華北平原植被動態對氣象干旱的響應特征

盧洪健　胡智丹

摘要基于中國華北平原1982—2012年NDVI和不同時間尺度SPI/SPEI數據，分析了植被綠度年際波動對氣象干旱時間尺度的響應特征。結果表明：華北平原干旱對春季植被綠度的影響強于夏季，對北部的影響強于南部；植被綠度對長期干旱的響應更明顯，但局部和季節差異非常明顯，北部植被響應干旱的時間尺度較南部短；生長季水分虧缺是其植被干旱脆弱性的主導因素。

關鍵詞植被綠度；干旱；時間尺度；干旱脆弱性；華北平原

中圖分類號S423；P467文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）36-0004-05

AbstractWe evaluated the response of different land biomes to drought by correlating the various timescale SPEI/SPI with a widely used indicator of vegetation activity，like the Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） in Northern China Plain （NCP） during 1982-2012.The results showed that the NDVI of spring cultivated vegetation were more sensitive to drought than that of summer vegetation，and the impact of drought on vegetation greenness in northern was more significant than that in southern.The response of vegetation to drought was usually more obvious at a long scale，but the strongest response timescale in northern was shorter than southern.In a word，water deficit during the growing season was the main driver of vegetation vulnerability to drought.

Key wordsVegetation greenness；Drought；Timescales；Drought vulnerability；Northern China Plain

干旱是生態系統地上凈初級生產力減少的主要驅動因子之一，但不同的生態系統對干旱的敏感性存在較大差異[1-2]。由于不同植物群之間的水分利用策略存在很大的差異以及對干旱（水分虧缺程度）量化的困難，加上溫度上升與水分虧缺對植被的影響往往存在協同效應，所以理解陸地植被（尤其是區域尺度上）對干旱的響應仍是一大挑戰[3-4]。

干旱時間尺度是指由于干旱造成可識別的后果（如作物減產）出現時與干旱（水短缺）起始時間之間的時間滯后[5-7]，不同的植被類型對不同時間尺度干旱的響應可能顯著不同。以往的研究大多通過簡單的降水距平（相對于平均狀況）來考慮植被對氣候的響應，這會忽略溫度的作用以及在哪種干旱時間尺度上植被的響應最顯著，而這兩者是識別氣候波動的響應和理解植被對干旱的敏感性的根本要素[8]。有研究分析不同時間尺度上標準化降水蒸散指數（SPEI）與3種植被參數[分別為表征植被綠度的歸一化植被指數（NDVI）、樹木徑向生長的樹輪數據和地上凈初級生產力]之間的關系，揭示了全球范圍內不同氣候區的陸地植物群對干旱時間尺度的響應特征[9-10]。有學者采用多時間尺度SPEI和標準化降水指數（SPI）對地中海約旦河地區進行分析，發現NDVI與6個月時間尺度的SPEI相關性最好，但不同植被類型之間會存在較大差異，不同季節內植被對干旱的響應特征也會明顯不同[11]。也有研究者對中國西南地區進行分析，發現植被綠度下降量出現的時刻與干旱事件之間存在4～6個月的滯后，而且發現農田生態系統對干旱最敏感[12]?？傊?，水分虧缺與植被響應之間的時間滯后受到植被類型、地區和土壤儲水能力等因素的綜合影響。

華北平原是我國重要的糧食主產區之一，然而，降水年際間的強烈波動使得其干旱發生較為頻繁，而近10多年來遭遇的少雨高溫期更激發了一些破紀錄的極端干旱事件，導致區域糧食安全和生態系統生產力年際間的不穩定性呈加劇趨勢[13-16]。筆者基于NDVI表征的植被綠度以及多時間尺度的氣候干旱指數SPI/SPEI，分析了華北平原植被綠度變化與干旱時間尺度之間的關聯性，以期揭示植被干旱脆弱性的控制因素，為氣候變化下區域生態系統管理與功能保育提供參考。

1數據來源與研究方法

1.1研究區概況

華北平原地處拱衛京師的畿輔地帶，不僅是我國的政治、經濟和文化中心，而且其農業生產在我國有重要的戰略地位，全區耕地面積占全國的1/6。按照農業氣候區劃，華北平原屬暖溫帶作物兩年三熟區，復種指數平均為150%，向南逐漸增大。主要種植作物是冬小麥—夏玉米，一年兩熟，糧食產量約占全國的1/7，是我國的重要糧倉之一。區內土地質量差別懸殊，雖然本區水熱同季，有助于作物生長，農業生產潛力大，但是由于降雨不多，年內分配不均，致使區域內缺水，在一定程度上限制了光熱資源的充分利用，使得本區單位面積占有的水資源成為全國較低的地區之一，面臨著水資源安全和水短缺風險加重的問題，因此整個區域內的糧食生產與農業干旱的發生關系十分密切。據統計，華北地區旱災平均受災面積占全國受災面積的比例最高，尤其是自20世紀80年代以來持續近30年的干旱已成為制約該地區社會和經濟發展的突出問題。

1.2數據來源與處理

氣象數據由中國氣象局提供，包括華北平原及周邊64個氣象站（圖1）的日均溫和降水量的逐日觀測數據。通過比較分析距離平方反比法（IDS）、梯度距離平方反比法（GIDS）和普通克里格法（OK）3種插值方法的表現，發現GIDS溫度插值的平均絕對誤差最小，且能較細致地反映溫度隨海拔高程的變化[17]。該研究采用GIDS將逐日的氣象數據內插到華北平原所有的像元上（8 km柵格），然后采用月均溫、降水量分別計算1、2、3、6、9、12、18和24個月尺度的1982—2012年的逐月SPI和SPEI。

植被指數為NOAA-AVHRR 的1981—2006年的14 d最大化合成的8 km NDVI 數據和Terra-Modis衛星提供的2000—2012年的16 d最大化合成的1 km NDVI數據（MOD13A2）。所有的遙感數據都統一轉化為Lambert等積方位投影，空間分辨率為8 km，并經過大氣、幾何糾正，消除云的影響。通過數據質量控制文件進行再處理，然后用SG濾波對NDVI進行去噪、平滑處理。最后，根據2套數據重疊時間段內的NDVI進行回歸分析，融合成一套完整的1982—2012年的植被指數數據。

1.3研究方法

為分析干旱指數與NDVI之間的關系，即將一年中各個月NDVI與不同時間尺度SPI進行相關分析[18]。為了揭示華北平原和華北平原植被綠度年際變化對干旱時間尺度的響應特征，該研究采用上述方法，以融合、插值處理后1982—2012年不同月份的NDVI表征植被綠度，以SPI和SPEI（1、2、3、6、9、12、18和24個月尺度）表示干旱，進而分析8 km柵格水平上NDVI-SPEI/SPI的皮爾遜相關系數（r），然后統計不同月份不同時間尺度上最大的r及相應的時間尺度（月）。此外，以土地覆蓋類型數據為掩膜，統計各土地利用類型相應的NDVI和SPI/SPEI，并分析其r。最后，以NDVI-SPI/SPEI最強的響應關系r表征植被的干旱脆弱性，分析其空間差異及其與水平衡、降水和海拔高程等因子的相關關系。

2結果與分析

2.1華北平原植被綠度-干旱時間尺度的響應特征

分析8 km柵格水平上1982—2012年NDVI與不同時間尺度SPEI/SPI的關系，4—9月的r的空間分布如圖2所示，整體而言，r基本為正，說明氣象干旱對華北平原植被綠度年際變化的影響很大，但不同月份、地區NDVI對各時間尺度干旱的響應差異明顯。4—6月的r比7—9月相對要大，北部地區的r比南部相對更大，長時間尺度上的r比短時間尺度相對更大。但也存在一些十分明顯的局部差異，例如，4月南部地區的r明顯比北部高（3～6個月尺度上），7月北部大部分地區在短時間尺度上的r要顯著高于長時間尺度上。但是南部一些地區7—9月NDVI與SPEI的r多為負，8月尤為如此，這很可能是因為該時段內的水分相對充沛，干旱相對很弱，莫興國等[13]研究表明，夏玉米生育期內黃河以南水分有盈余；而黃河以北地區水分虧缺0～100 mm，這顯然也是北部地區7—9月的r為正的主要原因。綜上可知，春季干旱對整個華北平原植被綠度都具有顯著影響，而夏季干旱對北部地區植被的影響要顯著強于對南部地區。

對4—9月NDVI與1、3、6、9、12、18和24個月尺度的SPEI/SPI的r進行比較分析，提取每個柵格上最大的r（6個月 × 7個尺度）以及相應的時間尺度（月），結果如圖3所示。很顯然，r的總體格局為北部大于南部，但也存在一些很明顯的局部特征，如北部石家莊—邢臺一帶以及黃河下游沿岸多數地區的r都很低，這可能與其灌溉條件較好有關，而魯西南和河南商丘—亳州一帶的r則較高，可能受山地丘陵地形和土壤質地的影響較大。與SPI相比，SPEI的r相對更高，說明聯合考慮水供應和需求對干旱烈度影響的干旱指數，總體上更能反映出干旱對植被綠度的影響程度；只是在北部的泊頭—廊坊一帶，SPI的r反而高于SPEI。

分析整個區域不同植被類型NDVI年際變化與不同時間尺度SPEI/SPI的相關關系。結果表明，不同植被類型NDVI對干旱的響應特征存在較大的差異（圖4、5）。就常綠林來講，其在生長季的旺期6—7月不僅對短期的（1～6個月尺

度）水平衡（降水-蒸散）虧缺敏感，而且對長期（12～24個月尺度）干旱的響應很好；與之不同的是，落葉林在7月主要是對短期干旱很敏感。此外，在2月對9～12個月尺度的干旱

的響應也較好。灌木在6—7月對干旱時間尺度的響應與常綠林類似，但在8月對長期干旱的響應也好，而在9和10月對1～2個月尺度的水分虧缺還較為敏感。

農業植被的響應特征與自然植被的差異較大（圖5），其中平原水田在3月對2～3個月尺度的干旱較為敏感，而在5、7和8月對長時間尺度上的水分虧缺響應較好。山地旱地和丘陵旱地的響應特征基本一致，在5—7月和9—10月對各時間尺度的干旱都有較強的響應，但也是在6月對2～3個月尺度的水分虧缺最為敏感，這是因為山地和丘陵地形不利于土壤儲存水分，而6月又是作物生長需水旺盛時期，因此對短時間尺度上的水分虧缺較為敏感。平原旱地在7和10月對1～3個月尺度的干旱的響應最好，而在5、8和9月

對長期的水分虧缺更為敏感。由此可見，對于主要種植冬小麥和夏玉米的華北平原來說，不同作物甚至同一作物在生長季的不同階段對干旱時間尺度的響應都可能存在較大差異。

綜合分析各植被類型、月份NDVI對不同尺度上的水供給（SPI）和水平衡（SPEI）的響應特征，發現隨著時間尺度的增大，兩者的平均r都逐漸增大，但在18個月后，響應開始減弱；但不同季節、植被類型之間的響應差異很大，尤其表現在1～6個月的短時間尺度上（圖6）。因此，在對華北平原植被干旱脅迫的影響評估與監測過程中，不僅要考慮短時間尺度上的水分虧缺，也要考慮長時間尺度上的累積干旱效應。綜合來講，華北平原植被綠度的變化對干旱的響應在18個月時間尺度上最明顯。

2.2植被干旱脆弱性影響因素分析

為了解釋NDVI變化與干旱時間尺度響應關系（即植被干旱脆弱性）的空間分布差異，分析圖2中的r與其相應生長季多年平均水量平衡（P-PET）之間的關系，擬合結果如圖7所示?？傮w而言，各植被類型擬合的皮爾遜相關系數r為負，換言之，水分虧缺越厲害的地區，干旱對植被綠度的影響越強，即植被干旱脆弱性越大。但是不同植被類型間的這種相關性明顯不同，平原

旱地、平原水田和自然植被（包括林地、草地、灌叢和稀樹草原）的r都小于-0.80，P小于0.01，且決定系數（R2）分別為0.74、0.74和0.60；說明生長季水量平衡（水分虧缺）是其植

被干旱脆弱性空間分異的主要驅動因素。而對山地旱地和丘陵旱地來說，雖然其NDVI-SPEI的相關系數普遍高于平原地區，但它與水量平衡之間并非線性響應關系，即簡單的水量平衡并不能很好地解釋NDVI-SPEI響應關系的強弱，這一方面是因為擬合的點較少，更重要的原因是，山地和丘陵地區水循環過程更為復雜多變，徑流對水平衡的影響很大，所以導致植被綠度對簡單的氣候水分平衡表征的干旱并未呈線性的響應。生長季水平衡達-400 mm的山地旱地，植被干旱脆弱性最強，但對水分虧缺小于400 mm的地區，NDVI-SPEI的相關系數反而是隨水分虧缺量減少而增大的。

3結論與討論

該研究分析了中國華北平原植被動態（NDVI）對不同時間尺度干旱（SPEI/SPI）的響應特征，并探討了不同土地覆蓋類型的響應差異，以期揭示其區域/局地尺度上植被綠度對干旱時間尺度的響應規律，并試圖解釋不同植被類型干旱脆弱性空間差異的主要驅動因素。就華北平原而言，干旱對春季植被綠度的影響比夏季植被綠度強，對北部植被綠度的影響比南部強。其植被NDVI對干旱時間尺度的響應特征較復雜，河北省中部、山東省大部分地區以及河南南部一些地區對短期干旱敏感，而河北西北部、河南中部和山東西北部、江蘇北部的少部分地區對長期的水分虧缺響應更強。自然植被在其生長季旺期6—7月對短期和長期干旱的響應都較強，春季農業植被在2—4月對短時間尺度干旱的響應較強，而夏季農業植被在5—9月對長期的累積水分虧缺最敏感，但不同土地利用類型間的差異較大。

研究還表明，生長季水量平衡（P-PET）是華北平原自然植被、平原水田和平原旱地植被干旱脆弱性空間分異的主要控制因素，山地和丘陵旱地植被脆弱性的影響因素較復雜。這可能是因為，就華北平原植被活動變化的驅動因素而言，人類活動的作用占主導地位，但氣候變化也是重要因素，且前者的作用相對更大。

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