韓丹丹, 穆興民, 高 鵬, 趙廣舉, 孫文義, 田 鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

隨著全球變暖，極端氣候頻發(fā)，強(qiáng)度增強(qiáng)，其對(duì)人類生產(chǎn)生活具有重大影響。IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，全球平均氣溫在1880—2012年期間升高了0.85 ℃[1]。極端氣候事件是指特定時(shí)段內(nèi)某類氣候要素統(tǒng)計(jì)量值顯著偏離平均值、且超出其觀測(cè)統(tǒng)計(jì)量值區(qū)間上下限的閾值的事件[2]。與平均態(tài)相比，極端氣候具有偶然性、反常性的特點(diǎn)，且破環(huán)程度高、災(zāi)難性強(qiáng)，地域差異性更為顯著[3]。黃土高原自身復(fù)雜的地形影響和長(zhǎng)期人類活動(dòng)的干擾，極端氣候?qū)χ脖坏挠绊懕绕骄鶓B(tài)氣候的影響更為明顯，開展黃土高原植被動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)極端氣候的影響對(duì)于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。植被是連接土壤、水和大氣的紐帶，在全球變化中有著重要的作用。目前，前人研究多集中在各個(gè)區(qū)域平均態(tài)氣候和人類活動(dòng)兩個(gè)因素與植被的關(guān)系，認(rèn)為氣候?yàn)橹脖簧L(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因子，降水通常影響干旱半干旱地區(qū)的植被，而氣溫一般有利于溫帶或寒溫帶地區(qū)的植被生長(zhǎng)[4-6]。極端事件的頻發(fā)會(huì)對(duì)植被的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要的影響，導(dǎo)致植被覆蓋狀況的改變。近年來(lái)，關(guān)于植被動(dòng)態(tài)變化與極端降水和氣溫之間的相關(guān)性的認(rèn)識(shí)有了很大的提升。例如，趙安周等[7]研究表明，春季和秋季NDVI與極端氣候指數(shù)均有顯著的相關(guān)性。西北干旱區(qū)極端氣溫和降水的增加趨勢(shì)明顯要高于均態(tài)氣溫和降水，且該區(qū)域暖濕化和極端化趨勢(shì)更為顯著[8]。楊方興[9]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古區(qū)域植被NDVI與極端降水指數(shù)呈顯著的相關(guān)性，而與極端氣溫指數(shù)未發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性。不同區(qū)域不同尺度下極端氣溫和降水與植被的關(guān)系具有差異性。黃土高原地區(qū)植被NDVI與極端氣候之間的關(guān)系尚不明確。因此，本文利用1982—2017年黃土高原遙感數(shù)據(jù)和87個(gè)氣象站日降雨、日最高溫和日最低溫?cái)?shù)據(jù)，研究黃土高原植被覆蓋度時(shí)空變化及其對(duì)極端氣候的響應(yīng)，為科學(xué)地減緩和應(yīng)對(duì)氣候異常提供依據(jù)，以促進(jìn)黃土高原生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)位于中國(guó)中西部(100°54′—114°33′E，33°43′—41°16′N)，包括太行山以西，日月山以東，秦嶺以北，長(zhǎng)城以南的區(qū)域，海拔800～2 000 m，面積約為6.24×105km2。地勢(shì)西北高東南低，屬干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫4.3～14.3 ℃，年均降水量150～750 mm。植被類型從東南到西北呈帶狀分布，依次為森林植被帶、森林草原帶、典型草原植被帶、荒漠草原植被帶、草原化荒漠帶。降雨集中且多暴雨、土質(zhì)疏松、植被覆蓋低、人類活動(dòng)以及不合理的土地利用等原因，使得黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 研究資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用1982—1999年的GIMMS數(shù)據(jù)產(chǎn)品和2000—2017年MODIS月最大合成(MVC)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為8 km和500 m。數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天航天局(NASA)，原始數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)輻射校正、幾何糾正等預(yù)處理(https:∥e4ftl01.cr.usgs.gov/MOLT)。運(yùn)用MRT(MODIS reprojection tools)進(jìn)行格式、投影的轉(zhuǎn)化和裁剪，并利用均值法獲取各月及歷年值。氣象數(shù)據(jù)采用1982—2017年黃土高原87個(gè)氣象站日降水與日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

極端氣候指數(shù)利用RClimDex模型得到各個(gè)氣象站的極端氣溫和極端降水指數(shù)，該模型可以分辨錯(cuò)誤的氣象數(shù)據(jù)，指數(shù)涵蓋指標(biāo)范圍廣[10]。本文所取指數(shù)包括3個(gè)極端降水指數(shù)和9個(gè)極端氣溫指數(shù)由ETCCDMI(expert team on climate change detection and indices)推薦，均已涵蓋極端氣溫和極端降水長(zhǎng)期與短期的邊緣化與極端態(tài)[11](表1)。采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)季節(jié)劃分，分別為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)。利用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)分析1982—2017年黃土高原地區(qū)NDVI和極端氣候指數(shù)的趨勢(shì)變化，運(yùn)用相關(guān)分析研究極端氣候指數(shù)與NDVI的相關(guān)性。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)方法被廣泛使用于氣象、水文數(shù)據(jù)時(shí)間序列分析中，其優(yōu)點(diǎn)在于它不需要樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[12]；其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量若為正，表示序列呈增加趨勢(shì)，為負(fù)表示序列呈減少趨勢(shì)，顯著性水平為0.05時(shí)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量臨界值為±1.96，顯著性水平為0.01時(shí)為±2.58[13]。

表1 本研究選取的極端氣候指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI時(shí)空變化分析

黃土高原1982—2017年NDVI多年平均值為0.337，1982年最小，為0.285，2014年最大，為0.442。1982—2017年NDVI呈顯著增加的趨勢(shì)，上升速率為每年0.37%(R2=0.75，p<0.01)(圖1)。黃土高原NDVI變化序列變化可分為兩個(gè)階段：1982—1999年NDVI值較低，且增長(zhǎng)幅度較小，每年以0.09%的速率增長(zhǎng)；2000—2017年NDVI值相對(duì)增長(zhǎng)幅度較大，每年以0.41%的速率增長(zhǎng)。黃土高原地區(qū)1982—2017年NDVI均值呈從西北到東南遞增的趨勢(shì)(圖2)，高值區(qū)主要分布在東南部的子午嶺山區(qū)、黃龍山林區(qū)等地，低值區(qū)主要分布在榆林西北部、內(nèi)蒙古、銀川的東南部等地。

其中，NDVI值顯著增加區(qū)域主要分布在毛烏素沙地西部和中東部、賀蘭山、鄂爾多斯高原西北部以及山西呂梁山區(qū)和太行山區(qū)。通過(guò)選取1982，1999和2017年3個(gè)年份的植被覆蓋覆蓋變化進(jìn)行分段研究，1982—2017年黃土高原地區(qū)植被覆蓋狀況整體好轉(zhuǎn)，低植被覆蓋面積呈顯著減少趨勢(shì)，高植被覆蓋面積呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，1999—2017年變化更明顯。

圖1 1982-2017年黃土高原NDVI年際變化

3.2 極端氣候指數(shù)變化趨勢(shì)

黃土高原地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢(shì)，表征極高溫事件的極端氣溫指數(shù)SU25，TMAXmean，TMINmean，TN90p，TR20，TXx，TNn呈極顯著的增加趨勢(shì)，增加速率分別為0.482 d/a，0.047 ℃/a，0.052 ℃/a，0.37 d/a，0.3 d/a，0.048 d/a，0.033 d/a；表征極低溫事件的FD0，TN10p呈現(xiàn)顯著的下降的趨勢(shì)，其下降速率分別0.580，0.285和0.185 d/a，表明該地區(qū)氣溫在升高。而相對(duì)于極端氣溫指數(shù)，極端降水指數(shù)RX1day，RX5day，R25未發(fā)生明顯的變化。其中除極端降水指數(shù)RX1day，RX5day，R25外，其他的極端指數(shù)的趨勢(shì)變化均通過(guò)0.01顯著性水平(表2)。

圖2 黃土高原1982-2017年NDVI空間變化特征

表2 黃土高原地區(qū)1982-2017年極端氣候指數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)

3.3 NDVI與極端氣候指數(shù)的關(guān)系

3.3.1 年際變化NDVI與極端氣候指數(shù)的關(guān)系 植被指數(shù)NDVI與極端氣候指數(shù)FD0，TMAXmean，TMINmean，TN10p，TN90p，TR20相關(guān)系數(shù)均在0.46以上，達(dá)到0.01顯著性水平相關(guān)(表3)；與SU25相關(guān)系數(shù)介于0.35～0.45之間，達(dá)0.05顯著的相關(guān)性；而與極端氣候指數(shù)RX1day，RX5day，R25，TNn相關(guān)系數(shù)均在0.30以下，未達(dá)到顯著性水平(表3)。

表3 研究區(qū)年際NDVI與極端氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上顯著相關(guān)。下同。

3.3.2 不同季節(jié)NDVI與極端氣候指數(shù)的關(guān)系 植被隨著時(shí)節(jié)變化而變化，需進(jìn)一步探討不同季節(jié)的NDVI與極端氣候指數(shù)的關(guān)系。春季的NDVI與極端氣候指數(shù)TMAXmean，TMINmean，TN10p，TN90p，TNn，TXx相關(guān)系數(shù)介于0.35～0.70之間，達(dá)到0.01顯著性水平；夏季NDVI與極端氣候指數(shù)TMINmean，TN10p，TN90p，TNn，TXx相關(guān)系數(shù)均在0.37以上，達(dá)0.01顯著性水平；秋季的NDVI僅與TMINmean，TN90p，TNn呈現(xiàn)出相關(guān)性(p<0.05)；在冬季，植被指數(shù)NDVI與極端氣候指數(shù)TXx呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(p<0.05)。而在季節(jié)變化中，極端降水指數(shù)均未與各個(gè)季節(jié)表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性(表4)。

3.3.3 不同月份NDVI與極端氣候指數(shù)的關(guān)系 由于霜凍日數(shù)(FD0)、暴雨日數(shù)(R25)、夏季日數(shù)(SU25)和熱夜指數(shù)(TR20)沒(méi)有月值，因此，選取其余8個(gè)極端指數(shù)與NDVI做相關(guān)散點(diǎn)分布(圖3)。

圖3 黃土高原地區(qū)1982-2017年月NDVI與月極端氣候指數(shù)散點(diǎn)分布

從圖3可以得出，NDVI與極端降水指數(shù)RX1day，RX5day呈正相關(guān)，與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn、呈顯著的正相關(guān)。而NDVI僅與極端氣溫指數(shù)TN10p相關(guān)性較低。NDVI與極端降水指數(shù)RX1day具有相關(guān)性的月份主要集中在5—9月，而與RX5day僅在9月份呈顯著的相關(guān)性(p<0.05)。與極端氣候指數(shù)TMINmean，TN10p，TN90p，TNn在4，6，7月中通過(guò)顯著性水平(p<0.01)。其中，在4，7月與NDVI具有相關(guān)性的指數(shù)最多有5個(gè)，其次在6，9月有4個(gè)指數(shù)，在12月NDVI與所有極端指數(shù)均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(表5)。

表4 研究區(qū)不同季節(jié)NDVI與極端氣候指數(shù)的相關(guān)性

表5 1982-2017年黃土高原地區(qū)月NDVI與月極端氣候指數(shù)的關(guān)系系數(shù)

3.3.4 滯后性分析 黃土高原地區(qū)月NDVI與當(dāng)月、前1個(gè)月、前2個(gè)月極端氣候指數(shù)RX1day，RX5day，TMAXmean，TMINmean，TN10p，TN90p，TNn，TXx均表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(p<0.01)，而與前3個(gè)月極端指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性(p<0.05)。NDVI與前3個(gè)月極端降水指數(shù)(RX1day，RX5day)均無(wú)顯著的相關(guān)性(表6)。與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TN10p，TN90p，TXx前1個(gè)月的相關(guān)性大于當(dāng)月、前2個(gè)月、前3個(gè)月的相關(guān)性，表明黃土高原地區(qū)的植被覆蓋變化對(duì)這些極端氣候指數(shù)的的響應(yīng)存在一定的滯后性。

表6 月NDVI與當(dāng)月、前1個(gè)月、前2個(gè)月、前3個(gè)極端氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

4 討 論

4.1 NDVI時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分布

黃土高原自身復(fù)雜的地形影響和長(zhǎng)期人類活動(dòng)的干擾，如：亂砍亂伐、過(guò)度開墾土地等。導(dǎo)致黃土高原水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱。植被覆蓋狀況在區(qū)域調(diào)節(jié)氣候、改變水土流失扮演著重要角色，也是衡量土壤侵蝕的重要指標(biāo)[14]。1982—2017年，黃土高原地區(qū)NDVI總體呈上升趨勢(shì)，且在1999年后，植被NDVI增長(zhǎng)幅度顯著增大，這與Sun、張翀等人[15-16]研究黃土高原植被呈顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)結(jié)果一致。在空間分布特征上，黃土高原植被覆蓋呈西北到東南遞增的趨勢(shì)，表明東南部植被覆蓋狀況比西北部好，且從不同時(shí)間尺度看，黃土高原子午嶺區(qū)、黃龍山林區(qū)、毛烏素沙地西部NDVI值顯著增加。影響植被生長(zhǎng)的主要因素可分為氣候和人類活動(dòng)。中國(guó)政府在1999年以后進(jìn)行大規(guī)模的以退耕還林還草為主的植被恢復(fù)工程，使得黃土高原地區(qū)植被覆蓋在一定程度上的得到了改善[17]。黃土高原地區(qū)水資源短缺，氣候環(huán)境惡劣。因此，在氣候因素中，主要是降水和氣溫與植被生長(zhǎng)有著密切聯(lián)系，降水與溫度主要調(diào)節(jié)植被年內(nèi)生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)植被生長(zhǎng)有著較大的貢獻(xiàn)。

4.2 NDVI對(duì)極端氣候的響應(yīng)

本文采用12個(gè)極端氣候指數(shù)，其中表征極高溫事件的指數(shù)(SU25，TMAXmean，TMINmean，TN90p，TR20，TXx，TNn)呈極顯著的增加趨勢(shì)，表征極低溫事件的指數(shù)(FD0，TN10p)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明近幾十年來(lái)黃土高原地區(qū)氣溫在上升，變暖明顯。21世紀(jì)以來(lái)，全球變暖明顯，絕大部分地區(qū)夏季溫度更高，冬季氣溫回暖，暴雨事件增多[18-20]。植被與極端氣候指數(shù)的關(guān)系隨季節(jié)變化而變化，具有明顯的季節(jié)依賴性，二者之間的相關(guān)主要出現(xiàn)在植被的生長(zhǎng)季[21]。在不同的季節(jié)，NDVI與極端氣候指數(shù)的相關(guān)性不同，春季和夏季的相關(guān)性高于秋季和冬季，主要是因?yàn)榍锛居行芰肯陆?，植物代謝減緩，冬季溫度偏低，降水偏少，從而抑制植被生長(zhǎng)[22]。

極端氣候不同于普通氣候變化，具有突發(fā)性，其發(fā)生會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類生活造成不利影響。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，也是氣候變化中最為敏感的部分。黃土高原地區(qū)植被季節(jié)變化明顯，降雨集中且多暴雨，主要集中在6—9月[23]。相關(guān)分析表明，在年際變化中，NDVI主要與極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)具有顯著的相關(guān)性(p<0.01)，而在月尺度上，NDVI與極端降水指數(shù)(RX1day，RX5day)和極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(p<0.01)。極端降水指標(biāo)RX1day和RX5day僅表示一段時(shí)期的降水量，與均態(tài)降水不同，可能有其他因素影響二者相關(guān)性，例如太陽(yáng)輻射、城市化等，因此，在月尺度上NDVI與極端降水指數(shù)呈顯著的相關(guān)性。NDVI對(duì)極端氣候指數(shù)的響應(yīng)特征在不同時(shí)間尺度相關(guān)性不同[24-26]。同時(shí)，考慮推遲的1，2和3月情況下，NDVI與極端降水指數(shù)未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，而與極端氣溫表現(xiàn)出明顯的滯后性；且NDVI與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TN10p，TN90p，TXx前1個(gè)月的相關(guān)性大于當(dāng)月、前2個(gè)月、前3個(gè)月的相關(guān)性，說(shuō)明植被變化對(duì)極端氣候的響應(yīng)具有一定滯后性[27-28]。植被—?dú)夂虻年P(guān)系是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，植被的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，仍需進(jìn)一步評(píng)估植被變化對(duì)極端氣候的響應(yīng)機(jī)制。

5 結(jié) 論

(1) 1982—2017年黃土高原NDVI呈顯著增加的趨勢(shì)，以每年0.37%的幅度增加(p<0.01)，且空間上呈從西北到東南遞增的趨勢(shì)。

(2) 極端氣候指數(shù)變化中，極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)較為一致，即表征極端高溫事件的指數(shù)(SU25，TMAXmean，TMINmean，TN90p，TR20，TXx，TNn)呈極顯著的增加趨勢(shì)，表征極低溫事件的指數(shù)(FD0，TN10p)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，極端降水指數(shù)未發(fā)生明顯變化。

(3) NDVI年際上與極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)顯著相關(guān)(p<0.01)；月尺度上，NDVI與極端降水指數(shù)(RX1day，RX5day)和極端氣溫指數(shù)(TMAXmean，TMINmean，TN90p，TXx，TNn)顯著相關(guān)(p<0.01)；季節(jié)尺度，NDVI與極端降水指數(shù)未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，而與極端氣溫指數(shù)顯著相關(guān)；且春季和夏季的相關(guān)性高于秋季和冬季。

(4) 黃土高原地區(qū)NDVI與極端氣溫指數(shù)TMAXmean，TN10p，TN90p，TXx前1個(gè)月的相關(guān)性大于當(dāng)月、前2個(gè)月、前3個(gè)月的相關(guān)性，說(shuō)明植被變化對(duì)極端氣候的響應(yīng)具有一定滯后性。