荒漠草原植被分布的短尺度气候分析

荒漠草原植被分布的短尺度气候分析

1ndvi与校园气候全球变化与区域生态系统（tcg）是调查全球变化的重要组成部分。气候变化对土壤生态系统的影响和反馈一直是其研究的重点之一。进入90年代,随着各种遥感对地观测资料的积累,以美国NASA和NOAA的地球观测系统(EarthObservationSystem,EOS)计划所建立的探路者数据库(PathfinderDataSets)为代表,正在建立和完善全球土地覆盖数据库,该数据库提供了多种空间分辨率、多时相的对地观测数据,包含了全球变化研究所需的若干地表特征值。该数据库的建立,极大地推动了全球气候与环境变化研究。NOAA/AVHRR由于具有独特的性质而倍受关注,其数据已被证明是极有价值的区域、大洲及全球植被研究的重要数据源,在大、中尺度植被区域分布及动态变化研究中具有很大优势。绿色植被在可见光和近红外波段的不同反射特性为从空间监测植被提供了创新的方法。归一化差值植被指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)就是常被用于监测植被的遥感指数。对于NOAA-7和NOAA-9极轨卫星搭载的先进的甚高分辨率辐射仪(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer,AVHRR),NDVI被定义为:NDVI=(Ch1−Ch2)/(Ch1+Ch2)ΝDVΙ=(Ch1-Ch2)/(Ch1+Ch2)其中:Ch1和Ch2分别代表可见光(0.58～0.68μm)通道和近红外(0.725～1.1μm)通道。因此,NDVI与绿色叶片生物量、叶面积指数、植物光合能力、植物总的干物质积累以及年净初级生产力等均有很好的相关性。常被用于进行大尺度土地覆盖和植被分类、土地覆盖动态变化检测、模拟各种植被及地表生物物理参数与气候变化关系等方面的研究。然而,在全球变化模拟中利用NDVI存在着明显的限制,即现有遥感数据积累的时间较短,不足以满足模型的应用。因此基于气候变量实现对NDVI所表示的植被绿度信息的预测,以表达生物圈过去和未来状态,对全球变化研究是非常重要的。本文选择中国北方处于北半球中纬度地区地带性植被类型——荒漠草原植被作为研究目标,试图通过对气温、降水、遥感影像记录的植被指数NDVI、植被盖度、NPP、区域蒸散量、土壤含水量等因子变化的综合分析,阐明该地区短期的气候变化对植被生长的影响。2数据来源和处理方法2.1eros数据库本项研究所利用的遥感数据为NOAA/AVHRR的NDVI数字影像,来自美国地球资源观测系统(EarthResourcesObservationSystem,EROS)数据中心的探路者数据库(PathfinderDataSets)。图像空间分辨率为8km×8km,时间分辨率为旬,时间序列为1983-01—1999-12。从原始的NOAA/AVHRR影像到生成本项研究所用的逐月NDVI数字影像的全部处理过程均采用国际上公认的、可靠的方法,以保证数据的质量。气象数据来源于中国国家气象局在研究区内的3个标准气象站1961—2000年的逐旬气温和降水量资料。2.2数据处理方法2.2.1中国植被类型图的建立本项研究所选择的植被类型为分布于内蒙古高原中部的荒漠草原,主要分布在二连浩特和鄂尔多斯西部,年降水量150～280mm,年均温度2.6～4.7℃,土壤为棕钙土。建群种由强旱生丛生小禾草组成,以戈壁针茅(S.gobica)、石生针茅(S.kleinenzii)等为优势植物,生产力较低。在GIS支持下,将研究区域气象站点分布图与利用时间序列NDVI影像分类得到的中国植被类型图叠合。从植被类型图上,提取每一种类型的空间分布范围,根据其空间分布的范围和气象站点空间分布特征,结合《中国植被》中提出的各类型分布区气候图解,标定各类型分布区所对应的气象站点为:苏尼特左旗、朱日和(苏尼特右旗)和二连浩特(图1)。2.2.2生长状况及平均生长ndvi根据一年中植物生长和NDVI变化的规律,定义:①年NDVI最大值反映了当年地表植被生长的最好状况;②每年NDVI最大值与最小值的差值为当年NDVI的变化量,反映地表植被年内生长状况的变化;③每年NDVI的平均值代表当年植被的平均生长状况。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最大值与最小值的差,NDVIt(i)表示第i年NDVI总和,NDVIa(i)表示第i年NDVI平均值。NDVI时间序列数据的提取方法详见参考文献。2.2.3降水季节变化的方向2.采用年均温、年均温距平值比较年际温度变化,其中,年均温距平值表示了多年间温度的变幅及变化的方向。采用年降水量、降水距平百分率以及降水的季节分配等指标比较年际和季节的降水变化。其中,降水距平百分率表示了区域多年间降水的变幅和变化的方向,降水的季节分配表明每一季节的降水量在全年总降水量中所占的比例,根据40年逐月的降水观测资料,逐年计算季节降水量。3结果与分析3.1年降水量的季节动态图2列出了1961—2000年40年间荒漠草原分布区对应气象站的年降水量、年降水量距平百分率、年均温、年均温距平值的变化情况(苏尼特左旗缺1997、1998年气象资料)。可以看出过去40年中,研究区3个气象站的年降水量均表现为波动性变化。根据对40年降水距平百分率的计算,1961—1982年的22年间,多数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较大于多年平均降水量的年份多1年,即基本持平。总体来看,该区域最近约20年的年降水量较前20年相比略有下降。3个站的年平均气温均呈现出程度不同的上升趋势,说明了该区域气候变暖的趋势。年均温距平值最大负距平值为-1.4℃,出现在1970年,最大正距平值为1.1℃,出现在1990年,即40年中年平均温度最大波动为2.5℃。20世纪80年代,正距平值出现的次数较负距平值多,而此前负距平值出现的次数较多,进一步表明最近20年该区域增温效应比较明显,90年代显得尤为突出。降水的季节分配对植物生长和植被生产力形成有重要的影响。根据40年间降水季节分配情况,计算其季节分配的年际动态(图3)。40年中,荒漠草原分布区春季、冬季降水在波动中有减少的趋势,但1975年以后基本为波动状态,1961—1975年存在几个突出的高值;夏秋季节降水量在年际间呈波动性变化,没有明显的递增或递减趋势。4个季节占年总降水量的比例分别为:春季11.3%、夏季67.5%、秋季18.8%、冬季2.5%,即6、7、8三个月的降水占了全年降水总量的绝大部分,最高年份达85.2%。3.2ndvimin变化根据荒漠草原植被在过去17年的NDVI变化特征记录,建立3个样区跨越时间维的多时相遥感影像特征参数NDVI离散时间序列,并采用其算术平均值作为反映荒漠草原植被NDVI变化的参数(图4)。3个样区中,逐年的NDVIa、NDVImax整体上均表现出波动中缓慢上升的趋势,表明植被的生长状况总体上有变好的特征,但NDVImax-NDVImin变化不明显。根据对NDVI时间序列的分析,NDVImax一般出现在每年的7月或8月,真实的反映出当年植被生长最旺盛的时期和生长的状况。过去40年间,在3个气象站附近选择的遥感影像NDVI的几种特征值变化的节律具有很好的一致性,3种特征值年际变化的相关系数R2均大于0.85。朱日和站NDVIa、NDVImax较其它两个站高,究其原因,从遥感影像的植被分类图上可以清晰地看出,朱日和的纬度偏南,植被类型已经处于荒漠草原开始向典型草原的过渡区域,植被生长状况较处于荒漠草原腹地的二连浩特和苏尼特左旗好,因此在遥感影像上反映出较高的绿度信息。3.3不同气候区的土壤水分变化植被盖度和净初级生产力(NetPrimaryProductivity:NPP)是重要的生态学参数,明确表示了植被的生长状况和生物生产能力。土壤为植物生长提供了必须的水分,土壤含水量的大小直接关系到植被生长的状况。区域的实际蒸散量反映了生态系统总的来水中由于植物生长的蒸腾作用和地表的蒸发所消耗掉的水量。这4个参数都与区域气候变化存在着密切的关系。根据在研究中已建立的利用遥感资料和气候数据模拟植被盖度、NPP、区域实际蒸散量和在土壤含水量模型基础上建立的经验模型(式6)(计算方法和模型见相应的参考文献),计算了3个样区1988—1995年逐年7月份的植被盖度、NPP、区域实际蒸散量、土壤含水量,取其平均值反映整个区域的状况(图5)。其中,利用中国北方13省地面90个观测点的土壤含水量实测资料,对土壤含水量模型的精度进行了检验,相关系数R2=0.73,说明利用遥感数据建立的模拟土壤含水量的模型在该区域是适用的。结果表明:8年间,研究区域植被盖度和NPP均表现出下降的特征,区域的实际蒸散量显示出上升的特征,地表10cm土层的土壤含水量呈下降趋势。其中:W10代表地表10cm的土壤含水量,B3代表NOAA/AVHRR3通道的亮温。3.4气候变化对中国北方沙漠牧场的植被影响3.4.1气候变化对植被生长的影响在上述研究基础上,为了与遥感影像的时段相对应,统一选择1983—1999年研究气候变化与3种NDVI特征参数的关系。逐年计算了研究区NDVIa、NDVImax-NDVImin和NDVImax与气温、降水变化的关系(表2)。研究表明,①3个指标中,研究区域的逐年NDVImax与气温、降水的变化相关性较其它两个指标好,说明区域遥感植被指数年NDVI最大值(NDVImax)对气候的年际变化敏感。同时,考虑到逐年NDVI影像上的NDVImax代表了每个像元所反映的地表植被在一年中的生长盛季,真实地反映出各种土地覆盖类型的差异,因此,该参数可以在研究中作为利用气候资料模拟地表植被图式的重要遥感参数,以便根据多年的气候资料模拟建立NDVImax图像,尝试划分土地覆盖的格局。②在这一时段中,从多年温度距平值和降水距平百分率可以明显地看出气候表现为增温和降水波动的特征(图2)。而降水的年际变化对植被生长的影响较增温的影响大。荒漠草原地处我国北方的半干旱区向干旱区过渡的区域,植被类型也处于草原植被向荒漠植被过渡的类型,水分的盈亏是该地区植被生长的重要因素,单一的增温对植被生长的促进作用是有限的,合理的水热条件的配比才能够满足植物生长的需要。③由于夏季的降水量占据全年的绝大部分,因此夏节降水量对植被生长的影响最为显著,春季和上年冬季的影响较小。④有研究表明,年最低气温即冬季的最低温度对下一年植物的生长有重要影响,我们尝试计算了上一年末开始的冬季的最低温度对当年植被生长的影响,虽有负相关的关系,但不明显。经过长期的自然选择,植物已经与当地的气候状况相适应,除非冬季有极端低温出现,否则对植物的生长影响不大。⑤随着区域的增温,3个站所记录的NDVImax出现的时间略有提前的趋势(图6)。已有的利用多时相遥感数据的研究表明,随着北半球中纬度地区的普遍增温,植被生长期的开始期(Onset)出现提前的迹象,生长季延长。中国北方植被的生长情况如何,另文将作详细的讨论。3.4.2不同增温条件对土壤蒸散量的影响图4所示的几种遥感特征参数表明,虽然NDVI变化总体呈上升趋势,但在1988—1995年间NDVIa、NDVImax呈下降趋势,利用模型计算出的同期植被盖度和NPP也呈下降特征(图5a,5b),综合反映了这一时段内植被生长状况变差。同期的气温表现出不同程度的上升特征,而降水量变化无明显增加或减少的特征(图2)。同时,根据遥感模型计算出的区域蒸散量有上升到趋势(图5c),地表10cm土层的土壤含水量逐年递减(图5d),说明了区域气温的升高,加强了土壤的水分蒸发,使土壤失掉了更多的水分,供植物生长的水分减少,导致了植被生长能力的下降,反映在遥感影像上即表现为NDVI的递减,以及植被盖度和净第一性生产力NPP的下降。由于增温使土壤无效蒸发带来对水分的需求,即增温对土壤干燥化加剧的影响是深刻的,进而抑制了地表植被的生长,是导致这一地区近年来草场退化严重,总体上使土地荒漠化加剧的重要原因之一。这从另一个角度证实了降水以及土壤水分仍然是制约本区植被覆盖比例以及生物生产力高低的根本原因。植被的蒸腾量的变化特征有待于继续建立遥感模型进行深入分析,但从植物生长的生理机制分析,由于植物生长状况的变差,在这一时段内植物的蒸腾作用应呈减弱的特征,因此对于区域蒸散量的升高,地表蒸发量的上升起了主导作用。4ndvix的应用(1)从1961—2000年的40年间气象站记录的气温和降水变化特征分析,处于我国北方中纬度地区的荒漠草原区域年平均气温表现出上升的趋势,是对北半球中纬度地区升温的一个例证。降水则表现为长年的波动状态,无明显升高或下降的变化趋势,但春季、冬季降水有减少的趋势,夏秋季节变化不明显。(2)1983—1999年,3个样区中,逐年的NDVIa、NDVImax整体上均表现出波动中缓慢上升的趋势,表明植被的生长状况总体上有变好的特征,但NDVImax-NDVImin变化不明显。经比较上述3个参数与气候变化的关系,结合它们在遥感影像上其所记录的地表特征的意义进行综合分析,发现NDVImax可以在研究中作为利用气候资料模拟地表植被图式的重要遥感参数,可以根据多年的气候资料模拟建