3.2.1 气温和降水时空变化格局
2000—2019年,武陵山区植被生长季平均气温变化范围为-0.03~0.07℃/a(图9A),平均值是0.017℃/a,呈不显著增温趋势。除中部和东北部少数地区气温呈下降趋势外,大部分地区气温增加,北部和西南部相对明显,空间差异显著。植被生长季累积降水量变化介于-21.56~17.31 mm/a(图9B),平均值是1.70 mm/a,呈不显著增加趋势。降水变化趋势也存在明显的空间差异,东北、西南部降水减少,湖南中部降水增加显著。总的来说,不同用地类型水、热均有所增加,武陵山区植被生长季气候趋向暖湿。
图9 2000-2019年武陵山区生长季气温、降水变化趋势的空间分布
3.2.2 植被生长季NDVI与气温、降水的相关性
采用偏相关性分析,定量识别植被生长季NDVI对气候因子的响应。NDVI与气温的偏相关系数介于-0.84~0.89(图 10A),均值是0.07,大部分区域(62.75%)表现为正相关。NDVI与降水的偏相关系数在-0.90~0.87(图 10B),均值为0.1,正相关区域占比66.64%。NDVI与气温和降水均以正相关为主,且与降水的关系更密切,区域差异显著:NDVI与气温呈负相关主要是重庆的秀山、酉阳、黔江与贵州的沿河等地,在湖南的会同、芷江、靖州、通道、洪江和辰溪等地明显正相关; NDVI与降水在贵州的务川、德江、沿河、印江和重庆的酉阳、秀山等地以负相关为主,明显正相关主要集中于湖南的怀化、溆浦、洪江、辰溪、麻阳和重庆的丰都等地。
根据NDVI与气候因子偏相关系数正负及大小,将偏相关系数分为8个类别(图 10C,D),分析区域NDVI主要气候因子,结果表明:
RT+>RP+,RT+>|RP-|,|RT-|>RP+和RT-<RP-表示气温为该地主要气候因子。RT+>RP+主要是湖北北部、湖南东北和西南部及贵州西南部分地区,NDVI与气温、降水均为正相关,占整个区域的21.44%,这些区域气温呈上升趋势(图9A),少数地区(湖北、贵州境内)降水呈下降趋势(图9B),适当增温能够促进植被光合作用,气温是主要气候因子。湖北北部和贵州西部等地,RT+>|RP-|,NDVI与气温和降水分别为正、负相关,比例为5.72%,多为高海拔地区,气温低而降水充足,气温对植被生长的影响高于降水。重庆中部、贵州东部及湖北东部,|RT-|>RP+,NDVI与气温和降水分别为负、正相关,比例为6.02%,该区气温高,进一步升温会增强植被呼吸作用从而加速营养物质消耗,同时加快地面水分蒸发不利于干物质积累,为主要限制因子。重庆南部和湖北东北部,RT-<RP-,气温、降水对区域NDVI具有抑制作用,占比12.83%,气温、降水均呈下降趋势,NDVI趋向增加,气温影响更大。
降水主导包括RT+≤RP+,RT+≤|RP-|,|RT-|≤RP+和RT-≥RP-。30.85%的区域RT+≤RP+,包括湖南大部分地区(尤其是中部)及重庆西北部,该区降水量较少,气温与降水均呈增加趋势,水热条件改善,特别是充足的水分利于植被生长。RT+≤|RP-|零散分布于贵州中部和湖北中部,占比4.99%,水分增加对植被生长起抑制作用,降水是主要气候因子。重庆北部和湖南东南部,|RT-|≤RP+,比例为8.30%,水分增加促进植被生长,降水是主要影响因素。贵州中部和湖北东部,RT-≥RP-,NDVI与气温和降水均为负相关,比例为9.85%,水热因子对NDVI具有负效应且主要受水分影响。
综合来看,气温和降水作为武陵山区生长季NDVI主导气候因子的比例分别为46.01%,53.99%,整体上降水的影响范围更大。此外,气温或降水主导的区域与NDVI的关系以正相关为主(63%),两者的比例分别为27.16%和35.84%。
3.2.3 植被生长季NDVI对气候响应的时滞效应
植被生长对气候响应具有一定时滞效应,滞后程度对于不同气候因子、不同地区存在差异。计算植被生长季NDVI与气候因子当月(4—10月)、前1月(3—9月)、前2月(2—8月)的偏相关系数,分析植被对气候响应的时滞效应。由图 11可知,月尺度上,武陵山区植被生长季NDVI整体上对气温的响应未见明显滞后性,占比达到98.50%,对降水则以滞后1个月为主,比例为63.79%。但仍有1.13%的区域NDVI对气温响应存在1个月滞后期,主要位于湖南的城步、隆回等地,响应滞后2个月的区域则零星分布。同时湖北东北部及重庆的丰都等地NDVI对降水响应没有滞后性,比例为7.23%; 高于1个月响应滞后期的区域主要集中在湖北利川、恩施、来凤、咸丰及重庆的石柱、黔江等地,占整个区域的28.98%。
将NDVI与当月、前1月、前2月气候因子的偏相关系数分类,得到0~2个月滞后期主控气候因子的空间分布(图 12)。当月,降水为NDVI主控气候因子,类型以RT+≤RP+为主(79.01%),整个区域广泛分布,其次是|RT-|≤RP+(20.27%),主要包括贵州的务川、湄潭、道真和重庆的彭水、酉阳及湖南的城步、通道等地。前1月,NDVI与气温、降水均以正相关为主,58.28%的区域气温主控(RT+>RP+占56.63%),主要位于研究区中部和南部,而降水主控比例为41.72%(RT+≤RP+占39.91%),集中在区域北部和东南部。前2月,NDVI主控气候因子为气温,类型主要是RT+≤|RP-|(52.90%),包括北部的大部分区域,其次是RT+>RP+(37.72%),主要分布在湖南,尤其是东南部。总体而言,0~2个月滞后期主控气候因子依次是降水、气温和气温,降水的影响随着时间推移逐渐减弱,而气温逐渐增强。