中國(guó)陸地植被對(duì)氣候變化的適應(yīng)性分析

陳福軍 張玉翠 李倩

摘要 [目的]分析我國(guó)不同區(qū)域氣候變化類(lèi)型對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)植被長(zhǎng)勢(shì)的長(zhǎng)期影響。[方法]利用1981—2010年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被指數(shù)NDVI與氣溫及降水之間的響應(yīng)關(guān)系，定量識(shí)別植被與氣候的相互作用機(jī)制，結(jié)合中國(guó)氣候變化區(qū)劃，完成氣候變化背景下的中國(guó)陸地植被覆蓋度預(yù)測(cè)。[結(jié)果]我國(guó)東北大小興安嶺、長(zhǎng)白山、云貴高原等地區(qū)植被更適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚺苫厔?shì)，西北地區(qū)大部、東南地區(qū)（長(zhǎng)江下游除外）植被更適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚺瘽窕厔?shì)，為氣候變化利于植被生長(zhǎng)區(qū)；我國(guó)內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴(yán)重地區(qū)植被不適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚺苫厔?shì)，為氣候變化不利于植被生長(zhǎng)區(qū)。我國(guó)其他大部分區(qū)域植被長(zhǎng)勢(shì)與氣候變化無(wú)顯著響應(yīng)關(guān)系。[結(jié)果]該研究成果可為我國(guó)不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的差異化管理提供參考。

關(guān)鍵詞 氣候變化；陸地植被；NDVI；覆蓋度；適應(yīng)性

中圖分類(lèi)號(hào) S162；Q948文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2018）01-0148-04

Abstract [Objective] The research aimed to quantitatively analyze the long-term effects for different types of regional climate change to the local ecosystem vegetation growth in China.[Method]Using the response relationship between Chinas terrestrial ecosystems vegetation index NDVI and the temperature，precipitation from 1981 to 2010，the interaction mechanism between vegetation and climate was quantitatively identified.Combined with Chinas climate change zoning，Chinas terrestrial vegetation coverage forecast under the background of climate change was completed.[Result]The vegetation of Xinganling Mountains，Changbai Mountain，Yunnan-guizhou Plateau regions was more adapt to the local warm and dry climatic change type，the vegetation of most northwest region，southeast region of China （except the lower reaches of Yangtze River） was more adapt to the local wet and warm climate change type，which were areas that climate change was favorable for vegetation growth.The vegetation in the serious desertification areas of eastern and north Inner Mongolia was not adapt to the local warm and dry climatic change type，which were areas that climate change was not beneficial to vegetation growth.At the other areas of China，there was no significant response relationship between vegetation growth and climate change.[Conclusion]The research results can provide a reference for the different regional ecological systems differentiation management.

Key words Climate change； Terrestrial vegetation； NDVI； Coverage；Adaptability

2003—2012年全球海陸表面平均氣溫比1850—1900年上升了0.8 ℃，有模型預(yù)測(cè)到21世紀(jì)末，全球地表氣溫度將升高2.0～4.8 ℃，不斷變化的氣候可導(dǎo)致前所未有的極端天氣和氣候事件更加頻繁的發(fā)生[1]。陸地以及陸地植被是人類(lèi)賴以生存的環(huán)境主體，受到氣候變化的沖擊，植被覆蓋狀況已呈現(xiàn)了區(qū)域差異的變化[2]，在這種情況下，預(yù)測(cè)我國(guó)不同地區(qū)陸地植被的年際生長(zhǎng)變化趨勢(shì)，對(duì)人們更好地適應(yīng)和應(yīng)對(duì)氣候變化尤為重要。丁勇等[3]認(rèn)為我國(guó)溫帶草原區(qū)呈現(xiàn)總體氣溫明顯升高，降水區(qū)域差異顯著的變化趨勢(shì)，受此影響，植物物候、覆蓋度等發(fā)生了明顯變化。趙茂盛等[4]應(yīng)用改進(jìn)的MAPSS模擬顯示，未來(lái)氣候變化可能導(dǎo)致我國(guó)東部森林植被帶的北移，西部的沙漠和草原可能略有退縮，相應(yīng)被草原和灌叢取代。牛建明[5]對(duì)內(nèi)蒙古草原的研究認(rèn)為，草原面積將顯著減少，南部界限大幅度北移，草原生產(chǎn)力明顯下降等。以上研究大多從物候?qū)W或氣象學(xué)的角度展開(kāi)，筆者將從地理學(xué)分區(qū)的角度，利用中國(guó)1981—2010年氣溫和降水的變化趨勢(shì)以及生態(tài)系統(tǒng)植被與之對(duì)應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，定量識(shí)別植被與氣候的相互作用機(jī)制，結(jié)合中國(guó)氣候變化區(qū)劃，完成氣候變化背景下的中國(guó)陸地植被覆蓋度預(yù)測(cè)，為生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域差異管理提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用1981—2006年8 km分辨率的逐旬AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)[6]，使用最大值合成法（MVC）求出逐月最大NDVI。2007—2010年遙感數(shù)據(jù)采用MODIS/NDVI產(chǎn)品[7]，AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)持續(xù)至2006年，與MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)在時(shí)間上有6個(gè)重合年份，應(yīng)用2001—2006年AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)和MODIS/NDVI數(shù)據(jù)，從2種數(shù)據(jù)集中分別選取相同時(shí)間相同地點(diǎn)NDVI數(shù)值對(duì)多組，應(yīng)用線性回歸方法對(duì)此數(shù)據(jù)組進(jìn)行回歸，利用回歸方程對(duì)2007—2010年MODIS/NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

氣象數(shù)據(jù)基于1981—2010年中國(guó)境內(nèi)及周邊637個(gè)站點(diǎn)的氣象資料[8]，應(yīng)用Arcmap軟件克里金插值方法進(jìn)行月均溫、月降水量的空間插值，得到分辨率8 km氣象要素的空間柵格數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）提供的Global 30 Arc-Second Elevation （GTOPO30）高程數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集的空間分辨率重采樣為8 km 分辨率。中國(guó)氣候變化區(qū)劃數(shù)據(jù)引自史培軍等[9]利用1961—2010年氣溫和降水量的變化趨勢(shì)值、波動(dòng)特征值，結(jié)合中國(guó)地形特點(diǎn)，以縣級(jí)行政區(qū)劃為單元，完成的1961—2010年中國(guó)氣候變化區(qū)劃數(shù)據(jù)（圖1）。

1.2 計(jì)算方法

為計(jì)算分析NDVI對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)關(guān)系，逐像元計(jì)算中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)近30年間NDVI年累積值與標(biāo)準(zhǔn)化的年降水、年均溫柵格數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)通過(guò)顯著性水平（ P <0.10）時(shí)，表示NDVI與氣候因子（氣溫或降水）變化呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，計(jì)算公式為：

r=ni=1（xi-）（yi-）

ni=1（xi-）2ni=1（yi-）2（1）

其中，yi表示氣候因子如年降水量、年均溫第i年的某個(gè)柵格數(shù)值，代表氣候因子多年均值，xi表示在第i年 NDVI的某個(gè)柵格數(shù)值， 表示NDVI多年平均值。當(dāng)相關(guān)系數(shù)通過(guò)顯著性水平（ P <0.05）時(shí)，表示NDVI與氣候因子變化呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。

1.3 預(yù)測(cè)方法 首先，對(duì)陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型進(jìn)行區(qū)域劃分，采用遙感數(shù)據(jù)提取感興趣區(qū)域（ROI）方法，對(duì)我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)植被NDVI與氣候因子響應(yīng)顯著區(qū)域進(jìn)行提取，若某區(qū)域植被NDVI與過(guò)去30年均溫變化呈顯著正相關(guān)、與年降水變化呈顯著正相關(guān)，則該區(qū)域?yàn)闅夂蚺瘽窕?qū)動(dòng)型區(qū)；若某區(qū)域植被NDVI與過(guò)去30年均溫變化呈顯著正相關(guān)、與年降水變化呈顯著負(fù)相關(guān)，則該區(qū)域?yàn)闅夂蚺苫?qū)動(dòng)型區(qū)；若某區(qū)域植被NDVI與過(guò)去30年均溫變化呈顯著負(fù)相關(guān)、與年降水變化呈顯著正相關(guān)，則該區(qū)域?yàn)闅夂蚶錆窕?qū)動(dòng)型區(qū)[10]。

其次，將陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)區(qū)域劃分與中國(guó)氣候變化區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS空間疊加，提取我國(guó)陸地范圍內(nèi)：①植被適應(yīng)氣候變化的區(qū)域，即植被覆蓋度上升區(qū)域；②植被不適應(yīng)氣候變化的區(qū)域，即植被覆蓋度下降區(qū)域。

1.4 區(qū)域劃分原則

植被覆蓋變化趨勢(shì)區(qū)域劃分主要遵循以下原則：①行政單元完整原則，保持縣級(jí)行政單元界線的完整，在分區(qū)時(shí)沿縣級(jí)行政單元的邊界線劃定分區(qū)界線；②主導(dǎo)因素原則，在分區(qū)時(shí)以植被對(duì)氣候變化響應(yīng)顯著為主導(dǎo)因素，若某一個(gè)行政單元中有幾種顯著響應(yīng)類(lèi)型，則以面積占優(yōu)者為準(zhǔn)進(jìn)行劃定；③空間分布連續(xù)性原則，在分區(qū)過(guò)程中要根據(jù)分區(qū)空間范圍的大小進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩幔员３址謪^(qū)結(jié)果的完整性；④大尺度地形單元一致性原則，鑒于我國(guó)緯度跨度較大、地貌階梯格局復(fù)雜， 使得不同地域植被類(lèi)型響應(yīng)氣候變化的規(guī)律受大尺度地形單元的影響，因此在分區(qū)中將大尺度地形相對(duì)一致的縣級(jí)單元?jiǎng)澐衷谝粋€(gè)氣候變化區(qū)內(nèi)。

2 中國(guó)陸地植被覆蓋變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

2.1 植被NDVI對(duì)氣候因子響應(yīng)的區(qū)域分異

從圖2可看出，年均氣溫升高對(duì)植被（NDVI）生長(zhǎng)不利的地區(qū)包括內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴(yán)重地區(qū)（呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾沙達(dá)克沙地和巴丹吉林沙漠等）、長(zhǎng)江流域下游水稻主產(chǎn)區(qū)及西藏林芝熱帶半濕潤(rùn)地區(qū)，其余中國(guó)大部分區(qū)域年均氣溫升高對(duì)生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)有利；年降水量增多對(duì)植被（NDVI）生長(zhǎng)不利的地區(qū)包括中國(guó)東北大小興安嶺、長(zhǎng)白山等亞寒帶地區(qū)、青藏高原高寒區(qū)域大部、天山、祁連山及橫斷山脈等高海拔地區(qū)，其余中國(guó)大部分區(qū)域年降水量增多對(duì)生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)有利。

2.2 中國(guó)陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)區(qū)域劃分

根據(jù)陸地植被長(zhǎng)勢(shì)情況（以NDVI為標(biāo)識(shí)因子）對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，將中國(guó)陸地劃分為3個(gè)陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)區(qū)域類(lèi)型：氣候暖濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)、氣候暖干化驅(qū)動(dòng)區(qū)、氣候冷濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)。其中，氣候暖干化驅(qū)動(dòng)區(qū)主要分布于中國(guó)東北大小興安嶺、長(zhǎng)白山等亞寒帶地區(qū)、青藏高原高寒區(qū)域大部、天山、祁連山及橫斷山脈等高海拔地區(qū)，該區(qū)域若年均氣溫升高、年降水量減少對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)有利，相反則對(duì)植被生長(zhǎng)不利；氣候冷濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)主要分布于內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴(yán)重地區(qū)、長(zhǎng)江流域下游水稻主產(chǎn)區(qū)及西藏林芝熱帶半濕潤(rùn)地區(qū)，該區(qū)域若年均氣溫降低、年降水量增多對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)有利，相反則對(duì)植被生長(zhǎng)不利；其余中國(guó)大部分區(qū)域均屬于氣候暖濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)，該區(qū)域年均氣溫升高、同時(shí)年降水量增多對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長(zhǎng)有利，相反則對(duì)植被生長(zhǎng)不利（圖3）。

2.3 中國(guó)陸地植被覆蓋度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

將以上陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)區(qū)域劃分?jǐn)?shù)據(jù)與中國(guó)氣候變化區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS空間疊加（圖4），提取我國(guó)陸地范圍內(nèi)2種植被覆蓋變化明顯區(qū)域：①植被適應(yīng)氣候變化的區(qū)域，即植被覆蓋度將上升區(qū)域，我國(guó)東北大小興安嶺、長(zhǎng)白山、云貴等地區(qū)為氣候暖干化驅(qū)動(dòng)區(qū)，疊加氣候暖干趨勢(shì)帶；西北地區(qū)大部、東南地區(qū)（長(zhǎng)江下游除外）為氣候暖濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)，疊加氣候暖濕趨勢(shì)帶，氣候變化趨勢(shì)對(duì)陸地植被生長(zhǎng)有利。②植被不適應(yīng)氣候變化的區(qū)域，即植被覆蓋度下降區(qū)域。內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴(yán)重地區(qū)為氣候冷濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)，疊加氣候暖干化趨勢(shì)帶，氣候變化對(duì)陸地植被生長(zhǎng)不利。圖4中空白區(qū)域?yàn)闅夂蜃兓尘跋轮脖桓采w度預(yù)測(cè)變化不顯著區(qū)域。

3 結(jié)論

該研究首先應(yīng)用植被NDVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，將中國(guó)陸地劃分為3個(gè)陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型區(qū)域，其次將這3個(gè)陸地植被長(zhǎng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)區(qū)域與中國(guó)氣候變化區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS空間疊加，提取我國(guó)陸地范圍內(nèi)2種植被覆蓋變化明顯區(qū)域。基于以上分析，預(yù)測(cè)我國(guó)陸地植被覆蓋度將上升的地區(qū)包括東北大小興安嶺、長(zhǎng)白山、云貴等地區(qū)，以及西北地區(qū)大部、東南地區(qū)（長(zhǎng)江下游除外），氣候變化趨勢(shì)對(duì)陸地植被生長(zhǎng)有利；預(yù)測(cè)我國(guó)陸地植被覆蓋度將下降的地區(qū)包括內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴(yán)重地區(qū)，氣候變化對(duì)陸地植被生長(zhǎng)不利。

以上分析并未對(duì)混合情況進(jìn)行深入探討，如陸地植被氣候暖干化驅(qū)動(dòng)區(qū)域疊加氣候暖濕趨勢(shì)帶，或陸地植被暖濕化驅(qū)動(dòng)區(qū)域疊加氣候暖干趨勢(shì)帶等，該研究對(duì)這種區(qū)域定性分析為植被覆蓋度預(yù)測(cè)變化不顯著區(qū)域，需進(jìn)一步詳細(xì)分析。

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