許毓哲，林 濤，李 君,4

（1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.自然資源部荒漠-綠洲生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，新疆 烏魯木齊 830022；4.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，阿克蘇綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，新疆 烏魯木齊 830011）

生態(tài)彈性是衡量生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其定義為在轉(zhuǎn)換到一個(gè)由不同結(jié)構(gòu)和功能的替代穩(wěn)態(tài)之前，系統(tǒng)所能承受干擾的大小［1-3］。以系統(tǒng)變量變化趨勢(shì)為基準(zhǔn)，系統(tǒng)變量圍繞變化趨勢(shì)上下波動(dòng)，其實(shí)際數(shù)值偏離變化趨勢(shì)的時(shí)間越長(zhǎng)，生態(tài)彈性越弱。而系統(tǒng)變量存在多種偏離變化趨勢(shì)的情況，并會(huì)表現(xiàn)出穩(wěn)定性，這就是替代穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)變量受正面環(huán)境擾動(dòng)時(shí)高于變化趨勢(shì)變化的替代穩(wěn)態(tài)稱為穩(wěn)定狀態(tài)I，反之為穩(wěn)定狀態(tài)II［3-4］。不同替代穩(wěn)態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出的彈性不同，其系統(tǒng)變量所處的波動(dòng)區(qū)間差異明顯，這種現(xiàn)象普遍存在于湖泊、森林、荒漠等各類生態(tài)系統(tǒng)［5］。

古爾班通古特沙漠是發(fā)育典型的溫帶荒漠系統(tǒng)，沙漠南緣植被受一定的綠洲排水補(bǔ)給，沙漠腹地植被主要依賴少量降水生存。阜康北部的荒漠植被，其空間格局在整個(gè)古爾班通古特沙漠具有代表意義。研究表明，該地區(qū)植被對(duì)氣候變化反應(yīng)十分敏感［6］，過(guò)去數(shù)十年呈現(xiàn)恢復(fù)-退化-恢復(fù)交替變化趨勢(shì)［7］，意味著該區(qū)域在不同替代穩(wěn)態(tài)間反復(fù)轉(zhuǎn)化。在變化環(huán)境中，生態(tài)彈性是生態(tài)系統(tǒng)維持功能穩(wěn)定的重要機(jī)制。以植被功能的時(shí)間序列為切入點(diǎn)，探討阜康北部荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同替代穩(wěn)態(tài)下生態(tài)彈性的時(shí)空屬性特征以及生態(tài)彈性內(nèi)在的作用機(jī)制，在荒漠生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程認(rèn)識(shí)、區(qū)域生態(tài)保護(hù)和修復(fù)方面兼具重要的理論和實(shí)踐意義。

地球大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的研究和構(gòu)建，為利用遙感數(shù)據(jù)時(shí)間序列量化生態(tài)系統(tǒng)彈性提供了可能性。在區(qū)分固有的季節(jié)變化和環(huán)境干擾方面最重要的方法就是BFAST(Breaks for Additive Season and Trend)方法［8-10］。該方法在檢測(cè)植被功能變化趨勢(shì)方面已得到廣泛應(yīng)用，并可用于量化生態(tài)系統(tǒng)彈性［11-12］。通過(guò)時(shí)間序列量化生態(tài)系統(tǒng)彈性的代表性方法分為兩類，一類是自相關(guān)系數(shù)法，另一類是自回歸系數(shù)法。前者通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)變量的時(shí)間自相關(guān)系數(shù)量化彈性［12-15］；后者則是計(jì)算系統(tǒng)變量自回歸系數(shù)量化彈性［16］。兩種方法均建立在生態(tài)系統(tǒng)只存在單一穩(wěn)態(tài)的前提下，所以無(wú)法量化替代穩(wěn)態(tài)下的生態(tài)彈性。最近，生態(tài)系統(tǒng)從不同穩(wěn)定狀態(tài)退出所用的時(shí)間解決了替代穩(wěn)態(tài)條件下生態(tài)彈性的量化問(wèn)題，并應(yīng)用于湖泊生態(tài)系統(tǒng)藻類生物量的生態(tài)彈性量化中［17-19］，但是尚未應(yīng)用于空間尺度上的生態(tài)彈性研究。Meng等［20］利用Landsat時(shí)間序列量化出不同時(shí)期湘江流域生態(tài)彈性，并對(duì)彈性的時(shí)空變化做了初步探索，但是缺少對(duì)替代穩(wěn)態(tài)下彈性的差異性和其變化驅(qū)動(dòng)因子的深入探討。

為了深入認(rèn)識(shí)阜康北部荒漠生態(tài)系統(tǒng)彈性的時(shí)空演變，本文選擇了一條從沙漠南緣至沙漠腹地的樣帶，運(yùn)用2001 年1 月至2020 年12 月MODIS 的全球植被指數(shù)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，將該時(shí)間序列產(chǎn)品分成四段不同時(shí)期，并使用BFAST和狀態(tài)空間建模對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和提取，通過(guò)退出時(shí)間法計(jì)算了替代穩(wěn)態(tài)條件下的生態(tài)彈性，并進(jìn)一步分析降水變化與生態(tài)彈性時(shí)空演變的內(nèi)在機(jī)制。研究能夠?yàn)榱炕哪鷳B(tài)系統(tǒng)彈性及保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣帶選擇

研究樣帶南起阜康北部古爾班通古特沙漠南緣，北至沙漠腹地，地理位置位于87°42′～88°12′E、44°21′～45°21′N（圖1），南北長(zhǎng)111.3 km，東西寬40.1 km，總面積約4.47×103km2。樣帶內(nèi)發(fā)育南北走向的固定半固定沙丘，沙丘相對(duì)高度10～30 m，樣帶內(nèi)沙丘與丘間低地相間而列，地表起伏。樣帶內(nèi)降水由南至北梯度遞減，區(qū)域年平均降水量在100～250 mm［21］。春季積雪融水是土壤水的重要補(bǔ)給［22］，也是荒漠植物的重要水源［23］。區(qū)域內(nèi)發(fā)育以梭梭（Haloxylon ammodendron）、白梭梭（H.persicum）等為建群種的典型溫帶荒漠植被，常見(jiàn)灌木包括淡枝沙拐棗（Calligonum leucocladum）等是該區(qū)沙丘呈固定半固定狀態(tài)的主要因素［24］。灌木以外，區(qū)域內(nèi)草本層植物稀疏分布，常見(jiàn)一年生草本植物如豬毛菜（Solsolaspp.）、角果藜（Ceratocarpus arenarius）［25］。樣帶南部、中部、北部生物多樣性指數(shù)呈遞減趨勢(shì)［26］，且荒漠植物物種組成不同，因此沿南北方向?qū)訋нM(jìn)行三等分（圖1a），并進(jìn)一步分析降水與生態(tài)彈性時(shí)空演變。

圖1 研究區(qū)位置及概況Fig.1 Location and overview of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)彈性量化 生態(tài)彈性的量化流程如圖2所示。文中數(shù)據(jù)來(lái)源于GEE（Google Earth Engine），調(diào)用的遙感數(shù)據(jù)為MODIS MOD13Q1 級(jí)NDVI 產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，地理坐標(biāo)系為WGS84，由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)始于2000 年2月，為保證時(shí)間序列數(shù)據(jù)完整性，故研究時(shí)段為2001 年1 月—2020 年12 月。本研究利用最大值合成法對(duì)NDVI 數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，通過(guò)提取同一月份不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上最大的NDVI數(shù)值，作為該時(shí)期的ND?VI 值，從而進(jìn)一步消除環(huán)境干擾［27］，最后得到共20 a NDVI的月時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程及殘余項(xiàng)與替代穩(wěn)態(tài)間的關(guān)系Fig.2 Methods for data processing and relationship between remainder component and alternative stable states

生態(tài)彈性作為長(zhǎng)期觀測(cè)得到的穩(wěn)定性指標(biāo)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間序列進(jìn)行量化。該區(qū)域植被指數(shù)最高值出現(xiàn)在2016年［28］，圖2顯示2015年前后到2020年NDVI 趨勢(shì)變化較前期具有較大差異，故將2016—2020年數(shù)據(jù)劃分為一個(gè)時(shí)間段，并利用該時(shí)段數(shù)據(jù)量化同時(shí)期彈性。為比較不同時(shí)期彈性的變化，研究中量化所需的時(shí)間序列數(shù)據(jù)需等長(zhǎng)，結(jié)合地球表層系統(tǒng)分析方法［29］，故以5 a為一個(gè)周期進(jìn)行劃分，將數(shù)據(jù)以5 a 為一個(gè)周期，分為t1、t2、t3、t44個(gè)時(shí)間段，分別代表2001—2005年、2006—2010年、2011—2015 年、2016—2020 年。其中，樣帶內(nèi)每一個(gè)柵格具體的時(shí)間序列為Yt，其中Yt由下列公式中多項(xiàng)構(gòu)成：

式中：St為季節(jié)項(xiàng)，表示NDVI 時(shí)間序列隨季節(jié)變化的函數(shù)項(xiàng)；Tt為趨勢(shì)項(xiàng)，表示NDVI 因季節(jié)變動(dòng)外的壓力擾動(dòng)所產(chǎn)生變化的函數(shù)項(xiàng)；Et為殘余項(xiàng)，表示NDVI 因脈沖擾動(dòng)所產(chǎn)生變化的函數(shù)項(xiàng)，本研究使用BFAST方法提取以上各項(xiàng)。

將獲取的NDVI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成時(shí)間序列對(duì)象后，數(shù)據(jù)處理的主要步驟如圖2 所示。首先，提取不同時(shí)間段NDVI時(shí)間序列，利用BFAST檢測(cè)變化趨勢(shì)，其中的季節(jié)項(xiàng)使用默認(rèn)的調(diào)和模式來(lái)擬合。之后，利用趨勢(shì)項(xiàng)和殘余項(xiàng)進(jìn)行狀態(tài)空間建模。該建模有效地反映自然界的真實(shí)狀態(tài)［30］，具體建模方法調(diào)用R 語(yǔ)言相應(yīng)的MARSS 包［31］。完成狀態(tài)空間建模后，再次使用BFAST 分離趨勢(shì)項(xiàng)和殘余項(xiàng)，并通過(guò)殘余項(xiàng)劃分出穩(wěn)定狀態(tài)I（Et>0）和穩(wěn)定狀態(tài)II（Et<0）。最終，利用殘余項(xiàng)計(jì)算退出時(shí)間，從而得到生態(tài)彈性。

退出時(shí)間計(jì)算的是環(huán)境擾動(dòng)使生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)退出當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)所需的平均時(shí)間［18-19］。由于狀態(tài)空間建模還原了數(shù)據(jù)變化的連續(xù)性，這使研究可以準(zhǔn)確地計(jì)算出系統(tǒng)在不同替代穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換所用的“退出時(shí)間（EXITTIME）”。這里借助統(tǒng)計(jì)方法將不同時(shí)段的EXITTIMET作為樣本數(shù)據(jù)，然后計(jì)算各階段平均值，方法如下：

1.2.2 生態(tài)彈性變化趨勢(shì)及降水因素相關(guān)分析方法 為深入認(rèn)識(shí)彈性與降水波動(dòng)變化的關(guān)系，本研究選取了不同時(shí)期多年平均年降水量與t1、t2、t3、t4相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)彈性及其變化趨勢(shì)做相關(guān)分析。降水?dāng)?shù)據(jù)使用的是CHIRPS（Climate Hazards Group Infra?Red Precipitation with Station data）日降水量數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.05°，并通過(guò)GEE獲取。經(jīng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)提取生態(tài)彈性不同分區(qū)平均值，然后利用規(guī)則網(wǎng)格（圖1a）提取多年平均年降水量數(shù)據(jù)以及生態(tài)彈性數(shù)據(jù)并計(jì)算Spearman 相關(guān)系數(shù)［32］。生態(tài)彈性變化趨勢(shì)主要通過(guò)后期數(shù)據(jù)減去前期數(shù)據(jù)得到，如t1到t2時(shí)間段彈性變化趨勢(shì)等于t2時(shí)間段彈性減去t1時(shí)間段彈性，降水量的變化趨勢(shì)同理。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)彈性時(shí)空分布

彈性數(shù)值及其變化趨勢(shì)的時(shí)空格局如圖3。彈性+取值范圍在0.075～0.500。t1時(shí)段彈性+整體相對(duì)較高，t3時(shí)段彈性+整體相對(duì)較低，可能在該區(qū)域不同時(shí)間段降水量變化趨勢(shì)影響了區(qū)域彈性。彈性+高值在樣帶南部分布較為集中，這主要受降水量由南至北梯度遞減影響。彈性-取值范圍在0.085～0.417。t4時(shí)段彈性-數(shù)值高于其他時(shí)間段，t1到t3時(shí)間段高值呈斑塊狀混雜分布，說(shuō)明彈性的變化受局部生境條件影響較大。彈性變化趨勢(shì)顯示，t2到t3時(shí)間段內(nèi)樣帶南部彈性+呈大幅下降趨勢(shì)，t3到t4時(shí)間段內(nèi)樣帶整體彈性呈上升趨勢(shì)，其中樣帶南部的彈性+存在大幅度上升趨勢(shì)。不同時(shí)期彈性+與彈性-變化趨勢(shì)均存在較大差異，可能與區(qū)域植被對(duì)不同類型環(huán)境擾動(dòng)存在適應(yīng)性差異有關(guān)。

圖3 不同時(shí)間段彈性數(shù)值（左）及變化趨勢(shì)（右）的時(shí)空格局Fig.3 Spatial distribution of resilience value and trends in different periods

綜合來(lái)看，彈性對(duì)不同類型環(huán)境擾動(dòng)的響應(yīng)在空間分布和時(shí)間變化上均存在差異，這種差異可能受降水量變化趨勢(shì)、局部生境條件和植被對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的適應(yīng)性共同影響。

2.2 生態(tài)彈性與降水量關(guān)系的空間差異

樣帶整體多年平均年降水量在t1到t4時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)大幅度上升。將樣帶從南到北等分成3個(gè)部分（圖1a），圖4 為樣帶不同區(qū)域各時(shí)段的平均年降水量變化，樣帶南部和中部呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，而北部則保持上升趨勢(shì)。

圖4 樣帶年平均降水量變化Fig.4 Variations in averaged annual precipitation

整體上，彈性與降水量之間具備顯著的相關(guān)性（表1）。彈性除與本時(shí)段內(nèi)降水相關(guān)外，也與前期的降水顯著相關(guān)。如樣帶整體在t2時(shí)間段的生態(tài)彈性+與t1時(shí)間段降水量具備較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.592。但這種相關(guān)性存在局部差異，研究基于降水?dāng)?shù)據(jù)分辨率大小構(gòu)建矢量網(wǎng)格（圖1a），經(jīng)規(guī)則采樣各部提取60 個(gè)樣點(diǎn)的不同時(shí)期降水及生態(tài)彈性數(shù)據(jù)平均值，最終計(jì)算得出降水與彈性相關(guān)系的時(shí)空變化。樣帶內(nèi)南部區(qū)域與降水量保持顯著正相關(guān)，但樣帶中部及北部t1到t3時(shí)間段彈性與降水量存在顯著負(fù)相關(guān)。此外，不同替代穩(wěn)態(tài)條件下的彈性與降水量相關(guān)性差異較大。如樣帶南部t2時(shí)間段的彈性+與不同時(shí)期降水量之間的相關(guān)性為0.701～0.741，而彈性-與降水量之間的相關(guān)性則低于0.34。

表1 彈性與降水量相關(guān)性Tab.1 Correlation between resilience and precipitation

樣帶整體彈性變化趨勢(shì)與降水量變化趨勢(shì)的相關(guān)性較低（表2），而樣帶整體彈性變化趨勢(shì)相比局部與降水量變化趨勢(shì)之間存在更顯著的相關(guān)性。綜合來(lái)看，彈性+和彈性-與降水量相關(guān)性隨時(shí)間和空間變化復(fù)雜多樣，可能與區(qū)域植被對(duì)降水變化趨勢(shì)存在適應(yīng)性差異有關(guān)，并且這可能還與降水季節(jié)分布的時(shí)空差異有關(guān)。

表2 彈性與降水量變化趨勢(shì)的相關(guān)性Tab.2 Correlation between the trends of resilience and precipitation

2.3 生態(tài)彈性與降水季節(jié)分布的關(guān)系

圖5a為穩(wěn)定狀態(tài)I和穩(wěn)定狀態(tài)II在各月份出現(xiàn)的頻數(shù)，二者的頻數(shù)差反映了整個(gè)樣帶在不同月份下穩(wěn)定狀態(tài)變化的規(guī)律。整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有更大概率在6 月和9—11 月處于穩(wěn)定狀態(tài)I，在3—5 月及7月處于穩(wěn)定狀態(tài)II（圖5b）。

圖5 穩(wěn)定狀態(tài)頻數(shù)與降水量變化的關(guān)系Fig.5 Stable state frequency in relation to precipitation variability

當(dāng)降水量變化促進(jìn)植被生長(zhǎng)時(shí)（圖5c），生態(tài)系統(tǒng)在5—6 月的穩(wěn)定狀態(tài)I 所停留的時(shí)間增加，7 月在穩(wěn)定狀態(tài)II 停留的時(shí)間減少，甚至存在轉(zhuǎn)換為替代穩(wěn)態(tài)的可能。因此，生態(tài)系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)I 的平均退出時(shí)間增加，彈性+數(shù)值降低。反之，彈性-數(shù)值降低。

當(dāng)春夏兩季降水量變化對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的影響有差異時(shí)（圖5e，圖5f），穩(wěn)定狀態(tài)I、II的平均退出時(shí)間將更加復(fù)雜，與不同時(shí)期降水量的相關(guān)性降低。因此，這可能是替代穩(wěn)態(tài)下的彈性與部分時(shí)段的降水量之間相關(guān)性不高的主要原因。

3 討論

本文以阜康北部荒漠植被樣帶為例，通過(guò)結(jié)合BFAST、狀態(tài)空間模型和退出時(shí)間法，初步量化并探討了不同替代穩(wěn)態(tài)下阜康北部荒漠生態(tài)系統(tǒng)南緣至腹地生態(tài)彈性的時(shí)空變化。研究表明，該區(qū)域生態(tài)彈性總體呈先下降后上升的趨勢(shì)，不同替代穩(wěn)態(tài)條件下彈性數(shù)值從古爾班通古特沙漠邊緣至沙漠腹地的空間分布差異顯著，且彈性數(shù)值對(duì)降水波動(dòng)存在滯后響應(yīng)，降水波動(dòng)的空間差異、植物群落的異質(zhì)性分布及其對(duì)降水變化的差異響應(yīng)可能是造成這種差異的主要成因。

通過(guò)NDVI 計(jì)算得出的替代穩(wěn)態(tài)下的生態(tài)彈性，表明了生態(tài)系統(tǒng)功能在承受正面或負(fù)面的環(huán)境擾動(dòng)后恢復(fù)的時(shí)間長(zhǎng)度。生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，表明其彈性越小，承受擾動(dòng)和恢復(fù)的能力越低。對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)而言，降水是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的最主要限制因素。根據(jù)Bai等［33］對(duì)整個(gè)中亞地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性研究發(fā)現(xiàn)，阜康北部的古爾班通古特荒漠生態(tài)系統(tǒng)南緣生態(tài)彈性大于沙漠腹地，與樣帶北部彈性+在t2和t4時(shí)間段低于南部的研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果顯示沙漠南緣至腹地降水變化趨勢(shì)差異明顯，樣帶南部及中部降水量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)（圖4b，圖4c），北部降水量則一直保持上升趨勢(shì)（圖4d），與新疆大部分地區(qū)一致［34］。而降水量變化趨勢(shì)的空間分布差異是不同替代穩(wěn)態(tài)條件下的彈性在t1、t2、t3時(shí)間段內(nèi)空間分布差異的主要原因，結(jié)果顯示彈性變化趨勢(shì)與降水量變化趨勢(shì)間顯著相關(guān)。如樣帶整體彈性+在t2到t3時(shí)間段的變化趨勢(shì)與同時(shí)間段降水量的相關(guān)性為0.418，這說(shuō)明彈性+會(huì)隨著同期降水量的上升而上升。

彈性指標(biāo)反映了系統(tǒng)在歷經(jīng)變化時(shí)保持其原有功能、結(jié)構(gòu)、特性和抗干擾及重組的能力。因而，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種的豐富度將有助于增加生態(tài)彈性［3］。已有研究表明，荒漠植被群落的彈性受物種豐富度的影響顯著［35］，而降水量高的區(qū)域植物物種豐富度明顯大于降水量低的區(qū)域［21］。降水由沙漠南緣向腹地的復(fù)雜變化導(dǎo)致的植物物種豐度變化［36］，這是阜康北部古爾班通古特沙漠南緣生態(tài)彈性高于腹地的自然基礎(chǔ)。此外，研究表明立地條件如坡向和坡度也會(huì)對(duì)生態(tài)彈性產(chǎn)生影響［11］。阜康北部荒漠生態(tài)系統(tǒng)，沙丘縱橫起伏，植物稀疏分布，且主要分布于沙丘底部和丘間地［37］。這是因?yàn)榈匦蔚钠鸱鼘?dǎo)致丘間地有更好的水分條件，使丘間低地具備更高的物種豐富度，進(jìn)而影響彈性的空間分布，而不同類型沙丘（如固定沙丘、半固定沙丘與流動(dòng)沙丘）由于水分條件差異也會(huì)使得荒漠植被種群的穩(wěn)定狀態(tài)在不同地貌類型條件下存在差異［38］。因此，在降水格局和局地立地條件綜合作用下，阜康北部荒漠生態(tài)系統(tǒng)彈性的空間分布既有南北方向上的趨勢(shì)性差異，在局部又呈現(xiàn)彈性斑塊混雜分布的特征（圖3）。

以往研究表明古爾班通古特沙漠降水量與ND?VI之間存在滯后響應(yīng)［39］，本文研究進(jìn)一步證明這種滯后響應(yīng)也會(huì)反映到基于NDVI計(jì)算的生態(tài)彈性變化。如樣帶南部存在彈性+與前期降水量之間的相關(guān)性大于0.7。這是因?yàn)榻邓▌?dòng)對(duì)同期植被物種豐富度的影響過(guò)程較為緩慢，通過(guò)改變植被群落結(jié)構(gòu)從而反映在生態(tài)彈性上的時(shí)間較長(zhǎng)，因此生態(tài)彈性對(duì)降水量變化存在滯后響應(yīng)。此外，并非所有的荒漠植物蓋度與降水量呈顯著正相關(guān)［21］，如白梭梭、淡枝沙拐棗等的密度和蓋度隨降水的增加而減少，而梭梭與降水則沒(méi)有相關(guān)性，這可能與植被在適應(yīng)溫帶荒漠氣候環(huán)境過(guò)程中形成了不同生存策略有關(guān)［40］。本文研究結(jié)果顯示該區(qū)域存在彈性與降水量呈負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象（表1）。如樣帶北部在t1到t2時(shí)間段彈性與同期降水量變化趨勢(shì)之間的相關(guān)系數(shù)在-0.409～-0.511。結(jié)合彈性與降水季節(jié)分布的關(guān)系可知，當(dāng)樣帶中部及北部植被的蓋度與降水量呈負(fù)相關(guān)時(shí)，彈性隨降水量增加而下降。由于降水的季節(jié)分布變化多樣，且對(duì)彈性的影響過(guò)程復(fù)雜，研究區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)彈性與降水量的相關(guān)性也呈復(fù)雜多樣。綜合而言，研究區(qū)生態(tài)彈性與降水量的相關(guān)性取決于植被群落構(gòu)成、降水的變化趨勢(shì)及降水的季節(jié)分布。

為了解決不同替代穩(wěn)態(tài)條件下的生態(tài)彈性量化問(wèn)題，本研究采用了BFAST變化趨勢(shì)檢測(cè)和狀態(tài)空間建模的方法劃分出不同替代穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)I 和穩(wěn)定狀態(tài)II），并利用退出時(shí)間法量化得出生態(tài)彈性，通過(guò)阜康北部古爾班通古特荒漠生態(tài)系統(tǒng)研究的應(yīng)用，證實(shí)了荒漠生態(tài)系統(tǒng)普遍存在替代穩(wěn)態(tài)［18］，以及不同替代穩(wěn)態(tài)條件下的生態(tài)彈性的時(shí)空差異。與已有研究工作［33,35］相比，本文研究通過(guò)劃分不同替代穩(wěn)定狀態(tài)和不同時(shí)段研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)彈性，更好地解釋了荒漠生態(tài)系統(tǒng)彈性的時(shí)空變化規(guī)律，為認(rèn)識(shí)荒漠生態(tài)穩(wěn)定性長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)與環(huán)境干擾的關(guān)系提供了新的思路。阜康北部的古爾班通古特沙漠穩(wěn)定性是保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素［41］，其生態(tài)彈性的研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)環(huán)境干擾下荒漠生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的維持機(jī)制，對(duì)指導(dǎo)荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)也具有重要的理論指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用BFAST和狀態(tài)空間建模的方法，通過(guò)對(duì)遙感時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分期處理提取出了不同時(shí)段替代穩(wěn)態(tài)條件下的彈性，并量化不同時(shí)段阜康北部的荒漠生態(tài)系統(tǒng)彈性的空間分布，然后分區(qū)探討了不同時(shí)段生態(tài)彈性與降水變化之間的關(guān)系。彈性分布總體受降水格局控制，但立地條件導(dǎo)致的植被空間異質(zhì)性增加了彈性空間分布的復(fù)雜性；在時(shí)間上，生態(tài)彈性在研究時(shí)段內(nèi)呈先下降后上升的趨勢(shì)，對(duì)降水變化的響應(yīng)存在滯后性，生態(tài)彈性與降水量的相關(guān)性取決于植被群落構(gòu)成、植物對(duì)降水變化的響應(yīng)以及降水量變化趨勢(shì)和季節(jié)分布。本文為量化替代穩(wěn)態(tài)條件下的生態(tài)彈性提供了方法與技術(shù)支撐，在深入認(rèn)識(shí)荒漠生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性維持機(jī)制以及荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)方面具有理論與實(shí)踐意義。