Spatial-temporal dynamics of desert vegetation and its responses to climatic variations over the last three decades:a case study of Hexi region in Northwest China

Analysis of spatial-temporal variations of desert vegetation under the background of climate changes can provide references for ecological restoration in arid and semi-arid areas. In this study, we used the Global Inventory Modeling and Mapping Studies （GIMMS） NDVI data from 1982 to 2006 and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer （MODIS） NDVI data from 2000 to 2013 to reveal the dynamics of desert vegetation in Hexi region of Northwest China over the past three decades. We also used the annual temperature and precipitation data acquired from the Chinese meteorological stations to analyze the response of desert vegetation to climatic variations. The average value of NDVImax （the maximum NDVI during the growing season） for desert vegetation in Hexi region increased at the rate of 0.65x10-3/a （P〈0.05） from 1982 to 2013, and the significant increases of NDVImax mainly appeared in the typical desert vegetation areas. Vegetation was significantly improved in the lower reaches of Shule and Shiyang river basins, and the weighted mean center of desert vegetation mainly shifted toward the lower reaches of the two basins. Almost 95.32% of the total desert vegetation area showed positive correlation between NDVImax and annual precipitation, indicating that precipitation is the key factor for desert vegetation growth in the entire study area. Moreover, the areas with non-significant positive correlation between NDVImax and annual precipitation mainly located in the lower reaches of Shiyang and Shule river basins, this may be due to human activities. Only 7.64% of the desert vegetation showed significant positive correlation between NDVImax and annual precipitation in the Shule River Basin （an extremely arid area）, indicating that precipitation is not the most important factor for vegetation growth in this basin, and further studies are needed to investigate the mechanism for this phenomenon.

气候变化和土地利用覆盖变化对河西地区植被净初级生产力的影响

河西地区不仅是我国重要的生态安全保护优先区,而且是丝绸之路经济带核心地段,开展该地区植被净初级生产力(NPP)评估及驱动力定量分析对于陆地生态系统与大气碳交换、气候变化与人类活动对植被综合作用等研究具有重要的理论价值和现实意义。基于MOD17A3产品数据、土地利用覆盖数据和气象数据,采用R-贡献率和偏相关分析方法,分析了2000—2020年河西地区植被NPP变化特征及土地利用覆被和气候变化对NPP的影响,结果表明:(1)河西地区耕地、水域和居民建筑用地面积整体呈增加趋势,而草地和未利用土地面积有所减少,且2010年后的土地利用覆盖变化(LUCC)整体动态度显著提高,其中,草地、耕地、建设用地和未利用地主导了土地利用类型的相互转换。(2)河西地区整体植被NPP呈增长趋势,2000—2010年和2010—2020年的变化斜率分别为0.86和1.29,且植被NPP具有明显的区域异质性,由东南向西北递减。(3)2000—2020年河西地区LUCC对植被NPP的影响逐渐增大,且气候变化对植被NPP的贡献率普遍高于LUCC,但二者对不同土地利用覆盖类型所起的作用不同,表现为耕地、林地和草地的植被NPP影响因子以气候变化为主导,未利用土地和居民建筑用地的植被NPP影响因子逐步以LUCC为主导。

近40a甘肃河西地区大风日数时空分布特征

以1951-2000年甘肃河西19个气象站气象记录为主要数据源，运用气候统计学方法，分析了河西地区近40a大风日数的时空变化特征及其区域差异，结合地形地貌和大尺度天气系统变化，分析了导致大风日数分布特征的自然环境背景。结果表明：大风日数高值区位于河西地区的西部及高山地，从年内分布看，3～6月较多，占全年的60％以上，其次是2月和7月；从年际变化看，河西大风日数年际变化的共同特点是：1963—1976年是大风天气的频发期，之后呈波动式减少趋势，20世纪90年代中期是大风天气的低发期，90年代后期进入新一轮的波动增长期。大风天气受全球气候变化、大尺度天气系统及局地地形和下垫面性质的影响，大风日数多发期与反厄尔尼诺事件和干冷气候期相对应。

河西地区最大连续降水事件的时空变化特征

选取河西地区13个气象站点1960—2011年逐年日降水资料,采用线性趋势、反距离加权法、Mann—Kendall检验以及R/S分析法,选取4个极端降水指标,分析了河西地区极端降水事件的时空变化特征及未来变化趋势。结果表明,河西地区近52a最大1d降水量和最大2～3d连续降水量呈增加趋势,而最大4d连续降水量呈减少趋势,但变化都不显著。除最大4d连续降水量未来表现为持续性外,其它不同天数最大连续降水未来变化趋势与过去相反。最大1d降水量和最大2d连续降水量与降水总量有很好的相关性,可见最大1d和最大2d连续降水量对降水总量有很好的指示性。在空间分布上,不同天数最大连续降水表现出明显的空间差异,且不同区域的过去和未来变化趋势也不尽相同。研究还发现,在0.05的置信度下,河西地区不同天数最大连续降水发生了明显的突变现象,但突变年份不尽相同。

近55年来河西地区干旱时空演变特征及其与ENSO事件的关系

根据河西地区14个气象站点1961-2015年的逐月气象观测资料,基于SPEI指数采用Mann-Kendall趋势检验法、反距离加权插值(IDW)等方法分析了近55年来河西地区年代际、四季干旱及空间变化特征,并探讨了ENSO事件与该区干旱的关系。结果表明:在年代际变化上,自20世纪90年代以来河西地区干旱次数增多、干旱程度加重。季节时间变化上,河西地区春、夏、秋季均呈干旱化趋势,春季干旱化趋势最为突出,夏季次之,冬季略呈变湿趋势。空间变化上,整个河西地区春季均呈干旱化趋势,而且大部分地区的春旱趋势极为显著,其中春旱趋势最显著的地方是金塔;冬季整个研究区趋于湿润化。各季节干旱高频区分别集中在:春季在金塔、民勤地区,夏季在河西西北部,秋季在河西中东部及西部的安西—玉门一线,冬季在101°E以西的河西地区。河西地区秋季SPEI与SSTA指数的相关性最为显著,春季次之,夏季最弱。ENSO事件发生强度与河西地区SPEI影响因子的多项式拟合关系表明,ENSO事件强度对温度的影响高于降水;其中在ENSO暖事件(厄尔尼诺事件)发生年份,气温有明显的上升趋势;在ENSO冷事件(拉尼娜事件)发生年份,少数年份降水有所增加,对气温的影响较弱。

近20a河西地区绿洲效应时空变化特征及归因分析

绿洲效应在改善干旱区气候,支持绿洲系统自我维持和发展等方面发挥着极为重要的作用。本文以甘肃省河西地区为研究区,利用气象和遥感数据,选取绿洲效应强度指标,采用地理探测器模型,揭示近20 a绿洲效应时空变化特征,分析了绿洲效应强度影响因素。结果表明:(1)2000—2020年期间,研究区绿洲效应强度在春夏冬季均呈增大趋势,秋季呈减小趋势,白天与相应季节变化相似,但强度更大,最强为夏季,增加1.43℃;夜间春夏秋季变化与相应季节相似,但强度较低,2000年秋季和2010年冬季夜间出现微弱的绿洲暖岛效应;(2)强绿洲效应(“冷岛”)面积占比在夏季最大且变化较小,而绿洲“暖岛”效应面积占比冬季最大,呈逐年减小趋势;(3)夏季绿洲效应强度与绿洲的植被覆盖变化具有强负相关性,相关系数达-0.917。气候和地表因素是河西地区绿洲效应强度的主控因素,地表反照率的影响最弱,且因子间的交互作用不容忽视。

近55年来河西地区沙尘暴时空演变特征

根据河西地区15个地面气象站近55年沙尘暴观测资料,运用线性拟合、Mann-Kendall方法进行趋势和突变分析。分析表明:近55年河西地区沙尘暴季、年递减趋势显著。年沙尘暴日数空间分布特征明显,年最大值出现在民勤(25.5d)。河西各区域沙尘暴日数在20世纪90年代初出现了减少突变。沙尘暴日数与大风日数之间有显著的正相关,与平均气温存在显著负相关。气候变暖,大风日数减少,是造成沙尘暴日数减少的主要原因。

河西地区社会—生态系统恢复力时空演变特征及影响因素

立足社会—生态系统恢复力理论视角,从脆弱性和应对能力两个维度及社会、经济、生态三个系统构建社会—生态系统恢复力评价指标体系,分析社会—生态系统恢复力时空演变特征,并识别其障碍因子。研究发现:1)2000-2020年,社会—生态系统恢复力呈波动上升态势,整体处于较低和中等恢复力阶段。其中,社会系统恢复力呈“下降—上升”态势,处于较低和中等恢复力阶段;经济系统恢复力亦呈“下降—上升”态势,处于中等恢复力阶段;生态系统恢复力呈“上升—下降”态势,处于较低恢复力阶段。2)社会—生态系统恢复力整体呈“西北低—东南高”的分布格局,空间变化不大。其中,社会系统恢复力高值区分布在市辖区和资源型城市,空间变化显著;经济系统恢复力空间格局与经济发展水平具有一致性,变化县区主要集中在西部,中东部县区基本不变;生态系统恢复力高值区分布在祁连山沿线,变化县区分布在西部,不变县区分布于中东部。3)区域内部各研究单元恢复力障碍因子差异性显著。城市供水总量和规模以上工业企业产值是制约河西地区社会—生态系统恢复力提升的主要障碍因子。