黄土高原植被类型变化和空间分布对气象因子变化的响应

李 斌,张金屯

(1.中北大学化工与环境学院,太原 030051;2.北京师范大学生命科学学院,北京 100875)

1 前 言

全球变化对生态系统的结构、功能及分布产生了重要的影响,陆地生态系统与气候变化的关系,是全球变化研究的重要内容,植被与气候变化的关系一直是其中研究的焦点之一。植被地带的形成,是大气候长期作用的结果,如果气候发生较大幅度的变化,必然会反映到植被上,也就是说气候变化会对植被分布格局产生重要影响。因此,对植被地带的分析,可以研究气候对植被的影响[1]。黄土高原,位于 100°52′～114°33′E,33°41′～41°16′N,是世界上黄土分布面积最大、最集中和黄土地貌最典型的地理单元。黄土高原西部和北部临近大陆干旱气候区,受到沙漠化的严重威胁,而高原的其他地区则旱作农田较多,植被缺乏,水土流失严重,干旱频繁,是气象因子变化敏感区[2,3]。当前对于植被类型变化和气候关系的研究,多是零星的,小尺度的[4,5],关于黄土高原区域尺度水平上植被类型变化和空间分布对气象因子变化的响应关系的研究还未有报道。

本文在利用双向指示种分析 (Two-way indicator species analysis,T W INSPAN)分类和除趋势典范对应分析 (Detrended Canonical Correspondence Analysis,DCCA)排序的基础上,选择包括森林、森林草原、温性草原、荒漠半荒漠等植被类型在内的 171种典型植被类型,对年平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、年降水量、平均风速等气象因子变化的响应进行了研究。

2 研究方法

2.1 数据来源

本项研究所利用的植被数据为植被类型面积,来自黄土高原植被类型数字地图的数据库。从原始黄土高原植被图到生成本项研究所用的 171种典型植被类型面积数据的全部处理过程采用MapGIS6.0完成,以保证数据质量[6]。气候数据引用黄土高原典型植被类型所在县 (市、区)或邻近县 (市、区)的气象资料,除极少数站外,大部分为 25年以上观测记录的平均值。根据黄土高原气候特征,选取年平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、年降水量、平均风速作为气象因子用于数据分析。

2.2 数据处理方法

在 GIS软件支持下,创建黄土高原的地理坐标,形成标准经、纬度黄土高原植被类型分布图。

利用 GIS技术,从植被类型图上,提取每一种类型的空间分布范围,然后分别与气象站叠合。根据各类型空间分布的范围和各气象站的空间分布特征,生成植被类型面积数据库及其对应的气象数据库[6]。对数据矩阵用除趋势典范对应分析 (Detrended Canonical Correspondence Analysis,DCCA)进行排序,排序轴代表了植被的变化梯度。DCCA排序用国际通用软件 CANOCO完成计算[7]。

植被数据与年平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、年降水量、平均风速等气象因子数据共同构成本项研究的基本数据集。在此基础上,在 GIS软件支持下,对黄土高原植被类型变化和空间分布对气象因子变化的响应关系进行了分析。

3 结果与分析

应用DCCA分析方法,把植被数据矩阵和气候数据矩阵结合起来。因为DCCA排序结合了气象因子,其应反映出气象因子的作用。在排序图中各气象因子符号的意义为：AMT：年平均气温;MHT：月平均最高气温;MLT：月平均最低气温;ASH：全年日照时数;AME：全年最大蒸散量;AP：年降水量;MWS：平均风速。图中,气象因子用箭头表示,箭头连线的长短表示植被类型的分布与该因子关系的大小。

下图是黄土高原主要植被类型的DCCA二维排序图,我们从 171个植被类型中选择了指示植被类型和主要的植被类型表示在图上。从图中可以明显地看出与气候梯度相关的植被类型的生态梯度。黄土高原地区的主要地带性植被类型：暖温带森林植被,暖温带森林草原植被、温带草原植被、温带荒漠半荒漠植被在DCCA排序图上有规律地分布,从右向左,植被由暖温带森林植被、暖温带森林草原植被、温带草原植被过渡到温带荒漠半荒漠植被。

图 黄土高原主要植被类型与气象因子叠加的DCCA排序Fig. DCCA ordination diagram of vegetation and meteorological factors in Loess Plateau

为了反映黄土高原各气象因子变化对植被类型变化的影响,计算了各气象因子之间的相关系数(见下表)。反映了气象因子之间的相关性的大小。从下表和上图中可以看出,位于同一象限的气象因子,相关系数为正值,位于不同象限的气象因子,相关系数为负值。这表明年降水量、月平均最高气温和月平均最低气温三者之间为正相关,而三者与年平均气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、平均风速之间是负相关,反之亦然。全年最大蒸散量和平均风速的相关性最大,相关系数达到 0.766,年降水量和全年最大蒸散量的相关性也较大,相关系数达到 -0.648。年平均气温和全年最大蒸散量的相关性最小,相关系数为 0.051,年平均气温和全年日照时数的相关性也较小,相关系数为 -0.185。

表 黄土高原各气象因子之间的相关性分析Tab. Correlation analysis among the meteorological factors

3.1 森林植被

从图中可以看出,降水变化对森林植被类型的变化和空间分布的影响关系比其他气象因子变化的影响强,森林植被所处的大部分地区年降雨量在550～800mm。特别是分布在恒山、吕梁山、中条山和子午岭等的落叶阔叶林的变化主要与降水的变化有关。从东到西,降水条件变化对森林植被类型变化的影响逐渐减小,森林植被类型的变化和空间分布与月平均最高气温和月平均最低气温的关系也比较好。从东到西,月平均最高气温和月平均最低气温变化对森林植被类型变化和空间分布的影响逐渐减小,即森林植被类型变化对月平均最高气温和月平均最低气温的敏感性减小。

3.2 森林草原植被

上图中,降水变化对森林草原植被类型的变化和空间分布的影响关系比与其他气象因子变化的影响强,森林草原植被所处的大部分地区年降雨量在400～550mm,降雨增多,特别是夏秋季多暴雨,月平均最高气温、月平均最低气温变化亦有一定的影响。从景观上看此植被区是森林与草原交错分布地带,因长期人为破坏植被、恳荒种田,大部分地区目前植被较少,以草原植被为主。在黄土高原上耐旱的草原植物沿着梁、峁顶部和阳坡向南延伸,中生的乔木树种则沿沟谷分布于沟谷和梁、峁的阴坡,组成各种森林草原植被。从东到西,降水条件变化、月平均最高气温、月平均最低气温变化对森林草原植被类型变化和空间分布的影响逐渐减小。年平均气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、平均风速对植被类型变化和空间分布的影响逐渐增加。主要是低温限制了暖温带植被向北的分布,年平均 8℃气温等值线大致经过原平、离石、神木、榆林、志丹、华池、环县、平凉、泾源等地。此线以南为暖温带,以北为温带。

3.3 草原植被

图中,从东到西,降水量、月平均最高气温、月平均最低气温变化对植被类型变化和空间分布的影响逐渐减小,年降雨量在 300～400mm,较森林植被区、森林草原区大为减少,植被年平均气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、平均风速对植被类型变化和空间分布的影响增加。上表中年降水量和全年最大蒸散量的负相关性最大,年降水量减少,全年最大蒸散量增大,年降水量和全年最大蒸散量之间构成了这样一种极不平衡的条件,农田水分亏缺十分严重,年平均气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、大风、降水量等综合因子对黄土高原植被类型变化和空间分布的影响使森林草原植被往西北转变成轻干旱的典型草原、重半干旱荒漠化草原。草甸草原分布在海拔高,气候寒冷的地区,其植被类型变化和空间分布主要年平均气温变化的影响。

3.4 荒漠半荒漠植被

图中,荒漠半荒漠植被类型的变化和空间分布明显受全年最大蒸散量、全年日照时数变化、年平均气温和大风的影响。由于荒漠半荒漠植被主要分布于大陆性干旱半干旱带气候控制下的中纬度地带的内陆盆地与低山,气候极端干旱,绝对干旱期约占 4到 5个月。年降雨量小于 200㎜,年降水量对荒漠半荒漠植被类型的变化和空间分布的影响较小,而全年最大蒸散量大,风沙活动强烈,全年最大蒸散量和平均风速的正相关性最大,在二者的促进作用以及全年日照时数变化、年平均气温增大的共同作用下,对植被类型的变化和空间分布产生了明显的影响。植被主要以红砂 (Reaum uria soogorica)、珍珠 (Salsola passerina)、盐爪爪 (Kalidium foliatum)等超旱生的半灌木和小灌木占优势。沙冬青 (Ammopip tanthus)、四合木 (Tetraena mongolica)、绵刺 (Potaninia mongolica)等为特有类型。

4 讨 论

植被和气候的关系一直是国内外全球变化研究的焦点之一,植被生长和气象因子密切相关,植被变化对气象因子的响应具有显著的时空差异[8]。全球气候变化的趋势是基本一致的,即全球气候变暖[9]。因此水分蒸发量必然增加,这将导致全球平均降雨量增加[10],但雨量增加也是不平衡的,高纬度地区和极地增加幅度较大,且季节变化较大。而在黄土高原中纬度地区,雨量也有所增加,但由于温度升高,蒸发量加大,积雪溶化提早,雨季也提前,故夏季也将更加干燥,土壤水分减少,内陆干旱矛盾更为突出。黄土高原处在东南季风与西北大陆性气候的过渡地带,因此,降雨量较少,年降水量东南部可达 800㎜左右,往北往西到呼和浩特和兰州一线就降到 400㎜,往西北到宁夏平原就降到 200㎜以下。由于黄土高原光热资源优越,导致气候干旱,同时区内大风日数较多,使得全年最大蒸散量较高。黄土高原的蒸发量普遍高于实际降水量,其总的趋势是南低北高,东低西高。在年降水量最低的西北部,全年最大蒸散量最高,两者之间构成了一种极不平衡的条件,水分亏缺十分严重。目前应对全球气候变化的措施主要集中在减少CO2等温室气体的排放,包括优化能源结构、节约能源、提高能效、发展可再生能源和核电、提高绿色植物覆盖面积等方面的一系列措施。此外,加大海洋 CO2库容量的研究、加强碳捕获和封存技术的研究也是控制气候变暖的积极途径。本文经过对171种主要植被类型沿空间梯度的变化和空间分布对气象因子的响应关系进行分析后,可以看出,就黄土高原而言,从东南到西北,降水量、月平均最高气温、月平均最低气温逐渐减少,年平均气温、全年日照时数、全年最大蒸散量、大风逐渐增加,植被类型由东南湿润半湿润森林、半干旱森林草原往西北转变成轻干旱的温带典型草原、重半干旱温带荒漠化草原、干旱的荒漠半荒漠植被。说明气候条件的变化对这些植被类型生长状况的变化有较大的影响。气象因子的变化影响着黄土高原植被的分异。

[1] 张金屯.全球气候变化及对农业的影响[J].环境与开发, 1999,14(4)：5-9.

[2] 钱正安,吴统文,宋敏红,等 .干旱灾害和我国西北干旱气候的研究进展及问题[J].地球科学进展,2001,16(1)：28-38.

[3] 任 瑾,罗哲贤 .从降水看我国黄土高原地区的干旱气候特征[J].干旱地区农业研究,1989,(2)：36-43.

[4] 米湘成,张金屯,张 峰,等 .山西高原植被与气候的关系分析及植被数量区划的研究[J].植物生态学报,1996,20(6)：549-560.

[5] 张金屯.典范主分量分析及其在山西高原植被与气候关系分析中的应用[J].地理学报,1998,56(3)：256-263.

[6] 李 斌,张金屯 .黄土高原地区植被生态信息系统研究[J].环境科学与技术,2004,27(1)：48-50.

[7] Braak C J F Ter.CANOCO-a Fortran program for canonical community ordination[M].Agriculture Mathematics Group,Wageningen,1988.

[8] 陈云浩,李晓兵,史培军 .1983—1992年中国陆地NDV I变化的气象因子驱动分析[J].生物生态学报,2001,25(6)：716-720.

[9] CENRRNSTC(Committee on Environment and Natural Resources Research of the National Science and Technology Council).Our changing plant--the fiscal year[M].Washington,D.C.：US Global Change Research Program,1995.1-38.

[10] Watson R T,ZinyoweraM C,Moss R H.Climate Change 1995：Impacts,Adaptaitons andMitigation of Climate Change：Scientific-TechnicalAnalyses Published for the IPCC[M].New York：Cambridge University Press,1996.3-10.