曹 云,孫應(yīng)龍,陳紫璇,延 昊,錢 拴

國(guó)家氣象中心,北京 100081

近百年來氣候變化加劇,極端天氣事件呈現(xiàn)頻率增加、強(qiáng)度加劇、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),加之21世紀(jì)仍將以增加趨勢(shì)為主,影響范圍擴(kuò)大,人類社會(huì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境必將受到更為顯著影響[1—3]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,植被—?dú)夂蜷g相互作用形成了復(fù)雜系統(tǒng),氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響研究已成為全球生態(tài)氣候變化研究重點(diǎn)[4—5]。在氣候變暖、極端天氣頻發(fā)的背景下,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的氣候影響機(jī)制將更為復(fù)雜,加之研究起步相對(duì)較晚,近年來才逐步引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的熱切關(guān)注[6—8]。

黃河流域處于我國(guó)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)的重要戰(zhàn)略地位,幅員遼闊,橫跨我國(guó)東中西三大區(qū)域,流域地形地貌復(fù)雜多樣、水熱條件時(shí)空差異明顯,生態(tài)環(huán)境敏感脆弱,成為眾多學(xué)者研究關(guān)注的熱點(diǎn)區(qū)域[9—12]。20世紀(jì)70年代以來,黃河流域升溫趨勢(shì)明顯,極端高溫日數(shù)在不同季節(jié)均呈顯著增加趨勢(shì),極端低溫日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)[13—14],但極端氣溫指數(shù)突變年份相對(duì)一致,多集中于20世紀(jì)90年代[15]。極端降水指數(shù)在黃河流域多呈下降趨勢(shì),但變化趨勢(shì)不明顯,存在時(shí)空差異[16]。已有研究顯示,黃河上游總降水量和極端降水量2006年之后增加趨勢(shì)明顯[17],尤其河源區(qū)增加最為明顯,進(jìn)一步提高了流域洪水爆發(fā)的可能性[13]；黃河中游2000年以來極端降水量也呈增加趨勢(shì)[18]；然而黃河下游極端降水量在1961—2005年總體呈減少趨勢(shì)[13]。此外極端降水對(duì)降水總量影響越來越大[18],對(duì)黃河流域生態(tài)環(huán)境影響也逐步加強(qiáng)。

作為我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶,黃河流域植被變化研究相對(duì)較多。在氣候變化和人類活動(dòng)影響下,黃河流域植被NDVI總體呈增加趨勢(shì)[19—20]；植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)呈微小增加趨勢(shì),波動(dòng)較大[10,21]；植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)呈現(xiàn)從東南向西北遞減的分布,在時(shí)間變化上呈增加趨勢(shì)[22—23]。黃河流域植被變化時(shí)空分異性相對(duì)明顯,中上游對(duì)整個(gè)流域植被NPP的貢獻(xiàn)最大[21],NDVI在2005年以后增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯[20],植被覆蓋度增加趨勢(shì)的突變點(diǎn)大致在2000年[23]?？傮w來看,黃河流域植被時(shí)空變化特征受研究時(shí)段、指標(biāo)方法以及植被類型的影響,存在一定差異[10,24]。

近年來隨著區(qū)域氣候變暖加劇,高溫干旱、暴雨洪澇等極端天氣事件增多,對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生直接或間接影響,加之不合理開發(fā)利用,造成流域部分地區(qū)植被稀疏、水土流失嚴(yán)重、水環(huán)境惡化[14,25—26],嚴(yán)重制約了黃河流域生態(tài)恢復(fù)和改善,需進(jìn)一步加強(qiáng)流域生態(tài)氣候變化研究。圍繞黃河流域,以往有關(guān)植被氣候變化的影響研究,主要基于植被NDVI、凈初級(jí)生產(chǎn)力或覆蓋度等單一生態(tài)特征指標(biāo),多利用2010年之前數(shù)據(jù)資料,開展流域植被時(shí)空變化分析及其氣候響應(yīng)研究[20,27—28],然而對(duì)黃河流域植被生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估,以及對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究相對(duì)缺乏,尤其是結(jié)合2000年以來極端氣候事件的影響研究尚不多見。因此,開展黃河流域植被生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估及其氣候變化響應(yīng)研究,對(duì)維護(hù)黃河流域生態(tài)安全、掌握極端氣候事件的生態(tài)影響規(guī)律,具有十分重要的作用。本研究利用2000—2020年MODIS遙感資料和逐日氣象數(shù)據(jù),以生態(tài)質(zhì)量指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析氣候變化背景下黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量的時(shí)空變化特征,揭示極端氣溫、降水變化對(duì)流域植被生態(tài)質(zhì)量的影響,以期認(rèn)識(shí)和了解黃河流域復(fù)雜多變的生態(tài)氣候影響特征,為明晰黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量變化規(guī)律、應(yīng)對(duì)極端天氣事件影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河,發(fā)源于青海南部巴顏喀拉山地區(qū),自西向東流經(jīng)9個(gè)省(區(qū)),最終在山東省東營(yíng)市墾利縣流入渤海,全流域劃分為8個(gè)二級(jí)流域分區(qū),在我國(guó)北方生態(tài)環(huán)境演變中具有重要地位[29—30]。黃河流域地勢(shì)西高東低,西北部屬干旱氣候,中部屬半干旱氣候,東南部屬半濕潤(rùn)氣候,氣候復(fù)雜多樣,流域水資源總體緊張,水土流失和土地荒漠化嚴(yán)重,整體景觀格局趨于復(fù)雜化、破碎化和分散化[21,31—32]。黃河流域多年(2000—2020年)平均降水量485.7 mm,氣溫10.2 ℃,日照時(shí)數(shù)2383.7 h,空間分布差異明顯(圖1)。流域植被類型多樣,以草地、林地、耕地三類植被生態(tài)系統(tǒng)分布面積最廣,其中草地面積占比達(dá)到了41%[10]。

圖1 黃河流域多年平均氣溫和降水量Fig.1 Spatial distribution of annual precipitation and air temperature in the Yellow River Basin from 2000 to 2020

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù),來自國(guó)家氣象信息中心,選擇黃河流域地區(qū)分布較為均勻、記錄相對(duì)完整的320個(gè)站點(diǎn),2000—2020年逐日平均氣溫、日最高(低)氣溫、日降水量等氣象數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù),為NASA提供MOD13A3級(jí)植被指數(shù)產(chǎn)品,空間分辨率1 km；植被類型、土地利用、海拔高程、土壤質(zhì)地等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所等單位。

1.3 研究方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和覆蓋度是反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo),因此采用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)和覆蓋度(FVC)所構(gòu)建的植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(Ecological Quality Index,EQI)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[33—34],反映區(qū)域植被生態(tài)質(zhì)量變化特征,計(jì)算公式如下：

(1)

式中,EQI為評(píng)估時(shí)段的植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù),在0—100之間變化；FVC為評(píng)估時(shí)段植被覆蓋度,NPP為評(píng)估時(shí)段的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力,NPPmax為評(píng)估時(shí)段植被NPP的最大值,f1和f2為權(quán)重系數(shù),具體技術(shù)方法參見行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(QX/T 494—2019)[34]。

1.3.2極端氣候指標(biāo)

本研究采用廣泛應(yīng)用于極端天氣氣候事件研究的18個(gè)氣候指數(shù)[35—38],包括12個(gè)極端氣溫指數(shù)和6個(gè)極端降水指數(shù)(表1),基于2000—2020年黃河流域范圍內(nèi)320個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)逐日氣溫、日最高(低)氣溫、降水量等氣象數(shù)據(jù),計(jì)算極端氣候指標(biāo)。

表1 極端氣候指標(biāo)Table 1 Definition of extreme climate indices

1.3.3統(tǒng)計(jì)分析方法

(1)趨勢(shì)分析,采用一元線性回歸方法,對(duì)2000年以來黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行時(shí)間序列分析,以趨勢(shì)率表示變化趨勢(shì)的特征。趨勢(shì)率正負(fù)表示增加或減少趨勢(shì),其值的大小反映增加或減少的速率；通常以其10年變化量來開展相應(yīng)趨勢(shì)分析。趨勢(shì)率計(jì)算公式如下：

(2)

式中,n是研究時(shí)間序列的長(zhǎng)度；i為第i年；Xi表示第i年的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；θslope為趨勢(shì)率,表示指數(shù)隨時(shí)間變化的速率。

(2)Hurst指數(shù),利用R/S分析法計(jì)算植被生態(tài)質(zhì)量變化的Hurst指數(shù),反映變化趨勢(shì)的可持續(xù)性特征。Hurst指數(shù)值(H)在0—1之間,其中當(dāng)0≤H<0.5時(shí),表示變化趨勢(shì)具有一定程度的反持續(xù)性,將來的變化趨勢(shì)與過去的相反；當(dāng)0.5

(3)相關(guān)分析,為提高研究結(jié)果的精度,基于氣象站點(diǎn)分布,提取站點(diǎn)區(qū)域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)與極端氣候指數(shù)開展相關(guān)分析。采用Pearson相關(guān)系數(shù),并基于相關(guān)系數(shù)的大小進(jìn)行相關(guān)程度的分級(jí)[40],用于分析植被生態(tài)變化對(duì)極端氣候變化的響應(yīng)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生態(tài)質(zhì)量時(shí)空變化特征

2.1.1不同季節(jié)變化特征

2000—2020年黃河流域不同季節(jié)植被生態(tài)指數(shù)在空間分布上大致相同(圖2),從西北部向東南部生態(tài)質(zhì)量指數(shù)大致呈逐步升高趨勢(shì)。其中,河源地區(qū)和南部平原植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)均要明顯高于流域其他地區(qū),而流域中北部多為黃土地貌,水土流失嚴(yán)重,植被生態(tài)質(zhì)量偏低。春季氣溫逐步升高,降水增多,黃河流域植被開始返青生長(zhǎng),植被覆蓋度和生產(chǎn)力相對(duì)較低,因而春季植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)偏低。夏季是植物主要生長(zhǎng)階段,流域植被生產(chǎn)力高、覆蓋度好,平均植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)達(dá)到40.9,要明顯高于春季和秋季。

圖2 2000—2020年黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)季節(jié)均值和變化趨勢(shì)分布Fig.2 Spatial distribution of seasonal average and trend of EQI in the Yellow River Basin during 2000—2020

從季節(jié)多年變化趨勢(shì)來看,黃河流域大部地區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)多呈增加趨勢(shì)(圖2),尤其陜西中北部和山西西部等地生態(tài)質(zhì)量指數(shù)增加明顯,季節(jié)變化率達(dá)到(5.0—7.5)/10a,明顯高于流域其他地區(qū)。2000年以來,整個(gè)流域季節(jié)植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05),春季、夏季和秋季的趨勢(shì)率分別達(dá)到3.0/10a、6.7/10a和3.1/10a(圖3),而且各季節(jié)Hurst指數(shù)均達(dá)到了0.8以上,變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)持續(xù)性,表明主要生長(zhǎng)季流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)仍將延續(xù)過去變化,保持呈上升趨勢(shì),流域植被生態(tài)質(zhì)量將持續(xù)改善。

2.1.2年尺度變化特征

在年尺度上,流域植被生態(tài)質(zhì)量空間分布與季節(jié)上分布相似(圖4),其中東南部平原地區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)最高,年均值達(dá)到30—50；中北部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量明顯偏差,指數(shù)大多低于20。2000—2020年,流域大部地區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)呈上升趨勢(shì),分布面積占流域總面積的97.7%,其中生態(tài)質(zhì)量指數(shù)每年增加0.5以上的流域面積占比,達(dá)到37.4%。此外,整個(gè)流域平均生態(tài)質(zhì)量指數(shù)2000年以來也呈顯著上升趨勢(shì)(圖5),趨勢(shì)率達(dá)到4.4/10a(P<0.05),2020年生態(tài)質(zhì)量指數(shù)較2000年提高了53.5%,尤其2012年以來各年生態(tài)質(zhì)量指數(shù)均高于多年均值,流域植被生態(tài)質(zhì)量改善趨勢(shì)明顯；且流域Hurst指數(shù)也達(dá)到0.8,說明整個(gè)流域植被生態(tài)質(zhì)量改善趨勢(shì)具有較強(qiáng)持續(xù)性,未來黃河流域生態(tài)質(zhì)量將保持改善趨勢(shì)。

圖4 2000—2020年黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)多年均值和變化趨勢(shì)分布Fig.4 Spatial distribution of annual average and trend of EQI in the Yellow River Basin during 2000—2020

圖5 2000—2020年黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)逐年變化特征Fig.5 Inter-annual Variations of annual Vegetation Ecological Quality in the Yellow River Basin from 2000 to 2020

2.2 植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)對(duì)極端氣候的響應(yīng)

2.2.1與極端氣溫指數(shù)相關(guān)分析

與極端氣溫類指數(shù)的相關(guān)分析顯示(圖6),黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量與氣溫類指數(shù)相關(guān)程度偏弱,相關(guān)系數(shù)在-0.3—0.3間的站點(diǎn)比例達(dá)到60%以上,達(dá)到顯著水平的站點(diǎn)比例為12%。其中,冷夜日數(shù)(TN10p)、霜凍日數(shù)(FD0)以及氣溫日較差(DTR)與植被EQI間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值>0.5的站點(diǎn)比例達(dá)到10%—15%,而且相關(guān)性達(dá)到顯著水平的站點(diǎn)比例也較高,為17%—20%。此外,黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量與氣溫類指數(shù)多以負(fù)相關(guān)為主,其站點(diǎn)比例平均達(dá)到65%,其中霜凍日數(shù)(FD0)和夏日日數(shù)(SU25)與植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系的站點(diǎn)最多,占比達(dá)到78%,說明日最低氣溫<0℃日數(shù)和日最高氣溫>25℃日數(shù)的增多,明顯不利于流域植被生態(tài)質(zhì)量改善。僅生長(zhǎng)期和暖夜日數(shù)與植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)明顯以正相關(guān)為主,其站點(diǎn)比例分別達(dá)到72%和60%,其中與暖夜日數(shù)達(dá)到顯著水平的站點(diǎn)占比達(dá)到了19%。

圖6 2000—2020年黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)與氣溫類指數(shù)間相關(guān)系數(shù)的分布特征Fig.6 Spatial distribution of correlation coefficient between EQI and the temperature indices in the Yellow River Basin during 2000—2020紅色表示負(fù)相關(guān),藍(lán)色表示正相關(guān)；實(shí)心表示達(dá)到0.05顯著相關(guān)水平；FD0：霜凍日數(shù) Number of frost days；SU25：夏日日數(shù) Number of summer days；ID0：結(jié)冰日數(shù) Number of icing days；TR20：炎熱夜數(shù) Number of tropical nights；GSL：生長(zhǎng)季日數(shù) Growing season length；DTR：氣溫日較差 Daily temperature range；TN10p：冷夜日數(shù) Percentage of days when TN (daily minimum temperature)<10th percentile；TN90p：暖夜日數(shù) Percentage of days when TN (daily minimum temperature)>90th percentile；TX10P：冷晝?nèi)諗?shù) Percentage of days when TX (daily maximum temperature)<10th percentile；TX90p：暖晝?nèi)諗?shù) Percentage of days when TX (daily maximum temperature)>90th percentile；WSDI：熱持續(xù)指數(shù) Warm spell duration index；CSDI：冷持續(xù)指數(shù) Cold spell duration index

對(duì)于大多數(shù)氣溫類指數(shù),具有正相關(guān)的站點(diǎn)與具有負(fù)相關(guān)的站點(diǎn),無明顯空間分布差異,正、負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)在整個(gè)流域都有分布,但對(duì)于熱持續(xù)指數(shù)(WSDI),正、負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)在流域內(nèi)具有明顯地理空間分布差異,具有正相關(guān)的站點(diǎn)多分布于流域的中北部地區(qū),負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)多分布于南部地區(qū),說明熱持續(xù)指數(shù)增加在氣溫相對(duì)偏低的北部地區(qū),對(duì)植被生態(tài)質(zhì)量具有一定正效應(yīng),在南部熱量充足地區(qū)對(duì)植被生長(zhǎng)具有負(fù)效應(yīng)。

2.2.2與極端降水指數(shù)相關(guān)分析

黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)與降水類指數(shù)的相關(guān)程度(圖7),多高于氣溫類指數(shù),其中與降水強(qiáng)度指數(shù)(SDII)、中雨日數(shù)(R10)和雨日降水總量(PRCPTOT)的相關(guān)程度明顯偏強(qiáng),相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值>0.3的站點(diǎn)比例分別達(dá)到71%、74%、85%。此外,黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量與降水類指數(shù)均以正相關(guān)為主,其站點(diǎn)比例平均達(dá)到85%,達(dá)到顯著水平的站點(diǎn)比例平均為37%。其中,中雨日數(shù)(R10)和雨日降水總量(PRCPTOT)與生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(EQI)間呈正相關(guān)的站點(diǎn)最多,占比達(dá)到99%,且達(dá)到顯著水平的站點(diǎn)比例分別為56%和68%。在降水類指數(shù)中,連續(xù)干旱日數(shù)(CDD)和連續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)(CWD)與植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)間的相關(guān)性偏弱,但正、負(fù)相關(guān)性的站點(diǎn)分布存在空間上差異,呈負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)多分布于南部地區(qū)。

3 討論

3.1 流域植被生態(tài)質(zhì)量變化特征

在空間分布上,黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)從西北向東南大致呈遞增趨勢(shì),這與流域植被NPP、NDVI逐漸升高分布特征相對(duì)一致[10,20,41],可能與區(qū)域分布植被生態(tài)系統(tǒng)類型具有較高的相關(guān)性[10]。從時(shí)間尺度來看,黃河流域NDVI多呈顯著增加趨勢(shì)[41],大部地區(qū)植被覆蓋度也呈增加趨勢(shì)[9,23,42],改善面積要大于退化面積[22]。從流域植被NDVI、NPP等不同指標(biāo)變化的研究結(jié)果表明,黃河流域植被在不同時(shí)段多呈改善趨勢(shì),這與本研究植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)2000年以來呈增加趨勢(shì)的結(jié)論,基本一致。同時(shí)流域植被生態(tài)質(zhì)量改善趨勢(shì)具有較強(qiáng)持續(xù)性,袁麗華等[20]研究也發(fā)現(xiàn)流域植被持續(xù)改善的面積占比達(dá)到53%。

區(qū)域氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)具有重要影響,是黃河流域植被覆蓋變化的主要限制因素[27,43]。2000年以來,黃河流域降水和氣溫變化波動(dòng)較大,但是總體上呈增加趨勢(shì),分別為31.8mm/10a、0.33℃/10a(圖8),僅降水量與植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)具有顯著的相關(guān)性。流域四季增溫趨勢(shì)較為明顯、秋季降水顯著增多,蒸散呈減少趨勢(shì)[27,44],區(qū)域氣候變化總體有利于流域植被恢復(fù)生長(zhǎng)。近年來北方地區(qū)氣候呈溫暖濕潤(rùn)的變化趨勢(shì),促進(jìn)了區(qū)域植被覆蓋增加[42],加之部分流域干旱呈降低的趨勢(shì),特別是2005年之后植被干旱影響減弱[45—46],為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供氣象保障。在黃河上游地區(qū),也發(fā)現(xiàn)暖濕化趨勢(shì)是比較一致的氣候變化特征,尤其2000年以來降水明顯增多,流域植被指數(shù)呈增加趨勢(shì),且2000年作為突變點(diǎn),流域植被覆蓋度增加速率達(dá)到2000年以前的2倍[11,23]。

在黃河流域,氣溫和降水與植被NDVI具有顯著正相關(guān)的面積比例達(dá)到20%以上,成為影響流域植被生態(tài)變化的重要自然因子[11,41]。然而在不同地區(qū)、不同時(shí)段,氣象因子對(duì)植被生態(tài)影響存在一定差異。氣候驅(qū)動(dòng)影響的研究表明,降水是黃河流域植被覆蓋年際變化的主要驅(qū)動(dòng)因子,其相關(guān)程度要高于與氣溫相關(guān)性[9,43]；流域植被NPP變化受降水影響較大[21]。但有研究認(rèn)為,黃河源區(qū)屬于熱量限制區(qū),植被覆蓋對(duì)氣溫變化更為敏感[23],特別在春季植被NDVI與溫度呈顯著正相關(guān)性,而對(duì)降水變化不敏感[47]。也有研究發(fā)現(xiàn),降水量和氣溫對(duì)黃河流域植被NPP變化的影響作用相當(dāng),但存在一定的空間差異性,可能與區(qū)域水熱資源條件的限制以及植被類型有關(guān),如林地NPP變化主要受氣溫的影響,濕地和草地主要受降水的影響[10,21]。

此外,除受到自然條件影響以外,流域植被變化也受到人類活動(dòng)的影響。“三北”防護(hù)林、“退耕還林還草”、坡改梯等一系列生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程的逐步實(shí)施,顯著提高了黃河流域植被NDVI和LAI,對(duì)區(qū)域乃至全國(guó)尺度的植被變化、生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義[11,48—49]。近年來黃河流域林地、草地面積有所增加,植被NPP提高,這與流域多年持續(xù)開展水土保持措施有關(guān),黃河流域生態(tài)保護(hù)建設(shè)成效逐步顯現(xiàn)[21,50]。在陜西北部、山西西部等黃河中游生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)地區(qū),植被生態(tài)質(zhì)量出現(xiàn)明顯改善,其他研究也發(fā)現(xiàn)中游地區(qū)林地面積逐步增加[49—50],且中游地區(qū)植被NDVI增速最快[41],較好反映出人類活動(dòng)對(duì)黃河流域生態(tài)環(huán)境改善的貢獻(xiàn)。然而城市擴(kuò)張、過度放牧等人類活動(dòng)成為流域部分地區(qū)植被NPP、NDVI下降的主要驅(qū)動(dòng)力,甚至超過了氣候變化的影響[20—21,51]。下一步需圍繞不同植被類型、不同氣候區(qū)、不同地形地貌類型,分類開展流域植被生態(tài)質(zhì)量時(shí)空變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力影響研究。

3.2 植被EQI對(duì)極端氣溫、降水的響應(yīng)

與植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(EQI)相關(guān)分析表明,極端氣溫類指標(biāo)對(duì)黃河流域植被影響具有相對(duì)一致,多以負(fù)相關(guān)為主,尤其與最低氣溫和最高氣溫相關(guān)的霜凍日數(shù)(FD0)和夏日日數(shù)(SU25)指標(biāo),有78%站點(diǎn)呈負(fù)相關(guān),有15%站點(diǎn)達(dá)到顯著相關(guān)(P<0.05)。表明低溫日數(shù)和高溫日數(shù)的增加,均會(huì)減緩黃河流域植被的生長(zhǎng)發(fā)育,導(dǎo)致流域植被生態(tài)質(zhì)量下降。韓丹丹等[8]也發(fā)現(xiàn)黃土高原極端氣溫指數(shù)增加,影響植被生長(zhǎng),NDVI呈下降趨勢(shì)；而且其他地區(qū)研究也得到基本類似結(jié)果,極端氣溫指數(shù)與植被NDVI多呈負(fù)相關(guān)[39,52],暖、冷極端氣溫指數(shù)的增強(qiáng)在一定程度均對(duì)當(dāng)?shù)刂脖坏纳L(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響。其主要原因在于北方地區(qū)水分條件總體偏差,時(shí)空分布不均,且高溫導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)蒸騰蒸發(fā)加強(qiáng),影響植物生長(zhǎng)水分需求[39,53]；而氣溫偏低,會(huì)導(dǎo)致植被生長(zhǎng)積溫不足,甚至出現(xiàn)低溫災(zāi)害,從而對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響[52]。值得關(guān)注的是,到2080年多數(shù)極端氣溫指標(biāo)在黃河流域整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),暖極端事件將更加嚴(yán)重[54],勢(shì)必對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生更大影響。

在黃河流域,極端降水類指數(shù)對(duì)黃河流域植被EQI影響程度,要明顯高于氣溫類指數(shù),且均以正相關(guān)為主,尤其雨日和雨量類指標(biāo),具有正相關(guān)的站點(diǎn)比例高達(dá)到99%,達(dá)到顯著相關(guān)的站點(diǎn)比例超過50%。在西北地區(qū)研究也發(fā)現(xiàn),降水類指數(shù)與植被NDVI以正相關(guān)為主,相關(guān)程度也高于氣溫類指數(shù),降水對(duì)大部地區(qū)植被生長(zhǎng)具有積極作用,利于區(qū)域植被改善[52]。說明在水資源相對(duì)偏少的北方地區(qū),降水對(duì)植被影響更加明顯,而熱量條件影響在氣候相對(duì)濕潤(rùn)的南方地區(qū)較為重要[55—57]。杜加強(qiáng)等[24]研究也發(fā)現(xiàn)半濕潤(rùn)地區(qū)植被NDVI、NPP多與氣溫顯著正相關(guān),半干旱地區(qū)則與降水量的正相關(guān)性更強(qiáng),植被對(duì)降水量的響應(yīng)更為敏感。植被與氣候變化間關(guān)系較為復(fù)雜,不同時(shí)段、不同區(qū)域間氣候影響存在較大不確定性,在后續(xù)研究中需進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)氣候影響過程和機(jī)理的探索。

4 結(jié)論

本文基于生態(tài)質(zhì)量指數(shù)和極端氣候指標(biāo),分析了黃河流域2000—2020年植被生態(tài)質(zhì)量時(shí)空分布特征及其對(duì)極端氣候變化的響應(yīng),得到以下結(jié)論：

(1)在季、年尺度,2000年以來黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)整體均呈顯著上升趨勢(shì),流域植被生態(tài)明顯改善,其中夏季生態(tài)質(zhì)量指數(shù)增加最快,平均每10年增加6.7。

(2)在空間分布上,黃河流域大部地區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)2000年以來均呈上升趨勢(shì),分布面積占流域總面積的97.7%,且Hurst指數(shù)達(dá)到0.8,表明黃河流域植被改善具有強(qiáng)持續(xù)性,未來大部地區(qū)植被仍將持續(xù)改善。

(3)在氣候變化背景下,黃河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)與極端氣溫類指數(shù)多以負(fù)相關(guān)為主,與極端降水類指數(shù)多呈正相關(guān),且相關(guān)程度要明顯高于極端氣溫類指數(shù),尤其雨日和雨量指標(biāo),有99%的站點(diǎn)與生態(tài)質(zhì)量指數(shù)呈正相關(guān),有50%以上站點(diǎn)達(dá)到顯著水平。

(4)2000年以來黃河流域氣溫和降水總體呈增加趨勢(shì),是流域植被生態(tài)質(zhì)量改善的重要自然因素,其中降水對(duì)植被影響更為顯著。