近15年来青海湖流域气温、降水变化对植被物候驱动分析

王志刚, 曹生奎, 曹广超

(1.青海师范大学 地理科学学院, 西宁 810008; 2.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室,西宁 810008; 3.青海师范大学 青海省人民政府—北京师范大学 高原科学与可持续发展研究院, 西宁 810008)

近100年来全球气候变暖已受到全人类的高度关注[1]，青藏高原近47年来年平均气温增速为0.37℃/10 a，年平均降水量增速为9.1 mm/10 a[2-3]，正经历着快速变暖变湿[4]。在此气候变化背景下，青藏高原植被物候对其气候变化的响应受到广泛关注[5-7]。目前对青藏高原植被物候的研究主要集中在植被物候的时空分布特征、变化趋势以及对气候变化的响应等[8-11]。丁明军等[8]、孔冬冬等[9]研究表明，青藏高原植被返青期(start of growing season, SOS)整体呈提前趋势，休眠期(Dormancy of growing season, DOS)呈推迟趋势；周玉科等[10]发现，青藏高原东南部呈现SOS和DOS推迟、LOS(Length of growing season, LOS)呈延长趋势；西南部呈SOS推迟、DOS提前、LOS呈缩短的趋势，植被物候存在明显的地域差异性。植被物候的变化能够直观地反映全球气候变化，直接影响着陆地生物多样性格局[11-12]，并引起土壤—植物—大气系统碳水热交换的变化，进而影响气候变化[13]。因此，深入理解气候变化对青藏高原植被物候的驱动作用，有助于深入了解植被物候对全球气候变化的适应方式，可为应对未来气候变化提供一定理论参考。

位于青藏高原东北部的青海湖流域不仅是特殊生态功能区，也是全球气候变化生态敏感区之一[14-15]，前人研究结果表明气候变化是驱动该区域植被物候变化的主要因素之一[5,15]，李广泳等[15]认为青海湖流域年均温度升高背景下流域内植被平均SOS并未表现出提前趋势，年降水量在一定程度上影响着流域植被枯黄期；苏芬等[16]利用青海湖流域气象站点观测记录，揭示青海湖流域牧草返青期主要受气温影响，牧草枯落期主要受降水影响，生长期是受气候与降水的共同影响；宋春桥等[17]通过遥感监测研究了藏北高原植被物候时空动态变化认为返青期提前及生长季延长主要受气温升高的影响；汪青春等[18]认为牧草返青期不但受气温影响，秋季和春季的降水量也对其具有明显的影响。可见，青海湖流域气候变化对植被物候的驱动作用的认识依然存在分歧，且前人研究主要基于站点尺度较少探讨空间上植被物候与气候因子的关系。青海湖流域空间尺度上气候变化如何驱动植被物候变化仍不清晰。因此，本文选取青海湖流域高寒植被为研究对象，研究近15 a来青海湖流域气温、降水变化对植被物候的驱动分析，并在空间和海拔梯度上探讨青海湖流域植被物候变化的主要气候驱动因素，以期为青海湖流域生态保护与可持续发展提供参考建议。

1 研究区概况

青海湖流域位于青海省东北部(36°15′—38°20′N，97°50′—101°20′E)，流域四周为高山环绕，形成一个完整的封闭型高原内陆盆地(图1)，海拔在3 169～5 268 m，总面积约2.96万 km2[19-21]。2001—2015年青海湖流域年均气温和年均降水量年际变化特征呈明显上升趋势，年均气温和年均降水量增加速率分别为0.03℃/a和1.42 mm/a，青海湖流域年均气温在-1.34～-0.1℃变化，最低值出现在2004年，最大值出现在2010年；年均降水量在335.13～514.48 mm变化，最低值出现在2015年，最大值出现在2009年，气候变化暖湿趋势明显。近15 a流域年均气温在空间上呈现东南高西北低；年均降水量空间上呈中部低北部高。

图1 青海湖流域位置

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

青海湖流域植被物候数据集来源于美国NASA网(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)的MODIS MCD12Q2植被物候动态变化产品数据，MCD12Q2已被广泛用来研究植被物候变化[22-25]，空间分辨率为 500 m，该数据需要对EVI时间序列数据进行去云、辐射校正、大气校正和几何校正等步骤，消除云、雪和气溶胶等影响。其数据中的植被物候确定是利用连续时相的EVI值来判断不断降低和升高的区间，如果区间振幅和极大值符合阈值条件，就定义升高与降低区间为一个生长周期。接着对每个生长周期进行Logistic函数拟合，通过曲率值变化确定生长开始，EVI不断增长的中点为成熟期，EVI持续降低的终点为生长结束。

数据利用MRT软件进行批量处理，将数据格式转换成geotiff格式，坐标系转换成WGS84坐标，再利用ENVI5.3软件和ArcGIS 10.3对其进行拼接、裁剪和影像解译。年降水量和年气温数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/DOI)，并通过ArcGIS软件进行数据统计得到每年年均气温和降水量(图2)再通过其栅格计算得到近15 a青海湖流域年均气温和降水量(图3)。

图2 2001-2015年青海湖流域年均气温和年均降水量变化趋势

图3 2001-2015年青海湖流域年均气温和年均降水量空间分布

2.2 相关性分析

在相关分析中，偏相关系数能真实反映变量x和y之间的相关性，其计算公式为[26-27]:

(1)

式中:rxy,z为自变量z(降水或气温)固定后因变量x(物候)与自变量y(降水或气温)的偏相关系数。实际上,某个要素的变化受多个因子的综合影响,偏相关分析不能很好反映各要素的综合影响,复相关分析可以解决上述问题。复相关的计算公式如下[26-27]:

(2)

式中:rxy,z表示因变量x和自变量y,z的复相关系数;rxy表示x与y的线性相关系数,rxz,y表示固定自变量y之后因变量x与自变量z的偏相关系数。本文用T检验对偏相关系数进行显著性检验,用F检验对复相关系数进行显著性检验其计算公式为[26-27]:

(3)

(4)

式中:n为样本数(时间序列为2001—2015年、即n= 15);m和k为自变量个数。

2.3 植被物候变化的气候因子驱动分区方法

参考已有研究成果的研究方法[28]：(1)计算植被物候与降水、温度的偏相关系数以及复相关系数；(2)利用T和F检验进行显著性检验(显著相关p<0.05)；(3)满足复相关显著且植被物候与降水偏相关显著的像元定义为降水驱动型；满足复相关显著且植被物候与气温偏相关显著的像元定义为气温驱动型；(4)满足复相关显著且植被物候与降水偏相关不显著、植被物候与温度偏相关不显著的像元定义为气温、降水驱动型；(5)不满足复相关显著的像元定义为非气温—降水驱动型[26,28]。

3 结果与分析

3.1 青海湖流域植被物候与年均气温、年均降水量的偏相关关系

2001—2015年青海湖流域植被SOS，LOS，DOS与年均气温和降水量偏相关系数结果显示(图4和图5)，植被SOS，LOS和DOS与年均气温偏相关系数分别为-0.57～0.36，-0.89～0.81和-0.29～0.51。SOS与年均气温呈负相关关系的区域几乎全域分布(占总面积99.21 %)，呈正相关关系的区域零星分布在流域西北部(占总面积 0.79%)；LOS与年均气温呈正相关关系的区域主要分布在流域东南部、北部及西北部地区(占总面积65.62 %)，呈负相关关系的区域主要分布在布哈河河谷低海拔地区(占总面积34.38%)；DOS与年均气温呈正相关关系的区域广泛(占总面积96.89%)，与年均降水量呈负相关关系的区域主要分布在西北高海拔区域(占总面积3.11%)。植被物候与年均气温偏相关关系表明，年均气温的升高会导致SOS提前、LOS延长和DOS推迟。植被SOS，LOS和DOS与年均降水量偏相关系数分别为-0.58～0.38，-0.82～0.93和-0.23～0.23。SOS与年均降水量呈正相关关系的区域主要分布于流域西北部地区，呈负相关关系的区域主要分布于流域的东南部，其分别占比39.69%和60.31%；LOS与年均降水量呈正相关关系的区域主要分布在青海湖流域东南部和西北部地区，呈负相关关系的区域主要分布在刚察县南部地区，其分别占比66.85%和33.15%；DOS与年均降水量呈正相关关系的区域主要分布于流域西北部地区，呈负相关关系的区域主要分布于流域的东南部，其分别占比70.02%和29.98%。植被物候与年均降水量偏相关关系表明，年均降水量的增多会导致SOS提前、LOS延长和DOS推迟。

图4 青海湖流域植被SOS、LOS和DOS与年均气温偏相关系数

图5 青海湖流域植被SOS、LOS和DOS与年均降水量偏相关系数

3.2 植被物候与年均气温和降水量的复相关关系

2001—2015年青海湖流域植被SOS，LOS和DOS与年均气温和降水量的复相关系数分别为0.04～0.73，0.01～0.93，0.13～0.56(图6)。

SOS在刚察县的西部、北部以及天峻县的北部和东南部地区复相关性较强；其西北部高海拔地区复相关性弱(图6A)；LOS在流域的西北部高海拔地区、南部低海拔地区以及刚察县南部湖滨等地区复相关性较强(图6B)；DOS在青海湖流域中部复相关性较强；在流域西北部高海拔地区、南部以及东南部低海拔地区较弱(图6C)。

图6 青海湖流域植被物候因子与年均气温和降水量的复相关系数

植被SOS，LOS和DOS与年均气温和降水量呈显著相关关系(图7)的区域分别占33.18%，8.04%和27.48%，呈不显著相关关系的区域分别占66.82%，91.96%和72.52%。上述分析表明，植被物候与气温降水复相关关系具有一定显著相关性，LOS的相关性较差，SOS和DOS呈显著相关区域占比高，显著相关区域分布特征均是以青海湖西岸为中心向两侧延伸；DOS呈显著相关区域占比比SOS的高，LOS中显著不相关区域面积较大，存在分布差异性。

图7 青海湖流域植被物候因子与年均气温和降水量复相关显著性水平分布

3.3 青海湖流域气温、降水对植被物候的驱动分析

2001—2015年植被SOS，LOS和DOS以气温为主要驱动分别占比10.68%，2.31%和13.22%(图8)；在SOS中主要分布在布哈河下游北部地区；LOS中主要分布在青海湖北部湖滨及刚察县北部高海拔地区；DOS中主要分布在布哈河下游北部地区和刚察县的西部地区。

注：T表示气温驱动; NC表示非气温—降水驱动;(T+P)表示气温，降水驱动区; P表示降水驱动。

植被SOS，LOS和DOS受气温、降水驱动区域分别占比23.02%，9.89%和23.45%；在SOS中主要分布在天峻县北部和东部地区；LOS中主要分布在青海湖流域的西北部和刚察县的北部；DOS中主要分布在天峻县的北部地区。植被SOS，LOS和DOS受非气温—降水驱动区域分别占比66.3%，77.5%和63.33%。此外，LOS中以降水为主要驱动因素的区域占比10.30%，其主要分布在在青海湖北部湖滨及布哈河的中游地区，而SOS和DOS中均无降水驱动。综上，植被SOS、LOS和DOS主要受非气温—降水驱动影响。

4 讨 论

本研究结果显示，2001—2015年青海湖流域尺度上植被SOS和LOS受气温和降水的共同影响，这与青海湖流域已有研究结果一致[15-16]。本研究认为植被DOS主要受气温影响与李广泳[15]和苏芬等[16]人认为其主要受降水影响的研究结论截然不同，原因可能是他们的研究是基于气象站数据，存在一定局限性。植被SOS与年均气温的负相关关系和与年均降水量负相关关系特征明显，表明流域内SOS主要受年均气温和降水影响，气温上升会导致地温升高，会加速植物内部的化学反应过程，为植物生长提供条件[26]，水热条件的良好配合促进植被SOS提前。气温和降水是植被生长关键因子，流域年均气温和降水量在西北中部地区均呈高值分布，使得此区域的LOS与年均气温和降水量的呈显著复相关关系，受气温和降水共同影响。另外，显著不相关区域的面积占比高，其可能受非气温—降水因素影响较大。气温是限制植被活动的关键因子[29]，植被在DOS期间，秋季气温降低且在流域高海拔地区年均气温为-9℃左右，不适宜植被生长。因此，气温升高则会造成DOS推迟，其与年均气温和降水量偏相关结果表明，DOS与年均降水量相关性较弱，受年均气温影响显著。

青海湖流域植被物候与气温、降水量相关关系的空间差异性主要与海拔梯度效应有关。青海湖流域沿海拔梯度(海拔每上升100 m年均气温和年均降水量对植被物候的影响)植被物候与年均气温和降水量的线性关系表明(图9)，植被SOS与年均降水量呈显著正相关(R2= 0.93，p<0.01)，与年均气温呈显著负相关(R2= 0.94，p<0.01)，即年均气温上升1℃，植被SOS提前0.35 d，年均降水量增加1 mm，SOS推迟4 d；相反，年均降水量与LOS(R2= 0.96，p<0.01)、DOS(R2= 0.96，p<0.01)分别呈显著负相关，年均气温与LOS(R2= 0.98，p<0.01)、DOS(R2= 0.98，p<0.01)分别呈显著正相关，即年均气温上升1℃，植被LOS延长0.15 d，DOS推迟0.25 d；年均降水量增加1 mm，植被LOS缩短1.69 d，DOS提前2.85 d。此研究结果与黄文洁等[30]在青藏高原3 500～5 000 m海拔范围内植被物候变化趋势基本一致。综上，在海拔梯度上年均气温对植被物候的影响大于年均降水量的影响，年均气温的上升会使青海湖流域植被SOS提前，LOS延长，DOS推迟；相反，年均降水量的增加会使得植被SOS推迟，LOS缩短，DOS提前。可见，海拔因素是重要的非气温—降水的驱动因素，深刻影响着海拔梯度上的植被物候变化。

图9 青海湖流域沿海拔梯度植被物候与年均气温和降水量的线性关系

青海湖流域植被物候变化的驱动因素不仅与气温、降水及二者共同作用有关，还与海拔高度及其他非气温—降水因素有关。植被SOS受气温驱动主要分布在布哈河下游部分地区，此类块状分布特征与其河谷地形及年均气温高值区的分布特征有着相似之处，此区域海拔低，气温高，降水少，植被对气温的敏感性高于其他地区；在此驱动之外，由于海拔梯度的上升，降水量增加，草甸和高山植被对气温降水的敏感度上升，此时拥有了良好的水热条件导致受气温降水驱动影响；受非气温—降水驱动因素产生的原因可能与植被类型、养分密切相关[26]。另外，植被生长与土壤环境和坡度坡向有关[31-32]，且与自然灾害性事件存在一定关联性[26]，造成LOS主要受非气温—降水因素驱动的地区占比77.5%比SOS和DOS受其驱动所占比例高。植被的休眠与气温降水密切相关，崔耀平等[33]认为青藏高原东北部植被生长的最适温度为10℃左右，此时植被DOS期间的平均气温均低于此气温，再加上DOS期间降水会抑制植被生长[26]，使其受气温驱动面积大于SOS受气温驱动面积。通过上述分析，植被物候驱动因子不仅受其植被类型影响，还与其生长的环境因子有着密切的联系。

5 结 论

(1)近15 a青海湖流域植被SOS和LOS变化主要受年均气温和年均降水量共同影响；DOS变化主要受年均气温影响。

(2)植被SOS，DOS同LOS受气温、降水驱动区域存在明显差异性。SOS和DOS受气温、降水驱动区域主要集中在青海湖流域中部地区；LOS受气温、降水驱动区域主要分布于青海湖北部湖滨及布哈河的中游地区。

(3)青海湖流域植被物候空间变化驱动因素大小依次为：非气温—降水因素>气温降水综合作用>气温>降水；海拔梯度方向上，其影响因素大小依次为：气温>降水。