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全球气候变化对陆地生态系统的影响是生态学和环境科学的研究热点。其中,全球变化型干旱,即干旱和高温的结合,预计将对植被生长和全球碳循环产生深刻的影响。植被物候对气候变化敏感,是了解植被生长对气候变化响应的重要生物学指标。气候变暖已经显著地提前了北半球植被春季物候开始的时间。这种由气候变化驱动的植被物候变化可以通过调节碳、水和能量交换对陆地生态系统的结构和功能产生重大影响。然而,季前干旱和变暖对不同植被类型春季物候的影响差异尚不清楚,探讨植被春季物候对季前干旱和变暖的响应对预测未来全球变化型干旱情景下植被物候变化具有重要意义。
本研究选取华北平原为研究区,基于1982~2015年GIMMSNDVI数据利用Spline-midpoint、HANTS-Maximum和Timesat-SG三种方法提取了华北平原生长季始期数据(the start of growing season,SOS),利用线性回归方法拟合了SOS的时间变化趋势。基于SPEI分析了季前干旱对华北平原植被春季物候的影响,并量化了森林、草地、小麦和其他农作物的干旱响应差异。然后,基于季前最低温(Tmin)、最高温(Tmax)和平均温(Tmean)对植被春季物候影响范围的结果,利用多元线性回归量化了森林、草地、小麦和其他农作物春季物候的温度敏感性差异。最后,为了探讨季前干旱与变暖对植被春季物候的耦合影响,在像元尺度将研究年份划分为高温干旱、高温无干旱、低温干旱和低温无干旱四种气候条件,综合比较了不同气候条件下SOS的差异。本研究主要结论如下:
(1)华北平原不同植被类型之间SOS提前趋势的大小存在差异。总体来看,1982~2015年华北平原超过81.7%的像元春季物候开始时间提前,平均变化速率为-0.5days/yr。农作物生长季开始时间的提前趋势大于自然植被,其中,小麦的SOS表现出最大的变化速率,然后依次是其他农作物、森林以及草地。
(2)华北平原SOS与季前SPEI主要呈负相关关系,表明频发的季前干旱可能会推迟植被春季物候开始的时间。华北平原各植被类型之间春季物候对季前干旱的响应具有差异。总的来说,季前干旱对自然植被SOS的影响大于农作物。小麦的SOS对季前干旱的抵抗力最强,其次是其他农作物、森林和草地。
(3)在华北平原,季前Tmin对SOS的影响大于Tmax和Tmean。华北平原不同植被类型的春季物候对季前Tmin的敏感性存在显著差异。整体来看,农作物的SOS对季前温度的敏感性高于自然植被。多元回归分析表明,季前Tmin每升高1℃可分别使小麦、其他农作物、森林和草原的SOS提前10.5、7.6、2.9、2.1天。
(4)华北平原在高温干旱年份的SOS显著晚于高温无干旱的年份,但其显著早于低温无干旱和低温干旱年份。考虑到季前干旱和变暖对春季物候的耦合影响,未来气候持续变暖将促使植被春季物候进一步提前,而频发的干旱可能会减缓这一趋势。
(5)华北平原植被春季物候对季前干旱的响应以及其温度敏感性沿湿度梯度呈非线性。这一非线性关系表明存在一个阈值,超过这个阈值,改善的湿度条件将不再有助于植被抵抗气候变化。
综上所述,华北平原不同植被类型之间SOS提前趋势的大小存在差异。草地的春季物候对干旱的抵抗力最小,未来频发的季前干旱可能会对草地春季物候产生更大范围的影响。小麦的春季物候对季前升温最敏感,这一结果强调了未来气候变化下提高小麦品种耐热性对粮食安全的必要性。在未来全球变化型干旱的情景下,持续的变暖将触发更早的春季植被展叶,但频率和强度增加的季前干旱可能会减缓这一趋势。本研究增进了对植被春季物候变化的理解,为物候模型中的植被对气候变化的特异性响应和非线性响应提供了科学依据,对监测陆地碳动态以及生态系统管理具有重要意义。
本研究选取华北平原为研究区,基于1982~2015年GIMMSNDVI数据利用Spline-midpoint、HANTS-Maximum和Timesat-SG三种方法提取了华北平原生长季始期数据(the start of growing season,SOS),利用线性回归方法拟合了SOS的时间变化趋势。基于SPEI分析了季前干旱对华北平原植被春季物候的影响,并量化了森林、草地、小麦和其他农作物的干旱响应差异。然后,基于季前最低温(Tmin)、最高温(Tmax)和平均温(Tmean)对植被春季物候影响范围的结果,利用多元线性回归量化了森林、草地、小麦和其他农作物春季物候的温度敏感性差异。最后,为了探讨季前干旱与变暖对植被春季物候的耦合影响,在像元尺度将研究年份划分为高温干旱、高温无干旱、低温干旱和低温无干旱四种气候条件,综合比较了不同气候条件下SOS的差异。本研究主要结论如下:
(1)华北平原不同植被类型之间SOS提前趋势的大小存在差异。总体来看,1982~2015年华北平原超过81.7%的像元春季物候开始时间提前,平均变化速率为-0.5days/yr。农作物生长季开始时间的提前趋势大于自然植被,其中,小麦的SOS表现出最大的变化速率,然后依次是其他农作物、森林以及草地。
(2)华北平原SOS与季前SPEI主要呈负相关关系,表明频发的季前干旱可能会推迟植被春季物候开始的时间。华北平原各植被类型之间春季物候对季前干旱的响应具有差异。总的来说,季前干旱对自然植被SOS的影响大于农作物。小麦的SOS对季前干旱的抵抗力最强,其次是其他农作物、森林和草地。
(3)在华北平原,季前Tmin对SOS的影响大于Tmax和Tmean。华北平原不同植被类型的春季物候对季前Tmin的敏感性存在显著差异。整体来看,农作物的SOS对季前温度的敏感性高于自然植被。多元回归分析表明,季前Tmin每升高1℃可分别使小麦、其他农作物、森林和草原的SOS提前10.5、7.6、2.9、2.1天。
(4)华北平原在高温干旱年份的SOS显著晚于高温无干旱的年份,但其显著早于低温无干旱和低温干旱年份。考虑到季前干旱和变暖对春季物候的耦合影响,未来气候持续变暖将促使植被春季物候进一步提前,而频发的干旱可能会减缓这一趋势。
(5)华北平原植被春季物候对季前干旱的响应以及其温度敏感性沿湿度梯度呈非线性。这一非线性关系表明存在一个阈值,超过这个阈值,改善的湿度条件将不再有助于植被抵抗气候变化。
综上所述,华北平原不同植被类型之间SOS提前趋势的大小存在差异。草地的春季物候对干旱的抵抗力最小,未来频发的季前干旱可能会对草地春季物候产生更大范围的影响。小麦的春季物候对季前升温最敏感,这一结果强调了未来气候变化下提高小麦品种耐热性对粮食安全的必要性。在未来全球变化型干旱的情景下,持续的变暖将触发更早的春季植被展叶,但频率和强度增加的季前干旱可能会减缓这一趋势。本研究增进了对植被春季物候变化的理解,为物候模型中的植被对气候变化的特异性响应和非线性响应提供了科学依据,对监测陆地碳动态以及生态系统管理具有重要意义。