我國北方地區植被對水分虧缺的響應特征分析

劉 灝,何劉鵬,丁怡博

[1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州450003;2.水利部黃河流域水治理和水安全重點實驗室(籌),河南 鄭州 450003]

植被與氣候變化的關系一直是研究熱點,大多數研究集中在分析降水、氣溫、土壤水分等單一指標與植被生長的關系,如DING et al.[1］和王兆禮等[2］分析了中國范圍內植被與農業和氣象干旱的關系,NIU et al.[3］研究了青藏高原植被對土壤水分的響應機制,GU et al.[4］調查了植被與氣候因子(氣溫和降水)變化的滯后效應。植物生長需要水分的參與,水分虧缺會影響植物的生理過程,如根系吸水、葉片蒸騰、水分傳導等,進而影響植物形態、葉面積、光合作用強度、根冠發育情況等,限制植物生長甚至造成植物死亡。植物生長所需的水量受多種因素的共同影響,單一指標無法準確描述植物與區域水量變化之間的關系,而水分虧缺通常指區域尺度輸入的降水量無法補充輸出的蒸散發量[5］,可綜合反映區域尺度上的水分狀況,因此分析植被對水分虧缺變化的響應程度和時間有助于理解植被動態變化與水分變化之間的關系[6］。

各種植被指數被廣泛應用于植被動態變化研究,其中基于Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR)衛星的Global Inventory Modeling and Mapping Studies(GIMMS)的NDVI產品具有較長的監測時間序列(1982—2015年),用于分析植被與水分虧缺的關系時,其結果具有更高的精確度[1］。本研究以我國北方地區為研究區,基于長時間序列氣象和植被數據,總結我國北方地區不同類型區域的植被和水分虧缺特征,及植被對水分虧缺的響應程度,探討不同植被類型對水分虧缺的敏感程度,以期為深入研究區域尺度水量時空變化對植被的影響提供參考,也可為“雙碳”目標背景下的政策制定提供依據。

1 研究區概況

我國北方地區位于東經83°～124°、北緯27.5°～53.5°,自東向西呈三級階梯狀的高程分布,第一級階梯主要為青藏高原、柴達木盆地,第二級階梯主要為準噶爾盆地、塔里木盆地、內蒙古高原和黃土高原,第三級階梯主要為東北平原和華北平原[見圖1(a)]。我國北方地區主要為溫帶大陸性和溫帶季風氣候區[7］,年均降水量在200～600 mm之間[8］。不同地區的主要植被類型呈現不同的特征,其中東北片區的植被類型以針葉林、落葉闊葉林為主,華北片區的植被類型以落葉闊葉林、草地和農田為主,西北片區的植被類型以荒漠和草地為主。基于我國干旱、半干旱氣候區的劃分方法,結合降水、植被類型等基本特征,本研究將我國北方地區分為寒溫帶針葉林區(Ⅰ)、溫帶落葉闊葉林區(Ⅱ)、暖溫帶落葉闊葉林區(Ⅲ)、溫帶草原區(Ⅳ)和溫帶荒漠區(Ⅴ)5個分區,劃分結果見圖1(b),各分區土地利用情況見圖1(c)和表1。

表1 中國北方地區5個分區土地利用情況

圖1 研究區概況

1)Ⅰ分區位于大興安嶺北部,屬于東西伯利亞南部落葉針葉林,是歐亞大陸北方針葉林沿山地向南的延續部分,山地海拔在600～1 000 m之間,不同地點年均氣溫為-5～-1.2 ℃,年均降水量為400～600 mm,土地利用類型以林地為主,其次是草地和農田。

2)Ⅱ分區位于東北地區的東部區域,包括小興安嶺和長白山山區,屬海洋性溫帶季風氣候區,呈現山巒重疊、地勢起伏的地形特點,不同地區年均氣溫為-1～6 ℃,年均降水量為600～800 mm,土地利用類型以林地為主,其次是農田和草地。

3)Ⅲ分區位于華北地區,地形以山地、丘陵和平原為主。四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,不同地區年均氣溫為8～14 ℃,年均降水量為500～1 000 mm,土地利用類型以草地和農田為主。

4)Ⅳ分區包括東北平原、內蒙古高原、黃土高原和準噶爾盆地北部的一部分,屬溫帶半濕潤、半干旱氣候區,地形以山地和平原為主,不同地區年均降水量為300～500 mm,土地利用類型以草地為主,不同地區其次是農田和林地。

5)Ⅴ分區位于我國西北部,屬溫帶干旱氣候和極端干旱氣候區,地形以沙漠和戈壁為主,不同地區年均降水量為100～800 mm,土地利用類型以沙漠為主。

2 研究方法與數據來源

2.1 數據來源

植被數據采用由美國NASA的生態預測實驗室生產的時間分辨率1個月、空間分辨率8 km×8 km的1982—2015年GIMMS NDVI遙感產品數據(http://ecocast.arc.nasa.gov/)。降水、風速、氣溫、日照時數、相對濕度等氣象要素數據來源于國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/),采用反距離權重法將氣象站點數據插值為時間分辨率1個月、空間分別率8 km×8 km的空間數據。土地利用類型和植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/Default.aspx)。

2.2 研究方法

2.2.1 水分虧缺量

在大尺度范圍內,區域的水分虧缺通常被定義為一個系統或一個區域水分供需差額或收支赤字[5］。本研究根據區域的水量平衡原理,將降水量和潛在蒸散發量的差值定義為區域水文循環過程中的水分虧缺量。Penman-Monteith模型具有蒸散發量的物理基礎和較為廣泛的應用,可較為準確地模擬植被的潛在蒸散發量,本研究應用FAO56 Penman-Monteith模型模擬潛在蒸散發量。Penman-Monteith模型為[9-10］

(1)

式中:PET為潛在蒸散發量,單位mm;Rn為太陽凈輻射,單位MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,單位MJ/(m2·d);Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率,單位kg·Pa/℃;γ為濕度計常數,單位kg·Pa/℃;es為飽和水汽壓,單位kPa;ea為實際水汽壓,單位kPa;T為2 m高度處平均氣溫,單位°C;u2為2 m高度處的風速,單位m/s。

水分虧缺量計算公式為

D=P-PET

(2)

式中:D為水分虧缺量,單位mm;P為降水量,單位mm。

2.2.2 植被對水分虧缺的響應程度和響應時間

本研究采用最大系數法確定植被對水分虧缺的響應程度和響應時間[11］,具體是指:以柵格為單位,計算不同時間尺度下NDVI和水分虧缺量的Pearson相關系數,將不同時間尺度下的最大相關系數定義為植被對水分虧缺的響應系數,將最大相關系數所在的時間尺度定義為植被對水分虧缺的響應時間。響應系數越大,代表植被對水分變化越敏感;而響應時間指水分虧缺發生變化,致使土壤濕度發生變化,進而引起植被生長狀態發生變化的這段時間,響應時間越長,代表由水分虧缺變化引起植被生長狀態發生變化所需的時間越長。最大相關系數計算公式為

(3)

3 結果與討論

3.1 我國北方地區植被特征

調查我國北方地區不同分區的植被特征差異和動態變化特征,可為后續分析植被對水分虧缺的響應提供基礎。通過總結我國北方地區不同分區1982—2015年各季節NDVI均值(見圖2),發現我國北方地區不同分區各季節NDVI值呈現夏季>秋季>春季>冬季,夏季的植被覆蓋程度明顯高于其他3個季節,秋季和春季近似,冬季植被覆蓋程度最低。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區相同季節NDVI值比較接近,Ⅳ分區各季節NDVI值略低于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區,Ⅴ分區各季節NDVI值明顯低于其他4個分區。DING et al.[1］通過研究表明林地生物群落的植被覆蓋程度和生態抵抗能力普遍高于草地和農田,且遠高于荒漠植被。XU et al.[12］通過研究同樣表明東北、華北和西北的植被覆蓋程度依次降低。由表1可知,不同的植被類型和生物群落是造成我國北方地區不同分區植被覆蓋程度差異的主要原因。

圖2 我國北方地區5個分區各季節NDVI均值

為進一步分析我國北方地區不同分區的植被覆蓋變化特征,基于NDVI月尺度和年尺度數據計算了NDVI在年際和年內的標準差(見圖3)。我國北方地區NDVI年際標準差在0.002～0.030之間,而年內標準差在0.01～0.27之間,NDVI在年內不同月份的變化要大于在年際間的變化,表明植被覆蓋程度在不同季節間變化明顯,而在年際間變化較小。Ⅰ、Ⅱ分區NDVI年內標準差高于其他分區,主要是因為這兩個區域的植被以針葉林和落葉闊葉林為主,植被生長隨季節變化比較顯著。Ⅴ分區NDVI年際和年內標準差均低于其他分區,表明該區域植被覆蓋程度在不同季節間和年際間的變化均較小。

圖3 5個分區的NDVI在年際和年內的標準差

3.2 我國北方地區不同分區水分虧缺情況

圖4為我國北方地區不同分區的降水量、潛在蒸散發量和水分虧缺量統計結果。由圖4(a)可以得到:

圖4 5個分區降水量、潛在蒸散發量和水分虧缺量統計結果

不同分區按年均降水量大小排序為Ⅲ分區(520～750 mm)>Ⅱ分區(550～725 mm)>Ⅰ分區(450～500 mm)>Ⅳ分區(325～450 mm)>Ⅴ分區(100～175 mm);不同分區按年均潛在蒸散發量大小排序為Ⅴ分區(1 150～1 250 mm)>Ⅲ分區(1 125～1 200 mm)>Ⅳ分區(1 025～1 150 mm)>Ⅱ分區(925～975 mm)>Ⅰ分區(775～850 mm)。由圖4(b)可以得到不同分區年均水分虧缺量依次為Ⅴ分區(-1 150～-1 000 mm)<Ⅳ分區(-800～-600 mm)<Ⅲ分區(-600～-400 mm)<Ⅰ分區(-400～-300 mm)<Ⅱ分區(-350～-200 mm)。不同分區的年均降水量差異較大,年均潛在蒸散發量差異相對較小。Ⅴ分區年均降水量最小,年均潛在蒸散發量最大,導致水分虧缺最嚴重,且明顯高于其他分區。

3.3 植被對水分虧缺的響應

通過計算植被對水分虧缺的響應系數和響應時間并分析其空間分布特征(見圖5),可以得到:東北平原中部、內蒙古高原中部、準噶爾盆地南部的植被與水分虧缺呈現正相關關系,且相關系數較高;塔里木盆地植被與水分虧缺呈現負相關,且相關系數較低。東北平原、內蒙古高原和華北平原植被對水分虧缺的響應時間較短,青藏高原和塔里木盆地植被對水分虧缺的響應時間較長。

圖5 我國北方地區植被對水分虧缺的響應系數和響應時間空間分布

通過計算我國北方地區不同分區植被對水分虧缺的響應系數[見圖6(a)],得到各分區響應系數大小排序為:Ⅰ分區(0.75～0.80)>Ⅳ分區(0.70～0.80)>Ⅱ分區(0.55～0.75)>Ⅲ分區(0.45～0.70)>Ⅴ分區(0.18～0.75)。通過計算不同分區植被對水分虧缺的響應時間[見圖6(b)]可知:Ⅰ分區植被對水分虧缺的響應時間主要為5個月,其面積占比為96%;Ⅱ分區的響應時間主要為5個月或6個月,其面積占比分別為59%和36%;Ⅲ分區的響應時間主要為5個月或6個月,其面積占比分別為38%和49%;Ⅳ分區的響應時間主要為5個月,其面積占比為68%;Ⅴ分區的響應時間比較分散,2、3、4、5和11個月的面積占比分別為15%、20%、13%、10%和13%。

圖6 5個分區植被對水分虧缺的響應系數和響應時間

植被類型是影響植被對水分虧缺的響應程度和響應時間的重要因素。通過計算各分區中不同植被類型對水分虧缺的響應系數[見圖7(a)]和響應時間[見圖7(b)],發現Ⅰ分區林地和草地對水分虧缺的響應系數分別為0.76～0.81和0.77～0.81;Ⅱ分區農田和林地對水分虧缺的響應系數分別為0.57～0.73和0.68～0.76;Ⅲ分區農田和草地對水分虧缺的響應系數分別為0.39～0.63和0.51～0.72;Ⅳ分區農田和草地對水分虧缺的響應系數分別為0.65～0.75和0.71～0.78;Ⅴ分區草地和沙漠植物對水分虧缺的響應系數分別為0.73～0.88和0.13～0.41。Ⅰ分區中林地和草地對水分虧缺的響應系數接近,同時Ⅰ分區中草地對水分虧缺的響應系數高于其他分區的草地;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分區中農田對水分虧缺的響應系數均低于同分區的其他植被;Ⅴ分區中草地和沙漠植物對水分虧缺的響應系數差異較大,草地對水分虧缺的響應系數高于沙漠植物,沙漠植物對水分虧缺的響應系數是所有植被類型中最低的。除Ⅴ分區外,其他分區的農田、草地、林地對水分虧缺的響應時間一般為5或6個月。人類活動影響是造成不同植被類型對水分虧缺響應程度不同的主要原因。SHI et al.[13］發現人類的灌溉活動會降低農田植被對水分虧缺的敏感程度和延遲響應時間。在本研究中,人類灌溉活動會影響Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分區的農田作物生長,使得農田對水分虧缺的響應程度低于同分區的其他植被類型;此外,不同植被的生理結構差異也是造成植被對水分虧缺響應程度差異的原因,如沙漠植物具有特殊的生理結構,使得其對水分變化的敏感程度較低,導致Ⅴ分區沙漠植物對水分虧缺的響應程度明顯低于其他植被類型。

F、G、C、D分別代表林地、草地、農田、沙漠。

4 結論

通過采用NDVI和水分虧缺量描述植被動態變化和水分條件,基于長時間序列數據和柵格尺度的計算,總結了我國北方地區不同分區植被特征和水分虧缺特征,分析了我國北方地區不同分區植被對水分虧缺的響應系數和響應時間,結果表明:①我國北方地區夏季的植被覆蓋程度明顯高于其他3個季節,秋季和春季近似,冬季植被覆蓋程度最低,年際NDVI變化程度低于年內不同季節NDVI的變化程度;②較高的年均潛在蒸散發量和較低的年均降水量導致Ⅴ分區水分虧缺最嚴重;③植被對水分虧缺的響應系數表現為Ⅰ分區>Ⅳ分區>Ⅱ分區>Ⅲ分區>Ⅴ分區,除Ⅴ分區外,植被對水分虧缺的響應時間集中在5或6個月;④受人類灌溉活動影響,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分區農田對水分虧缺的響應程度低于同分區的其他植被類型,而沙漠植物的特殊生理結構導致其對水分虧缺的響應程度較低。