2000—2020年黄河流域植被生态质量变化及其对极端气候的响应

曹 云,孙应龙,陈紫璇,延 昊,钱 拴

国家气象中心,北京 100081

近百年来气候变化加剧,极端天气事件呈现频率增加、强度加剧、持续时间延长的态势,加之21世纪仍将以增加趋势为主,影响范围扩大,人类社会发展以及生态环境必将受到更为显著影响[1—3]。作为陆地生态系统的重要组成部分,植被—气候间相互作用形成了复杂系统,气候变化对生态系统影响研究已成为全球生态气候变化研究重点[4—5]。在气候变暖、极端天气频发的背景下,生态系统结构和过程的气候影响机制将更为复杂,加之研究起步相对较晚,近年来才逐步引起国内外学者的热切关注[6—8]。

黄河流域处于我国生态保护和建设的重要战略地位,幅员辽阔,横跨我国东中西三大区域,流域地形地貌复杂多样、水热条件时空差异明显,生态环境敏感脆弱,成为众多学者研究关注的热点区域[9—12]。20世纪70年代以来,黄河流域升温趋势明显,极端高温日数在不同季节均呈显著增加趋势,极端低温日数呈显著减少趋势[13—14],但极端气温指数突变年份相对一致,多集中于20世纪90年代[15]。极端降水指数在黄河流域多呈下降趋势,但变化趋势不明显,存在时空差异[16]。已有研究显示,黄河上游总降水量和极端降水量2006年之后增加趋势明显[17],尤其河源区增加最为明显,进一步提高了流域洪水爆发的可能性[13]；黄河中游2000年以来极端降水量也呈增加趋势[18]；然而黄河下游极端降水量在1961—2005年总体呈减少趋势[13]。此外极端降水对降水总量影响越来越大[18],对黄河流域生态环境影响也逐步加强。

作为我国北方重要的生态屏障和经济地带,黄河流域植被变化研究相对较多。在气候变化和人类活动影响下,黄河流域植被NDVI总体呈增加趋势[19—20]；植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)呈微小增加趋势,波动较大[10,21]；植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)呈现从东南向西北递减的分布,在时间变化上呈增加趋势[22—23]。黄河流域植被变化时空分异性相对明显,中上游对整个流域植被NPP的贡献最大[21],NDVI在2005年以后增长趋势明显[20],植被覆盖度增加趋势的突变点大致在2000年[23]。总体来看,黄河流域植被时空变化特征受研究时段、指标方法以及植被类型的影响,存在一定差异[10,24]。

近年来随着区域气候变暖加剧,高温干旱、暴雨洪涝等极端天气事件增多,对流域生态系统产生直接或间接影响,加之不合理开发利用,造成流域部分地区植被稀疏、水土流失严重、水环境恶化[14,25—26],严重制约了黄河流域生态恢复和改善,需进一步加强流域生态气候变化研究。围绕黄河流域,以往有关植被气候变化的影响研究,主要基于植被NDVI、净初级生产力或覆盖度等单一生态特征指标,多利用2010年之前数据资料,开展流域植被时空变化分析及其气候响应研究[20,27—28],然而对黄河流域植被生态系统综合监测评估,以及对气候变化响应的研究相对缺乏,尤其是结合2000年以来极端气候事件的影响研究尚不多见。因此,开展黄河流域植被生态综合监测评估及其气候变化响应研究,对维护黄河流域生态安全、掌握极端气候事件的生态影响规律,具有十分重要的作用。本研究利用2000—2020年MODIS遥感资料和逐日气象数据,以生态质量指数为评价指标,分析气候变化背景下黄河流域植被生态质量的时空变化特征,揭示极端气温、降水变化对流域植被生态质量的影响,以期认识和了解黄河流域复杂多变的生态气候影响特征,为明晰黄河流域植被生态质量变化规律、应对极端天气事件影响提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄河,发源于青海南部巴颜喀拉山地区,自西向东流经9个省(区),最终在山东省东营市垦利县流入渤海,全流域划分为8个二级流域分区,在我国北方生态环境演变中具有重要地位[29—30]。黄河流域地势西高东低,西北部属干旱气候,中部属半干旱气候,东南部属半湿润气候,气候复杂多样,流域水资源总体紧张,水土流失和土地荒漠化严重,整体景观格局趋于复杂化、破碎化和分散化[21,31—32]。黄河流域多年(2000—2020年)平均降水量485.7 mm,气温10.2 ℃,日照时数2383.7 h,空间分布差异明显(图1)。流域植被类型多样,以草地、林地、耕地三类植被生态系统分布面积最广,其中草地面积占比达到了41%[10]。

图1 黄河流域多年平均气温和降水量Fig.1 Spatial distribution of annual precipitation and air temperature in the Yellow River Basin from 2000 to 2020

1.2 数据来源

气象数据,来自国家气象信息中心,选择黄河流域地区分布较为均匀、记录相对完整的320个站点,2000—2020年逐日平均气温、日最高(低)气温、日降水量等气象数据。

遥感数据,为NASA提供MOD13A3级植被指数产品,空间分辨率1 km；植被类型、土地利用、海拔高程、土壤质地等基础数据来自国家基础地理信息中心和中国科学院南京土壤研究所等单位。

1.3 研究方法和评价指标

1.3.1植被生态质量指数

植被净初级生产力和覆盖度是反映区域生态系统生态质量的两个重要指标,因此采用植被净初级生产力(NPP)和覆盖度(FVC)所构建的植被生态质量指数(Ecological Quality Index,EQI)作为评价指标[33—34],反映区域植被生态质量变化特征,计算公式如下：

(1)

式中,EQI为评估时段的植被生态质量指数,在0—100之间变化；FVC为评估时段植被覆盖度,NPP为评估时段的植被净初级生产力,NPPmax为评估时段植被NPP的最大值,f1和f2为权重系数,具体技术方法参见行业标准(QX/T 494—2019)[34]。

1.3.2极端气候指标

本研究采用广泛应用于极端天气气候事件研究的18个气候指数[35—38],包括12个极端气温指数和6个极端降水指数(表1),基于2000—2020年黄河流域范围内320个气象观测站点逐日气温、日最高(低)气温、降水量等气象数据,计算极端气候指标。

表1 极端气候指标Table 1 Definition of extreme climate indices

1.3.3统计分析方法

(1)趋势分析,采用一元线性回归方法,对2000年以来黄河流域植被生态质量指数变化趋势进行时间序列分析,以趋势率表示变化趋势的特征。趋势率正负表示增加或减少趋势,其值的大小反映增加或减少的速率；通常以其10年变化量来开展相应趋势分析。趋势率计算公式如下：

(2)

式中,n是研究时间序列的长度；i为第i年；Xi表示第i年的生态质量指数；θslope为趋势率,表示指数随时间变化的速率。

(2)Hurst指数,利用R/S分析法计算植被生态质量变化的Hurst指数,反映变化趋势的可持续性特征。Hurst指数值(H)在0—1之间,其中当0≤H<0.5时,表示变化趋势具有一定程度的反持续性,将来的变化趋势与过去的相反；当0.5

(3)相关分析,为提高研究结果的精度,基于气象站点分布,提取站点区域植被生态质量指数与极端气候指数开展相关分析。采用Pearson相关系数,并基于相关系数的大小进行相关程度的分级[40],用于分析植被生态变化对极端气候变化的响应特征。

2 结果与分析

2.1 植被生态质量时空变化特征

2.1.1不同季节变化特征

2000—2020年黄河流域不同季节植被生态指数在空间分布上大致相同(图2),从西北部向东南部生态质量指数大致呈逐步升高趋势。其中,河源地区和南部平原植被生态质量指数均要明显高于流域其他地区,而流域中北部多为黄土地貌,水土流失严重,植被生态质量偏低。春季气温逐步升高,降水增多,黄河流域植被开始返青生长,植被覆盖度和生产力相对较低,因而春季植被生态质量指数偏低。夏季是植物主要生长阶段,流域植被生产力高、覆盖度好,平均植被生态质量指数达到40.9,要明显高于春季和秋季。

图2 2000—2020年黄河流域植被生态质量指数季节均值和变化趋势分布Fig.2 Spatial distribution of seasonal average and trend of EQI in the Yellow River Basin during 2000—2020

从季节多年变化趋势来看,黄河流域大部地区植被生态质量指数多呈增加趋势(图2),尤其陕西中北部和山西西部等地生态质量指数增加明显,季节变化率达到(5.0—7.5)/10a,明显高于流域其他地区。2000年以来,整个流域季节植被生态质量指数呈显著上升趋势(P<0.05),春季、夏季和秋季的趋势率分别达到3.0/10a、6.7/10a和3.1/10a(图3),而且各季节Hurst指数均达到了0.8以上,变化趋势具有较强持续性,表明主要生长季流域植被生态质量指数仍将延续过去变化,保持呈上升趋势,流域植被生态质量将持续改善。

2.1.2年尺度变化特征

在年尺度上,流域植被生态质量空间分布与季节上分布相似(图4),其中东南部平原地区植被生态质量指数最高,年均值达到30—50；中北部地区生态质量明显偏差,指数大多低于20。2000—2020年,流域大部地区植被生态质量指数呈上升趋势,分布面积占流域总面积的97.7%,其中生态质量指数每年增加0.5以上的流域面积占比,达到37.4%。此外,整个流域平均生态质量指数2000年以来也呈显著上升趋势(图5),趋势率达到4.4/10a(P<0.05),2020年生态质量指数较2000年提高了53.5%,尤其2012年以来各年生态质量指数均高于多年均值,流域植被生态质量改善趋势明显；且流域Hurst指数也达到0.8,说明整个流域植被生态质量改善趋势具有较强持续性,未来黄河流域生态质量将保持改善趋势。

图4 2000—2020年黄河流域植被生态质量指数多年均值和变化趋势分布Fig.4 Spatial distribution of annual average and trend of EQI in the Yellow River Basin during 2000—2020

图5 2000—2020年黄河流域植被生态质量指数逐年变化特征Fig.5 Inter-annual Variations of annual Vegetation Ecological Quality in the Yellow River Basin from 2000 to 2020

2.2 植被生态质量指数对极端气候的响应

2.2.1与极端气温指数相关分析

与极端气温类指数的相关分析显示(图6),黄河流域植被生态质量与气温类指数相关程度偏弱,相关系数在-0.3—0.3间的站点比例达到60%以上,达到显著水平的站点比例为12%。其中,冷夜日数(TN10p)、霜冻日数(FD0)以及气温日较差(DTR)与植被EQI间存在较强的相关性,相关系数的绝对值>0.5的站点比例达到10%—15%,而且相关性达到显著水平的站点比例也较高,为17%—20%。此外,黄河流域植被生态质量与气温类指数多以负相关为主,其站点比例平均达到65%,其中霜冻日数(FD0)和夏日日数(SU25)与植被生态质量指数具有负相关关系的站点最多,占比达到78%,说明日最低气温<0℃日数和日最高气温>25℃日数的增多,明显不利于流域植被生态质量改善。仅生长期和暖夜日数与植被生态质量指数明显以正相关为主,其站点比例分别达到72%和60%,其中与暖夜日数达到显著水平的站点占比达到了19%。

图6 2000—2020年黄河流域植被生态质量指数与气温类指数间相关系数的分布特征Fig.6 Spatial distribution of correlation coefficient between EQI and the temperature indices in the Yellow River Basin during 2000—2020红色表示负相关,蓝色表示正相关；实心表示达到0.05显著相关水平；FD0：霜冻日数 Number of frost days；SU25：夏日日数 Number of summer days；ID0：结冰日数 Number of icing days；TR20：炎热夜数 Number of tropical nights；GSL：生长季日数 Growing season length；DTR：气温日较差 Daily temperature range；TN10p：冷夜日数 Percentage of days when TN (daily minimum temperature)<10th percentile；TN90p：暖夜日数 Percentage of days when TN (daily minimum temperature)>90th percentile；TX10P：冷昼日数 Percentage of days when TX (daily maximum temperature)<10th percentile；TX90p：暖昼日数 Percentage of days when TX (daily maximum temperature)>90th percentile；WSDI：热持续指数 Warm spell duration index；CSDI：冷持续指数 Cold spell duration index

对于大多数气温类指数,具有正相关的站点与具有负相关的站点,无明显空间分布差异,正、负相关的站点在整个流域都有分布,但对于热持续指数(WSDI),正、负相关的站点在流域内具有明显地理空间分布差异,具有正相关的站点多分布于流域的中北部地区,负相关的站点多分布于南部地区,说明热持续指数增加在气温相对偏低的北部地区,对植被生态质量具有一定正效应,在南部热量充足地区对植被生长具有负效应。

2.2.2与极端降水指数相关分析

黄河流域植被生态质量指数与降水类指数的相关程度(图7),多高于气温类指数,其中与降水强度指数(SDII)、中雨日数(R10)和雨日降水总量(PRCPTOT)的相关程度明显偏强,相关系数的绝对值>0.3的站点比例分别达到71%、74%、85%。此外,黄河流域植被生态质量与降水类指数均以正相关为主,其站点比例平均达到85%,达到显著水平的站点比例平均为37%。其中,中雨日数(R10)和雨日降水总量(PRCPTOT)与生态质量指数(EQI)间呈正相关的站点最多,占比达到99%,且达到显著水平的站点比例分别为56%和68%。在降水类指数中,连续干旱日数(CDD)和连续湿润日数(CWD)与植被生态质量指数间的相关性偏弱,但正、负相关性的站点分布存在空间上差异,呈负相关的站点多分布于南部地区。

3 讨论

3.1 流域植被生态质量变化特征

在空间分布上,黄河流域植被生态质量指数从西北向东南大致呈递增趋势,这与流域植被NPP、NDVI逐渐升高分布特征相对一致[10,20,41],可能与区域分布植被生态系统类型具有较高的相关性[10]。从时间尺度来看,黄河流域NDVI多呈显著增加趋势[41],大部地区植被覆盖度也呈增加趋势[9,23,42],改善面积要大于退化面积[22]。从流域植被NDVI、NPP等不同指标变化的研究结果表明,黄河流域植被在不同时段多呈改善趋势,这与本研究植被生态质量指数2000年以来呈增加趋势的结论,基本一致。同时流域植被生态质量改善趋势具有较强持续性,袁丽华等[20]研究也发现流域植被持续改善的面积占比达到53%。

区域气候变化对植被生长具有重要影响,是黄河流域植被覆盖变化的主要限制因素[27,43]。2000年以来,黄河流域降水和气温变化波动较大,但是总体上呈增加趋势,分别为31.8mm/10a、0.33℃/10a(图8),仅降水量与植被生态质量指数具有显著的相关性。流域四季增温趋势较为明显、秋季降水显著增多,蒸散呈减少趋势[27,44],区域气候变化总体有利于流域植被恢复生长。近年来北方地区气候呈温暖湿润的变化趋势,促进了区域植被覆盖增加[42],加之部分流域干旱呈降低的趋势,特别是2005年之后植被干旱影响减弱[45—46],为黄河流域生态保护和高质量发展提供气象保障。在黄河上游地区,也发现暖湿化趋势是比较一致的气候变化特征,尤其2000年以来降水明显增多,流域植被指数呈增加趋势,且2000年作为突变点,流域植被覆盖度增加速率达到2000年以前的2倍[11,23]。

在黄河流域,气温和降水与植被NDVI具有显著正相关的面积比例达到20%以上,成为影响流域植被生态变化的重要自然因子[11,41]。然而在不同地区、不同时段,气象因子对植被生态影响存在一定差异。气候驱动影响的研究表明,降水是黄河流域植被覆盖年际变化的主要驱动因子,其相关程度要高于与气温相关性[9,43]；流域植被NPP变化受降水影响较大[21]。但有研究认为,黄河源区属于热量限制区,植被覆盖对气温变化更为敏感[23],特别在春季植被NDVI与温度呈显著正相关性,而对降水变化不敏感[47]。也有研究发现,降水量和气温对黄河流域植被NPP变化的影响作用相当,但存在一定的空间差异性,可能与区域水热资源条件的限制以及植被类型有关,如林地NPP变化主要受气温的影响,湿地和草地主要受降水的影响[10,21]。

此外,除受到自然条件影响以外,流域植被变化也受到人类活动的影响。“三北”防护林、“退耕还林还草”、坡改梯等一系列生态保护和修复工程的逐步实施,显著提高了黄河流域植被NDVI和LAI,对区域乃至全国尺度的植被变化、生态环境改善具有重要意义[11,48—49]。近年来黄河流域林地、草地面积有所增加,植被NPP提高,这与流域多年持续开展水土保持措施有关,黄河流域生态保护建设成效逐步显现[21,50]。在陕西北部、山西西部等黄河中游生态恢复和建设地区,植被生态质量出现明显改善,其他研究也发现中游地区林地面积逐步增加[49—50],且中游地区植被NDVI增速最快[41],较好反映出人类活动对黄河流域生态环境改善的贡献。然而城市扩张、过度放牧等人类活动成为流域部分地区植被NPP、NDVI下降的主要驱动力,甚至超过了气候变化的影响[20—21,51]。下一步需围绕不同植被类型、不同气候区、不同地形地貌类型,分类开展流域植被生态质量时空变化的主导驱动力影响研究。

3.2 植被EQI对极端气温、降水的响应

与植被生态质量指数(EQI)相关分析表明,极端气温类指标对黄河流域植被影响具有相对一致,多以负相关为主,尤其与最低气温和最高气温相关的霜冻日数(FD0)和夏日日数(SU25)指标,有78%站点呈负相关,有15%站点达到显著相关(P<0.05)。表明低温日数和高温日数的增加,均会减缓黄河流域植被的生长发育,导致流域植被生态质量下降。韩丹丹等[8]也发现黄土高原极端气温指数增加,影响植被生长,NDVI呈下降趋势；而且其他地区研究也得到基本类似结果,极端气温指数与植被NDVI多呈负相关[39,52],暖、冷极端气温指数的增强在一定程度均对当地植被的生长发育产生不利影响。其主要原因在于北方地区水分条件总体偏差,时空分布不均,且高温导致生态系统蒸腾蒸发加强,影响植物生长水分需求[39,53]；而气温偏低,会导致植被生长积温不足,甚至出现低温灾害,从而对植物的生长发育产生不利影响[52]。值得关注的是,到2080年多数极端气温指标在黄河流域整体呈现上升趋势,暖极端事件将更加严重[54],势必对流域生态系统产生更大影响。

在黄河流域,极端降水类指数对黄河流域植被EQI影响程度,要明显高于气温类指数,且均以正相关为主,尤其雨日和雨量类指标,具有正相关的站点比例高达到99%,达到显著相关的站点比例超过50%。在西北地区研究也发现,降水类指数与植被NDVI以正相关为主,相关程度也高于气温类指数,降水对大部地区植被生长具有积极作用,利于区域植被改善[52]。说明在水资源相对偏少的北方地区,降水对植被影响更加明显,而热量条件影响在气候相对湿润的南方地区较为重要[55—57]。杜加强等[24]研究也发现半湿润地区植被NDVI、NPP多与气温显著正相关,半干旱地区则与降水量的正相关性更强,植被对降水量的响应更为敏感。植被与气候变化间关系较为复杂,不同时段、不同区域间气候影响存在较大不确定性,在后续研究中需进一步加强生态气候影响过程和机理的探索。

4 结论

本文基于生态质量指数和极端气候指标,分析了黄河流域2000—2020年植被生态质量时空分布特征及其对极端气候变化的响应,得到以下结论：

(1)在季、年尺度,2000年以来黄河流域植被生态质量指数整体均呈显著上升趋势,流域植被生态明显改善,其中夏季生态质量指数增加最快,平均每10年增加6.7。

(2)在空间分布上,黄河流域大部地区植被生态质量指数2000年以来均呈上升趋势,分布面积占流域总面积的97.7%,且Hurst指数达到0.8,表明黄河流域植被改善具有强持续性,未来大部地区植被仍将持续改善。

(3)在气候变化背景下,黄河流域植被生态质量指数与极端气温类指数多以负相关为主,与极端降水类指数多呈正相关,且相关程度要明显高于极端气温类指数,尤其雨日和雨量指标,有99%的站点与生态质量指数呈正相关,有50%以上站点达到显著水平。

(4)2000年以来黄河流域气温和降水总体呈增加趋势,是流域植被生态质量改善的重要自然因素,其中降水对植被影响更为显著。