劉洋洋, 任涵玉, 呼天明, 楊培志, 巴桑參木決,張 偉, 張志新, 溫仲明, 章釗穎

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 草業(yè)與草原學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.南京大學(xué) 國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023)

中緯度地區(qū)氣候的暖干化是造成全球干旱災(zāi)害頻發(fā)的主要原因之一，IPCC第4次評估報(bào)告指出氣候暖干化所波及的范圍將不斷擴(kuò)大[1-2]，干旱成為國內(nèi)外廣大氣象學(xué)者所關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。干旱通過抑制植被生長、減少植被生物量或者直接造成植被死亡等方式對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。盡管在全球變化背景下，干旱強(qiáng)度和范圍在不斷增大，但陸地生態(tài)系統(tǒng)對干旱的潛在響應(yīng)機(jī)制仍不明確[4]。因植物個體防止水分流失的生理和結(jié)構(gòu)特征的不同，且對干旱響應(yīng)存在差異[5]，深入理解不同類型覆被對干旱的響應(yīng)機(jī)制，便于促進(jìn)對這些土地覆被的更有效管理[6]。

草地是中國主要的植被類型之一，在維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡和氣候調(diào)節(jié)方面具有重要意義[7]。研究表明草地對干旱的響應(yīng)較其他植被類型更為敏感[6,8]，且不同氣候區(qū)及不同草地類型對水分匱乏或氣候干旱的抵抗力及恢復(fù)力穩(wěn)定性具有較大差異，例如，草地生態(tài)系統(tǒng)長期暴露在干旱和半干旱環(huán)境中，因其形態(tài)和物候策略，往往在干旱條件結(jié)束時(shí)能夠表現(xiàn)出很高的抗旱性和抗逆性[9]。因此分氣候區(qū)探究不同草地類型對干旱的響應(yīng)機(jī)制對于草地資源的保護(hù)和撫育意義重大[10]。Xu等[11]研究中國北方地區(qū)不同植被類型對多尺度時(shí)間干旱的響應(yīng)，孔冬冬等[6]也曾對中國不同植被類型對多尺度干旱事件的響應(yīng)特征進(jìn)行探究。然而，中國不同氣候區(qū)及不同草地類型對多尺度干旱的響應(yīng)機(jī)制尚不明確。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸騰指數(shù)(SPEI)是基于氣象數(shù)據(jù)且可以量化不同干旱類型的多標(biāo)量干旱指數(shù)[12]，而植被歸一化指數(shù)(NDVI)則被視為區(qū)域和全球尺度上表征植被綠色和活力的穩(wěn)定指標(biāo)[13]。因此，本研究基于NDVI和SPEI數(shù)據(jù)分析1982—2015年中國不同氣候區(qū)、不同草地類型植被NDVI的時(shí)空演變趨勢，并計(jì)算不同氣候區(qū)、不同草地類型植被NDVI和多尺度SPEI指數(shù)的最大相關(guān)系數(shù)，確定不同氣候區(qū)及不同草地類型NDVI和SPEI指數(shù)的最大相關(guān)系數(shù)的干旱時(shí)間尺度，探究氣溫、降水和水平衡等因素對草地干旱響應(yīng)的影響狀況。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1.1 NDVI數(shù)據(jù) 本研究利用兩套NDVI遙感數(shù)據(jù)作為后續(xù)的模型驅(qū)動數(shù)據(jù)。第一種為全球監(jiān)測與模型研究組(GIMMS)提供的GIMMS NDVI數(shù)據(jù)(1982—2006年)，該數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率分別為15 d和8 km[10-12]。另一種NDVI數(shù)據(jù)選用美國國家航天航空局(NASA)地球觀測系統(tǒng)提供的MOD13A2產(chǎn)品(2001—2015年)，該數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率分別為16 d和1 km，采用MRT工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的拼接、裁剪[13-14]。采用最大合成法將NDVI數(shù)據(jù)合成為月NDVI數(shù)據(jù)用于后續(xù)研究[15]。最終，在ArcGIS 10.3環(huán)境下對兩種NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行投影的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的重采樣，數(shù)據(jù)統(tǒng)一選用China_Lambert_Conformal_Conic投影，分辨率統(tǒng)一為1 km。

1.1.2 草地類型數(shù)據(jù) 采用Global Land Cover 2 000(GLC2000)產(chǎn)品提取中國草地覆被。GLC 2000產(chǎn)品空間分辨率為1 km，相對于IGBP分類數(shù)據(jù)而言分類精度更高，且草地精度高達(dá)66.95%[2,12]，同時(shí)與中國的2000年1∶10萬土地分類數(shù)據(jù)具有較高的面積一致性，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域或全球的植被研究中[7]。該分類法中中國草地總面積為335萬 km2，草地種類具體包括高山亞高山草甸(93.13萬 km2)、坡面草地(20.98萬 km2)、平原草地(41.99萬 km2)、荒漠草地(55.16萬 km2)、草甸(59.16萬 km2)、高山亞高山草地(64.58萬 km2)(圖1)。

圖1 中國草地類型及草地生態(tài)系統(tǒng)氣候區(qū)分布特征

1.1.3 SPEI指數(shù) 全球尺度的SPEI數(shù)據(jù)從SPEI base v.2.5產(chǎn)品獲得，時(shí)間序列為1901—2015年，空間分辨率為0.5°，包括1～48個月尺度，可用來分析植被對干旱響應(yīng)的快慢程度[12]。本研究選取1982—2015年的SPEI指數(shù)來研究中國草地植被對干旱的響應(yīng)狀況。因本研究所選擇的SPEI數(shù)據(jù)包括1～48個月尺度，研究表明，12個月尺度的SPEI對水分響應(yīng)的滯后性較長，可以有效地監(jiān)測干旱的年際變化特征[14-15]。

1.1.4 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)1982—2015年的中國720多個標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的月降水量、氣溫和蒸散數(shù)據(jù)[16]。通過引入海拔及日照等協(xié)變量因子，基于ANUSPLIN程序?qū)崿F(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的空間插值處理。

1.1.5 濕潤度指數(shù)(AI) 根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)提出的標(biāo)準(zhǔn)格式，濕潤度指數(shù)被定義為年均降水量和年潛在蒸散量的比值，被廣泛應(yīng)用于氣候區(qū)和氣候類型的劃分。根據(jù)UNEP的干旱分類標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中國草原生態(tài)系統(tǒng)的濕潤度指數(shù)，將中國草原生態(tài)系統(tǒng)劃分為4個氣候區(qū)以研究不同氣候區(qū)草地覆蓋的時(shí)空動態(tài)格局對氣候變化的響應(yīng)特征，氣候區(qū)具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：干旱區(qū)(AI<0.20，AR)、半干旱區(qū)(0.200.65，HU)[17]。圖1B顯示中國草地生態(tài)系統(tǒng)AI指數(shù)的空間分布及氣候區(qū)格局。

1.2 主要分析方法

1.2.1 趨勢分析和F檢驗(yàn) 基于一元線性擬合回歸分析來研究NDVI/SPEI和氣象因子在像元尺度上的時(shí)空變化率[2]：

(1)

式中:slope為斜率；i為研究年限；Vari表示第i年的研究變量，主要為NPP和氣象因子。如果slope小于0表示變量呈下降趨勢,反之則呈現(xiàn)上升趨勢[2]。各個變量的變化率基于F檢驗(yàn)來確定其變化的顯著性[2],依據(jù)F檢驗(yàn)的結(jié)果,趨勢可分為:(1)極顯著減少(slope<0,p<0.01);(2)顯著減少(slope<0,0.010.05);(4)未顯著增加(slope>0,p>0.05);(5)顯著增加(slope>0,0.010,p<0.01)。此外,采用Mann-Kenddall檢驗(yàn)對NDVI和SPEI的年際變化趨勢進(jìn)行突變點(diǎn)監(jiān)測分析[4]。

1.2.2 最大相關(guān)系數(shù) NDVI與SPEI的年最大相關(guān)系數(shù)能夠表征植被活動對干旱的響應(yīng)程度，而兩者的年最大相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)時(shí)所對應(yīng)的月時(shí)間尺度能夠反映植被活動對不同時(shí)間尺度干旱響應(yīng)的敏感程度[8,15]。NDVI與SPEI的年最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的月時(shí)間尺度越短，則植被對于干旱的響應(yīng)速度越快，且植被對于干旱的恢復(fù)力及抵抗力穩(wěn)定性較弱，反之則響應(yīng)速度越慢，且這種恢復(fù)力和抵抗力穩(wěn)定性越強(qiáng)[6]。本研究基于Pearson相關(guān)系數(shù)來分析草地NDVI與SPEI指數(shù)的相關(guān)程度。分別計(jì)算各像元12個NDVI值與1～48個月尺度下SPEI值的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而可以獲得576個相關(guān)系數(shù)值[15]。為了排除物候?qū)ρ芯拷Y(jié)果的干擾，將每個像元處576個相關(guān)系數(shù)的最大值定義為該像元處的年最大相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而將月相關(guān)系數(shù)整合為年相關(guān)系數(shù)[10]。本研究將年最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的時(shí)間尺度定義為Rtime-scale。計(jì)算方式如下[6,8]：

Rm，n=COR(NDVIn，SPEIm，n)；Rmax=max1≤m≤48，1≤n≤12(Rm，n)

(2)

式中:Rm,n表示NDVI與SPEI的相關(guān)函數(shù)；Rmax為最大相關(guān)系數(shù)；m為時(shí)間尺度,1,2,…,48;n為月份,1,2,…,12。后續(xù)研究主要分析中國不同氣候區(qū)及不同草地類型植被NDVI和SPEI的最大相關(guān)系數(shù)及其對應(yīng)的時(shí)間尺度,探究草地對干旱的響應(yīng)特征及響應(yīng)快慢程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國草地NDVI的年際變化特征

草地區(qū)域多年氣溫均值為0.31，最高值為2010年的0.39，最小值為1982年的0.26(圖2)。趨勢上，草地NDVI呈現(xiàn)出波動增加的變化趨勢，其中1982—1999年呈小幅增加趨勢，而1999年之后NDVI陡然上升。

總體而言，34 a間中國草地NDVI呈現(xiàn)出極顯著增加的變化趨勢(p<0.001)，年均增長率為0.004/a(圖2A)。MK檢驗(yàn)表明(圖2B)，草地NDVI在1988年前呈現(xiàn)不顯著增加的變化趨勢，而1988年之后呈現(xiàn)出顯著增加的變化趨勢(p<0.05)，此外，草地NDVI的UF和UB曲線于1994年相交，表明NDVI均值在1994年發(fā)生突變。

圖2 中國草地NDVI年際變化

從圖3可以看出，HU區(qū)域的NDVI均值最高(0.37)，DSH區(qū)域次之(0.35)，而AR區(qū)域的平均NDVI值最低(0.24)。變化趨勢上，各氣候區(qū)草地NDVI的波動趨勢與年變化趨勢大致相符，在1999年之前呈現(xiàn)小幅波動增加趨勢，但增加趨勢并不明顯，1999年之后草地各個氣候區(qū)的草地NDVI均陡然上升，隨后呈現(xiàn)出大幅度的波動增加趨勢?？傮w看來，各氣候區(qū)草地NDVI均呈現(xiàn)出極顯著上升趨勢(p<0.001)，其中DSH和HU區(qū)域NDVI的年際變化率較大(0.005/a)，而SAR和AR區(qū)域NDVI的平均增加率相對較小(0.003/a)。

圖3 中國不同氣候區(qū)草地NDVI年際變化趨勢

從圖4可以看出，坡面草地的植被NDVI均值最高(0.33)，高山亞高山草甸(0.31)和草甸次之(0.30)，而高山亞高山草地的植被NDVI均值最低(0.14)。趨勢上，6種草地類型植被NDVI均值均表現(xiàn)為極顯著增加趨勢(p<0.001)，其中坡面草地的年際平均變化率最大(0.005/a)，高山亞高山草甸和草甸次之，其年際平均增加率分別為0.004/a和0.003/a。其余3種草地類型的植被NDVI年際平均變化率均為0.002/a。

圖4 中國不同草地類型植被NDVI年際變化趨勢

2.2 中國草地NDVI的空間變化特征

從圖5A可以看出，草地NDVI均值大于0.4的區(qū)域主要約占總草地面積的34.7%，主要分布在青藏高原東部、云南省、廣西省、黑龍江及內(nèi)蒙古的呼倫貝爾地區(qū)。草地NDVI均值處于0.2～0.4之間的區(qū)域集中在青藏高原中部地區(qū)、內(nèi)蒙古中部地區(qū)及新疆中部和北部地區(qū)。圖5B表明，1982—2015年草地NDVI呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢的區(qū)域主要分布在黃土高原北部等地，另在新疆北部地區(qū)及青藏高原的中西部地區(qū)也有分布，其中最大減少率可達(dá)0.08/a，而中國青藏高原的東部地區(qū)及南方大部分地區(qū)的草地NDVI則均表現(xiàn)為增加趨勢，而最大增速可達(dá)0.06/a。圖5C表明，23.49%的區(qū)域草地植被NDVI表現(xiàn)為增加趨勢，其中草地NDVI顯著增加區(qū)域主要集中在華北平原地區(qū)、四川、云南、廣西及西藏的東南部，另在新疆中部地區(qū)也有零星分布。而草地NDVI呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域分布范圍較大，主要集中在黃土高原北部及青藏高原中西部。

圖5 中國草地年均NDVI、變化率和顯著性檢驗(yàn)的空間分布格局

2.3 中國草地區(qū)域干旱的時(shí)空變化趨勢

從圖6可以看出，34 a間中國草地區(qū)域SPEI指數(shù)波動程度較大，呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(0.05/10 a，p>0.05)，即近幾十年草地區(qū)域呈現(xiàn)出不顯著的變濕趨勢。具體看來，1982—1987年中國草地SPEI呈現(xiàn)減小趨勢，由正值逐漸變?yōu)樨?fù)值，說明干旱趨勢增加，而1987年后SPEI指數(shù)不斷增大，并于1990年增至最大值，1990年為34 a間最濕潤年，隨后SPEI指數(shù)呈現(xiàn)不斷下降趨勢，并于1995年減少至最小值，1995年為34 a間的最干旱年。1995年之后SPEI指數(shù)呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢，表明氣候干旱有所緩解。1995—2015年除2007年外，其他年份SPEI值多以正值為主，表明該段時(shí)間內(nèi)中國草地區(qū)域氣候整體較為濕潤。MK檢驗(yàn)同樣表明，UF和UB曲線主要在1988年后相交，表明1988年后中國干旱趨勢發(fā)生突變，草地區(qū)域由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶?，此后?993年后相交，即1993年草地區(qū)域氣候由濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊担?997年后又由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫋?/p>

圖6 中國草地區(qū)域SPEI的年際變化趨勢及其突變檢驗(yàn)

從圖7A可以看出，1982—2015年年尺度SPEI變化率分布范圍處于-0.09～0.12/10 a，SPEI的平均變化率為0.07/10 a，氣候狀況總體呈現(xiàn)變濕趨勢。草地區(qū)域干旱緩解的地區(qū)主要分布在新疆的中部及北部地區(qū)、青海省、四川西部地區(qū)以及西藏中部的大部分地區(qū)，其中SPEI的最大增加幅度為0.12/10 a，而干旱加劇的地區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古中部及東部的大部分地區(qū)、寧夏地區(qū)、西藏的西部地區(qū)及云南省北部地區(qū)。

圖7B表明，中國草地區(qū)域氣候變干的區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古中部和寧夏地區(qū)。而草地區(qū)域氣候變濕的區(qū)域則集中在新疆中部和北部及青藏高原大部分地區(qū)。

圖7 草地區(qū)域SPEI變化率及顯著性空間分布

2.4 草地NDVI與SPEI的相關(guān)性及其對應(yīng)的尺度

圖8A表明，中國草地NDVI與SPEI指數(shù)呈正相關(guān)的區(qū)域占全國草地總面積的75.16%，其中正相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6以上的區(qū)域集中在內(nèi)蒙古大部分地區(qū)、青海省北部、黃土高原北部及新疆北部地區(qū)，正相關(guān)系數(shù)于0.4～0.6之間的區(qū)域集中在青海省大部分地區(qū)、西藏中部偏西地區(qū)、華北平原地區(qū)及廣西省。

圖8B表明，草地NDVI與SPEI指數(shù)呈顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)正相關(guān)的面積分別占全國草地總面積的17.92%和32.39%，集中分布在內(nèi)蒙古大部分地區(qū)、青海省南部及新疆北部地帶；而草地NDVI與SPEI指數(shù)呈顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)的面積分別占全國草地總面積的4.46%和3.62%，主要分布在西藏東南部、四川西部及云南等地。

圖8C表示中國草地NDVI與SPEI的年最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的月時(shí)間尺度。中國內(nèi)蒙古地區(qū)、新疆地區(qū)、青海省北部及西藏南部地區(qū)的草地NDVI對SPEI響應(yīng)的時(shí)間尺度較短，主要集中在1～3個月、3～6個月及6～9個月的時(shí)間尺度內(nèi)。而青海省南部及東部地區(qū)及西藏的中部地區(qū)草地NDVI對SPEI的響應(yīng)的時(shí)間尺度較長，達(dá)24～36個月，主要由于該部分地區(qū)地貌以冰川、凍土為主，土壤水分除了受降水量影響之外，凍土消融及冰川融水對于土壤水分的變化也會產(chǎn)生重大影響，因而草地生長對干旱響應(yīng)的時(shí)間尺度較長。

圖8 中國草地NDVI與1-48月尺度SPEI指數(shù)的年最大相關(guān)系數(shù)、顯著性檢驗(yàn)及其對應(yīng)時(shí)間尺度的空間分布格局

圖9A表明高山亞高山草甸與草甸植被NDVI與SPEI的最大相關(guān)系數(shù)較大，分別為0.30，0.26，平原草地次之，而其余3種草地類型植被NDVI與SPEI的最大相關(guān)系數(shù)均在0.18左右。圖9B表明，高山亞高山草甸植被NDVI對SPEI的干旱響應(yīng)尺度最長(長達(dá)14個月尺度)，高山亞高山草地和草甸次之(8～10個月尺度之間)，而其余3種草地類型植被NDVI對短時(shí)間尺度的SPEI響應(yīng)更為敏感。就不同氣候區(qū)而言，半干旱區(qū)域草地NDVI與SPEI的最大相關(guān)系數(shù)最大(0.36)，干旱區(qū)域次之(0.21)，而濕潤地區(qū)則相對較小(圖9C)。同樣地，半干旱區(qū)域草地NDVI對SPEI的響應(yīng)尺度較長(長達(dá)14個月尺度)，干旱區(qū)域次之(8個月尺度)，而濕潤地區(qū)草地NDVI對SPEI響應(yīng)的響應(yīng)尺度集中在6個月尺度左右(圖9D)。

注：ASAM表示高山亞高山草甸；SG表示坡面草地；PG表示平原草地；DG表示荒漠草地；MG表示草甸；ASAG表示高山亞高山草地；AR表示干旱地區(qū)；SAR表示半干旱地區(qū)；DSH表示干旱和半濕潤地區(qū)；HU表示濕潤地區(qū)。

2.5 氣象因素及水平量衡對草地響應(yīng)干旱的影響分析

由圖10A可以看出，多年平均氣溫與草地NDVI和SPEI的相關(guān)性呈現(xiàn)出不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.29)，表明氣溫對于草地響應(yīng)干旱的影響程度較弱，總體表現(xiàn)為氣溫較高的狀況下，草地生長與氣候干旱的相關(guān)性較低，諸如坡面草地；而對于高山亞高山草甸和草甸等氣溫較低區(qū)域，草地生長對于干旱的響應(yīng)更為明顯。圖10C表明，草地區(qū)域多年平均降水與草地NDVI和SPEI的相關(guān)性呈現(xiàn)出不顯著的正相關(guān)關(guān)系(R=0.38)，表明降水對于草地干旱響應(yīng)的影響較大，主要表現(xiàn)在對荒漠草地、高山亞高山草地及平原草地的植被干旱響應(yīng)狀況影響較小，而對降水較多的高山亞高山草甸植被生長的影響較大，但對于降水較多的坡面草地區(qū)域影響較小。圖10E表明，多年水平衡對于草地響應(yīng)干旱的影響也較大(R=0.37)，但不顯著，具體表現(xiàn)為對高山亞高山草甸和草甸區(qū)域的植被干旱響應(yīng)影響較大，而對荒漠草地區(qū)域的植被干旱響應(yīng)影響較小。綜合以上分析，降水是草地干旱響應(yīng)的最主要因素，水平衡次之，而氣溫對于草地干旱響應(yīng)的影響相對較小。

圖10B，D，F(xiàn)表示氣溫、降水及多年平均水平衡對不同類型草地NDVI與SPEI的最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的干旱時(shí)間尺度的影響狀況。由圖可知，氣溫、降水及水平衡對于草地響應(yīng)干旱快慢程度的影響存在較大差異性。圖10B表明，多年平均氣溫與最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的時(shí)間尺度之間呈現(xiàn)不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.33)，即氣溫對于草地干旱響應(yīng)快慢的影響并不明顯，具體表現(xiàn)為隨著氣溫的升高，不同草地類型植被NDVI對于SPEI的響應(yīng)尺度將不斷縮短，其中高山亞高山草甸的響應(yīng)尺度最久，而荒漠草地的響應(yīng)尺度較短。圖10D表明，多年平均降水對于草地干旱響應(yīng)尺度的影響較大，兩者呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系(R=0.47)，表現(xiàn)為降水缺乏的區(qū)域草地生長往往更容易被短時(shí)間尺度的干旱所影響，諸如荒漠草地等，而降水較多的高山亞高山草甸區(qū)域，植被NDVI對于SPEI的響應(yīng)則集中在長時(shí)間尺度。圖10F表明，水平衡對于草地干旱響應(yīng)快慢的影響程度較弱，呈現(xiàn)出弱的正相關(guān)關(guān)系(R=0.25)，體現(xiàn)為水分虧損嚴(yán)重的地區(qū)草地生長對于干旱響應(yīng)的時(shí)間尺度較短。綜上分析，中國草地生長對于干旱響應(yīng)快慢的影響因素主要為降水，氣溫次之，而水平衡影響相對較小。

圖10 氣溫、降水及水平衡對中國草地植被NDVI與SPEI相關(guān)性及其最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的尺度的影響特征

3 討 論

干旱頻發(fā)對草地生態(tài)系統(tǒng)的生長及分布格局產(chǎn)生嚴(yán)重影響，不同氣候區(qū)干旱的發(fā)生有較大差異，而不同草地類型對干旱的響應(yīng)機(jī)制也有區(qū)別，研究不同氣候區(qū)各草地類型對干旱的響應(yīng)機(jī)制對于草地保護(hù)具有重要意義[18]。Vicente-Serrano等[19]評估全球不同氣候區(qū)下陸地生態(tài)系統(tǒng)對多尺度干旱的響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)美國中部、西南部及墨西哥的半干旱和干旱地區(qū)的森林NDVI與SPEI之間的相關(guān)性最高，而濕潤地區(qū)的相關(guān)性則明顯低于半干旱和干旱地區(qū)。本研究得出半干旱區(qū)域草地NDVI與SPEI的最大相關(guān)系數(shù)最大(0.36)，而濕潤地區(qū)則相對較小(圖9C)，濕潤地區(qū)的特點(diǎn)是水平衡通常大于0，降水較為充足且植被的水分利用效率低[20]。盡管濕潤區(qū)域干旱對植被的影響小于干旱區(qū)域，但干旱同樣對于濕潤區(qū)域的植被活動產(chǎn)生影響，因而導(dǎo)致58.39%的區(qū)域草地NDVI與SPEI的相關(guān)性達(dá)到顯著。

了解干旱對植被影響的最大主導(dǎo)時(shí)間尺度有助于評估植被對于干旱的抵抗力及其自身的恢復(fù)力[17]。Vicente-Serrano等[19]研究表明，全球尺度范圍內(nèi)干旱地區(qū)的植被對干旱的響應(yīng)往往集中在短時(shí)間尺度范圍下，而濕潤區(qū)域的植被則對長時(shí)間尺度的干旱響應(yīng)更為敏感，該結(jié)論與本研究結(jié)果一致。根據(jù)Xu等[11]的研究，氣候干旱的條件下植被對于干旱的響應(yīng)非常迅速，因而干旱與半干旱區(qū)域的植被對于干旱的響應(yīng)的時(shí)間尺度往往較短，尤其對于內(nèi)蒙古高原、黃土高原以及中國的西部干旱區(qū)。本研究結(jié)果與Xu等的結(jié)論同樣一致，發(fā)現(xiàn)草地NDVI對SPEI響應(yīng)的時(shí)間尺度較短的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古地區(qū)、新疆地區(qū)、青海省北部等干旱地帶，該部分地區(qū)主要分布著荒漠草地及平原草地等，原因可能是干旱半干旱地區(qū)降水相對較為匱乏，一旦土壤水分發(fā)生缺失，植物物種存在特有的抵抗力及適應(yīng)機(jī)制促使它們能夠迅速適應(yīng)不斷變化的水資源[21]。孔冬冬等[6]發(fā)現(xiàn)中國川西及青藏高原地區(qū)主要分布著高原草甸、草地，地表地貌以冰川、凍土為主，凍土消融及冰川融水對于土壤水分的變化也會產(chǎn)生重大影響，因而草地生長對干旱響應(yīng)的響應(yīng)較弱。本研究結(jié)果與上述結(jié)果相吻合，主要?dú)w因于該區(qū)域獨(dú)特的氣候水文條件[11]。

本研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域氣溫的升高會導(dǎo)致草地NDVI對于干旱的響應(yīng)尺度不斷縮短，且多年平均降水對于草地干旱響應(yīng)尺度的影響較大，降水缺乏的區(qū)域草地生長往往更容易被短時(shí)間尺度的干旱所影響，諸如荒漠草地等，而降水較多的高山亞高山草甸區(qū)域，植被NDVI對于SPEI的響應(yīng)則集中在長時(shí)間尺度。原因主要是氣溫的升高和降水的缺失均會導(dǎo)致干旱加劇，而干旱生態(tài)系統(tǒng)對水的有效性以高度可塑性的方式做出反映，能夠通過減少水分損失、呼吸成本、光合活性和生長速率的生理、解剖學(xué)和功能策略而立即對缺水環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)，因此對于干旱區(qū)域的而言，植被能夠?qū)Ω珊底龀隹焖夙憫?yīng)，且干旱響應(yīng)所對應(yīng)的時(shí)間尺度較短[22-23]。

4 結(jié) 論

本研究分析1982—2015年中國不同氣候區(qū)及不同草地類型覆被下植被NDVI的時(shí)空動態(tài)趨勢及其對干旱的響應(yīng)狀況，表明中國草地NDVI呈現(xiàn)出極顯著增加的變化趨勢(0.004/a)，各氣候區(qū)草地NDVI均呈現(xiàn)極顯著上升趨勢，且濕潤區(qū)域增加率較干旱區(qū)大。草地NDVI呈顯著增加的區(qū)域集中在華北平原地區(qū)、四川、云南、廣西及西藏的東南部地區(qū)。期間草地區(qū)域SPEI值呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(0.05/10 a)，其中顯著變干的區(qū)域集中在內(nèi)蒙古中部和寧夏地區(qū)。草地NDVI與SPEI指數(shù)呈顯著正相關(guān)的區(qū)域集中在內(nèi)蒙古、青海省南部及新疆北部地帶。內(nèi)蒙古、新疆、青海省北部及西藏南部地區(qū)的草地NDVI對干旱響應(yīng)的時(shí)間尺度較短，而青海東南部及西藏中部草地NDVI對干旱響應(yīng)的時(shí)間尺度較長。高山亞高山草甸和草甸區(qū)域植被NDVI與SPEI的相關(guān)性最強(qiáng)，且對干旱的響應(yīng)時(shí)間尺度相對較長，而荒漠草地對干旱的響應(yīng)時(shí)間尺度較短；與濕潤區(qū)域相比，干旱區(qū)域草地NDVI與SPEI的相關(guān)性更強(qiáng)，且對干旱響應(yīng)的時(shí)間尺度更短。降水是草地干旱響應(yīng)的最主要因素，水平衡次之，而氣溫的影響相對較小。