中國草地NDVI時空動態對多尺度干旱的響應

劉洋洋, 任涵玉, 呼天明, 楊培志, 巴桑參木決,張 偉, 張志新, 溫仲明, 章釗穎

(1.西北農林科技大學 草業與草原學院, 陜西 楊凌 712100; 2.南京大學 國際地球系統科學研究所, 南京 210023)

中緯度地區氣候的暖干化是造成全球干旱災害頻發的主要原因之一，IPCC第4次評估報告指出氣候暖干化所波及的范圍將不斷擴大[1-2]，干旱成為國內外廣大氣象學者所關注的焦點問題之一。干旱通過抑制植被生長、減少植被生物量或者直接造成植被死亡等方式對陸地生態系統碳平衡產生嚴重影響[3]。盡管在全球變化背景下，干旱強度和范圍在不斷增大，但陸地生態系統對干旱的潛在響應機制仍不明確[4]。因植物個體防止水分流失的生理和結構特征的不同，且對干旱響應存在差異[5]，深入理解不同類型覆被對干旱的響應機制，便于促進對這些土地覆被的更有效管理[6]。

草地是中國主要的植被類型之一，在維持區域生態環境平衡和氣候調節方面具有重要意義[7]。研究表明草地對干旱的響應較其他植被類型更為敏感[6,8]，且不同氣候區及不同草地類型對水分匱乏或氣候干旱的抵抗力及恢復力穩定性具有較大差異，例如，草地生態系統長期暴露在干旱和半干旱環境中，因其形態和物候策略，往往在干旱條件結束時能夠表現出很高的抗旱性和抗逆性[9]。因此分氣候區探究不同草地類型對干旱的響應機制對于草地資源的保護和撫育意義重大[10]。Xu等[11]研究中國北方地區不同植被類型對多尺度時間干旱的響應，孔冬冬等[6]也曾對中國不同植被類型對多尺度干旱事件的響應特征進行探究。然而，中國不同氣候區及不同草地類型對多尺度干旱的響應機制尚不明確。標準化降水蒸騰指數(SPEI)是基于氣象數據且可以量化不同干旱類型的多標量干旱指數[12]，而植被歸一化指數(NDVI)則被視為區域和全球尺度上表征植被綠色和活力的穩定指標[13]。因此，本研究基于NDVI和SPEI數據分析1982—2015年中國不同氣候區、不同草地類型植被NDVI的時空演變趨勢，并計算不同氣候區、不同草地類型植被NDVI和多尺度SPEI指數的最大相關系數，確定不同氣候區及不同草地類型NDVI和SPEI指數的最大相關系數的干旱時間尺度，探究氣溫、降水和水平衡等因素對草地干旱響應的影響狀況。

1 材料與方法

1.1 數據來源及處理

1.1.1 NDVI數據 本研究利用兩套NDVI遙感數據作為后續的模型驅動數據。第一種為全球監測與模型研究組(GIMMS)提供的GIMMS NDVI數據(1982—2006年)，該數據的時空分辨率分別為15 d和8 km[10-12]。另一種NDVI數據選用美國國家航天航空局(NASA)地球觀測系統提供的MOD13A2產品(2001—2015年)，該數據的時空分辨率分別為16 d和1 km，采用MRT工具實現數據格式的轉換及數據的拼接、裁剪[13-14]。采用最大合成法將NDVI數據合成為月NDVI數據用于后續研究[15]。最終，在ArcGIS 10.3環境下對兩種NDVI數據進行投影的轉換及數據的重采樣，數據統一選用China_Lambert_Conformal_Conic投影，分辨率統一為1 km。

1.1.2 草地類型數據 采用Global Land Cover 2 000(GLC2000)產品提取中國草地覆被。GLC 2000產品空間分辨率為1 km，相對于IGBP分類數據而言分類精度更高，且草地精度高達66.95%[2,12]，同時與中國的2000年1∶10萬土地分類數據具有較高的面積一致性，被廣泛應用于區域或全球的植被研究中[7]。該分類法中中國草地總面積為335萬 km2，草地種類具體包括高山亞高山草甸(93.13萬 km2)、坡面草地(20.98萬 km2)、平原草地(41.99萬 km2)、荒漠草地(55.16萬 km2)、草甸(59.16萬 km2)、高山亞高山草地(64.58萬 km2)(圖1)。

圖1 中國草地類型及草地生態系統氣候區分布特征

1.1.3 SPEI指數 全球尺度的SPEI數據從SPEI base v.2.5產品獲得，時間序列為1901—2015年，空間分辨率為0.5°，包括1～48個月尺度，可用來分析植被對干旱響應的快慢程度[12]。本研究選取1982—2015年的SPEI指數來研究中國草地植被對干旱的響應狀況。因本研究所選擇的SPEI數據包括1～48個月尺度，研究表明，12個月尺度的SPEI對水分響應的滯后性較長，可以有效地監測干旱的年際變化特征[14-15]。

1.1.4 氣象數據 氣象數據源于中國氣象數據共享網1982—2015年的中國720多個標準氣象站點的月降水量、氣溫和蒸散數據[16]。通過引入海拔及日照等協變量因子，基于ANUSPLIN程序實現氣象數據的空間插值處理。

1.1.5 濕潤度指數(AI) 根據聯合國環境規劃署(UNEP)提出的標準格式，濕潤度指數被定義為年均降水量和年潛在蒸散量的比值，被廣泛應用于氣候區和氣候類型的劃分。根據UNEP的干旱分類標準計算中國草原生態系統的濕潤度指數，將中國草原生態系統劃分為4個氣候區以研究不同氣候區草地覆蓋的時空動態格局對氣候變化的響應特征，氣候區具體劃分標準為：干旱區(AI<0.20，AR)、半干旱區(0.200.65，HU)[17]。圖1B顯示中國草地生態系統AI指數的空間分布及氣候區格局。

1.2 主要分析方法

1.2.1 趨勢分析和F檢驗 基于一元線性擬合回歸分析來研究NDVI/SPEI和氣象因子在像元尺度上的時空變化率[2]：

(1)

式中:slope為斜率；i為研究年限；Vari表示第i年的研究變量，主要為NPP和氣象因子。如果slope小于0表示變量呈下降趨勢,反之則呈現上升趨勢[2]。各個變量的變化率基于F檢驗來確定其變化的顯著性[2],依據F檢驗的結果,趨勢可分為:(1)極顯著減少(slope<0,p<0.01);(2)顯著減少(slope<0,0.010.05);(4)未顯著增加(slope>0,p>0.05);(5)顯著增加(slope>0,0.010,p<0.01)。此外,采用Mann-Kenddall檢驗對NDVI和SPEI的年際變化趨勢進行突變點監測分析[4]。

1.2.2 最大相關系數 NDVI與SPEI的年最大相關系數能夠表征植被活動對干旱的響應程度，而兩者的年最大相關系數出現時所對應的月時間尺度能夠反映植被活動對不同時間尺度干旱響應的敏感程度[8,15]。NDVI與SPEI的年最大相關系數所對應的月時間尺度越短，則植被對于干旱的響應速度越快，且植被對于干旱的恢復力及抵抗力穩定性較弱，反之則響應速度越慢，且這種恢復力和抵抗力穩定性越強[6]。本研究基于Pearson相關系數來分析草地NDVI與SPEI指數的相關程度。分別計算各像元12個NDVI值與1～48個月尺度下SPEI值的相關系數，進而可以獲得576個相關系數值[15]。為了排除物候對研究結果的干擾，將每個像元處576個相關系數的最大值定義為該像元處的年最大相關系數，進而將月相關系數整合為年相關系數[10]。本研究將年最大相關系數所對應的時間尺度定義為Rtime-scale。計算方式如下[6,8]：

Rm，n=COR(NDVIn，SPEIm，n)；Rmax=max1≤m≤48，1≤n≤12(Rm，n)

(2)

式中:Rm,n表示NDVI與SPEI的相關函數；Rmax為最大相關系數；m為時間尺度,1,2,…,48;n為月份,1,2,…,12。后續研究主要分析中國不同氣候區及不同草地類型植被NDVI和SPEI的最大相關系數及其對應的時間尺度,探究草地對干旱的響應特征及響應快慢程度。

2 結果與分析

2.1 中國草地NDVI的年際變化特征

草地區域多年氣溫均值為0.31，最高值為2010年的0.39，最小值為1982年的0.26(圖2)。趨勢上，草地NDVI呈現出波動增加的變化趨勢，其中1982—1999年呈小幅增加趨勢，而1999年之后NDVI陡然上升。

總體而言，34 a間中國草地NDVI呈現出極顯著增加的變化趨勢(p<0.001)，年均增長率為0.004/a(圖2A)。MK檢驗表明(圖2B)，草地NDVI在1988年前呈現不顯著增加的變化趨勢，而1988年之后呈現出顯著增加的變化趨勢(p<0.05)，此外，草地NDVI的UF和UB曲線于1994年相交，表明NDVI均值在1994年發生突變。

圖2 中國草地NDVI年際變化

從圖3可以看出，HU區域的NDVI均值最高(0.37)，DSH區域次之(0.35)，而AR區域的平均NDVI值最低(0.24)。變化趨勢上，各氣候區草地NDVI的波動趨勢與年變化趨勢大致相符，在1999年之前呈現小幅波動增加趨勢，但增加趨勢并不明顯，1999年之后草地各個氣候區的草地NDVI均陡然上升，隨后呈現出大幅度的波動增加趨勢。總體看來，各氣候區草地NDVI均呈現出極顯著上升趨勢(p<0.001)，其中DSH和HU區域NDVI的年際變化率較大(0.005/a)，而SAR和AR區域NDVI的平均增加率相對較小(0.003/a)。

圖3 中國不同氣候區草地NDVI年際變化趨勢

從圖4可以看出，坡面草地的植被NDVI均值最高(0.33)，高山亞高山草甸(0.31)和草甸次之(0.30)，而高山亞高山草地的植被NDVI均值最低(0.14)。趨勢上，6種草地類型植被NDVI均值均表現為極顯著增加趨勢(p<0.001)，其中坡面草地的年際平均變化率最大(0.005/a)，高山亞高山草甸和草甸次之，其年際平均增加率分別為0.004/a和0.003/a。其余3種草地類型的植被NDVI年際平均變化率均為0.002/a。

圖4 中國不同草地類型植被NDVI年際變化趨勢

2.2 中國草地NDVI的空間變化特征

從圖5A可以看出，草地NDVI均值大于0.4的區域主要約占總草地面積的34.7%，主要分布在青藏高原東部、云南省、廣西省、黑龍江及內蒙古的呼倫貝爾地區。草地NDVI均值處于0.2～0.4之間的區域集中在青藏高原中部地區、內蒙古中部地區及新疆中部和北部地區。圖5B表明，1982—2015年草地NDVI呈現出明顯的減少趨勢的區域主要分布在黃土高原北部等地，另在新疆北部地區及青藏高原的中西部地區也有分布，其中最大減少率可達0.08/a，而中國青藏高原的東部地區及南方大部分地區的草地NDVI則均表現為增加趨勢，而最大增速可達0.06/a。圖5C表明，23.49%的區域草地植被NDVI表現為增加趨勢，其中草地NDVI顯著增加區域主要集中在華北平原地區、四川、云南、廣西及西藏的東南部，另在新疆中部地區也有零星分布。而草地NDVI呈現減少趨勢的區域分布范圍較大，主要集中在黃土高原北部及青藏高原中西部。

圖5 中國草地年均NDVI、變化率和顯著性檢驗的空間分布格局

2.3 中國草地區域干旱的時空變化趨勢

從圖6可以看出，34 a間中國草地區域SPEI指數波動程度較大，呈現不顯著增加趨勢(0.05/10 a，p>0.05)，即近幾十年草地區域呈現出不顯著的變濕趨勢。具體看來，1982—1987年中國草地SPEI呈現減小趨勢，由正值逐漸變為負值，說明干旱趨勢增加，而1987年后SPEI指數不斷增大，并于1990年增至最大值，1990年為34 a間最濕潤年，隨后SPEI指數呈現不斷下降趨勢，并于1995年減少至最小值，1995年為34 a間的最干旱年。1995年之后SPEI指數呈現出波動上升的變化趨勢，表明氣候干旱有所緩解。1995—2015年除2007年外，其他年份SPEI值多以正值為主，表明該段時間內中國草地區域氣候整體較為濕潤。MK檢驗同樣表明，UF和UB曲線主要在1988年后相交，表明1988年后中國干旱趨勢發生突變，草地區域由干旱轉變為濕潤，此后于1993年后相交，即1993年草地區域氣候由濕潤轉變為干旱，而1997年后又由干旱轉變為濕潤。

圖6 中國草地區域SPEI的年際變化趨勢及其突變檢驗

從圖7A可以看出，1982—2015年年尺度SPEI變化率分布范圍處于-0.09～0.12/10 a，SPEI的平均變化率為0.07/10 a，氣候狀況總體呈現變濕趨勢。草地區域干旱緩解的地區主要分布在新疆的中部及北部地區、青海省、四川西部地區以及西藏中部的大部分地區，其中SPEI的最大增加幅度為0.12/10 a，而干旱加劇的地區主要集中在內蒙古中部及東部的大部分地區、寧夏地區、西藏的西部地區及云南省北部地區。

圖7B表明，中國草地區域氣候變干的區域主要集中在內蒙古中部和寧夏地區。而草地區域氣候變濕的區域則集中在新疆中部和北部及青藏高原大部分地區。

圖7 草地區域SPEI變化率及顯著性空間分布

2.4 草地NDVI與SPEI的相關性及其對應的尺度

圖8A表明，中國草地NDVI與SPEI指數呈正相關的區域占全國草地總面積的75.16%，其中正相關系數達0.6以上的區域集中在內蒙古大部分地區、青海省北部、黃土高原北部及新疆北部地區，正相關系數于0.4～0.6之間的區域集中在青海省大部分地區、西藏中部偏西地區、華北平原地區及廣西省。

圖8B表明，草地NDVI與SPEI指數呈顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)正相關的面積分別占全國草地總面積的17.92%和32.39%，集中分布在內蒙古大部分地區、青海省南部及新疆北部地帶；而草地NDVI與SPEI指數呈顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)負相關的面積分別占全國草地總面積的4.46%和3.62%，主要分布在西藏東南部、四川西部及云南等地。

圖8C表示中國草地NDVI與SPEI的年最大相關系數所對應的月時間尺度。中國內蒙古地區、新疆地區、青海省北部及西藏南部地區的草地NDVI對SPEI響應的時間尺度較短，主要集中在1～3個月、3～6個月及6～9個月的時間尺度內。而青海省南部及東部地區及西藏的中部地區草地NDVI對SPEI的響應的時間尺度較長，達24～36個月，主要由于該部分地區地貌以冰川、凍土為主，土壤水分除了受降水量影響之外，凍土消融及冰川融水對于土壤水分的變化也會產生重大影響，因而草地生長對干旱響應的時間尺度較長。

圖8 中國草地NDVI與1-48月尺度SPEI指數的年最大相關系數、顯著性檢驗及其對應時間尺度的空間分布格局

圖9A表明高山亞高山草甸與草甸植被NDVI與SPEI的最大相關系數較大，分別為0.30，0.26，平原草地次之，而其余3種草地類型植被NDVI與SPEI的最大相關系數均在0.18左右。圖9B表明，高山亞高山草甸植被NDVI對SPEI的干旱響應尺度最長(長達14個月尺度)，高山亞高山草地和草甸次之(8～10個月尺度之間)，而其余3種草地類型植被NDVI對短時間尺度的SPEI響應更為敏感。就不同氣候區而言，半干旱區域草地NDVI與SPEI的最大相關系數最大(0.36)，干旱區域次之(0.21)，而濕潤地區則相對較小(圖9C)。同樣地，半干旱區域草地NDVI對SPEI的響應尺度較長(長達14個月尺度)，干旱區域次之(8個月尺度)，而濕潤地區草地NDVI對SPEI響應的響應尺度集中在6個月尺度左右(圖9D)。

注：ASAM表示高山亞高山草甸；SG表示坡面草地；PG表示平原草地；DG表示荒漠草地；MG表示草甸；ASAG表示高山亞高山草地；AR表示干旱地區；SAR表示半干旱地區；DSH表示干旱和半濕潤地區；HU表示濕潤地區。

2.5 氣象因素及水平量衡對草地響應干旱的影響分析

由圖10A可以看出，多年平均氣溫與草地NDVI和SPEI的相關性呈現出不顯著的負相關關系(R=-0.29)，表明氣溫對于草地響應干旱的影響程度較弱，總體表現為氣溫較高的狀況下，草地生長與氣候干旱的相關性較低，諸如坡面草地；而對于高山亞高山草甸和草甸等氣溫較低區域，草地生長對于干旱的響應更為明顯。圖10C表明，草地區域多年平均降水與草地NDVI和SPEI的相關性呈現出不顯著的正相關關系(R=0.38)，表明降水對于草地干旱響應的影響較大，主要表現在對荒漠草地、高山亞高山草地及平原草地的植被干旱響應狀況影響較小，而對降水較多的高山亞高山草甸植被生長的影響較大，但對于降水較多的坡面草地區域影響較小。圖10E表明，多年水平衡對于草地響應干旱的影響也較大(R=0.37)，但不顯著，具體表現為對高山亞高山草甸和草甸區域的植被干旱響應影響較大，而對荒漠草地區域的植被干旱響應影響較小。綜合以上分析，降水是草地干旱響應的最主要因素，水平衡次之，而氣溫對于草地干旱響應的影響相對較小。

圖10B，D，F表示氣溫、降水及多年平均水平衡對不同類型草地NDVI與SPEI的最大相關系數所對應的干旱時間尺度的影響狀況。由圖可知，氣溫、降水及水平衡對于草地響應干旱快慢程度的影響存在較大差異性。圖10B表明，多年平均氣溫與最大相關系數所對應的時間尺度之間呈現不顯著的負相關關系(R=-0.33)，即氣溫對于草地干旱響應快慢的影響并不明顯，具體表現為隨著氣溫的升高，不同草地類型植被NDVI對于SPEI的響應尺度將不斷縮短，其中高山亞高山草甸的響應尺度最久，而荒漠草地的響應尺度較短。圖10D表明，多年平均降水對于草地干旱響應尺度的影響較大，兩者呈現出正相關關系(R=0.47)，表現為降水缺乏的區域草地生長往往更容易被短時間尺度的干旱所影響，諸如荒漠草地等，而降水較多的高山亞高山草甸區域，植被NDVI對于SPEI的響應則集中在長時間尺度。圖10F表明，水平衡對于草地干旱響應快慢的影響程度較弱，呈現出弱的正相關關系(R=0.25)，體現為水分虧損嚴重的地區草地生長對于干旱響應的時間尺度較短。綜上分析，中國草地生長對于干旱響應快慢的影響因素主要為降水，氣溫次之，而水平衡影響相對較小。

圖10 氣溫、降水及水平衡對中國草地植被NDVI與SPEI相關性及其最大相關系數所對應的尺度的影響特征

3 討 論

干旱頻發對草地生態系統的生長及分布格局產生嚴重影響，不同氣候區干旱的發生有較大差異，而不同草地類型對干旱的響應機制也有區別，研究不同氣候區各草地類型對干旱的響應機制對于草地保護具有重要意義[18]。Vicente-Serrano等[19]評估全球不同氣候區下陸地生態系統對多尺度干旱的響應特征，發現美國中部、西南部及墨西哥的半干旱和干旱地區的森林NDVI與SPEI之間的相關性最高，而濕潤地區的相關性則明顯低于半干旱和干旱地區。本研究得出半干旱區域草地NDVI與SPEI的最大相關系數最大(0.36)，而濕潤地區則相對較小(圖9C)，濕潤地區的特點是水平衡通常大于0，降水較為充足且植被的水分利用效率低[20]。盡管濕潤區域干旱對植被的影響小于干旱區域，但干旱同樣對于濕潤區域的植被活動產生影響，因而導致58.39%的區域草地NDVI與SPEI的相關性達到顯著。

了解干旱對植被影響的最大主導時間尺度有助于評估植被對于干旱的抵抗力及其自身的恢復力[17]。Vicente-Serrano等[19]研究表明，全球尺度范圍內干旱地區的植被對干旱的響應往往集中在短時間尺度范圍下，而濕潤區域的植被則對長時間尺度的干旱響應更為敏感，該結論與本研究結果一致。根據Xu等[11]的研究，氣候干旱的條件下植被對于干旱的響應非常迅速，因而干旱與半干旱區域的植被對于干旱的響應的時間尺度往往較短，尤其對于內蒙古高原、黃土高原以及中國的西部干旱區。本研究結果與Xu等的結論同樣一致，發現草地NDVI對SPEI響應的時間尺度較短的區域主要分布在內蒙古地區、新疆地區、青海省北部等干旱地帶，該部分地區主要分布著荒漠草地及平原草地等，原因可能是干旱半干旱地區降水相對較為匱乏，一旦土壤水分發生缺失，植物物種存在特有的抵抗力及適應機制促使它們能夠迅速適應不斷變化的水資源[21]。孔冬冬等[6]發現中國川西及青藏高原地區主要分布著高原草甸、草地，地表地貌以冰川、凍土為主，凍土消融及冰川融水對于土壤水分的變化也會產生重大影響，因而草地生長對干旱響應的響應較弱。本研究結果與上述結果相吻合，主要歸因于該區域獨特的氣候水文條件[11]。

本研究發現，區域氣溫的升高會導致草地NDVI對于干旱的響應尺度不斷縮短，且多年平均降水對于草地干旱響應尺度的影響較大，降水缺乏的區域草地生長往往更容易被短時間尺度的干旱所影響，諸如荒漠草地等，而降水較多的高山亞高山草甸區域，植被NDVI對于SPEI的響應則集中在長時間尺度。原因主要是氣溫的升高和降水的缺失均會導致干旱加劇，而干旱生態系統對水的有效性以高度可塑性的方式做出反映，能夠通過減少水分損失、呼吸成本、光合活性和生長速率的生理、解剖學和功能策略而立即對缺水環境產生適應，因此對于干旱區域的而言，植被能夠對干旱做出快速響應，且干旱響應所對應的時間尺度較短[22-23]。

4 結 論

本研究分析1982—2015年中國不同氣候區及不同草地類型覆被下植被NDVI的時空動態趨勢及其對干旱的響應狀況，表明中國草地NDVI呈現出極顯著增加的變化趨勢(0.004/a)，各氣候區草地NDVI均呈現極顯著上升趨勢，且濕潤區域增加率較干旱區大。草地NDVI呈顯著增加的區域集中在華北平原地區、四川、云南、廣西及西藏的東南部地區。期間草地區域SPEI值呈現不顯著增加趨勢(0.05/10 a)，其中顯著變干的區域集中在內蒙古中部和寧夏地區。草地NDVI與SPEI指數呈顯著正相關的區域集中在內蒙古、青海省南部及新疆北部地帶。內蒙古、新疆、青海省北部及西藏南部地區的草地NDVI對干旱響應的時間尺度較短，而青海東南部及西藏中部草地NDVI對干旱響應的時間尺度較長。高山亞高山草甸和草甸區域植被NDVI與SPEI的相關性最強，且對干旱的響應時間尺度相對較長，而荒漠草地對干旱的響應時間尺度較短；與濕潤區域相比，干旱區域草地NDVI與SPEI的相關性更強，且對干旱響應的時間尺度更短。降水是草地干旱響應的最主要因素，水平衡次之，而氣溫的影響相對較小。