近15年來青海湖流域氣溫、降水變化對植被物候驅動分析

王志剛, 曹生奎, 曹廣超

(1.青海師范大學 地理科學學院, 西寧 810008; 2.青海師范大學 青海省自然地理與環境過程重點實驗室,西寧 810008; 3.青海師范大學 青海省人民政府—北京師范大學 高原科學與可持續發展研究院, 西寧 810008)

近100年來全球氣候變暖已受到全人類的高度關注[1]，青藏高原近47年來年平均氣溫增速為0.37℃/10 a，年平均降水量增速為9.1 mm/10 a[2-3]，正經歷著快速變暖變濕[4]。在此氣候變化背景下，青藏高原植被物候對其氣候變化的響應受到廣泛關注[5-7]。目前對青藏高原植被物候的研究主要集中在植被物候的時空分布特征、變化趨勢以及對氣候變化的響應等[8-11]。丁明軍等[8]、孔冬冬等[9]研究表明，青藏高原植被返青期(start of growing season, SOS)整體呈提前趨勢，休眠期(Dormancy of growing season, DOS)呈推遲趨勢；周玉科等[10]發現，青藏高原東南部呈現SOS和DOS推遲、LOS(Length of growing season, LOS)呈延長趨勢；西南部呈SOS推遲、DOS提前、LOS呈縮短的趨勢，植被物候存在明顯的地域差異性。植被物候的變化能夠直觀地反映全球氣候變化，直接影響著陸地生物多樣性格局[11-12]，并引起土壤—植物—大氣系統碳水熱交換的變化，進而影響氣候變化[13]。因此，深入理解氣候變化對青藏高原植被物候的驅動作用，有助于深入了解植被物候對全球氣候變化的適應方式，可為應對未來氣候變化提供一定理論參考。

位于青藏高原東北部的青海湖流域不僅是特殊生態功能區，也是全球氣候變化生態敏感區之一[14-15]，前人研究結果表明氣候變化是驅動該區域植被物候變化的主要因素之一[5,15]，李廣泳等[15]認為青海湖流域年均溫度升高背景下流域內植被平均SOS并未表現出提前趨勢，年降水量在一定程度上影響著流域植被枯黃期；蘇芬等[16]利用青海湖流域氣象站點觀測記錄，揭示青海湖流域牧草返青期主要受氣溫影響，牧草枯落期主要受降水影響，生長期是受氣候與降水的共同影響；宋春橋等[17]通過遙感監測研究了藏北高原植被物候時空動態變化認為返青期提前及生長季延長主要受氣溫升高的影響；汪青春等[18]認為牧草返青期不但受氣溫影響，秋季和春季的降水量也對其具有明顯的影響。可見，青海湖流域氣候變化對植被物候的驅動作用的認識依然存在分歧，且前人研究主要基于站點尺度較少探討空間上植被物候與氣候因子的關系。青海湖流域空間尺度上氣候變化如何驅動植被物候變化仍不清晰。因此，本文選取青海湖流域高寒植被為研究對象，研究近15 a來青海湖流域氣溫、降水變化對植被物候的驅動分析，并在空間和海拔梯度上探討青海湖流域植被物候變化的主要氣候驅動因素，以期為青海湖流域生態保護與可持續發展提供參考建議。

1 研究區概況

青海湖流域位于青海省東北部(36°15′—38°20′N，97°50′—101°20′E)，流域四周為高山環繞，形成一個完整的封閉型高原內陸盆地(圖1)，海拔在3 169～5 268 m，總面積約2.96萬 km2[19-21]。2001—2015年青海湖流域年均氣溫和年均降水量年際變化特征呈明顯上升趨勢，年均氣溫和年均降水量增加速率分別為0.03℃/a和1.42 mm/a，青海湖流域年均氣溫在-1.34～-0.1℃變化，最低值出現在2004年，最大值出現在2010年；年均降水量在335.13～514.48 mm變化，最低值出現在2015年，最大值出現在2009年，氣候變化暖濕趨勢明顯。近15 a流域年均氣溫在空間上呈現東南高西北低；年均降水量空間上呈中部低北部高。

圖1 青海湖流域位置

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

青海湖流域植被物候數據集來源于美國NASA網(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)的MODIS MCD12Q2植被物候動態變化產品數據，MCD12Q2已被廣泛用來研究植被物候變化[22-25]，空間分辨率為 500 m，該數據需要對EVI時間序列數據進行去云、輻射校正、大氣校正和幾何校正等步驟，消除云、雪和氣溶膠等影響。其數據中的植被物候確定是利用連續時相的EVI值來判斷不斷降低和升高的區間，如果區間振幅和極大值符合閾值條件，就定義升高與降低區間為一個生長周期。接著對每個生長周期進行Logistic函數擬合，通過曲率值變化確定生長開始，EVI不斷增長的中點為成熟期，EVI持續降低的終點為生長結束。

數據利用MRT軟件進行批量處理，將數據格式轉換成geotiff格式，坐標系轉換成WGS84坐標，再利用ENVI5.3軟件和ArcGIS 10.3對其進行拼接、裁剪和影像解譯。年降水量和年氣溫數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/DOI)，并通過ArcGIS軟件進行數據統計得到每年年均氣溫和降水量(圖2)再通過其柵格計算得到近15 a青海湖流域年均氣溫和降水量(圖3)。

圖2 2001-2015年青海湖流域年均氣溫和年均降水量變化趨勢

圖3 2001-2015年青海湖流域年均氣溫和年均降水量空間分布

2.2 相關性分析

在相關分析中，偏相關系數能真實反映變量x和y之間的相關性，其計算公式為[26-27]:

(1)

式中:rxy,z為自變量z(降水或氣溫)固定后因變量x(物候)與自變量y(降水或氣溫)的偏相關系數。實際上,某個要素的變化受多個因子的綜合影響,偏相關分析不能很好反映各要素的綜合影響,復相關分析可以解決上述問題。復相關的計算公式如下[26-27]:

(2)

式中:rxy,z表示因變量x和自變量y,z的復相關系數;rxy表示x與y的線性相關系數,rxz,y表示固定自變量y之后因變量x與自變量z的偏相關系數。本文用T檢驗對偏相關系數進行顯著性檢驗,用F檢驗對復相關系數進行顯著性檢驗其計算公式為[26-27]:

(3)

(4)

式中:n為樣本數(時間序列為2001—2015年、即n= 15);m和k為自變量個數。

2.3 植被物候變化的氣候因子驅動分區方法

參考已有研究成果的研究方法[28]：(1)計算植被物候與降水、溫度的偏相關系數以及復相關系數；(2)利用T和F檢驗進行顯著性檢驗(顯著相關p<0.05)；(3)滿足復相關顯著且植被物候與降水偏相關顯著的像元定義為降水驅動型；滿足復相關顯著且植被物候與氣溫偏相關顯著的像元定義為氣溫驅動型；(4)滿足復相關顯著且植被物候與降水偏相關不顯著、植被物候與溫度偏相關不顯著的像元定義為氣溫、降水驅動型；(5)不滿足復相關顯著的像元定義為非氣溫—降水驅動型[26,28]。

3 結果與分析

3.1 青海湖流域植被物候與年均氣溫、年均降水量的偏相關關系

2001—2015年青海湖流域植被SOS，LOS，DOS與年均氣溫和降水量偏相關系數結果顯示(圖4和圖5)，植被SOS，LOS和DOS與年均氣溫偏相關系數分別為-0.57～0.36，-0.89～0.81和-0.29～0.51。SOS與年均氣溫呈負相關關系的區域幾乎全域分布(占總面積99.21 %)，呈正相關關系的區域零星分布在流域西北部(占總面積 0.79%)；LOS與年均氣溫呈正相關關系的區域主要分布在流域東南部、北部及西北部地區(占總面積65.62 %)，呈負相關關系的區域主要分布在布哈河河谷低海拔地區(占總面積34.38%)；DOS與年均氣溫呈正相關關系的區域廣泛(占總面積96.89%)，與年均降水量呈負相關關系的區域主要分布在西北高海拔區域(占總面積3.11%)。植被物候與年均氣溫偏相關關系表明，年均氣溫的升高會導致SOS提前、LOS延長和DOS推遲。植被SOS，LOS和DOS與年均降水量偏相關系數分別為-0.58～0.38，-0.82～0.93和-0.23～0.23。SOS與年均降水量呈正相關關系的區域主要分布于流域西北部地區，呈負相關關系的區域主要分布于流域的東南部，其分別占比39.69%和60.31%；LOS與年均降水量呈正相關關系的區域主要分布在青海湖流域東南部和西北部地區，呈負相關關系的區域主要分布在剛察縣南部地區，其分別占比66.85%和33.15%；DOS與年均降水量呈正相關關系的區域主要分布于流域西北部地區，呈負相關關系的區域主要分布于流域的東南部，其分別占比70.02%和29.98%。植被物候與年均降水量偏相關關系表明，年均降水量的增多會導致SOS提前、LOS延長和DOS推遲。

圖4 青海湖流域植被SOS、LOS和DOS與年均氣溫偏相關系數

圖5 青海湖流域植被SOS、LOS和DOS與年均降水量偏相關系數

3.2 植被物候與年均氣溫和降水量的復相關關系

2001—2015年青海湖流域植被SOS，LOS和DOS與年均氣溫和降水量的復相關系數分別為0.04～0.73，0.01～0.93，0.13～0.56(圖6)。

SOS在剛察縣的西部、北部以及天峻縣的北部和東南部地區復相關性較強；其西北部高海拔地區復相關性弱(圖6A)；LOS在流域的西北部高海拔地區、南部低海拔地區以及剛察縣南部湖濱等地區復相關性較強(圖6B)；DOS在青海湖流域中部復相關性較強；在流域西北部高海拔地區、南部以及東南部低海拔地區較弱(圖6C)。

圖6 青海湖流域植被物候因子與年均氣溫和降水量的復相關系數

植被SOS，LOS和DOS與年均氣溫和降水量呈顯著相關關系(圖7)的區域分別占33.18%，8.04%和27.48%，呈不顯著相關關系的區域分別占66.82%，91.96%和72.52%。上述分析表明，植被物候與氣溫降水復相關關系具有一定顯著相關性，LOS的相關性較差，SOS和DOS呈顯著相關區域占比高，顯著相關區域分布特征均是以青海湖西岸為中心向兩側延伸；DOS呈顯著相關區域占比比SOS的高，LOS中顯著不相關區域面積較大，存在分布差異性。

圖7 青海湖流域植被物候因子與年均氣溫和降水量復相關顯著性水平分布

3.3 青海湖流域氣溫、降水對植被物候的驅動分析

2001—2015年植被SOS，LOS和DOS以氣溫為主要驅動分別占比10.68%，2.31%和13.22%(圖8)；在SOS中主要分布在布哈河下游北部地區；LOS中主要分布在青海湖北部湖濱及剛察縣北部高海拔地區；DOS中主要分布在布哈河下游北部地區和剛察縣的西部地區。

注：T表示氣溫驅動; NC表示非氣溫—降水驅動;(T+P)表示氣溫，降水驅動區; P表示降水驅動。

植被SOS，LOS和DOS受氣溫、降水驅動區域分別占比23.02%，9.89%和23.45%；在SOS中主要分布在天峻縣北部和東部地區；LOS中主要分布在青海湖流域的西北部和剛察縣的北部；DOS中主要分布在天峻縣的北部地區。植被SOS，LOS和DOS受非氣溫—降水驅動區域分別占比66.3%，77.5%和63.33%。此外，LOS中以降水為主要驅動因素的區域占比10.30%，其主要分布在在青海湖北部湖濱及布哈河的中游地區，而SOS和DOS中均無降水驅動。綜上，植被SOS、LOS和DOS主要受非氣溫—降水驅動影響。

4 討 論

本研究結果顯示，2001—2015年青海湖流域尺度上植被SOS和LOS受氣溫和降水的共同影響，這與青海湖流域已有研究結果一致[15-16]。本研究認為植被DOS主要受氣溫影響與李廣泳[15]和蘇芬等[16]人認為其主要受降水影響的研究結論截然不同，原因可能是他們的研究是基于氣象站數據，存在一定局限性。植被SOS與年均氣溫的負相關關系和與年均降水量負相關關系特征明顯，表明流域內SOS主要受年均氣溫和降水影響，氣溫上升會導致地溫升高，會加速植物內部的化學反應過程，為植物生長提供條件[26]，水熱條件的良好配合促進植被SOS提前。氣溫和降水是植被生長關鍵因子，流域年均氣溫和降水量在西北中部地區均呈高值分布，使得此區域的LOS與年均氣溫和降水量的呈顯著復相關關系，受氣溫和降水共同影響。另外，顯著不相關區域的面積占比高，其可能受非氣溫—降水因素影響較大。氣溫是限制植被活動的關鍵因子[29]，植被在DOS期間，秋季氣溫降低且在流域高海拔地區年均氣溫為-9℃左右，不適宜植被生長。因此，氣溫升高則會造成DOS推遲，其與年均氣溫和降水量偏相關結果表明，DOS與年均降水量相關性較弱，受年均氣溫影響顯著。

青海湖流域植被物候與氣溫、降水量相關關系的空間差異性主要與海拔梯度效應有關。青海湖流域沿海拔梯度(海拔每上升100 m年均氣溫和年均降水量對植被物候的影響)植被物候與年均氣溫和降水量的線性關系表明(圖9)，植被SOS與年均降水量呈顯著正相關(R2= 0.93，p<0.01)，與年均氣溫呈顯著負相關(R2= 0.94，p<0.01)，即年均氣溫上升1℃，植被SOS提前0.35 d，年均降水量增加1 mm，SOS推遲4 d；相反，年均降水量與LOS(R2= 0.96，p<0.01)、DOS(R2= 0.96，p<0.01)分別呈顯著負相關，年均氣溫與LOS(R2= 0.98，p<0.01)、DOS(R2= 0.98，p<0.01)分別呈顯著正相關，即年均氣溫上升1℃，植被LOS延長0.15 d，DOS推遲0.25 d；年均降水量增加1 mm，植被LOS縮短1.69 d，DOS提前2.85 d。此研究結果與黃文潔等[30]在青藏高原3 500～5 000 m海拔范圍內植被物候變化趨勢基本一致。綜上，在海拔梯度上年均氣溫對植被物候的影響大于年均降水量的影響，年均氣溫的上升會使青海湖流域植被SOS提前，LOS延長，DOS推遲；相反，年均降水量的增加會使得植被SOS推遲，LOS縮短，DOS提前。可見，海拔因素是重要的非氣溫—降水的驅動因素，深刻影響著海拔梯度上的植被物候變化。

圖9 青海湖流域沿海拔梯度植被物候與年均氣溫和降水量的線性關系

青海湖流域植被物候變化的驅動因素不僅與氣溫、降水及二者共同作用有關，還與海拔高度及其他非氣溫—降水因素有關。植被SOS受氣溫驅動主要分布在布哈河下游部分地區，此類塊狀分布特征與其河谷地形及年均氣溫高值區的分布特征有著相似之處，此區域海拔低，氣溫高，降水少，植被對氣溫的敏感性高于其他地區；在此驅動之外，由于海拔梯度的上升，降水量增加，草甸和高山植被對氣溫降水的敏感度上升，此時擁有了良好的水熱條件導致受氣溫降水驅動影響；受非氣溫—降水驅動因素產生的原因可能與植被類型、養分密切相關[26]。另外，植被生長與土壤環境和坡度坡向有關[31-32]，且與自然災害性事件存在一定關聯性[26]，造成LOS主要受非氣溫—降水因素驅動的地區占比77.5%比SOS和DOS受其驅動所占比例高。植被的休眠與氣溫降水密切相關，崔耀平等[33]認為青藏高原東北部植被生長的最適溫度為10℃左右，此時植被DOS期間的平均氣溫均低于此氣溫，再加上DOS期間降水會抑制植被生長[26]，使其受氣溫驅動面積大于SOS受氣溫驅動面積。通過上述分析，植被物候驅動因子不僅受其植被類型影響，還與其生長的環境因子有著密切的聯系。

5 結 論

(1)近15 a青海湖流域植被SOS和LOS變化主要受年均氣溫和年均降水量共同影響；DOS變化主要受年均氣溫影響。

(2)植被SOS，DOS同LOS受氣溫、降水驅動區域存在明顯差異性。SOS和DOS受氣溫、降水驅動區域主要集中在青海湖流域中部地區；LOS受氣溫、降水驅動區域主要分布于青海湖北部湖濱及布哈河的中游地區。

(3)青海湖流域植被物候空間變化驅動因素大小依次為：非氣溫—降水因素>氣溫降水綜合作用>氣溫>降水；海拔梯度方向上，其影響因素大小依次為：氣溫>降水。