新疆地区植被对水热条件的时滞响应*

庞 静，杜自强，张霄羽

(1．山西大学资源与环境学院，太原 030006;2．山西大学黄土高原研究所，太原 030006)

1 引言

植被覆盖作为全球陆地生态系统一个重要组分，其对气候变化的响应方式与响应程度是陆地生态系统与气候变化关系研究中的重要内容。地表植被与气候变化的关系因此也受到了众多研究者的持续关注，以往的工作已经在植被对光、温、水等基本气候要素的响应方面取得了长足的进展。随着近几十年遥感技术的迅猛发展，时序NDVI数据由于其空间与时相的连续特性，被众多学者作为不同时空尺度上研究植被-气候关系的最有效地数据源［1-2］，各种可供利用的多源NDVI时间序列数据也使得基于遥感估算植被对于水热等气象因子的延迟响应成为可能。

尽管国内外已有大量的研究应用NDVI时间序列遥感数据集研究不同时空尺度植被与气候的耦合关系［1-3］，但由于植被与气候之间大量的物理过程与复杂的反馈机制以及研究的时空尺度、植被类型的差异等所得到的分析结论各有不同［4］。同时，这些工作大多集中在探讨同期气候因子对植被的0时滞影响，在一定程度上忽略了地表植被在接受气候变量作用时由土壤、养分、人为活动等各种因素影响而所产生的记忆效应［5-6］。

由于气候变化对植被影响的累积效应，植被的反馈往往出现时滞。我国位于从北温带到热带、从湿润到干旱的不同气候带，西北［7］、西南［8］、东部［9］、北方［10］等不同区域的植被对气候变化呈现出了明显的时滞响应分异特征。由于植被覆盖变化的气候作用变量随着时空尺度的不同会发生变化，而且地表植被对气候变化的响应包括时空尺度各异的化学、生物物理过程，大尺度上的效应并不一定发生在小尺度上［11］。因此，为了更加深入地理解当前全球变化与植被生长的关系，更好地把握未来气候变化情景下陆地植被生态系统的演化方向，针对特定的区域，集成不同时间尺度在特定的时段开展植被对全球变化的响应研究显得尤为必要。

新疆深居欧亚大陆腹地与我国西北干旱区，地处中温带极端干旱的荒漠地带，自然环境与气候类型各异，水热分布悬殊，是全球生态系统与水资源系统最脆弱的地区之一，植物生长对气候因子依赖性较强。近几十年，在以气候变暖为主要特征的全球变化背景下，新疆的气候总体呈暖湿化趋势，加之目前频繁出现的极端天气、气候灾害等，这种特殊的气候变化情景必然会对区域的植被资源产生影响，也为从区域或局地尺度验证更大尺度植被与气候变化相互关系提供了良好的实验场所。

2 数据与方法

2.1 数据来源

由于降水、温度对植被作用的有效时间尺度分布不均匀及其年际与季节的周期性特征，在较长的时间尺度 (年、季)上会过滤掉植被与水热因子变化的细节特征而不能够真实的反应植被对水热因子的时滞响应，在旬等较短的时间尺度由于水热因子比如降水的不连续性，其时滞关系会表现出一定的随机性［12］，月尺度上，水热等具有显著生态学意义的气候指标对植被生长状况的影响更为明显［6］。因此，从月尺度研究植被对气候变化的响应具有更高的可信度与实际价值［13-14］。因此，该文遥感数据采用研究区1982～2006年最大化合成的逐月GIMMS-NDVI数据 (时间分辨率15天，空间分辨率8km)。该数据来源于国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”。

一般研究认为10km是气象站点数据的有效范围，故选取了以气象站点为中心10km为半径计算NDVI平均值作为气象站点所代表的该气候条件下的植被平均生长状况［15］。植被类型以气象站点所在处植被类型为主，主要包括草原植被 (草甸草原、典型草原、荒漠草原)、荒漠植被 (沙漠、戈壁、温带荒漠)、草甸植被 (温带草甸、高寒草甸)、人工植被 (主要指一年一 (两)熟或三年两熟作物)以及湿生植被的沼泽。

植被在生长过程中以气温与降水的影响最为直接与重要，在干旱区域水热条件是制约区域生态系统的主要因素。水热条件的变化直接影响新疆地区植被的生长状况且是导致该地区不同植被类型与天然草场生产力高低的决定性因素，其他气候因子的影响相对较弱［16］。因此，气象数据仅采用新疆境内同期历年逐月平均温度与降水量数据 (图1)，其来源于中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候月值数据集。借鉴前人研究［17-18］，遵从地理或行政区域的习惯归属，选取哈巴河、黑山头、吉木乃等39个气象站代表北疆区域;七角井、库米什、和静等20个气象站代表南疆区域;尼勒克、巩留、新源等13个山区气象站代表天山山区。北疆、天山山区及南疆的气温、降水因子取各归属气象站点的月平均值得到气温与降水的逐月区域平均状态。

2.2 研究方法

2．2．1 时滞概念界定

时滞概念理解为气候变量系统前一时刻状态对植被生态系统当前状态的滞后作用程度或植被生态系统的当前状态对气候变量系统的前一时刻状态的记忆程度［19］。在气候变量系统发生改变时，植被需要通过一定的时间才能对气候因子的变化做出反应，植被的这种延迟响应通常以一定时间尺度内植被与气候因子的相关水平在时间上是否出现滞后现象来衡量，时间序列的滞后相关分析以通过P≤0．05的显著水平的t检验为依据［20］。如果有滞后互相关现象，则说明植被对气候变化的响应具有时滞效应，将气候要素与植被NDVI相关系数通过P≤0．05水平显著检验的持续时间长度称为时效，影响程度则通过时滞相关系数的大小来判断。

图1 研究区位置及气象站点分布

2．2．2 数据归一化

由于NDVI与气象因子值域区间相差较大，在分析NDVI对气候因子之间的响应关系时为了避免大值对小值的掩盖，需要对原始水热因子数据进行标准化处理。该文采用SPSS进行数据Z标准化得到时序标准化数据集。

2．2．3 时滞互相关分析

时滞互相关分析通过设定多个连续的时间滑动窗口计算某一时间段内的自变量与因变量之间的线性相关系数，从而确定自变量对因变量的作用时效与作用强度。该文采用目前研究滞后效应比较常用的时滞互相关方法［5-6］。

3 结果与分析

3.1 不同站点植被对水热条件的时滞响应特征

基于气象站点分析植被对气候因子的时滞响应，能够得到更准确的时滞效应时间尺度［21］。分析结果(图2)表明不同站点的水热因子组合对植被的影响不同:植被对降水的响应具有时滞性的站点比例为86．11%，其中1个月时滞响应的占总站点的37．50%，2个月时滞响应的占总站点的43．06%，3个月时滞响应的站点仅占总站点的5．56%;植被对气温的响应具有时滞性的站点占到94．44%，其中时滞时效为1个月的占总站点的61．11%，时滞时效为2个月的占总站点的31．94%，时滞时效3个月的站点仅占1．39%;降水与气温0时滞的站点分别为6．94%与5．56%。同时，分析站点的植被对气候变化的响应结果也发现 (图1):对于降水，植被与前期降水的相关程度大于同期的占到总站点的52．8%，小于同期的占到总站点的33．3%;对于气温，植被与前期气温的相关程度大于同期的占到总站点的44．4%，小于同期的占到总站点的48．6%。当然，植被与气候因子的相互作用是一个非常复杂的过程，全疆仍有少部分站点植被与降水与温度均无显著相关，这说明植被生长还受到土壤类型、地形、生物及人类活动等其它非气候因素的影响。这些因素对气候变化的缓冲作用是植被对气候条件变化产生时滞响应的因素之一。

图2 不同站点植被对水热条件的时滞响应时效与时滞相关程度统计

3.2 不同区域植被对水热条件的时滞响应特征

全疆植被NDVI与降水与气温的时滞相关分析表明，植被对降水的响应通常表现为2个月的滞后 (r=0．663，P=0．036)，对气温的响应表现为1个月的滞后 (r=0．911，P=0．000)，植被对前期降水与对同期气温的响应程度较为明显，且随着月份的推移时滞相关系数越来越小。但由于北疆、天山、南疆各分区气候条件的差异，新疆不同气候区的植被对水热因子的响应表现出鲜明的区域特征 (表1):(1)响应时效不同，北疆地区植被对气温的响应滞后1个月，对降水的响应滞后2个月;南疆地区植被对气温与降水的响应均滞后2个月;天山山区植被对气温与降水的响应均滞后1个月。(2)响应程度各异，北疆地区前1个月的降水对植被的影响程度大于同期与前2个月的影响程度，而气温对植被同期的影响程度大于前期 (前1个月与前2个月);南疆地区前1个月的降水与气温对植被的影响程度均大于同期与前2个月;天山山区则是同期的降水与气温对植被的影响程度均大于前期 (前1个月)。

北疆、天山、南疆复杂各异的地形条件及其对降水、大气温度、太阳辐射、风力活动、水气传输等气候变量的重新分配与组合，使其形成了植被对局地小气候因子时滞响应的空间差异。在内陆干旱区与高山带，植被的动态最容易受到土壤水分的影响。新疆地处受水分限制的西北干旱区，土壤有效水分的不足可能导致植被响应气候变化出现时滞效应。

表1 不同地区植被对水热因子响应的时滞互相关关系

3.3 不同类型植被对水热条件的时滞响应特征

由于不同类型植被对自然环境的适应性与敏感性，它对气温与降水量的变化往往不能即时响应。从植被对水热因子的时滞响应时效 (表2)来看，草甸、草原、荒漠及人工植被对气温响应时滞均为1个月，而沼泽植被对气温的响应时滞最长可达3个月;草甸与草原植被对降水的响应均滞后1个月，而荒漠、沼泽及人工植被对降水的响应则滞后2个月。这说明，草甸与草原普遍对水热因子反映较为敏感，而荒漠与沼泽植被对水热条件的反映则较为迟缓。人工植被多集中在绿洲与降水量相对较为丰富的地区、灌溉等水利条件良好，所以对降水并不敏感，而对气温的变化响应较为迅速。从植被对水热因子的时滞响应程度(表2)来看，草甸与草原植被对水热的响应相关程度同期均大于前期，当月的降水与气温均对其有较大影响;荒漠与人工植被对前1个月的降水响应程度大于同期，而对温度的响应程度与降水正好相反，同期大于前期，当月的温度与上1个月的降水对其影响较大;沼泽植被对水热条件的响应程度与草甸、草原相反，均呈现为前期大于同期，当月的水热条件并没有完全发挥其作用力。这说明，各类植被相比，草原与草甸植被对水热响应都比较敏感，荒漠与人工植被对温度的反应比对降水的反应敏感，沼泽植被对水热因子反应均比较迟缓。

不同植被类型对水热条件的时滞响应也表明植被类型不仅影响NDVI与气候变量的相关程度，也影响着NDVI对气候变量的响应时间。干旱、半干旱区植物的生长发育、草原的养分循环、群落结构以及生态系统功能都高度依赖于土壤水分的变化，温度的变化无疑影响着土壤水分含量，进而影响土壤养分的供给。因此，不同类型植被对土壤养分及水分的吸收能力不同，这很可能是导致不同类型植被对水热等影响因子的记忆效应存在时间差异的原因［5］。

表2 不同类型植被对水热因子响应的时滞互相关关系

4 结论与讨论

对各个气象站点1982～2006年逐月GIMMS-NDVI与同期对应的水热因子进行时滞互相关分析，研究这些气象站点所代表的主要植被类型对水热条件变化的响应关系，以讨论植被生长过程中水热因子变化对其的影响程度以及不同气候区域植被对水热条件变化的响应差异。基于站点的时滞相关分析方法探讨植被对气候因子记忆效应，能够弥补水热因子空间内插所带来的不可控误差的不足，研究结果将有助于更加深入的认识西北干旱区植被对气候变化的响应与反馈。

总体上，新疆地区植被对水热变化的响应都存在一定时间段的记忆效应，植被与前1个月与前2个月的气温与降水都有显著地相关性。从记忆时效来看，植被对降水的响应一般以时滞2个月为主，对气温的响应一般以时滞1个月为主。在月尺度上植被对降水响应比对气温的响应滞后期长，可能与降水有一个通过土壤渗透、植物根系吸收才能被地表植被吸收的物理过程有关。这与韦振锋等［22］的西北地区植被对降水的响应比对气温的响应滞后期长的结论相一致。从时滞相关程度或水热因子对植被的影响程度来看，植被对前期降水与对同期气温的响应程度较为明显。南、北疆、天山山区不同气候区域的植被以及草甸、草原、荒漠及人工植被等不同类型的植被对水热因子在时滞响应程度与响应时效方面也表现出明显的时空异质性。李晓兵与史培军［23］分析了中国典型植被与气温、降水的敏感性，发现荒漠植被对降水的变化表现出2个月的滞后时间，而且较当月与上个月降水的变化显示出相差很小的相关关系，该文的结果与此一致。但所用数据、研究方法以及时空尺度的不同可能会导致不同的研究结果，比如，蒲云锦与韩春光［24］分析2002～2008年新疆地区48个气象站点的月温度与月降水与以对应气象站点为中心半径60 km范围的MODIS NDVI植被指数的响应关系表明，全疆植被与温度与降水有1个月时间滞后差，南疆植被与温度以及北疆植被与降水均有1个月的滞后响应关系，该文的结论与此存在一定的差异。一个可能的解释在于水热因子组合对植被的生长影响机制复杂，在不同时期其发挥的作用也不尽相同。这也说明，受气候因子与人为影响的协同作用，干旱生态系统植被对全球变化的响应仍然存在众多的不确定性尚待厘清［25］。因此，进一步的研究需要地从当地植被群落结构、土壤质地、地形条件、土地利用、农牧业活动等角度对植被的记忆效应做出更加深入的机理阐释。

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