雷 茜,胡忠文,王敬哲,張英慧,鄔國(guó)鋒

1 自然資源部大灣區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518060

2 廣東省城市空間信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518060

3 深圳市空間信息智能感知與服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518060

4 深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 深圳 518060

5 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院, 深圳 518055

植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色,在水熱交換、生物化學(xué)循環(huán)和氣候變化中發(fā)揮重要作用[1]。降水與溫度是驅(qū)動(dòng)植被變化的關(guān)鍵因素,水熱條件的差異會(huì)對(duì)植被生理機(jī)能和分布密度造成影響,進(jìn)而改變植被結(jié)構(gòu)。飽和水汽壓差(Vapor pressure deficit, VPD)能夠影響植被氣孔閉合,控制植被光合、蒸騰等生理過程[2],是陸地生態(tài)系統(tǒng)中影響植被生長(zhǎng)的重要驅(qū)動(dòng)因素之一。作為決定植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,氣候動(dòng)態(tài)變化對(duì)植被的影響值得關(guān)注[3]。因此,在全球變暖背景下,探究地表植被覆蓋和氣候因子的時(shí)空變化,了解二者的響應(yīng)關(guān)系,對(duì)深入理解全球氣候變化與植被生態(tài)學(xué)的響應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

探究植被時(shí)空動(dòng)態(tài)需要長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)的支撐,而具備持續(xù)觀測(cè)、多時(shí)空尺度優(yōu)勢(shì)的遙感技術(shù)為此提供了有效手段[4]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)能有效反映區(qū)域植被的生長(zhǎng)狀況,是監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度和長(zhǎng)勢(shì)的優(yōu)良指標(biāo),已被廣泛應(yīng)用于植被動(dòng)態(tài)變化研究中[5—6]。GIMMS (Global Inventory Monitoring and Modeling System) NDVI數(shù)據(jù)因其時(shí)間跨度最長(zhǎng)且范圍覆蓋全球,在不同尺度的植被動(dòng)態(tài)研究中極具代表性,在植被覆蓋時(shí)空變化[7]、物候分析[8—9]、動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制[10]等研究中取得大量進(jìn)展。在全球氣候變化背景下,開展植被監(jiān)測(cè)并分析其驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)更好地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)植被動(dòng)態(tài)變化具有重要意義。然而,已有研究大都是使用線性趨勢(shì)擬合方法對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析[11—12],對(duì)植被的時(shí)空演變波動(dòng)性考慮不足。此外,氣候作為驅(qū)動(dòng)植被動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因素,二者之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系也受到眾多學(xué)者的關(guān)注[13]。不同植被類型對(duì)同一氣候因子的響應(yīng)不同[14],不同地區(qū)的植被對(duì)氣候因子的響應(yīng)也存在明顯差異。文獻(xiàn)表明青藏高原地區(qū)[10]及我國(guó)北方地區(qū)[15]植被的生長(zhǎng)主要受降水的影響,而華北南部、華南地區(qū)[16]的植被對(duì)溫度的響應(yīng)則更為明顯。已有研究證實(shí)了在北半球高緯度地區(qū),大部分NDVI顯著改變的區(qū)域受氣候變化控制,其主要驅(qū)動(dòng)因素是溫度,其次是太陽(yáng)輻射和降水[17]。飽和水汽壓差急劇上升是干旱導(dǎo)致植被死亡的主要原因之一[18],而且飽和水汽壓差的增加也被證實(shí)能影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量[19]。不同氣候因子與不同植被的滯后和累積效應(yīng)存在顯著差別,青藏高原植被對(duì)溫度和降水的短期累積響應(yīng)明顯,且對(duì)降水的響應(yīng)更為顯著[20],黃土高原地區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)當(dāng)月和上月氣候因子最敏感[21],中亞森林地區(qū)植被對(duì)降水的累積滯后響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)[13]。然而,現(xiàn)有研究對(duì)植被與飽和水汽壓差之間的時(shí)間響應(yīng)規(guī)律的剖析不足。同時(shí),針對(duì)不同土地利用[22]、植被分區(qū)[10]和氣候分區(qū)[16]的相關(guān)研究越來(lái)越多,卻鮮有研究考慮到不同生態(tài)系統(tǒng)中植被在冠層結(jié)構(gòu)、生理特征等方面存在顯著差異,不區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)得到的分析結(jié)果可能存在一定局限性。我國(guó)植被類型豐富、氣候條件復(fù)雜,在全國(guó)尺度下使用集總式的分析思想可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果不確定性較強(qiáng)。因此,有必要從不同生態(tài)系統(tǒng)的視角研究植被與氣候之間的時(shí)空變化以及響應(yīng)關(guān)系,精細(xì)刻畫植被與氣候的時(shí)滯效應(yīng)。

鑒于此,本研究基于GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)和氣候資料數(shù)據(jù),結(jié)合不同生態(tài)系統(tǒng)探究1985—2015年期間中國(guó)陸地NDVI時(shí)空變化及其與氣候因子(降水/溫度/飽和水汽壓差)的時(shí)間響應(yīng)關(guān)系。旨在探究以下兩個(gè)問題:(1) 中國(guó)陸地NDVI在1985—2015年間的變化趨勢(shì)如何,該種趨勢(shì)是否存在顯著變化?(2) 植被對(duì)氣候因子如何響應(yīng),這種關(guān)系在不同生態(tài)系統(tǒng)上有何規(guī)律和差異?

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)地處亞洲東部、太平洋西岸,領(lǐng)土面積遼闊,海陸總面積約1260萬(wàn)km2,陸地總面積約960萬(wàn)km2。領(lǐng)土緯度范圍較廣,跨度約50°,自北向南包含了亞寒帶、溫帶、亞熱帶和少許熱帶區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)類型豐富[23]。參考中國(guó)自然地理分區(qū),結(jié)合本研究需要,將中國(guó)劃分為東北、西北、西南、華北、華東、華中和華南七大區(qū)域(圖1)。

圖1 1985—2015年中國(guó)陸地穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)空間分布 Fig.1 Spatial distribution of stable ecosystem in China from 1985 to 2015

中國(guó)東西、南北跨度大且地勢(shì)高低不同,地形以山地和高原為主,自西向東地勢(shì)呈階梯狀逐漸降低,最高約8848 m,最低約-154 m。降水從東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸減少,年均溫和10℃及以上積溫由南向北逐漸降低,造成了多種氣溫與降水組合,形成了多種氣候,氣候條件由東南向西北越來(lái)越嚴(yán)酷[24—25]。氣候差異導(dǎo)致植被類型存在空間分異,進(jìn)而影響不同生態(tài)系統(tǒng)在空間的分布。整體上,森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在東南和東北地區(qū),西北地區(qū)以草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集中在四川盆地以及東部地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1985—2015年NDVI數(shù)據(jù)是由國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (https://data.tpdc.ac.cn/en/) 提供的全球GIMMS NDVI3g v1 數(shù)據(jù)集[26]。該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為15 d,空間分辨率約8 km,是目前時(shí)序最長(zhǎng)(1981年7月—2015年12月)、覆蓋范圍最廣(全球)的NDVI數(shù)據(jù)集。為了削弱云和氣溶膠對(duì)大氣的影響,將每月兩期的NDVI數(shù)據(jù)采用最大值合成(Maximum Value Composition, MVC)方法計(jì)算逐月的NDVI數(shù)據(jù)[27]。為了減少由于數(shù)據(jù)異?；蛘咧脖粎^(qū)短期內(nèi)波動(dòng)而導(dǎo)致的不確定性,本研究取31年NDVI≥0.1的像元作為穩(wěn)定植被區(qū)[28],以此為閾值掩膜獲取1985—2015年中國(guó)陸地穩(wěn)定植被區(qū)逐月和逐年的NDVI數(shù)據(jù)。

氣候數(shù)據(jù)分別來(lái)自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/) 提供的中國(guó)1 km分辨率逐月降水量數(shù)據(jù)集(1901—2020)、中國(guó)1 km分辨率逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集(1901—2020)和愛達(dá)荷大學(xué)氣候?qū)W實(shí)驗(yàn)室 (http://www.climatologylab.org/terraclimate.html) 提供的TerraClimate全球4 km分辨率逐月飽和水汽壓差數(shù)據(jù)[29—31]。生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://www.geodata.cn/) 提供的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)集(1990—2010年,每5年1期)[32]。本研究對(duì)5期數(shù)據(jù)取交集,以此獲取1990—2010年穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)并作為本研究的生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)(圖1)。為了數(shù)據(jù)間匹配,采用8 km覆蓋范圍內(nèi)覆蓋最多的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)表示該像元所屬生態(tài)系統(tǒng)類型。由于聚落生態(tài)系統(tǒng)受人為因素干擾較大,在本研究中僅針對(duì)農(nóng)田、森林、草地、濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)開展后續(xù)分析。

1.3 研究方法

1.3.1時(shí)間序列分析

本研究基于Theil-Sen Median趨勢(shì)分析法,對(duì)NDVI時(shí)間序列逐像元計(jì)算每個(gè)柵格的變化率(Slope),以此反映研究期間區(qū)域植被覆蓋變化的綜合趨勢(shì)[13]:

(1)

式中,Slope是每個(gè)像元回歸方程的斜率;N是時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)(N= 31);xi是第i年的NDVI平均值。Slope >0,表示植被增加;Slope<0,表示植被退化。

采用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對(duì)NDVI變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。趨勢(shì)分析法和M-K檢驗(yàn)法相結(jié)合可以減少數(shù)據(jù)中少量異常值對(duì)結(jié)果的影響,很大程度上避免了測(cè)量誤差和離群數(shù)據(jù)的干擾[33]。其公式為:

對(duì)序列Xt=(x1,x2,…,xn),使用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn),Z值計(jì)算方式如下:

(2)

式中,sgn是符號(hào)函數(shù),n是時(shí)間序列中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。假設(shè)采用雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn),在給定顯著性水平∝下,當(dāng)|Z|>U1-∝/2時(shí),拒絕原假設(shè),認(rèn)為趨勢(shì)顯著。在|Z|≥2.58,|Z|≥1.96時(shí)表示趨勢(shì)通過了置信度為99%、95%的顯著性檢驗(yàn),分別為極顯著和顯著,|Z|<1.96則表示趨勢(shì)不顯著。綜合以往研究[15,34],本研究利用柵格數(shù)據(jù)疊加分析,將NDVI的變化結(jié)果與M-K檢驗(yàn)結(jié)果疊加,結(jié)合本研究Slope值將NDVI變化趨勢(shì)分為六個(gè)等級(jí),包括極顯著退化/改善、顯著退化/改善、不顯著退化/改善(表1)。

表1 植被NDVI變化趨勢(shì)類型Table 1 Types of NDVI change trends

為了更清楚地揭示植被時(shí)間演變的波動(dòng)性,本研究對(duì)NDVI時(shí)間序列逐像元進(jìn)行二次非線性擬合,擬合公式如下:

y=ax2+bx+c

(3)

式中,y表示為第x年的NDVI,x依次為1—31,a、b、c是回歸系數(shù)。根據(jù)一元二次方程理論,NDVI的變化拐點(diǎn)時(shí)間為第-b/2a年,根據(jù)拐點(diǎn)時(shí)間確定本研究中NDVI年際變化的四種趨勢(shì):①當(dāng)a>0,且-b/2a≤1或a<0,且-b/2a≥31時(shí),NDVI連續(xù)遞增;②當(dāng)a<0,且-b/2a≥31或a<0,且-b/2a≤1時(shí),NDVI連續(xù)遞減;③當(dāng)a<0,且1<-b/2a<31時(shí),NDVI先增后減;④當(dāng)a>0,1<-b/2a<31時(shí),NDVI先減后增。

1.3.2NDVI與氣候因子相關(guān)分析

相關(guān)分析法已被廣泛用于研究植被生長(zhǎng)與氣候因子間的關(guān)系[14]。因此,本研究利用Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)NDVI與月累積降水量、月平均溫度、月飽和水汽壓差進(jìn)行逐像元分析,并以此衡量NDVI與氣候因子的相關(guān)性。其計(jì)算公式如下:

(4)

考慮到氣候因子存在累積/滯后效應(yīng),參考Gessner 等[35]的研究成果進(jìn)一步分析植被與氣候因子之間的響應(yīng)關(guān)系。本研究采用的時(shí)滯互相關(guān)分析以三個(gè)月的累積(累積1、累積2、累積3)和三個(gè)月的滯后(滯后0、滯后1、滯后2)展開。為便于分析不同生態(tài)系統(tǒng)植被與氣候的時(shí)滯響應(yīng)結(jié)果,以月為時(shí)間間隔在像元尺度上求出對(duì)應(yīng)的9種組合的相關(guān)系數(shù)(表2)。本研究中累積時(shí)長(zhǎng)取累積時(shí)段的平均值參與計(jì)算。

表2 累積滯后相關(guān)分析組合Table 2 Cum_Lag correlation analysis combination

2 結(jié)果

2.1 NDVI時(shí)間序列動(dòng)態(tài)變化特征

1985—2015年中國(guó)陸地NDVI年均值分布情況及其變化趨勢(shì)如圖2所示,結(jié)果顯示1985—2015年中國(guó)陸地NDVI空間分異明顯,自西北向東南NDVI值逐漸增加,NDVI低值分布在西北,高值主要分布在西南東部、東北以及東南沿海區(qū)域。1985—2015年間中國(guó)陸地NDVI整體呈增加趨勢(shì),整體變化率為0.5×10-3/a。中國(guó)陸地NDVI的變化在不同生態(tài)系統(tǒng)和不同自然地理分區(qū)均表現(xiàn)出明顯的差異。研究期間,農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的植被均呈現(xiàn)改善趨勢(shì),其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植被增長(zhǎng)最快(0.001/a)且近一半呈顯著改善趨勢(shì),荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被增長(zhǎng)緩慢(圖3),而濕地生態(tài)系統(tǒng)約一半的植被在退化,其中有近18%的植被呈顯著退化(表3)。

表3 1985—2015年生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)NDVI年變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)/%Table 3 The annual NDVI variation in different ecosystems from 1985 to 2015

圖2 1985—2015中國(guó)陸地NDVI分布和變化趨勢(shì)Fig.2 Spatiotemporal variation of NDVI in China from 1985 to 2015

1985—2015年間中國(guó)陸地植被改善區(qū)域約占植被總面積的66.39%,顯著改善約占32.22%,顯著改善區(qū)域集中在華中、華東和華南區(qū)域。然而,在整體改善的情況下,中國(guó)陸地植被在局部區(qū)域存在嚴(yán)重的退化,約33.61%的植被呈現(xiàn)退化趨勢(shì),顯著退化區(qū)域占8.93%,顯著退化區(qū)域主要分布在西北、東北和西南地區(qū)(圖2)。華北、華中和華南地區(qū)三個(gè)地區(qū)植被覆蓋情況較好,有超過80%的植被呈改善趨勢(shì)。相比之下,東北地區(qū)約有18%的植被呈顯著退化趨勢(shì)。就西北地區(qū)而言,盡管本研究已經(jīng)排除了無(wú)穩(wěn)定植被覆蓋的像元,結(jié)果顯示該區(qū)域也約有10%的植被呈現(xiàn)顯著退化(表4)。

表4 1985—2015年不同地理分區(qū)NDVI年變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)/%Table 4 The annual NDVI variation in different geographic regions from 1985 to 2015

本研究采用二次非線性回歸方法對(duì)年際NDVI進(jìn)行逐像元曲線擬合,以期分析1985—2015年期間中國(guó)陸地年NDVI的變化規(guī)律。由圖4可知,1985—2015年間中國(guó)大部分區(qū)域NDVI變化都表現(xiàn)出先減后增或先增后減的變化特征,先減后增的區(qū)域主要分布在東部,尤其在黃土高原、四川盆地和東南沿海一帶較為集中;先增后減的區(qū)域主要分布在西北、西南和東北地區(qū)。在華中和東北少部分地區(qū)NDVI一直增加,NDVI一直減小的區(qū)域大部分較散亂地分布在中國(guó)東部。進(jìn)一步分析NDVI變化拐點(diǎn)的時(shí)間,1985—2015年在NDVI先增后減的區(qū)域中,大部分區(qū)域在1995年以后植被才開始退化,而東部植被退化主要在2005年以后。小興安嶺、長(zhǎng)白山和阿爾泰山脈南端區(qū)域部分植被退化主要發(fā)生在1985—1995年間。中國(guó)陸地植被先退化后增加的突變時(shí)間主要發(fā)生在1985—1995和1995—2005這兩個(gè)時(shí)間段。其中,黃土高原區(qū)域植被大多在1985年之后就開始改善,東南沿海一帶植被自1995年起才開始改善(圖4)。

圖4 1985—2015中國(guó)陸地NDVI年際變化及變化拐點(diǎn)空間分布Fig.4 Inter-annual variation distribution of NDVI and turning points in China from 1985 to 2015

2.2 氣候因子時(shí)空格局

圖5、圖6分別為年平均降水/溫度/飽和水汽壓差的變化以及在不同分區(qū)的變化程度占比,結(jié)果顯示1985—2015年間中國(guó)降水/溫度/飽和水汽壓差的變化具有空間異質(zhì)性。年平均降水整體呈微弱增加趨勢(shì),平均變化率約8.9×10-3mm/a。在各自然地理分區(qū)中,嚴(yán)重減少的區(qū)域主要分布在西南、華南和東北地區(qū)(slope<-0.3),且西北、華中以及華東地區(qū)約80%區(qū)域的降水均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖6)。反之,幾乎整個(gè)東北地區(qū)的降水都呈下降趨勢(shì)。華南地區(qū)降水嚴(yán)重減少的區(qū)域占比最大,集中在廣東、福建沿海一帶(圖5)。在各生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)中,森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)中超過50%的地區(qū)降水都呈現(xiàn)減少趨勢(shì),農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)降水嚴(yán)重減少和劇烈增加的范圍最大,約70%的荒漠生態(tài)系統(tǒng)降水在增加(圖6)。

圖5 1985—2015年中國(guó)氣候因子年際變化的空間分布和趨勢(shì)線Fig.5 Inter-annual variation distribution and trendline of climatic factors in China from 1985 to 2015

溫度整體呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),整體變化率從-0.6×10-2℃/a到6.7×10-2℃/a。在各自然地理分區(qū)中,西北和華北地區(qū)的溫度上升最快,最大升溫速率超過4.5×10-2℃/a(圖5)。在各生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)中,僅有極少部分森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫度呈降低趨勢(shì);草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)溫度上升速率最快,超過60%的區(qū)域溫度增長(zhǎng)率都高于全國(guó)平均水平(圖6)。

年平均飽和水汽壓差呈上升趨勢(shì),整體上升速率為2.6 Pa/a。1985—2015年間飽和水汽壓差降低的區(qū)域僅分布于青藏高原區(qū)域。西南東部、華北、華中和華東地區(qū)飽和水汽壓差上升最快,上升速率高于3.0 Pa/a(圖5)。不同生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)中,20%的草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域飽和水汽壓差在降低,農(nóng)田、荒漠和森林生態(tài)系統(tǒng)飽和水汽壓差呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖6)。

2.3 不同生態(tài)系統(tǒng)NDVI與氣候因子的相關(guān)性

為了進(jìn)一步了解植被動(dòng)態(tài)變化與氣候之間的關(guān)系,本研究逐像元計(jì)算了1985—2015年中國(guó)植被區(qū)域平均NDVI與氣候因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)(圖7)。1985—2015年間,中國(guó)陸地植被NDVI與降水呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在西北、華北以及西南的四川盆地,負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在東北、西南、華南地區(qū)。內(nèi)蒙古高原中部NDVI與降水具有最強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)最高為0.81。大小興安嶺、武夷山脈區(qū)域以及青藏高原地區(qū)的植被與降水呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,最低相關(guān)系數(shù)低至-0.71。中國(guó)陸地NDVI與溫度的相關(guān)關(guān)系也存在明顯的空間異質(zhì)性。西南地區(qū)呈負(fù)相關(guān)較多,華南和華中地區(qū)呈正相關(guān)較多。呈明顯正相關(guān)的像元主要分布與四川盆地、華北平原、長(zhǎng)江中下游平原等地區(qū),最大相關(guān)系數(shù)達(dá)0.88。相反,在藏南、橫斷山脈、阿爾泰山脈和錫林郭勒盟地區(qū),植被與溫度表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,最低相關(guān)系數(shù)為-0.71。中國(guó)陸地NDVI與飽和水汽壓差的相關(guān)關(guān)系空間分異明顯。呈正相關(guān)的像元主要分布在中國(guó)東南部,最大正相關(guān)像元處于長(zhǎng)江中下游平原,最大相關(guān)系數(shù)約為0.86;呈負(fù)相關(guān)關(guān)系像元主要分布在西北、西南和東北地區(qū),其中新疆北部和內(nèi)蒙古高原中部負(fù)相關(guān)關(guān)系最明顯,最低相關(guān)系數(shù)約-0.83。

圖7 1985—2015年NDVI與氣候因子的相關(guān)系數(shù)Fig.7 Pearson correlation coefficients between NDVI and climatic factors from 1985 to 2015

本研究分析了不同生態(tài)系統(tǒng)NDVI與氣候因子年際變化相關(guān)性,結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)溫度、飽和水汽壓差和降水的敏感性逐漸降低,主要表現(xiàn)為三種氣候因子增加促進(jìn)作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NDVI增加。森林生態(tài)系統(tǒng)NDVI與溫度和飽和水汽壓差之間表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)關(guān)系,而與降水之間的相關(guān)性較小。草地生態(tài)系統(tǒng)NDVI對(duì)降水、溫度和飽和水汽壓差的相關(guān)性依次降低,且草地生態(tài)系統(tǒng)NDVI與飽和水汽壓差主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。濕地生態(tài)系統(tǒng)NDVI對(duì)溫度的敏感性強(qiáng)于降水和飽和水汽壓差,主要表現(xiàn)為溫度的增加促進(jìn)濕地生態(tài)系統(tǒng)NDVI增加?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)NDVI在所有生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)溫度的敏感度最低,降水主要是促進(jìn)荒漠生態(tài)系統(tǒng)NDVI增加,飽和水汽壓差對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)NDVI影響的差異最大(相關(guān)系數(shù)r值分布最離散)。

圖8 不同生態(tài)系統(tǒng)NDVI與氣候因子的相關(guān)系數(shù)Fig.8 Boxplot of correlation coefficients between NDVI and climatic factors in different ecosystems

2.4 不同生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)氣候因子的時(shí)間響應(yīng)

圖9展示了1985—2015年中國(guó)陸地NDVI在月尺度上對(duì)氣候因子的9種累積滯后組合的空間分布。NDVI與降水的累積滯后相關(guān)分析結(jié)果顯示,在中國(guó)絕大區(qū)域,植被對(duì)降水在各累積滯后組合下都表現(xiàn)出正效應(yīng),僅在西南地區(qū)青藏高原西部、西北荒漠區(qū)域和東部(華北、華中、華東交界)部分區(qū)域表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng),且都是累積3個(gè)月的降水抑制植被生長(zhǎng)。在降水促進(jìn)植被生長(zhǎng)的區(qū)域中,西南四川盆地植被生長(zhǎng)對(duì)降水的響應(yīng)最快(累積1月滯后0月),華南沿海地區(qū)降水對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用存在明顯的累積效應(yīng)。NDVI與溫度的累積滯后相關(guān)分析結(jié)果顯示,總體上中國(guó)北方植被生長(zhǎng)對(duì)溫度的響應(yīng)比南方快,青藏高原區(qū)域溫度對(duì)植被生長(zhǎng)在不同累積滯后情況存在正負(fù)兩種效應(yīng)。四川盆地和華東農(nóng)田區(qū)域植被生長(zhǎng)對(duì)溫度的響應(yīng)最快,且為正效應(yīng)。NDVI與飽和水汽壓差的累積滯后相關(guān)分析結(jié)果顯示,僅有新疆天山山脈、西南橫斷山脈和華中極少數(shù)平原地區(qū)的植被生長(zhǎng)對(duì)飽和水汽壓差響應(yīng)慢且表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。其他地區(qū)飽和水汽壓差對(duì)植被生長(zhǎng)都表現(xiàn)為正效應(yīng),其中西北準(zhǔn)格爾盆地和東南部植被對(duì)飽和水汽壓差變化的響應(yīng)較快,而在青藏高原和北方地區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)飽和水汽壓差的累積存在滯后效應(yīng)。

圖9 不同氣候因子的累積滯后對(duì)NDVI的影響(紅:負(fù)效應(yīng);綠:正效應(yīng))Fig.9 The effects of climatic factors accumulation-lag to NDVI (Red: negative effect; Green: positive effect)

圖10展示了像元尺度上不同生態(tài)系統(tǒng)NDVI與氣候因子的9種時(shí)滯組合相關(guān)分析結(jié)果。結(jié)果顯示,月尺度上不同生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)對(duì)降水的時(shí)間響應(yīng)差異不大。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)降水響應(yīng)及時(shí),其NDVI與滯后0月的降水相關(guān)性較高。森林生態(tài)系統(tǒng)NDVI與累積3個(gè)月降水的相關(guān)系數(shù)較高。草地生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)對(duì)降水響應(yīng)存在1個(gè)月的滯后,考慮降水累積后幾乎無(wú)滯后效應(yīng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)對(duì)累積降水存在較明顯的滯后響應(yīng),其NDVI與累積2—3月的降水平均相關(guān)系數(shù)最大,在累積達(dá)3個(gè)月后隨滯后月份增加相關(guān)性下降明顯?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)由于植被稀疏,其NDVI與降水的9種累積滯后結(jié)果的相關(guān)系數(shù)都很低且差異小。不同生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)溫度的時(shí)間響應(yīng)規(guī)律比較一致,在不考慮累積時(shí),當(dāng)月和滯后1月的NDVI與溫度的相關(guān)性接近。農(nóng)田和濕地生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)溫度的響應(yīng)最快,其NDVI與當(dāng)月溫度的相關(guān)性最高,且滯后月份越長(zhǎng),相關(guān)性越低。森林生態(tài)系統(tǒng)NDVI與溫度所有時(shí)滯組合的相關(guān)系數(shù)都較大。草地生態(tài)系植被對(duì)溫度的響應(yīng)較快,其NDVI與滯后0月的溫度相關(guān)性較高。不同生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)對(duì)飽和水汽壓差累積兩個(gè)月的響應(yīng)更明顯,且隨著滯后時(shí)長(zhǎng)的增加相關(guān)性逐漸降低。農(nóng)田、濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)飽和水汽壓差的時(shí)間響應(yīng)規(guī)律一致,對(duì)無(wú)累積的飽和水汽壓差存在1個(gè)月滯后效應(yīng)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NDVI對(duì)飽和水汽壓差的響應(yīng)除累積3個(gè)月滯后2個(gè)月外均表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。森林生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)對(duì)飽和水汽壓差累積1到3個(gè)月情況下都沒有表現(xiàn)出滯后效應(yīng)。草地生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)在飽和水汽壓差累積1—2個(gè)月時(shí)表現(xiàn)出1個(gè)月滯后效應(yīng)。

圖10 不同生態(tài)系統(tǒng)NDVI對(duì)氣候因子的時(shí)間響應(yīng)Fig.10 Response of different ecosystems′ NDVI to climatic factors

3 討論

基于1985—2015年中國(guó)植被和氣候因子時(shí)空變化趨勢(shì)結(jié)果,本研究發(fā)現(xiàn)1985—2015年中國(guó)陸地NDVI雖在不同年份存在增減波動(dòng),但是整體呈現(xiàn)改善趨勢(shì)(圖2),與Wang等[16]、王茜等[7]、耿慶玲等[6]的研究結(jié)果較一致。本研究利用二次非線性回歸方法,分析了植被變化逆轉(zhuǎn)的拐點(diǎn),發(fā)現(xiàn)植被整體改善的區(qū)域存在植被退化逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象,且該現(xiàn)象在1995年左右出現(xiàn)(圖5)。這一發(fā)現(xiàn)表明自20世紀(jì)90年代以來(lái),中國(guó)實(shí)施的退牧、退耕還林還草、三江源生態(tài)保護(hù)等一系列生態(tài)修復(fù)工程[36]在黃土高原區(qū)域、四川盆地、中國(guó)東部等地區(qū)取得顯著成效。本研究發(fā)現(xiàn)與涂又等[34]的研究結(jié)果相似,在北疆荒漠、青藏高原區(qū)域以及東北小興安嶺和長(zhǎng)白山森林地帶的植被出現(xiàn)顯著退化。同時(shí),過度開發(fā)圍墾、養(yǎng)殖污染等活動(dòng)造成濕地生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局破碎化[37],從而導(dǎo)致植被退化。

本研究在年尺度針對(duì)植被變化分析其與氣候因子相關(guān)性,進(jìn)而解釋在不同區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)視角下氣候因子對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。內(nèi)蒙古高原中部草地生態(tài)系統(tǒng)由于氣溫較高,氣候分區(qū)上屬于干旱、半干旱區(qū)[38],降水能夠更好促進(jìn)植被生長(zhǎng)。然而植被變化會(huì)隨著氣候條件的變化在一定閾值范圍內(nèi)波動(dòng)[39],當(dāng)水熱條件的改變超過植被的適應(yīng)能力時(shí),植被將會(huì)在結(jié)構(gòu)功能等多方面受到抑制作用[10]。四川盆地、華北平原、長(zhǎng)江中下游平原等地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛,其作物由于特定物候更依賴于氣候條件,溫度的升高會(huì)加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度,這更容易加速土壤中養(yǎng)分的礦化,促進(jìn)植被的生長(zhǎng)[40]。青藏高原的高寒草地長(zhǎng)時(shí)間處于低溫條件,溫度過高會(huì)改變生態(tài)群落的小氣候環(huán)境,進(jìn)而間接或直接影響植被生長(zhǎng)[41]。研究期間橫斷山脈森林生態(tài)系統(tǒng)NDVI與溫度主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這一發(fā)現(xiàn)與熊巧利等[42]對(duì)該地區(qū)2000—2016年氣溫升高不利于橫斷山脈植被生長(zhǎng)的研究結(jié)果相符。

本研究同時(shí)分析了植被與氣候因子在月尺度的累積和滯后效應(yīng)。結(jié)果顯示森林生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)降水的累積效應(yīng)更明顯。這可能是因?yàn)槭苌痔赜械拇怪苯Y(jié)構(gòu)的影響,其冠層與林下植被層能夠截留降水并且削弱太陽(yáng)長(zhǎng)波輻射降低土壤水分蒸發(fā)。此外,林下的枯枝落葉層還可以通過吸收和滲透降水使樹木根系和林下土壤儲(chǔ)存充足水分。隨著時(shí)間的推移,森林生態(tài)系統(tǒng)所存儲(chǔ)的水分逐漸被釋放,并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠重新利用,從而避免受到即時(shí)干旱的影響[43—44]。橫斷山脈的森林生態(tài)系統(tǒng)降水累積對(duì)植被具有抑制作用,可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)地處濕潤(rùn)地區(qū),其獨(dú)特的地形條件受濕熱的南亞季風(fēng)影響,降雨過于充沛,影響植被生長(zhǎng)[23]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大部分的作物根系較淺,依賴于土壤淺層水,因此對(duì)降水的響應(yīng)更快,表現(xiàn)為四川盆地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)降水促進(jìn)植被生長(zhǎng)的響應(yīng)最快,而華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)降水的長(zhǎng)期累積抑制植被生長(zhǎng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)由于自身水分充足,導(dǎo)致降水對(duì)其的影響存在明顯的累積滯后效應(yīng)。森林生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)溫度的相關(guān)性高,且北方溫度升高促進(jìn)植被生長(zhǎng)的響應(yīng)比南方迅速,因?yàn)闇囟壬咄ǔ?huì)增強(qiáng)植被葉片細(xì)胞活性,促進(jìn)植被生長(zhǎng)[14]。南北方植被對(duì)溫度的時(shí)間響應(yīng)的差異可能是因?yàn)槟戏侥陜?nèi)溫度變化幅度小,植被受溫度限制較小。相較而言,北方溫度隨季節(jié)變化大,植被的物候特征明顯,植被對(duì)溫度的響應(yīng)更加顯著。飽和水汽壓差是導(dǎo)致植被干旱死亡的主要原因之一,也是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生物群落的重要因素[45]。新疆北部荒漠生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域?qū)儆诟珊祬^(qū),Li等研究發(fā)現(xiàn)干旱導(dǎo)致的飽和水汽壓差增加會(huì)降低植被氣孔導(dǎo)度,減緩植被綠化速率,增加植被死亡率[46]。橫斷山脈地形復(fù)雜,區(qū)域土壤保水性較差,在長(zhǎng)時(shí)間飽和水汽壓差累積時(shí),植被為了避免木質(zhì)部水分流失會(huì)通過關(guān)閉葉片氣孔減少光合作用[18]。因此,西南橫斷山脈區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)飽和水汽壓差表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間累積抑制植被生長(zhǎng)。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn)華北平原極少數(shù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)飽和水汽壓差的累積負(fù)反饋效應(yīng),其內(nèi)在原因有待于在今后的研究中進(jìn)一步探索。此外,區(qū)別氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)NDVI的影響,以及NDVI在不同植被類型下的空間異質(zhì)性也有待于在后續(xù)研究中展開。

4 結(jié)論

1) 1985—2015年中國(guó)植被呈現(xiàn)改善趨勢(shì),NDVI整體變化率為0.5×10-3/a,植被顯著改善和顯著退化的區(qū)域各占32.2%和9.0%,且絕大部分區(qū)域在研究期間存在植被變化逆轉(zhuǎn)的拐點(diǎn),植被改善的區(qū)域是在1995年左右出現(xiàn)植被退化逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。年平均降水以8.9×10-3mm/a速率微弱增加;溫度明顯上升,整體變化率從-0.6×10-2℃/a到6.7×10-2℃/a;年平均飽和水汽壓差呈現(xiàn)上升趨勢(shì),整體上升速率為2.6 Pa/a。植被活動(dòng)受全國(guó)氣候變化的影響,在農(nóng)田、森林和草地態(tài)系統(tǒng)顯著改善,濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被退化趨勢(shì)最嚴(yán)重。

2) 中國(guó)陸地植被NDVI與氣候因子的相關(guān)性存在明顯的空間異質(zhì)性,且受不同生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)影響。NDVI與降水呈正相關(guān)像元主要分布在內(nèi)蒙古高原中部草地生態(tài)系統(tǒng),負(fù)相關(guān)的主要分布森林生態(tài)系統(tǒng)和青藏高原;NDVI與溫度在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)分布的地區(qū)呈明顯正相關(guān),西部高寒、干旱地區(qū)的負(fù)相關(guān)效應(yīng)較明顯;NDVI與飽和水汽壓差呈正相關(guān)像元主要分布在中國(guó)東部農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),負(fù)相關(guān)關(guān)系最明顯像元分布在新疆北部和內(nèi)蒙古高原中部草地生態(tài)系統(tǒng)。

3) NDVI與氣候因子存在月尺度上的累積和滯后效應(yīng),且不同生態(tài)系統(tǒng)植被與氣候因子的時(shí)間累積滯后效應(yīng)具有差異性。森林生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)降水累積響應(yīng)明顯,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)降水的響應(yīng)最快;不同生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)溫度的響應(yīng)表現(xiàn)在當(dāng)月或滯后1月呈現(xiàn)最高的相關(guān)性;不同生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)對(duì)飽和水汽壓差累積兩個(gè)月的響應(yīng)更明顯,且隨著滯后時(shí)長(zhǎng)的增加相關(guān)性逐漸降低。