1、昼夜不对称性增温对秦巴山地植被 的影响研究李 理，刘俊杰，赵 芳，朱文博，董庆栋，朱连奇（北京师范大学 政府管理学院，北京；中国科学院 地理科学与资源研究所，北京；河南大学 地理与环境学院，河南 开封）摘要：通过收集 年秦巴山地 个气象站点逐日观测资料、年 归一化植被指数（）以及中国:万植被数据集，利用 检验、趋势分析以及二阶偏相关分析等方法，综合分析秦巴山地昼夜增温时序变化及增速差异，探讨秦巴山地植被 对昼夜不对称增温的响应特征，分析昼夜不对称增温对不同植被类型生长的影响。结果表明：年秦巴山地日最低气温和日最高气温存在明显上升趋势，夜间增温速率是白天增温速率的 倍，表明昼夜增温存在不对称性。
2、昼夜增温对秦巴山地植被生长促进作用更明显，显著性分析结果存在空间差异，但通过显著性检验的站点数量不多。不同植被类型对昼夜增温响应特征有所差别，白天增温促进草丛、草甸、灌丛、阔叶林、农作物的生长，抑制了针叶林的生长，而夜间增温对植被生长的影响仅对草甸起积极影响，对其他植被类型均为消极影响。关 键 词：气候变化；昼夜增温；植被；偏相关分析；秦巴山地中图分类号：文献标志码：文章编号：-（）-：-收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划（）；国家自然科学基金项目（）；科技基础资源调查专项（）作者简介：李理（），男，湖南临湘市人，博士研究生，主要从事土地资源开发及生态系统服务研究，（）。通信作者
3、：朱文博（），女，河南开封市人，讲师，博士，主要从事生态系统服务与山地地理环境研究，（）。引言 植被是气候变化和人类活动双重驱动下解释环境变化的信号放大器，承载着自然界中“水土气生”等要素的物质循环、能量流动，是全球陆地生态系统中核心的组成部分。研究植被动态变化及其气候响应对于深入分析生态系统中碳循环、评估生态环境质量具有重要价值。报告指出，年全球夜间增温约为白天增温的 倍，反映全球变暖背景下昼夜增温存在不均衡、不对称性等特征，而植被作为气候变化的敏感性指标之一，可以直观反映昼夜不对称性增温的作用方向及影响强度，有研究发现白天增温对植被生长的影响程度强于夜间增温。此外，昼夜增温下不同植被类型动
4、态生长的差异性及响应特征成为国内外学者聚焦的热点，揭示不同区域上植被动态对气候变化响应的差异性对于提升生态系统适应能力、促进社会经济可持续发展具有现实意义。昼夜增温的不对称性及植被动态响应程度存在差别，梁春玲等对南四湖湿地近 年昼夜增温进行研究，发现夜间增温幅度高于白天，但白天增温对植被生长的积极影响更为显著；马利群等以黄土高原为研究对象，发现植被生长季夜间增温速率是白天的 倍，植被生长对夜间增温的响应程度明显高于白天增温；赵杰等以中国季节性增温对植被动态生长为载体，发现春季和冬季白天增温速率较夜间增温的速率高，植被 与昼夜增温通过显著性检验的范围较广且多为促进作用。上述研究表明昼夜增温幅度及
5、对植被生长的影响在时空尺度上有所不同，白天增温和夜间增温对同一地区植被的生长作用方向及强度也存在差异。已有研究表明温带地区的草丛、灌丛在夏季对白天增温敏感性较强、秋季增温对阔叶林和针叶林影响显著；黄土高原夜间增温对阔叶林、草甸影响显著，草甸、灌丛、荒漠和阔叶林对白天增温的响应程度更明显。虽然大多学者已经开展不同尺度上植被类型对昼夜增温的响应研究，但对于植被过渡地带，尤其是北亚热带植被和暖温带植被过渡地区昼夜不对称增温对于不同植被类型的影响，依然缺乏深入研究。作为监测和表征植被活动和生产力变化情形的重要指标之一，归一化植被指数（，）能够反映植被活动强弱程度。其中 植被 数据具有精度高、稳定性强等
6、特性，已被广泛用于监测大区域尺度的植被动态变化、测度植被净初级生产力及生态系统中生物量估测。本研究以植被 时序数据为主要研究对象，评估昼夜增温对植被生长及不同类型植被的影响，有助于厘清秦巴山地昼夜增温对不同植被类型的作用方向及影响强弱。秦巴山地位于我国北亚热带向南暖温带过渡区域，复杂的气候条件孕育多样的且具有过渡性质的植被类型，地带性植被由南向北表现为常绿阔叶林带逐渐过渡至落叶阔叶林带，山地垂直带谱存在经向、纬向和坡向等多重差异性。过渡带内植被生长对气候变 第 卷 第 期 年 月地域研究与开发 化极为敏感，如常绿阔叶林与气温相关性最强、常绿阔叶混交林受降雨积极影响明显，低海拔带植被生长对气温更
7、为敏感，高海拔对降水敏感程度更高。目前，国内学者已对秦巴山地植被覆盖变化及其影响因素开展了大量研究，主要集中于秦巴山地植物多样性及区系调查、植被覆盖变化对水热因子的响应，及区内不同地域单元上植被动态变化及其归因，而对植被动态与极端气候研究关注较少，尤其是分析昼夜不对称增温背景下植被动态变化规律尚显薄弱。基于此，本研究利用 年秦巴山地植被 数据和 年气象资料，利用（）非参数检验法以及二阶偏相关分析等方法分析昼夜增温时序变化特征及差异，通过气象站点提取植被 数据并结合植被类型数据，从空间上分析植被 对昼夜不对称增温的响应特征，量化站点尺度上昼夜增温对不同类型植被 的影响程度，为秦巴山地不同类型植被
8、生长对气候变化的响应特征及空间差异研究提供理论依据和实证分析。研究区概况、数据来源与研究方法 研究区概况秦巴山地面积约为 万，西起陇南迭山，东至豫西伏牛山，是连接青藏高原和中国东部平原的重要桥梁。地跨湖北、河南、重庆、陕西、四川以及甘肃六省份，主要植被类型是常绿阔叶林和落叶阔叶林，年均气温 ，年均降水量 。地势西高东低，以秦岭山脉和大巴山山脉为主体，土壤类型多样，森林覆盖率较高且生物多样性丰富，区域内地带性特征明显。数据来源 数据。通过美国国家航空局（，）下载 数据（年），其中 数据集是 天合成的 产品，分辨率为。在数据预处理过程中，利用（）工具对 影像数据进行拼接、裁剪等，主要目的是消除云、
9、大气、太阳高度等对数据质量产生的误差，提高数据的精度。同时，利用最大值合成法对半月 数据合成为月 数据，进一步得到年均植被 数据。气象站点数据。秦巴山地 个站点（图）的气候资料（年）均来源于中国气象科学数据共享服务网（：）。通过对逐日气象数据筛选日最高气温和夜间最低气温，得到各站点上月尺度及年尺度上的极端气温，利用 中 工具提取植被 值，结合植被类型数据，运用二阶偏相关分析计算站点尺度上昼夜增温与不同植被类型 相关系数及显著性水平。植被类型数据。本研究所采用的草丛、草甸、灌丛、阔叶林、针叶林以及农作物六种植被类型均来源于图 秦巴山地气象站点分布 中国科学院资源环境科学数据中心提供的:万植被数据
10、集，数据集中主要包含植被类型组、植被型的群系和亚群系以及植物优势种的实际分布情形。研究方法 检验法。检验法能够检测气象数据时序上突变情形，主要的优势是检验样本受异常值干扰程度较小，且不需要服从某一特定的分布规律，研究的基本假设为存在 个样本，的时间序列，不同时间点的数据是相互独立、随机的。在，的前提下，和为不同年份上的气温值，对于所有，和的分布特征存在差别，检验统计量 计算如下：（）；（），（），（），（）。式中：表示 检验中的秩序列，假设 服从正态分布的前提下，均值为，方差的计算公式为（）（）（）；若 ，则标准正态系数变量 值可由下式计算：（），（），|。如果，则表明双边趋势检验在既定的 置
11、信水平上原假设是不成立的，即存在显著的上升或下降态势，当统计量 ，时间序列上呈上升趋势，反之，则相反；表示置信度通过 的检验，表示置信度通过 的检验，表示置信度通过 的检验。二阶偏相关分析法。通过消除夜间最低气温和降水量的影响计算秦巴山地不同类型植被 与日最高气温的二阶偏相关系数，通过控制日最高气温和降水计算植被 与夜间最低气温的二阶偏相关系数。检验法是识别偏相关系数显著性水平的主要手段，若 值大于，则通过了显著性检验，小于 则达到极显著性水平。地域研究与开发第 卷（）（）（）（）。式中：表示植被 与，的相关系数；，分别表示，的平均值；，为计算变量。一阶偏相关系数计算公式如下：。式中：，和分别
12、表示变量 和 的相关系数、和 的相关系数、与之间的偏相关系数以及剔除变量 后与之间的偏相关系数。二阶偏相关系数的计算公式为：。式中：，为控制变量；为剔除变量，的 与 的偏相关系数；，分别为剔除后，与的二阶偏相关系数。利用 检验对二阶偏相关结果进行显著性检验，同时参考前人研究并结合研究区实际将植被 与昼夜增温的关系按照相关系数大小划分为中度正相关（）、低度正相关（）、弱正相关（）、弱负相关（）、低度负相关（）和中度负相关（）类。结果分析 秦巴山地昼夜不对称增温趋势分析 年秦巴山地日最高气温（）和日最低气温（）均呈显著性上升趋势（图），日最低气温变幅高于日最高气温，其中每 年增加 、每 年增加 ，
13、即秦巴山地近 年来日最低气温增加速率是日最高气温增加速率的 倍，表明秦巴山地昼夜增温趋势具有不对称性特征，且增温幅度存在显著差异。秦巴山地植被 对昼夜增温的响应分析 植被 对日最高气温空间响应特征。通过站点尺度分析日最高气温对秦巴山地植被 的影响机制，研究结果表明日最高气温升高对植被生长的作用图 年秦巴山地，变化趋势 方向及强度存在空间差异，并进一步统计相关系数及显著水平站点数量（表，图）。从日最高气温与植被 正相关系数及显著性水平来看，正相关主要分布在秦巴山地东南部、陇南市汉中市安康市十堰市以南地区，弱正相关是主要相关类型，站点数量为 个，占比。中度正相关和低度正相关站点数量均为 个，其中中
14、度正相关通过极显著性检验（）的站点数量 个、通过显著性检验（）的站点数量个，表明白天增温对植被生长的积极影响愈强，显著性程度越高。日最高气温对植被生长起抑制作用的站点主要分布于秦巴山地西北和东北，沿陇南市汉中市安康市十堰市以北地区，其中弱负相关站点数量为 个，低度负相关以及中度负相关的站点数量均为 个，仅中度负相关的站点数量通过显著性检验（）。综上发现，白天增温对植被生长的积极影响程度高于抑制作用，且相关性程度愈大，显著性程度越高，揭示了秦巴山地植被生长对白天增温响应的区域差异性。表 秦巴山地植被 与 不同相关性站点数量个 显著性中度正相关低度正相关弱正相关弱负相关低度负相关中度负相关 站点数
15、图 年植被 与日最高气温相关性及显著性 植被 对夜间最低气温空间响应特征。夜间增温对植被 的影响强度存在显著的空间特征（图），其中正相关的区域分布较为均匀，通过显著性检验的站点数量较多，主要分布于秦巴山地西北和东北 第 期李 理，等：昼夜不对称性增温对秦巴山地植被 的影响研究部。负相关主要分布在研究区东南部，通过显著性检验的站点数量较少。夜间增温对植被生长促进作用的站点数量为 个（表），其中弱正相关数量为 个、低度正相关数量为 个以及中度正相关数量为 个，仅有中度正相关中 个站点通过极显著性检验（）、个站点通过显著性检验（），反映夜间升温对植被生长的促进作用愈明显，显著性程度越高。夜间温度的升
16、高对植被生长起抑制作用的站点数量仅有 个通过极显著性检验（）、个通过显著性检验（），其中弱负相关数量为 个、低度负相关为 个以及中度负相关为 个。图 年植被 与日最低气温相关性及显著性 表 秦巴山地植被 与 不同相关性站点数量个 显著性中度正相关低度正相关弱正相关弱负相关低度负相关中度负相关 站点数 秦巴山地昼夜增温对植被类型的显著性分析通过对 年秦巴山地气象站点的，及降雨数据进行提取，结合各站点不同类型植被 数据，测算各植被类型与昼夜增温的二阶相关系数及显著性水平（表），研究结果表明不同类型植被 对，偏相关性存在差异。从不同植被类型与相关性来看，除针叶林与通过极显著负相关（）外，其他植被类型均与呈正相关，通过极显著性检验的植被类型是草丛和农作物，相关系数分别为，草甸、灌丛和阔叶林没有通过显著性检验。从不同植被类型与相关性来看，仅有草甸与呈正相关，其他植被类型均与表现为负相关，其中草丛、灌丛以及阔叶林均通过了极显著性检验（），针叶林和农作物没有通过显著性检验。综上发现，白天增温促进草丛、草甸、灌丛、阔叶林和农作物的表 秦巴山地不同植被类型与，偏相关分析 ，植被类型草丛 草甸 灌丛 阔叶