秦岭山地春季气候变化特征及植被响应敏感性

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陆地生态系统对全球气候变化响应存在明显的区域差异性和时空敏感性。秦岭为中国南北地理分界线,位于暖温带与亚热带交界处,全年气候四季分明,降雨集中,探究秦岭植被对干湿变化响应敏感性,可反映出暖温带、亚热带地区主要植被类型对干湿变化的响应规律和机制特征,对提高陆地植被对气候变化预测精度和深入理解不同气候带植被变化规律具有重要意义。本文基于1959~2018年秦岭山地32个气象站实测数据,探究了近60 a秦岭气候时空变化特征及空间差异,并结合太白红杉树木年轮数据和MODIS NDVI遥感数据集,研究了秦岭山地植被NDVI和SPEI时空变化特征,揭示了秦岭植被对干湿变化响应敏感性及其时空差异。取得了如下研究成果及进展:(1)1959~2018年秦岭春季表现为暖干化趋势,但水热突变不同步,且空间变化上存在差异,春季未来可能持续这一暖干化趋势。近60 a秦岭春季气温以0.33℃·(10a)-1速率上升,降水量以4.90 mm·(10a)-1速率下降,SPEI值以0.14·(10a)-1速率下降。有99.65%的像元显示气温呈显著上升趋势,64.46%的像元显示降水量呈显著下降趋势,75.28%的像元显示SPEI值呈显著下降趋势。空间变化上,秦岭地区暖干化存在空间差异,呈“北部快、南部慢”变化格局。对春季气候变化响应敏感区位于北部的宝鸡、周至、户县、长安和南部的太白、柞水、镇安。1994~2008年干旱发生频率较高、干旱程度较重,2009年后干旱发生频率和程度有所减轻。基于Morlet小波分析和Hurst指数显示秦岭山地春季未来可能持续这一暖干化趋势。(2)基于树木年轮研究,太白山地区太白红杉径向生长对2~6月气温、3~5月降水和3~5月SPEI较为敏感,其径向生长主要受春季前后气候波动影响。太白山地区太白红杉径向生长主要受春季前后气候限制,与春季SPEI值相关性最高,达到-0.720(p≤0.01),重建方程方差解释量为51.8%(调整自由度后为51.0%)。重建结果表明,近165 a来,有29 a春季为湿润年份,有23 a春季为干旱年份,分别占比为17.58%和13.94%。极端干旱年份为1892年、1929年、1945年和2006年,极端湿润年份为1881年、1921年和1990年,其中1892年(-1.73)和1881年(1.53)分别为最干旱和最湿润的年份。本文重建结果得到了周边地区干湿变化重建结果和历史文献灾害记载的验证;太白山地区干湿变化可以准确表征大区域干湿变化且存在2.5 a、3.1 a、3.8 a和8.4 a周期变化。太白山地区SPEI与赤道东太平洋海面温度成负相关以及与赤道西太平洋海面温度呈正相关,其干湿变化可能与ENSO活动有关。(3)基于NDVI遥感数据研究,2000~2018年秦岭NDVI呈显著上升趋势,其变化更易受前半年尤其是春季干湿变化影响,秦岭北坡植被对3~6月总体干湿变化最为敏感,南坡植被对3~5月(春季)干湿变化最为敏感。2000~2018年秦岭植被覆盖情况整体显著改善,但秦岭南坡NDVI上升幅度和面积占比均高于北坡,南坡植被比北坡改善情况好。秦岭湿润化趋势不显著,但秦岭北坡湿润化速率和面积占比均大于南坡。(2)秦岭北坡植被比南坡植被更易受干湿变化影响,秦岭北坡植被对3~6月总体干湿变化最为敏感,南坡植被对3~5月(春季)干湿变化最为敏感。秦岭南北坡植被均主要受3~7个月尺度干湿变化影响,对11~12个月尺度的干湿变化响应较弱。(3)秦岭有90.34%的区域NDVI与SPEI呈正相关,大部分地区春季湿润化能促进全年植被生长;随海拔上升植被对干湿变化敏感性先上升再下降,海拔800~1200 m是植被响应最敏感的海拔段,海拔1200~3000 m随海拔上升植被响应敏感性下降;南北坡草丛均是对干湿变化最为敏感的植被类型,但秦岭北坡多数植被类型对干湿变化响应比南坡敏感。
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