蒙古高原植被穩(wěn)定性對(duì)陸地水儲(chǔ)量與氣溫和降水的響應(yīng)分析

林新昊，何民華，曾桂香，史秦哲

（1.中原科技學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，鄭州 450008；2.交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州海事測(cè)繪中心，廣州 510220；3.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，鄭州 450000；4.西安中交環(huán)境工程有限公司，西安 710000）

0 引 言

【研究意義】近百年來(lái)全球氣候變暖，極端天氣事件表現(xiàn)出頻率增加、強(qiáng)度加劇、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)的趨勢(shì)，人類社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境受到顯著影響[1-2]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組分之一，具有連接大氣、土壤和水文等生態(tài)要素的作用，氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)之間響應(yīng)關(guān)系已成為全球生態(tài)變化研究熱點(diǎn)。蒙古高原地處歐亞大陸中部干旱半干旱氣候帶，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是我國(guó)北方最重要的綠色生態(tài)屏障，對(duì)全球氣候變化極為敏感[3]。監(jiān)測(cè)和量化蒙古高原植被生態(tài)系統(tǒng)以及分析其對(duì)陸地水儲(chǔ)量和氣象要素變化響應(yīng)的機(jī)制是至關(guān)重要的，對(duì)指導(dǎo)蒙古高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

【研究進(jìn)展】然而，在分析蒙古高原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性之前，有2 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。首先如何用定量的方法描述生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性”是一個(gè)具有多種不同含義的概念。最常見(jiàn)的解釋是生態(tài)系統(tǒng)遭受壓力或擾動(dòng)后恢復(fù)到擾動(dòng)前的能力[4]。Orians 等[5]定義了穩(wěn)定性的7 個(gè)不同方面：恒定性、持久性、慣性、彈性、振幅、周期穩(wěn)定性和軌跡穩(wěn)定性。本研究關(guān)注其中最重要的2 個(gè)性質(zhì)：慣性和彈性，分別表示生態(tài)系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力和受到擾動(dòng)后恢復(fù)到之前結(jié)構(gòu)或功能的能力。Webster 等[6]將上述2 個(gè)術(shù)語(yǔ)定義為抵抗力和恢復(fù)力，以通過(guò)氣候異常時(shí)刻植被響應(yīng)的量級(jí)來(lái)量化?；謴?fù)力可以通過(guò)受到壓力脅迫后恢復(fù)到正常狀態(tài)所需的時(shí)間來(lái)量化。在各種研究方法中，De 等[7]提出的自相關(guān)模型可以同時(shí)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)抵抗力和恢復(fù)力，該模型考慮了標(biāo)準(zhǔn)化的短期氣候異常和植被遺留或記憶效應(yīng)。因此，本文應(yīng)用自回歸模型來(lái)量化植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。第二個(gè)問(wèn)題是如何涵蓋蒙古高原總的植被生態(tài)系統(tǒng)可用性水指標(biāo)（包括降水、地表徑流、土壤水分和地下水）的空間異質(zhì)性和時(shí)間變異性。干旱或半干旱區(qū)降水稀少，地下水和地表徑流也是該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)重要的甚至是主要的供水來(lái)源。大量的研究已經(jīng)表明植被對(duì)水分條件的響應(yīng)主要依靠降水和土壤水分[8-9]。Papagiannopoulo 等[10]通過(guò)對(duì)降水和土壤水分共同作用下植被對(duì)水分條件響應(yīng)進(jìn)行了綜合研究，表明水分是植被變化的主要驅(qū)動(dòng)力。降水是地表水的主要來(lái)源，是探討水分條件對(duì)植被綠度影響最常用的指標(biāo)。然而，降水只能提供關(guān)于地表水條件的間接信息[11]。相比之下，土壤水分可以被植被直接利用，而且與植物的生理變化關(guān)系更大。然而，土壤水分大規(guī)模調(diào)查與監(jiān)測(cè)仍然受到根系區(qū)土壤水分檢測(cè)準(zhǔn)確性的制約，而來(lái)自地表模型的估計(jì)往往具有很高的不確定性[12]。衛(wèi)星觀測(cè)為全球水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種可行的方法。2002 年3 月，美國(guó)宇航局和德國(guó)航空航天中心（DLR）發(fā)射了重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)（GRACE），GRACE 衛(wèi)星提供了陸地總的水儲(chǔ)量月變化的全球估計(jì)。陸地水儲(chǔ)量距平（TWSA）數(shù)據(jù)反映了地表水、土壤水分、地下水、冰雪融水和生物水等垂直綜合蓄水量的變化，已廣泛應(yīng)用于地下水變化、干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響等水文生態(tài)研究領(lǐng)域[13-15]。蒙古高原地處干旱、半干旱地區(qū)，降水相對(duì)稀少，分析植被穩(wěn)定性對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)必須考慮總的可用性水指標(biāo)變化，而不僅僅是降水的變化。本文利用GIMMSNDVI數(shù)據(jù)、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，同時(shí)將TWSA引入自回歸模型應(yīng)用于蒙古高原植被穩(wěn)定性對(duì)短期環(huán)境要素變化的響應(yīng)分析?！厩腥朦c(diǎn)】以往對(duì)蒙古高原植被生態(tài)系統(tǒng)與TWSA的研究涉及較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，基于GIMMSNDVI數(shù)據(jù)，本文將氣溫、降水和陸地水儲(chǔ)量（TWSA）作為變量引入自回歸模型，其目標(biāo)是：①研究蒙古高原植被對(duì)陸地水儲(chǔ)量和氣象要素變化的響應(yīng)。②分析不同植被類型的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力和抵抗力空間分布格局以及影響因素。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

蒙古高原位于歐亞大陸腹地，主要由蒙古國(guó)和中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)組成，總面積為2.74×106km2，位于87°40′—112°15′N，37°46′—53°08′E 之間。蒙古高原屬于溫帶大陸性氣候，從西向東由干旱區(qū)向半干旱區(qū)過(guò)度，因其地域廣闊，深居內(nèi)陸，氣候類型復(fù)雜且多樣。年平均降水量約為200 mm，最低氣溫可達(dá)-45 ℃，最高氣溫可達(dá)35 ℃，年平均氣溫極差很大。平均海拔1 580 m，地勢(shì)自西向東逐漸降低。蒙古高原有三大生物群落：森林、草地和荒漠，其地理特殊性在于橫跨森林、草地和荒地沙漠帶，成為研究不同類型植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要素響應(yīng)研究的理想地帶。如圖1所示，森林主要分布在東部山區(qū)和西北部山區(qū)。受氣候、地形影響，草地植被自東向西由草甸草原、典型草原、荒漠草原過(guò)渡。草原植被類型豐富，以典型草原、草甸草原和荒漠草原植被為主，幾乎占整個(gè)地區(qū)的1/2[16]。農(nóng)業(yè)植被主要分布在東部和南部平原地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

1.2.1 GIMMSNDVI

本研究采用了2002—2015 年生長(zhǎng)季（每年4—10 月）GIMMS（Global inventory modeling and mapping studies）AVHRR（Advanced very high resolution radiometer）NDVI數(shù)據(jù)。盡管有更高空間分辨率的成像光譜輻射儀（MODIS）歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品，分辨率為1 km，本文仍然使用AVHRRNDVI3 g產(chǎn)品，因?yàn)槠涫亲畛Ｓ玫漠a(chǎn)品數(shù)據(jù)，在捕獲植被變化時(shí)與MODISNDVI有相當(dāng)?shù)木萚17]。此數(shù)據(jù)集對(duì)云、太陽(yáng)高度角、儀器視場(chǎng)角、氣溶膠的影響進(jìn)行了校正，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量。本研究將多年平均生長(zhǎng)期內(nèi)（4—10 月）NDVI<0.1 的像素作為非植被像素并剔除。最后使用ArcGIS 中的重采樣工具，利用Biliner 方法將NDVI數(shù)據(jù)被重新調(diào)整以匹配GRACE 的空間分辨率。

1.2.2 GRACETWSA

TWSA數(shù)據(jù)來(lái)自3 個(gè)獨(dú)立中心（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、德克薩斯大學(xué)空間研究中心和德國(guó)研究中心）的release-5球諧產(chǎn)品。網(wǎng)格GRACE數(shù)據(jù)集可以從GRACE Tellus 網(wǎng)站（http://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/）免費(fèi)下載。3 種產(chǎn)品均使用歷史均值作為基線。在生成這些數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)觀測(cè)到的重力場(chǎng)異常應(yīng)用逐次濾波（包括去條紋高斯濾波和60 階濾波），以消除某些球諧系數(shù)與高階球諧系數(shù)隨機(jī)誤差之間的相關(guān)性所引起的系統(tǒng)誤差。在這些操作之后，GRACE 數(shù)據(jù)的分辨率（最初在300 km 左右）在全球范圍內(nèi)被平滑到1°。GRACE 數(shù)據(jù)具有粗空間分辨率的缺點(diǎn)，本文參考Wan等[18]基于模型的降尺度方法對(duì)GRACE數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得到連續(xù)的、精細(xì)的陸地水儲(chǔ)量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，TWSA的空間分辨率最終被處理為0.25°。

1.2.3 土地利用覆蓋數(shù)據(jù)

本文利用MCD12Q1 土地利用數(shù)據(jù)識(shí)別蒙古高原不同的土地利用類型。數(shù)據(jù)集可以從網(wǎng)站（http://glef.umd.edu/data/lc/）上免費(fèi)獲取。MCD12Q1土地利用類型數(shù)據(jù)定義了12 種不同的使用類別。根據(jù)研究需求，將相似的植被類型合并，整合成6 種主要類型，由此產(chǎn)生的土地利用類型有森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原、荒漠沙地和農(nóng)田。

1.2.4 氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自2002—2015 年蒙古高原172 個(gè)站點(diǎn)降水和氣溫日數(shù)據(jù)，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)115 個(gè)站點(diǎn)和蒙古國(guó)57 個(gè)氣象站點(diǎn)。然后將月平均降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值，獲得整個(gè)研究區(qū)降水和氣溫柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°。

1.3 研究方法

1.3.1 相關(guān)分析法

本文利用Pearson 相關(guān)分析法研究蒙古高原植被NDVI與陸地水儲(chǔ)量和氣象要素的相關(guān)性。相關(guān)性系數(shù)R＞0，則二者呈正相關(guān)關(guān)系。R＜0，則二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。R=0，則二者不存在線性相關(guān)關(guān)系。

1.3.2 自回歸模型

本次研究關(guān)注植被對(duì)短期環(huán)境變化的穩(wěn)定性響應(yīng)，長(zhǎng)期趨勢(shì)和季節(jié)成分都被去除。首先，從月觀測(cè)值中減去長(zhǎng)期月平均值，計(jì)算NDVI和環(huán)境因子的月距平值。其次，如果有異常時(shí)間序列，則從異常時(shí)間序列中減去長(zhǎng)期線性趨勢(shì)。最后，通過(guò)z-score標(biāo)準(zhǔn)化去除非趨勢(shì)異常的季節(jié)性。自回歸模型是參照De 等[7]的方法建立的，但本文引入了TWSA，計(jì)算式為：

式中：Yt為t時(shí)刻植被NDVI；Yt-1為t-1 時(shí)刻植被NDVI；TWSAt為t時(shí)刻TWSA；PREt為t時(shí)刻降水；TAt為t時(shí)刻溫度；εt為t時(shí)刻殘差。

表1 植被穩(wěn)定性度量指標(biāo)的意義Table 1 Significance of vegetation stability measurement index

通過(guò)自回歸模型可以計(jì)算得到生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的各個(gè)度量指標(biāo)α、β、γ和δ。α表示生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力穩(wěn)定性，α絕對(duì)值越大，當(dāng)前的NDVI異常值與之前的NDVI異常值有較強(qiáng)的相關(guān)性，生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力穩(wěn)定性越低，表明植被恢復(fù)的越緩慢，反之亦然。β、γ和δ表示NDVI異常對(duì)TWSA、降水和氣溫的抵抗力穩(wěn)定性。β、γ和δ絕對(duì)值越大，植被對(duì)環(huán)境變量變化的響應(yīng)越敏感，植被抵抗力穩(wěn)定性越弱，反之亦然。自回歸模型應(yīng)用于蒙古高原中所有像素點(diǎn)可以得到表征生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力穩(wěn)定性和抵抗力穩(wěn)定性的度量指標(biāo)（α、β、γ和δ），去除系數(shù)不顯著的預(yù)測(cè)變量（P>0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)性分析

圖2為蒙古高原植被NDVI與前一時(shí)期植被NDVI及其TWSA、降水和氣溫的相關(guān)性空間分布圖，圖2（a）顯示了植被NDVI與前一時(shí)期的NDVI的相關(guān)性空間分布圖，NDVI與前一時(shí)期的NDVI的相關(guān)性可以表征植被的遺留效應(yīng)和記憶效應(yīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，整個(gè)蒙古高原的植被生長(zhǎng)中觀察到中度或強(qiáng)烈的記憶效應(yīng)，R值的分布范圍為0.04～0.62之間，95%的區(qū)域通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)（P>0.05）。圖2（b）顯示了NDVI與TWSA的相關(guān)性空間分布圖，植被NDVI與TWSA的相關(guān)系數(shù)介于-0.21～0.61之間，植被NDVI與TWSA呈正相關(guān)的面積占總面積的75%，主要分布在蒙古高原中部典型草原和荒漠草原區(qū)域；呈負(fù)相關(guān)的面積占總面積的25%，主要分布在研究區(qū)的南部地區(qū)和西北部地區(qū)，呈現(xiàn)出蒙古高原外圍區(qū)域相關(guān)性低于蒙古高原內(nèi)部區(qū)域的特點(diǎn)。對(duì)TWSA與植被NDVI的相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行了顯著性T檢驗(yàn)，由圖2（b）可知，TWSA的相關(guān)系數(shù)有68%通過(guò)P<0.05水平的檢驗(yàn)，顯著正相關(guān)區(qū)域主要分布在研究區(qū)的中部腹部區(qū)域的典型草原區(qū)和荒漠草原區(qū)，表明這些區(qū)域的水儲(chǔ)量變化會(huì)顯著影響植被生長(zhǎng)。主要原因是此區(qū)域的植被類型主要是稀疏的灌叢和草地，降水稀少，所以植被主要利用土壤水分和地下水，TWSA對(duì)此區(qū)域的植被是至關(guān)重要的。顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古地區(qū)南部和蒙古高原的西北部地區(qū)，在內(nèi)蒙古地區(qū)南部這些地區(qū)自然環(huán)境惡劣，植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱，加上強(qiáng)烈的人為擾動(dòng)使此區(qū)域的地下水資源嚴(yán)重縮減，從而導(dǎo)致陸地水儲(chǔ)量急劇下降。所以這些地區(qū)TWSA與植被NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)與人類活動(dòng)有關(guān)。蒙古高原的西北部地區(qū)地勢(shì)較高，地勢(shì)的起伏成為影響TWSA與植被NDVI相關(guān)性的主要因素。圖2（c）為NDVI與降水和氣溫的相關(guān)性空間分布圖，由圖2（c）、圖2（d）可以發(fā)現(xiàn)，植被NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)介于0.26～0.86之間，植被NDVI與溫度的相關(guān)系數(shù)介于0.25～0.94之間。降水和氣溫對(duì)整個(gè)區(qū)域的植被生長(zhǎng)影響比較廣泛，降水和氣溫的變化會(huì)顯著影響研究區(qū)植被生長(zhǎng)。

圖2 蒙古高原生長(zhǎng)季NDVI 與前一時(shí)期的NDVI、TWSA、降水和氣溫相關(guān)性的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in growth season and NDVI, TWSA, precipitation and temperature in the previous period on Mongolian Plateau

2.2 蒙古高原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的空間分布

圖3 為蒙古高原生長(zhǎng)季植被恢復(fù)力穩(wěn)定性和抵抗力穩(wěn)定性的空間分布圖（圖中不顯著區(qū)域（P>0.05）的植被像素用灰色表示），圖3（a）顯示了植被的恢復(fù)力穩(wěn)定性的空間分布，植被幾乎在整個(gè)蒙古高原顯示出強(qiáng)烈的恢復(fù)力穩(wěn)定性，幾乎所有類型植被像素都顯示出較強(qiáng)的恢復(fù)力穩(wěn)定性，其中恢復(fù)力穩(wěn)定性較強(qiáng)的區(qū)域分布在蒙古高原東北部、北部以及內(nèi)蒙古中部。圖3（b）顯示了對(duì)TWSA抵抗力穩(wěn)定性空間分布，研究區(qū)大多數(shù)區(qū)域都表現(xiàn)出對(duì)TWSA抵抗力穩(wěn)定性不顯著，僅有33.1%的植被像素表現(xiàn)出對(duì)TWSA顯著的抵抗力穩(wěn)定性，植被抵抗力穩(wěn)定性顯著區(qū)域主要分布在蒙古高原中部、東部以及西北部的典型草原和荒漠草原區(qū)。圖3（c）顯示了對(duì)降水抵抗力穩(wěn)定性空間分布，蒙古高原東北部大興安嶺森林區(qū)對(duì)降水的抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)值最小，此區(qū)域植被對(duì)降水的變化具有較強(qiáng)的抵抗力穩(wěn)定性。圖3（d）顯示了對(duì)氣溫抵抗力穩(wěn)定性空間分布，蒙古高原東北部大興安嶺森林區(qū)對(duì)降水的抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)值最大，此區(qū)域植被對(duì)氣溫的變化具有較弱的抵抗力穩(wěn)定性。而在蒙古高原中部的荒漠草原區(qū)對(duì)降水的抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)值最小，此區(qū)域植被對(duì)氣溫的變化具有較強(qiáng)的抵抗力穩(wěn)定性。

圖3 蒙古高原生長(zhǎng)季α、β、γ 和δ 的空間分布Fig.3 Mongolian Plateau growth season spatial distribution of α, β, γ and δ

圖4 為蒙古高原生長(zhǎng)季不同植被類型的恢復(fù)力穩(wěn)定性和抵抗力穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)。森林和草甸草原區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的恢復(fù)力穩(wěn)定性（圖4（a））。除荒漠草原外，其他植被類型都表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)TWSA的抵抗力穩(wěn)定性（圖4（b））。森林和草甸草原區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)降水的抵抗力穩(wěn)定性（圖4（c））?；哪菰偷湫筒菰瓍^(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)溫度的抵抗力穩(wěn)定性（圖4（d））。

圖4 蒙古高原生長(zhǎng)季不同類型植被的恢復(fù)力穩(wěn)定性和抵抗力穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistical chart of resilience stability and resistance stability of different types of vegetation in the growth season of Mongolian Plateau

2.3 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素分析

圖5 為蒙古高原平均生長(zhǎng)期植被NDVI、TWSA與恢復(fù)力穩(wěn)定性指標(biāo)、抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)的回歸分析（圖中藍(lán)色曲線表示所有土地覆蓋數(shù)據(jù)的回歸線），植被恢復(fù)力指標(biāo)在植被稀疏地區(qū)較高，隨著平均生長(zhǎng)期NDVI的增加呈冪函數(shù)遞減（R2=0.587，圖5（a））。植被恢復(fù)力指標(biāo)與平均生長(zhǎng)季TWSA沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性（圖5（b））。植被稀疏地區(qū)植被抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)較高，隨著平均生長(zhǎng)期NDVI的增加呈冪函數(shù)遞減（R2=0.223，圖5（c））。植被抵抗力指標(biāo)與平均生長(zhǎng)季的TWSA沒(méi)有顯著相關(guān)性（圖5（d））。

圖5 蒙古高原平均生長(zhǎng)期NDVI、TWSA 與恢復(fù)力穩(wěn)定性指標(biāo)、抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)的相關(guān)性Fig.5 The correlation between the average growth period NDVI, TWSA and the resilience stability index and the resistance stability index on the Mongolian Plateau

3 討 論

本文基于NDVI和TWSA遙感數(shù)據(jù)以及氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)研究蒙古高原植被穩(wěn)定性對(duì)TWSA和氣溫降水變化的響應(yīng)，對(duì)植被NDVI與水熱條件響應(yīng)研究進(jìn)行補(bǔ)充，旨在提高對(duì)大尺度植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要素響應(yīng)的理解。之前關(guān)于蒙古高原植被與環(huán)境要素之間響應(yīng)關(guān)系的研究多集中于氣溫和降水[19-22]，對(duì)TWSA研究較少，沒(méi)有考慮到其他可用水指標(biāo)的影響，這可能會(huì)在半干旱和干旱生態(tài)系統(tǒng)估計(jì)中產(chǎn)生偏差。陸地水儲(chǔ)量可以為植被的生長(zhǎng)和發(fā)育提供良好的水分和能量來(lái)源，對(duì)植被生理變化的許多過(guò)程及反饋都有著顯著的影響，尤其在干旱半干旱地區(qū)。在分析旱地植被生長(zhǎng)時(shí)非直接降水源具有重要作用，干旱半干旱地區(qū)降雨稀少，維持植被生長(zhǎng)的水源主要來(lái)自土壤水、地下水和冰雪融水，這些非直接降水源對(duì)植被的生長(zhǎng)是至關(guān)重要的[23]。研究表明，在蒙古高原的部分地區(qū)，植被NDVI對(duì)TWSA的敏感性高于對(duì)降水的敏感性。研究結(jié)果證實(shí)了TWSA作為研究植被綠度對(duì)水文響應(yīng)指標(biāo)的基本可行性。氣溫和降水對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)影響更為廣泛，而在某些特定的區(qū)域TWSA提供了更直接的信息，可以更好地解釋植被的變化，是研究植被變化對(duì)陸地水分狀況影響的理想指標(biāo)，有助于提高對(duì)局部地區(qū)植被對(duì)可用水指標(biāo)響應(yīng)機(jī)制以及碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)[24]。然而，本研究?jī)H對(duì)TWSA與生長(zhǎng)季植被NDVI關(guān)系進(jìn)行了初步研究，還需要對(duì)一些特定領(lǐng)域進(jìn)行更深入的研究。

由于恢復(fù)力是衡量生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到其正常狀態(tài)的能力，因此，生態(tài)系統(tǒng)從受干擾到恢復(fù)之前狀態(tài)的恢復(fù)能力成為植被恢復(fù)力空間格局的決定因素。在降水較多的地區(qū)，土壤水分在較短時(shí)間內(nèi)被補(bǔ)充的概率較大，生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)能力較強(qiáng)。對(duì)于炎熱干燥地區(qū)，高溫會(huì)抑制植被生長(zhǎng)，導(dǎo)致這些地區(qū)的植被恢復(fù)力普遍較低。TWSA反映了土地中存儲(chǔ)的所有類型的水，因此TWSA中的異常變化可能來(lái)自總的水儲(chǔ)量中的任何組分（如地表水、土壤水和地下水），但是不能很好地反映以降水為特征的短期補(bǔ)水速率的空間變化。不同的根系特征也決定了不同的水分利用策略，這可以有效解釋灌叢與草地和農(nóng)田相比對(duì)降水敏感性的不同[25]。地下水的缺乏會(huì)影響根系比較大的植被卻對(duì)短根植物沒(méi)有影響。草本植物的根系較淺，因此，其對(duì)降水更敏感，甚至對(duì)半干旱或干旱地區(qū)嚴(yán)重干旱后的小型再潤(rùn)濕事件也更敏感，這與Bai 等[19]研究一致，中亞地區(qū)干旱半干旱地區(qū)也出現(xiàn)了同樣的結(jié)果。

本文研究結(jié)果為研究存在大規(guī)模人類活動(dòng)干擾的蒙古高原地區(qū)植被與水關(guān)系提供了新的視角。大規(guī)模穩(wěn)定性度量可以支持生態(tài)管理。一方面，由于水儲(chǔ)量對(duì)植被生長(zhǎng)非常重要，所以水儲(chǔ)量的變化可以預(yù)示未來(lái)此區(qū)域植被的狀態(tài)。蒙古高原大部分區(qū)域的TWSA均呈下降趨勢(shì)[14]，表明該地區(qū)存在植被退化的威脅。監(jiān)測(cè)和分析水儲(chǔ)量變化的驅(qū)動(dòng)因素以及提前預(yù)防這種狀況對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)是至關(guān)重要的。考慮到陸地水儲(chǔ)量在蒙古高原特定區(qū)域?qū)χ脖簧L(zhǎng)具有重要作用，減少當(dāng)?shù)氐乃膶?duì)于防止干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)走向不可逆狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。其中，農(nóng)業(yè)（特別是灌溉農(nóng)業(yè)）高度依賴人類對(duì)水、能量和養(yǎng)分的投入，可顯著改變水可用性的空間格局。從這個(gè)角度看，在干旱半干旱地區(qū)發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)應(yīng)高度謹(jǐn)慎，改變傳統(tǒng)灌溉方式以及提高水資源利用率可能緩解水分脅迫后的自然生態(tài)系統(tǒng)。另一方面，植被穩(wěn)定性的制圖可以識(shí)別出高度脆弱的區(qū)域（圖3），有助于識(shí)別和標(biāo)記這些熱點(diǎn)區(qū)域，為管理決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文利用自回歸模型，在明確考慮短期水儲(chǔ)量異常的情況下，量化植被的抵抗力和恢復(fù)力指標(biāo)。該方法有助于識(shí)別短期水儲(chǔ)量和氣溫降水異常引起的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)域，從而為植被生態(tài)系統(tǒng)管理和決策服務(wù)，并能更好地了解影響植被生態(tài)系統(tǒng)變化的環(huán)境因素。

4 結(jié) 論

1）2002—2015 年蒙古高原生長(zhǎng)季植被NDVI與TWSA的相關(guān)系數(shù)介于-0.21～0.61 之間，呈正相關(guān)的面積占總面積的75%，主要分布在蒙古高原的中部典型草原區(qū)和荒漠草原區(qū)；呈負(fù)相關(guān)的面積占總面積的25%，主要分布在研究區(qū)的南部地區(qū)和西北部地區(qū)。TWSA的相關(guān)系數(shù)有61%通過(guò)P<0.05 水平的檢驗(yàn)，顯著相關(guān)區(qū)域主要分布在研究區(qū)腹部的典型草原和荒漠草原區(qū)域。

2）2002—2015 年蒙古高原99.2%的植被像素顯示出強(qiáng)烈的恢復(fù)力穩(wěn)定性，而35.1%的植被像素表現(xiàn)出對(duì)TWSA顯著的抵抗力穩(wěn)定性，植被抵抗力穩(wěn)定性顯著區(qū)域主要分布在典型草原和荒漠草原；林地、草甸草原和典型草原都表現(xiàn)出較強(qiáng)的恢復(fù)力穩(wěn)定性。

3）植被恢復(fù)力指標(biāo)在植被稀疏地區(qū)較高，隨著生長(zhǎng)期NDVI的增加呈冪函數(shù)遞減。植被稀疏地區(qū)植被抵抗力穩(wěn)定性指標(biāo)較高，隨著生長(zhǎng)期NDVI的增加呈冪函數(shù)遞減。蒙古高原東北部大興安嶺森林區(qū)對(duì)降水的變化具有較強(qiáng)的抵抗力穩(wěn)定性，蒙古高原中部的荒漠草原區(qū)對(duì)氣溫具有較強(qiáng)的抵抗力穩(wěn)定性。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）