、0.184 1 d／a 的速率推遲，其他3 類植被SOS有所提前；1982—1989 年除荒漠EOS以0.007 9 d／a 的速率提前外，其他植被類型EOS均有所推遲，其中沼澤EOS推遲速率較小、其他4 類植被EOS推遲速率相對較大；1990—2015 年林地、灌木、荒漠EOS有所提前，其他3 類植被EOS有所推遲，變化速率均較小。

2.4 黃土高原植被物候與SPEI 的相關(guān)性

各類植被SOS、EOS與不同季節(jié)SPEI的相關(guān)性分析結(jié)果見表2、表3。

表2 各類植被SOS 與不同季節(jié)SPEI 的偏相關(guān)系數(shù)

表3 各類植被EOS 與不同季節(jié)SPEI 的偏相關(guān)系數(shù)

1982—1994 年，荒漠、草地、沼澤SOS與當(dāng)年春季SPEI負(fù)相關(guān)，灌木、森林、栽培植被SOS與當(dāng)年春季SPEI正相關(guān)；各類植被SOS均與上年夏季和秋季SPEI正相關(guān)，其中與上年夏季SPEI相關(guān)系數(shù)大都大于秋季的；各類植被SOS均與年初冬季SPEI負(fù)相關(guān)。1995—2015 年，除沼澤SOS與當(dāng)年春季SPEI負(fù)相關(guān)外，其他植被SOS與當(dāng)年春季SPEI正相關(guān)；各類植被SOS均與上年夏季和秋季SPEI正相關(guān)；灌木、沼澤SOS與年初冬季SPEI負(fù)相關(guān)，其他植被SOS與年初冬季SPEI正相關(guān)。

1982—1989 年，沼澤、灌木EOS與當(dāng)年春季SPEI正相關(guān)，森林、草地、荒漠EOS與當(dāng)年春季SPEI負(fù)相關(guān)；各類植被EOS與上年夏季和秋季SPEI大都負(fù)相關(guān)，其中灌木和森林EOS與上年夏季和秋季SPEI的相關(guān)性較強(qiáng)；沼澤、荒漠EOS與年初冬季SPEI負(fù)相關(guān)，其他植被類型EOS與年初冬季SPEI正相關(guān)。1990—2015 年，除沼澤EOS與當(dāng)年春季SPEI正相關(guān)外，其他植被類型EOS與當(dāng)年春季SPEI負(fù)相關(guān)；各類植被EOS與上年夏季、上年秋季和年初冬季SPEI均正向關(guān)。

2.5 討 論

近年來，干旱對植被生長和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。上述分析表明，黃土高原植被SOS在1995年開始發(fā)生突變（由推遲趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆摆厔荩珽OS在1990 年開始發(fā)生突變（由提前趨勢變?yōu)橥七t趨勢），這一研究結(jié)果與吉珍霞等［10，15］、Pei 等［11］的研究結(jié)果一致。候靜等［32］研究發(fā)現(xiàn)，植被物候突變與氣溫變化有關(guān)，氣溫升高會使植被SOS提前。筆者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年春季和年初冬季干旱程度越高，次年植被SOS推遲越明顯，上年夏秋季干旱會導(dǎo)致次年植被SOS提前，1982—1994 年上年夏季SPEI對植被SOS的影響大于上年秋季SPEI對植被SOS的影響。侯青青等［33］研究發(fā)現(xiàn)，1995 年為黃土高原干旱的突變年，1995 年以后干旱加劇。Qin 等［34］研究發(fā)現(xiàn)，干旱和水分利用效率是黃河中游地區(qū)植被變綠的主要影響因子。這些研究結(jié)果都說明干旱對黃土高原植被生長產(chǎn)生了顯著影響，干旱很可能是黃土高原植被SOS發(fā)生突變的主要原因。

干旱是黃土高原植被生長的主要限制因素，但目前對黃土高原季節(jié)性干旱與不同植被物候關(guān)系的研究結(jié)論還存在差異。如Zhao 等［35］研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原干旱對植被物候的積累效應(yīng)發(fā)生在5～10 個月范圍內(nèi)，而時滯效應(yīng)發(fā)生在2～3 個月內(nèi)，而筆者研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)年春季和年初冬季干旱會導(dǎo)致次年植被SOS推遲，上年夏秋季干旱會導(dǎo)致次年植被SOS提前。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是黃土高原植被經(jīng)歷了干燥寒冷的冬季之后，春季氣溫回升、日照時數(shù)增加、太陽輻射增強(qiáng)、風(fēng)速加快等因素和干旱的共同作用會導(dǎo)致地表土壤水分進(jìn)一步減少，雖然溫度已經(jīng)滿足了植被返青的需求，但是隨著溫度升高和極端溫度事件的增加以及伴隨的干旱事件增多，使土壤水分和植被冠層水分蒸散發(fā)量增加，導(dǎo)致植被返青期推遲。隨著蒸散發(fā)量增大，地表干燥度提高，裸露在外的土壤在強(qiáng)烈的太陽輻射、風(fēng)和極端降水的侵蝕下，植被根系抓地力下降，從而進(jìn)一步導(dǎo)致深層土壤水分蒸散發(fā)量增加，也會造成植被返青期推遲。此外，筆者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年春季和上年夏季干旱會導(dǎo)致植被EOS推遲，上年秋季和年初冬季干旱會導(dǎo)致植被EOS提前，這一結(jié)果與吉珍霞等［15］研究結(jié)果一致，其主要原因是黃土高原春季多風(fēng)沙和夏季炎熱多暴雨的天氣會增加地表蒸散發(fā)量［28］，加之黃土高原地處干旱和半干旱區(qū)，年降水量少且常年遭受風(fēng)蝕、水蝕，當(dāng)夏季干旱時，沒有充足的土壤水分供給植被進(jìn)行碳的合成，造成植被光合作用減弱、植被氣孔關(guān)閉、葉片過早衰老，使植被提前進(jìn)入枯黃期。

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明：黃土高原植被SOS在1995 年開始發(fā)生突變，由推遲趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆摆厔?，平均變化傾向率為－0.180 9 d／a；EOS在1990 年開始發(fā)生突變，由提前趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橥七t趨勢，平均變化傾向率為0.094 2 d／a；當(dāng)年春季干旱和年初冬季干旱會導(dǎo)致次年植被SOS推遲，上年夏秋季干旱會導(dǎo)致次年植被SOS提前，當(dāng)年春季干旱和上年夏季干旱會導(dǎo)致植被EOS推遲，上年秋季干旱和年初冬季干旱會導(dǎo)致植被EOS提前。