張 特, 劉 冀, 魏 榕, 常文娟, 董曉華, 孫周亮
(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430072)
干旱作為一種區(qū)域水分異常缺乏的自然現(xiàn)象,對(duì)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)影響[1]。在氣候變化的大背景下,未來我國(guó)的干旱形勢(shì)將日益嚴(yán)峻[2],探討植被對(duì)干旱的響應(yīng)規(guī)律對(duì)于認(rèn)識(shí)極端氣候事件下生態(tài)環(huán)境脆弱性極其重要[3]。由于對(duì)干旱機(jī)理和植被生理規(guī)律認(rèn)識(shí)不足,當(dāng)前植被對(duì)干旱的響應(yīng)規(guī)律仍是一個(gè)有待解決的問題。
淮河流域位于我國(guó)南北氣候分區(qū)地帶,旱澇災(zāi)害頻發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)、Z指數(shù)(Z-Index)、帕爾默指數(shù)(Palmer Drought Severity Index,PDSI)等干旱指數(shù)經(jīng)常被用于定量評(píng)估淮河流域的干旱程度[4-6],但這些指數(shù)存在物理機(jī)制不明確或不易計(jì)算等缺點(diǎn)。Vicente等[7]于2010年提出了物理機(jī)制明確且計(jì)算簡(jiǎn)便的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPEI)在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用[8]。同時(shí)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展為揭示區(qū)域植被動(dòng)態(tài)變化特征提供了有效的技術(shù)手段,歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)能有效地反映植被覆蓋特征,可用于植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[9]。植被狀態(tài)指數(shù)(Vegetation Condition Index,VCI)通過對(duì)NDVI逐像元?dú)w一化,使其在時(shí)間和空間上具有可比性,用于反映植被的受旱程度,能有效地進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)[10]。由于干旱對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響越來越大,植被對(duì)干旱的響應(yīng)研究引起了很多關(guān)注。胡君德等[11]基于NDVI和Palmer指數(shù)分析了鄂爾多斯高原植被對(duì)干旱的響應(yīng)規(guī)律,結(jié)果表明夏季干旱很大程度上制約了秋季植被生長(zhǎng);趙舒怡等[12]在華北地區(qū)開展了植被覆蓋度與干旱條件的相關(guān)性研究,認(rèn)為草原對(duì)干旱反應(yīng)最為強(qiáng)烈,而森林反應(yīng)不明顯;劉世梁等[13]分析了云南省植被對(duì)干旱的響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)月尺度上NDVI指數(shù)對(duì)SPEI指數(shù)有一定的滯后效應(yīng)。
盡管近年來淮河流域的NDVI整體表現(xiàn)出上升趨勢(shì),植被狀況有所好轉(zhuǎn)[14],但受氣象條件影響,NDVI年際波動(dòng)較大,淮河流域植被對(duì)氣象干旱的響應(yīng)規(guī)律仍不明確。由于干旱具有累積性,且不同區(qū)域、不同植被對(duì)干旱的響應(yīng)規(guī)律不同,二者的關(guān)聯(lián)需要從更細(xì)致的時(shí)空尺度進(jìn)行討論。本文以淮河上游為研究區(qū),基于SPEI指數(shù)與VCI指數(shù),探究研究區(qū)內(nèi)植被對(duì)氣象干旱的響應(yīng)規(guī)律,以期為研究區(qū)生態(tài)保護(hù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
淮河流域位于我國(guó)氣候過渡帶,流域內(nèi)年平均降雨約1 040 mm,年平均氣溫11~16 ℃,汛期降水占年降水量的60%~80%,獨(dú)特的氣候條件和地理位置導(dǎo)致流域內(nèi)的旱澇問題比較嚴(yán)重。本文以淮河王家壩水文站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū),流域面積約30 630 km2,流域內(nèi)以農(nóng)業(yè)區(qū)為主,約占流域面積的68.8%,主要種植冬小麥、玉米和水稻[15];林區(qū)主要分布于淮河源生態(tài)保護(hù)區(qū),約占流域面積的17.6%,流域概況如圖1所示。
圖1 研究區(qū)地理位置及土地利用
本文所采用的氣象數(shù)據(jù)為中科院青藏所發(fā)布的中國(guó)高分辨率月氣象數(shù)據(jù)集(doi:10.3972/westdc.002.2014.db)的月降水及氣溫資料,該數(shù)據(jù)集結(jié)合了中國(guó)氣象局常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、Princeton再分析資料、GLDAS資料、以及TRMM降水資料,分辨率為10 km,數(shù)據(jù)年限為1978—2014年,為了匹配遙感數(shù)據(jù)的分辨率,將其重采樣至1 km尺度。遙感數(shù)據(jù)包括植被和土地利用數(shù)據(jù),植被數(shù)據(jù)來源于NASA的MOD13A3月NDVI(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov),空間分辨率為1 km,本文選取的數(shù)據(jù)年限為2000年2月至2014年末;土地利用數(shù)據(jù)來源于淮河水利委員會(huì),分辨率為30 m,由于2000—2013年淮河流域土地利用變化幅度不大[14],因此本文采用2005年土地利用情況進(jìn)行分析。
2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI) 由于地表蒸散的存在,降水不是決定干旱的唯一因素。Vicente采用降水與潛在蒸發(fā)的虧缺程度來量化干旱程度,提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SEPI,可有效評(píng)估不同時(shí)間尺度的干旱。計(jì)算方法如下:
(1)
式中:D為水分虧缺量;P為降雨量;PET為潛在蒸發(fā)量;k,i,j分別為分析時(shí)段的時(shí)間尺度和起、止時(shí)間。
采用三參數(shù)Log-logistic分布函數(shù)將D擬合成均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布:
(2)
對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化:
P=1-F(x)
(3)
(4)
(5)
式中:c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.001308。
2.2.2 植被狀態(tài)指數(shù)(VCI) NDVI指數(shù)可以用來表征地表植被覆蓋情況,但植被特征隨季節(jié)變化明顯,僅用NDVI指數(shù)無法判斷干旱引起的植被變化情況。植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)能反映在當(dāng)前水分供給條件下的生理狀況,對(duì)干旱脅迫具有良好的表征能力[16]。其計(jì)算方法如式(6) 所示:
VCI=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)
(6)
式中:VCI為植被狀態(tài)指數(shù),其值越大表明當(dāng)前植被長(zhǎng)勢(shì)越好;NDVI為當(dāng)月植被指數(shù);NDVImin與NDVImax分別為年內(nèi)對(duì)應(yīng)月份NDVI的最小值和最大值。同理,VCI也可拓展到年、季節(jié)尺度進(jìn)行分析。
2.2.3 相關(guān)性分析 采用Person相關(guān)系數(shù)法分析VCI與SPEI的相關(guān)程度,計(jì)算方法見式(7) 。將1—12月的VCI指數(shù)分別與12種時(shí)間尺度(1~12個(gè)月)的SPEI指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,即每個(gè)網(wǎng)格得到144個(gè)相關(guān)系數(shù),將各網(wǎng)格最大的相關(guān)系數(shù)作為年最大相關(guān)系數(shù)YRmax。
(7)
YRmax=max(Ri,j)
(8)
式中:i為月份;j為干旱時(shí)間尺度;Ri,j為i月VCI與j個(gè)月尺度氣象干旱間的相關(guān)系數(shù);YRmax為各網(wǎng)格年最大相關(guān)系數(shù)。
每個(gè)網(wǎng)格在不同季節(jié)包含36個(gè)相關(guān)系數(shù),將每個(gè)網(wǎng)格在各季節(jié)內(nèi)的最大相關(guān)系數(shù)作為季最大相關(guān)系數(shù)。
SRmax=max(Rk,j)
(9)
式中:k為月份;j為干旱時(shí)間尺度;Ri,j為k月VCI與j個(gè)月尺度氣象干旱間的相關(guān)系數(shù);SRmax為網(wǎng)格季最大相關(guān)系數(shù)。
采用12個(gè)月尺度的SPEI表征年際干旱程度,研究區(qū)2000—2014年年際SPEI與VCI變化情況如圖2E所示。年SPEI以-0.089/a速率呈非顯著下降趨勢(shì)(p>0.05),其中2001年的SPEI值低至-1.70,流域整體達(dá)到重旱程度,為最嚴(yán)重干旱年,年降雨量?jī)H680 mm,為多年平均降雨量的65%;2011—2013年為持續(xù)干旱年,根據(jù)《河南省水資源公報(bào)》記載,這些年份研究區(qū)內(nèi)均發(fā)生了較為嚴(yán)重的干旱事件,表明SPEI能有效地表征研究區(qū)干旱程度。2001年VCI為0,表明研究時(shí)段內(nèi)2001年植被狀態(tài)最差,受同期干旱的影響較大。VCI在年際間有一定波動(dòng),整體以0.053/a的速率顯著上升(p<0.05),研究區(qū)植被活動(dòng)有所增強(qiáng)。
各季節(jié)的干旱程度采用3個(gè)月尺度的SPEI進(jìn)行評(píng)估,不同季節(jié)的SPEI與VCI變化如圖2A—D所示。研究區(qū)春、夏、秋、冬季SPEI的線性趨勢(shì)分別為0.021/a,-0.084/a,0.012/a,-0.098/a,夏季和冬季整體呈干旱化趨勢(shì),而春季和秋季整體呈濕潤(rùn)化趨勢(shì),但變化趨勢(shì)均不顯著(p>0.05)。對(duì)于植被而言,各季節(jié)VCI線性趨勢(shì)分別為0.042/a,0.053/a,0.056/a,0.042/a,均呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05),表明各季節(jié)植被活動(dòng)整體有所增強(qiáng)。春季SPEI與VCI的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.61(p<0.05),二者變化具有較高的一致性,表明研究區(qū)植被在春季受干旱影響較大,其他季節(jié)二者相關(guān)性并不顯著。
圖2 春季、夏季、秋季、冬季、年SPEI與VCI變化趨勢(shì)
圖3為年際、不同季節(jié)SPEI與VCI的空間變化情況,由圖3可知,年尺度上,99.3%的區(qū)域呈干旱化趨勢(shì),但各處變化趨勢(shì)均不顯著(p>0.05),流域西北部和東部的干旱趨勢(shì)相對(duì)明顯。VCI呈顯著上升趨勢(shì)的區(qū)域約占流域面積的96.5%,表明研究區(qū)植被狀況有所好轉(zhuǎn),約3.5%區(qū)域VCI呈顯著下降趨勢(shì),零散分布于研究區(qū)各處,且多為城鎮(zhèn)區(qū)域附近。各季節(jié)SPEI呈下降趨勢(shì)(p>0.05)的面積占比分別為29.4%,98.2%,16.4%,97.8%,但不同季節(jié)SPEI變化程度的空間分布差異較大,春季和秋季研究區(qū)南部干旱趨勢(shì)相對(duì)明顯,而夏季和冬季SPEI減少趨勢(shì)相對(duì)明顯的地區(qū)主要位于研究區(qū)北部和中部。春季、夏季和秋季VCI變化趨勢(shì)空間分布與年尺度上比較相似,VCI顯著下降的區(qū)域面積占比分別為3.5%,2.8%,1.6%,冬季VCI呈顯著下降趨勢(shì)的面積最廣,約占流域面積的17.6%,主要分布于研究區(qū)東南部及西部地區(qū)。
由于植被可利用的土壤水分取決于前期降雨、蒸散發(fā),因此不同區(qū)域、不同植被對(duì)干旱的響應(yīng)規(guī)律會(huì)有所差異。YRmax可用于表征干旱對(duì)植被的影響程度,YRmax對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度用于反映植被對(duì)干旱的敏感性,即YRmax越大表明干旱對(duì)植被的影響越大,YRmax對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度越大表明植被對(duì)短期干旱的抵抗能力越強(qiáng)[17]。
圖4為VCI與SPEI的年最大相關(guān)系數(shù)(YRmax)和不同季節(jié)的季節(jié)最大性關(guān)系數(shù)(SRmax)空間分布。研究區(qū)YRmax介于0.08~0.94之間,各像元均呈正相關(guān)關(guān)系,植被生長(zhǎng)受氣象干旱的限制,其中達(dá)到顯著正相關(guān)(p<0.05)的區(qū)域占流域面積的78.4%,主要分布于流域北部、西部、西南以及東部部分區(qū)域;流域南部地區(qū)的YRmax普遍未達(dá)到顯著正相關(guān)。對(duì)于YRmax對(duì)應(yīng)的干旱時(shí)間尺度分布而言,流域西南和西部地區(qū)VCI對(duì)11~12個(gè)月SPEI響應(yīng)敏感,該區(qū)域內(nèi)以林地植被為主,抗旱能力強(qiáng);中部植被以農(nóng)作物為主,對(duì)9~10個(gè)月SPEI敏感,可能是受到農(nóng)業(yè)灌溉的影響;北部以及中部部分區(qū)域植被對(duì)3~4個(gè)月SPEI敏感,植被生長(zhǎng)主要受季節(jié)性水分影響;對(duì)1~2個(gè)月SPEI響應(yīng)敏感的區(qū)域集中分布于流域南部與中部地區(qū),對(duì)短期水分條件敏感。
各季節(jié)SRmax通過顯著性檢驗(yàn)的面積比例與區(qū)域平均SRmax從大到小依次為冬季(68.9%,0.58)、春季(64.8%,0.56)、夏季(31.3%,0.44)、秋季(15.0%,0.37),研究區(qū)植被在春季和冬季易受干旱影響,夏季和秋季受干旱影響相對(duì)較小。對(duì)于SRmax的空間分布而言,春季和冬季的分布規(guī)律比較類似,流域西南、北部、中部及東部部分地區(qū)SRmax較高,夏季SRmax較高的區(qū)域主要集中在流域中部,秋季SRmax普遍未通過顯著性檢驗(yàn),僅中部及西北部少部分區(qū)域SRmax較高。
不同季節(jié)SRmax對(duì)應(yīng)的干旱尺度在空間分布上具有顯著差異,春季研究區(qū)東南部和北部植被主要對(duì)1~6個(gè)月尺度的干旱敏感,而中部和西南部植被對(duì)9~12個(gè)月尺度干旱敏感;夏季植被普遍對(duì)1~4個(gè)月尺度干旱更加敏感,研究區(qū)東部和西部部分植被則對(duì)9~12個(gè)月尺度干旱敏感;秋季大部分植被對(duì)1~4個(gè)月尺度干旱比較敏感;冬季植被普遍對(duì)7~12個(gè)月尺度干旱敏感,部分植被對(duì)1~4個(gè)月尺度干旱敏感,零散分布與流域各處。
圖3 年際、不同季節(jié)SPEI與VCI空間變化趨勢(shì)
圖4 年、季節(jié)Rmax與對(duì)應(yīng)干旱時(shí)間尺度空間分布圖(圖中Rmax大于0.514時(shí)代表0.05置信水平上顯著相關(guān))
為了探究不同植被對(duì)氣象干旱的響應(yīng)差異,對(duì)不同土地利用類型植被的YRmax、各季節(jié)的SRmax及其對(duì)應(yīng)的干旱時(shí)間尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖5所示。研究區(qū)主要作物為冬小麥、水稻和玉米,水田區(qū)域僅在夏季和秋季存在。整體上看,圖5A中作物、林地和草地的YRmax分布差異不大,中位數(shù)分別為0.61,0.60,0.59,氣象干旱對(duì)3種植被的影響程度相差無幾,但圖5B中YRmax對(duì)應(yīng)的干旱時(shí)間尺度上存在一定差異,草地整體對(duì)4個(gè)月尺度干旱敏感,而作物和林地整體對(duì)5個(gè)月尺度干旱敏感。
圖5A中,不同植被在春季和冬季的SRmax分布差異不大,中位數(shù)分別為:旱田作物(0.56,0.58)、林地(0.56,0.55)和草地(0.56,0.57),各類植被受干旱影響顯著,但圖5B中不同植被SRmax對(duì)應(yīng)的干旱尺度有所差異,春季林地整體對(duì)10個(gè)月尺度干旱敏感,而旱田作物和草地對(duì)5個(gè)月干旱比較敏感,冬季各類植被整體對(duì)4~5個(gè)月尺度的干旱比較敏感。在夏季和秋季,各類植被的SRmax存在一定差異,中位數(shù)分別為:水田(0.38,0.27)、旱田(0.46,0.38)、林地(0.43,0.42)和草地(0.41,0.41),各類植被的平均SRmax均未通過0.05水平顯著性檢驗(yàn),夏季水田和草地植被整體對(duì)3個(gè)月尺度干旱敏感,其他植被則對(duì)4個(gè)月尺度干旱敏感,秋季林地整體對(duì)3個(gè)月尺度的干旱敏感,其他植被則對(duì)1個(gè)月尺度的干旱比較敏感。
圖5 不同植被年、季節(jié)Rmax及對(duì)應(yīng)干旱時(shí)間尺度分布
淮河上游地區(qū)1961—2010年來降雨變化趨勢(shì)不顯著,而氣溫呈上升趨勢(shì)[18],氣溫上升可能是流域干旱化的主要原因。流域內(nèi)降水主要集中在夏季,而圖2中夏季98.2%的區(qū)域SPEI呈下降趨勢(shì),夏季SPEI的減少主導(dǎo)了流域年際上的干旱化趨勢(shì)。年際VCI指數(shù)以0.04/a的速率上升,表明流域植被狀況逐漸好轉(zhuǎn),可能是由于氣溫上升對(duì)植被生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用,同時(shí)人類活動(dòng)也會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)造成影響[19],合理的生態(tài)、農(nóng)業(yè)管理政策也對(duì)植被生長(zhǎng)起到了積極作用,而VCI顯著下降的區(qū)域多分布在各城鎮(zhèn)區(qū)附近,與城市擴(kuò)張有較大關(guān)聯(lián)。冬季VCI顯著下降的區(qū)域面積較大,并與SPEI的變化趨勢(shì)在空間分布上具有一致性。
VCI與SPEI之間的相關(guān)程度受區(qū)域氣候特征、土地利用、灌溉量、植被種類和土壤質(zhì)地多種因素影響,其中區(qū)域氣候特征是影響二者關(guān)系的最重要影響因素[16]。相關(guān)研究表明由降雨和潛在蒸發(fā)決定的流域水分虧缺是植被對(duì)干旱響應(yīng)程度的關(guān)鍵因子[17],本研究區(qū)從東南至西北部水分虧缺量(0~400 mm)逐漸遞增,與YRmax的空間分布高度一致(圖4),區(qū)域氣候特征主導(dǎo)了氣象干旱對(duì)植被的影響程度,而植被種類不是影響YRmax的主要因素(圖5A)。流域西北和西部林地根系發(fā)達(dá),發(fā)生氣象干旱時(shí),短期內(nèi)能汲取深層土壤水分進(jìn)行補(bǔ)給,因此主要受長(zhǎng)尺度干旱的影響(圖5B)。耕地作物對(duì)1~4個(gè)月尺度氣象干旱敏感,主要受短期土壤水分影響,而3個(gè)月尺度的SPEI被證明能較好地表征短期土壤濕度變化特征[20],部分農(nóng)作物對(duì)9~10個(gè)月尺度干旱敏感,可能與農(nóng)業(yè)灌溉有關(guān),草地僅能汲取淺層土壤水分,易受到短期氣象干旱的影響。
圖4中植被在春季和冬季受干旱顯著影響的面積較大,而夏季和秋季影響面積相對(duì)較小,這與降水的年內(nèi)分配有關(guān),研究區(qū)降水集中在夏季,而冬旱、春旱時(shí)有發(fā)生,易對(duì)冬小麥、林地、草地等植被生長(zhǎng)造成影響,雖然夏季降水充裕,但降雨的空間分布不均會(huì)導(dǎo)致局部地區(qū)植被生長(zhǎng)受到影響,尤其是對(duì)于不耐旱作物影響更為顯著。圖5中,不同植被在春季、冬季的SRmax相差無幾,表明氣象干旱對(duì)不同植被的影響差異不大,各類植被對(duì)5個(gè)月及以上的氣象干旱敏感,尤其是春季林地整體對(duì)10個(gè)月尺度的干旱敏感,抗旱能力最強(qiáng)。由于夏、秋季多雨的氣候特征和農(nóng)業(yè)灌溉的影響,SPEI與VCI之間沒有顯著的相關(guān)性,各類植被均對(duì)低于4個(gè)月尺度的干旱敏感。
本文采用VCI表征植被受旱程度,但蟲害、施肥等其他因素同樣會(huì)影響VCI的波動(dòng),今后應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合地表溫度信息以期更精確地表征植被受旱狀態(tài)。研究結(jié)果對(duì)變化環(huán)境下的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作具有具有一定指導(dǎo)意義,本研究區(qū)以農(nóng)業(yè)區(qū)為主,植被生長(zhǎng)受人為影響較大,后續(xù)的研究中需進(jìn)一步考慮人為因素的影響。
本文分析了淮河上游地區(qū)氣象干旱和植被的變化情況以及二者之間的相關(guān)性,得出以下結(jié)論:
(1) 2000—2014年來淮河上游地區(qū)整體上呈不顯著干旱化趨勢(shì),干旱化區(qū)域占研究區(qū)面積的99.3%,淮河以北的干旱化趨勢(shì)最為明顯;流域內(nèi)VCI以0.053/a速率顯著上升,占流域面積的96.5%,植被狀態(tài)整體有所好轉(zhuǎn)。
(2) 淮河上游地區(qū)SPEI和VCI在年內(nèi)具有顯著相關(guān)性的區(qū)域占流域面積的78.4%,分布于流域西南、南部、北部和東部。林地對(duì)9~12個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間尺度氣象干旱敏感,農(nóng)作物主要對(duì)1~4個(gè)月的短尺度氣象干旱響應(yīng)迅速,部分作物受9~10個(gè)月尺度的氣象干旱影響最大。
(3) 春季和冬季分別有68.9%和64.8%的植被對(duì)氣象干旱響應(yīng)比較明顯,且不同類型植被所受影響程度差異不大,春季冬小麥和草地對(duì)氣象干旱更加敏感,冬季3種植被對(duì)氣象干旱的敏感性差異不大;夏季和秋季植被受氣象干旱顯著影響面積相對(duì)較小,分別占流域面積的31.3%和15.0%,夏季僅流域中部玉米受氣象干旱影響較大,秋季分布比較零散,各類植被均對(duì)4個(gè)月以下尺度的氣象干旱比較敏感,但整體并未受到顯著影響。