劉佩霞,王軍邦,孫曉芳,王 猛,李英年

(1.曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,山東 日照 276800;2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,北京 100101;3.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧 810001)

植被的生長(zhǎng)受諸如空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射和降水等多個(gè)因子的綜合作用[1-2],因此研究草地植被生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的氣候條件適宜狀況具有重要意義。

光、溫、水的上下界參數(shù)是生態(tài)過(guò)程模型輸入的重要參數(shù)[3],包括適宜植被生長(zhǎng)的“三基點(diǎn)”溫度[4]以及影響氣孔關(guān)閉和打開(kāi)的水汽壓虧缺上下限參數(shù)等[5-6]。但多數(shù)氣候適宜性模型中,參數(shù)多以歷史資料或前人研究來(lái)確定[7-10]。而存在參數(shù)本身的適宜性及多種脅迫交互影響的問(wèn)題,如其他環(huán)境因子脅迫對(duì)溫濕度適宜性參數(shù)存在影響,這些問(wèn)題有可能降低植被對(duì)氣候變化響應(yīng)量化的不確定性[11-12]。以往學(xué)者的研究多集中于不同草地類型或不同氣候區(qū)草地植被對(duì)氣溫、降水的線性響應(yīng)關(guān)系[13-15],但氣候變化對(duì)草地植被的影響具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,高時(shí)空分辨率長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)為植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[16],結(jié)合多種生態(tài)過(guò)程模擬模型可以從像元尺度更加有效分析植被的氣候適宜性狀況[17-18]。因此,發(fā)展消除多環(huán)境因子脅迫的參數(shù)優(yōu)化算法,基于長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),優(yōu)化植被對(duì)光、溫、水等的適宜性參數(shù),是對(duì)氣候變化敏感的高寒草地生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)。

三江源地區(qū)位于青藏高原腹地,植被類型以高寒草地為主[13],對(duì)全球氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感和強(qiáng)烈[19]。該區(qū)域高寒草地植被對(duì)氣候變化的適宜程度決定了草地植被生產(chǎn)力的狀況,關(guān)系到野生動(dòng)物的棲息地分布、畜牧業(yè)發(fā)展程度以及國(guó)家安全屏障功能的穩(wěn)定維持[20]。因此,本文以三江源高寒草地為研究區(qū),主要考慮溫度、水汽壓虧缺和日照時(shí)數(shù)三個(gè)氣象因子,在像元尺度上,采用滑動(dòng)窗口和分位數(shù)參數(shù)擬合算法,確定降低其他因素脅迫情況下的溫度和水汽壓虧缺氣候閾值參數(shù),構(gòu)建氣候適宜性指數(shù)模型[21-22],以5—9月為生長(zhǎng)季[23],分析研究區(qū)生長(zhǎng)季氣候閾值參數(shù)的影響因子,進(jìn)而建立考慮溫度、日照、水分的綜合氣候適宜性指數(shù),分析高寒草地植被氣候適宜性的時(shí)空變化特征。在全球氣候變化背景下,本研究不僅能夠?yàn)橹脖簧a(chǎn)力模型提供氣候響應(yīng)參數(shù),也將為理解和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候情景下植被變化提供生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[24]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于青藏高原腹地,是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地,也是氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)。研究區(qū)的地理范圍為31°39′～36°12′N,89°45′～102°23′E,其氣候特點(diǎn)是溫度低、降水少、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、空氣稀薄。三江源地區(qū)呈東高西低的地形特征(圖1)。草地類型包括溫性草原類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、溫性荒漠類、高寒荒漠類、低地草甸類、高寒草甸類和溫性山地草甸類;其中,高寒草甸類、高寒草原類是三江源地區(qū)的主要植被類型,分別占三江源區(qū)總面積的68.14%以及24.58%。高寒草甸類主要分布在長(zhǎng)江源區(qū)的南部、瀾滄江源區(qū)和黃河源區(qū)的大部分地區(qū),溫性草原類占三江源區(qū)總面積的4.42%,主要分布在海南藏族自治州的中部地區(qū),其他屬于隱域性類型,分布面積較小。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1植被吸收光合有效輻射比數(shù)據(jù) 植被吸收光合有效輻射比(Fraction of absorbed photosynthetically active radiation,FPAR)數(shù)據(jù)來(lái)源于GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集和MODIS中的FPAR數(shù)據(jù)集(FPARMCD15A2H)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-ANN)算法將兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行融合,生成2000-2018年三江源區(qū)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的FPAR數(shù)據(jù)。新數(shù)據(jù)集的空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為8天[25]。

1.2.2氣象數(shù)據(jù) 氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.nesdc.org.cn/)提供的三江源區(qū)氣象數(shù)據(jù)空間插值數(shù)據(jù)集。為了與FPAR數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率一致,該數(shù)據(jù)也被直接插值為空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為8天。氣象要素包括日最低和日最高氣溫、日降水量、日相對(duì)濕度(RHU,%)與日照時(shí)數(shù)(SSD,h)。基于全球日氣候歷史數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Daily Global Historical Climatology Network-Daily,GHCN-D)和中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心制作的“中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集”提供的氣象臺(tái)站觀測(cè)的日值數(shù)據(jù),應(yīng)用澳大利亞國(guó)立大學(xué)研制的ANUSPLIN氣象數(shù)據(jù)空間插值軟件[26],進(jìn)行空間插值。其中水汽壓虧缺(VPD,kPa)根據(jù)RHU和氣溫間關(guān)系(公式1)[27-30]計(jì)算得到。

(1)

式中：Tm為生長(zhǎng)季平均溫度,RHU為空氣相對(duì)濕度。

1.2.3草地類型數(shù)據(jù) 草地類型數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)1∶100萬(wàn)草地資源圖》。首先將全國(guó)草地分布區(qū)的縣域內(nèi)野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行編制,后輔以航、衛(wèi)片編制了縣級(jí)1∶5萬(wàn)或1∶10萬(wàn)草地類型圖、草地等級(jí)圖、草地利用現(xiàn)狀圖,最終按照國(guó)家統(tǒng)一編制規(guī)范和制圖綜合原則,編制成了國(guó)家級(jí)1∶100萬(wàn)草地資源圖[31]。在本研究中,根據(jù)《中國(guó)1∶100萬(wàn)草地資源圖》,將17種草地類型合并為7種類型(圖1)：溫性草原類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、溫性荒漠類、高寒荒漠類、低地草甸類、高寒草甸類和溫性山地草甸類。

1.3 氣候適宜性計(jì)算方法

1.3.1溫度適宜性指數(shù) 根據(jù)Churkina等[21]前人的研究,植被在生長(zhǎng)過(guò)程中受三基點(diǎn)溫度(最高溫度、最適溫度、最低溫度)的影響,因此,溫度適宜性指數(shù)采用下式計(jì)算：

(2)

(3)

式中：S(T)為植物溫度適宜性指數(shù);B為中間參數(shù);Tm,Tmin,Tmax,Topt分別為植物在生長(zhǎng)季的平均氣溫、最低氣溫參數(shù)、最高氣溫參數(shù)和最適氣溫參數(shù);當(dāng)Tm≤Tmin或Tm≥Tmax時(shí),S(T)=0;當(dāng)Tm=Topt時(shí),S(T)=1。

1.3.2水分適宜性指數(shù) 飽和水汽壓虧缺(VPD)變化會(huì)影響葉片表面氣孔打開(kāi)和關(guān)閉,過(guò)高或過(guò)低VPD會(huì)形成環(huán)境脅迫而影響植被的生長(zhǎng)[32-33],因此,本文采用了基于VPD的水分適宜性指數(shù)。根據(jù)前人研究[5,10],使用公式(4)計(jì)算水分適宜性指數(shù)：

(4)

式中：S(V)代表水分適宜性指數(shù),VPD為生長(zhǎng)季水汽壓虧缺量;VPDopen為生長(zhǎng)季水汽壓虧缺量下限值;VPDclose為生長(zhǎng)季水汽壓虧缺量上限值。根據(jù)公式(4)可以看出,VPD越大,S(V)越小,表明高VPD的植被氣候適宜性低。

1.3.3輻射適宜性指數(shù) 太陽(yáng)輻射是綠色植物進(jìn)行光合作用時(shí)重要能量來(lái)源,鑒于輻射數(shù)據(jù)不易獲取,本文采用了基于日照時(shí)數(shù)的輻射適宜性指數(shù)的計(jì)算方法如下：

(5)

1.3.4綜合適宜性指數(shù) 植被的氣候適宜性是溫度、水分、輻射等氣象要素對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育適宜程度的綜合反映,本文以氣溫、日照、水分適宜指數(shù)為基礎(chǔ),采用全乘積法建立氣候適宜性指數(shù)[10]。

S=S(T)×S(V)×S(S)

(6)

式中,S為綜合氣候適宜性指數(shù);S(T),S(V),S(S)分別為溫度、水分和輻射適宜性指數(shù)。可以看出,光、溫、水匹配越協(xié)調(diào),綜合適宜性指數(shù)越大,越利于植被生長(zhǎng);若任一指數(shù)值偏低,則使植被總體氣候適宜性降低。

1.4 參數(shù)優(yōu)化算法

在像元尺度,對(duì)于2000—2018年每8天時(shí)間序列數(shù)據(jù),氣候因子為自變量X,植被吸收光合有效輻射比數(shù)據(jù)為因變量Y;在X從小到大變化梯度上,采用滑動(dòng)窗口提取X的第i個(gè)窗口中所有Y大于其第三分位數(shù)的所有X和Y的值,若Y的樣本數(shù)N大于30時(shí),認(rèn)為是X條件下不受其他環(huán)境因子脅迫時(shí)植被生長(zhǎng)為Y。采用最小二乘法擬合模型以求解參數(shù)。但對(duì)公式2擬合時(shí),最高溫參數(shù)Tmax始終沒(méi)能收斂,因此,根據(jù)以往對(duì)草地最高溫度的研究[1,34-36],設(shè)定三江源高寒草地植被生長(zhǎng)所能適應(yīng)的最高溫度為20℃。分別對(duì)公式(2),(4)和(5)進(jìn)行了參數(shù)估計(jì),給出了像元尺度相應(yīng)的氣象因子閾值參數(shù),進(jìn)行后續(xù)分析。

1.5 趨勢(shì)分析方法

對(duì)得到的2000—2018年各氣候適宜性指數(shù)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析[37-39],主要采用了Theil Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析、一元線性回歸分析。

本文利用Theil Sen趨勢(shì)分析判斷各氣候適宜性指數(shù)隨時(shí)間序列的變化趨勢(shì),并通過(guò)Mann-Kendall檢驗(yàn)方法對(duì)Theil Sen趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn),以此判斷各氣候適宜性指數(shù)的變化趨勢(shì)是否顯著,設(shè)置置信水平α=0.05,判斷各氣候適宜性指數(shù)的年際變化趨勢(shì)顯著性水平。其次,本文運(yùn)用一元線性回歸方法測(cè)算了氣候適宜性指數(shù)與年份之間的線性回歸關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因子閾值參數(shù)

三江源地區(qū)高寒草地植被氣候適宜性參數(shù)空間分布如圖2所示,全區(qū)及分草地類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。研究區(qū)內(nèi)高寒草地植被所能耐受的最低溫度參數(shù)(Tmin)均值為-16.69℃。Tmin低于-16℃的區(qū)域占總面積的33.45%,主要分布在果洛藏族自治州大部分以及玉樹(shù)藏族自治州中部地區(qū),海南和黃南藏族自治州的東北部地區(qū)以及格爾木市東部地區(qū)也有較少的分布;其次最低溫度閾值Tmin在-26℃～-21℃時(shí)占總面積的19.28%,主要分布在玉樹(shù)藏族自治州東北部地區(qū)以及格爾木市大部分地區(qū);Tmin在-16℃～-14℃時(shí)占總面積的15.22%,主要分布在海南、黃南藏族自治州的大部分地區(qū)以及果洛和玉樹(shù)藏族自治州的南部地區(qū)。

高寒草地植被生長(zhǎng)最適溫度參數(shù)(Topt)均值為12.55℃。Topt在10℃～12℃時(shí)占總面積的35.90%,主要分布在果洛、黃南藏族自治州大部分地區(qū)、格爾木市東部地區(qū)以及玉樹(shù)藏族自治州東南部地區(qū);Topt在8℃～10℃時(shí)占總面積的33.11℃,主要分布在玉樹(shù)藏族自治州和格爾木市大部分地區(qū)以及果洛藏族自治州的中部地區(qū);Topt在12℃～14℃時(shí)占總面積的12.67%,主要分布在黃南藏族自治州的大部分地區(qū),海南、果洛以及玉樹(shù)藏族自治州的南部地區(qū)。

高寒草地植被生長(zhǎng)中使得氣孔關(guān)閉的水汽壓虧缺上限參數(shù)(VPDclose)均值為0.50 kPa。VPDclose在0.4～0.5 kPa時(shí)占總面積的40.29%,主要分布在黃南藏族自治州的大部分地區(qū)、果洛藏族自治州的東北部地區(qū)、玉樹(shù)藏族自治州的中部地區(qū)以及格爾木市的東南部地區(qū);VPDclose在0.3～0.4 kPa時(shí)占總面積的30.01%,主要分布在果洛藏族自治州的南部地區(qū)以及玉樹(shù)藏族自治州的中部地區(qū)。

高寒草地植被生長(zhǎng)中使得氣孔打開(kāi)的水汽壓虧缺下限參數(shù)(VPDopen)均值為0.13 kPa。VPDopen在0.08～0.14 kPa時(shí)占總面積的63.86%,主要分布在格爾木市、玉樹(shù)、果洛藏族自治州的大部分地區(qū)以及黃南藏族自治州的東北部地區(qū);VPDopen在0.14～0.18 kPa時(shí)占總面積的13.31%,主要分布在玉樹(shù)藏族自治州南部地區(qū)以及海南藏族自治州大部分地區(qū)。

由圖3可以看出,全區(qū)Tmin分布不均,但四個(gè)參數(shù)在全區(qū)內(nèi)均呈現(xiàn)空間變異性;高寒草原類草地植被的四個(gè)氣候閾值參數(shù)在空間分布上不均勻;其他草地類型的氣候閾值參數(shù)雖然在空間上變化較大,但均值附近概率較大。

2.2 氣候閾值參數(shù)影響因子

三江源地區(qū)溫度閾值參數(shù)(Tmin,Topt)以及水汽壓虧缺閾值參數(shù)(VPDclose,VPDopen)與海拔高度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。其中,Topt隨海拔高度升高而下降,其趨勢(shì)為-4.06℃·km-1(R2=0.708,P<0.01),而Tmin隨海拔的升高首先以5.3℃·km-1的速率降低,當(dāng)海拔達(dá)到4 640 m時(shí),以10.8℃·km-1的速率降低,下降速率增大。這一現(xiàn)象的原因是由于隨著海拔進(jìn)一步上升[40],溫度下降到了植物所能耐受的最低溫度閾值,使得草地植物生長(zhǎng)適應(yīng)能力下降。VPDclose,VPDopen隨著海拔高度的升高分別以150 Pa·km-1(R2=0.398,P<0.01)和42 Pa·km-1(R2=0.244,P<0.01)的速率下降。

圖4 三江源地區(qū)海拔高度別與Tmin,Topt,VPDclose,VPDopen的密度散點(diǎn)圖(圖(a),(b),(b),(d)分別為研究區(qū)海拔高度與最低溫度參數(shù)、最適溫度參數(shù)、水汽壓虧缺上限值和水汽壓虧缺下限值的密度散點(diǎn)圖)Fig.4 Density scatter plot of elevations against Tmin,Topt, VPDcloseand VPDopen in the Three-rivers Headwaters (Panel (a),(b),(c) and (d) display the density scatters of elevations versus Tmin,Topt,VPDclose and VPDopen in the study area,respectively)

2.3 氣候適宜性指數(shù)空間變化

根據(jù)四分位數(shù)將適宜性指數(shù)分為不同級(jí)別,如圖5所示,研究表明,受全球變暖的影響,近幾十年來(lái)三江源地區(qū)的年均溫度呈明顯上升趨勢(shì)[41]。該地區(qū)的溫度適宜性指數(shù)S(T)全區(qū)均值高于0.54,空間分布表現(xiàn)為東高西低。在25%～75%置信區(qū)間內(nèi),S(T)的值范圍為0.81～0.89。高于0.89的S(T)主要分布在海南、黃南藏族自治州大部分區(qū)域以及玉樹(shù)藏族自治州南部地區(qū)。低于0.81的S(T)主要集中于玉樹(shù)藏族自治州東北地區(qū)以及格爾木市大部分地區(qū)。從草地植被類型看,高寒草甸類植被與高寒草原類植被的S(T)高于0.61,溫性草原類植被的S(T)大部分高于0.75,張穎等[42]研究結(jié)果也顯示,三江源區(qū)高寒草甸和溫性草原的草地覆蓋度增長(zhǎng)受氣溫的影響較大。

水分適宜性指數(shù)S(V)全區(qū)均值為0.54。在25%～75%的置信區(qū)間內(nèi),S(V)的值范圍為0.47～0.61,S(V)值低于0.47的區(qū)域主要分布在玉樹(shù)藏族自治州南部和北部地區(qū)、果洛藏族自治州西北部地區(qū),以及占海南藏族自治州面積的70.84%區(qū)域內(nèi)。

輻射適宜性指數(shù)S(S)在自東南向西北地區(qū)數(shù)值不斷增大。在25%～75%置信區(qū)間內(nèi),S(S)值范圍為0.84～0.91,低于0.84的S(S)主要分布在三江源區(qū)東南部地區(qū),該區(qū)域以高寒草甸為主,高于0.91的S(S)分布在高寒草原類草地區(qū)域,即三江源區(qū)的西北部地區(qū)。三江源南部受到青藏高原西南季風(fēng)的影響,水汽充沛,極易成云,而越往北越接近柴達(dá)木盆地,到達(dá)的水汽越少,晴天日數(shù)多,所以形成了三江源地區(qū)北高南低的日照時(shí)數(shù)分布特征[43]。

2.4 氣候適宜性指數(shù)年際變化

本研究采用一元線性回歸模型,分析研究區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)季高寒草地植被的氣候適宜性指數(shù)年際變化(圖6)。同時(shí),基于像元水平,采用Theil Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析方法,展現(xiàn)高寒草地植被各氣候適宜性指數(shù)變化速率(β值)空間分布(圖7)。

由圖6所示,自2000年以來(lái),三江源高寒草地植被的溫度適宜性指數(shù)每10年以0.014的速率增加(R2=0.241,P<0.05);而水分適宜性指數(shù)、輻射適宜性指數(shù)以及綜合適宜性指數(shù)在2000—2018年間均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)(減少趨勢(shì)分別為：-0.023·(10 a)-1,-0.043·(10 a)-1和-0.026·(10 a)-1。

通過(guò)變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)空間分布(圖7),全區(qū)S(T)變化速率輕微增加及明顯增加的區(qū)域占總面積的95.23%,其次是變化速率穩(wěn)定的區(qū)域,占總面積的4.71%。這些區(qū)域主要分布在海南藏族自治州中部以及玉樹(shù)藏族自治州南部地區(qū)。與此相反,全區(qū)范圍內(nèi)S(S)變化速率沒(méi)有明顯增加區(qū)域,輕微增加區(qū)域僅占總面積的0.04%,主要分布在格爾木市東南部地區(qū),而S(S)變化速率減小(包括明顯減小及輕微減小)的區(qū)域高達(dá)總面積的97.56%。杜軍等人[44]的研究表明西藏年日照時(shí)數(shù)和各季節(jié)日照時(shí)數(shù)都存在不同程度的減少趨勢(shì),姚莉等[45]認(rèn)為,1984年以后青藏高原年日照時(shí)數(shù)呈逐漸減少趨勢(shì)。很多研究也都分析了日照時(shí)數(shù)減少的可能原因?yàn)樵屏康脑黾?尤其是低云量的增加[43]。

水分適宜性指數(shù)S(V)占總區(qū)域面積80.08%的部分呈減小趨勢(shì),包括輕微減小及明顯減小趨勢(shì)。研究區(qū)西北部地區(qū)和北部邊緣地區(qū)的S(V)變化速率呈現(xiàn)穩(wěn)定及輕微增加的趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō),綜合適宜性指數(shù)S變化速率呈現(xiàn)減小趨勢(shì),即輕微減小及明顯減小趨勢(shì)占總面積的93.59%。而S變化速率穩(wěn)定和輕微增加的區(qū)域主要分布在海南藏族自治州西北地區(qū)。

圖6 2000—2018年三江源區(qū)生長(zhǎng)季高寒草地植被生長(zhǎng)的各氣候適宜性指數(shù)年際變化Fig.6 Interannual variation of climatic suitability indices for alpine grasslands vegetation growth in the growing season in the Three-River Headwaters,2000—2018

圖7 2000—2018年三江源區(qū)生長(zhǎng)季高寒草地植被生長(zhǎng)的各氣候適宜性指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.7 Trends of climatic suitability indices of alpine grasslands vegetation growth in the growing season in the Three-River Headwaters,2000—2018

3 討論

“三基點(diǎn)”溫度和水汽壓虧缺上下限參數(shù)是影響植物葉片氣孔開(kāi)閉的重要參數(shù),也是生態(tài)過(guò)程模擬模型中必不可少的參數(shù),以往研究常常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定這些參數(shù)。Thomas等[46]在使用LPJ模型時(shí),將光合作用最適溫度作為輸入?yún)?shù),這個(gè)參數(shù)是根據(jù)公認(rèn)的植物特征給出的。然而,植物所適應(yīng)的溫度參數(shù)需要根據(jù)具體條件來(lái)確定。本文結(jié)合滑動(dòng)窗口以及最小二乘曲線擬合方法,確定了這些參數(shù),從而減少了參數(shù)的不確定性。這種方法可以更準(zhǔn)確地描述植物的生態(tài)特征,提高生態(tài)過(guò)程模擬模型的精度。

溫度是影響植被生長(zhǎng)發(fā)育的重要?dú)庀笠蛩?適度的溫度上升有助于促進(jìn)植被的光合作用和生長(zhǎng)[47]。近年來(lái),青藏高原的升溫速率是全球平均值的兩倍[48-49],氣候變暖現(xiàn)象顯著。本文研究表明,三江源區(qū)最適溫度均值在11.10℃～14.00℃范圍內(nèi),Chen等人[1]的研究表明青藏高原非森林植被的平均最適溫度為14.7℃,崔耀平等人[8]研究顯示青藏高原參考最適溫度在10℃左右,劉正佳等[9]研究表明草地的最適溫度為15.4℃,而本文研究顯示最適溫度為12.55℃,與以往研究結(jié)果較為接近。此外,Kellomaki等人[50]的研究表明,蘇格蘭松的水汽壓虧缺最適值小于0.5 kPa,Pallas等人[50]研究表明棉花的VPDopen為0.266 kPa,趙平等[51]對(duì)荷木進(jìn)行研究表明其VPDopen為0.2 kPa。而本文研究得到的VPDopen為0.13 kPa,與以往研究結(jié)果較為接近。

需要注意的是,植被對(duì)大氣水分的需求是十分敏感的[52-53]。大氣水分虧缺(VPD)是影響蒸騰和植物光合作用的主要驅(qū)動(dòng)力[54]。近幾十年來(lái),三江源地區(qū)的VPD呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)[18]。在高VPD的情況下,植物通常會(huì)關(guān)閉氣孔,從而限制光合作用[55-56]。同時(shí),高VPD還會(huì)導(dǎo)致土壤失水率的增加,從而引起陸地表面的干燥和升溫,進(jìn)而引發(fā)更加頻繁和嚴(yán)重的植物水分脅迫和干旱事件[57]。因此,VPD是全球水資源和植物水分關(guān)系的一個(gè)主要決定因素之一[58-59],而且由于其長(zhǎng)期的全球溫度上升的驅(qū)動(dòng)作用,在未來(lái)幾十年可能對(duì)植被動(dòng)態(tài)變化影響變得越來(lái)越重要[57]。

4 結(jié)論

在氣候變化的背景下,準(zhǔn)確掌握氣候敏感區(qū)的植被生長(zhǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)至關(guān)重要[60-62]。本研究通過(guò)參數(shù)優(yōu)化算法計(jì)算得到了2000—2018年三江源區(qū)高寒草地植被生長(zhǎng)的氣候適宜性參數(shù)。全球氣候變暖雖然使三江源地區(qū)高寒草地植被溫度適宜性指數(shù)大范圍增加,但同時(shí)也導(dǎo)致干旱脅迫等使水分適宜性指數(shù)廣泛下降,最終使綜合氣候適宜性指數(shù)總體減少的區(qū)域面積占比高達(dá)90%以上,表明氣候變化總體朝不利于高寒草地植被生長(zhǎng)方向發(fā)展。本研究不僅為生態(tài)模型發(fā)展提供本地化參數(shù),也為應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供重要的科學(xué)依據(jù)。