何玉杰,孔 澤,戶 曉,張 江,王 猛,彭長(zhǎng)輝,4,朱求安

1 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,生態(tài)預(yù)測(cè)與全球變化研究中心, 楊凌 712100 3 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)白山地理過(guò)程與生態(tài)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130024 4 魁北克大學(xué)蒙特利爾分校環(huán)境科學(xué)研究所,蒙特利爾加拿大 C3H3P8 5 國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái),北京 100101

全球變化背景下,生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是人類面臨的共同的挑戰(zhàn)[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)一直是全球變化生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2—3]。草地作為我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其面積約占國(guó)土總面積五分之二[4—5],具有強(qiáng)大的生態(tài)功能,如保持水土、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候以及涵養(yǎng)水源等,是可持續(xù)發(fā)展畜牧業(yè)的基礎(chǔ)[6],并且對(duì)發(fā)揚(yáng)地區(qū)人文歷史、維系區(qū)域生態(tài)平衡和發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)有重要價(jià)值和意義[7]。與此同時(shí),草地生態(tài)系統(tǒng)生境脆弱,對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)因素的改變響應(yīng)十分敏感[8]。研究表明半個(gè)世紀(jì)以來(lái)中國(guó)草地面積在逐漸的減少,僅1995年到2000年我國(guó)干旱地區(qū)的草原面積就減少約5.5×105hm2[9],尤其在全球變暖的背景下,我國(guó)溫帶地區(qū)的草地枯黃期和生長(zhǎng)季的長(zhǎng)度均受到了不同程度的影響[10]。中國(guó)溫帶地區(qū)近年來(lái)的氣候呈現(xiàn)逐漸暖干化,對(duì)草地植被的分布以及草地生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面影響,不僅破壞了草地的生態(tài)環(huán)境平衡,更是對(duì)可持續(xù)發(fā)展草原畜牧業(yè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅[11]。

植被指數(shù)是能夠有效反映一定時(shí)間內(nèi)植被覆蓋程度和植被生長(zhǎng)情況的指示因子[11],被廣泛應(yīng)用于植被動(dòng)態(tài)變化的研究中。傳統(tǒng)草地植被生產(chǎn)力實(shí)測(cè)主要依靠人工野外定點(diǎn)實(shí)際觀測(cè),在不同時(shí)間和空間尺度研究上局限性較大,而植被指數(shù)數(shù)據(jù)主要借助于衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行觀測(cè),能夠有效補(bǔ)充地面觀測(cè),實(shí)現(xiàn)空間尺度轉(zhuǎn)換,優(yōu)勢(shì)突出[12]。其中歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)之一[13],在植被覆蓋、凈初級(jí)生產(chǎn)力 (Net primary production,NPP)、生物量以及物候等方面的進(jìn)行了大量的研究[14]。如根據(jù)GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)集研究表明北半球植被生長(zhǎng)季時(shí)長(zhǎng)自1981年以來(lái)有所延長(zhǎng),植被覆蓋的整體趨勢(shì)有所增加,并且由于秋季NDVI的增加,導(dǎo)致在1982—2013年生長(zhǎng)季北半球76%的地區(qū)的NDVI同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)[15]。因此利用植被指數(shù)來(lái)分析植被生長(zhǎng)、分布等對(duì)氣候變化的響應(yīng)被認(rèn)為是一種有效的方法和手段。

水熱因子是植物生長(zhǎng)的必要因子,不論是降水、溫度和太陽(yáng)輻射等單獨(dú)作用還是共同作用都會(huì)在不同尺度上對(duì)植被變化產(chǎn)生影響[16—17]。20多年來(lái),氣候變化對(duì)中國(guó)草地生態(tài)環(huán)境的影響及草地植被覆蓋變化的研究較多,包括草地植被指數(shù)時(shí)空變化格局及其對(duì)水熱因子的響應(yīng)[1]。有研究通過(guò)對(duì)全球植被NDVI變化趨勢(shì)分析后得出北半球中高緯度氣溫升高引起植被活動(dòng)的增加[18]；Piao等[9]在中國(guó)溫帶地區(qū)草地NDVI與氣候因子之間的關(guān)系研究中得出：1982—1999年草地NDVI持續(xù)增長(zhǎng),生長(zhǎng)季降水在200mm左右視為溫帶地區(qū)草地植被生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。并且有研究表明,降水對(duì)草地植被生長(zhǎng)有著明顯的滯后影響,周期在50—60d不等[3]；段藝芳等人[20]則認(rèn)為,在黃土高原地區(qū),大部分植被對(duì)溫度的滯后效應(yīng)不明顯。

綜上所述,我國(guó)溫帶草地植被生長(zhǎng)狀態(tài)對(duì)氣候變化在年際及趨勢(shì)變化上的響應(yīng)特征仍需進(jìn)一步研究。本研究以中國(guó)溫帶草地為研究對(duì)象,以其生長(zhǎng)季降水總量為水條件,平均溫度和太陽(yáng)輻射為熱條件,采用去趨勢(shì)分析和相關(guān)性分析法對(duì)1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候水熱因子變化的響應(yīng)進(jìn)行了解析,并以2個(gè)月為滯后時(shí)間尺度,對(duì)生長(zhǎng)季溫帶草地NDVI對(duì)水熱因子的滯后響應(yīng)進(jìn)行了探討。本研究在描述溫帶草地NDVI與氣候的關(guān)系的基礎(chǔ)上,分別探求水、熱條件在時(shí)間和空間上對(duì)溫帶草地生長(zhǎng)的影響,從而區(qū)分水熱條件對(duì)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI的年際變化和整體增長(zhǎng)趨勢(shì)的貢獻(xiàn)。這將有助于更加準(zhǔn)確地把握溫帶草地植被時(shí)空變化格局,全面認(rèn)識(shí)草地—?dú)夂蛳嗷リP(guān)系,有利于指導(dǎo)畜牧周期、合理利用草地資源,為保護(hù)和監(jiān)測(cè)溫帶草地生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展畜牧業(yè)提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

中國(guó)溫帶草地從東到西包括我國(guó)大部分北方草地地區(qū),其溫度帶包括寒溫帶、中溫帶和暖溫帶,由于西北地區(qū)的嚴(yán)重干旱條件和東部季風(fēng)氣候的共同作用,其氣候條件有著明顯的季節(jié)性和空間差異性,植被覆蓋的時(shí)空變化特征也十分的明顯,故溫帶草地成為對(duì)氣候變化響應(yīng)最為敏感的地區(qū)之一[21]。

本文研究的草地類型分布范圍是根據(jù)《1:100萬(wàn)中國(guó)植被圖集》[22]經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理,按不同溫度帶和植被類型歸類后得到的矢量底圖(http://www.resdc.cn/),從而提取得到的中國(guó)溫帶草地研究區(qū)域(圖1)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area of temperate grassland in China

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文研究時(shí)段為1982—2015年,將5—10月定義為溫帶草地的生長(zhǎng)季[23],利用溫帶草地地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI和氣象數(shù)據(jù)(降水、溫度、太陽(yáng)輻射)研究中國(guó)溫帶草地植被動(dòng)態(tài)、氣候因子變化及其相互關(guān)系,并統(tǒng)一將空間數(shù)據(jù)分辨率設(shè)為8km×8km。

1.2.1NDVI數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(Global Inventory Monitoring and Modelling Studies,GIMMS)提供的1982年1月至2015年12月,每15d合成的空間分辨率為8km的數(shù)據(jù)集 (GIMMS NDVI 3g (https: //ecocast. arc.nasa.gov/data/pub /gimms/))。NDVI值域?yàn)?1.0—1.0,NDVI小于0,表明無(wú)植被覆蓋,或表明存在較大的云團(tuán)、水體或者冰雪覆蓋等影響近紅外波段存反射,NDVI等于零則代表該地區(qū)無(wú)植被生長(zhǎng)[24]。通常,NDVI 指數(shù)大于0.1代表有植被生長(zhǎng),且數(shù)值越大表示植被生長(zhǎng)狀況或者覆蓋狀況越好[25]。為減少云、大氣、太陽(yáng)高度角等不確定因素的影響,本文取NDVI大于0.1的部分合成為逐月數(shù)據(jù),求其生長(zhǎng)季平均值來(lái)反映草地生長(zhǎng)情況?；贏rcGIS采用最大值合成法(MVC)分別建立1982—2015年生長(zhǎng)季、5—6月、7—8月和9—10月NDVI數(shù)據(jù)集。

1.2.2氣候數(shù)據(jù)

本文選取與植被生長(zhǎng)關(guān)系最為密切的生長(zhǎng)季平均溫度、月平均太陽(yáng)輻射和降水總量作為影響草地生長(zhǎng)季NDVI變化的主要?dú)夂蛞蜃?。中?guó)逐月(1982—2015)的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://www.geodata.cn/),輻射逐月數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.data.cma.cn/),并選取溫帶草地分布范圍內(nèi)27個(gè)輻射監(jiān)測(cè)站,統(tǒng)計(jì)其逐月的太陽(yáng)輻射總量。本研究將降水作為水分影響條件,平均溫度和月平均太陽(yáng)輻射作為熱量影響條件,在此基礎(chǔ)上建立中國(guó)溫帶草地3—4月、5—6月、7—8月以及生長(zhǎng)季的水熱條件數(shù)據(jù)集。

1.3 方法

本文利用線性回歸法分析近34年的中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI、溫度、太陽(yáng)輻射和降水等因子在時(shí)間上的變化趨勢(shì),以自變量的變化斜率的10倍表示該因子的“趨勢(shì)率”。并以氣候因子為自變量,NDVI為因變量,分析長(zhǎng)時(shí)間序列下NDVI對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)關(guān)系。在去趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)NDVI與溫度、太陽(yáng)輻射和降水分別進(jìn)行時(shí)間和空間上的關(guān)系分析,以此來(lái)探究生長(zhǎng)季中國(guó)溫帶草地植被生長(zhǎng)對(duì)水熱條件的響應(yīng)。去趨勢(shì)分析又稱作“消除波動(dòng)趨勢(shì)分析法”,可以去除因子本身在時(shí)間趨勢(shì)上的特征,從而用以分析因子在時(shí)間波動(dòng)格局之間的響應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,以兩個(gè)月為時(shí)間尺度,分別求得3—4月水熱因子與5—6月NDVI相關(guān)系數(shù)、5—6月水熱因子與7—8月NDVI相關(guān)系數(shù)以及7—8月的水熱因子與9—10月NDVI的相關(guān)系數(shù),以及5—10月期間,每?jī)稍碌腘DVI與水熱因子同時(shí)期相性來(lái)探究溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱條件的時(shí)滯效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI與氣象因子趨勢(shì)分析

圖2 1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI、降水和溫度年際變化、趨勢(shì)變化空間格局與趨勢(shì)顯著變化空間格局Fig.2 Interannual change, trend change and significant trend change of NDVI, precipitation and temperature in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015灰色區(qū)域?yàn)榉秋@著變化區(qū)域

1982—2015年中國(guó)溫帶草地植被研究區(qū)生長(zhǎng)季NDVI和溫度呈上升趨勢(shì)、降水呈下降趨勢(shì)(圖2)。整體上,生長(zhǎng)季NDVI呈上升趨勢(shì),趨勢(shì)率為0.007/10a,變化范圍在0.441—0.505之間。生長(zhǎng)季NDVI的變化拐點(diǎn)分別是1998年和2006年,1998年之前NDVI呈現(xiàn)波動(dòng)式增長(zhǎng),1998—2006年NDVI先大幅度上升后緩慢下降的變化過(guò)程,2007—2015年NDVI則為快速大幅度上升期。2012年為研究區(qū)生長(zhǎng)季NDVI最大年,最大值為0.505。空間格局來(lái)看,溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的地區(qū)主要集中在新疆草地、黃土高原草地東部以及內(nèi)蒙古草地中部地區(qū)。呈減少趨勢(shì)的地區(qū)分布于東北草地西南部、內(nèi)蒙古草地東北部及新疆草地西北部地區(qū)。從NDVI的顯著性水平空間格局顯示,溫帶草地NDVI整體呈下降趨勢(shì)的區(qū)域并未表現(xiàn)出顯著性,而NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的地區(qū)大部分通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

研究區(qū)生長(zhǎng)季降水年際波動(dòng)較大,多年降水量平均水平為315.19mm。生長(zhǎng)季降水整體上呈緩慢下降趨勢(shì),趨勢(shì)率為-3.92mm/10a。降水在年際變化上呈階段式變化,1982—1997年降水變化較為平穩(wěn),1998年為生長(zhǎng)季降水最大年,降水量達(dá)401.28mm；2001年為降水量最小年(268.82mm),2003年和2013年降水趨勢(shì)略有回升,但整體上仍表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。從空間格局來(lái)說(shuō),生長(zhǎng)季降水變化空間差異明顯,呈東部下降,西部增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中降水呈減少趨勢(shì)的地區(qū)分布于內(nèi)蒙古草地東北部地區(qū),而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古草地西南部、新疆草地西部和華北草地地區(qū)。從降水的顯著性水平空間格局來(lái)看,溫帶草地生長(zhǎng)季降水的空間趨勢(shì)變化并不顯著。

溫帶草地生長(zhǎng)季多年平均氣溫呈上升趨勢(shì),增長(zhǎng)速率為0.55℃/10a,多年平均水平為13.42℃。中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季平均溫最低年是1993年(12.43℃),是溫帶草地氣溫持續(xù)上升的開(kāi)始,氣溫最高年為2015年(14.73℃)。溫帶草地生長(zhǎng)季絕大部分地區(qū)平均氣溫呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),尤其是內(nèi)蒙古草地、黃土高原草地北部地區(qū)和新疆草地等地的平均氣溫增長(zhǎng)幅度較大。

圖3 1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季輻射年際變化與輻射站點(diǎn)空間分布格局Fig.3 Interannual variation and spatial distribution pattern of radiation sites of radiation in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015

本研究選取分布于溫帶草地范圍內(nèi)的27個(gè)輻射監(jiān)測(cè)站的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)(圖3),生長(zhǎng)季輻射月平均值整體呈顯著上升的趨勢(shì)(P<0.01),增長(zhǎng)速率為12.23MJ m-210a-1)。太陽(yáng)輻射的變化可以分為1982—1992年,1993—2003年和2004—2015三個(gè)階段。第一個(gè)階段,生長(zhǎng)季月平均太陽(yáng)輻射波動(dòng)處于較低水平,最低太陽(yáng)輻射值年出現(xiàn)在1988年(562.40MJ m-2mon-1)；第二個(gè)階段,生長(zhǎng)季月平均太陽(yáng)輻射于1993年上升到一個(gè)較高的水平,該階段太陽(yáng)輻射波動(dòng)起伏較為穩(wěn)定；第三個(gè)階段,2004—2013年為生長(zhǎng)季月平均太陽(yáng)輻射整體呈現(xiàn)快速上升階段,2014年有所下降。

2.2 溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱因子的同時(shí)期響應(yīng)

圖4 1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)生長(zhǎng)季降水、溫度和太陽(yáng)輻射變化的響應(yīng)Fig.4 Responses of precipitation, temperature and solar radiation to NDVI changes during the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015

圖5 1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI與降水、溫度和太陽(yáng)輻射去趨勢(shì)變化Fig.5 Changes in NDVI and precipitation, temperature and solar radiation in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015

2.3 溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱因子的滯后響應(yīng)

表1為生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱因子在年際變化上的滯后響應(yīng)系數(shù),并且各個(gè)相關(guān)因子之間的相關(guān)性均通過(guò)了P<0.01的顯著性檢驗(yàn)。由NDVI對(duì)水熱條件變化的時(shí)滯響應(yīng)系數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱條件存在明顯的滯后響應(yīng)關(guān)系。生長(zhǎng)季前的溫度和太陽(yáng)輻射是影響生長(zhǎng)季初期NDVI的主要?dú)夂蛞蜃?。進(jìn)入生長(zhǎng)季后,降水對(duì)NDVI的滯后影響更加明顯。同步關(guān)系研究中,NDVI與水熱條件均為正相關(guān)。5—6月NDVI與同時(shí)期降水和太陽(yáng)輻射相關(guān)系數(shù)較高；7—8月NDVI與同時(shí)期降水相關(guān)系數(shù)較高；9—10月NDVI與同時(shí)期太陽(yáng)輻射相關(guān)系數(shù)較高。滯后關(guān)系中,NDVI與水熱條件均為正相關(guān),其中5—6月NDVI與3—4月溫度和太陽(yáng)輻射相關(guān)性較降水高；7—8月NDVI與5—6月降水相關(guān)性較高,與熱條件相關(guān)性不明顯；9—10月NDVI與7—8月降水和太陽(yáng)輻射相關(guān)性較高,與溫度相關(guān)性不明顯。綜上,最為顯著的影響因素評(píng)估中,5—6月NDVI主要影響因素為3—4月溫度(R=0.551,P<0.01)；7—8月NDVI主要影響因素為5—6月的降水(R=0.606,P<0.01)；9—10月NDVI主要影響因素為7—8月降水(R=0.554,P<0.01)(表1)。

表1 生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱因子變化的滯后響應(yīng)

2.4 溫帶草地NDVI對(duì)水熱因子響應(yīng)的區(qū)域特征

圖6結(jié)果表明,去趨勢(shì)生長(zhǎng)季NDVI與降水在大部分地區(qū)呈顯著正相關(guān),相關(guān)水平較高。NDVI與溫度呈顯著負(fù)相關(guān),尤其是在1999年之后,NDVI與降水的相關(guān)性更為顯著。從顯著分布格局來(lái)看,去趨勢(shì)后的NDVI與降水呈顯著正相關(guān),并表現(xiàn)出較高的相關(guān)性水平,分布于內(nèi)蒙古草地和新疆草地等地區(qū)(R>0.66)。去趨勢(shì)后生長(zhǎng)季NDVI與溫度顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)性水平較低(-0.66 0.66),分布區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古草地和新疆草地西北部。NDVI與溫度除了在新疆草地西北部表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)外,其他地區(qū)呈不顯著相關(guān)。2000—2015年間,NDVI與降水呈現(xiàn)出比前一時(shí)段更強(qiáng)的顯著正相關(guān),而與溫度除了在內(nèi)蒙古草地中部地區(qū)表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)外,大部分草地地區(qū)呈不顯著相關(guān)。

圖6 1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI與水熱因子去趨勢(shì)顯著相關(guān)空間分布Fig.6 Spatial distribution of de-trend correlation between NDVI and hydrothermal factors in the growing season of temperate grassland in China from 1982 to 2015藍(lán)色代表負(fù)相關(guān),紅色代表正相關(guān),灰色部分為非顯著區(qū)域(P >0.05)

3 討論

本研究中,中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI與水熱因子的年際變化趨勢(shì)表明,降水呈顯著下降趨勢(shì),溫度和太陽(yáng)輻射呈顯著上升趨勢(shì),區(qū)域氣候呈逐漸“暖干化”。空間上,生長(zhǎng)季NDVI呈顯著上升格局,與水(降水)熱(溫度、太陽(yáng)輻射)因子之間均表現(xiàn)為顯著正相關(guān),表明研究區(qū)生長(zhǎng)季熱因子(溫度和輻射)控制著NDVI的上升趨勢(shì)。通過(guò)NDVI與水熱因子的去趨勢(shì)年際變化關(guān)系分析,1982—2015年間溫帶草地NDVI年際變化主要受生長(zhǎng)季水(降水)因子的年際變化所控制。另外,溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱因子變化滯后響應(yīng)的結(jié)果表明, 5—6月NDVI對(duì)3—4月熱條件(溫度和太陽(yáng)輻射)有著明顯的滯后響應(yīng),7—8月及9—10月NDVI分別對(duì)5—6月和7—8月的水條件(降水)有滯后響應(yīng)。空間變化格局上,中國(guó)年降水總量呈現(xiàn)出由東北向西南的遞減分布特征[21,26—27],這可能與東亞夏季季風(fēng)減弱有關(guān),導(dǎo)致北方生長(zhǎng)季的降水量有所下降[28],且降水量的變化是影響草地生產(chǎn)力變化主要因子,這一結(jié)論與本研究結(jié)果一致。持續(xù)變暖的過(guò)程影響著全球地區(qū)的氣候變化,使得北半球過(guò)去三十多年溫度為近千年氣溫最高[21],本研究結(jié)果也表明近34年中國(guó)溫帶草地溫度升溫速率較快,與在20世紀(jì)80年代以來(lái)升溫變快結(jié)果相一致[29],且高于Peng等[30]對(duì)全國(guó)平均氣溫的升溫速率的估算(0.27℃/10a)。本研究中1999年生長(zhǎng)季溫度開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì),其升溫幅度明顯減緩,與中國(guó)氣溫的年際變化的研究結(jié)果相符合[31—32],其主要影響因素是氣候系統(tǒng)本身的自然變化以及氣候外冷卻因子的產(chǎn)生等因素有關(guān)[33—34]。有研究表明太陽(yáng)輻射時(shí)間變化規(guī)律明顯[35],我國(guó)東、西部地區(qū)的太陽(yáng)輻射近50年逐漸下降,1999年之后略有回升[36—37]。并且在1980—2010年,我國(guó)年草地生產(chǎn)力與代際的降水、溫度和太陽(yáng)輻射都呈正相關(guān)[25],本研究結(jié)果中太陽(yáng)輻射存在明顯的時(shí)間變化規(guī)律,并與生長(zhǎng)季NDVI呈顯著正相關(guān)。

本研究可將中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI的年際變化為三個(gè)階段,即1982—1998年的增長(zhǎng)階段,1999—2006年增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩階段,2007—2015年快速增長(zhǎng)的階段,與國(guó)內(nèi)許多研究中國(guó)NDVI整體年際變化趨勢(shì)的結(jié)論一致。田海靜[25]認(rèn)為在1982—2013年研究期間,1991—2000年是植被恢復(fù)不明顯時(shí)期,其余時(shí)間段為植被明顯恢復(fù)期。赫英明等[31]研究發(fā)現(xiàn)全國(guó)平均EVI(增強(qiáng)型植被指數(shù))的趨勢(shì)率為1.0×10-3/a,與本研究中對(duì)NDVI趨勢(shì)變化研究結(jié)果相近。Liu等[30]研究則提出我國(guó)大部分地區(qū)的植被覆蓋變化都經(jīng)歷了“增加—減少—增加”的過(guò)程,其對(duì)應(yīng)變化的時(shí)間段與本研究的結(jié)果一致。以上研究結(jié)論均表明了近30年來(lái)我國(guó)植被覆蓋變化存在顯著的年際變化規(guī)律,其整體呈顯著增加趨勢(shì)特征。

本研究中,水條件指生長(zhǎng)季降水,熱條件為生長(zhǎng)季溫度和太陽(yáng)輻射。張仁平[28]指出降水量可以改變植被的覆蓋度,對(duì)半干旱地區(qū)草地植被覆蓋影響較大,尤其是典型草原以及荒漠草原。且有研究指出溫帶草原和荒漠的生長(zhǎng)季NDVI變化與降水呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系[38],驗(yàn)證了本研究中生長(zhǎng)季NDVI表現(xiàn)出年際間極大的起伏變化,是受到了生長(zhǎng)季降水極大地起伏變化影響。Kaufmann等[32]研究認(rèn)為北半球植被覆蓋增加是受全球氣候變暖所影響,金凱[39]研究認(rèn)為中國(guó)近34年的生長(zhǎng)季NDVI增加與溫度緊密相關(guān),楊雪梅[40]認(rèn)為太陽(yáng)輻射的增加利于植被進(jìn)行光合作用,并能夠有效促進(jìn)植被提前進(jìn)入生長(zhǎng)季。溫帶草地地區(qū)地勢(shì)平坦,生長(zhǎng)季地表植被吸收太陽(yáng)輻射增加,同時(shí)太陽(yáng)輻射的增加能夠引起地表溫度的上升,有效地促進(jìn)植被生長(zhǎng)。這些研究結(jié)果能夠支撐本文研究中近34年來(lái)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI的顯著增加與熱因子的水平上升關(guān)系密切。從水熱階段變化來(lái)看,20世紀(jì)90年代后,我國(guó)北方地區(qū)氣候呈現(xiàn)出“暖干化”的趨勢(shì),北方植被覆蓋的增加速度有放緩的趨勢(shì),甚至部分地區(qū)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)[41]。1998—2006年間氣溫和輻射顯著上升但降水不斷減少,氣候“暖干化”的趨勢(shì)引起生長(zhǎng)季內(nèi)的草地植被的水分脅追,導(dǎo)致生長(zhǎng)季時(shí)期的草地植被生長(zhǎng)趨勢(shì)下降[42]。這一研究結(jié)果則印證了NDVI的增長(zhǎng)趨勢(shì)是受到熱條件(溫度和太陽(yáng)輻射)的快速上升的影響。

溫度的上升和太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)有助于北半球高緯度地區(qū)植被提前進(jìn)入生長(zhǎng)季[11]。而我國(guó)的植被NDVI在夏秋季節(jié)對(duì)水熱條件的綜合反應(yīng)比較復(fù)雜[32],9月份的太陽(yáng)輻射和溫度的增多會(huì)增強(qiáng)植被蒸騰作用,使植被提前進(jìn)入枯黃期,從而導(dǎo)致NDVI下降,而降水量的增加則會(huì)延緩這一現(xiàn)象[43]。本文以兩個(gè)月為滯后時(shí)間尺度,對(duì)中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱條件的滯后效應(yīng)研究分析得出,3—4月溫度和太陽(yáng)輻射與5—6月NDVI顯著正相關(guān),表明進(jìn)入生長(zhǎng)季前熱條件的增加和積累有助于植被生長(zhǎng),促進(jìn)其提前進(jìn)入生長(zhǎng)季。生長(zhǎng)季中后期(7—10月)NDVI與5—8月降水呈顯著正相關(guān),表明生長(zhǎng)季期間研究區(qū)溫度和太陽(yáng)輻射相對(duì)較高,降水則成為控制植被生長(zhǎng)的主要因素。

區(qū)域性的氣候變化不僅僅受氣象因素單一作用的影響,人類活動(dòng)的影響也不容小覷,往往是由二者共同作用所導(dǎo)致[44]。自1980年以來(lái),我國(guó)氣溫快速變暖的主要原因是溫室效應(yīng)、土地利用變化和人類活動(dòng)引起的能源消耗釋放的熱量帶來(lái)的顯著影響,同時(shí)對(duì)植被生長(zhǎng)變化具有積極戓消極的作用[45]。21世紀(jì)后,我國(guó)植被覆蓋的增加速率明顯加快,這與近年來(lái)我國(guó)實(shí)施的大型林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程有關(guān)。陜西省西北部是我國(guó)退耕還林還草工程實(shí)施較為成功的地區(qū),有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的人類活動(dòng)對(duì)植被恢復(fù)起到了促進(jìn)的作用[46]。因此,人類對(duì)草地資源過(guò)度使用行為(如過(guò)度放牧)和保護(hù)行為(如退耕還林還草)等產(chǎn)生的影響,可能會(huì)導(dǎo)致大氣—植被—土壤養(yǎng)分循環(huán)的改變。本研究主要考慮的氣候因子是水因子(降水)和熱因子(溫度和太陽(yáng)輻射),然而溫帶草地對(duì)氣候變化十分敏感,中國(guó)溫帶地區(qū)分布范圍廣、包含草地類型眾多,極端條件發(fā)生強(qiáng)度不同會(huì)引起草地不同的強(qiáng)烈的反應(yīng),各影響因子之間互相作用和對(duì)植被產(chǎn)生的影響機(jī)制復(fù)雜。在進(jìn)一步研究植被動(dòng)態(tài)變化對(duì)氣候因子變化響應(yīng)的過(guò)程中還應(yīng)納入CO2濃度變化、干旱事件、氮沉降、土壤溫度、濕度以及風(fēng)速等能夠?qū)χ脖簧L(zhǎng)產(chǎn)生影響的環(huán)境因子。

4 結(jié)論

本研究以中國(guó)溫帶草地植被為研究對(duì)象,基于長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI和氣象數(shù)據(jù),分析了我國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI時(shí)空變化特征和對(duì)水熱因子變化的響應(yīng),探討生長(zhǎng)季水熱條件的變化對(duì)草地植被生長(zhǎng)狀態(tài)的可能影響。主要結(jié)論如下：

(1)1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季平均溫度和平均太陽(yáng)輻射呈增長(zhǎng)趨勢(shì),降水量為下降趨勢(shì),從整體上而言,溫帶草地氣候逐漸“暖干化”。

(2)中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季水熱因子與NDVI的年際變化關(guān)系表明,在1982—2015年間,中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI年際變化由降水因子主導(dǎo),特別是在1999年之后,降水對(duì)于中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI年際變化的影響更為顯著。

(3)中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季NDVI對(duì)水熱因子變化的響應(yīng)特征表明,1982—2015年中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)季熱條件(溫度和太陽(yáng)輻射)的顯著上升控制著其NDVI的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(4)1982—2015年中國(guó)溫帶草地5—10月NDVI對(duì)水熱因子在年際變化上存在明顯的滯后響應(yīng),其中溫度對(duì)植被進(jìn)入生長(zhǎng)季有明顯的促進(jìn)作用；而在生長(zhǎng)季中后期,降水則成為對(duì)中國(guó)溫帶草地生長(zhǎng)滯后影響主要控制因子。