劉媛媛,李 霞,王小博,王紹強(qiáng),*,錢釗暉
1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101
2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049
3 生態(tài)環(huán)境部對(duì)外合作與交流中心,北京 100035
干旱是一種水分持續(xù)虧缺的異常氣象現(xiàn)象,會(huì)對(duì)全球生態(tài)環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)造成重大負(fù)面影響[1-2]。相比洪澇、高溫與地震等自然災(zāi)害,干旱影響的范圍更廣,造成的損失更大[3-4]。過(guò)去一個(gè)世紀(jì)以來(lái),在全球范圍內(nèi)極端氣候事件的發(fā)生頻率與嚴(yán)重程度不斷提高[5-9]。研究干旱的時(shí)空分布格局不僅可為了解干旱的發(fā)生機(jī)制提供理論依據(jù),還能為預(yù)防干旱災(zāi)害提供有效措施[10]。同時(shí),干旱嚴(yán)重影響陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性,如光合能力、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和陸地碳匯[11]。目前,基于野外實(shí)驗(yàn)與遙感方法的很多研究表明,干旱對(duì)植被生長(zhǎng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[7,12-13]。因此,進(jìn)一步了解植被對(duì)干旱的響應(yīng)非常重要,可為提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。
目前,多種干旱指數(shù)已被用于全球或區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)[14-16]。Palmer干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index,PDSI)自提出以來(lái),已被廣泛應(yīng)用于氣象、水文和生態(tài)等研究領(lǐng)域,在評(píng)估區(qū)域水分平衡與干旱嚴(yán)重程度等方面得到了良好的應(yīng)用[17-20]。此外,很多研究應(yīng)用PDSI分析了干旱在不同區(qū)域?qū)χ脖簧L(zhǎng)的影響[9,21]。Zhang等[21]利用PDSI和歸一化植被指數(shù)NDVI研究了中國(guó)干旱的分布情況和干旱對(duì)植被生產(chǎn)力的影響。Dong等[9]利用植被指數(shù)和自校準(zhǔn)PDSI分析了美國(guó)加利福尼亞州的嚴(yán)重干旱對(duì)植被的影響。
中老交通走廊核心區(qū)位于中國(guó)云南與老撾接壤地區(qū),擁有豐富的自然資源。該地區(qū)雖然有較高的年降水量,但植被對(duì)日益嚴(yán)重的干旱較為敏感。中老交通走廊核心區(qū)主要的植被類型是常綠闊葉林與木本稀樹草原,覆蓋面積占總面積的90%以上。近期研究表明,相比其他植被類型,常綠闊葉林的干旱情況有加重的趨勢(shì)[22],且會(huì)經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的干旱,可能會(huì)面臨更大的干旱風(fēng)險(xiǎn)[23-24]。此外,中老交通走廊核心區(qū)所處的老撾北部山區(qū)是老撾森林砍伐率最高的地區(qū)[25],建設(shè)鐵路和水電站等基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)加劇該地區(qū)的森林砍伐,可能導(dǎo)致該地植被的穩(wěn)定性下降。研究區(qū)的植被狀況受到氣候變化與人類活動(dòng)的影響,會(huì)改變湄公河流域的水文條件[26]。作為湄公河流域的上游,研究區(qū)的植被狀況是影響整個(gè)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素[27]。
植被的穩(wěn)定性為植被指數(shù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差之比。植被的穩(wěn)定性越高,抵御干旱的能力越強(qiáng)。植被的穩(wěn)定性通常用抵抗力和恢復(fù)力來(lái)評(píng)估。抵抗力量化了干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)抵抗力的直接影響,表現(xiàn)為干旱期間植被維持其原始水平的能力[28]?;謴?fù)力定義了干旱后生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)到正常狀態(tài)的速度[29]。目前,已有多個(gè)研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)或模型分析了植被對(duì)干旱的抵抗力和恢復(fù)力[29-30],但在研究區(qū)所在的湄公河流域開展植被對(duì)干旱的抵抗力和穩(wěn)定性的研究很少。因此,研究中老交通走廊核心區(qū)的干旱時(shí)空分布特征以及植被的穩(wěn)定性、抵抗力和恢復(fù)力對(duì)干旱的響應(yīng)十分必要,有助于提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗災(zāi)能力。
本研究根據(jù)1980—2018年的PDSI數(shù)據(jù)確定了中老交通走廊核心區(qū)的干旱事件,并對(duì)PDSI做了趨勢(shì)分析?;?001—2018年的年均EVI數(shù)據(jù),量化了中老交通走廊核心區(qū)植被的穩(wěn)定性(年均EVI與其標(biāo)準(zhǔn)差之比)及其對(duì)干旱的抵抗力和恢復(fù)力。本文研究目標(biāo)包括:1)闡明中老交通走廊核心區(qū)極端干旱事件的時(shí)空分布特征;2)評(píng)估研究區(qū)不同植被類型的穩(wěn)定性及其對(duì)極端干旱事件的抵抗力和恢復(fù)力。
中老交通走廊核心區(qū)是指中老交通走廊(主要是昆曼公路中國(guó)-老撾段和中老鐵路)經(jīng)過(guò)地區(qū)。研究區(qū)包括中國(guó)云南省的西雙版納傣族自治州1個(gè)地級(jí)行政區(qū)以及老撾北部的瑯南塔省、博膠省、烏多姆塞省、瑯勃拉邦、萬(wàn)象省和萬(wàn)象市6個(gè)省級(jí)行政區(qū)(圖1),總面積約8.4萬(wàn) km2,地理坐標(biāo)為99.9—103.4°E,17.8—22.6°N,中老邊境長(zhǎng)約710 km。地貌類型以山地和高原為主,高程在145—2415 m之間。研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)和熱帶季風(fēng)兩個(gè)氣候區(qū),年均日最高溫約28.5℃,多年平均降水量約1690 mm,雨量充沛但分布不均。該地區(qū)氣候終年溫暖濕潤(rùn),無(wú)四季之分,可分為旱季和雨季兩個(gè)季節(jié),其中11月至次年4月是旱季,5月至10月是雨季[31]。研究區(qū)的土地覆蓋類型以常綠闊葉林和木本稀樹草原為主,分別占研究區(qū)總面積的57.42%和33.75%,而草地、農(nóng)田和城市僅占研究區(qū)總面積的4.09%、2.79%和0.17%(圖1)。
圖1 研究區(qū)地理位置及土地覆蓋類型
本研究采用的土地覆蓋數(shù)據(jù)為MODIS衛(wèi)星的MCD12Q1產(chǎn)品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/),其空間分辨率為500 m,時(shí)間為2017年。本研究在植被覆蓋區(qū)開展,研究區(qū)不包括水體和城市。基于MODIS土地覆蓋產(chǎn)品,本文選取了研究區(qū)5類主要的植被類型作為研究對(duì)象,分別是常綠闊葉林(EBF)、混交林(MF)、木本稀樹草原和稀樹草原(SAV)、草地(GRA)和農(nóng)田(GRO)。
目前,NDVI是應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)[32-33]。然而,相比于過(guò)去常用的NDVI,EVI增加了對(duì)植被的監(jiān)測(cè)能力且能更好地反映植被的生長(zhǎng)覆蓋狀態(tài)[34-35],目前已被廣泛應(yīng)用于許多研究[36-37]。本研究所采用的EVI數(shù)據(jù)為MODIS衛(wèi)星的MOD13Q1產(chǎn)品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/),其空間分辨率 250 m×250 m,時(shí)間分辨率16天,時(shí)間范圍為2001—2018年。利用MODIS MRT(MODIS Reprojection Tools)處理工具對(duì)MOD13Q1產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理操作。為了消除異常值的影響,采用最大合成法(MVC)制作EVI月值序列,最后計(jì)算逐年EVI均值。
Palmer 氣象干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index, PDSI)[14]已被廣泛用于全球或區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)中,是中長(zhǎng)期干旱監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一。在本研究中,PDSI、降水量和日最高溫?cái)?shù)據(jù)均來(lái)自TerraClimate月尺度氣象數(shù)據(jù)集[38],時(shí)間范圍為1980—2018年,空間分辨率約為2.5 arc minutes。根據(jù)PDSI的值,旱澇從極端濕潤(rùn)到極端干旱共分為10個(gè)等級(jí)(表1)[14]。極端干旱事件可根據(jù)受旱面積比例和干旱程度來(lái)統(tǒng)計(jì)[39],因此,本文綜合考慮極端干旱面積比例和PDSI值選出2001—2018年的極端干旱年份。PDSI、氣溫、降水和土地覆蓋數(shù)據(jù)經(jīng)投影與裁剪等預(yù)處理后統(tǒng)一重采樣為250 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。
表1 PDSI 干濕等級(jí)及類型
植被的穩(wěn)定性定義為Ym/δ,其中Ym是所有年份的年均EVI,δ是相同時(shí)間間隔下EVI的標(biāo)準(zhǔn)差。抵抗力和恢復(fù)力被用于評(píng)估極端氣候?qū)χ脖环€(wěn)定性的影響,其中,抵抗力指植被結(jié)構(gòu)和功能保持其原始水平的能力,恢復(fù)力指植被恢復(fù)到干旱前水平的速度[40]。EVI可以用來(lái)表征植被的結(jié)構(gòu)和光能利用效率,且MODIS產(chǎn)品具有很高的時(shí)間分辨率,因此,EVI是表征植被的穩(wěn)定性及其對(duì)極端干旱的抵抗力和恢復(fù)力的一個(gè)良好指標(biāo)。同之前研究的方法相似[11,41],抵抗力指數(shù)(Ω)和恢復(fù)力指數(shù)(Δ)的計(jì)算公式如下:
(1)
(2)
本研究運(yùn)用單因素方差分析(One-way ANOVA)分析不同植被類型穩(wěn)定性、抵抗力和恢復(fù)力之間的差異,顯著性水平設(shè)置為0.05,P<0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
1980—2018年間,中老交通走廊核心區(qū)的年均PDSI值在-3.73至2.52間大幅波動(dòng)(圖2)。根據(jù)PSDI值和極端干旱面積占比,中老交通走廊核心區(qū)2010年、1993年、1998年和1992年發(fā)生的干旱在1980—2018年間最為極端。其中,PDSI在2010年達(dá)到最低值,其次為1993年、1998年和1992年,以上4年極端干旱面積分別占總面積的47.46%、15.10%、14.94%和10.73%(圖2)。旱季的PDSI值介于-3.83和1.95之間,最嚴(yán)重的旱季干旱發(fā)生在2004年,其次為1993年和1980年。雨季PDSI值介于-4.60和3.41之間,最嚴(yán)重的雨季干旱發(fā)生在1992年,其次為2010年和1983年(圖2)。
2001—2018年間,出現(xiàn)極端干旱的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,以上年份極端干旱面積占總面積的比例分別為13.37%、47.46%、10.41%、12.00%和3.05%。如圖2所示,2005年和2010年在旱季和雨季都存在嚴(yán)重和極端干旱,但2015年和2016年僅在雨季存在大面積的嚴(yán)重與極端干旱,而旱季嚴(yán)重和極端干旱占比較低。從植被EVI的變化來(lái)看(圖3),2005年和2010年極端干旱導(dǎo)致EVI較相鄰年EVI有明顯降低,而2015年和2016年極端干旱對(duì)EVI的影響不大,常綠闊葉林、木本稀樹草原和混交林的EVI甚至比相鄰年的EVI還高,植物沒有受到干旱的不利影響,這說(shuō)明2015年和2016年僅是氣象干旱年,主要是雨季氣象干旱,對(duì)植物來(lái)講不是極端干旱年。綜合考慮旱季和雨季的極端干旱面積比例和PDSI值,將2005年和2010年定義為2001—2018年間的極端干旱年份(圖2)。
圖2 1980—2018年年均PDSI及干旱面積比例
圖3 2001—2018年不同植被類型的年均EVI值和PDSI值
1980—2018年期間,中老交通走廊旱季和雨季干旱的空間分布差異不明顯,PDSI低值主要出現(xiàn)在博膠省、瑯南塔省、西雙版納傣族自治州和萬(wàn)象省西南部,說(shuō)明以上地區(qū)的干旱程度較重(圖4)。圖3為中老交通走廊核心區(qū)各植被類型PDSI的年際變化。總的來(lái)說(shuō),常綠闊葉林和稀樹草原的年均PDSI較高,而混交林和農(nóng)田的年均PDSI較低(圖3)。為了探討PDSI與氣象要素的關(guān)系,本文進(jìn)一步研究了溫度和降水量與PDSI的相關(guān)性。中老交通走廊核心區(qū)各植被類型的年均PDSI與年降水量均呈顯著正相關(guān)(P<0.01),說(shuō)明降水量是影響PDSI變化的關(guān)鍵因素之一。年均日最高溫與年均PDSI呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),說(shuō)明該地區(qū)的溫度升高也是造成干旱的主要原因(表2)。
表2 各植被類型年均PDSI與年降水量的相關(guān)性和PDSI與年均日最高溫的相關(guān)性
圖4 1980—2018年年均PDSI值的空間分布
中老交通走廊植被的穩(wěn)定性普遍較高,且表現(xiàn)出較大的空間變異性(圖5)。研究區(qū)常綠闊葉林和稀樹草原的穩(wěn)定性較高,而混交林、草地和農(nóng)田的穩(wěn)定性較低(圖5;圖6)。結(jié)果表明,相比其他植被類型,常綠闊葉林和稀樹草原對(duì)干旱的穩(wěn)定性明顯較高(P< 0.01,圖6;表3)。
植被對(duì)干旱的抵抗力在研究區(qū)內(nèi)也表現(xiàn)出較大的空間變異性(圖5),常綠闊葉林和稀樹草原的抵抗力較高,而混交林、草地和農(nóng)田的抵抗力較低(圖5;圖6)。相比其他植被類型,常綠闊葉林和稀樹草原植被類型均明顯表現(xiàn)出較高的抵抗力(P< 0.001,圖5;表3)。植被對(duì)干旱的抵抗力與年均日高溫和年均降水量呈顯著正相關(guān)(P< 0.01,表4)。
圖5 增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)的穩(wěn)定性、EVI對(duì)干旱的抵抗力和恢復(fù)力
圖6 不同植被類型的EVI對(duì)干旱的穩(wěn)定性, 抵抗力和恢復(fù)力(平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差)
表4 氣象要素與EVI對(duì)干旱的抵抗力和恢復(fù)力的相關(guān)性
植被對(duì)干旱的恢復(fù)力在研究區(qū)不同植被類型之間也具有顯著差異。其中,常綠闊葉林和稀樹草原的恢復(fù)力較高,混交林、草地和農(nóng)田的恢復(fù)力較低(圖5;圖6)。研究區(qū)內(nèi)常綠闊葉林和稀樹草原比其他植被類型也表現(xiàn)出較高的恢復(fù)力(P< 0.001,圖6;表3)。
如圖2所示,2001—2018年中老交通走廊核心區(qū)經(jīng)歷了5次極端干旱事件,出現(xiàn)極端干旱的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,其中嚴(yán)重干旱面積分布最廣的年份為2010年,這與Guo等[42]和Son等[31]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)降水減少和溫度升高是影響中老交通走廊核心區(qū)干旱的主要原因(表3)。
如圖6所示,常綠闊葉林對(duì)干旱的抵抗力高于木本稀樹草原、混交林、草地和農(nóng)田,表明中老交通走廊核心區(qū)的常綠闊葉林具有較高的抗旱能力。研究表明,植被生產(chǎn)力和陸地碳匯的時(shí)間變異性主要是由非常綠生態(tài)系統(tǒng)造成的,如草地、農(nóng)田和落葉林等[43]。Huang等[11]發(fā)現(xiàn)在全球尺度上常綠闊葉林比其他植被類型具有更高的穩(wěn)定性。常綠闊葉林具有較高的抗旱能力是由多種因素造成的。首先,從植物根系看,林木的根系發(fā)達(dá),對(duì)干旱造成的水分缺失有較強(qiáng)的抵抗力,在嚴(yán)重干旱時(shí)可利用深層土壤的水分。因此,林地對(duì)干旱的抵抗力相對(duì)較強(qiáng)。而草本植物根系較淺,只能利用表層土壤水[44],容易受到水分缺失的影響,因而對(duì)干旱更為敏感,對(duì)干旱的抵抗力較弱。農(nóng)作物與草本植物一樣根系較淺,且其穩(wěn)定性和對(duì)干旱的抵抗力會(huì)受人類管理措施的影響。中老交通走廊核心區(qū)地形以山地為主,缺乏灌溉條件,導(dǎo)致農(nóng)田對(duì)干旱的抵抗力較低。其次,從植物生理來(lái)看,相比水分利用,太陽(yáng)輻射是限制常綠闊葉林生長(zhǎng)的主要因素[45],基于遙感和野外實(shí)驗(yàn)的多種研究表明,常綠闊葉林新葉發(fā)育和葉面積指數(shù)增加的主要驅(qū)動(dòng)因素是旱季較高的太陽(yáng)輻射[45]。常綠闊葉林旱季增長(zhǎng)的光能利用效率(LUE)可能會(huì)增強(qiáng)植物對(duì)干旱的抵抗力。在旱季干旱前,常綠闊葉林會(huì)保留新葉去掉舊葉,從而維持較高的光能利用效率[11,45]。以上原因均會(huì)造成常綠闊葉林比其他植被類型更加穩(wěn)定和抗旱。
溫度升高造成的熱浪等極端氣候事件通過(guò)減少水的供應(yīng)和生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳的凈交換量,降低了植被的初級(jí)生產(chǎn)力,由此產(chǎn)生的干旱脅迫可能會(huì)進(jìn)一步降低植物的生存能力[46]。然而,本研究中,植被對(duì)極端干旱的抵抗力與日高溫呈正相關(guān)(表4),說(shuō)明溫度升高造成干旱(表2)的同時(shí)也提高了植被對(duì)極端干旱的抵抗力。該結(jié)果可能是由于大多數(shù)常綠闊葉林的季節(jié)最高溫仍低于冠層光合能力的最適溫度[47],因此,盡管溫度升高會(huì)造成干旱,但大氣溫度與常綠闊葉林最適溫度間的差距會(huì)防止溫度升高對(duì)生態(tài)系統(tǒng)光合作用造成負(fù)面影響。此外,日最高溫對(duì)植被生長(zhǎng)的影響具有明顯的時(shí)滯效應(yīng)[48],因此,溫度升高對(duì)植物的影響很復(fù)雜,具有一定的不確定性。
常綠闊葉林是中老交通走廊核心區(qū)的主要植被類型(圖1),常綠闊葉林的高穩(wěn)定性表明其在維持該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性上發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在未來(lái)干旱日益嚴(yán)重的情景下,常綠闊葉林的穩(wěn)定性是否會(huì)下降仍有待進(jìn)一步研究。中老交通走廊核心區(qū)所處的北部山區(qū)是老撾森林砍伐率最高的地區(qū)[25],加強(qiáng)該地區(qū)森林的合理開發(fā)利用和提高對(duì)常綠闊葉林的保護(hù)力度十分重要。
總體而言,本研究為研究中老交通走廊核心區(qū)植被穩(wěn)定性對(duì)極端干旱的響應(yīng)提供了參考,為理解干旱的機(jī)理和影響因素、提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和恢復(fù)力提供了理論依據(jù)。然而,本研究仍存在一定的局限性。例如,盡管遙感提供了一種研究大尺度植被與干旱關(guān)系的方法,但其更深層的響應(yīng)機(jī)制需要做進(jìn)一步的實(shí)地觀察與控制實(shí)驗(yàn)。本文僅考慮了氣象干旱對(duì)植被的影響,缺少對(duì)土壤干旱的分析,而熱帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)的降水較少時(shí),極有可能土壤并不缺水,植物仍正常生長(zhǎng),因此,土壤干旱對(duì)植被生長(zhǎng)的影響仍有待進(jìn)一步研究。此外,本研究沒有考慮長(zhǎng)期干旱造成的滯后效應(yīng),如干旱導(dǎo)致的樹木死亡和火災(zāi)、干旱對(duì)植被的滯后效應(yīng)和累積效應(yīng)等。土壤、地形、地質(zhì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素對(duì)干旱的影響也有待進(jìn)一步研究。為了保障中老交通走廊核心區(qū)的安全建設(shè),可根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r采取短期或長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)緩解措施,從而有效緩解干旱對(duì)該地區(qū)造成的損失。
本文基于PDSI數(shù)據(jù),分析了1980—2018年中老交通走廊核心區(qū)干旱的時(shí)空分布特征;此外,基于PDSI和EVI數(shù)據(jù),量化了中老交通走廊核心區(qū)不同植被類型的穩(wěn)定性(年均EVI與其標(biāo)準(zhǔn)差之比)及其對(duì)干旱的抵抗力(干旱期間植被結(jié)構(gòu)和功能保持其原始水平的能力)和恢復(fù)力(植被恢復(fù)到干旱前水平的速度)。得出以下結(jié)論:
(1)2001—2018年間,中老交通走廊核心區(qū)共發(fā)生5次極端干旱事件,出現(xiàn)極端干旱事件的年份有2005年、2010年、2015年、2016年和2017年,以上年份極端干旱面積占總面積的比例分別為13.37%、47.46%、10.41%、12.00%和3.05%,其中極端干旱面積分布最廣的年份為2010年。
(2)1980—2018年期間,中老交通走廊旱季和雨季干旱的空間分布差異不明顯,博膠省、瑯南塔省、西雙版納傣族自治州和萬(wàn)象省西南部的干旱程度較重。降水減少和溫度升高是造成該地區(qū)干旱的主要原因。
(3)中老交通走廊核心區(qū)內(nèi)常綠闊葉林的穩(wěn)定性顯著高于木本稀樹草原、混交林、草地和農(nóng)田。和其他植被類型相比,常綠闊葉林雖然暴露在干旱環(huán)境中的時(shí)間更長(zhǎng),但其對(duì)干旱事件具有最高的抵抗力和恢復(fù)力,在維持中老交通走廊核心區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性上發(fā)揮著重要作用。研究區(qū)內(nèi)各植被類型對(duì)干旱的抵抗力與溫度和降水呈顯著正相關(guān)關(guān)系。