王志剛, 曹生奎, 曹廣超

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810008; 2.青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810008; 3.青海師范大學(xué) 青海省人民政府—北京師范大學(xué) 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 西寧 810008)

近100年來全球氣候變暖已受到全人類的高度關(guān)注[1]，青藏高原近47年來年平均氣溫增速為0.37℃/10 a，年平均降水量增速為9.1 mm/10 a[2-3]，正經(jīng)歷著快速變暖變濕[4]。在此氣候變化背景下，青藏高原植被物候?qū)ζ錃夂蜃兓捻憫?yīng)受到廣泛關(guān)注[5-7]。目前對(duì)青藏高原植被物候的研究主要集中在植被物候的時(shí)空分布特征、變化趨勢(shì)以及對(duì)氣候變化的響應(yīng)等[8-11]。丁明軍等[8]、孔冬冬等[9]研究表明，青藏高原植被返青期(start of growing season, SOS)整體呈提前趨勢(shì)，休眠期(Dormancy of growing season, DOS)呈推遲趨勢(shì)；周玉科等[10]發(fā)現(xiàn)，青藏高原東南部呈現(xiàn)SOS和DOS推遲、LOS(Length of growing season, LOS)呈延長(zhǎng)趨勢(shì)；西南部呈SOS推遲、DOS提前、LOS呈縮短的趨勢(shì)，植被物候存在明顯的地域差異性。植被物候的變化能夠直觀地反映全球氣候變化，直接影響著陸地生物多樣性格局[11-12]，并引起土壤—植物—大氣系統(tǒng)碳水熱交換的變化，進(jìn)而影響氣候變化[13]。因此，深入理解氣候變化對(duì)青藏高原植被物候的驅(qū)動(dòng)作用，有助于深入了解植被物候?qū)θ驓夂蜃兓倪m應(yīng)方式，可為應(yīng)對(duì)未來氣候變化提供一定理論參考。

位于青藏高原東北部的青海湖流域不僅是特殊生態(tài)功能區(qū)，也是全球氣候變化生態(tài)敏感區(qū)之一[14-15]，前人研究結(jié)果表明氣候變化是驅(qū)動(dòng)該區(qū)域植被物候變化的主要因素之一[5,15]，李廣泳等[15]認(rèn)為青海湖流域年均溫度升高背景下流域內(nèi)植被平均SOS并未表現(xiàn)出提前趨勢(shì)，年降水量在一定程度上影響著流域植被枯黃期；蘇芬等[16]利用青海湖流域氣象站點(diǎn)觀測(cè)記錄，揭示青海湖流域牧草返青期主要受氣溫影響，牧草枯落期主要受降水影響，生長(zhǎng)期是受氣候與降水的共同影響；宋春橋等[17]通過遙感監(jiān)測(cè)研究了藏北高原植被物候時(shí)空動(dòng)態(tài)變化認(rèn)為返青期提前及生長(zhǎng)季延長(zhǎng)主要受氣溫升高的影響；汪青春等[18]認(rèn)為牧草返青期不但受氣溫影響，秋季和春季的降水量也對(duì)其具有明顯的影響。可見，青海湖流域氣候變化對(duì)植被物候的驅(qū)動(dòng)作用的認(rèn)識(shí)依然存在分歧，且前人研究主要基于站點(diǎn)尺度較少探討空間上植被物候與氣候因子的關(guān)系。青海湖流域空間尺度上氣候變化如何驅(qū)動(dòng)植被物候變化仍不清晰。因此，本文選取青海湖流域高寒植被為研究對(duì)象，研究近15 a來青海湖流域氣溫、降水變化對(duì)植被物候的驅(qū)動(dòng)分析，并在空間和海拔梯度上探討青海湖流域植被物候變化的主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因素，以期為青海湖流域生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供參考建議。

1 研究區(qū)概況

青海湖流域位于青海省東北部(36°15′—38°20′N，97°50′—101°20′E)，流域四周為高山環(huán)繞，形成一個(gè)完整的封閉型高原內(nèi)陸盆地(圖1)，海拔在3 169～5 268 m，總面積約2.96萬 km2[19-21]。2001—2015年青海湖流域年均氣溫和年均降水量年際變化特征呈明顯上升趨勢(shì)，年均氣溫和年均降水量增加速率分別為0.03℃/a和1.42 mm/a，青海湖流域年均氣溫在-1.34～-0.1℃變化，最低值出現(xiàn)在2004年，最大值出現(xiàn)在2010年；年均降水量在335.13～514.48 mm變化，最低值出現(xiàn)在2015年，最大值出現(xiàn)在2009年，氣候變化暖濕趨勢(shì)明顯。近15 a流域年均氣溫在空間上呈現(xiàn)東南高西北低；年均降水量空間上呈中部低北部高。

圖1 青海湖流域位置

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

青海湖流域植被物候數(shù)據(jù)集來源于美國(guó)NASA網(wǎng)(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)的MODIS MCD12Q2植被物候動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)品數(shù)據(jù)，MCD12Q2已被廣泛用來研究植被物候變化[22-25]，空間分辨率為 500 m，該數(shù)據(jù)需要對(duì)EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行去云、輻射校正、大氣校正和幾何校正等步驟，消除云、雪和氣溶膠等影響。其數(shù)據(jù)中的植被物候確定是利用連續(xù)時(shí)相的EVI值來判斷不斷降低和升高的區(qū)間，如果區(qū)間振幅和極大值符合閾值條件，就定義升高與降低區(qū)間為一個(gè)生長(zhǎng)周期。接著對(duì)每個(gè)生長(zhǎng)周期進(jìn)行Logistic函數(shù)擬合，通過曲率值變化確定生長(zhǎng)開始，EVI不斷增長(zhǎng)的中點(diǎn)為成熟期，EVI持續(xù)降低的終點(diǎn)為生長(zhǎng)結(jié)束。

數(shù)據(jù)利用MRT軟件進(jìn)行批量處理，將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成geotiff格式，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成WGS84坐標(biāo)，再利用ENVI5.3軟件和ArcGIS 10.3對(duì)其進(jìn)行拼接、裁剪和影像解譯。年降水量和年氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/DOI)，并通過ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到每年年均氣溫和降水量(圖2)再通過其柵格計(jì)算得到近15 a青海湖流域年均氣溫和降水量(圖3)。

圖2 2001-2015年青海湖流域年均氣溫和年均降水量變化趨勢(shì)

圖3 2001-2015年青海湖流域年均氣溫和年均降水量空間分布

2.2 相關(guān)性分析

在相關(guān)分析中，偏相關(guān)系數(shù)能真實(shí)反映變量x和y之間的相關(guān)性，其計(jì)算公式為[26-27]:

(1)

式中:rxy,z為自變量z(降水或氣溫)固定后因變量x(物候)與自變量y(降水或氣溫)的偏相關(guān)系數(shù)。實(shí)際上,某個(gè)要素的變化受多個(gè)因子的綜合影響,偏相關(guān)分析不能很好反映各要素的綜合影響,復(fù)相關(guān)分析可以解決上述問題。復(fù)相關(guān)的計(jì)算公式如下[26-27]:

(2)

式中:rxy,z表示因變量x和自變量y,z的復(fù)相關(guān)系數(shù);rxy表示x與y的線性相關(guān)系數(shù),rxz,y表示固定自變量y之后因變量x與自變量z的偏相關(guān)系數(shù)。本文用T檢驗(yàn)對(duì)偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),用F檢驗(yàn)對(duì)復(fù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)其計(jì)算公式為[26-27]:

(3)

(4)

式中:n為樣本數(shù)(時(shí)間序列為2001—2015年、即n= 15);m和k為自變量個(gè)數(shù)。

2.3 植被物候變化的氣候因子驅(qū)動(dòng)分區(qū)方法

參考已有研究成果的研究方法[28]：(1)計(jì)算植被物候與降水、溫度的偏相關(guān)系數(shù)以及復(fù)相關(guān)系數(shù)；(2)利用T和F檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(顯著相關(guān)p<0.05)；(3)滿足復(fù)相關(guān)顯著且植被物候與降水偏相關(guān)顯著的像元定義為降水驅(qū)動(dòng)型；滿足復(fù)相關(guān)顯著且植被物候與氣溫偏相關(guān)顯著的像元定義為氣溫驅(qū)動(dòng)型；(4)滿足復(fù)相關(guān)顯著且植被物候與降水偏相關(guān)不顯著、植被物候與溫度偏相關(guān)不顯著的像元定義為氣溫、降水驅(qū)動(dòng)型；(5)不滿足復(fù)相關(guān)顯著的像元定義為非氣溫—降水驅(qū)動(dòng)型[26,28]。

3 結(jié)果與分析

3.1 青海湖流域植被物候與年均氣溫、年均降水量的偏相關(guān)關(guān)系

2001—2015年青海湖流域植被SOS，LOS，DOS與年均氣溫和降水量偏相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示(圖4和圖5)，植被SOS，LOS和DOS與年均氣溫偏相關(guān)系數(shù)分別為-0.57～0.36，-0.89～0.81和-0.29～0.51。SOS與年均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域幾乎全域分布(占總面積99.21 %)，呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域零星分布在流域西北部(占總面積 0.79%)；LOS與年均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在流域東南部、北部及西北部地區(qū)(占總面積65.62 %)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在布哈河河谷低海拔地區(qū)(占總面積34.38%)；DOS與年均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域廣泛(占總面積96.89%)，與年均降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在西北高海拔區(qū)域(占總面積3.11%)。植被物候與年均氣溫偏相關(guān)關(guān)系表明，年均氣溫的升高會(huì)導(dǎo)致SOS提前、LOS延長(zhǎng)和DOS推遲。植被SOS，LOS和DOS與年均降水量偏相關(guān)系數(shù)分別為-0.58～0.38，-0.82～0.93和-0.23～0.23。SOS與年均降水量呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布于流域西北部地區(qū)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布于流域的東南部，其分別占比39.69%和60.31%；LOS與年均降水量呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在青海湖流域東南部和西北部地區(qū)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在剛察縣南部地區(qū)，其分別占比66.85%和33.15%；DOS與年均降水量呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布于流域西北部地區(qū)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布于流域的東南部，其分別占比70.02%和29.98%。植被物候與年均降水量偏相關(guān)關(guān)系表明，年均降水量的增多會(huì)導(dǎo)致SOS提前、LOS延長(zhǎng)和DOS推遲。

圖4 青海湖流域植被SOS、LOS和DOS與年均氣溫偏相關(guān)系數(shù)

圖5 青海湖流域植被SOS、LOS和DOS與年均降水量偏相關(guān)系數(shù)

3.2 植被物候與年均氣溫和降水量的復(fù)相關(guān)關(guān)系

2001—2015年青海湖流域植被SOS，LOS和DOS與年均氣溫和降水量的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.04～0.73，0.01～0.93，0.13～0.56(圖6)。

SOS在剛察縣的西部、北部以及天峻縣的北部和東南部地區(qū)復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)；其西北部高海拔地區(qū)復(fù)相關(guān)性弱(圖6A)；LOS在流域的西北部高海拔地區(qū)、南部低海拔地區(qū)以及剛察縣南部湖濱等地區(qū)復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)(圖6B)；DOS在青海湖流域中部復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)；在流域西北部高海拔地區(qū)、南部以及東南部低海拔地區(qū)較弱(圖6C)。

圖6 青海湖流域植被物候因子與年均氣溫和降水量的復(fù)相關(guān)系數(shù)

植被SOS，LOS和DOS與年均氣溫和降水量呈顯著相關(guān)關(guān)系(圖7)的區(qū)域分別占33.18%，8.04%和27.48%，呈不顯著相關(guān)關(guān)系的區(qū)域分別占66.82%，91.96%和72.52%。上述分析表明，植被物候與氣溫降水復(fù)相關(guān)關(guān)系具有一定顯著相關(guān)性，LOS的相關(guān)性較差，SOS和DOS呈顯著相關(guān)區(qū)域占比高，顯著相關(guān)區(qū)域分布特征均是以青海湖西岸為中心向兩側(cè)延伸；DOS呈顯著相關(guān)區(qū)域占比比SOS的高，LOS中顯著不相關(guān)區(qū)域面積較大，存在分布差異性。

圖7 青海湖流域植被物候因子與年均氣溫和降水量復(fù)相關(guān)顯著性水平分布

3.3 青海湖流域氣溫、降水對(duì)植被物候的驅(qū)動(dòng)分析

2001—2015年植被SOS，LOS和DOS以氣溫為主要驅(qū)動(dòng)分別占比10.68%，2.31%和13.22%(圖8)；在SOS中主要分布在布哈河下游北部地區(qū)；LOS中主要分布在青海湖北部湖濱及剛察縣北部高海拔地區(qū)；DOS中主要分布在布哈河下游北部地區(qū)和剛察縣的西部地區(qū)。

注：T表示氣溫驅(qū)動(dòng); NC表示非氣溫—降水驅(qū)動(dòng);(T+P)表示氣溫，降水驅(qū)動(dòng)區(qū); P表示降水驅(qū)動(dòng)。

植被SOS，LOS和DOS受氣溫、降水驅(qū)動(dòng)區(qū)域分別占比23.02%，9.89%和23.45%；在SOS中主要分布在天峻縣北部和東部地區(qū)；LOS中主要分布在青海湖流域的西北部和剛察縣的北部；DOS中主要分布在天峻縣的北部地區(qū)。植被SOS，LOS和DOS受非氣溫—降水驅(qū)動(dòng)區(qū)域分別占比66.3%，77.5%和63.33%。此外，LOS中以降水為主要驅(qū)動(dòng)因素的區(qū)域占比10.30%，其主要分布在在青海湖北部湖濱及布哈河的中游地區(qū)，而SOS和DOS中均無降水驅(qū)動(dòng)。綜上，植被SOS、LOS和DOS主要受非氣溫—降水驅(qū)動(dòng)影響。

4 討 論

本研究結(jié)果顯示，2001—2015年青海湖流域尺度上植被SOS和LOS受氣溫和降水的共同影響，這與青海湖流域已有研究結(jié)果一致[15-16]。本研究認(rèn)為植被DOS主要受氣溫影響與李廣泳[15]和蘇芬等[16]人認(rèn)為其主要受降水影響的研究結(jié)論截然不同，原因可能是他們的研究是基于氣象站數(shù)據(jù)，存在一定局限性。植被SOS與年均氣溫的負(fù)相關(guān)關(guān)系和與年均降水量負(fù)相關(guān)關(guān)系特征明顯，表明流域內(nèi)SOS主要受年均氣溫和降水影響，氣溫上升會(huì)導(dǎo)致地溫升高，會(huì)加速植物內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過程，為植物生長(zhǎng)提供條件[26]，水熱條件的良好配合促進(jìn)植被SOS提前。氣溫和降水是植被生長(zhǎng)關(guān)鍵因子，流域年均氣溫和降水量在西北中部地區(qū)均呈高值分布，使得此區(qū)域的LOS與年均氣溫和降水量的呈顯著復(fù)相關(guān)關(guān)系，受氣溫和降水共同影響。另外，顯著不相關(guān)區(qū)域的面積占比高，其可能受非氣溫—降水因素影響較大。氣溫是限制植被活動(dòng)的關(guān)鍵因子[29]，植被在DOS期間，秋季氣溫降低且在流域高海拔地區(qū)年均氣溫為-9℃左右，不適宜植被生長(zhǎng)。因此，氣溫升高則會(huì)造成DOS推遲，其與年均氣溫和降水量偏相關(guān)結(jié)果表明，DOS與年均降水量相關(guān)性較弱，受年均氣溫影響顯著。

青海湖流域植被物候與氣溫、降水量相關(guān)關(guān)系的空間差異性主要與海拔梯度效應(yīng)有關(guān)。青海湖流域沿海拔梯度(海拔每上升100 m年均氣溫和年均降水量對(duì)植被物候的影響)植被物候與年均氣溫和降水量的線性關(guān)系表明(圖9)，植被SOS與年均降水量呈顯著正相關(guān)(R2= 0.93，p<0.01)，與年均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(R2= 0.94，p<0.01)，即年均氣溫上升1℃，植被SOS提前0.35 d，年均降水量增加1 mm，SOS推遲4 d；相反，年均降水量與LOS(R2= 0.96，p<0.01)、DOS(R2= 0.96，p<0.01)分別呈顯著負(fù)相關(guān)，年均氣溫與LOS(R2= 0.98，p<0.01)、DOS(R2= 0.98，p<0.01)分別呈顯著正相關(guān)，即年均氣溫上升1℃，植被LOS延長(zhǎng)0.15 d，DOS推遲0.25 d；年均降水量增加1 mm，植被LOS縮短1.69 d，DOS提前2.85 d。此研究結(jié)果與黃文潔等[30]在青藏高原3 500～5 000 m海拔范圍內(nèi)植被物候變化趨勢(shì)基本一致。綜上，在海拔梯度上年均氣溫對(duì)植被物候的影響大于年均降水量的影響，年均氣溫的上升會(huì)使青海湖流域植被SOS提前，LOS延長(zhǎng)，DOS推遲；相反，年均降水量的增加會(huì)使得植被SOS推遲，LOS縮短，DOS提前。可見，海拔因素是重要的非氣溫—降水的驅(qū)動(dòng)因素，深刻影響著海拔梯度上的植被物候變化。

圖9 青海湖流域沿海拔梯度植被物候與年均氣溫和降水量的線性關(guān)系

青海湖流域植被物候變化的驅(qū)動(dòng)因素不僅與氣溫、降水及二者共同作用有關(guān)，還與海拔高度及其他非氣溫—降水因素有關(guān)。植被SOS受氣溫驅(qū)動(dòng)主要分布在布哈河下游部分地區(qū)，此類塊狀分布特征與其河谷地形及年均氣溫高值區(qū)的分布特征有著相似之處，此區(qū)域海拔低，氣溫高，降水少，植被對(duì)氣溫的敏感性高于其他地區(qū)；在此驅(qū)動(dòng)之外，由于海拔梯度的上升，降水量增加，草甸和高山植被對(duì)氣溫降水的敏感度上升，此時(shí)擁有了良好的水熱條件導(dǎo)致受氣溫降水驅(qū)動(dòng)影響；受非氣溫—降水驅(qū)動(dòng)因素產(chǎn)生的原因可能與植被類型、養(yǎng)分密切相關(guān)[26]。另外，植被生長(zhǎng)與土壤環(huán)境和坡度坡向有關(guān)[31-32]，且與自然災(zāi)害性事件存在一定關(guān)聯(lián)性[26]，造成LOS主要受非氣溫—降水因素驅(qū)動(dòng)的地區(qū)占比77.5%比SOS和DOS受其驅(qū)動(dòng)所占比例高。植被的休眠與氣溫降水密切相關(guān)，崔耀平等[33]認(rèn)為青藏高原東北部植被生長(zhǎng)的最適溫度為10℃左右，此時(shí)植被DOS期間的平均氣溫均低于此氣溫，再加上DOS期間降水會(huì)抑制植被生長(zhǎng)[26]，使其受氣溫驅(qū)動(dòng)面積大于SOS受氣溫驅(qū)動(dòng)面積。通過上述分析，植被物候驅(qū)動(dòng)因子不僅受其植被類型影響，還與其生長(zhǎng)的環(huán)境因子有著密切的聯(lián)系。

5 結(jié) 論

(1)近15 a青海湖流域植被SOS和LOS變化主要受年均氣溫和年均降水量共同影響；DOS變化主要受年均氣溫影響。

(2)植被SOS，DOS同LOS受氣溫、降水驅(qū)動(dòng)區(qū)域存在明顯差異性。SOS和DOS受氣溫、降水驅(qū)動(dòng)區(qū)域主要集中在青海湖流域中部地區(qū)；LOS受氣溫、降水驅(qū)動(dòng)區(qū)域主要分布于青海湖北部湖濱及布哈河的中游地區(qū)。

(3)青海湖流域植被物候空間變化驅(qū)動(dòng)因素大小依次為：非氣溫—降水因素>氣溫降水綜合作用>氣溫>降水；海拔梯度方向上，其影響因素大小依次為：氣溫>降水。