黄土高原植被恢复成效评估与气候变化及干旱的时滞效应

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植被承载着全球陆地生态系统50%以上的碳储量,成为陆地上的重要碳库,并在全球陆地碳循环过程中具有重要作用。然而,在全球气候暖干化及负面人类活动(对地区环境造成负面影响的人类活动)的影响下,植被退化严重,进而制约着陆地生态系统的碳循环过程及植被生态服务价值的供给。长期以来,得益于我国退耕还林还草工程,黄土高原地区的植被在物种组成、盖度结构与性状特征等方面都有了极大地提高。而近年来,随着大规模植被恢复重建,则出现了植被过度恢复或植被覆盖度接近可利用水资源上限等问题,对植被的可持续性造成威胁。因此,定量评估复杂的气候变化背景下黄土高原植被恢复成效及其驱动因素响应,对于黄土高原生态环境的改善及未来恢复政策的制订具有重要意义。本研究以黄土高原植被覆被为研究对象,以2000-2015年近16年的时间序列为研究期限,基于趋势分析从年尺度、季节尺度系统分析2000-2015年黄土高原植被分布及干旱时空动态格局;基于NDVI数据及气温、降水数据,采用偏相关分析和皮尔逊相关分析计算不同时空尺度下黄土高原NDVI(归一化植被指数Normalized Difference Vegetation Index)与SPEI(标准化降水蒸散指数Standardized Precipitation Evapotra nspiration Index)及气候因子的相关性,探究黄土高原植被生态系统对干旱及气候因子的响应机制;以气候因子为输入构建模型估算黄土高原潜在NDVI,采用残差分析法评估人类活动对黄土高原植被动态的影响;基于一元线性回归分析的方法定量分析黄土高原植被对不同气候因子的滞后效应。研究结果表明:(1)黄土高原NDVI由西北向东南呈递增趋势,具有明显空间异质性分布特征。16年间NDVI呈显著增加趋势,平均递增速率0.0102/a,波动范围介于0.54-0.71之间;2000-2015年间,黄土高原SPEI整体呈现显著的增长趋势(R~2=0.05,P<0.05),平均增长速率为0.128。(2)黄土高原NDVI变化趋势与降水有较强相关性,两者偏相关系数为0.53。黄土高原植被呈显著增加趋势的区域占总体面积的77.54%,不同季节与区域对降水和气温的响应差异明显,总体上降水对植被的影响大于温度;黄土高原大部分植被受干旱影响,主要分布在黄土高原中部地区和西北部地区;黄土高原不同植被类型与SPEI相关分析表明,黄土高原农田、镶嵌草地、灌木、草地、镶嵌林地、常绿阔叶、落叶阔叶、常绿针叶、落叶针叶和其他十种植被类型NDVI与干旱均呈正相关(P<0.05)。说明利用SPEI来反映的气候干旱条件与植被覆盖是有一定联系的。(3)黄土高原不同季节NDVI均呈整体增长趋势,春季NDVI与降水呈显著正相关关系,降水是决定春季所有植被类型覆盖变化的最直接因素。夏季所有植被类型NDVI与气温和降水的响应均不显著,夏季NDVI对春季降水的滞后效应较显著(P<0.05)。(4)残差分析表明,人类活动对黄土高原NDVI的波动影响较大,是黄土高原植被覆盖变化的重要驱动因素。(5)黄土高原植被覆被与降水的时滞效应在黄土高原大部分地区NDVI与当月降水的相关性最大,没有表现出明显的滞后效应。温度、干旱与NDVI均具有时间尺度不同的滞后。
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