气候变化背景下黄河流域植被变化成因及未来预估

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全球气候变暖已成事实,这对人类社会、经济及生态环境产生重要影响。作为陆地生态系统中最重要的组成部分,植被在改善生态环境、减少水土流失等方面发挥巨大作用,但随着我国人口和经济的快速增长,人类活动可以直接或间接影响植被覆盖,加之气候变化的区域差异性,使植被覆盖变化十分复杂。深入研究植被覆盖的时空变化特征并探究其驱动因素对于制定生态文明建设的政策具有重要意义。黄河流域大部分位于干旱半干旱区,对气候变化十分敏感,也是人类活动最剧烈的地区之一。近年来,随着气候呈现出暖干化的趋势和“退耕还林还草”政策的实施,使整个流域植被覆盖发生了显著变化。2019年9月18日,习近平总书记在郑州召开“黄河流域生态保护和高质量发展”座谈会,黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略。因此,研究气候变化背景下黄河流域植被变化及其成因,并基于未来气候变化条件,准确预测未来植被动态变化特征对了解黄河流域生态系统现状和未来植被变化特点具有重要意义。本文基于归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、气温、降水、scPDSI数据和土地利用数据,运用线性趋势、相关性分析、多元回归和残差分析等方法,从不同时空尺度分析近20年黄河流域植被变化与气候变化特征,探究NDVI变化与驱动因素之间的关系,评估气候和人类活动对植被变化的相应贡献;最后,通过历史气象和植被数据资料构建植被预测模型,预测2021-2050年在SSP2-4.5和SSP5-8.5两种情景下的植被动态变化特征。主要结论如下:(1)2001-2020年黄河流域及子流域NDVI呈上升趋势且趋势基本一致,其中黄河中游NDVI增长速率(约为0.05/10a)高于整个流域(约为0.03/10a),而黄河上游增长趋势(约为0.02/10a)相对较小。夏季和生长季NDVI分别以0.06/10a和0.05/10a的速率呈明显波动上升趋势,而春季NDVI的线性趋势相对较小,为0.03/10a。空间尺度上,黄河流域植被指数总体呈现东南高西北低的分布特征。从NDVI变化趋势及显著性看,近20年黄河流域NDVI整体呈增加的趋势,较显著增加和显著增加区域占流域总面积的79.85%,显著减少主要集中在城市集中发展区。(2)2001-2020年黄河流域年平均气温以0.12℃/10a的速率呈显著上升趋势,各子流域的升温速率排序为黄河下游>黄河上游>黄河中游。四个季节均有增温趋势,其中春季增温幅度最大。空间上,黄河下游等区域增温速率最大,而在陕西中部等区域,增温速率较小。黄河流域年降水量以24.63mm/10a的速率呈增加趋势,其中黄河上游增加趋势最快,而黄河下游增加趋势最慢。各季节降水量均呈增加趋势,生长季降水量增加最快;空间上,黄河流域降水量变化趋势存在较大的空间异质性。黄河流域年平均scPDSI以1.12/10a的速率呈增加趋势,其中黄河上游的增加速率最快,而黄河下游的增加速率最慢。季节尺度上,各个季节均呈增加趋势,其中夏季增加速率最快。空间上,scPDSI在四川省、青海省和甘肃省西部等区域以超过0.15/a速率呈增加趋势,而在黄河下游,scPDSI呈下降趋势,其值低于-0.02/a。(3)黄河流域NDVI与气温、降水和scPDSI在大部分区域均呈正相关,且植被变化受降水和scPDSI两者的影响较大。在黄河上游,NDVI与降水和scPDSI的关系最为密切,其对NDVI变化趋势的贡献分别达到57.76%和67.24%;温度与NDVI的相关性在黄河下游最高,对其变化趋势的贡献达30.25%。季节尺度上,春季,NDVI与气温和scPDSI的相关性最高,而在夏季NDVI与降水量的相关性最高。近20年气候变化和人类活动对黄河流域NDVI变化的影响分别是0.76×10-3/a和0.27×10-2/a,相对贡献率分别为22%和78%。2000-2020年黄河流域土地利用变化较大,主要表现为草地与耕地、林地、未利用地之间的相互转换以及建筑用地的进一步扩张。可见,人类活动对黄河流域的植被变化有较大的影响。(4)2021-2050年黄河流域年均气温和季节气温在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下均呈增加趋势且SSP5-8.5情景下增加幅度更大。季节尺度上,夏季气温增幅最大,春季增幅最小;年际降水量在SSP5-8.5情景下的线性趋势低于SSP2-4.5情景。季节尺度上,秋季降水增幅最大,其次是生长季。不同情景下,气温和降水量的趋势分布在空间上存在较大的差异性。未来黄河流域植被覆盖普遍增加,在年际、春季、秋季和生长季,SSP5-8.5情景下的植被覆盖增加程度大于SSP2-4.5情景,而夏季时,SSP2-4.5情景下植被指数上升速率高于SSP5-8.5情景。未来中游北部植被覆盖呈上升趋势,而在陕西中部区域,植被变率为负值,表明植被在退化。
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