劉 靜,溫仲明,剛成誠(chéng)

1 中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100

植被覆被是表征陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定性的指示器,也是評(píng)價(jià)地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r的重要指標(biāo)之一[1- 2]。黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱,是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。自退耕還林(草)工程實(shí)施以來(lái),該區(qū)環(huán)境治理成效顯著[3- 4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),黃土高原植被持續(xù)改善的面積占整個(gè)區(qū)域的67.08%,在不同坡度和氣候區(qū)植被覆被明顯改善的均超過(guò)50%[5- 7]。但已有研究表明,黃土高原地區(qū)由于其特殊的地質(zhì)地形條件加之近些年全球氣候變化影響,水熱狀況均已處于臨界值范疇[8],植被能否維持現(xiàn)有狀況抑或出現(xiàn)退化存在較大爭(zhēng)議。因此,研究該區(qū)植被覆被格局演變及其對(duì)氣候變化的響應(yīng),對(duì)了解區(qū)域植被發(fā)展動(dòng)態(tài)及預(yù)測(cè)未來(lái)格局具有重要意義。

植被與氣候是目前研究生態(tài)與環(huán)境的重要內(nèi)容。研究方法多基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)從不同時(shí)空尺度上來(lái)分析,對(duì)于植被的組織尺度—植被類(lèi)型研究較少[9],這可能是氣候因子如何驅(qū)動(dòng)植被覆被變化以及在不同時(shí)空尺度的效應(yīng)差異尚不明確的原因。如Liu等[10]基于GIMMS3g NDVI研究降雨量變化對(duì)全球植被生產(chǎn)力和恢復(fù)力的“記憶效應(yīng)”,認(rèn)為在干旱半干旱地區(qū),以降雨為主導(dǎo)的水分“記憶效應(yīng)”顯著。同樣,Eckert 等[11]基于MODIS NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)對(duì)蒙古土地退化及恢復(fù)進(jìn)行趨勢(shì)分析,通過(guò)對(duì)溫度和降雨兩種氣象因子與NDVI的相關(guān)分析說(shuō)明,僅有降雨與NDVI有較為一致的變化趨勢(shì)。Lamchin 等[12]通過(guò)分析1982—2014年亞洲植被NDVI的季節(jié)變化與溫度、降水、蒸散發(fā)等因子的相關(guān)關(guān)系表明,溫度是引起亞洲地區(qū)植被NDVI變化的最主要因素。在我國(guó),植被與氣候因子間的關(guān)系研究也仍有爭(zhēng)議。Pang等[13]利用GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)探究1982—2012年青藏高原地區(qū)植被變化趨勢(shì)以及對(duì)溫度、降雨因素變化的響應(yīng),結(jié)果顯示在生長(zhǎng)期,不同季節(jié)和不同月份溫度均與NDVI正相關(guān),但降雨在不同季節(jié)對(duì)NDVI的作用并不一致。李輝霞等[14]基于Spot VEGETATION/ NDVI對(duì)三江源地區(qū)植被覆被變化及驅(qū)動(dòng)因素的研究顯示,氣候和人為因素對(duì)植被生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率分別為79.32%和20.68%,溫度和降雨對(duì)植被生長(zhǎng)效應(yīng)相當(dāng)。這些研究表明,植被覆蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)比較復(fù)雜,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與研究尺度的不同有關(guān),也可能與這些研究中沒(méi)有區(qū)分不同植被類(lèi)型的差異有關(guān)。很多研究將NDVI在空間上作為一個(gè)連續(xù)變量,與溫度、降雨等氣候因子的空間變化做相關(guān)分析[11-12]；有些是將全區(qū)的NDVI均值與區(qū)域氣候因子做相關(guān)分析[13-14]。前者雖然考慮了NDVI的空間變化,但沒(méi)有進(jìn)一步解析不同植被類(lèi)型的響應(yīng)差異；后者則忽略了NDVI的空間變化對(duì)植被與氣候相互關(guān)系的影響。但事實(shí)上由于人為干擾或景觀環(huán)境異質(zhì)性,不同尺度區(qū)域內(nèi)的植被類(lèi)型的構(gòu)成是不同的,而不同植被類(lèi)型由于在物種組成、群落結(jié)構(gòu)、根系分布[15]等方面存在較大差異,對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)也均不相同。這些差異可能是植被覆蓋與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜的重要原因。因此,了解區(qū)域內(nèi)不同植被類(lèi)型NDVI對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異,對(duì)于正確認(rèn)識(shí)區(qū)域植被覆蓋與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系具有重要意義。

植被是黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的根本舉措[16],溫度和降雨被普遍認(rèn)為是影響黃土高原地區(qū)植被格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[17]。其中降雨是限制植被發(fā)展的關(guān)鍵因子[18-19],降雨的可利用性直接決定區(qū)域植被持續(xù)發(fā)展的可能性。溫度只是植被生長(zhǎng)的一個(gè)積極效應(yīng)因素,調(diào)控植被季節(jié)變化,并且對(duì)植被生長(zhǎng)作用具有兩面性,具體受到水分條件的支配[20-21]。目前該區(qū)在植被格局演變與氣候因子相關(guān)關(guān)系研究中,也多集中于在溫度、降雨兩個(gè)因素,且在分析過(guò)程中,同樣多以全區(qū)NDVI為研究對(duì)象,忽略了不同植被覆被類(lèi)型對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異,弱化了類(lèi)型變化對(duì)氣候因子響應(yīng)的差異性。而有研究表明,黃河流域草地是對(duì)降雨變化響應(yīng)最顯著的類(lèi)型,灌木和森林的響應(yīng)均不顯著[22-24]。為此,本研究將基于MODIS/NDVI植被遙感數(shù)據(jù)和ESA CCI-LC植被覆被分類(lèi)數(shù)據(jù),探討黃土高原不同植被類(lèi)型覆被的時(shí)空變化,并分析氣溫、降水、相對(duì)濕度和日照等因素對(duì)不同類(lèi)型植被覆蓋的影響,以期為預(yù)測(cè)未來(lái)黃土高原植被演變提供理論基礎(chǔ),同時(shí)對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地處我國(guó)西北地區(qū),范圍在100°52′—114°33′E、33°41′—41°16′N(xiāo) 之間(圖1),跨甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、青海等七省[25],東西綿延約1000 km,南北地跨750 km左右,面積約64萬(wàn)km2。該區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候,年均溫為9—12℃,年均降雨量在100—800 mm之間。受全球氣候變化的影響,黃土高原在1961—2010年間年均氣溫總體增幅約1.91℃,年均降雨量減少約29.11 mm,氣候波動(dòng)較為明顯[26]。主要的植被覆被類(lèi)型分為草地、農(nóng)田、灌木、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林和鑲嵌類(lèi)型植被(鑲嵌林地、鑲嵌草地)。

圖1 黃土高原植被覆被類(lèi)型分布(2000—2015年)Fig.1 Distribution of different vegetation cover types in the Loess Plateau, 2000—2015

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1土地覆被數(shù)據(jù)

土地覆被類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲航天局所研制在氣候變化背景下的土地覆被(ESA CCI-LC)影像圖(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer.),空間分辨率300 m。黃土高原地區(qū)植被覆被類(lèi)型分為農(nóng)田、鑲嵌草地(草本分布>50%)、灌木、草地、鑲嵌林地(喬木分布>50%)、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、城市、裸地、水體共12類(lèi)[27-28],文中選取時(shí)間節(jié)點(diǎn)2000和2015年兩期,用以表示當(dāng)年植被覆被類(lèi)型。在全球范圍內(nèi),ESA CCI-LC數(shù)據(jù)的整體精度估計(jì)為71.7%,且該數(shù)據(jù)資料目前已被廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的土地利用/土地覆蓋變化監(jiān)測(cè)[29-31]。

1.2.2遙感植被數(shù)據(jù)

MODND1T/NDVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn),空間分辨率500 m,時(shí)間為2000—2015年每旬,共566幅影像。利用python進(jìn)行邊界裁剪,再按年使用最大值合成法(MVC)消除云和大氣散射等干擾誤差[32],為將云干擾降到最低,本文中使用NDVImax作為植被指數(shù)指標(biāo)[14],數(shù)據(jù)處理基于ArcGIS10.3平臺(tái)。

1.2.3氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)

降水、氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)每日觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心,數(shù)據(jù)集包含中國(guó)824個(gè)基準(zhǔn)、基本氣象站,從全國(guó)各站點(diǎn)中篩選出黃土高原范圍內(nèi)具有2000—2015年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的共82個(gè)站點(diǎn)。數(shù)據(jù)篩選工作通過(guò) R 實(shí)現(xiàn)[33],對(duì)氣象數(shù)據(jù)使用普通克里金插值法,像元大小采用與NDVI數(shù)據(jù)相同的空間分辨率。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1植被覆被類(lèi)型未變區(qū)域提取

為最小化土地利用變化對(duì)植被類(lèi)型分布的影響[10],提取2000—2015年間植被覆被類(lèi)型未變區(qū)域,利用2000年和2015年ESA CCI-LC土地覆被類(lèi)型數(shù)據(jù)在ArcGIS10.3平臺(tái)采用Intersect工具,處理得到16年里植被類(lèi)型發(fā)生轉(zhuǎn)移變化的區(qū)域,將其與城市、裸地、水體等類(lèi)型合并為同一類(lèi),通過(guò)重分類(lèi)得到黃土高原2000—2015年植被覆被類(lèi)型未變區(qū)域圖。這些植被類(lèi)型未變化區(qū)域,是分析不同植被類(lèi)型植被指數(shù)對(duì)氣候變化響應(yīng)的基礎(chǔ)。

1.3.2線(xiàn)性趨勢(shì)分析

利用線(xiàn)性最小二乘回歸的方法[34]對(duì)每年的NDVImax以及插值得到的年均氣溫、年均日照時(shí)數(shù)、年總降水量以及年均相對(duì)濕度利用公式(1)進(jìn)行計(jì)算,分析逐個(gè)像元值在2000—2015年間的變化趨勢(shì)。

(1)

式中,slope表示變化斜率,單位為每年；n=16代表總年份數(shù),i表示第幾年,yi表示第i年變量y的值,y分別代表年NDVImax、年均氣溫、年均日照時(shí)數(shù)、年總降水量以及年均相對(duì)濕度。slope>0表示各變量在這16年間的變化趨勢(shì)為增加,反之slope<0,表示變化趨勢(shì)減少。對(duì)線(xiàn)性趨勢(shì)的結(jié)果用F檢驗(yàn)的方法對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),公式如下：

(2)

1.3.3Pearson相關(guān)分析

為明確植被與氣候之間相互關(guān)系,利用Pearson相關(guān)系數(shù)分別對(duì)全區(qū)及不同植被覆被類(lèi)型區(qū)的植被年NDVImax與相應(yīng)年均氣溫、年均日照時(shí)數(shù)、年總降水量以及年均相對(duì)濕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),公式如下：

(3)

1.3.4多元線(xiàn)性回歸模型和通徑分析

以2000—2015年未發(fā)生變化的植被覆被類(lèi)型數(shù)據(jù)為分類(lèi)依據(jù),借助ArcGIS10.3平臺(tái)的Zonal Statistics工具提取每種植被覆被類(lèi)型區(qū)域內(nèi)的年NDVImax、年均氣溫、年均日照時(shí)數(shù)、年總降水量以及年均相對(duì)濕度等數(shù)據(jù),再用逐步回歸的方法建立年NDVImax與各氣候要素間的回歸模型,并對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)線(xiàn)性回歸方程結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(Standardized Coefficients)得到不同氣候因子與NDVI的通徑系數(shù),間接通徑系數(shù)由氣候因子間相關(guān)系數(shù)與通徑系數(shù)乘積得到,該方法的實(shí)現(xiàn)基于SPSS的“Linear”程序,通徑系數(shù)、相關(guān)系數(shù)由Coefficients和Correlations的輸出結(jié)果獲得[35]。

2 結(jié)果與分析

2.1 全區(qū)植被NDVI和氣候因素的變化趨勢(shì)及相互關(guān)系

圖2 2000—2015年黃土高原植被NDVI及氣候因子變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of NDVI and climate factors in the Loess Plateau, 2000—2015a. 年均NDVImax; b. 年NDVImax變化趨勢(shì); c. 年均氣溫變化趨勢(shì); d. 年均日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì); e. 年總降水量變化趨勢(shì); f. 年均相對(duì)濕度變化趨勢(shì); 大于0表示呈增加趨勢(shì), 反之減少

由圖2所示,2000—2015年間植被年NDVImax均值范圍是0.041—0.982(圖2a),高值主要分布在山西省東部和陜西省南部地區(qū),低值主要位于長(zhǎng)城以北地區(qū)以及寧夏、甘肅部分地區(qū)。年NDVImax趨勢(shì)連續(xù)減少幅度為-0.036—0,增加幅度為0—0.052(圖2b)。其中顯著增加區(qū)域從低到高占比分別是16.47%(P<0.05)、22.69%(P<0.01)、35.09%(P<0.001),顯著減少區(qū)域占比不到4%(圖3a,3b)。這表明黃土高原大部分地區(qū)植被NDVI呈顯著增加趨勢(shì)[6- 7]。年均日照時(shí)數(shù)減少幅度為-0.826—0,增加幅度為0—0.921(圖2d),顯著減少范圍占比27.5%,主要分布在山西大部、陜西南部、甘肅與寧夏交界的部分地區(qū)；顯著增加區(qū)域占5.5%,主要分布于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市地區(qū)(圖3d)。說(shuō)明日照顯著減少范圍較大,僅局部地區(qū)日照顯著增加。相對(duì)濕度僅減少趨勢(shì)有顯著性,主要分布在山西東部地區(qū),較顯著減少區(qū)域占0.91%,顯著減少區(qū)域占7.47%(圖3f),減少幅度在-0.007—0之間(圖2f)。大部分區(qū)域年均溫度與年總降水量均無(wú)顯著性變化,極少部分有顯著增加趨勢(shì)。溫度有顯著增加趨勢(shì)的主要位于青海省范圍的西部地區(qū),占整個(gè)黃土高原的1.93%(圖3c),增加幅度為0—0.046(圖2c),降水呈顯著增加的地方主要位于陜西榆林東部以及山西大同、朔州、忻州三市的交界范圍內(nèi),占整個(gè)黃土高原的1.68%(圖3e),增加幅度在0—12.602之間(圖2e)。

對(duì)植被年NDVImax與各氣候要素作簡(jiǎn)單線(xiàn)性相關(guān)分析結(jié)果表明(表1),年總降水量與NDVImax正相關(guān),年均溫、年均相對(duì)濕度、年均日照時(shí)數(shù)均與NDVImax呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性并不顯著,徐麗萍、張含玉等人的研究也證明了這一點(diǎn)[36-37]。這可能與研究的時(shí)間尺度有關(guān)。有研究表明黃土高原生長(zhǎng)季溫度與植被呈顯著負(fù)相關(guān),降水與植被呈顯著正相關(guān)[38-39],且氣候變化對(duì)植被影響有一定滯后性,這些因素都有可能造成在全區(qū)尺度,氣候變化對(duì)植被無(wú)顯著影響。也可能是不同植被類(lèi)型對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在差異,從而掩蓋了氣候變化對(duì)植被的作用[22- 24]。

2.2 不同植被覆被類(lèi)型區(qū)NDVI與氣候因素變化

通過(guò)對(duì)植被類(lèi)型進(jìn)行合并后重分類(lèi)得到黃土高原2000—2015年植被覆被類(lèi)型未變化區(qū)域,分為常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、鑲嵌林地、鑲嵌草地、灌木、草地、農(nóng)田9種主要植被覆被類(lèi)型(圖2)。在未變化的植被覆被類(lèi)型中,草地面積最大,占整個(gè)黃土高原的39.86%,農(nóng)田次之,比例為35.21%。落葉闊葉林和鑲嵌類(lèi)型(鑲嵌林地和鑲嵌草地)植被區(qū)域面積相近,分別占到7.69%和8.35%。常綠闊葉林僅占全區(qū)1.98%,灌木及落葉針葉林分布范圍較小,占比均不到1%(表2)。然而不同植被覆被類(lèi)型NDVI與其所占面積大小并不互相對(duì)應(yīng),分別為常綠闊葉林 > 常綠針葉林 > 落葉闊葉林 > 落葉針葉林 > 鑲嵌草地 > 農(nóng)田 > 鑲嵌林地 > 草地 > 灌木(圖4),且逐年呈顯著增加趨勢(shì)(表2)。其中農(nóng)田和常綠闊葉林增加幅度最大,為0.012/a；鑲嵌草地增幅最較小,增幅為0.004/年。其中,落葉闊葉林與鑲嵌林地、常綠針葉林與灌木分別都有一致的增幅,分別為0.008/年和0.007/年。

各植被覆被類(lèi)型區(qū)內(nèi)降水、相對(duì)濕度、氣溫和日照的年統(tǒng)計(jì)量年變化情況如圖5所示,不同植被覆被類(lèi)型區(qū)氣候特征明顯。常綠闊葉林與落葉闊葉林區(qū)氣溫最高、降水量最大、日照時(shí)間最短、相對(duì)濕度最大。常綠針葉林、農(nóng)田以及鑲嵌林地區(qū)氣候條件較特征并不突出,氣溫、日照、降水及相對(duì)濕度年均值都位于中等水平。灌木、落葉針葉林、草地與鑲嵌草地的氣候條件相似,這些區(qū)域區(qū)氣溫、降水和相對(duì)濕度都較低,日照時(shí)間較長(zhǎng)。其落葉針葉林的氣溫最低,灌木的降水和相對(duì)濕度最低,日照時(shí)間最長(zhǎng)。落葉針葉林氣溫在2006年有突增,常綠闊葉林氣溫在2008年有驟減,這可能是由黃土高原近些年氣候暖干的趨勢(shì)變化所造成[40-41]。

表1 黃土高原全區(qū)NDVImax與氣候因子的相關(guān)系數(shù)

“*” 表示在P<0.05水平相關(guān)性顯著

表2 不同植被覆被類(lèi)型所占比例及NDVImax年變化趨勢(shì)

圖3 變化趨勢(shì)顯著性等級(jí)及其比例Fig.3 Significance and proportions of the change trenda. 年NDVImax變化趨勢(shì)顯著性;b. 年NDVImax變化趨勢(shì)顯著性等級(jí)比例; c. 年均氣溫變化趨勢(shì)顯著性;d. 年均日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)顯著性;e. 年總降水量變化趨勢(shì)顯著性;f. 年均相對(duì)濕度變化趨勢(shì)顯著性

2.3 不同植被覆被類(lèi)型區(qū)NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)機(jī)制

在不同植被覆被類(lèi)型區(qū)氣候因子對(duì)各植被覆被類(lèi)型的作用有明顯差異。由表3可知,草地僅與降水顯著相關(guān),年NDVImax在P<0.05水平與年總降水量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.56；鑲嵌草地與降水和日照顯著相關(guān),年NDVImax在P<0.05水平分別與年總降水量正相關(guān)、和年均日照時(shí)數(shù)負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.44和-0.44。灌木與降水和相對(duì)濕度顯著相關(guān),年NDVImax在P<0.05水平與年總降水量和年均相對(duì)濕度呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.49、0.5；農(nóng)田、落葉闊葉林、常綠闊葉林和鑲嵌林地僅與日照顯著相關(guān),年NDVImax分別在P<0.05、P<0.01、P<0.05、P<0.05水平與年均日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別是-0.47、-0.64、-0.49、-0.44。常綠針葉林與相對(duì)濕度和日照顯著相關(guān),年NDVImax分別在P<0.05、P<0.01水平與年均相對(duì)濕度和年均日照時(shí)數(shù)負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別是-0.47和-0.6。落葉針葉林由于分布范圍極小,與各氣候因子沒(méi)有顯著相關(guān)性。年均溫與各植被覆被類(lèi)型年NDVImax都無(wú)顯著相關(guān)性,說(shuō)明氣溫在年尺度上對(duì)不同類(lèi)型植被作用均不顯著。

表3 不同植被覆被類(lèi)型區(qū)年NDVImax與氣候因子相關(guān)系數(shù)

“*”, “**” 分別表示在P<0.05,P<0.01水平相關(guān)性顯著

圖4 不同植被覆被類(lèi)型NDVImax年變化 Fig.4 Annual changes of NDVImax in the different vegetation cover type zone

圖5 不同植被覆被類(lèi)型區(qū)氣候因子年統(tǒng)計(jì)量變化Fig.5 Annual changes of the climatic factors in different vegetation cover type zone

對(duì)不同植被覆被類(lèi)型區(qū)氣候因子與植被NDVI建立多元線(xiàn)性回歸模型,灌木與落葉針葉林由于分布范圍較小,回歸模型均不顯著。其余各類(lèi)植被覆被類(lèi)型線(xiàn)性回歸分析結(jié)果如表4所示,各回歸方程和回歸系數(shù)均通過(guò)P<0.05顯著性水平檢驗(yàn),并且不同植被覆被類(lèi)型對(duì)氣候因子的敏感度均存在差異[35]。其中常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林都受到年均相對(duì)濕度以及年均日照時(shí)數(shù)兩種氣候因素的負(fù)效應(yīng)驅(qū)動(dòng),且年均相對(duì)濕度對(duì)植被的影響較大,三種植被覆被類(lèi)型回歸系數(shù)分別是-0.4092、-0.896、-0.9126。鑲嵌林地與農(nóng)田受到年均相對(duì)濕度和年均日照時(shí)數(shù)的負(fù)效應(yīng)以及年總降水量的正效應(yīng)影響,其中相對(duì)濕度的負(fù)效應(yīng)最為明顯,兩種植被覆被類(lèi)型回歸系數(shù)分別為-2.4213、-2.4884。鑲嵌草地受年均相對(duì)濕度的負(fù)效應(yīng)和年總降水量的正效應(yīng)作用,年均相對(duì)濕度的作用系數(shù)較大,為1.1724。草地只受到年總降水量的正效應(yīng)影響,作用系數(shù)為0.0007。同一氣候因素對(duì)不同植被覆被類(lèi)型的作用機(jī)制相同,相對(duì)濕度與日照對(duì)植被有負(fù)效應(yīng),降水對(duì)植被有正效應(yīng)。

為了進(jìn)一步分離各氣候因子對(duì)不同植被覆被類(lèi)型的影響,基于通徑分析對(duì)不同植被覆被類(lèi)型NDVI與氣候因子的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分解,結(jié)果如表5所示：在氣候因子對(duì)植被的直接作用中,相對(duì)濕度和日照都與NDVI直接負(fù)相關(guān),降水與NDVI直接正相關(guān)。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林與日照的通經(jīng)系數(shù)分別為-0.576707、-0.79197、-0.735352,其絕對(duì)值大于相對(duì)濕度與其之間的通經(jīng)系數(shù),說(shuō)明日照與以上三種植被覆被類(lèi)型的線(xiàn)性關(guān)系更強(qiáng)。同理,鑲嵌林地、農(nóng)田與日照的通經(jīng)系數(shù)分別為-0.44、-0.47,日照與植被間的線(xiàn)性關(guān)系強(qiáng)度大于降水、大于相對(duì)濕度。鑲嵌草地和草地都與降水有較強(qiáng)的直接線(xiàn)性關(guān)系,通經(jīng)系數(shù)為0.44和0.56。在氣候因子對(duì)植被的間接作用中,相對(duì)濕度與日照相互之間的間接作用與植被均呈正相關(guān)。降水通過(guò)相對(duì)濕度與植被負(fù)相關(guān),相對(duì)濕度通過(guò)降水與植被正相關(guān),而降水與日照相互之間的間接作用與植被的相關(guān)性恰好與之相反,降水通過(guò)日照與植被正相關(guān),日照通過(guò)降水與植被負(fù)相關(guān)。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林區(qū)相對(duì)濕度通過(guò)日照的間接通經(jīng)系數(shù)分別是0.10092、0.21927、0.15428,說(shuō)明相對(duì)濕度通過(guò)日照間接作用與植被有較大的相關(guān)性。鑲嵌林地、農(nóng)田范圍降水通過(guò)相對(duì)濕度與植被的相關(guān)性較強(qiáng),間接通經(jīng)系數(shù)為-0.38403、-0.40204。鑲嵌草地則是相對(duì)濕度通過(guò)降水與植被的相關(guān)性較大,間接通經(jīng)系數(shù)為0.35215。

表4 黃土高原2000—2015年不同植被覆被類(lèi)型年NDVImax與氣候因子回歸模型

Table 4 Simulation models based on the annual NDVImaxof different vegetation cover types and climate factors of the Loess Plateau, 2000—2015

植被覆被類(lèi)型Vegetation cover types回歸模型Regression modelsR2F自由度 /(f1,f2)Degree offreedomP標(biāo)準(zhǔn)化殘差Residualstandarderror常綠闊葉林Evergreen broad leaf forestsy=1.3895(???) - 0.4092R1(?) - 0.0034S1(?)0.486(2,13)0.0142(?)0.0155落葉闊葉林Deciduous broad leaf forestsy=2.0285(???) - 0.896R2(??) - 0.0094S2(?)0.6813.88(2,13)0.0006(???)0.0209常綠針葉林Evergreen needle leaf forestsy=2.0122(???) - 0.9126R3(???) - 0.009S3(???)0.7418.09(2,13)0.0002(???)0.0172鑲嵌林地Mosaic treey=2.7554(???) - 2.4213R4(??) + 0.0006P4(?) -0.0134S4(?)0.699.01(3,12)0.0021(??)0.0379鑲嵌草地Mosaic grasslandy=1.1058(???) - 1.1724R5(?) + 0.0007P5(?)0.445.10(2,13)0.0232(?)0.0342草地Grasslandy=0.2606(?) + 0.0007P6(?)0.316.31(1,14)0.0249(?)0.0479農(nóng)田Cropy=2.8183(???) - 2.4884R7(??) + 0.0005P7(?) - 0.013S7(?)0.667.88(3,12)0.0036(??)0.0386

y: 年NDVImax;P: 年總降水量, total annual precipitation;R: 年均相對(duì)濕度, mean annual relative humidity;S: 年均日照時(shí)數(shù), mean annual sunshine hours; “*”, “**”, “***” 分別代表P值在小于0.05, 0.01, 0.001水平的顯著性

表5 基于通徑分析的不同植被覆被類(lèi)型NDVImax與氣候因子的相關(guān)系數(shù)分解

P: 年總降水量, total annual precipitation;R: 年均相對(duì)濕度, mean annual relative humidity;S: 年均日照時(shí)數(shù), mean annual sunshine hours

3 討論

黃土高原自退耕還林(草)工程實(shí)施以來(lái),植被覆被發(fā)生了較大變化。本文結(jié)果表明,從2000至2015年,黃土高原全區(qū)植被年NDVImax增加范圍廣、趨勢(shì)明顯。顯著增加區(qū)域占總面積的74.25%,不同植被覆被類(lèi)型年NDVImax也呈顯著增加趨勢(shì),其中常綠闊葉林和農(nóng)田增加幅度最大,為0.012/年。這與何遠(yuǎn)梅、劉哲等人的研究結(jié)果相一致,表明自退耕還林以來(lái),黃土高原地區(qū)植被覆被得到極大改善[5- 7]。

黃土高原全區(qū)植被覆被NDVI與溫度、日照、降水和相對(duì)濕度等氣候因子之間沒(méi)有顯著相關(guān)性。在相關(guān)的研究中,以全區(qū)NDVI為響應(yīng)變量,年尺度上與氣候因子作相關(guān)關(guān)系分析時(shí),研究結(jié)果多數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性[36-37]。但在不同植被覆被類(lèi)型區(qū),氣候因子對(duì)植被覆被NDVI存在顯著作用,且不同植被覆被類(lèi)型差異明顯。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林都受到年均相對(duì)濕度以及年均日照時(shí)數(shù)兩種氣候因素的負(fù)效應(yīng)驅(qū)動(dòng),且年均相對(duì)濕度對(duì)植被的影響較大,三種植被覆被類(lèi)型回歸系數(shù)分別是-0.4092、-0.896、-0.9126。這些植被覆被類(lèi)型區(qū)氣候特征是高溫、高濕、日照時(shí)間短,日照越強(qiáng)、相對(duì)濕度越大容易對(duì)植被生長(zhǎng)造成限制。鑲嵌林地與農(nóng)田受到年均相對(duì)濕度和年均日照時(shí)數(shù)的負(fù)效應(yīng)以及年總降水量的正效應(yīng)影響,其中相對(duì)濕度的負(fù)效應(yīng)最為明顯,兩種植被覆被類(lèi)型回歸系數(shù)分別為-2.4213、-2.4884。這些區(qū)域水熱條件較差,日照越強(qiáng)、相對(duì)濕度越大對(duì)植被生長(zhǎng)造成的限制更加明顯。鑲嵌草地受年均相對(duì)濕度的負(fù)效應(yīng)和年總降水量的正效應(yīng)作用,年均相對(duì)濕度的作用系數(shù)較大,為1.1724。草地只受到年總降水量的正效應(yīng)影響,作用系數(shù)為0.0007。這些以草本為主的植被覆被類(lèi)型區(qū)氣候特征是低溫、低濕、日照時(shí)間長(zhǎng),因此降水的作用比較顯著。年均相對(duì)濕度和年總?cè)照諘r(shí)數(shù)對(duì)常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林及鑲嵌林地有顯著負(fù)效應(yīng),年總降水量則對(duì)草地與鑲嵌草地有顯著正效應(yīng)。這表明以喬木為主的植被覆被類(lèi)型受年均相對(duì)濕度和年總?cè)照諘r(shí)數(shù)影響顯著,而以草本為主的類(lèi)型則都受到年總降水量的顯著作用,與李曉兵、孫睿、劉綠柳 等人[22- 24]的研究結(jié)果相一致。上述結(jié)果表明,采用全區(qū)NDVI指數(shù)進(jìn)行植被與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系分析,往往會(huì)忽略不同植被類(lèi)型間的差異性。在黃土高原整個(gè)區(qū)域尺度上,年尺度上的NDVI往往與氣候因子沒(méi)有顯著的相關(guān)性[36-37],這種整體尺度上的不相關(guān)性,可能與不同植被類(lèi)型植被指數(shù)的時(shí)間變化節(jié)律上的相互補(bǔ)充有關(guān),從而掩蓋了不同植被類(lèi)型對(duì)氣候變化響應(yīng)的真實(shí)性,顯然不利于揭示大尺度植被與環(huán)境變化的響應(yīng)關(guān)系。

相對(duì)濕度與日照相互之間的間接作用與植被均呈正相關(guān)。降水通過(guò)相對(duì)濕度與植被負(fù)相關(guān),相對(duì)濕度通過(guò)降水與植被正相關(guān),而降水與日照相互之間的間接作用與植被的相關(guān)性恰好與之相反,降水通過(guò)日照與植被正相關(guān),日照通過(guò)降水與植被負(fù)相關(guān)。在全區(qū)和不同植被覆被類(lèi)型區(qū)降水都與NDVI呈正相關(guān),說(shuō)明黃土高原地區(qū)植被對(duì)降水的響應(yīng)比較一致,并且植被對(duì)降水的需求都存在上升空間。日照在全區(qū)與植被NDVI呈負(fù)相關(guān),在不同植被覆被類(lèi)型區(qū)僅與灌木NDVI正相關(guān),表明日照在大部分地區(qū)超過(guò)了植被生長(zhǎng)的需求限度,也從側(cè)面反映了水分脅迫可能會(huì)加劇植被的光抑制效應(yīng)[42]。氣溫和相對(duì)濕度均與全區(qū)植被NDVI呈負(fù)相關(guān),在不同植被覆被類(lèi)型區(qū)僅灌木、落葉針葉林、草地和鑲嵌草地與氣溫呈負(fù)相關(guān),其余呈正相關(guān)。負(fù)相關(guān)區(qū)域干旱、相對(duì)濕度低、日照時(shí)間長(zhǎng),雖然氣溫較低也仍對(duì)植被生長(zhǎng)具有負(fù)作用；而正相關(guān)區(qū)域降水多,相對(duì)濕度大,日照時(shí)間短,雖然氣溫較高但仍對(duì)植被生長(zhǎng)有利。不同植被覆被類(lèi)型對(duì)相對(duì)濕度的響應(yīng)與氣溫完全相反,負(fù)相關(guān)區(qū)域相對(duì)濕度大,正相關(guān)區(qū)域相對(duì)濕度低,說(shuō)明相對(duì)濕度的變化范圍超過(guò)了植被的生長(zhǎng)耐受限度。

氣溫?zé)o論在整個(gè)區(qū)域尺度還是不同植被類(lèi)型區(qū)對(duì)植被的影響均不顯著,可能是因?yàn)辄S土高原地區(qū)干旱缺水,溫度對(duì)植被的影響被水分條件所限制[20-21]。日照時(shí)數(shù)對(duì)植被年NDVImax有負(fù)效應(yīng),但光是植物光合作用的催化劑[43],受大氣環(huán)境的影響,同一光照強(qiáng)度可能產(chǎn)生不同的光合有效輻射[44],所以研究日照時(shí)數(shù)對(duì)植被的影響還應(yīng)考慮光合有效輻射。文中相對(duì)濕度對(duì)植被有負(fù)效應(yīng),植被處在相對(duì)貧乏的水分條件下,相對(duì)濕度增加可能會(huì)降低氣孔導(dǎo)度[45-46],對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。降水雖然對(duì)植被有顯著促進(jìn)作用,但黃土高原部分農(nóng)田作物主要是靠灌溉水來(lái)維持,如內(nèi)蒙古河套平原地區(qū),農(nóng)作物受人為因素影響較大[17],所以農(nóng)田對(duì)降水的響應(yīng)還應(yīng)結(jié)合人為因素綜合分析。此外,由于研究使用的遙感影像分辨率不高,缺少紋理細(xì)節(jié)信息,不能區(qū)分天然林與人工林[47],所以無(wú)法剔除人為因素的影響,這還有待下一步的深入研究。

4 結(jié)論

本文基于ESA CCI-LC植被覆被分類(lèi)數(shù)據(jù)以及MODND1T/NDVI植被指數(shù)數(shù)據(jù),使用趨勢(shì)分析、Pearson相關(guān)、多元線(xiàn)性回歸模型以及通徑分析等方法,分析了2000—2015年黃土高原不同植被覆被類(lèi)型與氣候因子的變化及其相互作用關(guān)系,探討了不同植被覆被類(lèi)型對(duì)氣候因子的響應(yīng)差異,得出以下結(jié)論：

(1)從2000至2015年,黃土高原全區(qū)植被年NDVImax增加范圍廣、趨勢(shì)明顯,顯著增加的區(qū)域占總面積的74.25%。不同植被覆被類(lèi)型年NDVImax分別為常綠闊葉林>常綠針葉林>落葉闊葉林>落葉針葉林>鑲嵌草地>農(nóng)田>鑲嵌林地>草地>灌木,并且都呈顯著增加趨勢(shì),其中常綠闊葉林和農(nóng)田增加幅度最大,為0.012/年。

(2)黃土高原全區(qū)植被覆被NDVI與氣溫、日照、降水和相對(duì)濕度等氣候因子之間沒(méi)有顯著相關(guān)性,但在不同植被覆被類(lèi)型區(qū),氣候因子對(duì)植被覆被NDVI存在顯著作用。這說(shuō)明對(duì)植被類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分,更有利于揭示氣候?qū)χ脖坏淖饔脵C(jī)制。

(3)在全區(qū)和不同植被覆被類(lèi)型區(qū)降水都與NDVI呈正相關(guān),說(shuō)明黃土高原地區(qū)植被對(duì)降水的響應(yīng)比較一致。日照在全區(qū)與植被NDVI呈負(fù)相關(guān),在不同植被覆被類(lèi)型區(qū)僅與灌木NDVI正相關(guān)。降水量少、相對(duì)濕度低、日照時(shí)間長(zhǎng)的區(qū)域氣溫與NDVI呈負(fù)相關(guān),降水量大,相對(duì)濕度大,日照時(shí)間短的區(qū)域氣溫與NDVI呈正相關(guān)。不同植被覆被類(lèi)型對(duì)相對(duì)濕度的響應(yīng)與氣溫完全相反,負(fù)相關(guān)區(qū)域相對(duì)濕度大,正相關(guān)區(qū)域相對(duì)濕度低,說(shuō)明相對(duì)濕度的變化范圍超過(guò)了植被生長(zhǎng)的耐受限度。

(4)常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林及鑲嵌林地等以喬木為主的植被覆被類(lèi)型受年均相對(duì)濕度和年總?cè)照諘r(shí)數(shù)影響顯著,草地、鑲嵌草地等以草本為主的植被覆被類(lèi)型則受到年總降水量的顯著作用。氣溫?zé)o論在整個(gè)區(qū)域尺度還是不同植被類(lèi)型區(qū)對(duì)植被的影響均不顯著。