![]()
摘要：随着全球气候变化问题日益突出，中亚草原生态系统正面临气候变化影响带来的严峻挑战。然而，气候因子对各草原指数的主导因子、影响途径以及累积效应和滞后效应仍有待探索。本研究选取1988 -2019年的植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover, FVC)、叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)、净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)和植被光学深度(Vegetation Optical Depth, VOD)数据，对草地覆盖度、绿度、生物量积累和含水量特征进行了表征。利用多元线性回归、通径分析和相关分析，从空间和气候带的角度探讨了气候因子对各草地指数的主导效应、直接影响、间接影响、累积效应和滞后效应。研究结果表明:随着时间的推移，草地FVC和NPP呈上升趋势，LAI和VOD呈下降趋势;草地指数主要受降水和土壤湿度(SM)的影响。SM对草地指数的直接影响大于降水。蒸汽压差(VPD)对草地指数有直接的负向影响。草地指数受降水通过SM的间接正效应和VPD通过SM的间接负效应的影响。降水和SM对草地VOD的影响主要表现出无累积效应和滞后效应。VPD对草地指数的影响主要表现为累积效应和时滞效应。研究结果提供了为保护中亚草原生态系统、制定社会经济战略和制定气候政策提供了宝贵的见解。
关键词：草地指数、气候因素、主导因素、影响途径
文 章 信 息
译名：土壤水分对中亚草原生长的强烈正向直接影响
发表时间：2024年10月01日
期刊影响因子：8.2（2023）
第一单位: 新疆大学地理与遥感科学学院，新疆乌鲁木齐830046.
通讯单位: 新疆大学地理与遥感科学学院，新疆乌鲁木齐830046.
文 章 亮 点
1.随着时间的推移，草地FVC和NPP呈上升趋势，LAI和VOD呈下降趋势；草地指数主要受降水和土壤湿度(SM)的影响。
2.SM对草地指数的直接影响大于降水，蒸汽压差(VPD)对草地指数有直接的负向影响。
3.草地指数受降水通过SM的间接正效应和VPD通过SM的间接负效应的影响。
文 章 简 介
1.研究意义
长期以来，降水一直被认为是控制植被变化的主要因素。本研究以中亚草原为研究对象。利用1988年至2019年的草地FVC、LAI、NPP和VOD数据来表征草地覆盖、绿化率、生物量积累和土壤含水量。本研究从空间和气候带两个角度探讨了温度、降水、VPD和SM对各草地指数的影响。这可以为决策者和有关部门制定合理的农牧业、自然资源管理和生态保护政策和建议提供科学依据。2.研究方法
2.1试验地概括
这项研究是在位于中国甘肃省环县的兰州大学环县草地农业研究站进行的（北纬37.12度，东经106.84度，海拔1700米），该地区位于欧亚草原的东南部，属于温带大陆性季风气候，年平均温度为7.6℃，年平均降水量为326.6毫米，其中70%的降水量发生在6-9月 。2.2试验设计
中亚地区位于欧亚大陆的中部，其特点是西至里海沿岸的低地和图兰低地，北至西伯利亚平原。由于地形和气候的相互作用，中亚地区主要的植被类型为草原、沙漠和耕地。草地广泛分布在中亚的各个地区。降水稀少，蒸散发速率高，导致降雨时空分布高度不均匀。中亚的气候带包括干旱区、温带区、寒带区和极地区，其中干旱区覆盖面积最大。本研究利用1988 - 2019年的FVC、LAI、NPP和VOD等数据，代表草地覆盖度、绿度、生物量积累和含水量特征等指标。本研究考虑的气候因子主要包括温度、降水、VPD、SM、比湿度和大气压。温度、降水、VPD和SM是研究的主要因素。以比湿度和大气压力作为计算VPD的输入参数。表1提供了所有数据源的详细信息。![]()
应用Mann-Kendall（M-K）突变检验对多个草地指数的时间趋势进行了评估。该方法既检测了时。Sen's斜率与Mann-Kendall显著性检验一起用于确定空间趋势和显著性水平。采用多元线性回归来阐明气候因子对这些草地指数的主要影响。该模型可用于预测或解释因变量的值。本研究采用通径分析方法研究气候因子对多个草地指数的影响。研究结果可以揭示变量之间的因果关系，有助于识别关键影响因素。，这种方法可以处理因素之间复杂的相互作用，阐明直接和间接影响，从而为研究人员提供更深入的理解3.研究结果
3.1多个草地指数的时空变化趋势
3.1.1多个草地指数的时间趋势
从1988年到2019年，FVC和NPP呈上升趋势，而LAI和VOD呈下降趋势（图2）。从1988年至1992年呈非显著性下降趋势，随后从1997年至2019年呈上升趋势，从2002年至2007年观察到显著性增加（图2b）；NPP在1988年至2001年期间出现显著波动，随后在2003年至2008年期间出现不显著的增长趋势，在2015年至2019年期间出现不显著的增长趋势（图2f）；VOD从1988年到2016年呈现出不显著的增长趋势，随后从2017年到2019年呈现出不显著的下降趋势（图2 h）。3.1.2多个草地指数的空间趋势
在空间上，多个草地指数的主要趋势是稳定的，草地VOD显示出最大幅度的面积减少和草地NPP显示出最显着的增加（图3）。草原FVC显著增加的面积占27%，主要分布在天山山脉和哈萨克斯坦北方，只有4%的面积显著减少（图3a）；草地叶面积指数增幅极显著的地区占总面积的30%，主要分布在巴尔喀什湖周边、乌兹别克斯坦东部和阿尔泰山地区。叶面积指数显著下降的地区占总面积的22%，集中在哈萨克斯坦的北方地区（图3b）；草地净初级生产力显著增加的地区占35%，主要分布在乌兹别克斯坦东部的拉巴斯湖和塔吉克斯坦（图3c）；VOD显著下降的地区占总面积的41%，主要集中在哈萨克斯坦北方地区和阿尔泰山地区（图3d）。![]()
3.2气候因子对多个草地指数的主导影响
3.2.1空间尺度上气候因子对多个草地指数的主导影响
在空间尺度上，降水量和土壤水分对多个草地指数都有显著的主导作用。然而，土壤水分影响的主导作用大于降水影响（图4）。影响草地FVC的主要因素是降水量和土壤水分，分别占草地总面积的43%和35%（图4a）；草地叶面积指数主要受土壤水分和降水的影响，分别占58%和24%，主要分布在巴尔喀什湖周边和乌兹别克斯坦东部地区（图4 b）；草地净初级生产力主要受土壤湿度的影响，覆盖面积为36%，受降水的影响，覆盖面积为37%，主要是在乌兹别克斯坦东部地区的拉巴斯湖周围。NPP主要受VPD影响的地区占总面积的25%，主要集中在哈萨克斯坦的北方地区（图4c）；草地VOD主要受降水影响，占32%，受土壤水分影响，占36%。VOD主要受VPD影响的地区占27%，VOD主要集中在哈萨克斯坦的北方地区（图4d）。![]()
3.2.2不同气候区气候因子对草地指数的主导影响
总的来说，在考虑不同的气候区域时，降水量土壤湿度似乎对多个草原指数有更大的影响（图5）。在温带气候区，草地FVC主要受土壤水分的影响。中亚温带气候区所占比例相对较小，导致该气候区对温度和VPD统计分析的贡献较小。在干旱气候区，草原FVC主要受降水和土壤湿度的影响（图5a）；在干旱、温带和寒冷气候区，草地叶面积指数主要受土壤水分的影响。在极地气候区，草地叶面积指数主要受降水影响（图5b）。在温带和极地气候区，草地NPP主要受降水影响。在干旱气候区，草地NPP受降水和土壤水分的共同影响。在寒冷气候区，草地NPP主要受土壤水分的影响（图5c）。在干旱和温带气候区，草地VOD主要受土壤水分的影响。在寒冷和极地气候区，草地VOD主要受降水影响（图5d）。![]()
3.3气候因子对多个草地指数影响的通径分析
3.3.1气候因子对多个草地指数的影响途径
降水量、温度和土壤水分对草地FVC有直接正影响，而VPD对草地FVC有直接负影响。土壤水分通过降水间接影响草地FVC，系数为-0.103（图6a）；温度通过VPD间接影响草地LAI，系数为-0.104（图6 b）；土壤水分通过VPD间接影响草地NPP，相关系数为0.139（图6c）；温度通过VPD间接影响草原VOD，系数为-0.129（图6d）。![]()
3.3.2不同气候带气候因子对草地指数的影响途径
总的来说，在不同的气候带，草地指数直接受到温度，降水和土壤水分的积极影响，而VPD对草地指数有负面的直接影响（图7）。![]()
3.4气候因子对草地指数的累积效应和时滞效应
3.4.1.空间尺度上气候因子对草地指数的累积效应和时滞效应
图8和图9显示了气候因子对多个草地指数的累积效应和时滞效应的空间分布和相应比例。结果表明，52%的草地FVC在累积和时滞效应方面不受温度影响（图8a）；降水主要对41%的草原FVC表现出L0A1累积和时滞效应，而12%的草原FVC未表现出对降水的累积和时滞效应（图8b）；26%的草地FVC对土壤水分的响应时间为L3A0。此外，18%的草地FVC对土壤水分的响应没有表现出累积效应和时滞效应（图8c）；此外，29%的草地VOD对土壤水分的响应时间为L3A0（图8o）。![]()
![]()
3.4.2不同气候带气候因子对草地指数的累积效应和时滞效应
在干旱、寒冷和极地气候区，草原FVC主要表现为L0A0对温度的响应时间，比例分别为48%、84%和80%。在温带气候区，主要响应时间为L2A0，占38%（图10a）；在干旱、温带和极地气候区，草原FVC对降水的响应时间主要分别为L0A1、L0A0和L1A2（图10b）。在温带气候区，草地FVC主要表现出L0A0和L3A0对土壤水分的响应时间，其比例分别为51%和31%（图10c）。在寒冷和极地气候区，草原FVC主要表现出L0A0对VPD的响应时间（图10d）。![]()
4.讨论
本研究分析了多个草地指数的过去和未来趋势，探讨了气候变化的主导、直接和间接影响，不同草地指数的变化趋势存在差异。不同的草地指数对气候变化的反应不同，导致各指数之间的趋势不同。此外，土壤条件的差异，包括土壤类型、质地和养分含量，也会影响草地生长由于中亚地区的气候和土壤特点，土壤水分对草地生长的影响更为直接。中亚地区通常经历高温和强烈的蒸散过程，一部分水可能从土壤表面蒸发或通过草原蒸腾消耗，导致土壤水分利用效率降低。降水影响着土壤含水量，但土壤的持水能力和蓄水能力也在一定程度上决定着草地的生长状况。如果土壤表现出良好的持水能力，即使在降水量较低的情况下，它也能为草地的生长保持足够的水分。相反，即使有充足的降水，如果土壤具有良好的排水能力，水分也可能无法保留在根区的报告。在极地气候区，降水正效应对草地指数的影响最大。虽然极地地区的降水量通常相对较低，但在某些情况下，降水量仍能对草地指数产生积极影响。降水在激活草地的代谢过程中起着作用，包括光合作用和养分吸收。虽然较低的温度可能减缓代谢速率，但适度的降水提供了水分和养分，从而在相对温暖的时期促进了草地的有效生长。在极地气候区，土壤会经历反复的冻结和融化，这会破坏土壤结构，如表层土壤结块或开裂。这些变化可能会改变土壤的渗透性和通气性，从而影响草地上的根系生长和土壤中的微生物活性。研究结果表明，VPD对多个草地指数有直接的负面影响。较高的VPD值意味着空气中较低的相对湿度，这会导致在蒸腾作用期间草地水分损失增加。在水分胁迫条件下，草地倾向于限制气孔开放以减少水分损失，从而减少光合作用（草地将二氧化碳转化为能量的过程）和生长。高VPD值通常与高温有关，这会使草地受到热应激。气温升高会破坏草地的细胞结构和功能，抑制光合作用，加速水分蒸发，影响草地的生长和健康，导致草地指数下降。在高VPD条件下，草地可能会减少土壤的开放，从而限制二氧化碳的进入。这种限制会限制光合作用，影响草地上的能量获取和生长。降水通过对土壤水分的影响，对草地多项指标产生了较强的正向间接影响。降水是草地土壤水分的主要来源之一。当降水发生时，一部分降水渗入土壤，形成土壤水分储备。温度对草地NPP的影响具有3个月的滞后效应，滞后效应占草地NPP的44%。草地的FVC、LAI和VOD分别代表草地盖度、绿度和含水量，它们通常在短时间内对气候变化做出快速响应，并与草地的生长和生理状态有更直接的关系。相比之下，NPP反映了草地生物量的积累，并涉及到需要时间才能表现出显著变化的更复杂的生化过程。降水和土壤水分对草地VOD的影响主要表现为无累积效应和时滞效应。VOD是通过微波遥感获得的，反映了草地的含水量和生理状态。VOD的变化通常更敏感，因为它们受草地含水量的影响，而草地含水量可以响应降水量和土壤含水量的变化而快速波动，从而使其不易于受到明显的滞后效应。降水直接影响草地的含水量。草地可以迅速吸收土壤水分并将其分配给叶子，从而导致VOD的更直接和即时的变化。降水和土壤水分对草地FVC、LAI和NPP的影响主要表现为累积效应和时滞效应。当气候因素发生变化时，植物可以通过调节光合作用和水分吸收等过程来迅速响应，以适应环境的变化。在生长过程中，草地在进入生长季节之前通常会经历休眠或低活性。一旦进入生长季节，草原就会迅速调整生长策略，以适应当前的气候条件。这种季节适应性使植物能够对气候因素的变化迅速作出反应，减少了累积和滞后效应的可能性。5.结论
本研究的新奇在于选择了代表草地覆盖度、绿度、生物量积累和含水量的多个指标。综合分析了这些指标的历史变化特征和未来趋势，从空间和气候带两个角度探讨了气候因子对多个草地指数的主导、直接、间接、累积和时滞效应。研究结果表明，随着时间的推移，草地FVC和NPP呈上升趋势，而LAI和VOD呈下降趋势。草地指数主要受降水和SM的影响。VPD对草地指数有直接的负面影响。草地指数受到降水通过SM的正间接效应和VPD通过SM的负间接效应的影响。降水和SM对草地VOD的影响主要表现为无累积效应和时滞效应。VPD主要表现为累积效应和时滞效应。为决策者和有关部门制定合理的农业、畜牧业、自然资源管理和生态保护政策和建议提供科学依据。Reference：
Liang Liu,Jianghua
Zheng,Jingyun Guan,Congren Li,Lisha Ma,Yujia Liu & Wanqiang
Han.(2024).Strong positive direct impact of soil moisture on the growth of
central asian grasslands.Science of the Total Environment176663-176663.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.176663
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生秦江美
