2000—2021年青藏高原生長季植被敏感性的時(shí)空變異

陳甲豪,吳 凱,胡中民,楊 涵

海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,海口 570228

青藏高原是全球平均海拔最高、面積最大的高原,素有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱[1]。衛(wèi)星遙感已經(jīng)觀察到自20世紀(jì)80年代以來青藏高原植被有持續(xù)綠化的趨勢[2],植被控制著青藏高原生態(tài)系統(tǒng)中的能量、水熱以及碳循環(huán),對全球氣候產(chǎn)生反饋?zhàn)饔肹3—4]。然而,氣候的持續(xù)變化使得青藏高原植被經(jīng)受更多的外部擾動,最近研究顯示接近臨界閾值的系統(tǒng)對外部擾動的反應(yīng)更敏感,青藏高原作為亞洲乃至北半球氣候變化的“放大器”[5],全球氣候變暖可能會對其脆弱生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,因此量化青藏高原生態(tài)系統(tǒng)對氣候響應(yīng)的敏感性具有重要意義。

近年來,生態(tài)系統(tǒng)敏感性已成為氣候變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),對于如何定量研究植被的氣候敏感性,學(xué)者們提出了不同的方法,如使用數(shù)學(xué)模型[6—10]或通過構(gòu)建敏感性指標(biāo)[11—13]來評估生態(tài)系統(tǒng)敏感性,目前相關(guān)研究結(jié)果顯示敏感性在區(qū)域尺度以及不同植物群落類型之間具有高度空間異質(zhì)性。然而以往對植被生態(tài)系統(tǒng)敏感性研究多集中在植被對平均氣候的變化響應(yīng),而不是氣候變量的方差[14],最近有學(xué)者提出了一種綜合性植被敏感性指數(shù)(Vegetation Sensitivity Index,VSI)[15],基于遙感植被指數(shù)和氣候變量數(shù)據(jù),可量化植被生產(chǎn)力對3個氣候變量(氣溫,水分可利用性和光照)變化的響應(yīng),VSI已成為評估生態(tài)系統(tǒng)敏感性的一種有效方法,已被應(yīng)用在評估中亞[16]、中國[8]和內(nèi)蒙古[17]等地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的敏感性。

目前已經(jīng)有學(xué)者基于VSI探究了青藏高原生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性,研究發(fā)現(xiàn)青藏高原的敏感性存在空間異質(zhì)性[18—19],且在不同生態(tài)系統(tǒng)間也存在差異,高寒草地對溫度和輻射的響應(yīng)更敏感,并且隨著海拔梯度的增加而增加[20]。還有研究顯示放牧等人類活動與VSI顯著相關(guān),指出未來對生態(tài)系統(tǒng)敏感性的評估不應(yīng)忽視人為干擾[21]。然而,上述關(guān)于青藏高原敏感性的研究多集中于VSI的空間分布,雖然已經(jīng)有研究在季節(jié)尺度[22]分析了生態(tài)系統(tǒng)敏感性,但目前針對青藏高原VSI時(shí)間變異性方面的研究仍十分稀少,而VSI的動態(tài)變化研究可以幫助人們更好地理解在氣候變暖背景下植被敏感性的時(shí)間變化情況。

因此,本研究基于VSI指標(biāo),使用2000—2021年青藏高原生長季植被和氣候變量時(shí)間序列數(shù)據(jù),首先探究了22年里青藏高原生態(tài)系統(tǒng)敏感性的空間格局及其氣候驅(qū)動因素。其次將2000—2021年劃分為3個時(shí)期:2000—2006年、2007—2013年以及2014—2021年,以此探究青藏高原VSI的時(shí)間動態(tài)變化,并使用地表覆蓋數(shù)據(jù)揭示了青藏高原不同時(shí)期內(nèi)各植被類型的VSI差異。本研究有助于理解青藏高原生態(tài)系統(tǒng)敏感性的時(shí)空變化,并為青藏高原生態(tài)系統(tǒng)敏感性的動態(tài)評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)為青藏高原,地理位置界于北緯26°00′—39°47′,東經(jīng)73°19′—104°47′之間,占全國總面積的23%,平均海拔超過4000m[23]。冬季漫長而夏季多雨是青藏高原的氣候特點(diǎn)。全球氣候變暖使得高原寒帶和亞寒帶北移、溫帶區(qū)擴(kuò)大。青藏高原60%以上的面積被高山荒漠草原、高山草原和高山草甸覆蓋(圖1),其它植被類型包括耕地、灌木、針葉林和闊葉林。近些年來青藏高原生態(tài)系統(tǒng)總體趨向于變好,而局部變差。

圖1 青藏高原地表覆蓋類型Fig.1 Land cover types of the Qinghai-Tibet Plateau

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

植被指數(shù)是反映地表植被生長和覆蓋、生物量大小和植被種類的間接指標(biāo),為了評估青藏高原植被對氣候變化的響應(yīng),我們使用了MOD13C1植被指數(shù)產(chǎn)品(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/)。該數(shù)據(jù)集提供全球增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index,EVI)數(shù)據(jù),空間分辨率為0.05°×0.05°,時(shí)間分辨率為15 d。本文對2000—2021年青藏高原EVI逐半月數(shù)據(jù)采用最大值合成法(Maximum Value Composites,MVC)獲取月尺度的EVI數(shù)據(jù),MVC可以減少云覆蓋、大氣、太陽高度角等因素的影響。青藏高原的生長季較短且生長季開始和結(jié)束時(shí)間不斷發(fā)生變化[24],研究中的時(shí)間段選擇了6—8月,同時(shí)剔除了EVI小于0.05或溫度小于0℃的數(shù)據(jù),以此確定青藏高原植被生長季。

ERA5是第五代歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium—Range Weather Forecasts,ECMWF)大氣再分析全球氣候數(shù)據(jù)集,具有時(shí)間范圍跨度長、時(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。本文選取2000—2021年2 m大氣溫度、降水和太陽短波輻射數(shù)據(jù),以青藏高原EVI為參照使用最鄰近值法將3個氣候變量重采樣至EVI空間網(wǎng)格。

地表覆蓋類型數(shù)據(jù)來源于科學(xué)數(shù)據(jù)銀行(https://www.scidb.cn/),青藏高原高山草原地圖[25]是利用2010年MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光譜儀)影像制作的,空間分辨率為500 m,時(shí)間分辨率為8 d。該數(shù)據(jù)集從歸一化植被指數(shù)時(shí)間序列中提取高山草原的物候指標(biāo),使用支持向量機(jī)和多步驟分類算法對高山草甸,高山草原和高山荒漠進(jìn)行分類。實(shí)驗(yàn)中將其重采樣至EVI空間網(wǎng)格,過程如下:逐像元統(tǒng)計(jì)位于EVI網(wǎng)格內(nèi)地表覆蓋類型像元的數(shù)量和對應(yīng)的類型,選取出現(xiàn)頻率最大的類型賦值給對應(yīng)EVI網(wǎng)格,得到重采樣后研究區(qū)的地表覆蓋類型(圖1)。實(shí)驗(yàn)中僅考慮植被區(qū)域,因此下面分析中僅考慮了高山荒漠、高山草原、高山草甸、耕地、灌木叢、針葉林和闊葉林這七種植被類型。

1.3 研究方法

VSI是Seddon等[15]于2016年提出的一種新的綜合性指標(biāo),用于定量評估生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的相對響應(yīng)程度,揭示對氣候變化響應(yīng)敏感的區(qū)域分布。VSI是通過氣候權(quán)重和氣候敏感性進(jìn)行計(jì)算的,在月尺度上探究了植被生產(chǎn)力對3個氣候變量(氣溫,水的可用性和太陽輻射)的響應(yīng)。在去除EVI和氣候變量的季節(jié)性趨勢并標(biāo)準(zhǔn)化(Z分?jǐn)?shù))后,敏感性是由EVI與3個氣候變量方差的比值確定的,而權(quán)重是通過多元線性回歸系數(shù)量化的,同時(shí)回歸分析中考慮了植被的記憶效應(yīng),將一個月滯后的EVI時(shí)序數(shù)據(jù)作為第四個變量。由于3個氣候要素間存在互相關(guān)關(guān)系,使用主成分分析法篩選了累計(jì)貢獻(xiàn)度>95%的主成分,將其作為自變量與EVI數(shù)據(jù)放入多元線性回歸模型中進(jìn)行分析,其中僅考慮了顯著的回歸系數(shù)(P<0.05),以此消除氣候變量間的共線性問題,最后根據(jù)得分系數(shù)矩陣將各主成分返回到原3個氣候變量。關(guān)鍵公式如下:

EVIt=α×TEMt+β×PREt+γ×SSDt+δ×EVIt-1+ε

(1)

式中,EVIt、TEMt、PREt和SSDt是去趨勢并標(biāo)準(zhǔn)化后的EVI、溫度、降水和太陽輻射時(shí)間序列,EVIt-1是滯后一個月的EVI時(shí)間序列,α、β、γ和δ分別是TEMt、PREt、SSDt和EVIt-1的回歸系數(shù),ε是殘差。根據(jù)α、β、γ的絕對值占三者總和的比例得到計(jì)算VSI時(shí)各氣候變量的權(quán)重大小。

氣候敏感性定義為去趨勢后的EVI方差與每個氣候變量方差比值,并進(jìn)一步通過對數(shù)函數(shù)處理得到的,將3個氣候敏感性乘以對應(yīng)權(quán)重并求和得到VSI,并將其數(shù)值歸一化至1—100,VSI 數(shù)值越大,表示植被對氣候變化的響應(yīng)越敏感。公式如下:

VSI=TEMα×TEMsens+PREβ×PREsens+SSDγ×SSDsens

(2)

式中,TEMα、PREβ和SSDγ分別為溫度、降水和太陽輻射的氣候權(quán)重,來自公式(1),TEMsens、PREsens和 SSDsens是EVI 對每個氣候變量的敏感性,即方差比值。

為了探究青藏高原EVI對氣溫、降雨和太陽輻射敏感性的年內(nèi)變化,基于以往關(guān)于青藏高原物候的相關(guān)研究,建立了3個時(shí)間段:2000—2006年、2007—2013年以及2014—2021年,分別記作P1、P2和P3。時(shí)間斷點(diǎn)選擇原因如下:有研究發(fā)現(xiàn)青藏高原植被返青期在2000—2006年間呈推遲趨勢[26],而植被返青期被視為青藏高原陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的敏感指標(biāo)之一[27],由此確定2006年作為斷點(diǎn)之一。其次我們對2007—2021時(shí)間段進(jìn)行二等分以確保3個研究時(shí)段的可比性。

因?yàn)閂SI指標(biāo)可能對選擇的時(shí)間序列長度存在敏感性,為了確保論文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)健性,我們對原分段的時(shí)間序列前后各縮短和延長了1年進(jìn)行VSI計(jì)算,并與原VSI結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果顯示時(shí)間序列長度縮短與延長一年的VSI結(jié)果與原VSI結(jié)果間空間分布一致性高(本文未添加顯示),且相關(guān)性較高(表1),因此VSI對時(shí)間序列長度的敏感性相對較低,確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)健性。

表1 時(shí)間序列長度縮短/延長一年的VSI結(jié)果與原分段VSI結(jié)果的皮爾森相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson′s correlation coefficients between VSI values estimated from original segmented time-series and those derived from periods that were shorten or extended by one year

2 結(jié)果

2.1 2000—2021年青藏高原植被敏感性及其氣候驅(qū)動因素

2000—2021年青藏高原生長季VSI的空間分布如圖2所示,VSI表現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性,表明青藏高原生長季植被對氣候變化的響應(yīng)有明顯的區(qū)域差異。對氣候變化響應(yīng)高度敏感的區(qū)域(VSI較高)主要出現(xiàn)在青藏高原南部、東北部和中部的部分地區(qū)。相比之下,西北部地區(qū)的VSI較低,表明在當(dāng)前氣候多變的背景下西北部的植被對氣候變化相對不敏感。

圖2 2000—2021年青藏高原生長季VSI、氣候權(quán)重及氣候敏感性的空間分布Fig.2 Spatial distribution of VSI,weights,and sensitivities over the Qinghai-Tibet Plateau during the growing season from 2000 to 2021VSI:植被敏感性指數(shù)Vegetation sensitivity index

2000—2021年3個氣候變量權(quán)重的空間分布展示了溫度作為決定青藏高原大部分地區(qū)VSI的氣候因素,占研究區(qū)總面積的55.89%,主要集中在中部和南部區(qū)域。降水和太陽輻射共同影響青藏高原東北和西南地區(qū)的VSI,其中降水和太陽輻射起主導(dǎo)作用的區(qū)域分別占青藏高原總面積的19.24%和24.87%。

植被對3個氣候變量(溫度、降水和太陽輻射)敏感性在青藏高原存在明顯的空間格局,其中青藏高原西部的植被對太陽輻射變化較敏感,而東部地區(qū)植被主要對溫度和降水變化敏感。相比之下,青藏高原南部的森林對溫度和太陽輻射變化的響應(yīng)更敏感。

為了進(jìn)一步探討青藏高原植被對氣候變化敏感性的空間格局,根據(jù)2.2節(jié)中選取的七種地表覆蓋類型對青藏高原VSI以及VSI計(jì)算中的氣候權(quán)重和氣候敏感性進(jìn)行分類,如圖3所示。其中植被敏感性在不同植被類型間存在明顯差異。相對于高山荒漠和高山草原,高山草甸、耕地、灌木和森林類型的VSI較高,對氣候變化的響應(yīng)更加敏感。溫度對每個植被類型 VSI 的影響普遍高于降水和太陽輻射,尤其在高山草甸、灌木叢和針葉林植被類型中,溫度權(quán)重遠(yuǎn)高于降水和輻射。而對于高山草原、高山草甸、耕地、灌木叢和闊葉林來說,太陽輻射的權(quán)重高于降水。圖3中展示了各植被類型的氣候敏感性(即方差比值),其中高山草原、高山草甸、耕地和灌木叢對溫度變化的敏感性較低,而高山草甸、針葉林和闊葉林顯示出對溫度變化的高敏感性。高山荒漠、高山草原、耕地和灌木叢植被類型對降水和輻射變化的敏感性高于溫度。闊葉林對輻射變化的敏感性高于降水,而其他六種植被類型均顯示出對降水變化的敏感性高于太陽輻射。

圖3 青藏高原不同植被類型的VSI,氣候權(quán)重及氣候敏感性Fig.3 VSI,weights,and sensitivities of different vegetation types on the Qinghai-Tibet Plateau

2.2 3個時(shí)期內(nèi)VSI及其驅(qū)動力分析

圖4顯示3個時(shí)期內(nèi)VSI的空間分布格局差異較大,2000—2006年(P1時(shí)期)青藏高原南部和東北部地區(qū)的VSI值較高,在中部地區(qū)也存在VSI高值區(qū)域,但面積相對較小,青藏高原其他地區(qū)的VSI數(shù)值普遍較低。相比較而言,2007—2013年(P2時(shí)期)青藏高原中部地區(qū)植被的VSI數(shù)值大幅度下降,但青藏高原南部地區(qū)VSI仍然相對較高,且數(shù)值普遍大于70。2014—2021年(P3時(shí)期)VSI高值仍然集中分布在青藏高原東南以及中部地區(qū),且呈零散的空間分布格局。在VSI低值區(qū)間(VSI<20)內(nèi),P2時(shí)期的VSI數(shù)值比P1、P3時(shí)期高,而在VSI>25范圍內(nèi),P2時(shí)期的VSI普遍小于P1和P3時(shí)期。相較P1和P2時(shí)期,P3時(shí)期在VSI低值區(qū)(VSI<25)數(shù)量較少,而在VSI高值區(qū)(VSI>25)數(shù)量較多,這說明與P1和P2時(shí)期的VSI相比,VSI在P3時(shí)期數(shù)值明顯升高。

圖4 青藏高原3個時(shí)期生長季內(nèi)VSI的空間分布及對應(yīng)直方圖Fig.4 Spatial distribution of VSI over the Qinghai-Tibet Plateau in the three periods and it′s corresponding histograms

為了探究不同區(qū)域內(nèi)哪個氣候因素對青藏高原VSI影響最大,對每個實(shí)驗(yàn)像元內(nèi)的3個氣候權(quán)重進(jìn)行排序比較大小,在像元中標(biāo)記出對應(yīng)權(quán)重絕對值最大的氣候因子,得到圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示青藏高原生長季植被對氣候響應(yīng)的權(quán)重在P1—P3時(shí)期存在顯著差異,其中氣溫是主導(dǎo)3個時(shí)期VSI變化最重要的氣候變量,3個時(shí)期內(nèi)占總像元數(shù)量的百分比均在40%以上,降雨和輻射在P1和P3時(shí)期內(nèi)對VSI的影響差異不大。值得注意的是,P2時(shí)期溫度為最大權(quán)重的像元數(shù)量占比為61.34%,對VSI的影響超過了P1(58.15%)和P3(40.47%)時(shí)期。

圖5 青藏高原3個時(shí)期內(nèi)最大氣候權(quán)重的空間分布及氣候敏感性的RGB合成圖Fig.5 Spatial distribution of the most important climate factor to dominate the vegetation growth over the Qinghai-Tibet Plateau in the three periods,and Red,Green,and Bule (RGB) composite of the vegetation sensitivity in response to variability of the three climate factors

空間分布上,在P1時(shí)期內(nèi),降水對青藏高原北部地區(qū)(占總面積18.57%)VSI的影響較大,太陽輻射對青藏高原東北和南部地區(qū)(占總面積23.28%)的VSI有較大影響,氣溫則主導(dǎo)著青藏高原中部和西部大部分區(qū)域(占總面積58.15%)的VSI變化。P2時(shí)期內(nèi),氣溫在青藏高原大部分地區(qū)(占總面積61.34%)對VSI的影響比降雨和太陽輻射大,而以太陽輻射和降水為主導(dǎo)因素的區(qū)域在青藏高原呈零散分布的空間格局。P3時(shí)期內(nèi),太陽輻射主要控制著青藏高原西部和東部地區(qū)(占總面積23.89%)的VSI變化,降水則主要控制著北部地區(qū)(占總面積26.46%)的VSI變化,以氣溫為主要?dú)夂蛞氐南裨闵⒎植荚谇嗖馗咴鞯?相較而言,在中部和南部地區(qū)有相對集中的空間分布。

圖5展示了3個時(shí)期內(nèi)青藏高原生長季植被對溫度、降水和太陽輻射響應(yīng)的敏感性(即方差比),總的來說,在P1和P3時(shí)期內(nèi),青藏高原西部地區(qū)植被對太陽輻射的響應(yīng)敏感,而在P2時(shí)期內(nèi),僅在西北部小范圍地區(qū)植被對太陽輻射的變化敏感。

2.3 青藏高原VSI時(shí)間變異性

圖6展示了青藏高原VSI的時(shí)間變化情況,為了確保3個時(shí)期VSI數(shù)值的可比性,對3個時(shí)期VSI整體拉伸至0—100,最后P2減P1時(shí)期VSI,P3減P2時(shí)期VSI作差得到圖6。其中P1到P2時(shí)期,VSI增加和減少的區(qū)域分別占青藏高原總面積的50.54%和49.46%,南部地區(qū)VSI明顯增加而北部和中部地區(qū)的VSI呈下降態(tài)勢。相較于P2時(shí)期,P3時(shí)期青藏高原VSI增加和減少的區(qū)域分別占青藏高原總面積的59.43%和40.57%,其中西南地區(qū)的VSI呈下降態(tài)勢,而中部和北部地區(qū)VSI呈現(xiàn)明顯增加的態(tài)勢。

圖6 青藏高原3個時(shí)期VSI差值的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the differences for VSI in the three periods over the Qinghai-Tibet Plateau

為進(jìn)一步探究VSI在P1—P33個時(shí)期內(nèi)持續(xù)增加和減少的變化情況,研究中根據(jù)VSI差值圖(圖6),判斷差值的正負(fù)號標(biāo)記出增加與減少的區(qū)域,得到每個網(wǎng)格上VSI在3個時(shí)期內(nèi)的動態(tài)變化,并根據(jù)2.2節(jié)中選取的七種植被覆蓋類型對該動態(tài)變化劃分得到圖7和表2。結(jié)果顯示青藏高原不同植被類型在3個時(shí)期內(nèi)的VSI有明顯變化,總體來看,青藏高原VSI持續(xù)增加的區(qū)域占總面積的18.39%而持續(xù)減少的區(qū)域占總面積的10.09%。青藏高原54.52%地區(qū)的VSI在P1—P3時(shí)期有先增后減或先減后增的差異變化。

圖7 P1—P3時(shí)期青藏高原VSI變化情況Fig.7 Variation of VSI over the Qinghai-Tibet Plateau in three periods

植被類型Vegetation typeP2減P1時(shí)期VSI差值Differences for VSI in P1—P2 periodP3減P2時(shí)期VSI差值Differences for VSI in P2—P3 periodVSI增加/%VSI減少/%變化情況VSI增加/%VSI減少/%變化情況高山荒漠Alpine deserts2.612.99基本不變3.262.28增加 高山草原Alpine grasslands15.1917.12減少 20.7810.90增加 高山草甸Alpine meadows13.1913.45基本不變16.0510.03增加 耕地Crop0.460.22增加 0.320.35基本不變灌木叢Shrubs7.114.78增加 6.225.45增加 針葉林Needleleaf forest3.061.46增加 2.142.29減少 闊葉林Broadleaf forest1.980.69增加 0.931.68減少

P1—P2時(shí)期高山荒漠和高山草甸VSI差值的均值和中值接近0,表2顯示高山荒漠和高山草甸的VSI在P1—P2時(shí)期減少的像元數(shù)量與增加的像元數(shù)相持平,這表明P1—P2時(shí)期這些植被類型的VSI呈基本穩(wěn)定不變的態(tài)勢。其中耕地、灌木叢、針葉林和闊葉林VSI差值的均值和中值均大于0,結(jié)合表2可以看到,VSI增加的像元數(shù)明顯多于減少的像元數(shù),這表明對應(yīng)像元的VSI一般呈增加態(tài)勢。在P2—P3時(shí)期內(nèi),可以看到高山草原和高山草甸對應(yīng)箱線圖VSI差值的均值與中值明顯大于0,同時(shí)表2顯示了高山荒漠、高山草原、高山草甸和灌木叢VSI增加像元數(shù)多于減少像元數(shù),尤其是高山草原和高山草甸,VSI增加像元數(shù)分別占總像元數(shù)的20.78%和16.05%,遠(yuǎn)高于對應(yīng)VSI減少像元的數(shù)量占比(分別為10.90%和10.03%),這表明相應(yīng)VSI值在P2—P3時(shí)期呈現(xiàn)明顯上升的態(tài)勢。與之相反,耕地、灌木叢、針葉林和闊葉林VSI差值的均值和中值小于0,且由表2可知對應(yīng)VSI減少像元數(shù)多于增加的像元數(shù),表明了P2—P3時(shí)期這些植被類型的VSI呈減小態(tài)勢。

3 討論

本研究表明2000—2021年青藏高原生長季VSI存在明顯的空間變異性,青藏高原東南部VSI較高而西北部較低,青藏高原植被受到高海拔和復(fù)雜環(huán)境因素的影響,對溫度,降水和太陽輻射等多種氣候驅(qū)動力響應(yīng)敏感[28—29],同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)VSI的空間分布與植被類型密切相關(guān),這與現(xiàn)有研究結(jié)果相符合[18]。與高山荒漠、高山草原和高山草甸相比,本文結(jié)果顯示青藏高原東南部地區(qū)灌木和森林對氣候變化的響應(yīng)更敏感,溫度是該地區(qū)VSI變化主要的氣候驅(qū)動因素。降水控制著東北部草原和草甸等低矮植被對VSI變化,而在西北部地區(qū),太陽輻射是對VSI影響最大的氣候變量,以上結(jié)論也已在相關(guān)文獻(xiàn)中得到證實(shí)[8]。在全球氣候變化背景下,青藏高原整體變得更加溫暖濕潤[30],溫度是在水分充足的條件下驅(qū)動植被生長的重要因素[31—33],因此對青藏高原生長季VSI的影響最大。然而在相對干旱的區(qū)域,升溫加速地表水分蒸發(fā),對植被生長產(chǎn)生負(fù)面影響,而降水通過提高水分供應(yīng)促進(jìn)了生長季植被生長[31],使得草原和草甸生態(tài)系統(tǒng)對降水顯示出較強(qiáng)的敏感性。

另外,我們發(fā)現(xiàn)青藏高原生長季VSI及其氣候驅(qū)動力的時(shí)間變異性較高,之前研究顯示植被對氣候變化的響應(yīng)是動態(tài)、非線性的[28],在青藏高原溫度升高且蒸散增加的環(huán)境下,水分對植被生長的影響愈發(fā)明顯,其在調(diào)節(jié)植被敏感性和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面逐漸發(fā)揮更大的作用[34],這也導(dǎo)致2000—2021年降水在青藏高原北部高山荒漠、高山草原和高山草甸的VSI呈現(xiàn)出上升的趨勢。而對于青藏高原南部地區(qū),有研究[35]指出溫度的升高加速了植被蒸騰從而影響其光合作用,導(dǎo)致該地區(qū)P1—P2時(shí)期內(nèi)植被對太陽輻射變化的響應(yīng)變強(qiáng)(圖5),VSI呈現(xiàn)升高態(tài)勢。降水的持續(xù)增加促進(jìn)了土壤水分和養(yǎng)分的運(yùn)轉(zhuǎn),在一定程度上緩解了溫度升高給植被帶來的負(fù)面影響,這可能是青藏高原南部地區(qū)VSI呈現(xiàn)下降態(tài)勢的原因之一。值得注意的是,本文數(shù)據(jù)選擇6—8月作為植被生長季,近20年里青藏高原生長季開始時(shí)間提前而結(jié)束時(shí)間逐漸推遲[24],生長季中植被的光合作用增強(qiáng),對光照條件的需求增多,這可能是導(dǎo)致P2—P3時(shí)期青藏高原西部植被對太陽輻射變化敏感性逐漸增高的原因。

2000—2021年青藏高原VSI呈現(xiàn)西北部升高而東南部下降的態(tài)勢,我們將VSI在P2—P3時(shí)間段內(nèi)升高區(qū)域的像元按數(shù)值由小到大排序,選出后50%的像元,以此劃分出VSI升高幅度較大的區(qū)域,以此探明目前青藏高原需要重點(diǎn)關(guān)注的植被敏感性升高區(qū)域,如圖8所示,可以看到目前需要重點(diǎn)關(guān)注青藏高原北方部分地區(qū)。此外,我們發(fā)現(xiàn)高山草原和高山草甸占青藏高原全部升高區(qū)域面積的70%,說明相比于森林等其他陸地生態(tài)系統(tǒng),青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)呈增加態(tài)勢?？紤]到青藏高原氣候多變,植被敏感性的持續(xù)增加可能會加劇青藏高原草地退化的風(fēng)險(xiǎn)[19],這也是目前相關(guān)學(xué)者和研究需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文研究結(jié)果基于青藏高原生態(tài)系統(tǒng)敏感性的歷史與現(xiàn)狀,探究了青藏高原陸地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化敏感性的時(shí)間變異性,旨在為青藏高原生態(tài)系統(tǒng)敏感區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測提供參考。

圖8 基于VSI探究青藏高原目前需要重點(diǎn)關(guān)注的敏感區(qū)域Fig.8 Senstive areas of the Qinghai-Tibet Plateau that are needed to be paid attention in recent years based on the VSI metric

本文有兩個不足之處,一是我們研究中并未考慮人類活動。人類活動對青藏高原植被的影響已經(jīng)得到證實(shí),有研究使用殘差分析量化了氣候變化以外的因素(人類活動、二氧化碳以及氮沉降等)對植被變化的相應(yīng)貢獻(xiàn)[36]。本文研究將植被的變化均歸因于氣候變化,這可能無法有效解釋青藏高原部分地區(qū),例如中部三江源自然保護(hù)區(qū)、東北部以及南部地區(qū)植被對氣候變化的異常響應(yīng),圍封、放牧及保護(hù)區(qū)建立等人類活動會造成植被狀態(tài)的變化甚至土地利用類型的改變。二是研究中將2000—2021年分為3個時(shí)期研究青藏高原生長季VSI的時(shí)間變異性。由于研究中只考慮了青藏高原生長季,可用樣本量相對較少,為了確保每個時(shí)間段內(nèi)用于多元線性回歸的樣本量足夠多且數(shù)量相近,文中將22年近似三等分為7年、7年和8年(樣本量一般>20)。如果分段過多,會造成樣本量相對較少,可能導(dǎo)致多元線性回歸結(jié)果不準(zhǔn)確。此外,表1中縮短和延長時(shí)間序列長度情況下P1和P2時(shí)期VSI結(jié)果之間存在一定的變化,尤其是青藏高原西部VSI的空間分布存在相對較大的差異,這表明以2006年為斷點(diǎn)可以較好的體現(xiàn)VSI在前后兩個時(shí)間段的變化態(tài)勢,與本文研究VSI時(shí)間變異性的目標(biāo)相符合。雖然已經(jīng)有研究使用15年滑動窗口探討了VSI的時(shí)間變化趨勢[8],然而15年滑動窗口時(shí)間跨度過大,難以準(zhǔn)確量化VSI的時(shí)間變異性,且青藏高原地區(qū)因其地勢高和生長季短的特點(diǎn),可用的時(shí)間序列樣本較少,滑動窗口的應(yīng)用會受到樣本量的限制導(dǎo)致VSI估算結(jié)果不準(zhǔn)確,進(jìn)而影響最終的結(jié)論。如何選擇合適的滑動窗口大小,解決時(shí)間窗口內(nèi)樣本量過少的問題,是下一步研究的方向。

4 結(jié)論

(1)2000—2021年青藏高原陸地生態(tài)系統(tǒng)在生長季內(nèi)VSI存在較高的空間異質(zhì)性,東南部灌木和森林VSI數(shù)值較高,而西北部高山荒漠、高山草原和高山草甸的VSI較低。

(2)溫度主導(dǎo)著青藏高原55.89%地區(qū)的VSI變化,主要集中在東南部的灌木和森林地區(qū)。降水起主導(dǎo)作用的區(qū)域占總面積的19.24%,主要集中在東北高山草甸地區(qū),而太陽輻射則主導(dǎo)青藏高原24.87%西南地區(qū)大部分高山草原的VSI變化。

(3)P1(2000—2006年)、P2(2007—2013年)和P3(2014—2021年)時(shí)期內(nèi)青藏高原VSI的時(shí)間變異性較高,青藏高原18.39%像元內(nèi)VSI呈持續(xù)增加而10.09%像元內(nèi)VSI呈持續(xù)減少態(tài)勢。高山荒漠、高山草原和高山草甸的VSI在P1—P2時(shí)期基本不變而在P2—P3時(shí)期呈現(xiàn)上升態(tài)勢,與之相比,灌木和森林的VSI呈先增長后下降的態(tài)勢。

(4)3個時(shí)期內(nèi)主導(dǎo)青藏高原VSI變化的氣候變量具有較強(qiáng)的時(shí)空異質(zhì)性,其中溫度為主導(dǎo)因子的像元數(shù)量在P1—P2時(shí)期基本一致而在P3時(shí)期明顯減少,其占比分別為P1(58.15%),P2(61.34%)和P3(49.47%),降水為主導(dǎo)因子的像元數(shù)量在P1(18.57%)和P2(18.47%)時(shí)期內(nèi)基本不變但在P3(26.64%)時(shí)期內(nèi)明顯增加,與溫度和降水相比,以輻射為主導(dǎo)氣候要素的像元數(shù)量占比在3個時(shí)期內(nèi)基本不變。

總體而言,青藏高原高山草原和高山草甸生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)呈增加態(tài)勢,在青藏高原氣候多變的背景下,VSI的持續(xù)增加可能會加劇青藏高原草地退化的風(fēng)險(xiǎn),未來應(yīng)給予更多關(guān)注。