植被趋势变化对自然和人类活动的非线性响应及预测 ——以丝绸之路经济带为例

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植被是陆地生物圈的主要组成部分(占陆地表面积的76%),植被的趋势变化及其对气候和人类活动的响应是当前全球变化研究的热点。植被变化是非线性、非平稳的,受自然和人类活动单独和交互作用影响。已有研究揭示了植被变化的线性趋势,然而忽视了植被潜在的趋势转换。尽管大量研究探究了气候与植被的关系,定量区分了气候变化和人类活动对植被变化的相对重要性,然而无法分离不同自然和人为因子及其交互作用对植被变化的非线性影响。同时,当前对不同气候和土地利用变化共同作用下,植被趋势可持续性的预测不足。因此,本文利用1982-2015年2波段增强植被指数(EVI2)、自然和人为因子等数据,基于集合经验模态分解方法(EEMD)和增强回归树模型(BRT),探究了丝绸之路经济带植被非线性变化趋势,及其对气候和人类活动的非线性响应,预测当前情景和未来两种不同共享经济路径情景下(SSP245和SSP585)不同时段(2030s,2050s)植被趋势的可持续性,构建了韦恩图的单独、共同和耦合效应分离法(PSCV),区分气候和土地利用变化的单独、共同和耦合效应对植被趋势可持续性的影响,主要结论如下:(1)研究区23.40%的植被呈单调绿化趋势,主要分布在欧洲中南部和中国西北。同时,26.32%区域植被趋势发生了逆转,且以由绿转褐转换为主(19.90%),主要分布在欧洲东部乌克兰、白俄罗斯和中亚的哈萨克斯坦等国家。因此,忽略趋势的非线性,将会隐藏植被趋势的转换,从而低估了植被由恢复到退化的风险。不同植被类型中,森林单调绿化比例最高(37.69%),主要分布在欧洲中南部和中国西北。耕地和草地由绿转褐比例相对较高,分别为23.31%和24.51%,主要分布在欧洲东部和北部。70.45%的趋势转换点发生在2000年以后,主要集中在欧洲东部和中亚部分地区。(2)植被非线性趋势演替随不同经纬度、高程和植被类型变化。在不同经纬度上,植被趋势单调绿化在45°N以南,85°E附近的中国西北地区和40°E附近的欧洲东南部地区增速更快,并且在2005年之后迅速增加;植被由绿转褐趋势增速在2005年后由快转慢,特别是在北纬45°以北和东经10-110°之间,植被更容易发生趋势转换。对于不同的海拔,植被趋势单调绿化在海拔1000-3000 m之间增速更快,主要发生在中国西北和欧洲南部,1000 m以下增速保持相对稳定;此外,植被由绿转褐趋势在2005年后增速由快转慢,且主要发生在0-500 m,表明植被趋势由绿转褐主要发生在低海拔地区。对于趋势单调绿化,稀疏林地和草地增速较快;对于趋势由绿转褐,森林和耕地增速在2005年后迅速降低。(3)植被非线性变化趋势受气候和人类活动单独或交互作用影响。在植被单调绿化趋势中,土地利用变化(LUCC,21.87%),二氧化碳排放(CO2,7.17%)和最暖季降水(BIO18,6.99%)具有较高的相对重要性。中国西北植被单调绿化随农田和林地的增加、CO2趋势的增加而增长;欧洲中南部植被单调绿化随森林增加和BIO18的加速增长而增加。对于植被趋势由绿转褐,高程(ELEV,11.72%)是最重要因子,而最暖季均温(BIO10,9.42%),年均温(BIO1,6.95%),总降水(BIO12,6.59%)等相对重要性也较高。欧洲地区由绿转褐主要发生在低海拔地区,且随BIO1和BIO12快速增长而增加;中亚地区由绿转褐概率主要随BIO10的增加而增大。植被趋势单调绿化中,土壤湿度和最暖季降水(SOIL和BIO18,13.96%)、二氧化碳和年均温(CO2和BIO1,9.36%)以及土壤湿度与日雪水当量(SOIL和SWE,9.21%)两两交互作用最强。SOIL和BIO18加速增长、CO2减速增长与BIO1加速增长、SOIL和SWE加速增长情况下,两两交互作用是欧洲中南部植被趋势单调绿化的主要因素;SOIL和SWE增速较快的交互是中国西北植被趋势单调绿化的主要原因。在植被趋势由绿转褐中,交互作用较强的是最干季降水与最暖月极高温(BIO17和BIO5,17.84%)、饱和水汽压差与最暖月极高温(VPD和BIO5,12.12%)和土壤湿度与日雪水当量(SOIL和SWE,7.80%)。BIO17和BIO5,以及VPD和BIO5的加速增长情况下,两两交互作用是导致欧洲植被趋势由绿转褐的主要因素;BIO17趋势加速增长和BIO5增长趋势较大情况下,两者交互作用是中亚植被趋势由绿转褐的主要原因。(4)预测未来不同情景下植被趋势的可持续性可为丝绸之路经济带可持续发展提供理论参考。而以往的预测并未同时考虑气候变化与人类活动引起的土地利用的变化。当前情景下,植被趋势单调绿化比例为28.13%,其中,持续的单调绿化比例为16.47%,增加的单调绿化比例(11.66%)大于减少的单调绿化(6.86%)。持续的和增加的单调绿化主要分布在欧洲南部和中国西北的东部。植被趋势由绿转褐的面积比例为20.52%,其中,持续的由绿转褐比例为11.83%,增加的由绿转褐比例为8.69%,主要分布在欧洲东部乌克兰和白俄罗斯和中亚北部的哈萨克斯坦等国家。SSP245情景中,从2030s到2050s时段,植被单调绿化面积比例从26.18%增加到32.84%。其中,持续的单调绿化从9.84%增加到12.07%,分布在中国西北东部和中东,由气候变化单独效应和气候和土地利用变化的共同效应主导。增加的单调绿化比例从16.34%增加到20.77%,主要分布在欧洲南部和中国西北,由气候变化单独效应主导。该情景下,植被由绿转褐比例较低,由共同效应主导。SSP585情景中,从2030s到2050s时段,单调绿化面积从15.36%降为13.42%,其中,持续的单调绿化比例较小,而减少的单调绿化比例高达17.61%,主要分布在欧洲东部,由共同效应主导。由绿转褐比例逐步增加到33.43%,其中,持续的由绿转褐比例为7%左右,主要分布在欧洲东部,由气候变化单独效应和共同效应主导。增加的由绿转褐比例为从21.47%增加到25.61%,主要分布在中亚南部以及欧洲东部地区,同样由气候变化单独效应和共同效应主导。本文的研究结果表明,非线性趋势分析对正确评估植被变化十分重要,避免低估潜在的植被退化风险;探究植被非线性趋势对不同自然和人为因子及其交互作用的非线性响应,可以更全面地评估自然和人为因子对植被变化的影响,从而能更好地应对气候变化和人类活动可能带来的挑战;预测不同气候和土地利用变化情景下植被趋势的可持续性,并分离气候和土地利用变化的单独、共同和耦合效应对植被趋势可持续性影响,为丝绸之路经济带生态系统可能面临的挑战提供预警机制,为确保经济生态的可持续发展提供策略支持。
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