中国植被活动对气候变化响应的复杂特征研究

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气候变化对植被活动的影响反映出多要素、多过程耦合的交互作用,并呈现出随不同区域水热组合及下垫面类型与属性变化的差异性。基于此,本研究以地理学“过程—格局”耦合为理论基础,针对中国植被活动对气候变化响应的非线性以及时空多维性,借助模型模拟、加权回归以及时空统计等技术手段,系统研究其异质性、动态性和脆弱性等复杂特征。主要结论如下:  (1)过去30余年中国植被活动对气候变化的响应格局  基于地理加权回归(GWR)等方法,探究了1982-2013年中国植被活动(NDVI)及其动态特征对气候变化响应的时空格局。中国植被活动与温度指标在空间上的负相关关系主要集中在东北、西北及东南部分地区;针对不同气候指标的标准化系数对比可知,植被活动受水分控制作用较为显著的区域主要集中在北方地区以及青藏高原,温度的主导作用区域则分布在华东、华中及西南地区,其中年均最高气温对植被活动的主导区域范围最广;植被动态与气候变率的回归结果表明,中国东北、东部沿海等区域增温速率的升高会通过加剧干旱等机制对植被活动产生抑制作用,而黄土高原等地区水分变率对植被活动的强弱起到了重要的正向调节作用。  (2)中国植被活动时空变异的气候因子敏感性与贡献度  应用时间敏感性分析、累积斜率变化率比较以及地理探测器等方法,基于陆面模式(CoLM)对光合速率的模拟以及植被覆盖(NDVI)状况来表征植被活动时空变化,研究时空尺度上影响植被活动的气候变化的敏感性和贡献率。对植被动态而言,光合速率的减小对升温的敏感性较高的区域主要集中在中国东北部和中部地区,体现出气候对植被活动影响的非线性特征,但升温的贡献率随时间变化有所下降;北方和青藏高原大部分地区的植被活动过程对降水变化的敏感性较高,包括降水对植被活动过程中的直接作用和通过调节其它气候要素带来的间接影响,体现出植被活动对气候交互作用的响应特征,并且多数区域的降水贡献率随时间变化逐渐提高。对植被活动分布而言,降水变化是影响大多数地区植被活动格局的主导气候要素,北方部分地区和青藏高原的植被活动分布对水热要素的敏感程度都较高,尤其是对于降水量相差100mm以上区域,植被活动格局的差异性最为显著。而水热要素对亚热带/热带地区植被动态与空间分布的贡献程度相对较低,敏感性程度也相对较弱。  (3)融合敏感性与适应性的植被活动响应气候变化脆弱性  通过对脆弱性内涵的进一步解析,剥离出敏感性和适应性两部分重要内容,并将两者量化后进行综合集成,构建一个基于响应过程的生态系统对气候变化脆弱性的定量评估体系。该方法强调了生态系统适应性在脆弱性评估研究中的重要作用,应用于中国生态系统(NPP)对气候变化脆弱性的评估结果表明:从过去到未来的70年时段内(1981-2050年),中国将有近三成的陆地生态系统对气候变化产生脆弱性,其中以草地和荒漠生态系统最为严重,主要分布在天山和内蒙古高原地区;对气温和降水的敏感性和适应性的作用效果和贡献大小的不同导致了中国生态系统脆弱带的区域性差异,例如黄土高原西北部等地区升温的不利影响较大,对气温的高敏感性是生态系统脆弱性的主因,而东南部的脆弱性主要是受生态系统对降水变化的适应性影响。  (4)未来30年中国植被活动对气候变化的响应特征  未来30年(2021-2050年,RCP4.5情景)气候变化对中国植被活动(NPP)影响的空间分布与动态特征的结果表明,北方地区生态系统对气候变化的脆弱性区域较过去30多年相比有所增加,且对降水的脆弱性水平要高于气温;随着水热特征的变化,西北等一些地区影响植被活动分布的主导气候因子产生变化,东北地区甚至出现与过去相反的气候-植被关系,而植被活动对降水的响应格局将表现出向南移动的趋势;青藏高原植被活动的增强以及中东部地区植被活动减弱的现象表明,虽然增温速率过高将会对植被活动产生抑制作用,但降水变率可能会改变植被所需的水热条件从而起到调节作用;中国北方大部分地区的植被活动可能对干旱条件逐渐适应,但南方多数地区仍将继续受到水分减少的抑制作用。  总之,从时空维度的动态性和异质性,以及集成非线性与多要素协同效应的脆弱性,系统开展植被活动对气候变化响应的复杂特征研究,不仅继承与丰富了地理学和生态学的学术传统,而且对于全面深入地掌握中国自然生态系统响应不同气候要素的变化,并明确国家尺度生态效应具有显著贡献,以期可为区域可持续发展与科学应对气候变化提供科技支撑。
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