黃土高原地區(qū)植被變化及其對極端氣候的響應

韓丹丹, 穆興民, 高 鵬, 趙廣舉, 孫文義, 田 鵬

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院大學， 北京 100000)

隨著全球變暖，極端氣候頻發(fā)，強度增強，其對人類生產生活具有重大影響。IPCC第5次評估報告指出，全球平均氣溫在1880—2012年期間升高了0.85 ℃[1]。極端氣候事件是指特定時段內某類氣候要素統(tǒng)計量值顯著偏離平均值、且超出其觀測統(tǒng)計量值區(qū)間上下限的閾值的事件[2]。與平均態(tài)相比，極端氣候具有偶然性、反常性的特點，且破環(huán)程度高、災難性強，地域差異性更為顯著[3]。黃土高原自身復雜的地形影響和長期人類活動的干擾，極端氣候對植被的影響比平均態(tài)氣候的影響更為明顯，開展黃土高原植被動態(tài)變化及其對極端氣候的影響對于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。植被是連接土壤、水和大氣的紐帶，在全球變化中有著重要的作用。目前，前人研究多集中在各個區(qū)域平均態(tài)氣候和人類活動兩個因素與植被的關系，認為氣候為植被生長的主要驅動因子，降水通常影響干旱半干旱地區(qū)的植被，而氣溫一般有利于溫帶或寒溫帶地區(qū)的植被生長[4-6]。極端事件的頻發(fā)會對植被的生長產生重要的影響，導致植被覆蓋狀況的改變。近年來，關于植被動態(tài)變化與極端降水和氣溫之間的相關性的認識有了很大的提升。例如，趙安周等[7]研究表明，春季和秋季NDVI與極端氣候指數(shù)均有顯著的相關性。西北干旱區(qū)極端氣溫和降水的增加趨勢明顯要高于均態(tài)氣溫和降水，且該區(qū)域暖濕化和極端化趨勢更為顯著[8]。楊方興[9]研究發(fā)現(xiàn)，內蒙古區(qū)域植被NDVI與極端降水指數(shù)呈顯著的相關性，而與極端氣溫指數(shù)未發(fā)現(xiàn)明顯的相關性。不同區(qū)域不同尺度下極端氣溫和降水與植被的關系具有差異性。黃土高原地區(qū)植被NDVI與極端氣候之間的關系尚不明確。因此，本文利用1982—2017年黃土高原遙感數(shù)據(jù)和87個氣象站日降雨、日最高溫和日最低溫數(shù)據(jù)，研究黃土高原植被覆蓋度時空變化及其對極端氣候的響應，為科學地減緩和應對氣候異常提供依據(jù)，以促進黃土高原生態(tài)環(huán)境和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)位于中國中西部(100°54′—114°33′E，33°43′—41°16′N)，包括太行山以西，日月山以東，秦嶺以北，長城以南的區(qū)域，海拔800～2 000 m，面積約為6.24×105km2。地勢西北高東南低，屬干旱大陸性季風氣候，年均氣溫4.3～14.3 ℃，年均降水量150～750 mm。植被類型從東南到西北呈帶狀分布，依次為森林植被帶、森林草原帶、典型草原植被帶、荒漠草原植被帶、草原化荒漠帶。降雨集中且多暴雨、土質疏松、植被覆蓋低、人類活動以及不合理的土地利用等原因，使得黃土高原地區(qū)水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 研究資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用1982—1999年的GIMMS數(shù)據(jù)產品和2000—2017年MODIS月最大合成(MVC)數(shù)據(jù)產品，空間分辨率為8 km和500 m。數(shù)據(jù)來源于美國國家航天航天局(NASA)，原始數(shù)據(jù)已經過輻射校正、幾何糾正等預處理(https:∥e4ftl01.cr.usgs.gov/MOLT)。運用MRT(MODIS reprojection tools)進行格式、投影的轉化和裁剪，并利用均值法獲取各月及歷年值。氣象數(shù)據(jù)采用1982—2017年黃土高原87個氣象站日降水與日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

極端氣候指數(shù)利用RClimDex模型得到各個氣象站的極端氣溫和極端降水指數(shù)，該模型可以分辨錯誤的氣象數(shù)據(jù)，指數(shù)涵蓋指標范圍廣[10]。本文所取指數(shù)包括3個極端降水指數(shù)和9個極端氣溫指數(shù)由ETCCDMI(expert team on climate change detection and indices)推薦，均已涵蓋極端氣溫和極端降水長期與短期的邊緣化與極端態(tài)[11](表1)。采用氣象學標準對季節(jié)劃分，分別為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)。利用Mann-Kendall(M-K)趨勢分析1982—2017年黃土高原地區(qū)NDVI和極端氣候指數(shù)的趨勢變化，運用相關分析研究極端氣候指數(shù)與NDVI的相關性。M-K趨勢檢驗方法被廣泛使用于氣象、水文數(shù)據(jù)時間序列分析中，其優(yōu)點在于它不需要樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[12]；其檢驗統(tǒng)計量若為正，表示序列呈增加趨勢，為負表示序列呈減少趨勢，顯著性水平為0.05時檢驗統(tǒng)計量臨界值為±1.96，顯著性水平為0.01時為±2.58[13]。

表1 本研究選取的極端氣候指數(shù)

3 結果與分析

3.1 NDVI時空變化分析

黃土高原1982—2017年NDVI多年平均值為0.337，1982年最小，為0.285，2014年最大，為0.442。1982—2017年NDVI呈顯著增加的趨勢，上升速率為每年0.37%(R2=0.75，p<0.01)(圖1)。黃土高原NDVI變化序列變化可分為兩個階段：1982—1999年NDVI值較低，且增長幅度較小，每年以0.09%的速率增長；2000—2017年NDVI值相對增長幅度較大，每年以0.41%的速率增長。黃土高原地區(qū)1982—2017年NDVI均值呈從西北到東南遞增的趨勢(圖2)，高值區(qū)主要分布在東南部的子午嶺山區(qū)、黃龍山林區(qū)等地，低值區(qū)主要分布在榆林西北部、內蒙古、銀川的東南部等地。

其中，NDVI值顯著增加區(qū)域主要分布在毛烏素沙地西部和中東部、賀蘭山、鄂爾多斯高原西北部以及山西呂梁山區(qū)和太行山區(qū)。通過選取1982，1999和2017年3個年份的植被覆蓋覆蓋變化進行分段研究，1982—2017年黃土高原地區(qū)植被覆蓋狀況整體好轉，低植被覆蓋面積呈顯著減少趨勢，高植被覆蓋面積呈逐漸增長趨勢。其中，1999—2017年變化更明顯。

圖1 1982-2017年黃土高原NDVI年際變化

3.2 極端氣候指數(shù)變化趨勢

黃土高原地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢，表征極高溫事件的極端氣溫指數(shù)SU25，TMAXmean，TMINmean，TN90p，TR20，TXx，TNn呈極顯著的增加趨勢，增加速率分別為0.482 d/a，0.047 ℃/a，0.052 ℃/a，0.37 d/a，0.3 d/a，0.048 d/a，0.033 d/a；表征極低溫事件的FD0，TN10p呈現(xiàn)顯著的下降的趨勢，其下降速率分別0.580，0.285和0.185 d/a，表明該地區(qū)氣溫在升高。而相對于極端氣溫指數(shù)，極端降水指數(shù)RX1day，RX5day，R25未發(fā)生明顯的變化。其中除極端降水指數(shù)RX1day，RX5day，R25外，其他的極端指數(shù)的趨勢變化均通過0.01顯著性水平(表2)。

圖2 黃土高原1982-2017年NDVI空間變化特征

表2 黃土高原地區(qū)1982-2017年極端氣候指數(shù)趨勢檢驗

3.3 NDVI與極端氣候指數(shù)的關系

3.3.1 年際變化NDVI與極端氣候指數(shù)的關系 植被指數(shù)NDVI與極端氣候指數(shù)FD0，TMAXmean，TMINmean，TN10p，TN90p，TR20相關系數(shù)均在0.46以上，達到0.01顯著性水平相關(表3)；與SU25相關系數(shù)介于0.35～0.45之間，達0.05顯著的相關性；而與極端氣候指數(shù)RX1day，RX5day，R25，TNn相關系數(shù)均在0.30以下，未達到顯著性水平(表3)。

表3 研究區(qū)年際NDVI與極端氣候指數(shù)的相關系數(shù)

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上顯著相關。下同。

3.3.2 不同季節(jié)NDVI與極端氣候指數(shù)的關系 植被隨著時節(jié)變化而變化，需進一步探討不同季節(jié)的NDVI與極端氣候指數(shù)的關系。春季的NDVI與極端氣候指數(shù)TMAXmean，TMINmean，TN10p，TN90p，TNn，TXx相關系數(shù)介于0.35～0.70之間，達到0.01顯著性水平；夏季NDVI與極端氣候指數(shù)TMINmean，TN10p，TN90p，TNn，TXx相關系數(shù)均在0.37以上，達0.01顯著性水平；秋季的NDVI僅與TMINmean，TN90p，TNn呈現(xiàn)出相關性(p<0.05)；在冬季，植被指數(shù)NDVI與極端氣候指數(shù)TXx呈現(xiàn)出顯著的相關性(p<0.05)。而在季節(jié)變化中，極端降水指數(shù)均未與各個季節(jié)表現(xiàn)出明顯的相關性(表4)。

3.3.3 不同月份NDVI與極端氣候指數(shù)的關系 由于霜凍日數(shù)(FD0)、暴雨日數(shù)(R25)、夏季日數(shù)(SU25)和熱夜指數(shù)(TR20)沒有月值，因此，選取其余8個極端指數(shù)與NDVI做相關散點分布(圖3)。

圖3 黃土高原地區(qū)1982-2017年月NDVI與月極端氣候指數(shù)散點分布

從圖3可以得出，NDVI與極端降水指數(shù)RX1day，RX5day呈正相關，與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn、呈顯著的正相關。而NDVI僅與極端氣溫指數(shù)TN10p相關性較低。NDVI與極端降水指數(shù)RX1day具有相關性的月份主要集中在5—9月，而與RX5day僅在9月份呈顯著的相關性(p<0.05)。與極端氣候指數(shù)TMINmean，TN10p，TN90p，TNn在4，6，7月中通過顯著性水平(p<0.01)。其中，在4，7月與NDVI具有相關性的指數(shù)最多有5個，其次在6，9月有4個指數(shù)，在12月NDVI與所有極端指數(shù)均未表現(xiàn)出顯著的相關性(表5)。

表4 研究區(qū)不同季節(jié)NDVI與極端氣候指數(shù)的相關性

表5 1982-2017年黃土高原地區(qū)月NDVI與月極端氣候指數(shù)的關系系數(shù)

3.3.4 滯后性分析 黃土高原地區(qū)月NDVI與當月、前1個月、前2個月極端氣候指數(shù)RX1day，RX5day，TMAXmean，TMINmean，TN10p，TN90p，TNn，TXx均表現(xiàn)出顯著的相關性(p<0.01)，而與前3個月極端指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的相關性(p<0.05)。NDVI與前3個月極端降水指數(shù)(RX1day，RX5day)均無顯著的相關性(表6)。與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TN10p，TN90p，TXx前1個月的相關性大于當月、前2個月、前3個月的相關性，表明黃土高原地區(qū)的植被覆蓋變化對這些極端氣候指數(shù)的的響應存在一定的滯后性。

表6 月NDVI與當月、前1個月、前2個月、前3個極端氣候指數(shù)的相關系數(shù)

4 討 論

4.1 NDVI時空動態(tài)變化分布

黃土高原自身復雜的地形影響和長期人類活動的干擾，如：亂砍亂伐、過度開墾土地等。導致黃土高原水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱。植被覆蓋狀況在區(qū)域調節(jié)氣候、改變水土流失扮演著重要角色，也是衡量土壤侵蝕的重要指標[14]。1982—2017年，黃土高原地區(qū)NDVI總體呈上升趨勢，且在1999年后，植被NDVI增長幅度顯著增大，這與Sun、張翀等人[15-16]研究黃土高原植被呈顯著增長的趨勢結果一致。在空間分布特征上，黃土高原植被覆蓋呈西北到東南遞增的趨勢，表明東南部植被覆蓋狀況比西北部好，且從不同時間尺度看，黃土高原子午嶺區(qū)、黃龍山林區(qū)、毛烏素沙地西部NDVI值顯著增加。影響植被生長的主要因素可分為氣候和人類活動。中國政府在1999年以后進行大規(guī)模的以退耕還林還草為主的植被恢復工程，使得黃土高原地區(qū)植被覆蓋在一定程度上的得到了改善[17]。黃土高原地區(qū)水資源短缺，氣候環(huán)境惡劣。因此，在氣候因素中，主要是降水和氣溫與植被生長有著密切聯(lián)系，降水與溫度主要調節(jié)植被年內生長規(guī)律，對植被生長有著較大的貢獻。

4.2 NDVI對極端氣候的響應

本文采用12個極端氣候指數(shù)，其中表征極高溫事件的指數(shù)(SU25，TMAXmean，TMINmean，TN90p，TR20，TXx，TNn)呈極顯著的增加趨勢，表征極低溫事件的指數(shù)(FD0，TN10p)均呈現(xiàn)下降的趨勢，表明近幾十年來黃土高原地區(qū)氣溫在上升，變暖明顯。21世紀以來，全球變暖明顯，絕大部分地區(qū)夏季溫度更高，冬季氣溫回暖，暴雨事件增多[18-20]。植被與極端氣候指數(shù)的關系隨季節(jié)變化而變化，具有明顯的季節(jié)依賴性，二者之間的相關主要出現(xiàn)在植被的生長季[21]。在不同的季節(jié)，NDVI與極端氣候指數(shù)的相關性不同，春季和夏季的相關性高于秋季和冬季，主要是因為秋季有效能量下降，植物代謝減緩，冬季溫度偏低，降水偏少，從而抑制植被生長[22]。

極端氣候不同于普通氣候變化，具有突發(fā)性，其發(fā)生會對生態(tài)環(huán)境和人類生活造成不利影響。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，也是氣候變化中最為敏感的部分。黃土高原地區(qū)植被季節(jié)變化明顯，降雨集中且多暴雨，主要集中在6—9月[23]。相關分析表明，在年際變化中，NDVI主要與極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)具有顯著的相關性(p<0.01)，而在月尺度上，NDVI與極端降水指數(shù)(RX1day，RX5day)和極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)呈現(xiàn)出顯著的相關性(p<0.01)。極端降水指標RX1day和RX5day僅表示一段時期的降水量，與均態(tài)降水不同，可能有其他因素影響二者相關性，例如太陽輻射、城市化等，因此，在月尺度上NDVI與極端降水指數(shù)呈顯著的相關性。NDVI對極端氣候指數(shù)的響應特征在不同時間尺度相關性不同[24-26]。同時，考慮推遲的1，2和3月情況下，NDVI與極端降水指數(shù)未表現(xiàn)出顯著的相關性，而與極端氣溫表現(xiàn)出明顯的滯后性；且NDVI與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TN10p，TN90p，TXx前1個月的相關性大于當月、前2個月、前3個月的相關性，說明植被變化對極端氣候的響應具有一定滯后性[27-28]。植被—氣候的關系是一個復雜的系統(tǒng)，植被的變化是一個動態(tài)變化的過程，仍需進一步評估植被變化對極端氣候的響應機制。

5 結 論

(1) 1982—2017年黃土高原NDVI呈顯著增加的趨勢，以每年0.37%的幅度增加(p<0.01)，且空間上呈從西北到東南遞增的趨勢。

(2) 極端氣候指數(shù)變化中，極端氣溫指數(shù)變化趨勢較為一致，即表征極端高溫事件的指數(shù)(SU25，TMAXmean，TMINmean，TN90p，TR20，TXx，TNn)呈極顯著的增加趨勢，表征極低溫事件的指數(shù)(FD0，TN10p)均呈現(xiàn)下降的趨勢，極端降水指數(shù)未發(fā)生明顯變化。

(3) NDVI年際上與極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)顯著相關(p<0.01)；月尺度上，NDVI與極端降水指數(shù)(RX1day，RX5day)和極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)顯著相關(p<0.01)；季節(jié)尺度，NDVI與極端降水指數(shù)未表現(xiàn)出明顯相關性，而與極端氣溫指數(shù)顯著相關；且春季和夏季的相關性高于秋季和冬季。

(4) 黃土高原地區(qū)NDVI與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TN10p，TN90p，TXx前1個月的相關性大于當月、前2個月、前3個月的相關性，說明植被變化對極端氣候的響應具有一定滯后性。