黑河流域植被垂直分布對氣候變化的響應

范澤孟

1 中國科學院地理科學與資源研究所,資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京 100101

2 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049

3 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,南京 210023

植物群落是植物與環境間相互作用的產物,其相互作用表現在植被對環境要素變化的適應性和植被對環境要素的反饋作用[1- 3]。植被類型的空間分布受到氣溫、降水、土壤、地形等多種環境因子的影響。針對如何分析植被與環境間的相關關系這一科學問題,目前主要采用包括主成分分析、多元統計分析、二歧指示種分析、典范對應排序方法、最大熵模型等方法,結合植被類型分布、地理因子、氣候因子、能量因子等數據,對植被類型的空間分布與環境因素間的關系進行不同層次定量和定性的分析[4- 9]。植被分布的時空格局在氣候變化的驅動下往往會發生系列空間移動,而這種植被分布的時空移動狀態可作為氣候變化對植被變化影響,以及植被變化對氣候變化響應定量分析的重要指標[10-13]。目前,在利用平均降水、日照時長、最熱最冷月均溫、高程、坡度、坡向、Kira溫暖指數、寒冷指數、平均生物溫度等氣候因子,對在植被分布與氣候變化相關性方面開展了大量的研究[14-15],但大部分研究主要集中運用單一或者某幾個氣候要素來對其與植被分布的相關關系進行分析[16],或者主要對研究區域的植被覆蓋指數(NDVI)等時空變化進行分析[17],以及定量求算植被覆蓋指數在某一海拔高程上的變化極值[18],尚缺乏不同海拔高程上的植被類型分布的差異對比及其與氣候要素的相關性的綜合分析。

黑河流域作為我國第二大內陸河流域,總面積超過了14×104km2,為典型的大陸性干旱氣候。從黑河上游至下游,全流域的生物溫度逐漸升高,降雨量則逐漸減少。黑河上游主要為祁連山區,地勢高寒,年降水量為250—500 mm,植被垂直分布規律性明顯。其中,高山墊狀植被帶主要分布海拔范圍為3900—4200 m,以蒿草和雜類草為主的高山草甸植被帶主要分布海拔范圍為3600—3900 m,以杜鵑(Rhododendronprzewalskii)灌叢、高山柳(Salixcupularis)灌叢和金露梅(Potentillafruticosa)矮灌叢為主的高山灌叢草甸帶主要分布海拔范圍為3300—3900 m,以青海云杉(Piceacrassifolia)和祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)為主的山地森林帶主要分布海拔范圍為2400—3400 m,山地草原帶主要分布在2200—2600 m,荒漠草原帶主要分布在1900—2300 m。海拔在2000 m以下的黑河流域中下游地區的植被類型則主要為溫帶小灌木和半灌木荒漠植被類型。其中,中游除了自然生長的溫帶小灌木和半灌木荒漠植被,主要分布綠洲地區人工栽培的農作物和人工林植被類型。下游三角洲則以胡楊(Populuseuphratica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、檉柳(Tamarixchinensis)、白刺(Nitrariatangutorum)等荒漠植被為主[19]。

氣候變化將引起土壤水文循環系統變化[20],導致植物生長和分布環境發生改變[21],使得植被類型及分布呈現相應的響應變化[22]。尤其是氣溫和降水作為最主要的氣候要素, 其時空分布變化,將直接關系到植被類型的空間分布范圍及動態變化狀態[23]。近50年來,黑河流域的平均氣溫呈顯著上升趨勢[24]。隨著氣候變化和人類活動強度的不斷加劇,黑河流域的生態環境呈現出系列退化現象。其中,黑河上游山地草場超載導致大面積草場、牧場退化,下游的額濟納旗由原來西北地區的生態屏障淪為沙塵暴的重要發源地[25],影響范圍涉及中國西北、華北甚至華東地區[26-27]。雖然目前在黑河流域范圍內,尤其是在小流域或者更小尺度上[28],開展了大量的黑河流域植被變化觀測和統計分析研究[29-30]。然而在黑河流域植被類型空間分布特征及與氣候變化的關系目前主要集中在黑河流域上游地區,缺乏對整個黑河流域植被類型的垂直分布及其與氣溫、降水等氣候要素的響應差異分析[31]。

因此,該論文旨在結合1980s年代的黑河流域植被類型的空間分布數據,以及大量的野外調研、歷史采樣、遙感影像等多源植被基礎數據,以及氣候觀測模擬數據,在獲取的黑河流域2010s時段79個植被型組的空間分布數據的基礎上,分別構建氣候要素和植被類型垂直分布變化的空間統計分析模型,定量分析黑河流域不同海拔梯度上植被變化與平均生物溫度和降水變化的相關性,揭示黑河流域植被分布在不同的分布梯度帶上對平均生物溫度氣溫和降水變化的響應差異。該研究不僅可為整個黑河流域的生態系統變化監測和綜合評估提供重要數據與方法支持,而且能夠為開展黑河流域不同植被垂直帶的生態修復與管理等提供輔助決策支持。

1 數據與方法

1.1 數據收集與處理

在黑河流域植被垂直分布變化及其對氣候變化響應定量分析過程中涉及到植被數據、氣候數據及地形高程數據。植被類型及分布的基礎數據包括寒區旱區科學數據中心網站(http://westdc.westgis.ac.cn)的1980s年代的植被類型空間分布數據和2011—2015年間野外實地采樣的410個植被樣本數據。基于410個植被樣本數據、1980s年代的植被空間數據,結合Google Earth平臺的多源高分影像數據,采用ArcGIS空間制圖和分析方法,實現黑河流域植被空間分布數據的更新,獲得2010s年代黑河流域79種植被類型的空間分布數據(圖1)。氣候數據來源于黑河流域21個氣象常規觀測站及周邊區域內13個的氣象觀測站的氣候觀測資料。在對每個氣象觀測站點1980s年和2010s年兩個時段的年平均降水和平均生物溫度進行計算的基礎上,利用高速度高精度曲面建模(HASM)方法,模擬得到黑河流域的空間分辨率為500 m×500 m的年平均降水和平均生物溫度的空間分布數據(圖2)[32-33]。地形數據采用美國的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)90 m×90 m的DEM數據。

圖1 1980s和2010s黑河流域植被類型的空間分布

1.2 模型與方法

根據黑河流域的氣溫、降水、土壤及植被的空間分布格局及其垂直分異特征,結合黑河流域海拔高程范圍(800—5400 m),將黑河流域植被分布從低海拔到高海拔依次劃分為6級植被垂直分布梯度帶：即,綠洲農田和荒漠帶(≤1700 m)、荒漠草原植被帶(1700—2100 m)、干性灌叢草原植被帶(2100—2500 m)、山地森林草原植被帶(2500—3300m)、高山灌叢草甸植被帶(3300—3800 m)和高山寒漠草甸植被帶(≥3800 m)。利用ArcGIS空間統計方法,分別對每個植被垂直分布梯度帶內的平均生物溫度、平均降水及植被類型進行統計,并定量計算1980s和2010s兩個時段內的植被垂直分布梯度帶內平均生物溫度、平均降水及植被類型的變化強度,解析黑河流域植被類型對氣候變化響應的梯度差異。

其中,采用黑河流域1980s(t0)和2010s(t1)兩個時段內植被垂直分布梯度帶內的平均生物溫度和平均降水的空間變化速率,表征兩個時段內各植被垂直分布梯度帶的氣候要素變化強度的垂直差異性,其計算公式為：

DMABk=(AveMAB,k,t1-AveMAB,k,t0)/AveMAB,k,t1×100%

(1)

DTAPk=(AveTAP,k,t1-AveTAP,k,t0)/AveTAP,k,t1×100%

(2)

式中,DMABk、DTAPk分別為t0和t1兩個時段內第k個植被垂直分布梯度帶內的平均生物溫度和平均降水的變化強度；AveMAB,k,t0和AveMAB,k,t1分別為t0和t1兩個時段內第k個植被垂直分布梯度帶內的平均生物溫度；AveTAP,k,t0和AveTAP,k,t1分別為t0和t1兩個時段內第k個植被垂直分布梯度帶內的平均降水；k=1,2,3,4,5,6分別表示綠洲農田和荒漠帶、荒漠草原植被帶、干性灌叢草原植被帶、山地森林草原植被帶、高山灌叢草甸植被帶和高山寒漠草甸植被帶6個植被垂直分布帶的編碼。

根據黑河流域1980s(t0)和2010s(t1)兩個時段內植被垂直分布梯度帶內的各種植被類型的空間分布數據,求算每一種植被類型及所有植被類型在各個植被垂直梯度帶內的變化率,進而表征兩個時段內各植被垂直分布梯度帶的植被類型的變化差異性,其計算公式為：

DVegi,k=ΔSi,k,t0-t1/Sk×100%

(3)

DVegk=∑ΔSi,k,t0-t1/Sk×100%

(4)

式中,ΔSi,k,t0-t1表示t0和t1兩個時段內第k個植被垂直分布帶內第i種植被類型的變化面積；DVegi,k表示t0和t1兩個時段內第k個植被垂直分布帶內第i種植被類型的變化率；Sk表示第k個植被垂直分布帶的總面積；其余參數同上。

2 結果分析

2.1 黑河流域氣候要素的空間分布變化及垂直分異

根據對1980s和2010s兩個時期的黑河流域年平均生物溫度和平均降水兩個關鍵氣候要素的空間分布變化數據(圖2)進行分析發現,平均降水量增長最顯著的區域集中在黑河流域上游東部,祁連山脈段為減少趨勢并呈帶狀分布；平均生物溫度的增長主要集中在中游地帶,增長強度往南側隨緯度下降逐漸減緩,在祁連山區的增長幅度小且呈帶狀分布。結合DEM數據,對黑河流域的6個植被垂直分布帶的平均生物溫度和平均降水的變化強度進行了統計分析表明(表1)：隨著海拔高度的增加,整個黑流域的平均生物溫度逐漸降低,而平均降水量則逐漸升高。從1980s時段到2010s時段,整個黑河流域的平均降水量增加了7.57 mm,增加幅度為2.39%。其中,荒漠草原植被帶增量最大(增加12.48 mm),綠洲農田與荒漠沙漠帶增幅最快(增加了14.64%),而高山寒漠草甸植被帶的增量和增加幅度均為最小,分別為2.58 mm和0.43%。另外,整個黑河流域的平均生物溫度在兩個時段內上升0.62℃,上升幅度為11.42%。其中,綠洲農田和沙漠荒漠帶的平均生物溫度增加最大(上升0.80℃),但其增加幅度最小(增加7.50%)；高山寒漠草甸植被帶的平均生物溫度增加最小(上升0.30℃),但其上升幅度最快(上升37.97%)。

表1 黑河流域平均生物溫度和降水的垂直梯度變化

圖2 1980s—2010s黑河流域平均生物溫度和平均降水的空間變化

2.2 黑河流域植被類型的空間分布及其整體動態變化

根據1980s和2010s兩個時段的黑河流域植被類型空間分布數據,對兩個時段內黑河流域的植被動態變化進行空間統計分析表明(圖1)：在整個黑河流域范圍內,祁連山區、俄博灘、野牛溝地區等上游區域植被類型的豐富度高于其他區域。河西走廊、阿拉善平原及狼心山西麓的植被類型分布相對單一,主要以荒漠/半荒漠植被類型為主。中游山丹、民樂地區的青海云杉植被類型呈現擴張趨勢,上游祁連山區地區的西北針茅(S.sareptanavar.krylovii)植被類型呈現退縮趨勢,而中游肅南縣地區的矮禾草草原植被類型呈現消亡變化趨勢。荒漠及沙漠植被類型、人工經濟作物田及果園、大型喬木、中高海拔耐寒灌叢類型的面積呈快速增長趨勢,而部分草原、草甸類型出現了不同程度的退化。1) 從動態變化速度上看,整個黑河流域植被空間分布的動態變化率為25.75%。其中,毛枝山居柳(S.oritrepha)灌叢減少速度最快,在1980s—2010s期間減少了95%,青海云杉林增加速度最快,在1980s到2010s期間增加了96%。另外,苔草(Carexsp.)-雜類草草甸植被類型、吉拉柳(S.gilashanica)灌叢、祁連圓柏林、青海云杉林、金露梅灌叢等植被類型呈快速增加趨勢；毛枝山居柳灌叢、拂子茅(Calamagrostisepigeios)高禾草草甸、蒙古巖黃芪(Hedysarummonogolicum)-籽蒿(Artemisiasphaerocephala)-沙竹(Psammochloavillosa)荒漠、圓穗蓼(Polygonummacrophyllum)-珠芽蓼(P.viviparum)草甸等植被類型呈快速減少趨勢；2)從動態變化面積上看,在1980s—2010s期間整個黑河流域植被分布發生變化的總面積為203.12萬hm2。其中,春小麥-水稻-糖甜菜-向日葵-枸杞田-梨園代表的經濟作物類型增加面積最多,從1980s到2010s增加了20.03萬hm2,體現了人工植被中經濟作物類型占主要變化的人工植被變化趨勢,其次是青海云杉林,增加了14.83萬hm2。籽蒿荒漠減少面積最多,在1980s—2010s期間減少了16.61萬hm2,其次是矮嵩草草甸,減少了15.23萬hm2。另外,雖然吉拉柳灌叢凈增長的面積僅為1.24萬hm2,但其在各海拔梯度上的變化趨勢差異性明顯,表明了該植被類型在垂直分布上對氣候變化具有非常高的敏感性。

2.3 植被類型在垂直梯度上的變化趨勢

對黑河流域1980s—2010s期間植被類型垂直分布的變化趨勢進行統計分析(圖1,表2)表明,綠洲農田和荒漠帶、荒漠草原植被帶、干性灌叢草原植被帶、山地森林草原植被帶、高山灌叢草甸植被帶和高山寒漠草甸植被帶6個垂直帶內的優勢植被類型呈現不同的變化趨勢。其中,綠洲農田荒漠帶的優勢植被類型為紅砂(Reaumuriasongorica)荒漠,面積減少7.95萬hm2；荒漠草原植被帶的優勢植被類型為合頭草(Sympegmaregelii)荒漠,面積減少0.39萬hm2；干性灌叢草原植被帶的優勢植被類型為短花針茅(Stipabreviflora)-長茅草(Imperatacylindrica)草原,面積減少5.74萬hm2；山地森林草原植被帶的優勢植被類型為西北針茅(S.sareptanavar.krylovii)草原,面積減少6.36萬hm2；亞高山灌叢草甸植被帶的優勢植被類型為小蒿草(Kobresiapygmaea)草甸,面積減少1.54萬hm2；高山寒漠草甸植被帶的優勢植被類型也是小蒿草草甸,面積減少0.31萬hm2。干性灌叢草原植被帶內的優勢植被類型短花針茅-長茅草草原,其面積減少速度最快,在1980s—2010s期間減少了45.45%。

在1980s和2010s兩個時段內,山地森林草原植被帶內的植被動態變化率最高(表2),達56.93%,綠洲農田荒漠帶內的植被動態變化率最小,為7.73%。綠洲農田荒漠帶的春小麥-水稻-糖甜菜-向日葵-枸杞田-梨園等人工植被面積增加最多(增加16.58萬hm2),籽蒿荒漠面積減少最多(減少16.61萬hm2)；荒漠草原植被帶和干性灌叢草原植被帶內的吉拉柳灌叢面積增加最多(分別增加5.88和4.30萬hm2),而兩個垂直帶內的短花針茅-長茅草草原面積均減少最多(分別減少1.07萬hm2和6.89萬hm2)；山地森林草原植被帶的青海云杉林面積增加最多(12.22萬hm2),西北針茅草原面積減少最多(減少6.36萬hm2)；亞高山灌叢草甸植被帶的合頭草荒漠面積增加最多(增加1.84hm2),矮蒿草(K.humilis)草甸面積減少最多(減少4.93萬hm2)；高山寒漠草甸植被帶的水母雪蓮-風毛菊稀疏植被面積增加最多(增加3.68萬hm2),其矮蒿草草甸的面積減少最多(減少13.86萬hm2)。

表2 黑河流域植被垂分布動態變化

2.4 典型植被類型垂直分布的動態變化

為了更好地揭示黑河流域植被的垂直分布變化趨勢,結合各植被垂直帶類的主要植被類型及分布狀況,篩選了分布垂直跨度大于等于兩個植被垂直帶的10種典型植被類型,并對其在1980s和2010s兩個時段內的動態變化情況進行空間統計(表3)。分析結果顯示,綠洲農田荒漠帶內的尖葉鹽爪爪(Kalidiumcuspidatum)荒漠和人工植被(春小麥-水稻-糖甜菜-向日葵-枸杞田-梨園)增加速度最快,分別為39.92%和38.28,均遠高于該植被帶內所有類型動態變化的7.73%；荒漠草原植被帶內的人工植被(春小麥-水稻-糖甜菜-向日葵-枸杞田-梨園)增加速度最快,1980s—2010s期間增加了62.06%, 而該植被帶內的青海云杉林則全部消失；干性灌叢草原植被帶內的合頭草荒漠增加速度最快,增加了82.41%；山地森林草原植被帶內的合頭草荒漠增加最快,其次青海云杉林和金露梅灌叢,增加幅度分別高達774.34%、197.06%和169.84%；高山灌叢草甸植被帶內的膜果麻黃荒漠增加最快,增加了228.00%,而毛枝山居柳-金露梅-箭葉錦雞兒(Caragana jubata)灌叢則減少100%；高山寒漠草甸植被帶內的金露梅灌叢增加最快,增加了54.50%,而青海云杉林減少了88.32%。

表3 典型植被類型在各植被帶內的變化率

另外,尖葉鹽爪爪荒漠和人工植被(春小麥-水稻-糖甜菜-向日葵-枸杞田-梨園)在綠洲農田荒漠帶、荒漠草原植被帶和干性灌叢草原植被帶均呈增長趨勢,在其他垂直植被帶內則總體呈減少趨勢。毛枝山居柳-金露梅-箭葉錦雞兒灌叢、水母雪蓮-風毛菊稀疏植被、藏亞菊墊狀植被和金露梅灌叢在山地森林草原植被帶、高山灌叢草甸植被帶和高山寒漠草甸植被帶呈增長趨勢。青海云杉林在荒漠草原植被帶、高山灌叢草甸植被帶和高山寒漠草甸植被帶呈減少趨勢,在山地森林草原植被帶呈快速增長趨勢。高山灌叢草甸植被帶的合頭草荒漠呈快速增長趨勢。

2.5 植被類型垂直分布對氣候要素的響應分析

表4 黑河流域植被垂分布動態變化與氣候要素的相關性

3 討論與結論

3.1 討論

2010s年代黑河流域植被類型空間分布數據的獲取結果表明,結合多源高分辨率遙感影像數據、野外實地調研采樣點數據、歷史采樣點數據、氣候觀測數據、黑河流域矢量邊界數據,運用Google Earth平臺和ArcGIS空間制圖和分析方法,不僅可以高效地實現黑河流域植被類型空間分布數據的快速更新,而且能夠有效彌補目前僅基于某一植被指數(如NDVI)對黑河流域植被變化進行分析的算法缺陷[17]。1980s和2010s兩個時段的黑河流域不同垂直梯度帶上的植被變化差異的分析表明,基于氣候要素數據、DEM數據及植被分布數據構建的黑河流域植被類型與氣候要素在不同垂直帶上的空間分析模型,可以有效地對黑河流域不同垂直梯度帶上的植被類型動態變化及其與氣候要素變化的響應關系進行定量解析。譬如,荒漠草原植被帶和干性灌叢草原植被帶的植被動態變化與年平均生物溫度和降水的相關性高于其他植被帶,有效證實了這兩個植被帶類的植被變化對氣候變化的敏感性高于其他植被帶內植被變化對氣候變化的敏感性的相關研究結論[34-35]；分布于綠洲農田荒漠帶、荒漠草原植被帶、干性灌叢草原植被帶和山地森林草原植被帶的(森林、草地及荒漠綠洲等)植被生態系統在1980s和2010s時段內的變化幅度高于其他的植被帶,進一步表明了人類活動對位于黑河流域中下游植被變化的干擾強度大于對高海拔植被變化的干擾強度[36]

另外,國內外大量研究表明,生態過渡帶是對氣候變化和人類活動最為敏感的區域[37-39]。在生態過渡帶區域內,植被類型及其多樣性的分布更容易受到平均生物溫度和降水等氣候要素變化的影響而發生改變[40-42]。因此,黑河流域作為我國典型的生態過渡帶,定量解析黑河流域不同垂直梯度上的植被類型的動態變化趨勢及其對不同氣候要素變化響應的梯度差異,不僅對開展其他生態過渡帶的植被類型動態變化及氣候變化響應具有借鑒意義,而且開展大尺度下植被分布對氣候變化的響應研究也極具代表性[43-44]。

在后續的研究工作中,將進一步結合更高分辨率的遙感數據,數量更多、分布更均勻的實地樣點數據,考慮陰坡和陽坡的地形影響差異,對流域內各植被類型進行識別和提取,進而在提高各植被類型邊界劃分精度的基礎上,對黑河流域未來植被類型及其垂直分布的變化情景進行模擬預測。

3.2 主要結論

黑河流域綠洲農田荒漠帶、荒漠草原植被帶、干性灌叢草原植被帶、山地森林草原植被帶、高山灌叢草甸植被帶和高山寒漠草甸植被帶六個植被垂直帶內的平均生物溫度和平均降水在1980s—2010s間整體上均呈增加趨勢。其中,降水的增長率隨海拔升高呈下降趨勢,而平均生物溫度的增長率則隨海拔升高呈持續上升趨勢。

在1980s和2010s兩個時段內,黑河流域植被類型分布發生變化的面積高達203.12萬hm2,動態變化率為25.75%。其中,春小麥-水稻-糖甜菜-向日葵-枸杞田-梨園代表的經濟作物類型增加面積最多(增加20.03萬hm2),毛枝山居柳灌叢減少速度最快(減少95%)。不同植被垂直帶的對比分析表明,山地森林草原植被帶(2500—3300m)的變化最快,變化率為56.93%；綠洲農田荒漠沙漠植被帶(1700m以下)的變化最慢,變化率僅為7.73%,而中低海拔植被帶內的植被動態變化率與年平均生物溫度和平均降水的相關系數整體上高于其他植被帶。

總之,隨海拔升高,黑河流域植被類型的總面積變化率逐漸降低。其中,中低海拔段的荒漠化和人工經濟作物面積呈快速增加趨勢,草原和灌叢面積呈減少趨勢；；中高海拔段的耐寒灌叢、荒漠類型植被和部分稀疏植被類型的面積整體呈增長趨勢；喬木類型在中海拔段呈增長趨勢,高海拔則顯著減少趨勢。極高海拔段主要是永久冰川、常年積雪和稀疏植被,無明顯變化。