人类活动与气候变化：中国西南喀斯特地区LAI动态的主导驱动因素识别
植被是陆地生态系统的重要组成部分，是土壤、水和大气之间的天然纽带，对全球环境变化非常敏感。植被动态可以反应陆地生态系统的动态特征和环境的变化。气候和人类活动等环境因素的变化都会影响植被动态。目前常用的残差趋势分析，通过分析植被动态残差的趋势来代表气候变化以外的因素的影响，只能识别研究期内的总体残差趋势，而且无法确定人类活动对植被动态影响的年际波动。为了解决这一问题，本文提出了一种新的残差阈值分析方法。越来越多的研究发现，因为水和热条件不仅影响当前的植被动态，还影响未来的植被动态，植被对气候的响应具有时滞效应。然而，很少有研究考虑植被对气候因素响应的时滞效应，这增加了相关研究结果的不确定性。因此，在建立LAI气候模式时也应考虑时滞效应。云南、贵州、广西等省份由于岩溶地貌分布广泛，环境脆弱，地形复杂和土壤条件差，备受关注。早期的农业活动导致该地区出现了严重的土地退化和生态问题。政府为了遏制生态退化进行了石漠化防治项目，这一措施提高了当地的植被覆盖率，缓解了环境恶化。同时，2000年以来，快速城市化导致大面积植被转化为建设用地，对区域植被生长产生了不利影响。因此，由于气候变化、城市化和生态恢复工程的共同影响，中国西南喀斯特地区的植被动态表现出显著的空间差异。该地区的研究大多集中在植被生长的时空动态特征上，基于这些主导因素的识别，很少探讨生态恢复项目的效果。叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）被广泛认为是量化森林生态系统生态恢复项目有效性的重要指标，受气候变化以及人类活动的影响。本研究的目的是：（1）利用遥感长LAI序列表征植被动态；（2）利用提出的残差阈值法确定植被动态的主导影响因子，探讨各种自然和社会因素如何决定植被动态主导因子的空间差异。研究结果可为生态修复工程的评估与实施提供依据。研究区为中国西南部的云南、贵州、广西三省，其中岩溶地貌占38.6%，面积30万km2（图1）。研究区植被覆盖率高，林地和草地占76.4%，建设用地仅占很小的一部分（1.3%）。海拔自西向东下降，平均海拔1275米。研究区域以亚热带季风气候为主，年平均降水量1021毫米，年平均气温17.6°C，常绿植物种类多样性高。据报道，由于生态脆弱的喀斯特环境中土地管理不当，导致植被和土壤退化，造成岩石景观，威胁该地区的可持续发展，出现了严重的土地退化问题。自1999年政府启动“退耕还林”工程以来，由于植被生长和覆盖率的增加，区域生态质量得到显著改善
Fig. 1. Spatial patterns of elevation (a) and land use type (b) of the study area.
在本研究中使用了以下数据集，并将其转换为空间分辨率为1km的Albers等面积投影。(1)北京师范大学全球地面卫星(GLASS)LAI数据产品(http://glass-product.bnu.edu.cn/)从1983年到2015年，空间分辨率为0.05°，用于表征地表植被覆盖状况；年平均LAI用于表示植被的年生长状态；(2)1982年10月至2015年12月中国气象数据服务中心提供的月温度和降水数据(http://data.cma.cn/)，在应用常用克里格插值技术后进行栅格化；(3)地理空间数据云中的DEM数据(http://www.gscloud.cn/)创建坡度图；(4)地质资料来自中国地质科学院岩溶地质研究所，以绘制岩溶地貌图；(5)来自NOAA的年际调整夜间光照数据(http://ngdc.noaa.gov/)1999年至2012年；(6)资源环境数据云平台土地利用类型数据(http://www.resdc.cn/).为了区分气候变化和人类活动对植被动态的影响，将整个研究阶段划分为两个部分，即：气候变化和人类活动对植被动态的影响。(1)1983年至1998年的参考期。植被动态主要受气候变化的影响。建立了多元回归LAI气候模式。(2)实验期从1999年到2015年。植被动态受气候变化和人类活动的影响。利用LAI气候模式分析了气候变化和人类活动对植被动态的影响。(1)时滞效应的量化。LAI对研究区域气候因子的响应具有时滞效应（Wu et al.，2015）。为了减少LAI气候模型的不确定性，首先分析了时滞效应，然后利用时滞效应对LAI气候模型进行了修正。(2)LAI气候模型的规范。由于空间异质性的存在，不同网格中的气候因素可能对植被产生不同的影响（Piao et al.，2019；Zhu et al.，2016）。因此，该模型是以空间显式格式构建的，即基于栅格的。(3)植被动态主导因子的识别。根据参考期内残差的平均值和标准差，得出阈值。随后，对试验期间的残差进行分析，以确定LAI动态的主导因素。(4)评价地形、地貌和城市发展对LAI动态主导因子空间分布的影响。
Fig. 2. Research framework.
本研究在建立LAI气候模型时考虑了植被对气候因子响应的时滞效应，提出了一种新的残差阈值法来分离气候变化和人类活动对西南岩溶地区三省植被动态的影响。结果表明，在人类活动中生态修复工程产生了显著的积极影响，促进了植被的生长。人类正面影响优势区主要分布在生态修复工程实施区沿线，人类负面影响优势区主要分布在云南山区。在对主导因子空间分布的影响方面，人类活动对植被生长产生积极影响的区域中，喀斯特地貌面积比例具有显著影响。但当喀斯特地貌面积比例超过73.73%时，人类活动的积极影响面积明显减少。因此，在喀斯特地貌分布广泛的地区，应加强生态修复工程的实施。生态修复工程的积极影响可能会被人类活动中的负面影响所抵消，并随着时间的推移逐渐减弱。因此，在植被退化地区，限制人类活动、重视生态修复工程的长期实施效果至关重要。
本文创新地量化了时滞效应，建立了新的叶面积指数LAI气候模型。政府主导的生态修复工程短期效益明显，而长期效益却随时间逐渐减弱，如何优化生态修复方法使其能够长期有效地发挥效益是值得思索的。林媛媛，西北农林科技大学研究生，水土保持与荒漠化防治专业，主要从事流域泥沙与环境方面的研究
Jian Peng, Hong Jiang, Qinghua Liu, Sophie M.Green, Timothy A.Quine, Sijing Qiu, Yanxu Liu, Jeroen Meersmans, Human activity vs. climate change: Distinguishing dominant drivers on LAI dynamics in karst region of southwest China, Science of The Total Environment, 2020, 144297
