墨西哥西北部埃尔富埃尔特河流域降水趋势对植被的影响：基于NDVI与再分析数据的2000—2025年分析

《Hydrology》：Effects of Precipitation Trends on Vegetation in the El Fuerte River Basin, Northwestern Mexico

　　

流域是自然资源综合管理的适宜自然地域单元。墨西哥西北部的埃尔富埃尔特河流域（EFRB）位于西马德雷山脉西坡，其重要性体现在对锡那罗亚州灌溉系统的贡献、水力发电以及对该流域与北美季风（NAM）相关的季节性降水的强烈依赖。墨西哥西北部已观测到NAM降水的减少。研究人员利用CHIRPS降水数据和ERA5再分析资料，分析了2000—2025年期间埃尔富埃尔特河流域降水趋势与归一化植被指数（NDVI）变率之间的关系。EFRB的陆地植被覆盖以热带干性森林（TDF）为主。结果表明，TDF在旱季和湿季均直接响应降水条件。2011年的极端干旱和一次寒潮扰乱了EFRB的NDVI值，导致在与流域植被组成变化相关的扰动后恢复期出现绿度增加。NAM降水的下降可能与多种因素有关，包括低层纬向风减弱导致的moisture transport减少以及陆地植被覆盖的变化。这些降水趋势变化和反复干旱的影响可能驱动植被结构的进一步变化，从而改变流域的水文循环。

研究背景方面，流域是自然资源综合管理的适宜自然地域单元，其生态水文功能依赖于生物物理组分与人类活动之间复杂相互作用所形成的动态平衡。气候变化的主要影响之一体现在水资源动态上，温度与降水格局的预估变化预计将影响人类消费和生产活动的可用水量，同时增加干旱和洪水等极端气候事件的频率与强度。墨西哥西北部埃尔富埃尔特河流域（EFRB）是锡那罗亚州灌溉系统供水的关键区域，其水文动态高度依赖主要与北美季风（NAM）相关的季节性降水以及热带气旋活动和日最大降水。这种显著的季节性使该流域对干旱事件高度敏感，当降雨亏缺与高温同时出现时干旱会被加剧。EFRB内三座主要水库的年蓄水量在过去十年呈下降趋势，年均减少分别为5.4%、6.5%和7.5%，自2022年以来可用蓄水量低于总容量的25%。EFRB中下游的自然植被通过落叶、光合活性降低和初级生产力下降对水分胁迫作出快速响应，其季节生长状态与发育阶段的降水密切相关，常用归一化植被指数（NDVI）记录。墨西哥西北部已记录到夏季有效降水持续下降趋势，这些趋势预计将显著影响EFRB的植被动态和水资源可用性。该研究旨在利用NDVI时间序列分析降水趋势对富埃尔特河流域植被状况的影响，并通过考察影响与降雨减少及NAM推迟onset相关的环流格局的动态过程引入新方法。研究人员利用CHIRPS降水数据和ERA5再分析资料，分析了2000—2025年期间降水趋势与NDVI变率的关系。结果表明，TDF在旱季和湿季均直接响应降水条件；2011年的极端干旱和寒潮扰乱了NDVI值，导致扰动后恢复期绿度增加并与流域植被组成变化相关；NAM降水的下降可能与低层纬向风减弱导致的moisture transport减少以及陆地植被覆盖变化等多种因素有关；这些降水趋势变化和反复干旱的影响可能驱动植被结构进一步变化，从而改变流域水文循环。该研究意义在于揭示气候变化背景下TDF将面临显著影响，可能影响EFRB的生态状况以及依赖水源捕获的农业和发电生产部门。

关键技术方法方面，研究人员采用CHIRPS准全球降水数据集（50°S—50°N，记录超过35年）与ERA5第五代大气再分析资料（含位势高度HGT、纬向风和经向风及比湿数据，计算925和500 hPa比湿，按月平均并计算2000—2025年异常）；利用Landsat 5、7、8、9任务组合反射率数据（可见光、近红外、短波红外和热红外波段）经协调处理生成NDVI，季均以6—9月为季风季，重采样至1 km；借助Climate Engine 2.1平台计算年降水和标准化降水指数（SPI），采用非参数Sen斜率估计趋势幅度、Kendall Tau-b检验统计显著性，并以12个月尺度SPI-12表征水文干旱。

研究结果方面，3.1 时间与空间尺度上NDVI对降水的响应：EFRB位于NAM核心区，降雨主要在夏季（6—9月），7—8月峰值占年均降水量的80%，流域年均降水561 mm yr^?1；TDF为流域优势土地覆盖，对早期季风降雨直接快速响应，绿度在降雨事件后迅速增加，NDVI最大值出现在季风季末的9—10月；年际NDVI波动主要由降水异常控制，湿年生产力增强、干旱期冠层衰退，湿润绿色年（如2005、2015、2019）与干旱年（如2003、2006、2011）形成鲜明对比，2011年后流域呈现绿度升高趋势。3.2 降水作为NDVI驱动因子：利用SPI-12（CHIRPS和ERA5 Land，2000—2025）识别干旱事件，两数据集一致揭示2010—2012年和2023—2025年主要多年干旱事件；CHIRPS最长干旱为2010—2012年（24个月）和2023—2025年（26个月），ERA5最长为2002—2004年和2023—2025年（各30个月），两数据集最严重干旱均对应最近事件（2023—2025）；降水空间分布呈从沿海向西北部山区递增的梯度，地形影响降水分布。3.3 极端气候事件扰动：2010—2012年严重干旱导致NDVI下降，但干旱不能完全解释2012—2025年向更绿状态的转变，该持续增加可能反映CO₂施肥响应；2011年2月强寒潮导致TDF树木高死亡率；以2011年扰动为参照分扰动前（2000—2010）和恢复期（2012—2025）分析，第一时期高NDVI值出现在流域中部TDF，低值出现在地形洼地的草地和灌丛；扰动导致TDF内树木高死亡率，第二时期呈现植被恢复典型格局，NDVI自2012年起稳步上升并超过扰动前水平，较高NDVI可能与一年生植物和藤本植物增殖有关，早期演替阶段植被在扰动后保留叶片更久至10月和11月；2011年干旱和寒潮减少TDF覆盖，导致植被斑块破碎化和旱季裸土扩大。3.4 降水趋势：CHIRPS和ERA5显示2000—2025年季风核心区夏季降雨以约10 mm yr^?1、旱季约8 mm yr^?1速率下降，负趋势从上流域SMO延伸至墨西哥中部高原，正趋势出现在下游和锡那罗亚、索诺拉沿海；显著趋势（p < 0.05）值较低，部分因研究时段特定及Sen斜率等方法在网格降水数据上受空间自相关限制；NAM区域研究表明最显著下降发生在6—8月降水峰值月，月降水峰值已向9月和10月偏移，与东北太平洋热带气旋活动增加有关。

讨论部分总结：4.1 NDVI年际变率方面，EFRB的NDVI年际变率主要与西北季风区总降水相关，全球TDF对水分可用性高度敏感，降水格局与植被绿度呈强直接耦合；NDVI与降水在2011年前后均未显示强相关，季节和一年滞后检验也无统计相关关系，但植被受前一季NDVI制约且相关性高显著；年数据显示应用1年以上滞后时NDVI与降水存在显著关系，虽微弱但证实夏季降雨影响植被生长；2011年扰动导致TDF高死亡率，恢复阶段次生演替使夏季NDVI值升高，林下生物量早期快速增加产生强NDVI信号，这些生态系统表现出适应水分减少的能力，可能受CO₂施肥促进，此外表土有机质和凋落物含量高可增强演替早期土壤水分恢复，触发快速生长先锋植被增殖；NDVI快速增加可能反映演替植被增殖而非TDF本身真正恢复，2012年后NDVI值持续未能恢复至扰动前水平，2024和2025年NDVI下降可归因于最新干旱事件，尚需野外验证。4.2 NAM水汽通量减少方面，NAM onset延迟趋势可使植被绿化推迟至9—10月降水峰值期，缩短生长季；上流域负降水趋势更明显而沿海平原略增，可能源于沿高程梯度的环流格局改变使对流单体向海岸移动；大气低层和中层热膨胀减少向SMO的水汽通量，主要因湿稳定性增加；位势高度（HGT）自2015年起上升，大气热膨胀可导致水汽浓度降低、比湿减少；低层和中层纬向与经向分量环流呈相似年际变率，经向分量北向增加与NAM降水西北向偏移有关，结合纬向风减弱减少从海洋进入EFRB的水汽输送，与区域干旱条件相关；两个分析期天气尺度环流存在显著差异，第一时期为“湿期”水汽集中于墨西哥西北部、环流有利东太平洋水汽输送，第二时期“干期”墨西哥西北部上空反气旋减少东太平洋向大陆的水汽通量；中层500 mb第一时期比湿和位势高度正异常，第二时期转为负异常且反气旋西移；NAM反气旋西移和西北向扩展已有报道；位势高度增加可促使更大湿稳定性，使更高层水汽输送到达NAM脊以北更远区域；热对比条件变化被认为是全球季风区活动或强度减弱的关键因素；EFRB区域第二时期降水减少（含至少四次强干旱事件）表明驱动机制可能涉及局地因素（如植被变化）以及受加利福尼亚湾SST变化影响的大气环流格局；低层经向风增加似与NAM脊扩展和西北向偏移有关。研究结论翻译：全球季风区趋势表明降水下降，NAM区域也呈现这些负降水趋势，标志向更干条件转变，这影响NAM核心区植被以及TDF和水库的水资源可用性，尤其在EFRB内；大气稳定性变化在减少进入EFRB的水汽通量中起关键作用，该因素与降水下降相关，而更高层水汽输送可能与流域北部对流活动增加有关，极端降雨事件趋势尚需进一步研究；热带干性森林高度易受干旱及更普遍的负降水趋势影响，后者减少植被可获取的水量，2011年寒潮事件与极端干旱共同导致植被尤其是TDF的重大转变，使NDVI值增加；在气候变化背景下，TDF这一生态系统将面临显著影响，可能影响EFRB的生态状况以及依赖水源捕获的农业和发电生产部门。