閆文波, 何云玲, 余嵐, 屈新星, 崔茜琳

氣候干旱化背景下云南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的變化特征

閆文波, 何云玲*, 余嵐, 屈新星, 崔茜琳

云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500

基于CASA模型模擬云南省1982—2019年植被NPP, 根據(jù)IPCC脆弱性框架分析其生態(tài)脆弱性時(shí)空變化特征, 并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)(SPEI)探討干旱對(duì)生態(tài)脆弱性的影響。結(jié)果表明: 近38年研究區(qū)生態(tài)脆弱性總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì), 增長(zhǎng)比例最為明顯的是極度脆弱區(qū), 面積比例增加了2.7%; 生態(tài)脆弱性空間分布差異較大, 以輕度與中度脆弱區(qū)為主(85%); 重度與極度脆弱區(qū)占比較少, 主要分布在橫斷山區(qū)以及高山峽谷區(qū)域; 大部分地區(qū)(53%)生態(tài)脆弱性與干旱呈正相關(guān), 隨干旱等級(jí)增大, 生態(tài)脆弱性增大, 其中呈顯著正相關(guān)的區(qū)域(面積占比15%)主要集中在橫斷山區(qū)、高山峽谷地帶, 受干旱影響顯著; 隨干旱頻率上升, 輕度與中度脆弱區(qū)比例增加顯著; 熱帶森林植被生態(tài)脆弱性整體上最高, 但受干旱的持續(xù)性影響不顯著; 持續(xù)性干旱對(duì)亞熱帶森林、灌叢、草地與高山植被的生態(tài)脆弱性有較顯著的影響。

CASA模型; NPP; SPEI; 生態(tài)脆弱性; 云南省

0 前言

近百年來(lái)全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化, 聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel Climate Change, IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告表明: 1880—2012年全球地表溫度升高了0.85 ℃, 變暖幅度自20世紀(jì)90年代以來(lái)明顯加速[1]。隨著全球變暖加劇, 極端氣候發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都在急劇增加[2–3], 一個(gè)明顯的表現(xiàn)就是世界上大部分陸地干旱趨勢(shì)日益明顯, 其中僅在1972—2002年間, 全球極端干旱區(qū)域面積從占比12%增加到30%[4]。在極端干旱頻率和強(qiáng)度不斷增加的背景下, 開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性研究, 對(duì)識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)至關(guān)重要, 也是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題之一[5–6]。

生態(tài)脆弱性指的是系統(tǒng)易受到不利影響的特性, 主要包括系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境敏感性增強(qiáng)而適應(yīng)性減弱等特征[7]。目前關(guān)于生態(tài)脆弱性的研究主要包括: 基于GIS的脆弱性區(qū)劃、氣候變化影響下的(物種、多樣性)脆弱性分析、基于指標(biāo)體系的氣候變化脆弱性評(píng)價(jià)等[8–9]。單一型的生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)體系針對(duì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 具有較強(qiáng)的區(qū)域性特征, 在氣候變化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用; 其中植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)作為表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與生產(chǎn)力的重要參量, 與其他植被指數(shù)(如歸一化植被指數(shù)NDVI、總初級(jí)生產(chǎn)力GPP等)相比對(duì)氣候變化的響應(yīng)更加敏感[10], 在區(qū)域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。例如最早是AIR-CLIM項(xiàng)目對(duì)歐洲生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí), 選取NPP作為生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化的指標(biāo), 以多年平均NPP的10%為基準(zhǔn)變量, 按照是否超過(guò)這一基準(zhǔn)對(duì)生態(tài)脆弱性進(jìn)行劃分[11]; Klemme以NPP偏離多年平均值±25%確定5個(gè)極端脆弱年份, 并分析生態(tài)脆弱性對(duì)牧場(chǎng)承載力影響時(shí)發(fā)現(xiàn): 未來(lái)NPP波動(dòng)可能對(duì)牧場(chǎng)資源的生態(tài)可持續(xù)性產(chǎn)生不利影響[12]; 李克讓等將全球不同植被類型NPP多年平均值確定為生態(tài)基礎(chǔ)進(jìn)行建模, 將NPP減少40%、60%、80%、100%作為生態(tài)系統(tǒng)輕度、中度、重度崩潰的臨界值, 結(jié)果表明: 中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)基本處于輕中度脆弱區(qū)[13]; Zhang等基于生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型(CEVSA模型)模擬長(zhǎng)江中下游地區(qū)1961—2000年NPP, 分析極端降水對(duì)區(qū)域生態(tài)脆弱性的研究發(fā)現(xiàn): 極端降水偏少(干旱)年份輕度脆弱區(qū)面積較多年平均脆弱性水平增加6%, 中度脆弱區(qū)增加1%, 重度及以上脆弱區(qū)面積比例下降[14]; 於利等借助CEVSA模型模擬過(guò)去40年年長(zhǎng)江中下游地區(qū)NPP, 并分析干旱對(duì)區(qū)域生態(tài)脆弱性的研究發(fā)現(xiàn): 干旱對(duì)區(qū)域生態(tài)脆弱性有持續(xù)影響, 干旱發(fā)生后一年的區(qū)域生態(tài)脆弱性水平大于多年平均脆弱性水平[15]。從目前研究結(jié)果來(lái)看, 基于NPP對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果在不同空間尺度與不同生態(tài)系統(tǒng)中得到了檢驗(yàn)。

云南省位于中國(guó)西南部, 大部區(qū)域降水量均在1000 mm以上, 全省河川縱橫、湖泊眾多, 水資源總量豐富, 但近年來(lái)由于全球變暖持續(xù)加劇, 云南干旱頻發(fā), 并且干旱發(fā)生頻率與強(qiáng)度明顯增大[16], 已成為最為突出的自然災(zāi)害, 對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞[17]。隨著干旱發(fā)生頻率增加, 植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干旱的響應(yīng)不容忽視, 理清極端氣候背景下云南省生態(tài)脆弱性特征, 是制定氣候變化對(duì)策的重要基礎(chǔ), 也是區(qū)域社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的訴求。但目前關(guān)于極端干旱與生態(tài)脆弱性響應(yīng)的研究較少, 因此深入開(kāi)展極端干旱背景下植被生態(tài)系統(tǒng)脆弱性分析, 不僅有利于科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)趨利避害, 還可以為云南省乃至西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)提供決策參考。

1 材料與方法

云南省位于21°8′—29°15′N, 97°31′—106°11′E, 地形復(fù)雜多樣, 山地、高原、盆地面積分別占全省國(guó)土面積的84%、10%、6%。全省地勢(shì)呈西北高, 東南低, 自北向南呈階梯狀下降。復(fù)雜的地形地貌造就了區(qū)內(nèi)多樣的氣候類型: 滇西北屬于寒帶氣候類型, 滇東、滇中屬于溫帶氣候類型, 滇南、滇西南屬于干熱河谷區(qū)。具有寒、溫、熱三個(gè)氣候帶, 有“一山分四季, 十里不同天”之說(shuō)。區(qū)域干濕季分明, 濕季為5—10月, 集中了85%的降水量; 干季11—次年4月, 降水量只占全年15%; 并且降水量地區(qū)分布差異明顯, 降水量最多可達(dá)2200—2700 mm, 最少的地方僅有584 mm。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

氣象數(shù)據(jù)包括云南省126個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水和日照時(shí)數(shù), 數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心, 采用ANUSPLIN軟件的樣條函數(shù)插值法[18]進(jìn)行內(nèi)插值，分辨率為250 m×250 m的柵格數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù)采用1982—1999年GIMMS NDVI與2000—2019年MODIS NDVI, 由于兩種數(shù)據(jù)所使用的傳感器不同, 故采用EOT算法[19]對(duì)兩種NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 為延長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)提供較好的依據(jù)。

植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院第二次1:100萬(wàn)植被類型普查數(shù)據(jù); 為了比較不同植被類型的差異, 根據(jù)何敏等[7]人的研究將研究區(qū)植被類型劃分為7大類, 分別為: 熱帶森林、亞熱帶森林、灌叢、草地、農(nóng)業(yè)植被、高山植被和水體。

1.2 研究方法

1.2.1 NPP模擬

目前, NPP的模擬模型主要有三類: 統(tǒng)計(jì)模型、過(guò)程模型與遙感模型等。遙感模型是基于光能利用率原理, 結(jié)合氣象資料估算植被NPP的方法。與其他模型相比, 其可進(jìn)行區(qū)域尺度上較為精確的NPP估算和時(shí)空分布模擬, 計(jì)算步驟較為簡(jiǎn)單, 其中CASA模型相對(duì)于其他遙感光能模型所需參數(shù)較少, 且避免由于參數(shù)缺乏而帶來(lái)的誤差, 能夠獲取陸面的全覆蓋信息、模擬過(guò)程易操作, 具有時(shí)間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)[20], CASA模型的計(jì)算步驟可參考文獻(xiàn)[21]。

1.2.2 脆弱性計(jì)算

脆弱性指的是系統(tǒng)受到不利因素影響的傾向或者習(xí)性, 根據(jù)IPCC脆弱性概念, 脆弱性計(jì)算公式如下[22]:

式中,(Vulnerability)指的是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指數(shù),(Sensitivity)指的是生態(tài)系統(tǒng)敏感指數(shù),(Adaptation)指的是生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性指數(shù)。

敏感性指數(shù)指系統(tǒng)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 由于氣候變化或者其他擾動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)失靈的難易程度, 其具體計(jì)算公式如下[23]:

適應(yīng)性指數(shù)指的是生態(tài)系統(tǒng)在面對(duì)氣候變化和其他擾動(dòng)而保持和恢復(fù)期結(jié)構(gòu)的能力, 其計(jì)算公式如下[24]:

式中,指適應(yīng)性,為時(shí)間序列,為NPP的絕對(duì)變率, 即每年NPP的絕對(duì)變化量, 由每年NPP值減去多年NPP的均值計(jì)算;越大說(shuō)明適應(yīng)性越高, 反之亦然。

各個(gè)區(qū)域的敏感性、適應(yīng)性和脆弱性是一個(gè)相對(duì)概念, 因此敏感性與適應(yīng)性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果未必在一個(gè)量綱, 故需對(duì)敏感性指數(shù)與適應(yīng)性指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后方可進(jìn)行脆弱性的計(jì)算[25]。對(duì)計(jì)算結(jié)果采用自然斷點(diǎn)法[26]將脆弱性等級(jí)由低到高劃分為5類: 不脆弱(1級(jí))、輕度脆弱(2級(jí))、中度脆弱(3級(jí))、重度脆弱(4級(jí))和極度脆弱(5級(jí))。

為了表征研究區(qū)脆弱性的整體情況, 引入綜合脆弱性指數(shù)(), 其計(jì)算公式如下[27]:

式中,G表示第類的脆弱性等級(jí),S表示第類脆弱性等級(jí)的面積,表示研究區(qū)的總面積,值越大, 表征生態(tài)系統(tǒng)越脆弱。

1.2.3 干旱指標(biāo)分析

為了定量描述區(qū)域降水與蒸散差值偏離常年程度的干旱事件, 利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI), 對(duì)研究區(qū)極端干旱事件進(jìn)行評(píng)價(jià), 其具體計(jì)算步驟可以參考文獻(xiàn)[28]。SPEI指數(shù)具有多尺度特點(diǎn), 選取SPEI-12有利于涵蓋整年的干旱事件。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況并結(jié)合文獻(xiàn)[29]將SPEI指數(shù)對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)劃分如表1所示。干旱頻率指干旱發(fā)生月數(shù)與研究時(shí)段內(nèi)總月數(shù)的比值; 極端干旱年指SPEI值相對(duì)多年平均水平異常偏低的年份。研究時(shí)間段(1982—2019年)研究區(qū)SPEI值最小的5個(gè)年份分別是: 1987年、2000年、2007年、2011年、2013年, 而根據(jù)資料記載歷史上這些年份云南省都經(jīng)歷了較為嚴(yán)重的旱災(zāi)[3, 30]。

表1 SPEI指數(shù)對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)

再采用Pearson相關(guān)系數(shù)法, 分析生態(tài)脆弱性對(duì)于干旱的響應(yīng)特征, 其計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[31]。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果可將顯著性水平劃分為六類: 極顯著正相關(guān)(>0,<0.01)、顯著正相關(guān)(>0, 0.01≤<0.05)、不顯著正相關(guān)(>0,≥0.05)、不顯著負(fù)相關(guān)(<0,≥0.05)、顯著負(fù)相關(guān)(<0, 0.01≤<0.05)、極顯著負(fù)相關(guān)(<0,<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 脆弱性的時(shí)空變化分析

1982—2019年研究區(qū)平均EVSI指數(shù)為3.21, 最小值是1985與1989年的3.11, 最大值是1987年的3.35(圖1), 近38年EVSI指數(shù)波動(dòng)較大, 整體上呈上升趨勢(shì), 但其變化趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)脆弱性等級(jí)劃分為5類: 不脆弱(-0.98— -0.46)、輕度脆弱(-0.46— -0.12)、中度脆弱(-0.12—0.12)、重度脆弱(0.12—0.35)和極度脆弱(0.35—0.78)。統(tǒng)計(jì)1982—2019年不同脆弱等級(jí)的面積比例變化, 可以發(fā)現(xiàn): 除中度脆弱區(qū)外, 研究區(qū)的不脆弱區(qū)、輕度脆弱區(qū)、重度脆弱區(qū)與極度脆弱區(qū)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 其中增長(zhǎng)比例最為明顯的是極度脆弱區(qū), 為0.071%/a(未通過(guò)顯著性檢驗(yàn))。

空間分布特征上(圖2), 輕度脆弱區(qū)占比43%, 分布較為廣泛, 在滇西南與滇東南區(qū)域分布較為集中：中度脆弱區(qū)占比42%, 多集中于橫斷山區(qū)、昭通北部以及高山峽谷區(qū)域; 重度脆弱區(qū)占比12%, 多沿水系峽谷延伸; 極度脆弱區(qū)占比1%, 集中分布于橫斷山區(qū)等高山峽谷地帶; 不脆弱區(qū)占比為2%, 多為河流與各大湖泊。

2.2 干旱與生態(tài)脆弱性的相關(guān)分析

通過(guò)分析1982—2019年研究區(qū)逐年生態(tài)脆弱性與SPEI-12的關(guān)系(圖3), 結(jié)果表明干旱與生態(tài)脆弱性呈正相關(guān)的區(qū)域占比53.1%, 主要集中在滇中的楚雄、玉溪, 滇西南的大理、保山、德宏、西雙版納, 滇東南的文山等地; 其中呈極顯著正相關(guān)與顯著正相關(guān)的區(qū)域占比15%, 主要集中在橫斷山區(qū)、高山峽谷地帶。為了進(jìn)一步分析干旱對(duì)不同植被類型生態(tài)脆弱性的影響, 對(duì)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的各植被類型生態(tài)脆弱性進(jìn)行分類發(fā)現(xiàn)(表2): 熱帶森林與亞熱帶森林生態(tài)脆弱性與干旱呈顯著正相關(guān)的面積比例最小, 而高山植被與水體的生態(tài)脆弱性與干旱呈顯著正相關(guān)的面積比例較大。

為了更好說(shuō)明研究區(qū)生態(tài)脆弱性與干旱發(fā)生頻率的關(guān)系, 根據(jù)自然斷點(diǎn)法[26]將干旱頻率分為5類: Ⅰ類(干旱頻率29%—31%)、Ⅱ類(干旱頻率31%—33%)、Ⅲ類(干旱頻率33%—35%)、Ⅳ類(干旱頻率35%—37%)、Ⅴ類(干旱頻率37%—39%)。根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)干旱頻率從Ⅰ類增加到Ⅴ類時(shí), 輕度、中度脆弱區(qū)面積分別增加了14.20%、16.45%, 變化顯著; 而不脆弱區(qū)、重度脆弱區(qū)和極度脆弱區(qū)面積分別減少了12.15%、7.49%和11.01%。

圖1 云南省1982—2019年EVSI指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

Figure 1 Variation of EVSIin Yunnan from 1982 to 2019

圖2 云南省生態(tài)脆弱性格局

Figure 2 Spatial pattern of ecological vulnerability in Yunnan

圖3 云南省干旱與生態(tài)脆弱相關(guān)性的顯著分類結(jié)果

Figure 3 Significant classification of correlation between drought and ecological vulnerability in Yunnan

表2 云南省不同植被類型生態(tài)脆弱性與干旱相關(guān)性的顯著性面積比例/%

表3 云南省干旱頻率與生態(tài)脆弱性的關(guān)系

2.3 極端干旱年對(duì)區(qū)域生態(tài)脆弱性的影響

為了描述干旱對(duì)生態(tài)脆弱性的影響程度及影響時(shí)間, 計(jì)算干旱年份的脆弱性以及干旱年份后1年的平均脆弱性, 分別與多年平均水平進(jìn)行比較。如圖4所示, 干旱年份、干旱次年以及多年平均脆弱性格局中, 輕度與中度脆弱區(qū)分別占比55%、53%、42%; 而對(duì)干旱年份、干旱次年以及多年分別求取EVSI值發(fā)現(xiàn): 干旱年EVSI(3.28)>干旱次年EVSI(3.21)>多年EVSI(3.17)。對(duì)比干旱年份與干旱次年各脆弱性等級(jí)面積比例, 結(jié)果顯示除不脆弱與中度脆弱性, 輕度、重度和極度脆弱性比例都有所增加, 表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)歷干旱后的1年里, 干旱的影響仍在加劇, 導(dǎo)致部分生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性仍在持續(xù)增加。

為了更好探究干旱對(duì)不同植被類型的生態(tài)脆弱性影響, 分別計(jì)算不同植被類型干旱當(dāng)年、干旱次年以及多年平均生態(tài)脆弱性(表4)。熱帶森林在干旱年、干旱次年以及多年生態(tài)脆弱性的極度脆弱區(qū)面積占比均最大, 干旱影響下生態(tài)脆弱性高; 干旱年與多年平均水平比較, 重度脆弱區(qū)面積比例增加明顯, 而極度脆弱區(qū)面積比例下降明顯; 干旱次年與干旱年比較, 重度、極度脆弱區(qū)面積下降, 輕度、中度脆弱區(qū)面積上升, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性水平受干旱持續(xù)性影響較小。亞熱帶森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)干旱年與多年平均水平相比: 重度、極度脆弱面積比例減少; 干旱次年與干旱年相比重度與極度脆弱區(qū)面積比例增加, 表明干旱對(duì)亞熱帶森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性具有持續(xù)性的嚴(yán)重影響。對(duì)于農(nóng)業(yè)植被生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 干旱年與干旱次年以及多年平均脆弱性水平相比, 重度、極度脆弱性面積比例持續(xù)減少。高山植被生態(tài)系統(tǒng)干旱年與多年平均水平比較, 中度、重度、極度脆弱性水平比例都有所減少, 而干旱次年與干旱年相比, 不脆弱、輕度脆弱面積比例減少, 中度、重度與極度脆弱性水平則增加, 說(shuō)明干旱對(duì)高山植被脆弱性有持續(xù)性的影響。

注: 圖中0、1、2、3、4、5分別代表不相關(guān)、極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)、無(wú)顯著正相關(guān)、極顯著負(fù)相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)、不顯著負(fù)相關(guān)。

Figure 4 Impacts of drought on ecological vulnerability in Yunnan

表4 不同植被類型干旱年份及干旱次年各脆弱等級(jí)所占比例及其變化情況/%

續(xù)表

再對(duì)不同植被類型多年平均、干旱年以及干旱次年分別求EVSI發(fā)現(xiàn)(表5): 熱帶森林植被生態(tài)脆弱性整體上最高, 干旱年EVSI>多年EVSI>干旱次年EVSI, 熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)脆弱性水平受干旱的持續(xù)性影響較小; 而亞熱帶森林、灌叢、草地、高山植被以及水體在干旱次年EVSI>干旱年EVSI, 說(shuō)明上述4種生態(tài)系統(tǒng)整體脆弱性受長(zhǎng)期干旱影響較大; 農(nóng)業(yè)植被干旱次年EVSI<干旱年EVSI, 可能干旱期人們注重對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)灌溉與防旱。

表5 不同植被類型干旱年與干旱次年EVSI指數(shù)

3 討論

近年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性評(píng)價(jià)逐漸成為研究熱點(diǎn)[32–35], 但關(guān)于極端干旱與生態(tài)系統(tǒng)脆弱性關(guān)系的研究較少。本研究從生態(tài)脆弱性的基本概念出發(fā), 以IPCC脆弱性概念為基礎(chǔ), 基于NPP為評(píng)價(jià)指標(biāo), 計(jì)算云南省生態(tài)脆弱性的時(shí)空變化, 并結(jié)合EVSI指數(shù)對(duì)研究區(qū)的脆弱性程度進(jìn)行了探討, 發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的生態(tài)脆弱性整體上呈上升趨勢(shì), 大部分地區(qū)為輕度與中度脆弱性, 受氣候與環(huán)境因素影響其重度與極度脆弱區(qū)多集中在橫斷山區(qū), 而且橫斷山區(qū)生態(tài)脆弱性水平受干旱影響最大, 這與朱雪等對(duì)云南省山區(qū)生態(tài)脆弱性的研究結(jié)果一致[36]。溫度、降水、地質(zhì)地貌、植物和動(dòng)物的垂直分布和碎片化的分布狀況造就了山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性, 由于山區(qū)的地形和地貌不利于大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn), 影響了人類活動(dòng)的規(guī)模和力度, 部分山區(qū)還處在很少有人活動(dòng)的區(qū)域, 這也就使之成為很多瀕危動(dòng)物的庇護(hù)所度較高的區(qū)域; 山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)屬于對(duì)外界干擾的敏感區(qū), 對(duì)干旱等氣候變化適應(yīng)能力差是這些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性顯著的主要原因。高山峽谷以及湖泊周圍生態(tài)脆弱性也受干旱的強(qiáng)烈影響, 可能原因在于: 其周圍濕地對(duì)湖泊河流的調(diào)節(jié)受干旱影響較大[37]。

對(duì)比干旱年份與多年平均脆弱等級(jí)面積所占比例, 結(jié)果顯示輕度與中度脆弱區(qū)所占比例增加, 表明研究區(qū)多數(shù)地區(qū)生態(tài)脆弱性會(huì)受干旱的影響; 重度與極度脆弱區(qū)所占比例減少, 表明區(qū)域重度以上脆弱性受蒸/散發(fā)限制不是很強(qiáng)烈[15], 干旱不是導(dǎo)致區(qū)域重度以上脆弱性水平變化的主要原因。

從整體上看, EVSI在干旱年>干旱次年>多年平均, 表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)歷干旱后的1年里, 干旱的影響仍在加劇, 導(dǎo)致部分生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性仍在持續(xù)增加。干旱不是熱帶森林生態(tài)脆弱性的主要影響因素, 持續(xù)性干旱僅影響其輕度與中度脆弱性。而極端干旱對(duì)亞熱帶森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)有重要且持續(xù)的影響。干旱與農(nóng)業(yè)植被的脆弱性呈反比主要原因是在極端干旱年, 可能原因是農(nóng)業(yè)植被生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)期相對(duì)較短, 持續(xù)性的干旱對(duì)其影響較小; 以及在極端干旱年人們注重加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)植被的灌溉力度, 降低了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的在極端干旱年的脆弱性水平[38–40]。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布差異較大, 以輕度與中度脆弱區(qū)為主(85%), 主要分布在滇西南、滇東南、昭通北部以及高山峽谷區(qū)域; 重度與極度脆弱區(qū)占比較少, 分布在橫斷山區(qū)以及高山峽谷區(qū)域。

(2)研究區(qū)干旱與生態(tài)脆弱性呈顯著正相關(guān)的區(qū)域占比15%(<0.05), 主要集中在橫斷山區(qū)、高山峽谷地帶, 其受干旱影響顯著。

(3)隨干旱頻率上升, 不脆弱、重度與極度脆弱區(qū)面積比例分別下降12.15%、7.49%和11.01%, 輕度與中度脆弱區(qū)面積比例分別上升14.20%、16.45%, 干旱頻率對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的輕度與中度脆弱性有顯著影響。

(4)研究區(qū)EVSI在干旱年(3.28)>干旱次年(3.21)>多年平均(3.17), 生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)歷干旱后的1年里, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性仍在加劇; 除農(nóng)業(yè)植被與熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)外, 其他植被類型整體生態(tài)脆弱度均受長(zhǎng)期干旱顯著影響。

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Variation of ecosystem vulnerability under the background of climate aridity change in Yunnan Variation

YAN Wenbo, HE Yunling*, YU Lan, QU Xinxing, CUI Xilin

School of Earth Sciences, Yunnan University, Kunming 650500, China

Based on the CASA model, NPP of vegetation in Yunnan province from 1982 to 2019 was simulated. The spatio-temporal variation characteristics of ecological vulnerability were analyzed according to the IPCC vulnerability framework, and the impacts of drought on ecological vulnerability were discussed in combination with the standardized evapotranspiration index (SPEI). The results showed that in the past 38 years, the overall ecological vulnerability of the study area fluctuated and increased, and and the area proportion of extremely vulnerable area increased by 2.7% by 2.7%. The spatial distribution of ecological vulnerability was significantly different, mainly in mild and moderate vulnerable areas (85%). Severe and extremely vulnerable areas were less, mainly distributed in Hengduan mountain area and alpine canyon area. In most areas (53%), the ecological vulnerability was positively correlated with drought, and the ecological vulnerability increased with the increase of drought level. The areas with a significant positive correlation (15%) were mainly concentrated in the Hengduan mountain area and the alpine vegetation area, which were significantly affected by drought. With the increase of drought frequency, the proportion of mild and moderate vulnerable areas increased significantly. The ecological vulnerability of tropical forest vegetation was the highest on the whole, but it was not significantly affected by the persistence of drought. Persistent drought has a significant impact on the ecological vulnerability of subtropical forests, shrubs, grasslands and alpine vegetation.

CASA model; NPP; SPIE; ecological vulnerability; Yunnan province

閆文波, 何云玲, 余嵐, 等. 氣候干旱化背景下云南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的變化特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2023, 42(1): 197–205.

YAN Wenbo, HE Yunling, YU Lan, et al. Variation of ecosystem vulnerability under the background of climate aridity in Yunnan Province[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 197–205.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.023

K903

A

1008-8873(2023)01-197-09

2020-11-20;

2021-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41961044)

閆文波(1997—), 男, 河南洛陽(yáng)人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)闅夂蜃兓c植被生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng), E-mail:2528711455@qq.com

何云玲, 女, 博士, 副教授, 主要從事區(qū)域氣候變化及其生態(tài)影響研究, E-mail: hy1610@126.com