荒漠草原植被分布的短尺度氣候分析

荒漠草原植被分布的短尺度氣候分析

1ndvi與校園氣候全球變化與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)（tcg）是調(diào)查全球變化的重要組成部分。氣候變化對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響和反饋一直是其研究的重點(diǎn)之一。進(jìn)入90年代,隨著各種遙感對(duì)地觀測(cè)資料的積累,以美國(guó)NASA和NOAA的地球觀測(cè)系統(tǒng)(EarthObservationSystem,EOS)計(jì)劃所建立的探路者數(shù)據(jù)庫(kù)(PathfinderDataSets)為代表,正在建立和完善全球土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)提供了多種空間分辨率、多時(shí)相的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù),包含了全球變化研究所需的若干地表特征值。該數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,極大地推動(dòng)了全球氣候與環(huán)境變化研究。NOAA/AVHRR由于具有獨(dú)特的性質(zhì)而倍受關(guān)注,其數(shù)據(jù)已被證明是極有價(jià)值的區(qū)域、大洲及全球植被研究的重要數(shù)據(jù)源,在大、中尺度植被區(qū)域分布及動(dòng)態(tài)變化研究中具有很大優(yōu)勢(shì)。綠色植被在可見光和近紅外波段的不同反射特性為從空間監(jiān)測(cè)植被提供了創(chuàng)新的方法。歸一化差值植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)就是常被用于監(jiān)測(cè)植被的遙感指數(shù)。對(duì)于NOAA-7和NOAA-9極軌衛(wèi)星搭載的先進(jìn)的甚高分辨率輻射儀(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer,AVHRR),NDVI被定義為:NDVI=(Ch1?Ch2)/(Ch1+Ch2)ΝDVΙ=(Ch1-Ch2)/(Ch1+Ch2)其中:Ch1和Ch2分別代表可見光(0.58～0.68μm)通道和近紅外(0.725～1.1μm)通道。因此,NDVI與綠色葉片生物量、葉面積指數(shù)、植物光合能力、植物總的干物質(zhì)積累以及年凈初級(jí)生產(chǎn)力等均有很好的相關(guān)性。常被用于進(jìn)行大尺度土地覆蓋和植被分類、土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)、模擬各種植被及地表生物物理參數(shù)與氣候變化關(guān)系等方面的研究。然而,在全球變化模擬中利用NDVI存在著明顯的限制,即現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)積累的時(shí)間較短,不足以滿足模型的應(yīng)用。因此基于氣候變量實(shí)現(xiàn)對(duì)NDVI所表示的植被綠度信息的預(yù)測(cè),以表達(dá)生物圈過(guò)去和未來(lái)狀態(tài),對(duì)全球變化研究是非常重要的。本文選擇中國(guó)北方處于北半球中緯度地區(qū)地帶性植被類型——荒漠草原植被作為研究目標(biāo),試圖通過(guò)對(duì)氣溫、降水、遙感影像記錄的植被指數(shù)NDVI、植被蓋度、NPP、區(qū)域蒸散量、土壤含水量等因子變化的綜合分析,闡明該地區(qū)短期的氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。2數(shù)據(jù)來(lái)源和處理方法2.1eros數(shù)據(jù)庫(kù)本項(xiàng)研究所利用的遙感數(shù)據(jù)為NOAA/AVHRR的NDVI數(shù)字影像,來(lái)自美國(guó)地球資源觀測(cè)系統(tǒng)(EarthResourcesObservationSystem,EROS)數(shù)據(jù)中心的探路者數(shù)據(jù)庫(kù)(PathfinderDataSets)。圖像空間分辨率為8km×8km,時(shí)間分辨率為旬,時(shí)間序列為1983-01—1999-12。從原始的NOAA/AVHRR影像到生成本項(xiàng)研究所用的逐月NDVI數(shù)字影像的全部處理過(guò)程均采用國(guó)際上公認(rèn)的、可靠的方法,以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象局在研究區(qū)內(nèi)的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站1961—2000年的逐旬氣溫和降水量資料。2.2數(shù)據(jù)處理方法2.2.1中國(guó)植被類型圖的建立本項(xiàng)研究所選擇的植被類型為分布于內(nèi)蒙古高原中部的荒漠草原,主要分布在二連浩特和鄂爾多斯西部,年降水量150～280mm,年均溫度2.6～4.7℃,土壤為棕鈣土。建群種由強(qiáng)旱生叢生小禾草組成,以戈壁針茅(S.gobica)、石生針茅(S.kleinenzii)等為優(yōu)勢(shì)植物,生產(chǎn)力較低。在GIS支持下,將研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布圖與利用時(shí)間序列NDVI影像分類得到的中國(guó)植被類型圖疊合。從植被類型圖上,提取每一種類型的空間分布范圍,根據(jù)其空間分布的范圍和氣象站點(diǎn)空間分布特征,結(jié)合《中國(guó)植被》中提出的各類型分布區(qū)氣候圖解,標(biāo)定各類型分布區(qū)所對(duì)應(yīng)的氣象站點(diǎn)為:蘇尼特左旗、朱日和(蘇尼特右旗)和二連浩特(圖1)。2.2.2生長(zhǎng)狀況及平均生長(zhǎng)ndvi根據(jù)一年中植物生長(zhǎng)和NDVI變化的規(guī)律,定義:①年NDVI最大值反映了當(dāng)年地表植被生長(zhǎng)的最好狀況;②每年NDVI最大值與最小值的差值為當(dāng)年NDVI的變化量,反映地表植被年內(nèi)生長(zhǎng)狀況的變化;③每年NDVI的平均值代表當(dāng)年植被的平均生長(zhǎng)狀況。即:其中:i=1981,……,2000表示年份,j=1,2,……,36表示旬,NDVImax(i)表示第i年NDVI最大值,NDVImin(i)表示第i年NDVI最小值,NDVId(i)表示第i年NDVI最大值與最小值的差,NDVIt(i)表示第i年NDVI總和,NDVIa(i)表示第i年NDVI平均值。NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)的提取方法詳見參考文獻(xiàn)。2.2.3降水季節(jié)變化的方向2.采用年均溫、年均溫距平值比較年際溫度變化,其中,年均溫距平值表示了多年間溫度的變幅及變化的方向。采用年降水量、降水距平百分率以及降水的季節(jié)分配等指標(biāo)比較年際和季節(jié)的降水變化。其中,降水距平百分率表示了區(qū)域多年間降水的變幅和變化的方向,降水的季節(jié)分配表明每一季節(jié)的降水量在全年總降水量中所占的比例,根據(jù)40年逐月的降水觀測(cè)資料,逐年計(jì)算季節(jié)降水量。3結(jié)果與分析3.1年降水量的季節(jié)動(dòng)態(tài)圖2列出了1961—2000年40年間荒漠草原分布區(qū)對(duì)應(yīng)氣象站的年降水量、年降水量距平百分率、年均溫、年均溫距平值的變化情況(蘇尼特左旗缺1997、1998年氣象資料)?？梢钥闯鲞^(guò)去40年中,研究區(qū)3個(gè)氣象站的年降水量均表現(xiàn)為波動(dòng)性變化。根據(jù)對(duì)40年降水距平百分率的計(jì)算,1961—1982年的22年間,多數(shù)年份的年降水量大于多年的平均值,而1983—2000年,年降水量小于多年平均降水量的年份較大于多年平均降水量的年份多1年,即基本持平?？傮w來(lái)看,該區(qū)域最近約20年的年降水量較前20年相比略有下降。3個(gè)站的年平均氣溫均呈現(xiàn)出程度不同的上升趨勢(shì),說(shuō)明了該區(qū)域氣候變暖的趨勢(shì)。年均溫距平值最大負(fù)距平值為-1.4℃,出現(xiàn)在1970年,最大正距平值為1.1℃,出現(xiàn)在1990年,即40年中年平均溫度最大波動(dòng)為2.5℃。20世紀(jì)80年代,正距平值出現(xiàn)的次數(shù)較負(fù)距平值多,而此前負(fù)距平值出現(xiàn)的次數(shù)較多,進(jìn)一步表明最近20年該區(qū)域增溫效應(yīng)比較明顯,90年代顯得尤為突出。降水的季節(jié)分配對(duì)植物生長(zhǎng)和植被生產(chǎn)力形成有重要的影響。根據(jù)40年間降水季節(jié)分配情況,計(jì)算其季節(jié)分配的年際動(dòng)態(tài)(圖3)。40年中,荒漠草原分布區(qū)春季、冬季降水在波動(dòng)中有減少的趨勢(shì),但1975年以后基本為波動(dòng)狀態(tài),1961—1975年存在幾個(gè)突出的高值;夏秋季節(jié)降水量在年際間呈波動(dòng)性變化,沒(méi)有明顯的遞增或遞減趨勢(shì)。4個(gè)季節(jié)占年總降水量的比例分別為:春季11.3%、夏季67.5%、秋季18.8%、冬季2.5%,即6、7、8三個(gè)月的降水占了全年降水總量的絕大部分,最高年份達(dá)85.2%。3.2ndvimin變化根據(jù)荒漠草原植被在過(guò)去17年的NDVI變化特征記錄,建立3個(gè)樣區(qū)跨越時(shí)間維的多時(shí)相遙感影像特征參數(shù)NDVI離散時(shí)間序列,并采用其算術(shù)平均值作為反映荒漠草原植被NDVI變化的參數(shù)(圖4)。3個(gè)樣區(qū)中,逐年的NDVIa、NDVImax整體上均表現(xiàn)出波動(dòng)中緩慢上升的趨勢(shì),表明植被的生長(zhǎng)狀況總體上有變好的特征,但NDVImax-NDVImin變化不明顯。根據(jù)對(duì)NDVI時(shí)間序列的分析,NDVImax一般出現(xiàn)在每年的7月或8月,真實(shí)的反映出當(dāng)年植被生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期和生長(zhǎng)的狀況。過(guò)去40年間,在3個(gè)氣象站附近選擇的遙感影像NDVI的幾種特征值變化的節(jié)律具有很好的一致性,3種特征值年際變化的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.85。朱日和站NDVIa、NDVImax較其它兩個(gè)站高,究其原因,從遙感影像的植被分類圖上可以清晰地看出,朱日和的緯度偏南,植被類型已經(jīng)處于荒漠草原開始向典型草原的過(guò)渡區(qū)域,植被生長(zhǎng)狀況較處于荒漠草原腹地的二連浩特和蘇尼特左旗好,因此在遙感影像上反映出較高的綠度信息。3.3不同氣候區(qū)的土壤水分變化植被蓋度和凈初級(jí)生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity:NPP)是重要的生態(tài)學(xué)參數(shù),明確表示了植被的生長(zhǎng)狀況和生物生產(chǎn)能力。土壤為植物生長(zhǎng)提供了必須的水分,土壤含水量的大小直接關(guān)系到植被生長(zhǎng)的狀況。區(qū)域的實(shí)際蒸散量反映了生態(tài)系統(tǒng)總的來(lái)水中由于植物生長(zhǎng)的蒸騰作用和地表的蒸發(fā)所消耗掉的水量。這4個(gè)參數(shù)都與區(qū)域氣候變化存在著密切的關(guān)系。根據(jù)在研究中已建立的利用遙感資料和氣候數(shù)據(jù)模擬植被蓋度、NPP、區(qū)域?qū)嶋H蒸散量和在土壤含水量模型基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?式6)(計(jì)算方法和模型見相應(yīng)的參考文獻(xiàn)),計(jì)算了3個(gè)樣區(qū)1988—1995年逐年7月份的植被蓋度、NPP、區(qū)域?qū)嶋H蒸散量、土壤含水量,取其平均值反映整個(gè)區(qū)域的狀況(圖5)。其中,利用中國(guó)北方13省地面90個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量實(shí)測(cè)資料,對(duì)土壤含水量模型的精度進(jìn)行了檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)R2=0.73,說(shuō)明利用遙感數(shù)據(jù)建立的模擬土壤含水量的模型在該區(qū)域是適用的。結(jié)果表明:8年間,研究區(qū)域植被蓋度和NPP均表現(xiàn)出下降的特征,區(qū)域的實(shí)際蒸散量顯示出上升的特征,地表10cm土層的土壤含水量呈下降趨勢(shì)。其中:W10代表地表10cm的土壤含水量,B3代表NOAA/AVHRR3通道的亮溫。3.4氣候變化對(duì)中國(guó)北方沙漠牧場(chǎng)的植被影響3.4.1氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響在上述研究基礎(chǔ)上,為了與遙感影像的時(shí)段相對(duì)應(yīng),統(tǒng)一選擇1983—1999年研究氣候變化與3種NDVI特征參數(shù)的關(guān)系。逐年計(jì)算了研究區(qū)NDVIa、NDVImax-NDVImin和NDVImax與氣溫、降水變化的關(guān)系(表2)。研究表明,①3個(gè)指標(biāo)中,研究區(qū)域的逐年NDVImax與氣溫、降水的變化相關(guān)性較其它兩個(gè)指標(biāo)好,說(shuō)明區(qū)域遙感植被指數(shù)年NDVI最大值(NDVImax)對(duì)氣候的年際變化敏感。同時(shí),考慮到逐年NDVI影像上的NDVImax代表了每個(gè)像元所反映的地表植被在一年中的生長(zhǎng)盛季,真實(shí)地反映出各種土地覆蓋類型的差異,因此,該參數(shù)可以在研究中作為利用氣候資料模擬地表植被圖式的重要遙感參數(shù),以便根據(jù)多年的氣候資料模擬建立NDVImax圖像,嘗試劃分土地覆蓋的格局。②在這一時(shí)段中,從多年溫度距平值和降水距平百分率可以明顯地看出氣候表現(xiàn)為增溫和降水波動(dòng)的特征(圖2)。而降水的年際變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響較增溫的影響大。荒漠草原地處我國(guó)北方的半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡的區(qū)域,植被類型也處于草原植被向荒漠植被過(guò)渡的類型,水分的盈虧是該地區(qū)植被生長(zhǎng)的重要因素,單一的增溫對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用是有限的,合理的水熱條件的配比才能夠滿足植物生長(zhǎng)的需要。③由于夏季的降水量占據(jù)全年的絕大部分,因此夏節(jié)降水量對(duì)植被生長(zhǎng)的影響最為顯著,春季和上年冬季的影響較小。④有研究表明,年最低氣溫即冬季的最低溫度對(duì)下一年植物的生長(zhǎng)有重要影響,我們嘗試計(jì)算了上一年末開始的冬季的最低溫度對(duì)當(dāng)年植被生長(zhǎng)的影響,雖有負(fù)相關(guān)的關(guān)系,但不明顯。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然選擇,植物已經(jīng)與當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r相適應(yīng),除非冬季有極端低溫出現(xiàn),否則對(duì)植物的生長(zhǎng)影響不大。⑤隨著區(qū)域的增溫,3個(gè)站所記錄的NDVImax出現(xiàn)的時(shí)間略有提前的趨勢(shì)(圖6)。已有的利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的研究表明,隨著北半球中緯度地區(qū)的普遍增溫,植被生長(zhǎng)期的開始期(Onset)出現(xiàn)提前的跡象,生長(zhǎng)季延長(zhǎng)。中國(guó)北方植被的生長(zhǎng)情況如何,另文將作詳細(xì)的討論。3.4.2不同增溫條件對(duì)土壤蒸散量的影響圖4所示的幾種遙感特征參數(shù)表明,雖然NDVI變化總體呈上升趨勢(shì),但在1988—1995年間NDVIa、NDVImax呈下降趨勢(shì),利用模型計(jì)算出的同期植被蓋度和NPP也呈下降特征(圖5a,5b),綜合反映了這一時(shí)段內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況變差。同期的氣溫表現(xiàn)出不同程度的上升特征,而降水量變化無(wú)明顯增加或減少的特征(圖2)。同時(shí),根據(jù)遙感模型計(jì)算出的區(qū)域蒸散量有上升到趨勢(shì)(圖5c),地表10cm土層的土壤含水量逐年遞減(圖5d),說(shuō)明了區(qū)域氣溫的升高,加強(qiáng)了土壤的水分蒸發(fā),使土壤失掉了更多的水分,供植物生長(zhǎng)的水分減少,導(dǎo)致了植被生長(zhǎng)能力的下降,反映在遙感影像上即表現(xiàn)為NDVI的遞減,以及植被蓋度和凈第一性生產(chǎn)力NPP的下降。由于增溫使土壤無(wú)效蒸發(fā)帶來(lái)對(duì)水分的需求,即增溫對(duì)土壤干燥化加劇的影響是深刻的,進(jìn)而抑制了地表植被的生長(zhǎng),是導(dǎo)致這一地區(qū)近年來(lái)草場(chǎng)退化嚴(yán)重,總體上使土地荒漠化加劇的重要原因之一。這從另一個(gè)角度證實(shí)了降水以及土壤水分仍然是制約本區(qū)植被覆蓋比例以及生物生產(chǎn)力高低的根本原因。植被的蒸騰量的變化特征有待于繼續(xù)建立遙感模型進(jìn)行深入分析,但從植物生長(zhǎng)的生理機(jī)制分析,由于植物生長(zhǎng)狀況的變差,在這一時(shí)段內(nèi)植物的蒸騰作用應(yīng)呈減弱的特征,因此對(duì)于區(qū)域蒸散量的升高,地表蒸發(fā)量的上升起了主導(dǎo)作用。4ndvix的應(yīng)用(1)從1961—2000年的40年間氣象站記錄的氣溫和降水變化特征分析,處于我國(guó)北方中緯度地區(qū)的荒漠草原區(qū)域年平均氣溫表現(xiàn)出上升的趨勢(shì),是對(duì)北半球中緯度地區(qū)升溫的一個(gè)例證。降水則表現(xiàn)為長(zhǎng)年的波動(dòng)狀態(tài),無(wú)明顯升高或下降的變化趨勢(shì),但春季、冬季降水有減少的趨勢(shì),夏秋季節(jié)變化不明顯。(2)1983—1999年,3個(gè)樣區(qū)中,逐年的NDVIa、NDVImax整體上均表現(xiàn)出波動(dòng)中緩慢上升的趨勢(shì),表明植被的生長(zhǎng)狀況總體上有變好的特征,但NDVImax-NDVImin變化不明顯。經(jīng)比較上述3個(gè)參數(shù)與氣候變化的關(guān)系,結(jié)合它們?cè)谶b感影像上其所記錄的地表特征的意義進(jìn)行綜合分析,發(fā)現(xiàn)NDVImax可以在研究中作為利用氣候資料模擬地表植被圖式的重要遙感參數(shù),可以根據(jù)多年的氣候資料模擬建