近40年中国干旱特征及其对植被变化的影响.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金()重庆市自然科学基金()重庆市博士“直通车”科研项目()重庆市留学人员回国创业创新支持计划项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.刘海姜亮亮刘冰刘睿肖作林.近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响.生态学报():.():.近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响刘 海姜亮亮刘 冰刘 睿肖作林 重庆师范大学地理与旅游学院 重庆 重庆师范大学化学学院 重庆 地理信息系统应用研究重庆市高校重点实验室 重庆 摘要:全球变暖影响下中国干旱事件发生愈加频繁 过去半个世纪里中国半干旱和半湿润地区的分界线总体南移干旱面积呈增加趋势因此了解中国干旱变化趋势对区域生态环境保护具有重要意义 基于 数据产品、数据采用游程理论和多元线性回归等方法探究 年间多尺度干旱事件基本特征(干旱持续时间、干旱严重度、干旱强度等)并分析植被生产力变化趋势揭示干旱对植被变化的累积影响 结果表明:()新疆、青藏高原以及东南地区干旱较为严峻而华中、华东大部分区域处于轻旱或无旱状态()年间中国植被生产力整体呈改善态势显著改善区集中在中国中部而退化区集中在东南部、内蒙古和西藏南部()中国大部分区域干旱与植被呈正相关且干旱对植被多为累积影响在干旱区和半干旱区尤为明显()随着植被覆盖度的增加植被与近短期尺度干旱的相关性也逐渐增加由干旱区到湿润区近短尺度干旱对植被变化的影响逐步增大 其中(标准化降水蒸散发指数中期尺度)对植被轻微变化累积影响最显著而(标准化降水蒸散发指数长期尺度)对植被显著变化累积影响更明显 本研究将有助于深入认知干旱对植被累积影响提高植被退化防治措施的有效性为区域土地退化零增长目标实现提供科学依据关键词:干旱事件植被变化游程理论中国 :.(.)().:/.:受全球变暖影响干旱事件愈加频繁不仅强度增加持续时间增长危害也逐步加剧 政府间气候变化专门委员会()第六次气候变化评估报告指出极端干旱事件愈发成为全球变暖最重要的威胁且未来持续增暖将增加极端干旱的频率 年全球平均温度上升了.(.)其中 年可能是北半球近 年来气温最高的 年 在过去的一个半世纪里地表温度在全球范围内呈现整体上升趋势但存在着明显的地域差异 第五次评估报告指出近百年中国陆地区域平均增温高于全球平均值中国半干旱和半湿润地区的分界线不断向南移动干旱面积有增加趋势 中国华北、西北东部以及东北等地区的干旱化趋势显著已形成了从东北到西南的一条干旱化趋势带 自 年以来中国因干旱灾害所造成的直接经济损失逐年增长位于各类自然灾害前列 因此研究中国干旱事件的基本特征可为制定应对全球气候变化影响的措施提供理论基础且对了解中国干旱变化趋势和区域生态环境保护有重要意义干旱因其长期性、高频性、影响广泛性和影响持续性等特点已成为影响我国乃至全世界农业生产和生态环境最严重的自然灾害之一 相关研究表明干旱是对陆地生态系统总初级生产力()影响最强烈的极端气候直接影响着植被的生长和发育破坏着陆地生态系统的碳循环 近年来全球气候变化愈发频繁气温逐渐升高 气温变化通过影响大气环流及全球水循环从而改变了降水的时空分布继而使得干旱具有时间和空间变化特征进而引起植被覆盖度的时空变化 而植被由于土壤、温度和降水等气候因素的综合作用对全球变化有不同的响应程度且在气候频繁变化的背景下生态研究具有尺度依赖性 因此中国多尺度干旱对植被变化影响研究有助于了解植被发展动态及预测未来格局随着全球环境的日益恶化干旱严峻化以及干旱与植被的关系等问题已经吸引了众多学者的关注 自 年 提出帕默尔干旱指标()以来干旱发展到定量化研究的新阶段 于 年提出了标准降水指数()随后 在标准化降水指数基础上提出了标准化降水蒸散发指数()该指数不仅考虑了温度变化的影响还具有多时间尺度特征因此 广泛应用于干旱监测目前多数研究利用变化趋势、残差等定量方法监测干旱变化趋势而基于干旱事件分析干旱基本特征的研究还较少 同时考虑前期气候条件可以更加合理了解植被与干旱相互作用然而不同时间尺度干旱对植被影响以及其累积效应常常被忽视 国内学者对干旱问题展开了大量研究多数学者利用气象站点数据 期 刘海 等:近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响:/.计算了干旱指标继而分析了长江流域、黄河流域等地区的干旱情况但多数集中在小区域或站点尺度部分学者研究了黄土高原地区和云南省植被 对气候变化的响应草地 对干旱的响应研究但更多关注区域植被与干旱的响应鲜有研究关注整个中国不同时间尺度的干旱事件及其对植被的影响 而中国植被类型丰富不同植被在物种组成、群落结构、根系分布等方面存在较大差别对外界环境变化的响应也有明显的空间差异性 基于此本文基于长时间序列气候数据建立中国多尺度 指数数据集结合游程理论方法开展大区域多尺度中国干旱事件研究 本文联合多时间尺度的 和净初级生产力()数据研究不同尺度干旱对植被影响分析其空间异质性明确干旱对植被的变化的累积效应可为区域土地退化零增长目标实现提供科学支撑 数据与方法.研究区概况中国位于亚洲东部、太平洋西岸幅员辽阔陆地总面积约 地势西高东低呈三级阶梯分布地形多变导致气温降水组合的多样性形成了复杂多样的气候 中国季风气候和大陆气候并存形成了降水时空分布不均、气候的区域性和季节性差异明显等特点 中国有五个气候区(图):湿润区(.)、半湿润区(.)、半干旱区(.)、干旱区(.)和极端干旱区(.)其中干旱区集中于中国西部湿润区位于南部 中国植被类型分布具有空间异质性中国西部多为草地而耕地与林地集中于东部和南部(图)图 中国干湿地区分布及土地覆被类型图.数据.数据 生态系统植被净初级生产力是地表碳循环的重要评估要素及生态系统可持续发展的主要生态指标其时序变化分析对评价生态质量、调节生态过程具有十分重要的意义 数据集来源于全球陆表特征参量数据产品()数据是基于多源遥感数据与地面实测数据反演得到的长时间序列、高精度的全球地表遥感产品 本研究选取 年的 数据该数据可从国家地球系统科学数据中心(:/./)获取生 态 学 报 卷:/.源自欧洲中期天气预报中心()是在 数据基础上对陆地区域进行重新模拟而生成的再分析数据集其空间分辨率高于(.)的时间分辨率为 对各要素的量化将更加精确 数据下载自 网站(:/./)该数据集包括气温、潜在蒸散发以及降水等本研究选取其中的降水与潜在蒸散发数据计算 干旱指数.干旱指数数据集根据潜在蒸散量和降水有效性之间的差异由 以 的空间分辨率计算得到 数据集 目前多数研究利用干旱指数()数据集对气候区进行划分根据前人研究气候区被重新划分为五类:极端干旱(.)干旱(.)半干旱(.)半湿润(.).土地利用数据集土地利用数据由欧洲航天局()提供(:/./)由、和 数据解译获得采用了良好的质量把控具有高度精准性 为了保持空间分辨率一致利用双线性插值对 数据、土地利用数据和干旱指数数据集进行.重采样以匹配 数据集.研究方法.标准化降水蒸散发指数 具备多时间尺度、计算过程简单、空间可比较性强、同时考虑降水与温度因素等多种优势 因此本文在开展干旱识别和干旱的特征描述时选取 干旱指数 通过 年 数据计算出 个时间尺度(、)的标准化降水蒸散发指数 并通过不同尺度的 来探索干旱对植被累积最大影响的时间尺度所以不同尺度每个月都有一个值 例如 是当月的值而 是当月以及之前两个月的累积值 目前国内外研究多数采用该指数多时间尺度 可较好地表征干旱特征反映实际干旱特征 干旱指数的计算过程主要步骤如下:首先进行降水()与潜在蒸散发()差值计算见公式()()式中 代表月份表示第 月份的降水与该月份潜在蒸散发的差值 提供了可分析月尺度的水分赤字或盈余的描述当 则表示当月处于湿润的状态而当 说明当月处于干旱的状态其次将 按照不同的时间尺度(个月)依次进行累加 例如将 设定为 个月尺度时其累加过程见公式().()()式中.和 .以上参数均来自于 等一般情况下不同时间尺度的 值对干旱或湿润条件有不同的敏感性 在本研究中分别选择 个月、个月、个月和 个月时间尺度的 值(、)来描述近期、短期、中期、长期干旱事件特征.游程理论游程理论由 提出现已被广泛应用于干旱识别和干旱特征描述 一个游程是指在时间序列中所有数值中低于或高于一个截断阈值的部分高于截断阈值的部分为正游程而低于截断阈值的部分为负游程 根据 等对干旱事件的定义本研究通过以下三个标准判定一次干旱事件:首先 值持续其次在持续小于 期间 总持续时间 个月最后 最小值 相较于高强度的干旱事件持续的低强度干旱同样会对植被以及当地的生态系统等带来影响 因此在本文中的干旱事件事实上是一次最小值表明植被呈增加趋势而.)和显著变化(.)植被变化趋势分为以下五类(表)表 植被 变化趋势的持续性 斜率显著性水平()变化类型 斜率显著性水平()变化类型.显著改善.轻微退化.轻微改善.显著退化.稳定或无植被 :净初级生产力 结果与分析.干旱事件基本特征分析 时间尺度下(图)干旱持续时间较长和干旱严重度较严峻的地区集中在各个气候区的西部如极端干旱区西部的新疆干旱区和半干旱区西部的西藏半湿润区西部的青海、四川以及湿润区西部的云南在半干旱区和半湿润区的东部也有少部分高值分布 中国干旱强度较高的地区主要分布在半干旱地区以及少部分半湿润地区和湿润区 的干旱间隔时间除了西藏和部分东南地区整个中国的干旱间隔时间都呈现较短化 综上 时间尺度下各个气候区西部的干旱特征情况较严峻 其中半干旱地区的干旱情况更为突出 期 刘海 等:近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响:/.图 年 与 干旱年际空间变化.时间尺度下(图)极端干旱区西部的干旱持续时间以及干旱严重度异质性更加凸显 位于湿润和半湿润区的渝贵湘相交边界、黑龙江北部的干旱持续时间以及干旱严重度均偏高 中国干旱强度的变化生 态 学 报 卷:/.并不大但在内蒙古和甘肃的交界处较为突出 在 尺度下大部分地区的干旱时间间隔明显变长其中塔里木盆地更为突出 综上在 时间尺度下干旱持续时间、干旱严重度和干旱间隔时间均高于极端干旱区和半干旱区以及部分湿润区的干旱情况较严峻图 年 与 干旱年际空间变化.时间尺度下(图)极端干旱区及部分干旱区以及湿润区的东南部分的干旱持续时间和干旱严 期 刘海 等:近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响:/.重度值均较高此外位于干旱区和半干旱区的内蒙古北部干旱持续时间和严重度开始加剧 在 尺度下干旱强度较强的地方出现在半干旱区东部的华北平原以及西藏地区干旱时间间隔较短区域集中在中国东部新疆地区间隔较长 综上在 时间尺度下极端干旱区和东部湿润区的干旱特征情况严峻 尺度下(图)极端干旱区、西部干旱区以及位于湿润区的湘赣的干旱持续时间和干旱严重度值较高 新疆塔里木盆地和华北平原的干旱强度值较低 从 的干旱时间间隔可以看出除西藏地区全国的干旱间隔时间都较短 年干旱次数年际空间分布如图 所示其中 的干旱次数极值最大 的干旱次数极值最小 四个时间尺度的干旱次数指标呈现出较大差异 干旱次数较高区域集中在极端干旱区和干旱区西部 则集中半干旱和半湿润分界线周围而 在半干旱与半湿润地区的中部干旱次数较高 呈现多组团状分布 综上随着时间尺度的增加干旱次数极值分布逐渐向东、向湿润区移动图 年干旱次数年际空间变化.综合四个时间尺度的五个干旱指标可以看出华中、华东大部分区域处于轻旱或者无旱状态 极端干旱区和东部湿润区的干旱严峻情况随着时间尺度的增大干旱持续时间、干旱严重度和干旱间隔时间数值都有不同程度的增大尤其是干旱间隔时间增长最为显著 且随着尺度的增加湿润区的干旱情况逐渐加剧 干旱强度值较高的地方干旱持续时间和干旱严重度数值普遍较低.植被动态变化特征 年植被生长年际 变化趋势如图 所示中国植被整体呈增长态势其中包括鲁西、豫东、皖北以及大致分布在 等降水线周围地区的植被均出现了大幅度的增长 粤南、苏南、浙北以及内蒙古生 态 学 报 卷:/.图 年植被生长年际 变化趋势.北出现了明显的下降趋势 整体而言在 年间中国大部分地区的植被得到了改善但部分区域的退化趋势也不可忽略基于()显著性检验结果进行 变化分类 如图 所示植被退化区域主要集中在内蒙古稀疏草地与草地、西藏林地以及湿润区东部轻微退化集中在四川盆地周围 稳定或无植被地区集中在新疆、西藏以及内蒙古部分地区、甘肃地区 植被显著改善地区主要分布在中国中部植被增加区域占植被总面积约.其中显著增加占比.轻微增加占比.植被退化区域占总面积约.其中显著退化占比.轻微退化占比.植被稳定占比.综上植被显著改善地区集中在中国中部植被退化区域集中在中国东南部、内蒙古和西藏南部.干旱与植被的相关性分析图 干旱与植被相关性.由于本研究在干旱时间尺度上考虑了以往的气候条件四个时间尺度下的干旱与植被的相关性分析具有一定的相似性(图)中国大部分地区的植被与干旱保持着正相关关系 四个尺度的干旱与植被的强正相关分布均出现在浙、皖、赣三者相邻地区和内蒙古北部但其最大相关值略有不同其中 最低为.期 刘海 等:近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响:/.最高为.与 的极高值近似随着时间尺度的增加这些区域干旱与植被的相关性呈先增加再减小的趋势 强负相关性均出现在陕西以及甘肃等地区其中 的负相关值达到最高为.、次之为.最低为.整体上看干旱与植被相关性较高区域集中在中国东部.干旱对植被累积影响分析干旱对植被生长有抑制作用即 与 呈正相关不同区域植被对前期气候变化累积效应响应有所不同所以需要将四个时间尺度与干旱的相关性进行对比分析 对四个时间尺度的干旱与植被相关性进行逐像元比较选择相关系数最大且为正的像元代表该尺度下干旱对植被累积影响最大将干旱对植被累积影响最大的 时间尺度(图)协同植被生长年际 变化趋势(图)进行分析内蒙古中东部地区的植被退化严重其地区与 尺度下的干旱保持着较高的相关性 海南地区的植被变化也呈显著退化趋势但其西部与 尺度下的干旱呈较高相关性而东部则与 相关性较高台湾与福建地区的植被退化与 时间尺度下的干旱相关性较高 与其相比北京、天津地区植被出现退化主要与 干旱相关性较高 中国东南地区植被与干旱相关性较为复杂但最主要以 长期干旱情况为主 总之影响中国植被以中长期干旱尺度(和)为主占植被总面积的 图 干旱对植被累积最大影响的时间尺度.图例从上至下依次为 西藏植被多呈显著增长情况这个地区的植被变化情况与 尺度下干旱相关性较高部分区域与 相关性较高 云南植被的增长主要与 情况下的干旱相关性高 冀晋豫等地区的植被变化主要呈增长趋势与 干旱相关性较高 东三省地区既有植被改善情况也有植被退化现象其中大部分地区与 干旱相关性较高 新疆植被多呈增长和稳定状态多数与 相关性较高综上干旱与植被生长季年际(图)相关性最高的为 与 时间尺度 中国植被对中长期干旱的敏感性较高即干旱对植被的影响大多数为累积效应 尺度下干旱与中国东北地区植被变化密切相关青藏高原地区植被对 尺度干旱更为敏感 东部湿润区植被变化与干旱时间尺度的相关性较为复杂从统计图(图)可以看出在累积影响植被最大的 时间尺度中从稀疏植被到草地再到林地近短期干旱占比从 上升到 稀疏植被对 响应更为突出面积占比为 从干旱区到湿润区近短期的干旱尺度对植被变化的影响逐步增大从湿润区到干旱区长尺度 对植被的影响逐步增加在不同植被变化类型中植被显著退化区域主要以 长尺度干旱累积影响为主而轻微植被退化以 尺度干旱累积影响为主综上中长尺度干旱对植被累积影响较大 随着植被覆盖率的增加植被与近短期尺度干旱的相关性增加从极端干旱区到半干旱区再到湿润区植被与干旱的相关性呈现先减小再增加的变化趋势 中尺度对轻微变化的植被累积影响最大而 长尺度对变化显著的植被累积影响最强 讨论.中国干旱事件的基本特征受复杂地形和季风气候的影响中国干旱事件的发生频率及强度具有区域差异综合四个时间尺度五个生 态 学 报 卷:/.图 累积影响植被最大的 时间尺度在不同区域的占比.干旱指标发现新疆出现了严重程度高且持续时间长的干旱事件 有研究表明新疆地区干旱情况整体较为严重超过.的地区常年处于干旱状态全年干旱发生频率最高可达 其中塔克拉玛干沙漠的干旱情况尤为突出 塔克拉玛干沙漠远离海洋同时周边水汽受到青藏高原和天山山脉的阻挡年均降水量不足 干旱状况较为严重 青藏高原的干旱情况也较严峻虽然其干旱持续时间和干旱严重度小于新疆地区但其干旱强度较高 王劲松等表明青藏高原干旱高发区主要位于高原北部、西南部等区域而重度极端干旱主要发生在青藏高原东南部在中国东南部干旱事件较少但其严重程度和强度较高 中国东部大部分地区雨热同期高温天气往往出现在雨季 当湿润地区雨季少雨时高温热浪会加速土壤水分的蒸散发土壤水分迅速下降易发生短时间尺度高强度的干旱事件 本文研究结果也表明大多数干旱地区经历了频率高、严重程度较低的干旱事件而部分湿润地区经历了频率低、严重程度较高的干旱事件(图、图).干旱对植被的影响植被变化是气候波动和人类活动共同驱动的结果中国植被整体具有增加趋势侧面反映我国退耕还林还草、三北防护林等生态恢复工程取得了显著效果有力遏制了生态退化趋势推动了我国生态文明建设进程内蒙古中部至东部地区的植被退化情况较严峻这些地区主要包括呼伦贝尔市南部地区、兴安盟、通辽市北部、锡林郭勒盟东部地区以及赤峰镇的北部 虽然该地区年降水量大于内蒙古西南地区但其植被生长状况仍不容乐观 本文研究看出内蒙古中部至东部地区不仅植被呈退化趋势干旱情况也呈严重化状态 内蒙古中部地区的干旱持续时间和干旱严重度较突出东部地区的干旱间隔时间较短且大部分植被与 时间尺度干旱相关性较高 因此内蒙古中部至东部地区植被退化与该地区长期干旱情况密切相关青藏高原地区植被对长期干旱较为敏感 青藏高原植被以草地(图)为主该地区海拔高有积雪、冻土覆盖 在气候变暖的背景下高原增温显著加剧了冰雪消融和冻土活动层变化 青藏高原植被变化不仅受降水影响前期冰雪融水、冻土冻融对其影响也不可忽略 因此该地区植被与 尺度的干旱相关性较高(图)孔冬冬等基于气象站点数据分析也发现青藏高原地区植被对干旱响应时间呈现 月 华北平原大部分地区植被与 干旱相关性较高但值得注意的是华北地区是主要的粮食作物产区农业灌溉将导致土壤含水量上升从而降低农业干旱的敏感性 黑龙江的东北部、长白山等地区主要是 期 刘海 等:近 年中国干旱特征及其对植被变化的影响:/.以林地为主(图)且多为针叶林对干旱敏感度较低(图)相关研究也表明针叶林对干旱的抵抗力较强受其影响较小与干旱的相关性较低 结论本文分析了 年不同的 时间尺度下的干旱空间特征以及不同 时间尺度与植被的变化趋势的相关性揭示干旱对植被变化的累积影响 主要结论如下:()随着时间尺度的增加湿润区的干旱情况逐渐加剧 干旱强度值较高的地方干旱持续时间和干旱严重度数值普遍较低 总体而言新疆、青藏高原以及东南地区的干旱情况较为严峻华中、华东大部分区域处于轻旱或者无旱状态()年期间中国植被主要是处于改善状态植被显著改善区主要分布在中国中部植被退化区主要集中在我国东南部、内蒙古和西藏南部 中国植被改善速度的平均值约为.约 地区的植被得到了改善其中显著改善占比约.约 的植被呈退化状态显著退化占比约.()中国大部分区域的植被与干旱保持着正相关性关系尤其是干旱区和半干旱区的植被与干旱关系密切 其中中长尺度干旱对植被影响占主导即在中国干旱对植被的影响大多数为累积效应 例如位于半干旱区东北部分的内蒙古其植被退化与中期干旱关系密切()随着植被覆盖率的增加植被与近短期尺度干旱的相关性增加干旱到湿润区近短尺度干旱对植被变化的影响逐步增大 中尺度对轻微变化的植被累积影响最显著而 长尺度对变化显著的植被累积影响更明显参考文献():.():.().第三次气候变化国家评估报告编写委员会.第三次气候变化国家评估报告.北京:科学出版社.:.:.翟盘茂 邹旭恺.年中国气温和降水变化及其对干旱的影响.气候变化研究进展 ():.韩兰英 张强 姚玉璧 李忆平 贾建英 王静.近 年中国西南地区干旱灾害规律与成因.地理学报 ():.张翀 王静 雷田旺 马玲 宋佃星.退耕还林工程以来黄土高原植被覆盖与地表湿润状况时空演变.干旱区研究 ():.安洁 付博 李玮 彭思源 李本纲.东亚地区典型极端气候指标未来预估及高温下人口暴露度研究.北京大学学报:自然科学版():.周丹 张勃 罗静 张春玲 安美玲 王东.基于 的华北地区近 年干旱发生强度的特征及成因分析.自然灾害学报 ():.杜华明 延军平.西秦岭地区气候变化特征与干旱灾害趋势.山地学报 ():.杜文丽 孙少波 吴云涛 宋照亮.年中国陆地生态系统总初级生产力对干旱的响应特征.生态学杂志 ():.:():.:.():.:():.():.梁浩.基于混合模型的渭河流域水文干旱预测研究.西安:西安理工大学.:.():.:.:.生 态 学 报 卷:/.():.:.李峥嵘 彭涛 林青霞 董晓华 刘冀 常文娟 喻丹 王高旭.三峡水库影响下长江中下游水文干旱演变及对气象干旱的响应.湖泊科学 ():.()().:.左冬冬 侯威 颜鹏程 封泰晨.基于游程理论和两变量联合分布的中国西南地区干旱特征研究.物理学报 ():.().():.刘静 温仲明 刚成诚.黄土高原不同植被覆被类型 对气候变化的响应.生态学报 ():.刘世梁 田韫钰 尹艺洁 安南南 董世魁.云南省植被 时间变化特征及其对干旱的响应.生态学报 ():.刘洋洋 任涵玉 呼天明 杨培志 巴桑参木决 张伟 张志新 温仲明 章钊颖.中国草地 时空动态对多尺度干旱的响应.水土保持研究 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