任釔潼，程清平,2,3，金韓宇，張宏英，王 平

(1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，昆明 650224；2.西南生態(tài)文明研究中心，昆明 650224；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院玉龍雪山冰凍圈與可持續(xù)發(fā)展國家(云南省)科學(xué)野外觀測研究站，蘭州 730000；4.云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500)

保護區(qū)在減少棲息地損失和維持物種的可持續(xù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，氣候變化和人為壓力已對保護區(qū)生物多樣性構(gòu)成巨大威脅。已有研究指出，在氣候變化下，江西武夷山、河北大海陀、吉林長白山、寧夏賀蘭山、西藏羌塘、西藏雅魯藏布大峽谷和甘肅祁連山等保護區(qū)NDVI對氣溫、降水響應(yīng)敏感，除氣候影響外，張玉琴等、李娟等、付健新等指出地形地貌因子(坡度、坡向)亦會影響NDVI變化趨勢。已有研究主要側(cè)重于平均氣溫、降水對保護區(qū)NDVI的影響。近年來，極端氣候事件呈增加、增強、持續(xù)時間延長的態(tài)勢，將可能顯著影響區(qū)域植被動態(tài)變化，保護區(qū)氣候變化風(fēng)險與日俱增。因此，勢必需要進一步揭示保護區(qū)NDVI對極端氣候變化的響應(yīng)。當(dāng)前，中國氣候脆弱性較高的保護區(qū)主要分布在西南地區(qū)和青藏高原的部分地區(qū)，尤其是云南氣候變化風(fēng)險更高。轎子山國家級自然保護區(qū)(簡稱轎子山)位于滇中高原，作為我國少有的高山保護區(qū)之一，保存有代表性的滇中高原植被與生境垂直帶譜，對氣候變化尤為敏感，識別極端氣候事件對保護區(qū)植被的影響特征，可為保護區(qū)氣候風(fēng)險評估和監(jiān)測預(yù)警提供參考依據(jù)。

基于此，本研究利用保護區(qū)所在的東川區(qū)與祿勸彝族苗族自治縣(祿勸縣)20世紀(jì)50—80年代氣候要素資料和1961—2019年逐日氣候要素數(shù)據(jù)集、2017—2019年保護區(qū)周邊自動氣象站逐時氣溫、降水要素數(shù)據(jù)集、1999—2016年1 km月尺度歸一化植被指數(shù)集(NDVI)，圍繞2個問題展開研究：(1)氣候(極端)要素和溫度帶垂直組合隨時間如何變化？(2)保護區(qū)NDVI如何響應(yīng)極端氣候變化？

1 研究區(qū)概況

轎子山國家級自然保護區(qū)(102.80°—102.98°E，26.00°—26.20°N)位于東川區(qū)與祿勸縣交匯處，分為轎子山片區(qū)和普渡河片區(qū)，總面積16 456 hm(圖1)。山勢南北延伸，主峰為雪嶺(4 344.1 m)，該峰是青藏高原以東海拔最高的山地，也是北半球該緯度帶上最高山地之一。轎子山位于北亞熱帶半濕潤氣候區(qū)，水分和熱量條件垂直分異顯著，夏季受熱帶海洋氣團控制多云雨，冬季受熱帶大陸氣團控制少降水。區(qū)域?qū)偕稚鷳B(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)，主要保護對象為以攀枝花蘇鐵、須彌紅豆杉、林麝等為代表的珍稀瀕危野生動植物資源及其棲息環(huán)境，分布有我國面積最大的高山柏林和海拔最低的高山松林。

圖1 站點分布與研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

東川區(qū)和祿勸縣氣象數(shù)據(jù)資料均由東川區(qū)和祿勸縣氣象局提供，所搜集氣象數(shù)據(jù)資料見文獻[18-21]。1 km月尺度歸一化植被指數(shù)(NDVI，1999—2016年)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)，30 m數(shù)字高程模型(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)。

2.2 研究方法

采用一元線性回歸、Pettitt非參數(shù)法分析氣候要素、極端氣候指數(shù)、NDVI趨勢特征。通過Arcgis 10.5反距離權(quán)重插值20世紀(jì)50—80年代、2017—2019年平均氣溫、年降水量的柵格并利用等值線工具分別提取等溫線與等降水量線。對DEM(30 m)進行柵格重分類，劃分間隔為500 m，將保護區(qū)劃分為4個海拔帶，統(tǒng)計不同海拔帶內(nèi)柵格值，用以研究不同海拔帶NDVI變化特征。此外，為探究植被對極端氣候事件的響應(yīng)，將NDVI與極端氣候指數(shù)進行Spearman相關(guān)分析。

2.2.1 極端氣候指數(shù) 結(jié)合保護區(qū)氣候特征，從ETCCDI定義的極端指數(shù)中選取14個表征極端氣溫指數(shù)和9個表征極端降水指數(shù)，定義見http://etccdi.pacificclimate.org/list_27_indices.shtml。采用R ClimDex軟件計算東川、祿勸站極端氣溫/降水指數(shù)。

2.2.2 溫度帶劃分 參考鄭景云等和王宇溫度帶劃分標(biāo)準(zhǔn)，探討全球變暖下轎子山垂直方向溫度帶的動態(tài)變化，各指標(biāo)分類見表1。以日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃積溫日數(shù)作為主要指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確辨別山地地區(qū)熱量地域分異。落雪站(可代表轎子山高海拔地區(qū)氣候狀況)歷史1月平均氣溫為1.3 ℃，7月平均氣溫為11.8 ℃，由此可知，1月平均氣溫和7月平均氣溫并不是轎子山地區(qū)主要限制因子。故本文以日平氣均溫≥10 ℃持續(xù)日為主要指標(biāo)，以≥10 ℃積溫為參考指標(biāo)，1月平均氣溫與7月平均氣溫為輔助指標(biāo)劃分轎子山溫度帶。

表1 云南溫度帶劃分標(biāo)準(zhǔn)[26-27]

對于垂直溫度帶的劃分，2017—2019年研究區(qū)有5個自動氣象站和2個國家站的氣象數(shù)據(jù)可用，其中東川和祿勸站在2個時段均有，且最低點均是東川站，盡管前后站點不同，但在空間上均比較接近，因而可用于揭示2017—2019年相對于20世紀(jì)50—80年代垂直溫度帶的變化。依據(jù)表2推算轎子山每隔100 m高度下的≥10 ℃積溫日數(shù)、≥10 ℃積溫、1月平均氣溫以及7月平均氣溫，并以此進行溫度帶識別劃分。

表2 轎子山國家級自然保護區(qū)≥10 ℃積溫日數(shù)、≥10 ℃積溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫垂直遞減率

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域氣候

3.1.1 氣候要素時間變化趨勢 從圖2可以看出，轎子山年平均氣溫顯著升高，年日照時間、年平均風(fēng)速、年霧日呈顯著降低態(tài)勢，年降水量、年平均相對濕度趨于緩慢降低。從顯著突變點來看，年霧日、年日照時間突變年相對提早，年平均氣溫、年平均風(fēng)速較為滯后，年平均相對濕度突變年最為滯后。

圖2 1961-2019年轎子山國家級自然保護區(qū)氣候要素年際變化

3.1.2 平均氣溫空間變化特征 由圖3a～圖3f可知，20世紀(jì)50—80年代轎子山年平均氣溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫總體分布呈南高北低、西高東低趨勢。轎子山西部、北部等溫線分布較為密集，表明溫差大，可能與轎子山地形關(guān)系密切。相較于20世紀(jì)50—80年代，2017—2019年年平均氣溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫表現(xiàn)為北高南低、東高西低趨勢。等溫線分布特征均表現(xiàn)為東密西疏，可能是由于2017—2019所使用的部分站點與20世紀(jì)50—80年代不同而對平均氣溫空間分布格局產(chǎn)生影響?？傮w來看，轎子山平均氣溫變化具有海拔依賴性的特點，且各局部地區(qū)平均氣溫趨于上升。從平均氣溫變幅來看，轎子山西部(地勢較高)氣溫增幅小于轎子山東部(地勢較低)。

3.1.3 年降水量空間變化特征 由圖3g～圖3h可知，轎子山年降水量空間分布特征為西多東少。20世紀(jì)50—80年代，轎子山西部等降水量線分布較為密集，向東等降水量線分布逐漸稀疏，即年降水量的空間差異向東逐漸減小。由于20世紀(jì)50—80年代部分站點終止使用，2017—2019年所使用的站點數(shù)量以及站點地理參數(shù)上的不同可能對等降水量線的分布產(chǎn)生影響，但不會造成最終結(jié)論偏差，因此仍有研究意義。基于此，相較于20世紀(jì)50—80年代，2017—2019年等降水量線表現(xiàn)為東密西疏，即年降水量的空間差異東大西小，轎子山除西南角、東北角年降水量趨于減少外，大部分地區(qū)呈增加態(tài)勢，西南區(qū)域變幅最大。

圖3 20世紀(jì)50-80年代與2017-2019年轎子山國家級自然保護區(qū)平均氣溫、年降水量分布

3.2 溫度帶劃分

從圖4可以看出，20世紀(jì)50—80年代，轎子山垂直溫度帶依次為南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、山地寒溫帶和山地亞寒帶。相較于20世紀(jì)50—90年代，2017—2019年轎子山基帶溫度帶為北熱帶，南亞熱帶下界隨之抬升200 m，中亞熱帶上界降低約100 m，北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、山地寒溫帶、山地亞寒帶下界下降約100～300 m。

圖4 20世紀(jì)50-80年代與2017-2019年轎子山國家級自然保護區(qū)溫度帶

3.3 極端氣溫與降水事件分析

3.3.1 極端氣溫 由圖5可知，東川站暖指數(shù)(除TXx)趨于增長，冷指數(shù)(除TXn、TNn)趨于下降，且僅TN10p通過0.05顯著檢驗。突變點通過0.05顯著性檢驗的極端氣溫指數(shù)中，暖指數(shù)多于冷指數(shù)，TXx突變相對提早(1974年)，TNx、SU25、TX90p、TN10p突變相對同步(2008—2010年)。祿勸站暖指數(shù)均趨于上升，以TXx、TNx、SU25、TR20、TX90p、TN90p、WSDI最為顯著，冷指數(shù)(除TNn)呈下降態(tài)勢，以TNn、FD0、TN10p、CSDI最為顯著。突變點通過0.05顯著性檢驗的極端氣溫指數(shù)中，暖指數(shù)多于冷指數(shù)，冷指數(shù)(1989—2000年)突變相對同步性強于暖指數(shù)(1991—2005年)。

圖5 1961—2019年轎子山國家級自然保護區(qū)東川、祿勸站極端暖、冷指數(shù)年際變化

3.3.2 極端降水 由圖6可知，東川站強度指數(shù)、極端降水量指數(shù)(R95p除外)趨于不顯著增長，極端降水日指數(shù)(R10 mm除外)趨于不顯著降低，極端干旱日指數(shù)趨于輕微下降，未有極端降水指數(shù)突變點通過顯著性檢驗。祿勸站強度指數(shù)趨于不顯著增長，極端降水量指數(shù)(除R99p)、極端降水日指數(shù)趨于不顯著降低，極端干旱日指數(shù)趨于輕微上升。僅RX1與R99p存在顯著突變且均為1984年。綜上，東川、祿勸站降雨強度均有所增強，極端降水日趨于減少，東川站極端降水量趨于緩慢增加，祿勸站趨于緩慢減少。

圖6 1961—2019年轎子山國家級自然保護區(qū)東川、祿勸站極端降水指數(shù)年際變化

3.4 NDVI時空特征以及對極端氣候指數(shù)的響應(yīng)

3.4.1 NDVI時空特征 由圖7可知，不同海拔范圍下NDVI均趨于顯著增長，NDVI增速隨海拔升高減小。1 736～3 236m海拔帶NDVI值為0.6～0.8，3 236～3 736 m海拔帶內(nèi)NDVI值范圍為0.4～1.0。2003年以前，海拔1 736～2 236，2 236～2 736 m區(qū)域內(nèi)NDVI值為0.6～0.8，并且穩(wěn)定不變，2 736～3 236，3 236～3 736 m海拔帶內(nèi)分別約有11.86%，10.77%的柵格NDVI值降低。2003年—2010年，4個海拔帶(從低到高)分別有約33.33%，16.67%，11.86%，4.62%的柵格NDVI值增長，2010—2012年又存在不同程度的NDVI值下降。2012—2016年，各海拔帶分別有約33.33%，50.00%，53.34%，28.41%的柵格NDVI值趨于增長。

圖7 1999-2016年轎子山國家級自然保護區(qū)不同海拔帶NDVI趨勢變化以及值結(jié)構(gòu)

3.4.2 NDVI對極端氣候事件的響應(yīng) 圖8為東川站和祿勸站極端氣候指數(shù)與轎子山年平均NDVI(NDVI)、年最大NDVI(NDVI)、年最小NDVI(NDVI)的Spearman相關(guān)。NDVI、NDVI與暖/冷指數(shù)多呈正/負相關(guān)，且NDVI與暖指數(shù)中的TXx(東川)、SU25(祿勸)、TR20呈顯著正相關(guān)，與冷指數(shù)中的TX10p(東川)呈顯著負相關(guān)。NDVI與暖/冷指數(shù)多呈負/正相關(guān)，與其中的WSDI(東川)、TNx呈顯著負相關(guān)。

注：*表通過0.05顯著性檢驗。

總體來看，3個NDVI指數(shù)與極端降水指數(shù)相關(guān)性偏弱，僅NDVI與RX1(祿勸)，NDVI與R25 mm(東川)呈顯著正相關(guān)，即降雨強度、極端降雨日數(shù)分別對NDVI、NDVI升高存在促進作用。

4 討 論

4.1 氣候變化特征

從表3可以看出，多數(shù)山地保護區(qū)僅研究氣溫、降水2個氣候要素：氣溫趨于升高或降低，降水除轎子山外均趨于增加。本研究表明，轎子山年日照時間、年平均風(fēng)速、年霧日趨于顯著降低。此外，平均氣溫與降水量等值線分布未考慮地形影響，其插值結(jié)果可能存在一定的偏差(圖3)。轎子山暖指數(shù)、降水強度指數(shù)趨于增長，冷指數(shù)、極端降水日指數(shù)趨于下降，與Shao等的研究結(jié)論一致。此外，張善紅等和Guan等分別發(fā)現(xiàn)，秦嶺地區(qū)和青藏高原溫度帶(氣候帶)正向高海拔攀升，本研究表明，轎子山同樣存在該現(xiàn)象，即基帶溫度帶由南亞熱帶轉(zhuǎn)為北熱帶，原南亞熱帶整體高度抬升。

表3 國家級山地自然保護區(qū)氣候要素趨勢比較

4.2 NDVI趨勢的海拔差異

轎子山海拔1 736～2 236，2 236～2 736，2 736～3 236，3 236～3 736 m區(qū)域內(nèi)NDVI斜率分別為7.28×10，5.85×10，5.28×10，3.75×10a，表明隨海拔升高，NDVI增速減緩。Tao等研究表明，西南地區(qū)不同海拔帶NDVI均趨于增長，且增速隨海拔升高而上升，以海拔1 200～3 500 m范圍內(nèi)NDVI增速的垂直變化率最高，每1 000 m升高0.06%/a；Jiang等研究發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)海拔<3 400 m，NDVI顯著增長，3 400 m以上NDVI先增后降不一致；而Li等研究表明，雅魯藏布江大峽谷保護區(qū)NDVI增速隨海拔升高顯著降低，海拔≤3 000 m、NDVI增速為0.05/10～0.08/10 a、海拔>3 000 m，NDVI增速為0.01/10～0.03/10 a。上述差異可能與研究區(qū)域大小和海拔帶劃分標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)。

除海拔作用外，張玉琴等、李娟等、付建新等、魏建瑛等研究指出，坡度、坡向不同，區(qū)域內(nèi)NDVI趨勢變化也會出現(xiàn)差異。因此，NDVI趨勢變化受海拔作用外，坡度、坡向可能也有所影響。

4.3 NDVI與極端氣候指數(shù)相關(guān)

氣溫通過影響植物的碳素同化和消耗過程，從而控制植被生長，同時也通過調(diào)節(jié)區(qū)域蒸散過程控制土壤水分影響植被生長；降水則通過調(diào)控土壤水分間接影響植被變化。本研究發(fā)現(xiàn)，轎子山極端氣溫指數(shù)與NDVI、NDVI、NDVI的相關(guān)性整體強于極端降水指數(shù)，與Shao等的研究結(jié)果西南地區(qū)極端氣溫指數(shù)對NDVI、LAI、GPP的貢獻率大于極端降水指數(shù)一致。進一步來看，NDVI對極端暖指數(shù)TXx、TR20、SU25呈顯著正相關(guān)，而NDVI與暖指數(shù)TNx、WSDI呈顯著負相關(guān)，表明NDVI對夜間和白晝氣溫響應(yīng)存在顯著差異，這與Peng等的研究結(jié)論晝夜升溫存在對NDVI的非同步性作用一致。極端降水指數(shù)中，僅強度指數(shù)中的RX1、極端降水日指數(shù)中R25 mm分別與NDVI、NDVI呈顯著正相關(guān)，表明降水強度、大雨日數(shù)對NDVI影響較大。然而，NDVI與極端降水指數(shù)均未通過顯著性檢驗，表明極端降雨指數(shù)對NDVI的影響不明顯。

Jiang等、Yin等、Wei等分別揭示了西南地區(qū)、橫斷山區(qū)、瀾滄江流域不同植被類型NDVI在不同海拔帶對平均氣溫/極端氣溫、降水/極端降水存在顯著不同的海拔依賴性變化。因此，若轎子山不同海拔下可用氣象站更多(如落雪、雪山等站持續(xù)監(jiān)測或現(xiàn)自動站監(jiān)測氣象序列更長)，可進一步揭示轎子山不同海拔帶不同植被類型對不同海拔帶極端氣候指數(shù)的響應(yīng)。

氣候變化已對中國西南氣候脆弱性地區(qū)的生物多樣性構(gòu)成巨大威脅，保護區(qū)氣候風(fēng)險閾值的精確識別是氣候風(fēng)險評估與管理的基礎(chǔ)。目前，我國自然保護區(qū)建設(shè)與管理的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未納入氣候變化風(fēng)險調(diào)查與管控的相關(guān)內(nèi)容，缺乏成熟的極端氣候變化風(fēng)險評價和監(jiān)測預(yù)警等技術(shù)，未來可設(shè)立自然保護區(qū)適應(yīng)氣候變化的專項資金，以加強自然保護區(qū)應(yīng)對氣候變化風(fēng)險的管控能力建設(shè)。

5 結(jié) 論

(1)轎子山年平均氣溫(0.13 ℃/10 a)趨于顯著升高，年日照時間(-58.73 h/10 a)、年平均風(fēng)速(-0.21(m·s)/10 a)和年霧日(-4.8 d/10 a)均顯著下降。

(2)20世紀(jì)50—80年代、2017—2019年轎子山基帶溫度帶分別為南亞熱帶、北熱帶，相較于20世紀(jì)50—80年代，2017—2019年南亞熱帶攀升。

(3)1999—2016年，海拔1 736～2 236(0.07/10 a)，2 236～2 736(0.06/10 a)，2 736～3 236(0.05/10 a)，3 236～3 736 m(0.04/10 a)的區(qū)域NDVI均趨于顯著增長，但增幅隨海拔升高而減小。

(4)NDVI對暖指數(shù)、降水強度指數(shù)、極端降水日指數(shù)響應(yīng)更為敏感，白晝氣溫升高促進/抑制NDVI/NDVI增長，夜間氣溫升高對NDVI產(chǎn)生較大影響。