王曉慶,何 凱

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運(yùn)城 044004;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

植被物候被認(rèn)為是追蹤植被對(duì)氣候年際變化響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo),植被每年發(fā)育的時(shí)間隨氣候變化而產(chǎn)生相應(yīng)的季節(jié)變化[1-2]。在氣候快速變化的背景下,物候事件的變化不但會(huì)影響群落中不同物種間相互作用和營(yíng)養(yǎng)水平,而且可改變植被活力和生態(tài)系統(tǒng)功能,從而影響地表能量循環(huán)和碳收支,甚至是區(qū)域氣候[2-4]。青藏高原被定義為世界“第三極”,且作為世界上規(guī)模最大、海拔最高的高原,為亞洲幾條重要河流的源頭提供了水源[5-6]。青藏高原草地是最重要和最脆弱的生態(tài)系統(tǒng),可以截留地下水、調(diào)節(jié)能量變換和提供碳存儲(chǔ)等,對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義[6-7]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Inter-governmental Panel on Climate Change,IPCC)報(bào)告指出,大部分地區(qū)正在經(jīng)歷持續(xù)變暖的過(guò)程(1951—2012 年全球平均地表溫度升高了0.72 ℃),并且一些極端氣候事件(高溫、干旱、暴雨、洪澇等)發(fā)生的頻數(shù)不斷增加[8-10]。同氣候平均態(tài)相比,極端氣候事件產(chǎn)生的影響更為明顯和直接,且比一般氣候事件更具破壞性和災(zāi)難性,這勢(shì)必會(huì)使青藏高原草地植被物候事件(如植被萌發(fā)、開花、果實(shí)成熟和產(chǎn)量的發(fā)育和生理過(guò)程相關(guān))發(fā)生一系列變化,從而影響群落內(nèi)不同物種和營(yíng)養(yǎng)水平間的相互作用,不利于生態(tài)系統(tǒng)平衡和可持續(xù)發(fā)展[8,11-12]。因此探究近30 a青藏高原草地植被物候?qū)O端氣候的敏感性,對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)平衡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

隨著氣候暖化,青藏高原植被物候動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究已成為全球變化生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[12]。有研究發(fā)現(xiàn),暖化的季前或春季溫度是中國(guó)溫帶生態(tài)系統(tǒng)、青藏高原和北美北緯地區(qū)植被生長(zhǎng)季始期(start of growing season, SOS)提前的主要控制因素,雖然降水對(duì)植被SOS也表現(xiàn)出很強(qiáng)的控制作用,但沒(méi)有溫度明顯[13-15]。與平均氣候相比,極端氣候?qū)χ脖晃锖虻挠绊懰坪醺鼮槊黠@[11-14]。極端氣候事件的出現(xiàn)不但會(huì)使某些物種花期提前,甚至導(dǎo)致一些物種不能完成開花周期[15-18]。有學(xué)者指出,日最高溫度事件的增加是導(dǎo)致美國(guó)植被SOS提前的主要影響因素,而極端冷氣候事件會(huì)使森林提前結(jié)束生長(zhǎng)季,極端暖事件和干旱脅迫則使得植被推遲進(jìn)入休眠期[19]。可見極端氣候事件對(duì)氣候變化敏感地區(qū)的植被物候有較大影響。其次,也有研究發(fā)現(xiàn)極端溫度主要是通過(guò)影響植被酶活性進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)和發(fā)育[18-19],極端變暖事件會(huì)過(guò)早誘發(fā)植物活動(dòng),間接導(dǎo)致植被生長(zhǎng)季提前結(jié)束,從而縮短植被生長(zhǎng)周期,這種情況不利于植被的生長(zhǎng)[11]。自20世紀(jì)70年代以來(lái),氣候變化導(dǎo)致的溫度上升使北美地區(qū)春季物候從40° N向北推進(jìn),春季物候開始時(shí)間每10 a提前了2.3 d[20-22]。CRABBE等[23]發(fā)現(xiàn)歐洲高緯度地區(qū)春季極端變暖使森林SOS顯著提前,加之秋季極端變暖使來(lái)年森林春季SOS顯著提前。雖然目前關(guān)于青藏高原植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)已有很多研究,但目前青藏高原物候的研究多集中在植被物候和平均氣候間的關(guān)系,尤其是氣溫[16-19]。而針對(duì)不同草地植被對(duì)不同極端溫度指標(biāo)的敏感性和相互關(guān)系的研究鮮見報(bào)道。作為青藏高原的主要植被類型,草地植被物候在控制碳、氮循環(huán)方面扮演著重要的角色[24]。因此,深入探究青藏高原植被物候時(shí)空動(dòng)態(tài)對(duì)不同極端溫度指標(biāo)的敏感性程度有助于充分認(rèn)識(shí)氣候變化事件對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原草地植被動(dòng)態(tài)的影響,為制定科學(xué)合理的青藏高原草地植被保護(hù)和恢復(fù)戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。

筆者基于提取的物候數(shù)據(jù)、極端溫度數(shù)據(jù)和草地類型數(shù)據(jù)探究了1986—2015年青藏高原不同草地類型SOS時(shí)空動(dòng)態(tài)及其對(duì)不同極端溫度指標(biāo)的敏感性,以期為科學(xué)分析我國(guó)草地資源物候受極端天氣事件變化的影響提供新思路,為后期科學(xué)管理和保護(hù)草地資源提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

有“世界屋脊”之稱的青藏高原(26°～40° N,73°～105° E)地處中國(guó)西南部,橫向跨度約2 945 km,縱向跨度約1 532 km,平均海拔在4 000 m以上,總面積約為2.57×106km2。如圖1 所示,青藏高原地勢(shì)西高東低,總體自西北向東南傾斜,且高原地貌類型復(fù)雜多樣,造就了其獨(dú)特的氣候類型,特點(diǎn)是太陽(yáng)輻射強(qiáng)、溫度低、干濕季節(jié)分明、降水量偏少和降水分配不均勻等[5-7]。作為高山高原氣候區(qū),受海拔、高原季風(fēng)氣候和高大山脈等的影響,植被類型以草地植被為主。由于其獨(dú)特的地理位置和非凡的生態(tài)意義,青藏高原草地植被已經(jīng)成為研究氣候變化的指示器。

審圖號(hào): GS(2023)2642號(hào)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1GIMMS NDVI數(shù)據(jù)

使用全球庫(kù)存建模與測(cè)繪研究(GIMMS)提供的NDVI 3g數(shù)據(jù)集(版本3)提取青藏高原1982—2015年草地植被春季物候,空間分辨率為8 000 m,時(shí)間分辨率為15 d。該數(shù)據(jù)是由NOAA衛(wèi)星搭載的AVHRR傳感器獲取,已校正并最大程度減少火山氣溶膠、太陽(yáng)高度角、傳感器誤差和偏移影響的全球植被數(shù)據(jù)[11-12]。如果標(biāo)志數(shù)據(jù)顯示1、2,則分別表示質(zhì)量較好的數(shù)據(jù),7則表示缺失數(shù)據(jù),其他標(biāo)志值表示NDVI是由不同方法獲得的。雖然GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)有局限性,但它是用于監(jiān)測(cè)植被特征和變化的最長(zhǎng)的NDVI時(shí)間序列。NDVI數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/)提供,使用Savitzky-Golay Filter對(duì)GIMMS NDVI 3g時(shí)間序列數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,以平滑NDVI因云、大氣等導(dǎo)致的錯(cuò)誤峰值[17]。

1.2.2草地類型數(shù)據(jù)

草地類型數(shù)據(jù)源于西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)提供的GLC2000分類數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的土地覆蓋分類標(biāo)準(zhǔn)(LCCS),通過(guò)非監(jiān)督分類方法獲得全球土地覆蓋數(shù)據(jù),其中草地類型包括草甸、平地草原、荒漠草原、坡地草地、高山亞高山草甸、高山亞高山平地草原(圖1)。

1.2.3極端溫度數(shù)據(jù)(HadEX3)

HadEX3數(shù)據(jù)集(www.climdex.org)采用綜合觀測(cè)資源來(lái)量化晝夜溫度和降水變化,由29個(gè)氣候極端指數(shù)(通過(guò)世界溫度站數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái))組成,數(shù)據(jù)涵蓋了1901—2018年的極端天氣事件,綜合反映了極端溫度的頻率和強(qiáng)度,可應(yīng)用于極端天氣事件研究[22]。根據(jù)青藏高原溫度的實(shí)際情況和物候的研究時(shí)段,選擇1986—2015年12個(gè)最能反映溫度日變化范圍和溫度極端事件來(lái)分析青藏高原不同草地類型物候?qū)O端天氣變化的響應(yīng)情況 (表1)?；跇訔l函數(shù)插值理論的專業(yè)氣象插值軟件ANUSPLINE將極端溫度的點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為8 km的柵格數(shù)據(jù),綜合考慮了高程、海岸線等協(xié)變量對(duì)氣象數(shù)據(jù)的影響,能夠得到精度較高的插值結(jié)果[13]。

表1 極端溫度指標(biāo)定義

1.3 研究方法

1.3.1物候提取

物候期提取的常用方法有閾值法、滑動(dòng)平均法、最大比率法等[6],采用動(dòng)態(tài)閾值法提取研究期內(nèi)歷年草地植被SOS,以同年1月1日(即第1天)為起點(diǎn)計(jì)算,1月2日為第2天……,依次類推確定植被SOS[12,16]。提取草地SOS時(shí)通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)定不同閾值重復(fù)試驗(yàn)并將提取后的物候信息與已有文獻(xiàn)物候信息對(duì)比[2,13,18],最后將動(dòng)態(tài)閾值設(shè)置為0.3提取草地SOS[19]。動(dòng)態(tài)閾值法模型為

(1)

式(1)中,VR為輸出比值;V為歸一化植被指數(shù);Vx和Vn分別為1 a中V變化的最大值和最小值。

1.3.2趨勢(shì)分析

采用Theil-Sen中位數(shù)趨勢(shì)分析草地SOS空間趨勢(shì)特征[24]。Theil-Sen趨勢(shì)分析法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法,對(duì)測(cè)量誤差和離群數(shù)據(jù)不敏感[24]。Mann-Kendall用于評(píng)估Theil-Sen斜率估計(jì)的顯著性,即檢驗(yàn)SOS趨勢(shì)的顯著性。Theil-Sen中位數(shù)趨勢(shì)分析具體公式為

(2)

式(2)中,β為斜率;i和j代表年份,如果β> 0,數(shù)據(jù)集時(shí)間序列具有正趨勢(shì);如果β< 0,數(shù)據(jù)集序列具有負(fù)趨勢(shì)。

1.3.3未來(lái)趨勢(shì)分析

Hurst指數(shù)是根據(jù)SOS的長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì),基于重標(biāo)極差(R/S)的Hurst指數(shù)是一種定量表述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法[16]。筆者用來(lái)研究SOS未來(lái)的趨勢(shì),Hurst指數(shù)分為3種情況:Hurst值為0～<0.5,說(shuō)明SOS具有長(zhǎng)期的相關(guān)性,將來(lái)總體趨勢(shì)和過(guò)去趨勢(shì)相反,時(shí)間序列表現(xiàn)出反持續(xù)性;Hurst值為0.5,表明SOS互相獨(dú)立且沒(méi)有依賴性,現(xiàn)在不會(huì)影響未來(lái);Hurst值為>0.5～1,表明未來(lái)SOS總體趨勢(shì)與過(guò)去總體趨勢(shì)相同,過(guò)程具有持續(xù)性,越接近1,持續(xù)性越強(qiáng)[24]。

1.3.4穩(wěn)定性分析

(3)

式(3)中,Cv為變異系數(shù);Xi為第i年的草地SOS;Xm為1986—2015年草地SOS的平均值。

1.3.5SOS對(duì)極端溫度的敏感性

地理探測(cè)器模型由WANG等[25]提出,是將自變量空間分布與潛在因素分布進(jìn)行比較,適用于測(cè)量空間分層非均質(zhì)性程度的空間分析方法。利用地理探測(cè)器度量不同草地植被類型SOS對(duì)不同極端溫度指標(biāo)的敏感性。

(4)

式(4)中,q為極端溫度指標(biāo)對(duì)不同草地植被SOS的解釋力;h為不同極端溫度分類數(shù)據(jù);L為極端溫度數(shù)據(jù);Nh和N分別為h區(qū)域和整個(gè)青藏高原區(qū)域的單元數(shù);δh2和δ2分別為h區(qū)域和整個(gè)區(qū)域的方差。q值越大,表示該極端溫度植被對(duì)該草地類型SOS的影響越大。

1.3.6偏相關(guān)分析

采用高階偏相關(guān)分析法研究了草地SOS與不同極端溫度之間的關(guān)系[20]。假設(shè)有k(k>2)個(gè)變量x1,x2,…,xk,則任意2個(gè)變量xi和xj的n(n≤k-2)階樣本的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

(5)

式(5)中,rij為草地SOSi和極端溫度j之間的偏相關(guān)系數(shù),控制變量為其他極端溫度的變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原草地SOS時(shí)空動(dòng)態(tài)

從青藏高原近30 a草地SOS均值分布發(fā)現(xiàn),草地SOS從西北向東南逐漸提前,空間分布格局與水熱資源具有一致性。其中49.3%的草地SOS集中在第120～130 天,即五月上旬至中旬,SOS開始最早區(qū)域(SOS在第110 天之前)集中在最南部的珠穆拉瑪峰附近;SOS極端最晚值(SOS在第170 天之后)主要分布在海拔較高的昆侖山脈、岡底斯山脈、唐古拉山脈和橫斷山脈。不同草地植被SOS差異較大,荒漠草原、高山亞高山平地草原和山地草甸的SOS較遲,集中在第125～145 天;而平地草原草甸和高山亞高山草地的SOS較早,基本在第130 天之前。同一種草地SOS從西北向東南呈推遲趨勢(shì),在高海拔的山脈區(qū)域SOS基本在第170 天之后(圖2～3)。

以上回歸方程中，fairness代表社會(huì)公平感知，其中，fairness1代表整體社會(huì)公平感知，fairness2代表個(gè)人收入公平感知；pension代表社會(huì)養(yǎng)老保險(xiǎn)參與，medical代表社會(huì)醫(yī)療保險(xiǎn)參與；c-pension代表商業(yè)養(yǎng)老保險(xiǎn)參與，c-medical代表商業(yè)醫(yī)療保險(xiǎn)參與；pension* medical為社會(huì)養(yǎng)老保險(xiǎn)與社會(huì)醫(yī)療保險(xiǎn)的交互項(xiàng)，代表社會(huì)保險(xiǎn)的整體參與情況，c-pension* c-medical為商業(yè)養(yǎng)老保險(xiǎn)和商業(yè)醫(yī)療保險(xiǎn)的交互項(xiàng)，代表商業(yè)保險(xiǎn)的整體參與情況。α0為常數(shù)項(xiàng)，α1、α2、α3、α4、α5、α6分別為六個(gè)自變量的回歸系數(shù)。

審圖號(hào): GS(2023)2642號(hào)。

近30 a青藏高原55.3%的草地SOS呈提前趨勢(shì)(通過(guò)顯著性檢驗(yàn)占整體像元38.99%,α= 0.05),主要分布在青藏高原西南端、唐古拉山脈和昆侖山脈周圍。44.7%的草地SOS呈推遲趨勢(shì),橫斷山脈和天生山脈區(qū)域的SOS推遲速率最大(1.5 d·a-1)。草地SOS的Cv平均值為0.47,其持續(xù)變化的狀態(tài)波動(dòng)性較大。其中青海湖周圍和唐古拉山脈中段的持續(xù)狀態(tài)最穩(wěn)定,但在海拔較高的其他山脈地區(qū)的波動(dòng)性較大(Cv>0.7),這說(shuō)明近30 a青藏高原SOS的變化波動(dòng)性較大。通過(guò)Hurst指數(shù)分析近30 a青藏高原草地SOS未來(lái)可能的持續(xù)性情況發(fā)現(xiàn),青藏高原草地SOS的Hurst均值為0.41,即未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)草地SOS的變化趨勢(shì)與1986—2015年的變化趨勢(shì)整體表現(xiàn)相反。其中在波動(dòng)性較小區(qū)域的Hurst值大于0.5,即未來(lái)SOS的變化趨勢(shì)持續(xù)過(guò)去30 a的變化趨勢(shì),以不顯著提前趨勢(shì)為主。而在波動(dòng)較大的區(qū)域Hurst值小于0.5,即未來(lái)SOS可能持續(xù)的變化狀態(tài)與過(guò)去30 a呈相反趨勢(shì)。

Ⅰ—草甸;Ⅱ—山地草甸;Ⅲ—平地草原;Ⅳ—荒漠草原;Ⅴ—高山亞高山草甸;Ⅵ—高山亞高山平地草原。Ⅰ～Ⅵ的變化速率分別為0.04、-0.34、0.18、0.15、0.14和0.33 d·a-1。

2.2 植被物候隨海拔梯度的變化特征

通常海拔會(huì)影響區(qū)域尺度的氣溫和降水的再分布,從而影響草地植被物候。為了探究海拔梯度對(duì)草地植被物候的影響,參照文獻(xiàn)[18]將青藏高原海拔劃分為低海拔區(qū)(<3 000 m)、較低海拔區(qū)(3 000～3 500 m)、中低海拔區(qū)(>3 500～4 000 m)、較高海拔區(qū)(>4 000～4 500 m)、高海拔區(qū)(>4 500～5 000 m)和極高海拔區(qū)(>5 000 m),統(tǒng)計(jì)不同海拔梯度內(nèi)草地SOS分布及其年際變化動(dòng)態(tài)的平均值發(fā)現(xiàn),SOS在不同高程梯度中存在顯著差異(圖4),在極高海拔區(qū)域SOS多年均值和變化速率略高于其他地區(qū),且分散程度逐漸變大。SOS的穩(wěn)定性在不同海拔區(qū)域均較高,且隨著海拔的升高穩(wěn)定性逐漸變好,但穩(wěn)定性的分散度逐漸增加。海拔對(duì)Hurst指數(shù)的影響較大,在低海拔、中低海拔和較高海拔區(qū)域的Hurst指數(shù)小于0.4,說(shuō)明在該區(qū)域的SOS未來(lái)一段可能持續(xù)的狀態(tài)與過(guò)去30 a相反的概率較大。而在高海拔和極高海拔區(qū)域的Hurst值接近略高于0.5,說(shuō)明高海拔區(qū)域的SOS未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)過(guò)去30 a的變化趨勢(shì)。

圖4 青藏高原草地春季物候變化動(dòng)態(tài)與海拔的相關(guān)性

2.3 草地SOS對(duì)不同極端溫度因子的敏感性響應(yīng)

極端氣候頻繁發(fā)生和水資源缺乏是影響我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。為探究不同極端溫度因子對(duì)不同草地類型SOS的影響情況,利用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器分析青藏高原草地SOS空間分異特征的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,從因子探測(cè)的結(jié)果(圖5)可知,不同極端氣溫對(duì)不同草地SOS的決定力(q值)不同。TXX和TNX對(duì)高山亞高山草甸SOS的q值明顯高于其他極端溫度指標(biāo),分別為0.089和0.072,對(duì)高山亞高山草甸SOS的影響較其他極端溫度指標(biāo)大。而TXN和WSDI對(duì)高山亞高山草甸SOS影響最小,q值分別為0.027和0.030。對(duì)于高山亞高山平地草原SOS來(lái)說(shuō),DTR和TNX對(duì)其SOS的影響最高,q值分別為0.106和0.090,其次為TXX、TNN和FD,q值分別為0.074、0.062和0.066,其他極端氣候指標(biāo)對(duì)高山亞高山平地草原SOS的影響相對(duì)較小。極端溫度因子對(duì)荒漠草原SOS的影響均較小,其中DTR的q值最大(0.037),TX90P影響最小(0.01)。平地草原SOS受到DTR、TNN、TNX和TXX的影響較大,受到TX10P的影響最小。

Ⅰ—草甸;Ⅱ—山地草甸;Ⅲ—平地草原;Ⅳ—荒漠草原;Ⅴ—高山亞高山草甸;Ⅵ—高山亞高山平地草原。各變量含義見表1。

山地草甸SOS受TX90P、TXX的影響較大,q值分別為0.09和0.086。草甸SOS受到DTR、TN10P、TNX、TX10P、TXX和WSDI的影響較大。總體而言,草甸SOS對(duì)極端溫度的變化最敏感,其次為平地草原SOS。而荒漠草原SOS對(duì)極端溫度因子的敏感度最小。

為進(jìn)一步分析不同極端氣候因子與草地SOS的關(guān)系,采用高階偏相關(guān)分析法分析了草地SOS與不同極端溫度的相關(guān)性(圖6),發(fā)現(xiàn)不同極端溫度指標(biāo)與草地SOS的相關(guān)性存在顯著的空間差異。其中草地SOS與變冷相關(guān)的極端溫度因子(FD、ID、TN10P、TX10P)普遍以弱正相關(guān)關(guān)系為主,其中FD、ID、TN10P和TX10P在喜馬拉雅山脈東坡正相關(guān)性較強(qiáng),但TNN和TXN在大部分地區(qū)以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主。草地SOS與DTR的相關(guān)系數(shù)在±0.5間,呈正相關(guān)與負(fù)相關(guān)分別占45.55%和54.45%,這說(shuō)明草地SOS與極端溫度間存在一定程度的聯(lián)系。以上結(jié)果表明,隨著極端變暖事件的頻繁發(fā)生,草地SOS會(huì)推遲,不利于春季草地植被生長(zhǎng)發(fā)育。

各變量含義見表1。審圖號(hào): GS(2023)2642號(hào)。

草地SOS與變暖相關(guān)的極端溫度因子(TN90P、TX90P、WSDI)普遍以弱負(fù)相關(guān)為主,尤其在海拔較高的喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、天山山脈和橫斷山脈的負(fù)相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)極高值,基本在0.5以上。但TNX和TXX在大部分地區(qū)以正相關(guān)為主,但在喜馬拉雅山脈東坡的負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)。但草地SOS與極端溫度相關(guān)系數(shù)的分布規(guī)律具有明顯的空間差異性。在青藏高原中部,草地SOS與TN90P、TX90P、TNN、TXN和WSDI以正負(fù)相關(guān)并存的分布模式,在東部主要以弱正相關(guān)為主,但在以西地區(qū)以較顯著的負(fù)相關(guān)為主。這說(shuō)明溫度變暖(如暖夜日數(shù))和地表積溫增加為草地植被生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的生長(zhǎng)條件,能夠更好地促進(jìn)高海拔地區(qū)的草地生長(zhǎng)發(fā)育。

從草地植被SOS響應(yīng)極端溫度變化事件的空間分布狀況發(fā)現(xiàn),草地SOS受極端天氣變化影響存在一定的空間分異。為了進(jìn)一步細(xì)化不同草地類型對(duì)極端溫度變化的響應(yīng)情況,在前文研究的基礎(chǔ)上依據(jù)不同類型的草地植被提取相關(guān)性分析結(jié)果,分析不同草地物候?qū)O端天氣變化事件的響應(yīng)情況?？梢钥闯?大部分與草地植被SOS和極端溫度事件之間呈負(fù)相關(guān), 其中草甸、山地草甸SOS與極端溫度事件以正相關(guān)為主。高山亞高山草甸、高山亞高山平地草原、荒漠草原和平地草原SOS與極端溫度事件間的相關(guān)性存在分異,高山亞高山草甸SOS與TXX、TXN、TN90P及TX10P的負(fù)相關(guān)性較為顯著,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的像元分別占2.11%、0.71%、0.38%、0.51%(P<0.05),說(shuō)明高山亞高山草甸SOS對(duì)日最高溫度最大值和最小值、暖晝?nèi)諗?shù)及冷晝?nèi)諗?shù)十分敏感;草甸SOS與ID的負(fù)相關(guān)性十分顯著,有3.08%和3.22%通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05),說(shuō)明草甸SOS對(duì)霜凍十分敏感,霜凍不適宜草甸植被的生長(zhǎng)。高山亞高山平地草原SOS與TNN和TXN分別呈顯著負(fù)相關(guān),顯著負(fù)相關(guān)像元占比為0.23%(P<0.05),說(shuō)明高山亞高山平地草原SOS對(duì)日最低溫度最小值和日最高溫度最小值是敏感的,短時(shí)低溫對(duì)此類植被的生長(zhǎng)影響并不大。山地草甸SOS與TNN和TN90P分別為顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明山地草甸對(duì)日最低溫度最小值和暖夜日數(shù)較敏感(表2)。

表2 不同類型草地春季物候與極端溫度事件的偏相關(guān)系數(shù)

3 討論

青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)作為世界上最重要和最脆弱的生態(tài)系統(tǒng),氣候急劇變化會(huì)對(duì)草地植被物候產(chǎn)生顯著影響[12]。有研究發(fā)現(xiàn),近50 a來(lái)青藏高原經(jīng)歷的長(zhǎng)期快速的氣候變暖促進(jìn)了高寒植被SOS提前,春季生物量增加[26-27]。筆者研究也表明,近30 a在青藏高原西南端、唐古拉山脈和昆侖山脈地區(qū)的草地SOS呈提前趨勢(shì),但在橫斷山脈和天生山脈區(qū)域的草地SOS呈顯著推遲趨勢(shì)。不同地區(qū)植被SOS呈不同趨勢(shì),這主要與草地植被生長(zhǎng)受到的外界環(huán)境影響密不可分(良好的水熱環(huán)境、充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì))[27-28]。然而周玉科等[29]發(fā)現(xiàn),青藏高原東南部濕潤(rùn)半濕潤(rùn)的灌木草原區(qū)、西北荒漠草原區(qū)和青藏高原西南部濕潤(rùn)區(qū)草地SOS均為推遲趨勢(shì)。不同學(xué)者對(duì)草地變化趨勢(shì)的研究存在差異,這可能是與研究時(shí)間段不同有關(guān);另一方面可能是因?yàn)闅夂蜃兣耐瑫r(shí)降水時(shí)空分布格局、土壤蒸散發(fā)也發(fā)生了較大變化,溫度變暖雖然極大地改變了春季物候事件,但不同地區(qū)、不同草地類型對(duì)氣候的響應(yīng)程度不同[30]。如有研究顯示氣候變暖使寒冷草原SOS提前,尤其是高緯度地區(qū),而在季節(jié)性干旱地區(qū),氣候變暖通常使植被春季物候推遲,這主要是因?yàn)楹洳莸氐拇杭疚锖蛑饕軠囟鹊恼{(diào)節(jié),干燥草地的春季物候因主要受水分的調(diào)節(jié)[2,15,26]。其次,在極高海拔區(qū)域草地SOS多年均值和變化速率略高于其他地區(qū),且分散程度逐漸變大。穩(wěn)定性在不同海拔區(qū)域均較高,且隨著海拔的升高穩(wěn)定性逐漸變好。但海拔對(duì)Hurst指數(shù)的影響較大,在低海拔、中低海拔和較高海拔區(qū)域的SOS未來(lái)一段可能持續(xù)的狀態(tài)與過(guò)去30 a相反的概率較大,而在高海拔和極高海拔區(qū)域的SOS未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)過(guò)去30 a的變化趨勢(shì)。

溫度和降水被認(rèn)為是影響草地物候的重要?dú)庀笠蜃覽1-3,20-22],但與平均氣候相比,極端氣候因具有突發(fā)性、破壞性大和難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等特點(diǎn),可能會(huì)嚴(yán)重影響到區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán),從而影響植被生長(zhǎng)周期以及植被的生產(chǎn)力和產(chǎn)量[6-7,20]。極端氣候事件發(fā)生頻率的增多增加了預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)影響的不確定性,因此迫切需要探索草地生態(tài)系統(tǒng)(特別是脆弱和易受影響的生態(tài)系統(tǒng))如何應(yīng)對(duì)日益加劇的氣候變化。許多研究發(fā)現(xiàn),極端氣候事件與不同類型植被間的相互作用具有異質(zhì)性[29-30]。因此,該文分析了青藏高原不同類型草地春季物候?qū)?2個(gè)極端溫度指標(biāo)的敏感性及其相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)1986—2015年青藏高原不同草地類型的SOS對(duì)極端溫度事件的響應(yīng)不同。高山亞高山草甸春季物候主要受到極端高溫事件的負(fù)影響(TXX、TNX),而受到極端低溫事件的影響程度(TXN、TNN)小于極端高溫事件。主要是因?yàn)楦呱絹喐呱讲莸榇蠖嗵幱诤０屋^高、氣候較為寒冷的分水嶺和平坦開闊的高原面,植被組成多以耐寒冷的嵩草和多種草類為主[3]。因此,雖然極端高溫出現(xiàn)頻率的增加可能會(huì)增加高山亞高山草甸植被芽爆裂和葉片膨脹所需的熱量積累,極端低溫事件頻率的增加會(huì)減少高山亞高山草甸植被芽休眠釋放前的低溫天數(shù)[31-32]。然而從理論上講,冬季強(qiáng)烈變暖可能會(huì)阻礙冷藏需求的實(shí)現(xiàn),從而導(dǎo)致春季物候開始生長(zhǎng)的時(shí)間推遲。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),溫度對(duì)溫帶植物出葉時(shí)間的影響歸因于低溫需求(充分暴露于寒冷天氣)和熱積累(一定量的熱時(shí)間)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系[33]。YU等[32]發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)90年代中期后青藏高寒草甸和草原地帶生長(zhǎng)期縮短與冬季極端高溫事件的增加和冬季制冷條件不足密切相關(guān),且極端溫度的升高會(huì)導(dǎo)致春季物候推遲。這一發(fā)現(xiàn)表明高山亞高山草甸可能具有較低的低溫需求。此外,暖冬也可能降低高山亞高山草甸敏感生長(zhǎng)組織凍害的風(fēng)險(xiǎn)。有研究也發(fā)現(xiàn),在高海拔地區(qū)的霜凍限制了木本和多年生草本物種的生長(zhǎng)[27]。山地草甸SOS受TX90P、TXX的影響較大,草甸SOS受到DTR、TN10P、TNX、TX10P、TXX和WSDI的影響較大。草甸和山地草甸植被一般分布在海拔較高的濕潤(rùn)氣候區(qū),其對(duì)極端溫度的響應(yīng)較海拔更高的高山亞高山草甸敏感,但草甸SOS隨極端溫度變化的原因與高山亞高山草甸相似。高山亞高山平地草原SOS受氣溫日較差、日最低溫度最大值、日最高氣溫最大值和暖晝?nèi)諗?shù)的負(fù)向影響作用較大。這主要是由于高山亞高山平地草原分布區(qū)氣候較冷且較干旱,植被組成多以狐茅、針茅為主,伴生灌木錦雞兒、金臘梅等,草質(zhì)、草量均較差[3]。這主要是因?yàn)榇杭緶囟壬邥?huì)使得氣候較為干旱的高山亞高山平地草原生長(zhǎng)受到土壤水分脅迫的影響,從而導(dǎo)致植被生長(zhǎng)受限,物候期被推遲,但這取決于溫度、太陽(yáng)輻射、降水和土壤類型等因子對(duì)植被物候的共同作用[20]。極端溫度對(duì)荒漠草原SOS的影響均較小。平地草原SOS對(duì)DTR、TNN、TNX和TXX的敏感度較大,這表明青藏高原平地草原SOS受極端溫暖指數(shù)的影響很大?；哪菰推降夭菰蠖嗵幱诟珊瞪鷳B(tài)系統(tǒng)中,草地植被受到土壤含水量的脅迫大于溫度,因此極端高溫事件會(huì)降低土壤含水量,使淺根山地植物易受水分脅迫,導(dǎo)致春季物候延遲[32]。相反,大量的季前降水將減少干旱風(fēng)險(xiǎn),有效提高土壤水的可用性,促進(jìn)植被最大限度地發(fā)揮熱效益[28]。但因?yàn)榛哪菰推降夭菰哪秃员容^差,因此極端低溫事件可能會(huì)直接導(dǎo)致草地死亡[27]。其次,也有研究發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高,草地SOS隨氣候敏感性穩(wěn)步下降。這表明不同植被對(duì)極端氣候的總體響應(yīng)具有重疊分布,這往往因植被類型之間的敏感性不同而變得復(fù)雜。

4 結(jié)論

利用GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)提取草地春季物候數(shù)據(jù)和極端溫度數(shù)據(jù)集,輔以趨勢(shì)分析、穩(wěn)定性分析、未來(lái)持續(xù)狀態(tài)、地理探測(cè)器和高階偏相關(guān)分析法,探究了青藏高原1986—2015年不同草地類型春季物候及極端溫度對(duì)不同草地類型SOS的影響,為不同草地類型春季物候?qū)O端氣候變化的響應(yīng)情況研究提出了重要的框架。主要結(jié)論如下:

(1)青藏高原近30 a草地SOS集中在第120～130 天,即5月上旬至中旬。其中荒漠草原、高山亞高山平地草原和山地草甸的SOS較其他幾種草地類型遲,集中在第125～145 天,平地草原、草甸和高山亞高山草地SOS較早,基本在第130 天之前。

(2)SOS總體以提前趨勢(shì)為主,速率集中在 0～±1.5 d·a-1,但SOS變化波動(dòng)性較大。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)SOS變化趨勢(shì)與1986—2015年相反,其中在波動(dòng)性較小區(qū)域SOS未來(lái)以提前趨勢(shì)為主,波動(dòng)性較大區(qū)域SOS未來(lái)呈推遲趨勢(shì)。

(3)高山亞高山草甸SOS對(duì)TXX和TNX敏感性較大,對(duì)TXN和WSDI的敏感性較小。高山亞高山平地草原SOS對(duì)DTR和TNX敏感性較高,其次為TXX、TNN和FD。極端溫度因子對(duì)荒漠草原SOS的影響均較小。平地草原SOS對(duì)DTR、TNN、TNX和TXX的敏感性較大,對(duì)TX10P的敏感性較小。山地草甸SOS受TX90P、TXX的影響較大。草甸SOS受到DTR、TN10P、TNX、TX10P、TXX和WSDI的影響較大。

(4)草地SOS與變冷相關(guān)的極端溫度因子(FD、ID、TN10P、TX10P、TNX和TXX)普遍以弱正相關(guān)性為主, FD、ID、TN10P和TX10P在喜馬拉雅山脈東坡的正相關(guān)性較其他極端氣溫指標(biāo)強(qiáng)。草地SOS與變暖相關(guān)的極端溫度因子(TN90P、TX90P、TNN、TXN和WSDI)普遍以弱負(fù)相關(guān)性為主,尤其在喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、天山山脈和橫斷山脈的負(fù)相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)極高值。

研究表明,未來(lái)青藏高原草地植被生長(zhǎng)將容易受到極端氣候因子的影響。因此,后期研究應(yīng)該在氣候因子的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析月尺度的極端溫度、極端降水等因素對(duì)不同植被生長(zhǎng)的影響,為進(jìn)一步測(cè)量和預(yù)測(cè)植被物候?qū)ξ磥?lái)氣候條件的響應(yīng)提供模板,季節(jié)性極端氣候如何聯(lián)合影響植被生長(zhǎng)也需進(jìn)一步研究。