题 目: Quantifying the drought sensitivity of vegetation types in northern China from 1982 to 2022
期 刊: Agricultural and Forest Meteorology![]()
图1. 论文首页
近日，南京大学杜培军教授课题组通过1982—2022年长时间序列干旱指数和归一化植被指数数据集，揭示了中国北方不同植被类型（草、森林、农田和荒漠植被）及其亚类型对干旱累积效应和滞后效应的响应以及干旱敏感性差异。该研究提供了植被-干旱耦合关系减弱的证据，可为中国北方生态脆弱性地区的生态恢复和保护提供支撑。研究成果以“Quantifying the drought sensitivity of vegetation types in northern China from 1982 to 2022”为题，发表在期刊《Agricultural and Forest Meteorology》（农林科学类SCI一区 Top期刊）上，论文第一作者为博士生袁博，通讯作者为杜培军教授。
量化植被对干旱的响应并评估其脆弱性对于减轻极端干旱事件的不利影响至关重要。然而，中国北方植被对干旱累积效应和滞后效应的响应尚不清楚，不同植被类型的干旱敏感性尚未得到很好的认识。基于上述背景，研究使用1982至2022年NDVI数据集和多尺度SPEI数据集（1-24个月），对中国北方四种植被类型（即草、森林、农田和荒漠植被）对气象干旱的响应进行了定量探究。同时，研究将农田分为灌溉和雨养类型，将森林分为针叶林、混交林和阔叶林，更深入地分析植被亚类型如何响应干旱。该研究旨在（1）量化干旱对不同生物气候区不同植被类型的累积和滞后影响，以及（2）评估不同植被类型的干旱敏感性。研究以期为中国北方生态脆弱地区的生态恢复和保护提供支撑。
研究基于归一化植被指数（NDVI）和标准化降水蒸散指数（SPEI），利用Spearman秩相关方法探究了中国北方（图2）1982—2022年植被对气象干旱的响应。主要分析了不同植被类型（草、森林、农田和荒漠植被）对干旱响应的累积效应和滞后效应及其干旱敏感性差异。累积效应指一段时间内前期气候因素的累积影响对当前植被状况的综合作用。滞后效应表示过去特定气候条件对当前植被状态的延迟影响。研究框架主要包括3个部分（图3）。首先，使用Spearman相关方法量化植被对干旱响应的累积和滞后效应（图3a和3b）。其次，根据累积效应和滞后效应计算植被的干旱敏感性（图3c）。最后，采用统计分析方法来研究干燥梯度下四种植被类型的累积效应、滞后效应和干旱敏感性的空间规律（图3d）。图2. （a）中国北方的土地覆盖类型；（b）森林和农田的亚类型
图3. 研究框架
干旱和半干旱地区植被对干旱的响应强于半湿润和湿润地区（图4）。显著正相关（p < 0.05）的像素占植被覆盖区的62.1%，例如，黄土高原和内蒙古部分区域（图4a）。35.9%的植被覆盖区对干旱累积效应的响应时间在1到12个月之间（图4b）。干旱对草地和荒漠植被的累积效应表现为从干旱到湿润地区的梯度变化特征（即相关系数的减小趋势和累积时间的增加趋势），相关系数的高值对应于较短的累积时间（图5a和5d）。图4. 中国北方植被对干旱累积效应的响应。（a）多尺度SPEI和NDVI之间最大相关系数的空间分异。（b）植被对干旱累积效应响应时间的空间特征图5. 四种植被类型对干旱累积效应响应的梯度模式。仅使用显著正相关（p < 0.05）像素进行分析。误差线和圆点分别表示一个标准差和平均值受干旱滞后效应影响的植被区域面积比累积效应小（图6）。只有17.5%的植被覆盖区显示出显著正向滞后效应（p < 0.05），特别是在中国北方的西北部、东北和东南部（图6a）。相关性不显著的区域主要为农田。此外，36.0%的植被像素对干旱滞后效应的响应时间在1到12个月之间（图6b）。图6. 中国北方植被对干旱滞后效应的响应特征。（a）1个月尺度SPEI和NDVI之间最大相关系数的空间分异。（b）植被对干旱滞后效应响应时间的空间特征。（c）-（f）四种植被类型对干旱滞后效应响应的梯度模式植被对干旱的敏感性不仅在干旱区很强，而且部分湿润区也较强（图7）。在干旱区，如中国北方西北部和内蒙古部分区域（图7a），植被通常表现出高干旱敏感性，47.6%的干旱区植被的干旱敏感性超过0.40（即高和极高干旱敏感性等级）。此外，植被的干旱敏感性显示出从干旱区到半湿润区的下降趋势（图7c），这表明随着水资源可用性的增加，植被对干旱的敏感性降低。同时，每种植被类型的干旱敏感性均有超过32.0%的植被区域显示出高和非常高的等级（图8）。图7. （a）植被干旱敏感性的空间特征。（b）不同生物气候区5个等级的干旱敏感性面积百分比。（c）不同生物气候区干旱敏感性的统计特征图8. 不同植被类型干旱敏感性等级的面积占比
干旱引起的森林干扰不仅发生在干旱区，而且半湿润区也存在。尽管统计不显著，但半湿润区的森林可能对干旱的敏感性也很高，如混交林（图9b）和阔叶林（图9c）。尽管灌溉在正常情况下可以降低农田对干旱的敏感性，但其对外部水源的依赖使得灌溉系统在严重干旱期间无法获得有效水供应时可能更为脆弱（图9d和9e）。图9. 沿干旱梯度的森林亚类型（a-c）和农田亚类型（d-e）的干旱敏感性
中国北方植被对干旱响应的平均累积时间呈由干旱向湿润区增加的趋势。草地和荒漠植被的干旱累积效应从干旱区到湿润区表现为相关系数的减小趋势和累积时间增加的趋势，相关系数的高值对应于较短的累积时间，表明对干旱的反应较快。此外，中国北方植被受累积效应的影响强于滞后效应。受滞后效应影响的区域仅占植被覆盖区的26.5%（p < 0.05）。研究强调了长期干旱对半湿润和湿润区植被的潜在影响，在未来干燥和炎热的气候条件下，位于这些区域的植被可能会经历严重的不利影响。
Bo Yuan, Shanchuan Guo, Xingang Zhang, Haowei Mu, Shengpeng Cao, Zilong Xia, Xiaoquan Pan, Peijun Du. Quantifying the drought sensitivity of vegetation types in northern China from 1982 to 2022[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2024, 359: 110293.全文链接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2024.110293
