王曉慶,何 凱

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學院,山西 運城 044004;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

植被物候被認為是追蹤植被對氣候年際變化響應(yīng)的關(guān)鍵指標,植被每年發(fā)育的時間隨氣候變化而產(chǎn)生相應(yīng)的季節(jié)變化[1-2]。在氣候快速變化的背景下,物候事件的變化不但會影響群落中不同物種間相互作用和營養(yǎng)水平,而且可改變植被活力和生態(tài)系統(tǒng)功能,從而影響地表能量循環(huán)和碳收支,甚至是區(qū)域氣候[2-4]。青藏高原被定義為世界“第三極”,且作為世界上規(guī)模最大、海拔最高的高原,為亞洲幾條重要河流的源頭提供了水源[5-6]。青藏高原草地是最重要和最脆弱的生態(tài)系統(tǒng),可以截留地下水、調(diào)節(jié)能量變換和提供碳存儲等,對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義[6-7]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Inter-governmental Panel on Climate Change,IPCC)報告指出,大部分地區(qū)正在經(jīng)歷持續(xù)變暖的過程(1951—2012 年全球平均地表溫度升高了0.72 ℃),并且一些極端氣候事件(高溫、干旱、暴雨、洪澇等)發(fā)生的頻數(shù)不斷增加[8-10]。同氣候平均態(tài)相比,極端氣候事件產(chǎn)生的影響更為明顯和直接,且比一般氣候事件更具破壞性和災(zāi)難性,這勢必會使青藏高原草地植被物候事件(如植被萌發(fā)、開花、果實成熟和產(chǎn)量的發(fā)育和生理過程相關(guān))發(fā)生一系列變化,從而影響群落內(nèi)不同物種和營養(yǎng)水平間的相互作用,不利于生態(tài)系統(tǒng)平衡和可持續(xù)發(fā)展[8,11-12]。因此探究近30 a青藏高原草地植被物候?qū)O端氣候的敏感性,對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)平衡和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

隨著氣候暖化,青藏高原植被物候動態(tài)變化及其對氣候變化的響應(yīng)研究已成為全球變化生態(tài)學研究的熱點問題之一[12]。有研究發(fā)現(xiàn),暖化的季前或春季溫度是中國溫帶生態(tài)系統(tǒng)、青藏高原和北美北緯地區(qū)植被生長季始期(start of growing season, SOS)提前的主要控制因素,雖然降水對植被SOS也表現(xiàn)出很強的控制作用,但沒有溫度明顯[13-15]。與平均氣候相比,極端氣候?qū)χ脖晃锖虻挠绊懰坪醺鼮槊黠@[11-14]。極端氣候事件的出現(xiàn)不但會使某些物種花期提前,甚至導(dǎo)致一些物種不能完成開花周期[15-18]。有學者指出,日最高溫度事件的增加是導(dǎo)致美國植被SOS提前的主要影響因素,而極端冷氣候事件會使森林提前結(jié)束生長季,極端暖事件和干旱脅迫則使得植被推遲進入休眠期[19]?？梢姌O端氣候事件對氣候變化敏感地區(qū)的植被物候有較大影響。其次,也有研究發(fā)現(xiàn)極端溫度主要是通過影響植被酶活性進而影響植被生長和發(fā)育[18-19],極端變暖事件會過早誘發(fā)植物活動,間接導(dǎo)致植被生長季提前結(jié)束,從而縮短植被生長周期,這種情況不利于植被的生長[11]。自20世紀70年代以來,氣候變化導(dǎo)致的溫度上升使北美地區(qū)春季物候從40° N向北推進,春季物候開始時間每10 a提前了2.3 d[20-22]。CRABBE等[23]發(fā)現(xiàn)歐洲高緯度地區(qū)春季極端變暖使森林SOS顯著提前,加之秋季極端變暖使來年森林春季SOS顯著提前。雖然目前關(guān)于青藏高原植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)已有很多研究,但目前青藏高原物候的研究多集中在植被物候和平均氣候間的關(guān)系,尤其是氣溫[16-19]。而針對不同草地植被對不同極端溫度指標的敏感性和相互關(guān)系的研究鮮見報道。作為青藏高原的主要植被類型,草地植被物候在控制碳、氮循環(huán)方面扮演著重要的角色[24]。因此,深入探究青藏高原植被物候時空動態(tài)對不同極端溫度指標的敏感性程度有助于充分認識氣候變化事件對生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原草地植被動態(tài)的影響,為制定科學合理的青藏高原草地植被保護和恢復(fù)戰(zhàn)略提供科學依據(jù)。

筆者基于提取的物候數(shù)據(jù)、極端溫度數(shù)據(jù)和草地類型數(shù)據(jù)探究了1986—2015年青藏高原不同草地類型SOS時空動態(tài)及其對不同極端溫度指標的敏感性,以期為科學分析我國草地資源物候受極端天氣事件變化的影響提供新思路,為后期科學管理和保護草地資源提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

有“世界屋脊”之稱的青藏高原(26°～40° N,73°～105° E)地處中國西南部,橫向跨度約2 945 km,縱向跨度約1 532 km,平均海拔在4 000 m以上,總面積約為2.57×106km2。如圖1 所示,青藏高原地勢西高東低,總體自西北向東南傾斜,且高原地貌類型復(fù)雜多樣,造就了其獨特的氣候類型,特點是太陽輻射強、溫度低、干濕季節(jié)分明、降水量偏少和降水分配不均勻等[5-7]。作為高山高原氣候區(qū),受海拔、高原季風氣候和高大山脈等的影響,植被類型以草地植被為主。由于其獨特的地理位置和非凡的生態(tài)意義,青藏高原草地植被已經(jīng)成為研究氣候變化的指示器。

審圖號: GS(2023)2642號。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1GIMMS NDVI數(shù)據(jù)

使用全球庫存建模與測繪研究(GIMMS)提供的NDVI 3g數(shù)據(jù)集(版本3)提取青藏高原1982—2015年草地植被春季物候,空間分辨率為8 000 m,時間分辨率為15 d。該數(shù)據(jù)是由NOAA衛(wèi)星搭載的AVHRR傳感器獲取,已校正并最大程度減少火山氣溶膠、太陽高度角、傳感器誤差和偏移影響的全球植被數(shù)據(jù)[11-12]。如果標志數(shù)據(jù)顯示1、2,則分別表示質(zhì)量較好的數(shù)據(jù),7則表示缺失數(shù)據(jù),其他標志值表示NDVI是由不同方法獲得的。雖然GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)有局限性,但它是用于監(jiān)測植被特征和變化的最長的NDVI時間序列。NDVI數(shù)據(jù)由美國國家航空航天局(NASA)(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/)提供,使用Savitzky-Golay Filter對GIMMS NDVI 3g時間序列數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理,以平滑NDVI因云、大氣等導(dǎo)致的錯誤峰值[17]。

1.2.2草地類型數(shù)據(jù)

草地類型數(shù)據(jù)源于西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)提供的GLC2000分類數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的土地覆蓋分類標準(LCCS),通過非監(jiān)督分類方法獲得全球土地覆蓋數(shù)據(jù),其中草地類型包括草甸、平地草原、荒漠草原、坡地草地、高山亞高山草甸、高山亞高山平地草原(圖1)。

1.2.3極端溫度數(shù)據(jù)(HadEX3)

HadEX3數(shù)據(jù)集(www.climdex.org)采用綜合觀測資源來量化晝夜溫度和降水變化,由29個氣候極端指數(shù)(通過世界溫度站數(shù)據(jù)計算而來)組成,數(shù)據(jù)涵蓋了1901—2018年的極端天氣事件,綜合反映了極端溫度的頻率和強度,可應(yīng)用于極端天氣事件研究[22]。根據(jù)青藏高原溫度的實際情況和物候的研究時段,選擇1986—2015年12個最能反映溫度日變化范圍和溫度極端事件來分析青藏高原不同草地類型物候?qū)O端天氣變化的響應(yīng)情況 (表1)。基于樣條函數(shù)插值理論的專業(yè)氣象插值軟件ANUSPLINE將極端溫度的點數(shù)據(jù)插值為8 km的柵格數(shù)據(jù),綜合考慮了高程、海岸線等協(xié)變量對氣象數(shù)據(jù)的影響,能夠得到精度較高的插值結(jié)果[13]。

表1 極端溫度指標定義

1.3 研究方法

1.3.1物候提取

物候期提取的常用方法有閾值法、滑動平均法、最大比率法等[6],采用動態(tài)閾值法提取研究期內(nèi)歷年草地植被SOS,以同年1月1日(即第1天)為起點計算,1月2日為第2天……,依次類推確定植被SOS[12,16]。提取草地SOS時通過參考相關(guān)文獻和設(shè)定不同閾值重復(fù)試驗并將提取后的物候信息與已有文獻物候信息對比[2,13,18],最后將動態(tài)閾值設(shè)置為0.3提取草地SOS[19]。動態(tài)閾值法模型為

(1)

式(1)中,VR為輸出比值;V為歸一化植被指數(shù);Vx和Vn分別為1 a中V變化的最大值和最小值。

1.3.2趨勢分析

采用Theil-Sen中位數(shù)趨勢分析草地SOS空間趨勢特征[24]。Theil-Sen趨勢分析法是一種非參數(shù)統(tǒng)計的計算方法,對測量誤差和離群數(shù)據(jù)不敏感[24]。Mann-Kendall用于評估Theil-Sen斜率估計的顯著性,即檢驗SOS趨勢的顯著性。Theil-Sen中位數(shù)趨勢分析具體公式為

(2)

式(2)中,β為斜率;i和j代表年份,如果β> 0,數(shù)據(jù)集時間序列具有正趨勢;如果β< 0,數(shù)據(jù)集序列具有負趨勢。

1.3.3未來趨勢分析

Hurst指數(shù)是根據(jù)SOS的長時間序列數(shù)據(jù)預(yù)測未來數(shù)據(jù)的變化趨勢,基于重標極差(R/S)的Hurst指數(shù)是一種定量表述時間序列信息長期依賴性的有效方法[16]。筆者用來研究SOS未來的趨勢,Hurst指數(shù)分為3種情況:Hurst值為0～<0.5,說明SOS具有長期的相關(guān)性,將來總體趨勢和過去趨勢相反,時間序列表現(xiàn)出反持續(xù)性;Hurst值為0.5,表明SOS互相獨立且沒有依賴性,現(xiàn)在不會影響未來;Hurst值為>0.5～1,表明未來SOS總體趨勢與過去總體趨勢相同,過程具有持續(xù)性,越接近1,持續(xù)性越強[24]。

1.3.4穩(wěn)定性分析

(3)

式(3)中,Cv為變異系數(shù);Xi為第i年的草地SOS;Xm為1986—2015年草地SOS的平均值。

1.3.5SOS對極端溫度的敏感性

地理探測器模型由WANG等[25]提出,是將自變量空間分布與潛在因素分布進行比較,適用于測量空間分層非均質(zhì)性程度的空間分析方法。利用地理探測器度量不同草地植被類型SOS對不同極端溫度指標的敏感性。

(4)

式(4)中,q為極端溫度指標對不同草地植被SOS的解釋力;h為不同極端溫度分類數(shù)據(jù);L為極端溫度數(shù)據(jù);Nh和N分別為h區(qū)域和整個青藏高原區(qū)域的單元數(shù);δh2和δ2分別為h區(qū)域和整個區(qū)域的方差。q值越大,表示該極端溫度植被對該草地類型SOS的影響越大。

1.3.6偏相關(guān)分析

采用高階偏相關(guān)分析法研究了草地SOS與不同極端溫度之間的關(guān)系[20]。假設(shè)有k(k>2)個變量x1,x2,…,xk,則任意2個變量xi和xj的n(n≤k-2)階樣本的偏相關(guān)系數(shù)計算公式為

(5)

式(5)中,rij為草地SOSi和極端溫度j之間的偏相關(guān)系數(shù),控制變量為其他極端溫度的變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原草地SOS時空動態(tài)

從青藏高原近30 a草地SOS均值分布發(fā)現(xiàn),草地SOS從西北向東南逐漸提前,空間分布格局與水熱資源具有一致性。其中49.3%的草地SOS集中在第120～130 天,即五月上旬至中旬,SOS開始最早區(qū)域(SOS在第110 天之前)集中在最南部的珠穆拉瑪峰附近;SOS極端最晚值(SOS在第170 天之后)主要分布在海拔較高的昆侖山脈、岡底斯山脈、唐古拉山脈和橫斷山脈。不同草地植被SOS差異較大,荒漠草原、高山亞高山平地草原和山地草甸的SOS較遲,集中在第125～145 天;而平地草原草甸和高山亞高山草地的SOS較早,基本在第130 天之前。同一種草地SOS從西北向東南呈推遲趨勢,在高海拔的山脈區(qū)域SOS基本在第170 天之后(圖2～3)。

以上回歸方程中，fairness代表社會公平感知，其中，fairness1代表整體社會公平感知，fairness2代表個人收入公平感知；pension代表社會養(yǎng)老保險參與，medical代表社會醫(yī)療保險參與；c-pension代表商業(yè)養(yǎng)老保險參與，c-medical代表商業(yè)醫(yī)療保險參與；pension* medical為社會養(yǎng)老保險與社會醫(yī)療保險的交互項，代表社會保險的整體參與情況，c-pension* c-medical為商業(yè)養(yǎng)老保險和商業(yè)醫(yī)療保險的交互項，代表商業(yè)保險的整體參與情況。α0為常數(shù)項，α1、α2、α3、α4、α5、α6分別為六個自變量的回歸系數(shù)。

審圖號: GS(2023)2642號。

近30 a青藏高原55.3%的草地SOS呈提前趨勢(通過顯著性檢驗占整體像元38.99%,α= 0.05),主要分布在青藏高原西南端、唐古拉山脈和昆侖山脈周圍。44.7%的草地SOS呈推遲趨勢,橫斷山脈和天生山脈區(qū)域的SOS推遲速率最大(1.5 d·a-1)。草地SOS的Cv平均值為0.47,其持續(xù)變化的狀態(tài)波動性較大。其中青海湖周圍和唐古拉山脈中段的持續(xù)狀態(tài)最穩(wěn)定,但在海拔較高的其他山脈地區(qū)的波動性較大(Cv>0.7),這說明近30 a青藏高原SOS的變化波動性較大。通過Hurst指數(shù)分析近30 a青藏高原草地SOS未來可能的持續(xù)性情況發(fā)現(xiàn),青藏高原草地SOS的Hurst均值為0.41,即未來一段時間內(nèi)草地SOS的變化趨勢與1986—2015年的變化趨勢整體表現(xiàn)相反。其中在波動性較小區(qū)域的Hurst值大于0.5,即未來SOS的變化趨勢持續(xù)過去30 a的變化趨勢,以不顯著提前趨勢為主。而在波動較大的區(qū)域Hurst值小于0.5,即未來SOS可能持續(xù)的變化狀態(tài)與過去30 a呈相反趨勢。

Ⅰ—草甸;Ⅱ—山地草甸;Ⅲ—平地草原;Ⅳ—荒漠草原;Ⅴ—高山亞高山草甸;Ⅵ—高山亞高山平地草原。Ⅰ～Ⅵ的變化速率分別為0.04、-0.34、0.18、0.15、0.14和0.33 d·a-1。

2.2 植被物候隨海拔梯度的變化特征

通常海拔會影響區(qū)域尺度的氣溫和降水的再分布,從而影響草地植被物候。為了探究海拔梯度對草地植被物候的影響,參照文獻[18]將青藏高原海拔劃分為低海拔區(qū)(<3 000 m)、較低海拔區(qū)(3 000～3 500 m)、中低海拔區(qū)(>3 500～4 000 m)、較高海拔區(qū)(>4 000～4 500 m)、高海拔區(qū)(>4 500～5 000 m)和極高海拔區(qū)(>5 000 m),統(tǒng)計不同海拔梯度內(nèi)草地SOS分布及其年際變化動態(tài)的平均值發(fā)現(xiàn),SOS在不同高程梯度中存在顯著差異(圖4),在極高海拔區(qū)域SOS多年均值和變化速率略高于其他地區(qū),且分散程度逐漸變大。SOS的穩(wěn)定性在不同海拔區(qū)域均較高,且隨著海拔的升高穩(wěn)定性逐漸變好,但穩(wěn)定性的分散度逐漸增加。海拔對Hurst指數(shù)的影響較大,在低海拔、中低海拔和較高海拔區(qū)域的Hurst指數(shù)小于0.4,說明在該區(qū)域的SOS未來一段可能持續(xù)的狀態(tài)與過去30 a相反的概率較大。而在高海拔和極高海拔區(qū)域的Hurst值接近略高于0.5,說明高海拔區(qū)域的SOS未來一段時間內(nèi)將持續(xù)過去30 a的變化趨勢。

圖4 青藏高原草地春季物候變化動態(tài)與海拔的相關(guān)性

2.3 草地SOS對不同極端溫度因子的敏感性響應(yīng)

極端氣候頻繁發(fā)生和水資源缺乏是影響我國生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。為探究不同極端溫度因子對不同草地類型SOS的影響情況,利用地理探測器中的因子探測器分析青藏高原草地SOS空間分異特征的驅(qū)動機制,從因子探測的結(jié)果(圖5)可知,不同極端氣溫對不同草地SOS的決定力(q值)不同。TXX和TNX對高山亞高山草甸SOS的q值明顯高于其他極端溫度指標,分別為0.089和0.072,對高山亞高山草甸SOS的影響較其他極端溫度指標大。而TXN和WSDI對高山亞高山草甸SOS影響最小,q值分別為0.027和0.030。對于高山亞高山平地草原SOS來說,DTR和TNX對其SOS的影響最高,q值分別為0.106和0.090,其次為TXX、TNN和FD,q值分別為0.074、0.062和0.066,其他極端氣候指標對高山亞高山平地草原SOS的影響相對較小。極端溫度因子對荒漠草原SOS的影響均較小,其中DTR的q值最大(0.037),TX90P影響最小(0.01)。平地草原SOS受到DTR、TNN、TNX和TXX的影響較大,受到TX10P的影響最小。

Ⅰ—草甸;Ⅱ—山地草甸;Ⅲ—平地草原;Ⅳ—荒漠草原;Ⅴ—高山亞高山草甸;Ⅵ—高山亞高山平地草原。各變量含義見表1。

山地草甸SOS受TX90P、TXX的影響較大,q值分別為0.09和0.086。草甸SOS受到DTR、TN10P、TNX、TX10P、TXX和WSDI的影響較大?？傮w而言,草甸SOS對極端溫度的變化最敏感,其次為平地草原SOS。而荒漠草原SOS對極端溫度因子的敏感度最小。

為進一步分析不同極端氣候因子與草地SOS的關(guān)系,采用高階偏相關(guān)分析法分析了草地SOS與不同極端溫度的相關(guān)性(圖6),發(fā)現(xiàn)不同極端溫度指標與草地SOS的相關(guān)性存在顯著的空間差異。其中草地SOS與變冷相關(guān)的極端溫度因子(FD、ID、TN10P、TX10P)普遍以弱正相關(guān)關(guān)系為主,其中FD、ID、TN10P和TX10P在喜馬拉雅山脈東坡正相關(guān)性較強,但TNN和TXN在大部分地區(qū)以負相關(guān)關(guān)系為主。草地SOS與DTR的相關(guān)系數(shù)在±0.5間,呈正相關(guān)與負相關(guān)分別占45.55%和54.45%,這說明草地SOS與極端溫度間存在一定程度的聯(lián)系。以上結(jié)果表明,隨著極端變暖事件的頻繁發(fā)生,草地SOS會推遲,不利于春季草地植被生長發(fā)育。

各變量含義見表1。審圖號: GS(2023)2642號。

草地SOS與變暖相關(guān)的極端溫度因子(TN90P、TX90P、WSDI)普遍以弱負相關(guān)為主,尤其在海拔較高的喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、天山山脈和橫斷山脈的負相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)極高值,基本在0.5以上。但TNX和TXX在大部分地區(qū)以正相關(guān)為主,但在喜馬拉雅山脈東坡的負相關(guān)性較強。但草地SOS與極端溫度相關(guān)系數(shù)的分布規(guī)律具有明顯的空間差異性。在青藏高原中部,草地SOS與TN90P、TX90P、TNN、TXN和WSDI以正負相關(guān)并存的分布模式,在東部主要以弱正相關(guān)為主,但在以西地區(qū)以較顯著的負相關(guān)為主。這說明溫度變暖(如暖夜日數(shù))和地表積溫增加為草地植被生長創(chuàng)造了適宜的生長條件,能夠更好地促進高海拔地區(qū)的草地生長發(fā)育。

從草地植被SOS響應(yīng)極端溫度變化事件的空間分布狀況發(fā)現(xiàn),草地SOS受極端天氣變化影響存在一定的空間分異。為了進一步細化不同草地類型對極端溫度變化的響應(yīng)情況,在前文研究的基礎(chǔ)上依據(jù)不同類型的草地植被提取相關(guān)性分析結(jié)果,分析不同草地物候?qū)O端天氣變化事件的響應(yīng)情況?？梢钥闯?大部分與草地植被SOS和極端溫度事件之間呈負相關(guān), 其中草甸、山地草甸SOS與極端溫度事件以正相關(guān)為主。高山亞高山草甸、高山亞高山平地草原、荒漠草原和平地草原SOS與極端溫度事件間的相關(guān)性存在分異,高山亞高山草甸SOS與TXX、TXN、TN90P及TX10P的負相關(guān)性較為顯著,通過顯著性檢驗的像元分別占2.11%、0.71%、0.38%、0.51%(P<0.05),說明高山亞高山草甸SOS對日最高溫度最大值和最小值、暖晝?nèi)諗?shù)及冷晝?nèi)諗?shù)十分敏感;草甸SOS與ID的負相關(guān)性十分顯著,有3.08%和3.22%通過了顯著性檢驗(P<0.05),說明草甸SOS對霜凍十分敏感,霜凍不適宜草甸植被的生長。高山亞高山平地草原SOS與TNN和TXN分別呈顯著負相關(guān),顯著負相關(guān)像元占比為0.23%(P<0.05),說明高山亞高山平地草原SOS對日最低溫度最小值和日最高溫度最小值是敏感的,短時低溫對此類植被的生長影響并不大。山地草甸SOS與TNN和TN90P分別為顯著負相關(guān),說明山地草甸對日最低溫度最小值和暖夜日數(shù)較敏感(表2)。

表2 不同類型草地春季物候與極端溫度事件的偏相關(guān)系數(shù)

3 討論

青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)作為世界上最重要和最脆弱的生態(tài)系統(tǒng),氣候急劇變化會對草地植被物候產(chǎn)生顯著影響[12]。有研究發(fā)現(xiàn),近50 a來青藏高原經(jīng)歷的長期快速的氣候變暖促進了高寒植被SOS提前,春季生物量增加[26-27]。筆者研究也表明,近30 a在青藏高原西南端、唐古拉山脈和昆侖山脈地區(qū)的草地SOS呈提前趨勢,但在橫斷山脈和天生山脈區(qū)域的草地SOS呈顯著推遲趨勢。不同地區(qū)植被SOS呈不同趨勢,這主要與草地植被生長受到的外界環(huán)境影響密不可分(良好的水熱環(huán)境、充足的營養(yǎng)物質(zhì))[27-28]。然而周玉科等[29]發(fā)現(xiàn),青藏高原東南部濕潤半濕潤的灌木草原區(qū)、西北荒漠草原區(qū)和青藏高原西南部濕潤區(qū)草地SOS均為推遲趨勢。不同學者對草地變化趨勢的研究存在差異,這可能是與研究時間段不同有關(guān);另一方面可能是因為氣候變暖的同時降水時空分布格局、土壤蒸散發(fā)也發(fā)生了較大變化,溫度變暖雖然極大地改變了春季物候事件,但不同地區(qū)、不同草地類型對氣候的響應(yīng)程度不同[30]。如有研究顯示氣候變暖使寒冷草原SOS提前,尤其是高緯度地區(qū),而在季節(jié)性干旱地區(qū),氣候變暖通常使植被春季物候推遲,這主要是因為寒冷草地的春季物候主要受溫度的調(diào)節(jié),干燥草地的春季物候因主要受水分的調(diào)節(jié)[2,15,26]。其次,在極高海拔區(qū)域草地SOS多年均值和變化速率略高于其他地區(qū),且分散程度逐漸變大。穩(wěn)定性在不同海拔區(qū)域均較高,且隨著海拔的升高穩(wěn)定性逐漸變好。但海拔對Hurst指數(shù)的影響較大,在低海拔、中低海拔和較高海拔區(qū)域的SOS未來一段可能持續(xù)的狀態(tài)與過去30 a相反的概率較大,而在高海拔和極高海拔區(qū)域的SOS未來一段時間內(nèi)將持續(xù)過去30 a的變化趨勢。

溫度和降水被認為是影響草地物候的重要氣象因子[1-3,20-22],但與平均氣候相比,極端氣候因具有突發(fā)性、破壞性大和難以準確預(yù)測等特點,可能會嚴重影響到區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán),從而影響植被生長周期以及植被的生產(chǎn)力和產(chǎn)量[6-7,20]。極端氣候事件發(fā)生頻率的增多增加了預(yù)測氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)未來影響的不確定性,因此迫切需要探索草地生態(tài)系統(tǒng)(特別是脆弱和易受影響的生態(tài)系統(tǒng))如何應(yīng)對日益加劇的氣候變化。許多研究發(fā)現(xiàn),極端氣候事件與不同類型植被間的相互作用具有異質(zhì)性[29-30]。因此,該文分析了青藏高原不同類型草地春季物候?qū)?2個極端溫度指標的敏感性及其相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)1986—2015年青藏高原不同草地類型的SOS對極端溫度事件的響應(yīng)不同。高山亞高山草甸春季物候主要受到極端高溫事件的負影響(TXX、TNX),而受到極端低溫事件的影響程度(TXN、TNN)小于極端高溫事件。主要是因為高山亞高山草甸大多處于海拔較高、氣候較為寒冷的分水嶺和平坦開闊的高原面,植被組成多以耐寒冷的嵩草和多種草類為主[3]。因此,雖然極端高溫出現(xiàn)頻率的增加可能會增加高山亞高山草甸植被芽爆裂和葉片膨脹所需的熱量積累,極端低溫事件頻率的增加會減少高山亞高山草甸植被芽休眠釋放前的低溫天數(shù)[31-32]。然而從理論上講,冬季強烈變暖可能會阻礙冷藏需求的實現(xiàn),從而導(dǎo)致春季物候開始生長的時間推遲。有學者研究發(fā)現(xiàn),溫度對溫帶植物出葉時間的影響歸因于低溫需求(充分暴露于寒冷天氣)和熱積累(一定量的熱時間)之間的動態(tài)關(guān)系[33]。YU等[32]發(fā)現(xiàn),20世紀90年代中期后青藏高寒草甸和草原地帶生長期縮短與冬季極端高溫事件的增加和冬季制冷條件不足密切相關(guān),且極端溫度的升高會導(dǎo)致春季物候推遲。這一發(fā)現(xiàn)表明高山亞高山草甸可能具有較低的低溫需求。此外,暖冬也可能降低高山亞高山草甸敏感生長組織凍害的風險。有研究也發(fā)現(xiàn),在高海拔地區(qū)的霜凍限制了木本和多年生草本物種的生長[27]。山地草甸SOS受TX90P、TXX的影響較大,草甸SOS受到DTR、TN10P、TNX、TX10P、TXX和WSDI的影響較大。草甸和山地草甸植被一般分布在海拔較高的濕潤氣候區(qū),其對極端溫度的響應(yīng)較海拔更高的高山亞高山草甸敏感,但草甸SOS隨極端溫度變化的原因與高山亞高山草甸相似。高山亞高山平地草原SOS受氣溫日較差、日最低溫度最大值、日最高氣溫最大值和暖晝?nèi)諗?shù)的負向影響作用較大。這主要是由于高山亞高山平地草原分布區(qū)氣候較冷且較干旱,植被組成多以狐茅、針茅為主,伴生灌木錦雞兒、金臘梅等,草質(zhì)、草量均較差[3]。這主要是因為春季溫度升高會使得氣候較為干旱的高山亞高山平地草原生長受到土壤水分脅迫的影響,從而導(dǎo)致植被生長受限,物候期被推遲,但這取決于溫度、太陽輻射、降水和土壤類型等因子對植被物候的共同作用[20]。極端溫度對荒漠草原SOS的影響均較小。平地草原SOS對DTR、TNN、TNX和TXX的敏感度較大,這表明青藏高原平地草原SOS受極端溫暖指數(shù)的影響很大?；哪菰推降夭菰蠖嗵幱诟珊瞪鷳B(tài)系統(tǒng)中,草地植被受到土壤含水量的脅迫大于溫度,因此極端高溫事件會降低土壤含水量,使淺根山地植物易受水分脅迫,導(dǎo)致春季物候延遲[32]。相反,大量的季前降水將減少干旱風險,有效提高土壤水的可用性,促進植被最大限度地發(fā)揮熱效益[28]。但因為荒漠草原和平地草原的耐寒性比較差,因此極端低溫事件可能會直接導(dǎo)致草地死亡[27]。其次,也有研究發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高,草地SOS隨氣候敏感性穩(wěn)步下降。這表明不同植被對極端氣候的總體響應(yīng)具有重疊分布,這往往因植被類型之間的敏感性不同而變得復(fù)雜。

4 結(jié)論

利用GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)提取草地春季物候數(shù)據(jù)和極端溫度數(shù)據(jù)集,輔以趨勢分析、穩(wěn)定性分析、未來持續(xù)狀態(tài)、地理探測器和高階偏相關(guān)分析法,探究了青藏高原1986—2015年不同草地類型春季物候及極端溫度對不同草地類型SOS的影響,為不同草地類型春季物候?qū)O端氣候變化的響應(yīng)情況研究提出了重要的框架。主要結(jié)論如下:

(1)青藏高原近30 a草地SOS集中在第120～130 天,即5月上旬至中旬。其中荒漠草原、高山亞高山平地草原和山地草甸的SOS較其他幾種草地類型遲,集中在第125～145 天,平地草原、草甸和高山亞高山草地SOS較早,基本在第130 天之前。

(2)SOS總體以提前趨勢為主,速率集中在 0～±1.5 d·a-1,但SOS變化波動性較大。未來一段時間內(nèi)SOS變化趨勢與1986—2015年相反,其中在波動性較小區(qū)域SOS未來以提前趨勢為主,波動性較大區(qū)域SOS未來呈推遲趨勢。

(3)高山亞高山草甸SOS對TXX和TNX敏感性較大,對TXN和WSDI的敏感性較小。高山亞高山平地草原SOS對DTR和TNX敏感性較高,其次為TXX、TNN和FD。極端溫度因子對荒漠草原SOS的影響均較小。平地草原SOS對DTR、TNN、TNX和TXX的敏感性較大,對TX10P的敏感性較小。山地草甸SOS受TX90P、TXX的影響較大。草甸SOS受到DTR、TN10P、TNX、TX10P、TXX和WSDI的影響較大。

(4)草地SOS與變冷相關(guān)的極端溫度因子(FD、ID、TN10P、TX10P、TNX和TXX)普遍以弱正相關(guān)性為主, FD、ID、TN10P和TX10P在喜馬拉雅山脈東坡的正相關(guān)性較其他極端氣溫指標強。草地SOS與變暖相關(guān)的極端溫度因子(TN90P、TX90P、TNN、TXN和WSDI)普遍以弱負相關(guān)性為主,尤其在喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、天山山脈和橫斷山脈的負相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)極高值。

研究表明,未來青藏高原草地植被生長將容易受到極端氣候因子的影響。因此,后期研究應(yīng)該在氣候因子的基礎(chǔ)上進一步分析月尺度的極端溫度、極端降水等因素對不同植被生長的影響,為進一步測量和預(yù)測植被物候?qū)ξ磥須夂驐l件的響應(yīng)提供模板,季節(jié)性極端氣候如何聯(lián)合影響植被生長也需進一步研究。