我國(guó)北方地區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)特征分析

劉 灝,何劉鵬,丁怡博

[1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州450003;2.水利部黃河流域水治理和水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌),河南 鄭州 450003]

植被與氣候變化的關(guān)系一直是研究熱點(diǎn),大多數(shù)研究集中在分析降水、氣溫、土壤水分等單一指標(biāo)與植被生長(zhǎng)的關(guān)系,如DING et al.[1］和王兆禮等[2］分析了中國(guó)范圍內(nèi)植被與農(nóng)業(yè)和氣象干旱的關(guān)系,NIU et al.[3］研究了青藏高原植被對(duì)土壤水分的響應(yīng)機(jī)制,GU et al.[4］調(diào)查了植被與氣候因子(氣溫和降水)變化的滯后效應(yīng)。植物生長(zhǎng)需要水分的參與,水分虧缺會(huì)影響植物的生理過程,如根系吸水、葉片蒸騰、水分傳導(dǎo)等,進(jìn)而影響植物形態(tài)、葉面積、光合作用強(qiáng)度、根冠發(fā)育情況等,限制植物生長(zhǎng)甚至造成植物死亡。植物生長(zhǎng)所需的水量受多種因素的共同影響,單一指標(biāo)無法準(zhǔn)確描述植物與區(qū)域水量變化之間的關(guān)系,而水分虧缺通常指區(qū)域尺度輸入的降水量無法補(bǔ)充輸出的蒸散發(fā)量[5］,可綜合反映區(qū)域尺度上的水分狀況,因此分析植被對(duì)水分虧缺變化的響應(yīng)程度和時(shí)間有助于理解植被動(dòng)態(tài)變化與水分變化之間的關(guān)系[6］。

各種植被指數(shù)被廣泛應(yīng)用于植被動(dòng)態(tài)變化研究,其中基于Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR)衛(wèi)星的Global Inventory Modeling and Mapping Studies(GIMMS)的NDVI產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間序列(1982—2015年),用于分析植被與水分虧缺的關(guān)系時(shí),其結(jié)果具有更高的精確度[1］。本研究以我國(guó)北方地區(qū)為研究區(qū),基于長(zhǎng)時(shí)間序列氣象和植被數(shù)據(jù),總結(jié)我國(guó)北方地區(qū)不同類型區(qū)域的植被和水分虧缺特征,及植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度,探討不同植被類型對(duì)水分虧缺的敏感程度,以期為深入研究區(qū)域尺度水量時(shí)空變化對(duì)植被的影響提供參考,也可為“雙碳”目標(biāo)背景下的政策制定提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

我國(guó)北方地區(qū)位于東經(jīng)83°～124°、北緯27.5°～53.5°,自東向西呈三級(jí)階梯狀的高程分布,第一級(jí)階梯主要為青藏高原、柴達(dá)木盆地,第二級(jí)階梯主要為準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、內(nèi)蒙古高原和黃土高原,第三級(jí)階梯主要為東北平原和華北平原[見圖1(a)]。我國(guó)北方地區(qū)主要為溫帶大陸性和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)[7］,年均降水量在200～600 mm之間[8］。不同地區(qū)的主要植被類型呈現(xiàn)不同的特征,其中東北片區(qū)的植被類型以針葉林、落葉闊葉林為主,華北片區(qū)的植被類型以落葉闊葉林、草地和農(nóng)田為主,西北片區(qū)的植被類型以荒漠和草地為主?；谖覈?guó)干旱、半干旱氣候區(qū)的劃分方法,結(jié)合降水、植被類型等基本特征,本研究將我國(guó)北方地區(qū)分為寒溫帶針葉林區(qū)(Ⅰ)、溫帶落葉闊葉林區(qū)(Ⅱ)、暖溫帶落葉闊葉林區(qū)(Ⅲ)、溫帶草原區(qū)(Ⅳ)和溫帶荒漠區(qū)(Ⅴ)5個(gè)分區(qū),劃分結(jié)果見圖1(b),各分區(qū)土地利用情況見圖1(c)和表1。

表1 中國(guó)北方地區(qū)5個(gè)分區(qū)土地利用情況

圖1 研究區(qū)概況

1)Ⅰ分區(qū)位于大興安嶺北部,屬于東西伯利亞南部落葉針葉林,是歐亞大陸北方針葉林沿山地向南的延續(xù)部分,山地海拔在600～1 000 m之間,不同地點(diǎn)年均氣溫為-5～-1.2 ℃,年均降水量為400～600 mm,土地利用類型以林地為主,其次是草地和農(nóng)田。

2)Ⅱ分區(qū)位于東北地區(qū)的東部區(qū)域,包括小興安嶺和長(zhǎng)白山山區(qū),屬海洋性溫帶季風(fēng)氣候區(qū),呈現(xiàn)山巒重疊、地勢(shì)起伏的地形特點(diǎn),不同地區(qū)年均氣溫為-1～6 ℃,年均降水量為600～800 mm,土地利用類型以林地為主,其次是農(nóng)田和草地。

3)Ⅲ分區(qū)位于華北地區(qū),地形以山地、丘陵和平原為主。四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,不同地區(qū)年均氣溫為8～14 ℃,年均降水量為500～1 000 mm,土地利用類型以草地和農(nóng)田為主。

4)Ⅳ分區(qū)包括東北平原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和準(zhǔn)噶爾盆地北部的一部分,屬溫帶半濕潤(rùn)、半干旱氣候區(qū),地形以山地和平原為主,不同地區(qū)年均降水量為300～500 mm,土地利用類型以草地為主,不同地區(qū)其次是農(nóng)田和林地。

5)Ⅴ分區(qū)位于我國(guó)西北部,屬溫帶干旱氣候和極端干旱氣候區(qū),地形以沙漠和戈壁為主,不同地區(qū)年均降水量為100～800 mm,土地利用類型以沙漠為主。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

植被數(shù)據(jù)采用由美國(guó)NASA的生態(tài)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的時(shí)間分辨率1個(gè)月、空間分辨率8 km×8 km的1982—2015年GIMMS NDVI遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)(http://ecocast.arc.nasa.gov/)。降水、風(fēng)速、氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等氣象要素?cái)?shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/),采用反距離權(quán)重法將氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為時(shí)間分辨率1個(gè)月、空間分別率8 km×8 km的空間數(shù)據(jù)。土地利用類型和植被類型數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/Default.aspx)。

2.2 研究方法

2.2.1 水分虧缺量

在大尺度范圍內(nèi),區(qū)域的水分虧缺通常被定義為一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)區(qū)域水分供需差額或收支赤字[5］。本研究根據(jù)區(qū)域的水量平衡原理,將降水量和潛在蒸散發(fā)量的差值定義為區(qū)域水文循環(huán)過程中的水分虧缺量。Penman-Monteith模型具有蒸散發(fā)量的物理基礎(chǔ)和較為廣泛的應(yīng)用,可較為準(zhǔn)確地模擬植被的潛在蒸散發(fā)量,本研究應(yīng)用FAO56 Penman-Monteith模型模擬潛在蒸散發(fā)量。Penman-Monteith模型為[9-10］

(1)

式中:PET為潛在蒸散發(fā)量,單位mm;Rn為太陽凈輻射,單位MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,單位MJ/(m2·d);Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率,單位kg·Pa/℃;γ為濕度計(jì)常數(shù),單位kg·Pa/℃;es為飽和水汽壓,單位kPa;ea為實(shí)際水汽壓,單位kPa;T為2 m高度處平均氣溫,單位°C;u2為2 m高度處的風(fēng)速,單位m/s。

水分虧缺量計(jì)算公式為

D=P-PET

(2)

式中:D為水分虧缺量,單位mm;P為降水量,單位mm。

2.2.2 植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度和響應(yīng)時(shí)間

本研究采用最大系數(shù)法確定植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度和響應(yīng)時(shí)間[11］,具體是指:以柵格為單位,計(jì)算不同時(shí)間尺度下NDVI和水分虧缺量的Pearson相關(guān)系數(shù),將不同時(shí)間尺度下的最大相關(guān)系數(shù)定義為植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù),將最大相關(guān)系數(shù)所在的時(shí)間尺度定義為植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)系數(shù)越大,代表植被對(duì)水分變化越敏感;而響應(yīng)時(shí)間指水分虧缺發(fā)生變化,致使土壤濕度發(fā)生變化,進(jìn)而引起植被生長(zhǎng)狀態(tài)發(fā)生變化的這段時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),代表由水分虧缺變化引起植被生長(zhǎng)狀態(tài)發(fā)生變化所需的時(shí)間越長(zhǎng)。最大相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1 我國(guó)北方地區(qū)植被特征

調(diào)查我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)的植被特征差異和動(dòng)態(tài)變化特征,可為后續(xù)分析植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)提供基礎(chǔ)。通過總結(jié)我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)1982—2015年各季節(jié)NDVI均值(見圖2),發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)各季節(jié)NDVI值呈現(xiàn)夏季>秋季>春季>冬季,夏季的植被覆蓋程度明顯高于其他3個(gè)季節(jié),秋季和春季近似,冬季植被覆蓋程度最低。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區(qū)相同季節(jié)NDVI值比較接近,Ⅳ分區(qū)各季節(jié)NDVI值略低于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區(qū),Ⅴ分區(qū)各季節(jié)NDVI值明顯低于其他4個(gè)分區(qū)。DING et al.[1］通過研究表明林地生物群落的植被覆蓋程度和生態(tài)抵抗能力普遍高于草地和農(nóng)田,且遠(yuǎn)高于荒漠植被。XU et al.[12］通過研究同樣表明東北、華北和西北的植被覆蓋程度依次降低。由表1可知,不同的植被類型和生物群落是造成我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)植被覆蓋程度差異的主要原因。

圖2 我國(guó)北方地區(qū)5個(gè)分區(qū)各季節(jié)NDVI均值

為進(jìn)一步分析我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)的植被覆蓋變化特征,基于NDVI月尺度和年尺度數(shù)據(jù)計(jì)算了NDVI在年際和年內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差(見圖3)。我國(guó)北方地區(qū)NDVI年際標(biāo)準(zhǔn)差在0.002～0.030之間,而年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差在0.01～0.27之間,NDVI在年內(nèi)不同月份的變化要大于在年際間的變化,表明植被覆蓋程度在不同季節(jié)間變化明顯,而在年際間變化較小。Ⅰ、Ⅱ分區(qū)NDVI年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差高于其他分區(qū),主要是因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)域的植被以針葉林和落葉闊葉林為主,植被生長(zhǎng)隨季節(jié)變化比較顯著。Ⅴ分區(qū)NDVI年際和年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差均低于其他分區(qū),表明該區(qū)域植被覆蓋程度在不同季節(jié)間和年際間的變化均較小。

圖3 5個(gè)分區(qū)的NDVI在年際和年內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差

3.2 我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)水分虧缺情況

圖4為我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)的降水量、潛在蒸散發(fā)量和水分虧缺量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4(a)可以得到:

圖4 5個(gè)分區(qū)降水量、潛在蒸散發(fā)量和水分虧缺量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

不同分區(qū)按年均降水量大小排序?yàn)棰蠓謪^(qū)(520～750 mm)>Ⅱ分區(qū)(550～725 mm)>Ⅰ分區(qū)(450～500 mm)>Ⅳ分區(qū)(325～450 mm)>Ⅴ分區(qū)(100～175 mm);不同分區(qū)按年均潛在蒸散發(fā)量大小排序?yàn)棰醴謪^(qū)(1 150～1 250 mm)>Ⅲ分區(qū)(1 125～1 200 mm)>Ⅳ分區(qū)(1 025～1 150 mm)>Ⅱ分區(qū)(925～975 mm)>Ⅰ分區(qū)(775～850 mm)。由圖4(b)可以得到不同分區(qū)年均水分虧缺量依次為Ⅴ分區(qū)(-1 150～-1 000 mm)<Ⅳ分區(qū)(-800～-600 mm)<Ⅲ分區(qū)(-600～-400 mm)<Ⅰ分區(qū)(-400～-300 mm)<Ⅱ分區(qū)(-350～-200 mm)。不同分區(qū)的年均降水量差異較大,年均潛在蒸散發(fā)量差異相對(duì)較小。Ⅴ分區(qū)年均降水量最小,年均潛在蒸散發(fā)量最大,導(dǎo)致水分虧缺最嚴(yán)重,且明顯高于其他分區(qū)。

3.3 植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)

通過計(jì)算植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間并分析其空間分布特征(見圖5),可以得到:東北平原中部、內(nèi)蒙古高原中部、準(zhǔn)噶爾盆地南部的植被與水分虧缺呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)較高;塔里木盆地植被與水分虧缺呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且相關(guān)系數(shù)較低。東北平原、內(nèi)蒙古高原和華北平原植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間較短,青藏高原和塔里木盆地植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖5 我國(guó)北方地區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間空間分布

通過計(jì)算我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)[見圖6(a)],得到各分區(qū)響應(yīng)系數(shù)大小排序?yàn)?Ⅰ分區(qū)(0.75～0.80)>Ⅳ分區(qū)(0.70～0.80)>Ⅱ分區(qū)(0.55～0.75)>Ⅲ分區(qū)(0.45～0.70)>Ⅴ分區(qū)(0.18～0.75)。通過計(jì)算不同分區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間[見圖6(b)]可知:Ⅰ分區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間主要為5個(gè)月,其面積占比為96%;Ⅱ分區(qū)的響應(yīng)時(shí)間主要為5個(gè)月或6個(gè)月,其面積占比分別為59%和36%;Ⅲ分區(qū)的響應(yīng)時(shí)間主要為5個(gè)月或6個(gè)月,其面積占比分別為38%和49%;Ⅳ分區(qū)的響應(yīng)時(shí)間主要為5個(gè)月,其面積占比為68%;Ⅴ分區(qū)的響應(yīng)時(shí)間比較分散,2、3、4、5和11個(gè)月的面積占比分別為15%、20%、13%、10%和13%。

圖6 5個(gè)分區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間

植被類型是影響植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度和響應(yīng)時(shí)間的重要因素。通過計(jì)算各分區(qū)中不同植被類型對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)[見圖7(a)]和響應(yīng)時(shí)間[見圖7(b)],發(fā)現(xiàn)Ⅰ分區(qū)林地和草地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)分別為0.76～0.81和0.77～0.81;Ⅱ分區(qū)農(nóng)田和林地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)分別為0.57～0.73和0.68～0.76;Ⅲ分區(qū)農(nóng)田和草地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)分別為0.39～0.63和0.51～0.72;Ⅳ分區(qū)農(nóng)田和草地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)分別為0.65～0.75和0.71～0.78;Ⅴ分區(qū)草地和沙漠植物對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)分別為0.73～0.88和0.13～0.41。Ⅰ分區(qū)中林地和草地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)接近,同時(shí)Ⅰ分區(qū)中草地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)高于其他分區(qū)的草地;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分區(qū)中農(nóng)田對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)均低于同分區(qū)的其他植被;Ⅴ分區(qū)中草地和沙漠植物對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)差異較大,草地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)高于沙漠植物,沙漠植物對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)是所有植被類型中最低的。除Ⅴ分區(qū)外,其他分區(qū)的農(nóng)田、草地、林地對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間一般為5或6個(gè)月。人類活動(dòng)影響是造成不同植被類型對(duì)水分虧缺響應(yīng)程度不同的主要原因。SHI et al.[13］發(fā)現(xiàn)人類的灌溉活動(dòng)會(huì)降低農(nóng)田植被對(duì)水分虧缺的敏感程度和延遲響應(yīng)時(shí)間。在本研究中,人類灌溉活動(dòng)會(huì)影響Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分區(qū)的農(nóng)田作物生長(zhǎng),使得農(nóng)田對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度低于同分區(qū)的其他植被類型;此外,不同植被的生理結(jié)構(gòu)差異也是造成植被對(duì)水分虧缺響應(yīng)程度差異的原因,如沙漠植物具有特殊的生理結(jié)構(gòu),使得其對(duì)水分變化的敏感程度較低,導(dǎo)致Ⅴ分區(qū)沙漠植物對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度明顯低于其他植被類型。

F、G、C、D分別代表林地、草地、農(nóng)田、沙漠。

4 結(jié)論

通過采用NDVI和水分虧缺量描述植被動(dòng)態(tài)變化和水分條件,基于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)和柵格尺度的計(jì)算,總結(jié)了我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)植被特征和水分虧缺特征,分析了我國(guó)北方地區(qū)不同分區(qū)植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間,結(jié)果表明:①我國(guó)北方地區(qū)夏季的植被覆蓋程度明顯高于其他3個(gè)季節(jié),秋季和春季近似,冬季植被覆蓋程度最低,年際NDVI變化程度低于年內(nèi)不同季節(jié)NDVI的變化程度;②較高的年均潛在蒸散發(fā)量和較低的年均降水量導(dǎo)致Ⅴ分區(qū)水分虧缺最嚴(yán)重;③植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)系數(shù)表現(xiàn)為Ⅰ分區(qū)>Ⅳ分區(qū)>Ⅱ分區(qū)>Ⅲ分區(qū)>Ⅴ分區(qū),除Ⅴ分區(qū)外,植被對(duì)水分虧缺的響應(yīng)時(shí)間集中在5或6個(gè)月;④受人類灌溉活動(dòng)影響,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分區(qū)農(nóng)田對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度低于同分區(qū)的其他植被類型,而沙漠植物的特殊生理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其對(duì)水分虧缺的響應(yīng)程度較低。