气候因子对黄土高原植被的影响

路慧萍,董刚,2*,赵芳媛,秦浩

(1.山西大学 黄土高原研究所,山西 太原 030006;2.山西大学 生命科学学院,山西 太原 030006;3.中国科学院 沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016)

0 引言

黄土高原是生态环境最脆弱的地区之一,存在干旱缺水与植被稀少等生态问题。由于长期受气候变化(如集约型暴雨和极端干旱)和人类活动(如过度放牧和采煤)的影响,黄土高原水土流失问题十分严重[1-2]。前人研究认为,黄土高原治理生态环境与减少水土流失的关键要素是改善植被[3]。植被作为生态系统的重要组成部分,有连接大气与土壤间物质与能量交换的重要作用,对气候变化响应敏感,同时具有很强的防土壤侵蚀和保水固土的作用[4-6]。

植被覆盖变化在很大程度上代表了生态环境总体状况,气候变化和人类活动均会影响植被变化[7],其中气温和降水是影响植物生长的关键气候因素[8-9],水和能源的供应决定了植被的大尺度空间变化[10-11]。张含玉等研究表明黄土高原月尺度上归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)主要受降雨量的影响,与气温相关较弱,植被生长受当月降雨量影响,无滞后期,对当月温度响应有一个月的滞后期[12]; 张翀等认为黄土高原东南部水热条件较好有利于植被生长,西北部干旱缺水,气温较高不利于植被生长,而对降水更敏感[13];史晓亮等认为黄土高原1982-2014年间植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)总体呈增加趋势且与降水量显著正相关,与气温相关较弱,可以看出降雨是影响黄土高原NPP的重要因素[14]。 虽然黄土高原植被与气候因子的响应已经进行了广泛研究,但这些复杂因素间的关系仍然没有量化,应该采用更先进合理的分析方法探索这些因素之间的直接影响和间接影响。

为了改善黄土高原地区的生态环境以及控制严重的水土流失问题,1999年国家开展退耕还林还草生态工程以陡坡地退耕还林还草为主[15],黄土高原的植被覆盖发生了较大变化,研究退耕还林后气候因子对黄土高原植被覆盖的影响,有助于理解退耕还林还草等生态工程对黄土高原生态系统功能的影响。本文基于2000-2014年遥感数据和气象数据,从以下几方面开展研究:(1)了解黄土高原2000-2014年植被覆盖的时空动态及不同气候区林木与非林木植被盖度的时间动态;(2)量化黄土高原不同气候区气候因子对植被盖度、林木盖度及非林木盖度的直接影响;(3)量化不同气候区气候因子对NPP的直接影响及通过植被盖度对NPP的间接影响,以期为以后的生态建设提供理论支持。

1 数据

1.1 研究区概况

黄土高原(100°54′～114°33′E,33°43′～41°16′N)位于中国黄河中游,是世界上最大的黄土覆盖区。(从东南至西北气候变得越来越干旱。)行政区划包括山西和宁夏的全部地区以及河南、内蒙古、青海、甘肃、陕西等省部分地区,总面积达64.87×104km2 [16](图1)。黄土高原为典型的大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季多暴雨,降水分布不均。年平均温度3.7～14℃,年总降水量144～812 mm[17]。土地利用类型主要包括林地、草地、农田[18]。按地貌类型可以分为风沙丘陵区、高原沟壑区和丘陵沟壑区等。土壤类型以黄绵土、风沙土、灰钙土、灰褐土及褐土为主,土壤固着性差易被暴雨冲刷,水土流失十分严重[19]。

Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Loess Plateau图1 黄土高原气象站点分布

黄土高原从东南向西北,年平均气温和降水量均呈递减的趋势。为了比较温度和降水对黄土高原植被盖度的影响,参考前人研究[20-22],以400 mm等降水线和8℃等温线为界,将黄土高原划分为4个气候区,即低温多雨区(Low temperature and Rainy,LR)、高温多雨区(High temperature and Rainy,HR),低温少雨区(Low temperature and Less rainfall,LL)和高温少雨区(High temperature and Less rainfall,HL)(图2),在此基础上研究气温和降水对植被的影响。

Fig.2 Climatic zones of the Loess Plateau图2 黄土高原气候分区

1.2 数据来源

植被数据来自中等分辨率成像光谱仪(MODIS)的MOD17A3 (NPP)和MOD44B (Vegetation Continuous Fields, VCF)产品数据,选择时间为2000-2014年,空间分辨率分别为1 000 m和250 m,数据利用 MRT(MODIS Reprojection Tool)软件、ArcGIS软件及ENVI软件等软件进行了处理。 所有数据均采用Universal Transverse Mercator (UTM)投影,WGS_1984坐标系统,通过重采样空间分辨率均为1 000 m。其中MOD44B产品数据代表陆地表面植被覆盖信息,包括三个组成部分,分别是林木覆盖度(tree cover,TC)、非林木植被覆盖度(non-tree cover,NTC)及非植被覆盖度(non-vegetation cover,NVC),数值在0～100间,三者加和为100。本文仅使用TC和NTC数据,将两者数据在栅格尺度进行加和代表植被覆盖度(vegetation cover,VC)。

气象数据为黄土高原214个站点的气温、降雨年值数据,从中国气象数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)下载,利用样条函数法(spline)空间插值从而获得1 000 m分辨率的删格气象数据。

1.3 研究方法

1.3.1 年际变化率

使用一元线性回归分析2000—2014年黄土高原植被覆盖的年际变化趋势:

(1)

式中,S为一元线性回归方程的斜率,代表植被覆盖度变化的趋势;n为时间序列的年数;i为具体计算时的某一年;VCi为第i年的植被覆盖值。

1.3.2 路径分析

使用路径分析方法分析黄土高原气候因子对植被的影响。黄土高原气候因子对植被盖度及NPP的影响涉及多个变量,除了因素间的直接影响外,还存在因素之间的间接影响等问题,路径分析是解决这一类问题的有效方法。进行路径分析时,先使用Z-score方法对数据进行标准化处理。为了获得最简化的路径分析模型,每次将P值不显著的路径去掉并对新模型重新参数化,直至所有路径的P值达到显著水平[23]。路径分析使用R语言的lavaan程序包完成。

2 结果

2.1 黄土高原地区植被覆盖的时空动态

2.1.1 四个气候分区下气候与植被覆盖的时间变化

图3展示了4个气候区2000-2014年气温及降雨的时间变化,年均降雨从大到小依次为PHR>PLR>PLL>PHL,其中2003年降雨最多,高温多雨区达到745 mm;4个气候区中气温年均值4～12℃,其中2012年气温最低,低温多雨区为4.69℃,年均气温从大到小依次为THR>THL>TLL>TLR。

Fig.3 Comparison of precipitation, temperature under different climaticzones in the Loess Plateau from 2000 to 2014图3 2000-2014年黄土高原不同气候分区的降水、温度差异图

从整体来看(图4),黄土高原总植被覆盖波动明显,15 a增长趋势不显著(r=0.467,P>0.05),其中林木覆盖度呈极显著的增长趋势(r=0.864,P<0.01),而非林木植被覆盖下降趋势不显著(r=-0.24,P>0.05)。从4个气候区看,植被覆盖度从大到小分别为VCHR>VCLR>VCLL>VCHL(图5),多雨区的植被覆盖明显高于少雨区,主要原因是多雨区林木覆盖度明显高于少雨区(图6),多雨区的林木覆盖度10%～20%,少雨区林木覆盖度在4%以下。尽管不同气候区林木盖度均在增加,多雨区的林木盖度增长趋势强于少雨区,高温少雨区林木盖度最低且增长最缓慢;4个气候区的非林木植被盖度37%～55%,其中少雨区非林木植被盖度15a波动较稳定,多雨区非林木植被盖度波动较大,在2009-2012年间非林木植被盖度逐年下降,在此期间林木盖度逐年上升,在2012年林木盖度达到15a最大值,与非林木植被盖度表现出相反趋势。

Fig.4 Changes of tree cover (a), non-tree cover (b) and vegetation cover(c) in the Loess Plateau from 2000 to 2014图4 2000—2014年黄土高原林木覆盖度(a)、非林木植被覆盖度(b)及植被盖度(c)时间动态

Fig.5 Changes of vegetation cover under different climatic zones in the Loess Plateau from 2000 to 2014图5 黄土高原不同气候区的植被盖度时间变化图

Fig.6 Comparison of tree cover and non-tree cover under different climatic zones in the Loess Plateau from 2000 to 2014图6 黄土高原林木覆盖度和非林木植被盖度在不同气候分区下的比较

2.1.2 黄土高原地区植被覆盖的空间动态

黄土高原植被盖度从东南向西北递减(图7),林木植被主要分布在东南部,非林木植被在南部覆盖度高,北部明显较低。从植被变化趋势来看,黄土高原大部分区域林木盖度均有增加,其中TC显著增加区占黄土高原总面积的40.56%(P<0.05),不显著增加区占41.675%(P>0.05),显著增加区主要分布在陕西北部、山西西北部、甘肃庆阳地区以及宁夏南部等地区,可见黄土高原地区近15 a(2000～2014)林木盖度有明显增加。非林木植被从整体来看增加与减少面积各约占一半,在内蒙古南部、宁夏中部、甘肃白银、定西以及河南等地表现为显著或不显著的增加趋势,显著增加面积占7.38%(P<0.05),不显著增加面积占39.245%(P>0.05);非林木植被盖度减少区很大部分是林木盖度增加区,在林木盖度显著增加区,非林木植被盖度显著减少区及不显著减少区分别占到15.42%和44.29%,在林木盖度不显著增加区,非林木植被盖度显著减少区及不显著减少区分别占5.67%和45.77%。整体上黄土高原总植被覆盖度15a显著增加区占15.23%(P<0.05),不显著增加面积占47.86%(P>0.05),整体呈增加趋势。

2.2 不同气候区气候因子对植被的影响

4个气候区中降雨对植被盖度均为重要影响因子(图8),在多雨区(0.304～0.325,P<0.05)对植被盖度的贡献比少雨区(0.146～0.188,P<0.05)大;温度在少雨区对植被盖度影响很弱(0.011～0.041,P<0.05),在高温多雨区温度对植被盖度有显著正效应(0.187,P<0.05),而低温多雨区则表现为较弱的负效应(-0.081,P<0.05)。在不同气候区降雨对NPP的影响均为显著正效应(0.272～0.565,P<0.05),在高温少雨区影响最小,在低温少雨区影响最大;气温对NPP的影响较弱,在高温多雨区气温对NPP有显著负效应(-0.11,P<0.05),在高温少雨区有显著正效应(0.147,P<0.05)，在低温区对NPP影响较弱;降雨和气温不仅可以直接影响NPP,还可以通过植被盖度间接影响NPP,由于多雨区植被盖度对NPP的贡献(0.403～0.488,P<0.05)明显高于少雨区(0.146～0.186,P<0.05),并且多雨区气温和降雨对植被贡献较大,所以多雨区气温和降雨对NPP的间接影响明显高于少雨区;不论多雨区还是少雨区,降雨对NPP的直接和间接影响均大于气温对NPP的影响。

不同气候区林木盖度与非林木植被盖度有明显差异(图6),整体上多雨区林木盖度明显高于少雨区;不同气候区降雨对林木盖度均为重要的气候因子(图9),对林木盖度有显著正影响(0.178～0.463,P<0.05),其中高温少雨区影响最小,多雨区影响均较强,林木盖度随降雨增多而增大;气温对林木盖度影响较小,高温区对林木盖度表现为很弱的正效应(0.073～0.082,P<0.05),在低温多雨区为不显著的负影响(-0.009,P>0.05),在低温少雨区表现为显著负效应(-0.168,P<0.05);相比林木盖度,非林木植被盖度对降雨的依赖性较低,在少雨区降雨对NTC表现出显著的正效应(0.049～0.151,P<0.05),而在多雨区表现出较弱的负效应(-0.102～-0.151,P<0.05);在高温多雨区及低温少雨区气温对NTC表现为显著正效应(0.102～0.317,P<0.05),在另外两个区气温对NTC影响较弱。在多雨区NTC对TC均有显著负影响(-0.341～-0.368,P<0.05),这与多雨区TC的增加伴随NTC的降低一致(图6)。不同气候区林木盖度对NPP的贡献均大于非林木植被盖度,多雨区林木盖度对NPP贡献(0.579～0.644,P<0.05)大于少雨区(0.289～0.455,P<0.05);相比少雨区,多雨区TC与NTC对NPP的贡献更大,降雨主要通过林木盖度进而间接影响NPP,高温多雨区气温通过TC(0.082*0.644=0.053,P<0.05)与NTC(0.317*0.162=0.051,P<0.05)对NPP的间接影响差异不大。

3 讨论和结论

黄土高原多年平均气温、降水量与植被盖度的空间分布一致,均呈自东南向西北递减的规律。多雨区的植被盖度明显高于少雨区,说明降雨是影响植被盖度分布的重要限制因子。在干旱半干旱的黄土高原,降雨多有利于植被的生长和恢复;其中林木盖度对降雨的依赖较强,非林木植被盖度对降雨的依赖较弱,可能是因为降雨是林木植被重要的水分来源所致;而非林木植被大多是农田和草地,由于耕作灌溉和放牧的影响,受人为干扰较大,使得降雨对其影响相对较弱,例如黄土高原东南部地势平坦多盆地,农业发达的关中平原农作物生产主要依赖于农业灌溉设施,对降水的依赖性较弱[24]。

气温是影响植被分布的重要气候因子,相比降雨影响较弱,与降雨表现出一定的耦合作用。例如在少雨区气温对植被盖度的影响均很弱,在多雨区气温与植被盖度表现出较强的相关性。在高温多雨区气温对非林木植被有显著正效应(0.317,P<0.05),而在低温多雨区气温对非林木植被有较弱负效应(-0.098,P<0.05),可能是因为多雨区降雨较多,温度成为植物生长的限制因子;高温多雨区海拔较低,多盆地,农田多且分布集中,气温上升导致土壤温度上升,加之气温较高加速植物内部化学反应速度,使得植被物候期改变,延长植被生长季,进而植被覆盖度增加[25-28]。低温多雨区海拔高,平均气温为4.5～6℃,是4个气候区中年均气温最低的地区,低气温导致植被生长季较短,不利于植被盖度的增加。

4个气候分区中降雨对NPP均有显著正效应,降雨通过影响植物光合作用中的水分供给影响植被生长,进而影响NPP变化;对于较干旱地区,NPP主要受降水量的影响;例如在少雨低温区降雨对NPP影响最大,说明降雨量少的地区植被生长对降雨较敏感[7,29]。气温对NPP的影响较降雨弱,在高温多雨区对NPP有显著负效应(-0.11,P<0.05),这可能是因为较高气温导致植物的呼吸作用较强,消耗光合作用积累的有机物质进而影响NPP。除气候因子外,植被盖度也会影响NPP变化;多雨区植被盖度大,原因是林木盖度较少雨区大,所以多雨区TC对NPP的贡献较少雨区大。降水和气温等气候因子不仅可以直接影响NPP,而且可以通过影响植被盖度进而间接影响NPP,由于多雨区气候因子对植被盖度的影响及植被盖度对NPP的影响均大,所以多雨区气候因子对NPP的间接影响较大;少雨区气候因子对植被盖度影响较小,加之植被盖度较低,所以少雨区气候因子对NPP的间接影响较小。

在气候变化及实施退耕还林工程的大背景下,2000-2014年黄土高原地区林木盖度显著增加,降雨对植被盖度的影响高于气温,说明在干旱半干旱的黄土高原,降雨是限制植被生长的重要因子。在低温多雨区,气温是限制植被生长的重要因子;降雨和气温不仅可以直接影响NPP,还可以通过植被盖度间接影响NPP,多雨区气候对NPP间接作用较少雨区大。