基于gis的中國(guó)東北地區(qū)植被物候期與氣候變化的關(guān)系

基于gis的中國(guó)東北地區(qū)植被物候期與氣候變化的關(guān)系

環(huán)境現(xiàn)象是全球氣候變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)（方秀琦，余維紅，2002）。物候作為指示氣候與自然環(huán)境變化的綜合指標(biāo),已被國(guó)際上的許多環(huán)境變化影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目廣泛采用。遙感技術(shù)的發(fā)展,發(fā)展了許多植被物候期的遙感監(jiān)測(cè)方法,可進(jìn)行地區(qū)、大洲、乃至全球范圍的植被物候監(jiān)測(cè)。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告(AR4)指出,1906—2005年全球平均氣溫升高了(0.74±0.18)℃(Solomonetal.,2007),隨著全球氣候變暖,植被物候發(fā)生變化,大量的研究者著重探討物候現(xiàn)象和氣候變化之間的關(guān)系,結(jié)果表明北半球高緯度地區(qū)溫度的增加使植被生長(zhǎng)季延長(zhǎng)(Mynenietal.,1997)。中國(guó)東部地區(qū)春季植被物候與溫度呈非線性變化(Zhengetal.,2002;Zhengetal.,2006),且中國(guó)東部溫帶地區(qū)植被生長(zhǎng)季節(jié)多年平均起訖日期的空間格局與春季和秋季平均氣溫的空間格局相關(guān)顯著(陳效逑等,2007)。中國(guó)溫帶地區(qū)植物物候現(xiàn)象開始日期與其前2—3個(gè)月的平均溫度有重要的聯(lián)系(Piaoetal.,2006)。北京地區(qū)植物生長(zhǎng)與溫度之間的關(guān)系遠(yuǎn)比其與降水之間的關(guān)系密切(張學(xué)霞等,2004;張學(xué)霞等,2005)。因此,植被物候的研究有助于增進(jìn)植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的理解。本文選擇分段式Logistic函數(shù)擬合法模擬1982—2003年?yáng)|北地區(qū)植被物候期,分析東北地區(qū)在全球環(huán)境變化的背景下,植被與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。這對(duì)研究植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制、全球氣候變化的認(rèn)識(shí)具有重要意義。1研究領(lǐng)域和方法1.1陰山山地干草原區(qū)東北地區(qū)位于38°72′N—53°55′N、115°52′E—135°09′E,行政區(qū)劃上包括黑龍江、吉林、遼寧3省全部和內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷,夏季溫度不高,東部地區(qū)年降水量為400～700mm,西部?jī)H為250～400mm。東北地區(qū)東、西、北面被中、低山環(huán)繞,中間是向南敞開的大平原。大部分山地海拔在1000～1500m。植物種類受水熱條件的綜合控制,具有從東南向西北遞減的趨勢(shì)(吳秀芹等,2004)。西部大興安嶺山地為寒溫帶落葉針葉林分布區(qū),以耐寒的興安落葉松(Larixgmelini)為典型樹種;東部的長(zhǎng)白山地為溫帶針闊葉混交林分布區(qū),以喜濕的紅松(Pinuskoraiensis)與楓樺(Betulacostata)為典型樹種;中部的東北平原為溫帶森林草原、草甸草原和干草原分布區(qū),以耐旱的羊草(Aneurolepidiumchinense)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)等植物為典型植物種,并且是我國(guó)重要的商品糧基地。東北地區(qū)從南向北具有暖溫帶、溫帶和寒溫帶的熱量變化,自東向西具有濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)和半干旱的濕度分異,形成了獨(dú)特的植被分布格局,是全球變化研究的敏感區(qū)域之一(王紹強(qiáng)等,2001)。1.2數(shù)據(jù)和預(yù)處理1.2.1ndvi數(shù)據(jù)集NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自GIMMS(GlobalInventoryMonitoringandModelingStudies)研究組提供的NOAA/AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率為8km×8km,時(shí)間分辨率是15d,時(shí)間跨度為1982年1月—2003年12月。該NDVI數(shù)據(jù)集消除了火山爆發(fā)、太陽(yáng)高度角、傳感器靈敏度隨時(shí)間變化等影響。已被廣泛地應(yīng)用于大區(qū)域與全球尺度植被覆蓋研究中(楊元合和樸世龍,2006;Piaoetal.,2006;Suzukietal.,2007;Julien&Sobrinoa,2009)。利用遙感軟件選取1982—2003年中國(guó)東北地區(qū)部分NDVI數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為GRID格式,投影定義為Albers投影,以便進(jìn)行下一步分析。1.2.2生成東北植被類型矢量植被數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植被圖編輯委員會(huì)2001年編制的《1∶1000000中國(guó)植被圖集》的東北地區(qū)部分,對(duì)其進(jìn)行掃描,利用遙感軟件ERDASIMAGINE8.7對(duì)其進(jìn)行投影糾正,投影為Albers投影,糾正誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。然后使用ARCVIEW3.3對(duì)已糾正圖像進(jìn)行數(shù)字化和屬性添加,生成東北地區(qū)植被類型矢量數(shù)據(jù)。2000年?yáng)|北地區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù),由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心沼澤濕地與東北數(shù)據(jù)分中心提供,該數(shù)據(jù)由LandsatTM影像通過(guò)目視解譯方法獲取。該數(shù)據(jù)的解譯方法和數(shù)據(jù)精度已得到廣泛的驗(yàn)證,并已在東北地區(qū)土地利用/覆被變化分析中得到大量應(yīng)用(張樹文等,2006)。因1∶1000000植被圖完成于20世紀(jì)90年代,與當(dāng)前植被狀況存在一定差異,因此,在完成東北地區(qū)植被類型矢量數(shù)據(jù)時(shí),參考2000年?yáng)|北地區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù),對(duì)東北地區(qū)植被類型矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。按照植被亞類將植被類型劃分為9類(圖1),即針葉林、針闊葉混交林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸、沼澤和農(nóng)田,并轉(zhuǎn)為與NDVI空間分辨率相同的柵格數(shù)據(jù)。以便與多年NDVI數(shù)據(jù)疊加,進(jìn)而提取不同植被的物候期。1.2.3數(shù)據(jù)插值精度驗(yàn)證氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的全國(guó)752個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)中東北地區(qū)101個(gè)氣象站點(diǎn)的1982—2003年月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證,剔除不可替代的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后,借助GIS軟件的插值模塊,采用Kriging方法對(duì)氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理,獲取像元大小與NDVI數(shù)據(jù)一致、投影相同的氣候要素柵格數(shù)據(jù)。采用交叉檢驗(yàn)方法,利用誤差平均值和誤差標(biāo)準(zhǔn)差作為指標(biāo),對(duì)插值前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn),以檢驗(yàn)插值精度。t檢驗(yàn)結(jié)果表明,在99%的置信度下絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的顯著性概率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.01,表明插值前后數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異,插值結(jié)果非常理想。1.3趨勢(shì)線分析方法本文選擇趨勢(shì)線分析方法分析1982—2003年?yáng)|北地區(qū)年均溫度和年降水量的空間變化特征。以溫度為例描述趨勢(shì)線分析方法,其反映不同時(shí)期東北地區(qū)的空間分布特征(馬明國(guó)等,2006)。計(jì)算公式為:式中:n為監(jiān)測(cè)時(shí)間段的年數(shù);為第j年溫度的平均值;ΘSlope為趨勢(shì)線的斜率,這個(gè)趨勢(shì)線并不是簡(jiǎn)單的最后一年與第一年的連線,如果ΘSlope>0,則說(shuō)明溫度在n年間的變化趨勢(shì)是增加的,反之則是減少。1.4植物生長(zhǎng)指標(biāo)隨時(shí)間的變化分段式Logistic曲線擬合方法提取東北地區(qū)不同植被物候期的基本原理為:式中:x為植物生長(zhǎng)的時(shí)間(日序);y(x)為待測(cè)植物的生長(zhǎng)指標(biāo),隨時(shí)間t變化的NDVI擬合值;d為標(biāo)準(zhǔn)NDVI值,植被生長(zhǎng)的下限,數(shù)學(xué)意義為L(zhǎng)ogistic函數(shù)的一條漸近線;c為植物生長(zhǎng)指標(biāo)y(x)的上限,數(shù)學(xué)意義為L(zhǎng)ogistic函數(shù)的另一條漸近線;a、b為擬合參數(shù)。本文利用此模型提取1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被類型區(qū)的植被物候期(生長(zhǎng)開始日期和結(jié)束日期)(國(guó)志興等,2010)。1.5溫度和生長(zhǎng)季根據(jù)不同物候期選取不同季節(jié)和月份的平均溫度和降水?dāng)?shù)據(jù),分析氣候因子(溫度和降水量)對(duì)不同植被物候期的影響。生長(zhǎng)季開始日期主要選擇1982—2003年每年的3、4和5月,春季(3—5月)和上一年冬季(12、1和2月)的平均溫度和降水量數(shù)據(jù);生長(zhǎng)季結(jié)束日期主要選擇9、10和11月,夏季(6—8月),秋季(9—11月)和生長(zhǎng)季(4—10月)的平均溫度和降水量數(shù)據(jù);生長(zhǎng)季長(zhǎng)度主要選擇春季、夏季、秋季和生長(zhǎng)季的平均溫度和降水量數(shù)據(jù)。在ARCINFO的GRID環(huán)境下,使用ZONALSTATS命令編寫AML宏語(yǔ)言提取不同植被所在區(qū)域的不同時(shí)期的溫度和降水量數(shù)據(jù),以分析氣候因子對(duì)植被物候期的影響。相關(guān)系數(shù)反映了變量之間的總體相關(guān)程度,本文利用SPSS軟件對(duì)不同植被物候期和可能影響其變化時(shí)期的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。2結(jié)果與分析2.1東北氣候變化特征2.1.1年生全溫度和降水量的相關(guān)分析1982—2003年?yáng)|北地區(qū)22年年均溫平均值為3.42℃,最高值為4.23℃(1994年),最低值為3.02(1983年)。由圖2可見,22年平均溫度呈上升的趨勢(shì),變化率為0.043℃·a-1。東北地區(qū)22年間年降水量平均值為514.00mm,最高值為646.47mm(1998年),最低值為389.91mm(2001年)。年降水量呈下降趨勢(shì),其變化率為4.12mm·a-1。2.1.2氣候變化特征利用趨勢(shì)線分析方法分析1982—2003年?yáng)|北地區(qū)22年年均溫度和年降水量的空間變化特征。由圖3可以看出,22年間東北地區(qū)年均溫度以升高趨勢(shì)為主,僅大興安嶺北部小部分地區(qū)溫度年變化率降低。22年間東北地區(qū)年降水量以減少趨勢(shì)為主,降水量減少的年變化率主要介于0～-16mm·a-1,降水量年變化率增加的面積較少,主要零散分布在小興安嶺北部、三江平原東部和長(zhǎng)白山東部地區(qū)。通過(guò)分析東北地區(qū)不同植被物候期的變化趨勢(shì)(國(guó)志興等,2010)和東北地區(qū)氣候變化特征分析表明1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同類型植被物候期年際波動(dòng)較大,年際變化趨勢(shì)也不盡相同。氣候變化明顯,氣溫升高,降水呈下降趨勢(shì)。為了分析東北地區(qū)植被對(duì)氣候變化的響應(yīng),本文將分析東北地區(qū)不同植被物候期與氣候因子的關(guān)系。2.2在植被生長(zhǎng)季節(jié)，開始日期與氣候因子之間的關(guān)系2.2.1溫度對(duì)針、林、生長(zhǎng)季開始日期的影響對(duì)1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被生長(zhǎng)季開始日期與可能影響其變化的3、4、5月溫度及春季和前一年冬季的平均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(表1)可知,針葉林生長(zhǎng)季開始日期與春季平均溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.47,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明針葉林生長(zhǎng)季開始日期提前(國(guó)志興等,2010)受春季溫度升高影響顯著;同時(shí)受3、4、5月溫度的不同程度影響,4月溫度對(duì)其影響較大,5月次之,3月最小,對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)分別為-0.42、-0.40和-0.32。針闊葉混交林生長(zhǎng)季開始日期與春季和4月溫度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.52和-0.52,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明針闊葉混交林生長(zhǎng)季開始日期推遲(國(guó)志興等,2010)與溫度的變化有關(guān)。同時(shí)受3和5月溫度的不同程度影響,對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)分別為-0.41和-0.32。闊葉林生長(zhǎng)季開始日期與春季平均溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.58,且達(dá)到極顯著水平(P<0.01),與3月和4月溫度相關(guān)系數(shù)分別為-0.49和-0.49,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明闊葉林生長(zhǎng)季開始日期提前(國(guó)志興等,2010)受春季,3和4月溫度升高影響顯著;同時(shí)5月溫度對(duì)其影響相對(duì)較小。草甸生長(zhǎng)季開始日期與春季平均溫度和5月溫度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.50和-0.44,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),同時(shí)4月溫度對(duì)其也有一定影響小,相關(guān)系數(shù)為-0.41。沼澤生長(zhǎng)季開始日期與春季、3月、4月和5月溫度的相關(guān)系數(shù)分別-0.65、-0.47、-0.61和-0.43,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),沼澤生長(zhǎng)季開始日期提前(國(guó)志興等,2010)受春季平均溫度升高影響最大,4月和3月次之,5月最小。灌叢、草原、草叢和農(nóng)田植被生長(zhǎng)季開始日期與春季、3月、4月和5月溫度的影響不明顯,相關(guān)系數(shù)沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P<0.05),且相關(guān)系數(shù)較小。東北地區(qū)植被生長(zhǎng)季開始日期受前一年冬季平均溫度的影響不明顯,相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平(P<0.05),且相關(guān)系數(shù)較小。2.2.2降水對(duì)森林生長(zhǎng)季開始日期的影響對(duì)1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被生長(zhǎng)季開始日期與可能影響其變化的3、4、5月降水及春季和冬季降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(表2)可知,針葉林生長(zhǎng)季開始日期與春季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.49,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明春季降水量的增加抑制針葉林生長(zhǎng)季開始日期提前。同時(shí)3、4和5月降水對(duì)其也有一定影響,但影響不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.31、0.36和0.25。草原生長(zhǎng)季開始日期與5月降水的相關(guān)系數(shù)為-0.43,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明草原生長(zhǎng)季開始日期推遲(國(guó)志興等,2010)受5月降水量減少的影響顯著;春季降水量對(duì)開始日期提前也有一定影響,相關(guān)系數(shù)為0.31,但未達(dá)到顯著水平。針闊葉混交林、灌叢、草叢、草甸、沼澤和農(nóng)田生長(zhǎng)季開始日期受降水影響較小。東北地區(qū)植被生長(zhǎng)季開始日期受前一年冬季降水量的影響不明顯,相關(guān)系數(shù)沒(méi)有達(dá)到顯著水平,且相關(guān)系數(shù)較小。2.3植被生長(zhǎng)季節(jié)結(jié)束日與氣候因子之間的關(guān)系2.3.1不同種類生長(zhǎng)季結(jié)束日期的溫度變化對(duì)1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期與可能影響其變化的9、10、11月溫度及夏季,秋季和生長(zhǎng)季平均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(表3)可知,草原植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期與秋季溫度的相關(guān)系數(shù)為0.43,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明草原植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前(國(guó)志興等,2010)受溫度降低的影響顯著。針葉林生長(zhǎng)季結(jié)束日期推遲(國(guó)志興等,2010)受夏季平均溫度升高影響明顯,但不顯著,相關(guān)系數(shù)為0.35。針闊葉混交林生長(zhǎng)季結(jié)束日期推遲(國(guó)志興等,2010)受秋季和11月平均溫度影響明顯,但影響不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.35和0.31。闊葉林生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前(國(guó)志興等,2010)受夏季,生長(zhǎng)季和10月平均溫度降低影響明顯,但不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.37、0.31和0.30。灌叢生長(zhǎng)季結(jié)束日期受11月溫度影響明顯,但影響不顯著,相關(guān)系數(shù)為0.33。草甸生長(zhǎng)季結(jié)束日期受10月溫度影響明顯,但不顯著,相關(guān)系數(shù)為0.35。沼澤生長(zhǎng)季結(jié)束日期受夏季和10月溫度影響明顯,但不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.37和0.31。草叢和農(nóng)田生長(zhǎng)季結(jié)束日期受溫度的影響較小,相關(guān)系數(shù)較低且不顯著。2.3.2氣調(diào)指標(biāo)對(duì)結(jié)束日期的影響對(duì)1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期與可能影響其變化的9、10、11月降水及夏季、秋季和生長(zhǎng)季降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(表4)可知,針闊葉混交林生長(zhǎng)季結(jié)束日期與秋季和生長(zhǎng)季降水量的相關(guān)系數(shù)都為0.44,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明針闊葉混交林生長(zhǎng)季結(jié)束日提前(國(guó)志興等,2010)受秋季和生長(zhǎng)季降水量減少影響顯著,同時(shí)9、11月和夏季的降水量對(duì)結(jié)束日期也有一定影響,但影響不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.35、0.32和0.36。草原植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期與秋季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.44,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明草原植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前(國(guó)志興等,2010)受秋季降水減少的影響顯著,同時(shí)10月降水對(duì)結(jié)束日期推遲也有一定影響,但影響不顯著,相關(guān)系數(shù)為0.33。草叢生長(zhǎng)季結(jié)束日期與夏季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.57,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明草叢生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前(國(guó)志興等,2010)受夏季降水減少的影響顯著,同時(shí)生長(zhǎng)季降水量對(duì)結(jié)束日期推遲也有一定影響,但影響不顯著,相關(guān)系數(shù)為0.49。農(nóng)田植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期與9月、夏季、秋季及生長(zhǎng)季降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.44、0.47、0.52和0.54,且都達(dá)到顯著性水平(P<0.05),說(shuō)明農(nóng)田植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前(國(guó)志興等,2010)受9月、夏季、秋季及生長(zhǎng)季降水量減少影響顯著。針葉林、闊葉林、灌叢、草甸和沼澤生長(zhǎng)季結(jié)束日期受降水的影響不顯著。2.4植被生長(zhǎng)季節(jié)的長(zhǎng)度與氣候因子的有關(guān)分析2.4.1立地條件對(duì)植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的影響對(duì)1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度與可能影響其變化的春季、夏季、秋季和生長(zhǎng)季平均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(表4)可知,闊葉林和沼澤植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度與春季平均溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.42和0.50,且都達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明闊葉林和沼澤植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度延長(zhǎng)受春季平均溫度升高的影響顯著。其他植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度受不同的季節(jié)溫度的影響不顯著。2.4.2與夏季和生長(zhǎng)季降水的相關(guān)分析對(duì)1982—2003年?yáng)|北地區(qū)不同植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度與可能影響其變化的春季,夏季,秋季和生長(zhǎng)季降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(表6)可知,灌叢植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度與春季降水的相關(guān)系數(shù)為0.49,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明灌叢植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度縮短受春季降水減少的影響顯著。草叢和農(nóng)田植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度與夏季和生長(zhǎng)季降水量的相關(guān)性都達(dá)到顯著水平(P<0.05)。其他植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度在不同季節(jié)受降水的影響不顯著。3不同季節(jié)降水對(duì)植被生長(zhǎng)季開始日期的影響1982—2003年?yáng)|北地區(qū)年均溫度以升高趨勢(shì)為主。僅大興安嶺北