黄土高原植被覆盖和总初级生产力变化特征及其对极端气候的响应

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:theone2005
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陆地植被是地球碳循环的关键组成环节。归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)能在不同程度上反映生态系统植被的生长情况。植被生长主要受气候变化和人类活动的驱动。面对全球变暖的挑战,科学认识植被动态对极端气候变化的响应成为当下研究的热点之一。黄土高原作为我国重要生态战略区域,生态环境脆弱,水土流失严重,植被覆盖稀缺等一系列环境问题制约着当地经济的发展,因此,研究该区域极端气候事件与NDVI、GPP的相互作用与反馈机制具有重要的意义。本研究基于1986~2019年黄土高原遥感归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)、总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)数据与79个气象站点日气温、降水数据,采用均值法、一元线性回归、Mann-Kendall(MK)趋势检验法和Pearson相关分析法对NDVI、GPP时空变化特征及其对极端气候的响应进行了分析,研究结果表明:(1)探明了黄土高原植被NDVI、GPP的时空变化特征与发展趋势。(1)黄土高原年和生长季NDVI、GPP在1986~2019年呈显著上升趋势,其中1986~2000年NDVI和GPP值较低,呈不明显的下降趋势,而2001~2019年NDVI和GPP的增长幅度较大。黄土高原NDVI、GPP季节变化明显,其中夏季的NDVI、GPP要大于春季和秋季。(2)空间上,各时间尺度NDVI、GPP均呈现东南高、西北低的空间分布格局,其中黄土丘陵沟壑区、土石山区及河谷平原区的上升趋势更为显著。(2)厘清了黄土高原极端气候事件的时空分布规律。极端气候指数选取了16个指标,包括4个极端降水指数(CDD、R25、RX1day、RX5day)、5个极端暖指数(SU25、TN90p、TX90p、TMAXmean、TMINmean)、4个极值指数(TNn、TNx、TXn、TXx)和3个极端冷指数(FD0、TX10p、TN10p),这些指标均基于世界气候变化检测和指标专家组(ETCCDMI)所定义的极端气温、极端降水事件,发现:(1)极端气候指数中,研究时段内黄土高原整体上向暖湿化发展,极端降水指数呈上升趋势,其中R25和RX1day的上升趋势显著,极端暖指数呈显著上升趋势,极端冷指数呈显著下降趋势,极值指数变化不明显。(2)空间上,极端降水指数的空间分布较为一致,呈现出东南高、西北低的分布格局,其中河南的郑州和三门峡及其周围地区极端降水指数上升趋势明显。与极端降水指数相比,极端气温的空间分布较为复杂,其中SU25、TMAXmean、TMINmean、TNx和TXx的空间分布格局相似,高值区分布在东南部和西北部的少数地区,而西部高海拔地区较低,其中西部黄土高塬沟壑区及东部的土石山区及河谷平原区的变暖趋势较为显著。(3)阐明了黄土高原GPP、NDVI对极端气候指数的时空响应特征。(1)不同时间尺度下,黄土高原整体上与极端暖指数和降水呈正相关,与冷指数呈负相关,其中年际尺度上NDVI、GPP与FD0的相关程度最强,生长季、春季和夏季尺度上NDVI、GPP与TMINmean、TN90p的相关程度最强,而秋季中则对RX5day更为敏感。(2)空间上,年际和生长季尺度中,黄土高原大多数地区的NDVI、GPP均与极端降水指数呈正相关,而季节尺度中呈正相关的区域且多分布在中北部。对于极端气温指数,不同时间尺度下,大部分地区的NDVI、GPP与极端暖指数TMINmean、TN90p呈明显正相关,其中年和生长季尺度上,西部、东部高海拔地区以及延安、西安站点与暖指数呈负相关。(3)黄土高原NDVI、GPP对极端气候事件的滞后性响应不同,月NDVI对前1个月极端气温指数的变化更敏感,说明植被NDVI对极端气温的响应具有滞后性,而月GPP则与当月极端气候指数的相关性程度更大,即对极端气候指数的响应非常及时。综上所述,本研究中确定的黄土高原NDVI、GPP变化趋势及其与极端气候之间的相关性表明,全球变暖导致的极端高温事件频发可能会对黄土高原未来的生态和环境产生严重影响。
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