研究气候变化背景下植被变化趋势及其与水热因子的关系, 对于黄河源区的生态恢复和生态建设具有重要意义。采用基于FAO Penman-Monteith的降水蒸散比来描述区域的干湿状况, 划分了黄河上游地区的干湿气候区。在此基础上, 利用AVHRR归一化植被指数(NDVI)和GLOPEM净初级生产力(NPP)数据集和同期的气候资料, 分析了黄河上游植被覆盖、植被生产力和气候变化的趋势, 探讨了不同干湿气候区影响植被变化的主要气候因子。结果表明, 研究区域东南部为半湿润气候区, 其余为半干旱气候区, 干湿气候分界线与450 mm降水等值线较接近; 1981-2006年区域气候趋于干暖化, 尤其是气温的升高趋势明显; 半湿润地区NDVI和NPP显著增加, 半干旱地区略有增加; 半湿润地区的NDVI多与气温显著正相关, 与降水量的相关性较弱, 气温是植被生长的主要气候制约因素; 半干旱地区的NDVI则与降水量的正相关性更强, 对降水量的变化较为敏感。NPP对气候变化的响应模式与NDVI相似。植被对气候变化的响应部分依赖于研究区域所具备的水热条件, 干湿气候划分有助于更好地解释植被对气候变化响应的空间差异。
Aims Precipitation and temperature are considered the limiting factors to vegetation growth in arid and cold areas, respectively. Our objective was to study the trends in vegetation cover and productivity and their relationships with prevailing hydrothermal factors in order to better understand climatic constraints on regional vegetation dynamics. Methods We zoned dry and wet climates using daily meteorological data from 1959 to 2008 at 16 locations in the headwaters of the Yellow River Basin to calculate the ratio of precipitation to evapotranspiration estimated with the FAO Penman-Monteith model. Based on this zoning, the temporal dynamics of vegetation and changes in climate were analyzed using the normalized difference vegetation index (NDVI) obtained from the NASA AVHRR sensor (1982-2006) and the GLOPEM net primary productivity (NPP) (1981-2000) and corresponding annual meteorological data. Then we developed the relationships between NDVI and NPP and climatic factors. Important findings The region studied is semi-humid in the southeast and semi-arid elsewhere, with a boundary nearly matching the 450 mm rainfall contour. The weather became wetter and especially warmer in most parts of the region during 1981-2006. The regional average NDVI and NPP markedly increased in semi-humid areas and slightly increased in semi-arid areas. Overall, NDVI had a significantly positive correlation with mean annual air temperature and a mainly negative correlation with mean annual precipitation in most semi-humid areas. The most important factor influencing NDVI was heat. In contrast, the key climatic factor affecting vegetation changes in the semi-arid areas was water, the relationship between NDVI and precipitation was strong and vegetation was more sensitive to changes in precipitation. The impact of climate change on NPP was similar to that on NDVI. Findings suggest that the responses of vegetation to climate change depend in part on the hydrothermal conditions of the region, and the zoning of dry and wet climate illustrates the spatial difference of vegetation feedback to climate change.
全 文 :植物生态学报 2011, 35 (11): 1192–1201 doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01192
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
——————————————————
收稿日期Received: 2011-05-25 接受日期Accepted: 2011-08-01
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: dujq@craes.org.cn)
黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应
杜加强* 舒俭民 张林波 郭 杨
中国环境科学研究院, 北京 100012
摘 要 研究气候变化背景下植被变化趋势及其与水热因子的关系, 对于黄河源区的生态恢复和生态建设具有重要意义。采
用基于FAO Penman-Monteith的降水蒸散比来描述区域的干湿状况, 划分了黄河上游地区的干湿气候区。在此基础上, 利用
AVHRR归一化植被指数(NDVI)和GLOPEM净初级生产力(NPP)数据集和同期的气候资料, 分析了黄河上游植被覆盖、植被生
产力和气候变化的趋势, 探讨了不同干湿气候区影响植被变化的主要气候因子。结果表明, 研究区域东南部为半湿润气候区,
其余为半干旱气候区, 干湿气候分界线与450 mm降水等值线较接近; 1981–2006年区域气候趋于干暖化, 尤其是气温的升高
趋势明显; 半湿润地区NDVI和NPP显著增加, 半干旱地区略有增加; 半湿润地区的NDVI多与气温显著正相关, 与降水量的
相关性较弱, 气温是植被生长的主要气候制约因素; 半干旱地区的NDVI则与降水量的正相关性更强, 对降水量的变化较为
敏感。NPP对气候变化的响应模式与NDVI相似。植被对气候变化的响应部分依赖于研究区域所具备的水热条件, 干湿气候划
分有助于更好地解释植被对气候变化响应的空间差异。
关键词 相关分析, 归一化植被指数, 净初级生产力, 降水量, 干湿气候划分, 气温
Responses of vegetation to climate change in the headwaters of China’s Yellow River Basin
based on zoning of dry and wet climate
DU Jia-Qiang*, SHU Jian-Min, ZHANG Lin-Bo, and GUO Yang
Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract
Aims Precipitation and temperature are considered the limiting factors to vegetation growth in arid and cold
areas, respectively. Our objective was to study the trends in vegetation cover and productivity and their
relationships with prevailing hydrothermal factors in order to better understand climatic constraints on regional
vegetation dynamics.
Methods We zoned dry and wet climates using daily meteorological data from 1959 to 2008 at 16 locations in
the headwaters of the Yellow River Basin to calculate the ratio of precipitation to evapotranspiration estimated
with the FAO Penman-Monteith model. Based on this zoning, the temporal dynamics of vegetation and changes in
climate were analyzed using the normalized difference vegetation index (NDVI) obtained from the NASA
AVHRR sensor (1982–2006) and the GLOPEM net primary productivity (NPP) (1981–2000) and corresponding
annual meteorological data. Then we developed the relationships between NDVI and NPP and climatic factors.
Important findings The region studied is semi-humid in the southeast and semi-arid elsewhere, with a boundary
nearly matching the 450 mm rainfall contour. The weather became wetter and especially warmer in most parts of
the region during 1981–2006. The regional average NDVI and NPP markedly increased in semi-humid areas and
slightly increased in semi-arid areas. Overall, NDVI had a significantly positive correlation with mean annual air
temperature and a mainly negative correlation with mean annual precipitation in most semi-humid areas. The most
important factor influencing NDVI was heat. In contrast, the key climatic factor affecting vegetation changes in
the semi-arid areas was water, the relationship between NDVI and precipitation was strong and vegetation was
more sensitive to changes in precipitation. The impact of climate change on NPP was similar to that on NDVI.
Findings suggest that the responses of vegetation to climate change depend in part on the hydrothermal conditions
of the region, and the zoning of dry and wet climate illustrates the spatial difference of vegetation feedback to
climate change.
Key words correlation analysis, NDVI, NPP, precipitation, regionalization of dry and wet climate, air temperature
杜加强等: 黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应 1193
doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01192
陆地生态系统对全球变化的响应, 特别是地表
植被对气候变化的响应是现今生态学领域研究的热
点问题。不同水分条件下, 植被对气候变化的响应
可能不同(宋怡和马明国, 2008; Wang et al., 2008)。
归一化植被指数(NDVI)是应用最广泛的陆地植被覆
盖表征指标(孙红雨等, 1998; Wang et al., 2003); 植
被的净初级生产力(NPP)则是陆地生态系统物质与
能量运转研究的基础, 反映了陆地生态系统碳吸收
的能力(张杰等, 2006)。NDVI和NPP是反映植被生长
状态的不同因子, 都可以相对完整地反映植被的生
长状态(Wang et al., 2008), NPP还能提供植被净初
级生产力的定量表述。
黄河上游地区, 特别是黄河源区, 是黄河流域
最重要的产流区, 占黄河流域水资源总量的49%
(李轶冰等, 2006), 占三江源区总径流量的42%, 对
我国北方地区的生态安全、水安全有着重要的作用。
2000年以来, 通过统一调度, 黄河下游干流不再断
流, 但水资源的供需矛盾仍然十分突出。黄河上游
地区的气候、植被变化成为广大学者关注的焦点。
杨建平等(2005)研究发现, 黄河源区1982–2001年
NDVI略有增加, 扎陵湖、鄂陵湖周边减少幅度较大;
徐兴奎等(2008)采用叶面积指数表征植被覆盖, 对
1982–2000年青藏高原植被覆盖状况的研究结果表
明, 黄河源区植被覆盖以减少趋势为主, 气温升高
与降水略有减少是主要原因; 王军邦等(2009)的研
究显示, 黄河源区1988–2004年的NPP主要表现为
降低趋势, 气候的干暖化是原因之一。陶波等(2006)
采用CEVSA模型计算了1981–2000年中国的净生态
系统生产力(NEP)变化, 结果显示青海省东部以减
少趋势为主, 黄河源区其他区域则变化不显著; 柳
媛普等(2007)通过对1981–2000年7月份NDVI的研究
表明, 玛多县和黄河源区东北部植被覆盖较差, 而
达日县及源区东南部植被覆盖较好; 宋怡和马明国
(2008)采用季节合成NDVI计算显示, 黄河上游地区
1982–2003年的植被覆盖主要以增加趋势为主。由此
可见, 由于研究区域、方法和时间段的差异, 不同研
究的结果有所不同; 同时, 与干湿气候划分相结合
的研究也较少。本文在进行黄河上游地区干湿气候
划分的基础上, 采用时间序列更长的NDVI数据和
NPP数据来综合描述植被变化, 研究不同干湿气候
区的植被变化及其对气候变化的响应, 分析不同干
湿条件下影响植被覆盖、生产力特征的主要气候驱
动因子。研究区域是黄河流域的重要水源供给区,
包括多处三江源自然保护区的核心区, 区域生态环
境是否可持续发展, 将影响到包括黄河中下游广大
地区在内的整个黄河流域。
1 数据和研究方法
1.1 数据来源
NDVI数据来自NASA戈达德航天中心GIMMS
组(global inventory modeling and mapping studies,
GIMMS)数据集, 资料时间跨度为1982年1月–2006
年12月, 空间分辨率为8 km, 时间分辨率是15天,
合成方法为通用的最大化合成法。GIMMS NDVI数
据具有较高的精度和质量(Tucker et al., 2005), 保障
了数据的有效性。1981–2000年的全球生产效率模型
GLOPEM (global production efficiency model) NPP
数据来源于美国马里兰大学(Prince & Small, 1997),
数据空间分辨率为8 km, 时间分辨率为10天。
GLOPEM NPP被认为是当前区域NPP估算最为精
确的数据集之一(刘海桂等, 2007), 计算过程实现全
遥感化, 不使用地面观测数据(Goetz et al., 2000),
与气候数据不存在直接或间接的关系, 因而不会影
响进一步的相关分析。GIMMS NDVI和GLOPEM
NPP数据同时具有时空上的连续性, 得到了广泛的
关注和大量应用, GLOPEM NPP还被证明符合中国
植被季节变化规律和季风气候下的植被空间变化规
律(高志强和刘纪远, 2008)。气象资料来源于中国气
象科学数据服务网, 选用研究区域内16个气象站点
和区域周边50 km内12个站点的逐日资料, 包括:
平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、风速、
相对湿度和降水量。
1.2 研究区域概况
本文研究区域包括黄河流域民和以上集水区
域, 面积17.91万km2, 地理位置为95.33°–103.54° E,
31.61°–38.67° N, 行政区划涉及玉树、果洛、海南、
黄南、海北四个藏族自治州, 西宁市、海东地区, 四
川省红原县、若尔盖县, 以及甘肃省玛曲县。该地区
位于青藏高原腹地和东缘, 研究区域的西部具有青
藏高原的典型特征, 而东部则具有黄土高原的部分
特征。由于深居欧亚大陆腹地, 受季风和高原天气系
统的共同影响, 加之地形、海拔等因素复杂, 区域形
成了多样的气候特征, 气候差异显著, 适于开展气候
变化背景下不同干湿气候区植被变化的响应研究。
1194 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (11): 1192–1201
www.plant-ecology.com
研究区域属于生态环境脆弱区, 年平均气温为
–15–10 , ℃ 降水量为250–760 mm; 区域地形复杂,
地势总体上西高东低, 西部玛多县等地海拔在4 200
m以上。由于自然条件严酷, 气候恶劣, 研究区域生
态系统结构相对简单, 以草地生态系统为主, 系统
内物质、能量和信息流动缓慢, 生态系统十分脆弱
和敏感。
1.3 数据处理与研究方法
干湿气候的划分, 有利于区分不同水分条件下
植被对气候变化响应的空间差异。尽管目前尚无公
认的干湿气候表征指标, 但降水蒸散比方法应用较
为广泛(杨建平等, 2002; 王菱等, 2004; 刘波和马柱
国 , 2007; 毛飞等 , 2008), 而降水量与基于FAO
Penman-Monteith方法的参考作物蒸散量之比已被
证明适用于青藏高原地区(毛飞等, 2008), 因此本文
以此方法划分研究区域干湿气候界线, 参考作物蒸
散量采用FAO推荐的计算方法(Allen et al., 1998),
计算的时间步长为每日。该方法综合考虑了气温、
太阳辐射、湿度、风速以及海拔等因素的影响, 能
更加客观真实地反映实际气候的干湿状况(刘波和
马柱国, 2007)。参考相关研究(杨建平等, 2002; 毛飞
等, 2008), 采用0.2、0.5和1.0作为干旱、半干旱、半
湿润和湿润的界限值。
采用通用的最大值合成法 (maximum value
composites, MVC)对NDVI的半月数据进行最大化处
理, 进一步消除云、大气、太阳高度角等因素的干扰,
获得最大化的月NDVI, 采用生长季平均(4–10月)来
表征年尺度的NDVI; 采用求和的方法得到年NPP。
气候因子采用反距离权重 (inverse distance
weighting, IDW)方法进行空间插值, 日平均气温、
最低气温、最高气温在插值过程中还考虑了海拔的
影响(宋怡和马明国, 2008)。为了定量描述气候要素
和NDVI、NPP的变化趋势, 分别采用气候倾向率和
线性回归系数来表征气候和植被要素的变化趋势;
采用要素与年份的相关系数来确定变化是否显著
(李英年等, 2008)。利用NDVI和NPP与气候因子的线
性相关系数判断植被变化与气候因子作用关系的性
质和强度, 以p < 0.05为是否显著相关的判别标准。
2 研究结果
2.1 干湿气候划分
1959–2008年50年平均的干湿气候划分结果见
图1。研究区域干湿指数的数值范围为0.18–0.83, 地
域性特点较为明显, 除贵德县附近较小区域为干旱
气候区外, 其余地区基本位于半干旱、半湿润地区,
半湿润地区则除门源县附近的较小地块外, 主要分
布在研究区域的东南部、玛多县南部, 分界线以泽
库-玛沁连线为主, 其余地区均为半干旱地区。半干
旱地区占区域面积的54.5%, 半湿润地区占45.3%。
半干旱、半湿润地区的分界线与450 mm的降水等值
线比较接近, 大体走势基本一致。
2.2 气候变化趋势
图2是研究区域1981–2006年气温和降水量的年
际变化趋势及其显著性。研究区域的气温除西宁市
附近较小范围略有下降趋势外, 其余地区均呈显著
增加趋势; 显著性水平p < 0.05的区域比例高达
98.1%, p < 0.01的面积比例也高达95.6%, 表明气温
整体呈快速增加趋势, 增温率达0.42 ·10℃ a–1。研究
区域87.6%的地区降水量呈减少趋势, 广泛分布在
中部和南部, 尤其是东南部部分地区减少幅度普遍
相对较大, 显著减少的地区位于达日县、玛沁县和
久治县之间; 西宁市、海东等地区降水量呈增加趋
势, 显著增加的趋势出现在西宁市附近。研究区域
气候变化以干暖化趋势为主, 东南部地区较为明显,
冷湿化趋势仅出现在西宁市及其周边较小范围内。
2.3 植被年际变化趋势
半干旱地区和半湿润地区的NDVI和NPP的变
化趋势见图3。1982–2006年, 半干旱地区的NDVI呈
明显增加趋势(r = 0.40, p < 0.05), 增加量为0.000 6·
a–1; 半湿润地区的增加趋势更加显著(r = 0.72, p
< 0.01), 增加量达到0.001 6·a–1。1981–2000年, 半干
旱地区的NPP略有增加, 每年平均增加1.71 g C·m–2;
半湿润地区则呈显著增加趋势(r = 0.51, p < 0.05),
增加量为3.25 g C·m–2·a–1。半干旱地区与半湿润地区
区域平均的年NDVI、NPP的相关性较强(r = 0.75, p
< 0.01; r = 0.81, p < 0.01), 表明干湿地区的植被总
体变化趋势基本一致。1987年后, NDVI和NPP的变
化较为剧烈, 且半湿润地区的NDVI和NPP一般高于
半干旱地区(图3)。
NDVI和NPP变化趋势的空间差异较大(图4)。半
干旱地区的NDVI呈减少趋势的区域相对较多, 显
著减少的区域则主要位于玛多县境内和龙羊峡水库
周围, 面积占3.5%; 显著增加的区域较少, 仅占
24.6%, 且主要集中在干湿界线附近以及大通河上
杜加强等: 黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应 1195
doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01192
图1 研究区域干湿指数和降水等值线分布。
Fig. 1 Distribution of the dry and wet index and precipitation contours in study area.
游地区。半湿润地区的线性回归系数以正值为主,
占区域总面积的92.9%, 显著增加的面积也达到
61.9%。NPP在不同干湿条件下的变化模式总体与
NDVI类似, 半湿润地区有95.3%的区域呈增加趋势,
显著增加面积的比例为31.5%; 半干旱地区NPP显
著增加的区域仅占15.4%。
2.4 植被变化与气候因子的关系
在不同干湿气候区, NDVI对气温、降水量变化
的响应存在明显差异(图5)。半湿润地区NDVI与气温
总体上呈正相关, 正相关比例达到94.7%, 显著性
水平达到0.05的区域也占到48.8%; 半干旱地区也
多呈正相关, 比例达到72.0%, 但显著正相关的区
域较小, 负相关的区域则主要集中在玛多县、兴海
与共和等地区。半湿润地区NDVI与降水量以负相关
为主, 比例达到74.0%; 半干旱地区多呈正相关, 比
例为59.2%。
不同干湿条件下NPP对气候变化的响应与
NDVI相似。NPP与气温的相关性以正相关为主, 半
干旱地区显著正相关比例小于半湿润地区, 分别为
18.9%和30.1%, 主要分布在半干旱、半湿润分界线
附近; 负相关的区域较少, 分布也较为分散。NPP
与降水量的相关性则具有显著的空间分异性, 半湿
润地区以负相关为主, 而半干旱地区则以正相关为
主, 正相关比例达到了72.4%。
3 讨论
本研究得到的干湿分界线与有关研究结果(毛
飞等, 2008)基本一致。传统上认为400 mm降水等值
线是我国半干旱、半湿润地区的分界线(王菱等,
2004), 而本研究的干湿分界线则与450 mm降水等
值线相近, 这可能与研究区域特殊的高寒气候有关,
也部分地表明采用基于FAO Penman-Monteith方法
的降水蒸散比作为本研究区域的干湿指标具有一定
的适用性。
气候变暖是近100年来气候变化的最显著特征
(丁一汇等, 2006; 宋怡和马明国, 2008)。我国的地表
气温增加速率高于全球或北半球同期水平(任国玉
等, 2005; 丁一汇等, 2006)。研究区域1981–2006年
的变暖趋势高于我国平均水平, 也高于近40年来黄
河源区、三江源区的气温变幅(任国玉等, 2005; 汪
青青等, 2007)。西宁市附近气温略有降低与1995年
西宁气象站由市区搬迁到郊区有关, 1995年前后西
1196 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (11): 1192–1201
www.plant-ecology.com
图2 研究区域1981–2006年年平均气温(上)和降水量(下)的变化趋势(左)及其与年份相关系数的显著性水平(右)。
Fig. 2 Trend (left) of mean annual air temperature (top) and precipitation (bottom) and its significance level (right) with the year
during 1981–2006.
宁气象站的多年平均气温下降了0.64 ℃。若考虑西
宁城郊1.7 ℃的温差(王田寿, 2007), 则西宁气象站
的倾向率应为0.83 ·10℃ a–1, 而不是–0.15 ·10℃
a–1。这表明, 1981–2006年期间, 研究区域的气温普
遍快速升高。气温的快速、大范围升高, 必将对植
被生长产生影响。半湿润地区近半区域的NDVI与气
温呈显著正相关的现象表明, 气温升高明显促进了
植被覆盖度的提高, 因而气温是半湿润地区NDVI
的突出限制性因素。究其原因, 一方面是由于温度
适度升高有利于植物生理活动的加强, 另一方面是
由于研究区域多位于高寒地区, 热量相对缺乏(杨
元合和朴世龙, 2006)。而半干旱地区植被NDVI对气
温升高的响应则相对较为复杂, 尽管多呈正相关,
但呈负相关的区域亦大范围存在(图5左)。半干旱地
区的东部, 特别是黄河和湟水河河谷地带, 是研究
区域海拔较低、热量相对较为丰富的地区, 对气温
升高的敏感性相对较小。NPP在不同干湿地区对气
温升高的响应与NDVI相似, 但空间差异没有NDVI
明显, 主要是由于GLOPEM模型考虑了除气温外的
多项气候因子(Prince & Small, 1997), 以及NPP数
杜加强等: 黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应 1197
doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01192
图3 研究区域归一化植被指数 (NDVI)和净初级生产力
(NPP)的年际变化。
Fig. 3 Interannual changes of normalized difference vegeta-
tion index (NDVI) and annual net primary productivity (NPP)
in study area.
据时间序列长度较NDVI数据短等原因。
研究区域降水量除西宁市和海东地区外多呈
减少趋势, 表明该区域存在干旱化趋势。西宁市和
海东地区降水量增加与西宁气象站的迁址以及该
区域1997年开始实施的人工增雨措施有关(李轶冰
等, 2006), 1995和1997年前后西宁气象站的多年平
均降水量分别增加了49.13 mm和51.16 mm。研究区
域不同干湿地区对气候干旱化趋势的响应明显不
同, 半干旱地区的NDVI和NPP与降水量多呈正相
关, 而半湿润地区则以负相关为主(图5右和图6右)。
特别是西宁市附近和贵德县、尖扎县等中部地带(干
湿指数最小, 较为干旱的地区), NDVI与降水量呈显
著正相关, 表明降水量的增加或减少与NDVI变化
关系密切, NDVI对降水量变化的敏感性较高, 且呈
与降水量相同的同向变化。半湿润地区NDVI与降水
量以负相关为主, 而该区域降水量在研究时段内呈
普遍减少的趋势, 尤其是东南部的久治县、红原县
等地区, 降水量减少趋势明显(图2右), 但NDVI与
NPP却呈显著增加的趋势, 表明降水量不是该区域
植被生长的主要限制性因素。
该研究区域的降水主要来源于印度洋孟加拉
湾和西太平洋暖湿气流带来的水汽 (董晓辉等 ,
2007; 柳媛普等, 2007; 孙卫国等, 2009), 受季风影
响和地形的作用, 形成了降水量由东南向西北方向
逐渐减少的分布格局。降水量的水平地带性分布和
气温等热量因子的垂直地带性分布以及降水量空
间变化幅度较大等原因, 使得该研究区域的干湿指
数呈从东南向西北明显减少的水平地带性分布。
FAO Penman-Monteith方法是基于能量平衡和水汽
扩散理论提出的(Allen et al., 1998), 计算得到的参
考作物蒸散量已经考虑了地表热量状况。由此可知,
本文计算得到的干湿指数不仅代表了区域的干湿
情况 , 同时也综合表示了热力条件 (靳立亚等 ,
2004), 干湿气候的划分实际上是对区域水热条件
的综合分类。热量和水分作为植物一切活动的基
础、能量来源和基本组成成分, 是植被生长的决定
性因素(方精云, 1991; 高大伟等, 2010), 因此, 不
同干湿气候区植被对水分和热量因子变化的敏感
程度可能不同。对于半干旱地区, 水分相对较为缺
乏、热量相对充足, 因此, 降水量显著增加区域(西
宁市附近)和较干旱地区(贵德县附近) NDVI与降水
量的显著正相关, 表明降水量适度增加或减少, 将
显著地影响植被覆盖状况。对于半湿润地区, 水分
相对丰富, 热量相对缺乏, 因此气温升高有利于区
域NDVI和NPP的增加; 降水量的减少则使得云量
减少、入射辐射增加(宋怡和马明国, 2008), 增加了
区域有限的热量, 间接有利于植被生长。
需要指出的是, NDVI、NPP与气温和降水量呈
显著负相关的区域非常少, 表明水热增加直接抑制
NDVI、NPP增加的可能性较低; 特别是与气温多呈
正相关, 与研究区域大部分位于高寒地区、气温寒
冷且持续时间长有关(孙卫国等, 2009)。无论是半干
旱地区还是半湿润地区, 气温均呈普遍增加趋势。
半干旱地区气温与NDVI呈负相关, 并不是由于气
温上升本身对植被生长的影响, 而是由于气温升高
造成的蒸散量增大、土壤表层含水量降低等原因(信
保忠等, 2007; 陈效逑和郑婷, 2008; 宋怡和马明国,
2008), 潜在地加剧了降水缺乏区域水分的不足, 造
成植被覆盖度呈减少趋势。因此, 气候干暖化趋势
显著促进了半湿润地区植被的生长, 而部分地抑制
了半干旱地区植被的生长。区域生态保护与建设工
程应充分考虑气候变化背景下植被生长的主要制
约因素。
综上所述, 研究区域不同干湿气候区植被生长
的主要制约因子不同。在水分相对充足的半湿润地
区, 热量是植被生长的主要限制性因素, 温度的适
当升高能够促进植被的生长, 而植被对降水量变化
1198 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (11): 1192–1201
www.plant-ecology.com
图4 归一化植被指数(NDVI) (上)和净初级生产力(NPP) (下)的变化趋势(左)及其与年份相关系数的显著性水平(右)。
Fig. 4 Trend (left) of normalized difference vegetation index (NDVI) (top) and annual net primary productivity (NPP) (bottom)
changes and its significance level (right) with the year.
的敏感性不强, 降水量的减少未对植被生长产生明
显影响; 在水分不足的半干旱地区, 水分条件是主
要的限制性因素, 降水量增加或减少能够促进或抑
制植被的生长, 而温度的快速升高则间接抑制植被
的生长。本文的研究结果与众多研究结论一致(信保
忠等, 2007; 陈效逑和郑婷, 2008), 即植被对气候变
化的敏感性及其响应部分地依赖于区域本身所具
备的水热条件。因此, 在研究气候变化对陆地植被
的影响时, 首先分析区域的干湿气候划分对于更清
晰地解释植被对气候变化响应的空间差异性具有
重要作用。
4 结论
本文在干湿气候划分的基础上, 主要研究了气
候变化对黄河民和以上集水区域NDVI、NPP的影
响, 通过分析NDVI和NPP的变化规律、气候变化趋
势以及两者之间的关系, 获得了以下结论:
(1)研究区域基本位于半干旱、半湿润气候区,
分界线以泽库-玛沁连线为主, 与450 mm降水等值
线较为接近, 东南部为半湿润气候区, 其余地区主
要为半干旱地区。研究区域1981–2006年的气候变
化以干暖化趋势为主, 气温升高趋势显著、普遍,
杜加强等: 黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应 1199
doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01192
图5 研究区域归一化植被指数(NDVI)与气温(左)和降水量(右)的相关关系。
Fig. 5 Relationships between normalized difference vegetation index (NDVI) and mean annual air temperature (left) and precipita-
tion (right) in study area.
图6 研究区域净初级生产力(NPP)与气温(左)和降水量(右)的相关关系。
Fig. 6 Relationships between net primary productivity (NPP) and mean annual air temperature (left) and precipitation (right) in
study area.
冷湿化区域仅位于西宁市及其周边地区。
(2)研究时段内半干旱地区和半湿润地区的
NDVI、NPP均呈增加趋势, 半湿润地区的增加趋势
更加显著; 空间分布上, 半干旱地区显著增加的区
域主要位于干湿分界线附近, 而半湿润地区显著增
加的趋势相对较为普遍。
(3)在研究区域水分相对充足的半湿润地区, 气
温是植被生长的主要制约因素, 植被对热量因子的
变化更敏感, 而降水量略有减少间接促进了植被生
长; 在水分不足的半干旱地区, 降水量是植被生长
1200 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (11): 1192–1201
www.plant-ecology.com
的限制性因子, 植被对降水量变化更为敏感。
(4)植被对气候变化的响应部分地依赖于研究
区域自身所具备的水热条件, 在气候变化与植被生
长关系研究中进行干湿气候划分有助于对研究结
果的阐释。
致谢 国家自然科学基金(41001055)和中国环境科
学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专
项(2009KYYW10)资助。感谢美国马里兰大学提供
GLOPEM NPP数据集。
参考文献
Allen RG, Pereira LS, Raes D, Smith M (1998). Crop
Evapotranspiration-guidelines for Computing Crop Water
Requirements. Food and Agriculture Organization of
United Nation, Rome.
Chen XQ (陈效逑), Zheng T (郑婷) (2008). Spatial patterns of
aboveground biomass and its climatic attributions in typi-
cal steppe of Inner Mongolia. Scientia Geographica Sinica
(地理科学), 28, 369–374. (in Chinese with English ab-
stract)
Ding YH (丁一汇), Ren GY (任国玉), Shi GY (石广玉), Gong
P (宫鹏), Zheng XH (郑循华), Zhai PM (翟盘茂), Zhang
DE (张德二), Zhao ZC (赵宗慈), Wang SW (王绍武),
Wang HJ (王会军), Luo Y (罗勇), Chen DL (陈德亮),
Gao XJ (高学杰), Dai XS (戴晓苏) (2006). National as-
sessment report of climate change (I): climate change in
China and its future trend. Advances in Climate Change
Research (气候变化研究进展), 2, 3–8. (in Chinese with
English abstract)
Dong XH (董晓辉), Yao ZJ (姚治君), Chen CY (陈传友)
(2007). Runoff variation and responses to precipitation in
the source regions of the Yellow River. Resources Science
(资源科学), 29, 67–73. (in Chinese with English abstract)
Fang JY (方精云) (1991). Ecoclimatological analysis of the
forest zones in China. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
11, 377–387. (in Chinese with English abstract)
Gao DW (高大伟), Zhang XW (张小伟), Cai JZ (蔡菊珍), He
Y (何月), Lin JZ (林建忠) (2010). Spatiotemporal varia-
tions of vegetation cover in Zhejiang Province and their
relations to eco-climatic indices. Chinese Journal of Ap-
plied Ecology (应用生态学报), 21, 1518–1522. (in Chi-
nese with English abstract)
Gao ZQ (高志强), Liu JY (刘纪远) (2008). Study on compari-
son of net primary productivity in China. Chinese Science
Bulletin (科学通报), 53, 317–326. (in Chinese)
Goetz SJ, Prince SD, Small J, Gleason ACR (2000). Inter an-
nual variability of global terrestrial primary production:
results of a model driven with satellite observations.
Journal of Geophysical Research, 105, 20077–20091.
Jin LY (靳立亚), Li J (李静), Wang X (王新), Chen FH (陈发
虎) (2004). The temporal and spatial distribution of sur-
face dry-wet conditions over northwestern China in recent
50 years. Acta Geographica Sinica (地理学报 ), 59,
847–854. (in Chinese with English abstract)
Li YB (李轶冰), Yang GH (杨改河), Wang DX (王得祥)
(2006). Dry and wet climatic changes in recent decades in
the source regions of Yangtze, Yellow and Lantcang Riv-
ers. Journal of Northwest Sci-Tech University of Agricul-
ture and Forestry (Natural Science Edition) (西北农林科
技大学学报(自然科学版)), 34, 73–77. (in Chinese with
English abstract)
Li YN (李英年), Zhao XQ (赵新全), Zhou HK (周华坤),
Wang SP (汪诗平) (2008). The dynamic features of eco-
system environment and plant productivity in the source
regions of the Changjiang River and Yellow River. Jour-
nal of Mountain Science (山地学报), 26, 678–683. (in
Chinese with English abstract)
Liu B (刘波), Ma ZG (马柱国) (2007). Area change of dry and
wet regions in China in the past 45 years. Arid Land Ge-
ography (干旱区地理), 30, 7–15. (in Chinese with Eng-
lish abstract)
Liu HG (刘海桂), Tang XL (唐旭利), Zhou GY (周国逸), Liu
SG (刘曙光) (2007). Spatial and temporal patterns of net
primary productivity in the duration of 1981–2000 in
Guangdong, China. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
27, 4065–4074. (in Chinese with English abstract)
Liu YP (柳媛普), Lü SH (吕世华), Li SS (李锁锁), Shang LY
(尚伦宇) (2007). Changes and relation analyses of climate
and vegetation in the source region of Yellow River in re-
cent several decade years. Plateau Meteorology (高原气
象), 26, 2045–2051. (in Chinese with English abstract)
Mao F (毛飞), Tang SH (唐世浩), Sun H (孙涵), Zhang JH (张
佳华) (2008). A study of dynamic change of dry and wet
climate regions in the Tibetan Plateau over the last 46
years. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (大气科
学), 32, 499–507. (in Chinese with English abstract)
Prince S, Small J (1997). Global Production Efficiency Model,
1997_npp_latlon. Department of Geography, University
of Maryland, College Park, Maryland.
Ren GY (任国玉), Guo J (郭军), Xu MZ (徐铭志), Chu ZY
(初子莹), Zhang L (张莉), Zou XK (邹旭凯), Li QX (李
庆祥), Liu XN (刘小宁) (2005). Climate changes of
杜加强等: 黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应 1201
doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01192
China’s mainland over the past half century. Acta Meteo-
rologica Sinica (气象学报), 63, 942–956. (in Chinese
with English abstract)
Song Y (宋怡), Ma MG (马明国) (2008). Variation of AVHRR
NDVI and its relationship with climate in Chinese arid and
cold regions. Journal of Remote Sensing (遥感学报), 12,
499–505. (in Chinese with English abstract)
Sun HY (孙红雨), Wang CY (王长耀), Niu Z (牛铮), Bukho-
sor (布和敖斯尔) (1998). Analysis of the vegetation cover
change and the relationship between NDVI and environ-
mental factors by using NOAA time series data. Journal
of Remote Sensing (遥感学报), 2, 204–210. (in Chinese
with English abstract)
Sun WG (孙卫国), Cheng BY (程炳岩), Li R (李荣) (2009).
Multitime scale correlations between runoff and regional
climate variations in the source region of the Yellow
River. Acta Geographica Sinica (地理学报), 64, 117–127.
(in Chinese with English abstract)
Tao B (陶波), Cao MK (曹明奎), Li KR (李克让), Gu FX (顾
峰雪), Ji JJ (季劲钧), Huang M (黄玫), Zhang LM (张雷
明) (2006). Spatial patterns and changes of terrestrial net
ecosystem productivity during 1981–2000 in China. Sci-
ence in China (Series D: Earth Sciences) (中国科学(D辑:
地球科学)), 36, 1131–1139. (in Chinese)
Tucker CJ, Pinzon JE, Brown ME, Slayback DA, Pak EW,
Mahoney R, Vermote EF, Saleous NE (2005). An ex-
tended AVHRR 8-km NDVI dataset compatible with
MODIS and SPOT vegetation NDVI data. International
Journal of Remote Sensing, 26, 4485–4498.
Wang J, Meng JJ, Cai YL (2008). Assessing vegetation dy-
namics impacted by climate change in the southwestern
karst region of China with AVHRR NDVI and AVHRR
NPP time-series. Environmental Geology, 54, 1185–1195.
Wang J, Rich PM, Price KP (2003). Temporal responses of
NDVI to precipitation and temperature in the central Great
Plains, USA. International Journal of Remote Sensing, 24,
2345–2364.
Wang JB (王军邦), Liu JY (刘纪远), Shao QQ (邵全琴), Liu
RG (刘荣高), Fan JW (樊江文), Chen ZQ (陈卓奇)
(2009). Spatial-temporal patterns of net primary produc-
tivity for 1988–2004 based on GLOPEM-CEVSA model
in the “Three-River Headwaters” region of Qinghai Prov-
ince, China. Chinese Journal of Plant Ecology (植物生态
学报), 33, 254–269. (in Chinese with English abstract)
Wang L (王菱), Xie XQ (谢贤群), Li YS (李运生), Tang DY
(唐登银) (2004). Changes of humid index and borderline
of wet and dry climate zone in northern China over the
past 40 years. Geographical Research (地理研究), 23,
45–54. (in Chinese with English abstract)
Wang QQ (汪青青), Qin NS (秦宁生), Tang HY (唐红玉),
Chen F (陈芳), Qi RY (祁如英) (2007). Study on climate
change facts and their characteristics in the Qinghai Pla-
teau in recent 44 years. Arid Zone Research (干旱区研
究), 24, 234–239. (in Chinese with English abstract)
Wang TS (王田寿) (2007). Variation of temperature difference
between proper and suburb in Xining. Journal of Qinghai
Meteorology (青海气象), 3, 23–25. (in Chinese with Eng-
lish abstract)
Xin ZB (信忠保), Xu JX (许炯心), Zheng W (郑伟) (2007).
Impact of climate change and human activities on vegeta-
tion cover in the loess plateau. Science in China (Series D:
Earth Sciences) (中国科学 (D辑 :地球科学 )), 37,
1504–1514. (in Chinese)
Xu XK (徐兴奎), Chen H (陈红), Levy JK (2008). Spatial-
temporal variation and genetic analysis of vegetation
cover characteristics in Tibetan Plateau under global
warming. Chinese Science Bulletin (科学通报 ), 53,
456–462. (in Chinese)
Yang JP (杨建平), Ding YJ (丁永建), Chen RS (陈仁升), Liu
LY (刘连友) (2002). The interdecadal fluctuation of dry
and wet climate boundaries in China in recent 50 years.
Acta Geographica Sinica (地理学报), 7, 655–661. (in
Chinese with English abstract)
Yang JP (杨建平), Ding YJ (丁永健), Chen RS (陈仁升)
(2005). NDVI reflection of alpine vegetation changes in
the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers. Acta
Geographica Sinica (地理学报), 60, 467–478. (in Chinese
with English abstract)
Yang YH (杨元合), Piao SL (朴世龙) (2006). Variations in
grassland vegetation cover in relation to climatic factors
on the Tibetan Plateau. Journal of Plant Ecology (Chinese
Version) (植物生态学报), 30, 1–8. (in Chinese with Eng-
lish abstract)
Zhang J (张杰), Pan XL (潘晓玲), Gao ZQ (高志强), Shi QD
(师庆东), Lü GH (吕光辉) (2006). Satellite estimates and
change detection of net primary productivity of oasis-
desert based on ecosystem process with remotely sensed
forcing in arid western China. Acta Geographica Sinica
(地理学报), 61, 15–25. (in Chinese with English abstract)
责任编委: 孙建新 责任编辑: 李 敏