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黄土高原近30年植被覆盖变化及其对气候变化的响应

谢宝妮  
【摘要】:植被是连接土壤、大气、水文及其它生态要素的重要“纽带”,对减少黄土高原水土流失有着十分重要的作用。系统研究黄土高原空间和时间多尺度下植被覆盖变化及其驱动机制,可为回答陆地生态系统过程植被—气候—人类活动的互动关系提供科学依据。本文基于NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)发布的最新植被指数(Normalized Difference Vegetation Index)数据集——LTDR NDVI(Land long Term Data Record)和同期气象插值数据,采用经典统计、一元线性回归、小波分析、偏相关分析及残差分析等方法对黄土高原1982-2014年不同气候区和生物群落尺度植被覆盖和气候的时空变化、植被覆盖对气候变化的响应;以及气候变化和人类活动对黄土高原植被覆盖变化影响的相对贡献率进行研究,所取得的主要结果如下:(1)LTDR NDVI数据用于黄土高原植被动态变化监测是可靠的。LTDR NDVI和GIMMS NDVI在植被生长空间分布和动态变化方面具有较强的相似性,在区域尺度两者回归系数达到0.90。两种数据集在植被生长物候方面表现一致。两种NDVI数据在黄土高原95%的区域呈正相关,其中65%的区域显著相关。此外,对LTDR NDVI在稀疏灌木林和稀疏草地这两种植被的动态变化结果需谨慎对待。(2)小波多分辨率分析结果表明黄土高原植被年内季节性变化明显,NDVI最大值出现7、8月份。半湿润区植被年内变化规律和特征最不明显,干旱区植被年内变化规律和特征最明显。落叶阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林和草甸等植被年内细节变化规律不明显,稀疏灌木林、稀疏草地、农田和裸地等植被年内细节变化特征明显。落叶阔叶林、针阔混交林和常绿针叶林这3种植被年际变化波动较大,其余植被年际变化较小。(3)黄土高原地区近30多年植被生长季NDVI增加显著(2.95×10-3 yr-1,P0.001),夏季NDVI增加趋势最大(3.37×10-3 yr-1),秋季(2.58×10-3 yr-1)和春季(1.71×10-3 yr-1)次之,冬季NDVI无明显趋势。生长季植被覆盖在95%的区域呈上升趋势,其中84%显著上升,主要分布在长城沿线以东。黄土高原仅5%的区域植被覆盖有所退化,主要分布在内蒙古鄂尔多斯风沙草原西部、甘肃北部及西安等城市地区。不同气候区和植被类型生长季NDVI变化趋势有所不同。半湿润区生长季NDVI上升趋势最大(3.98×10-3 yr-1),其次为半干旱区(2.90×10-3 yr-1),干旱区最小(1.31×10-3 yr-1)。所有植被类型生长季NDVI均显著上升,上升趋势从大到小依次为:落叶阔叶林针阔混交林常绿针叶林落叶阔叶灌木林草丛湿地农田稀疏林稀疏灌木林草甸草原裸地沙漠稀疏草地。(4)黄土高原近30几年气候呈现出变暖变湿的趋势,气温上升了1.70℃(P0.001),降雨增加了14.89 mm(P0.05)。年均气温在96%的区域上升显著(P0.05),高海拔地区升温明显而平原地区升温较小。半干旱区增温趋势最大,其次为干旱区,半湿润区最小。平均温度在四季均显著上升,上升趋势从大小依次为:春季夏季秋季冬季。降雨量在75%的区域有所增加,主要分布干旱区和半干旱区,半湿润区降雨量有所下降。春、夏季降雨量减少,秋、冬季降雨量增加,冬季降雨量变化最微弱。黄土高原气温变化的第1主周期为14年,在14年特征尺度上经历了由偏暖期开始的3个冷暖循环,平均变化周期9.5年左右。降雨变化的第1主周期为10年,在10年特征时间尺度上经历了由枯水期开始的5个枯丰循环,平均变化周期约6.5年。(5)黄土高原植被覆盖变化受温度和降雨共同驱动,驱动程度随气候分区、植被类型及时间的变化有所不同。黄土高原28%的区域植被生长主要受到气温影响,17%的区域植被生长主要受到降雨影响,39%的区域植被生长受到降雨和气温共同影响。干旱区植被生长主要受降雨影响,半湿润区植被与气温关系更为密切,半干旱区植被生长则受到气温和降雨共同影响。森林、湿地和农田植被生长对气温较敏感,草地、裸地和沙漠植被生长对气温和降雨均较敏感。春季和秋季植被生长主要受到气温影响,夏季植被生长对气温和降雨均较敏感。黄土高原植被生长对温度和降雨有一定的滞后响应时间。植被对降雨有明显的滞后响应,滞后响应时间约14~15个月;对温度有一定滞后响应,滞后响应时间约15个月。(6)气候变化和人类活动共同影响黄土高原近30多年植被覆盖变化,气候因素占主导地位,相对贡献率为77%,人类活动贡献率为23%。干旱区和半湿润区植被覆盖改善区域受气候变化和人类活动驱动的(贡献率50%)面积相当,而半干旱区有81%的植被改善区域主要受气候变化的驱动。多数植被NDVI变化主要受气候变化驱动,湿地、农田和沙漠植被气候变化和人类活动驱动程度相当(贡献率均约50%)。人类活动在植被覆盖减少区域多占主导地位。人类活动占主导地位的区域自退耕还林还草工程实施(1999年)以来扩大明显,表明黄土高原1999年以前植被生长主要受到气候驱动,1999年以后人类活动对植被生长影响有所增加。


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