基于gis的中国东北地区植被物候期与气候变化的关系

基于gis的中国东北地区植被物候期与气候变化的关系

环境现象是全球气候变化研究领域的热点（方秀琦，余维红，2002）。物候作为指示气候与自然环境变化的综合指标,已被国际上的许多环境变化影响评价项目广泛采用。遥感技术的发展,发展了许多植被物候期的遥感监测方法,可进行地区、大洲、乃至全球范围的植被物候监测。IPCC第四次评估报告(AR4)指出,1906—2005年全球平均气温升高了(0.74±0.18)℃(Solomonetal.,2007),随着全球气候变暖,植被物候发生变化,大量的研究者着重探讨物候现象和气候变化之间的关系,结果表明北半球高纬度地区温度的增加使植被生长季延长(Mynenietal.,1997)。中国东部地区春季植被物候与温度呈非线性变化(Zhengetal.,2002;Zhengetal.,2006),且中国东部温带地区植被生长季节多年平均起讫日期的空间格局与春季和秋季平均气温的空间格局相关显著(陈效逑等,2007)。中国温带地区植物物候现象开始日期与其前2—3个月的平均温度有重要的联系(Piaoetal.,2006)。北京地区植物生长与温度之间的关系远比其与降水之间的关系密切(张学霞等,2004;张学霞等,2005)。因此,植被物候的研究有助于增进植被对气候变化响应的理解。本文选择分段式Logistic函数拟合法模拟1982—2003年东北地区植被物候期,分析东北地区在全球环境变化的背景下,植被与气候变化的响应关系。这对研究植被对气候变化的响应机制、全球气候变化的认识具有重要意义。1研究领域和方法1.1阴山山地干草原区东北地区位于38°72′N—53°55′N、115°52′E—135°09′E,行政区划上包括黑龙江、吉林、辽宁3省全部和内蒙古东北部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市。研究区属温带大陆性季风气候。冬季寒冷,夏季温度不高,东部地区年降水量为400～700mm,西部仅为250～400mm。东北地区东、西、北面被中、低山环绕,中间是向南敞开的大平原。大部分山地海拔在1000～1500m。植物种类受水热条件的综合控制,具有从东南向西北递减的趋势(吴秀芹等,2004)。西部大兴安岭山地为寒温带落叶针叶林分布区,以耐寒的兴安落叶松(Larixgmelini)为典型树种;东部的长白山地为温带针阔叶混交林分布区,以喜湿的红松(Pinuskoraiensis)与枫桦(Betulacostata)为典型树种;中部的东北平原为温带森林草原、草甸草原和干草原分布区,以耐旱的羊草(Aneurolepidiumchinense)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)等植物为典型植物种,并且是我国重要的商品粮基地。东北地区从南向北具有暖温带、温带和寒温带的热量变化,自东向西具有湿润、半湿润和半干旱的湿度分异,形成了独特的植被分布格局,是全球变化研究的敏感区域之一(王绍强等,2001)。1.2数据和预处理1.2.1ndvi数据集NDVI数据来自GIMMS(GlobalInventoryMonitoringandModelingStudies)研究组提供的NOAA/AVHRR-NDVI数据。数据空间分辨率为8km×8km,时间分辨率是15d,时间跨度为1982年1月—2003年12月。该NDVI数据集消除了火山爆发、太阳高度角、传感器灵敏度随时间变化等影响。已被广泛地应用于大区域与全球尺度植被覆盖研究中(杨元合和朴世龙,2006;Piaoetal.,2006;Suzukietal.,2007;Julien&Sobrinoa,2009)。利用遥感软件选取1982—2003年中国东北地区部分NDVI数据,将数据转为GRID格式,投影定义为Albers投影,以便进行下一步分析。1.2.2生成东北植被类型矢量植被数据来自中国科学院中国植被图编辑委员会2001年编制的《1∶1000000中国植被图集》的东北地区部分,对其进行扫描,利用遥感软件ERDASIMAGINE8.7对其进行投影纠正,投影为Albers投影,纠正误差控制在0.5个像元内。然后使用ARCVIEW3.3对已纠正图像进行数字化和属性添加,生成东北地区植被类型矢量数据。2000年东北地区土地利用矢量数据,由中国科学院资源环境科学数据中心沼泽湿地与东北数据分中心提供,该数据由LandsatTM影像通过目视解译方法获取。该数据的解译方法和数据精度已得到广泛的验证,并已在东北地区土地利用/覆被变化分析中得到大量应用(张树文等,2006)。因1∶1000000植被图完成于20世纪90年代,与当前植被状况存在一定差异,因此,在完成东北地区植被类型矢量数据时,参考2000年东北地区土地利用矢量数据,对东北地区植被类型矢量数据进行修改。按照植被亚类将植被类型划分为9类(图1),即针叶林、针阔叶混交林、阔叶林、灌丛、草原、草丛、草甸、沼泽和农田,并转为与NDVI空间分辨率相同的栅格数据。以便与多年NDVI数据叠加,进而提取不同植被的物候期。1.2.3数据插值精度验证气象数据来自中国气象科学数据共享服务网的全国752个气象站点的数据中东北地区101个气象站点的1982—2003年月平均气温和月降水量数据。对原始数据进行精度验证,剔除不可替代的错误数据后,借助GIS软件的插值模块,采用Kriging方法对气候数据进行空间插值处理,获取像元大小与NDVI数据一致、投影相同的气候要素栅格数据。采用交叉检验方法,利用误差平均值和误差标准差作为指标,对插值前后的数据进行t检验,以检验插值精度。t检验结果表明,在99%的置信度下绝大部分数据的显著性概率均远远大于0.01,表明插值前后数据无显著性差异,插值结果非常理想。1.3趋势线分析方法本文选择趋势线分析方法分析1982—2003年东北地区年均温度和年降水量的空间变化特征。以温度为例描述趋势线分析方法,其反映不同时期东北地区的空间分布特征(马明国等,2006)。计算公式为:式中:n为监测时间段的年数;为第j年温度的平均值;ΘSlope为趋势线的斜率,这个趋势线并不是简单的最后一年与第一年的连线,如果ΘSlope>0,则说明温度在n年间的变化趋势是增加的,反之则是减少。1.4植物生长指标随时间的变化分段式Logistic曲线拟合方法提取东北地区不同植被物候期的基本原理为:式中:x为植物生长的时间(日序);y(x)为待测植物的生长指标,随时间t变化的NDVI拟合值;d为标准NDVI值,植被生长的下限,数学意义为Logistic函数的一条渐近线;c为植物生长指标y(x)的上限,数学意义为Logistic函数的另一条渐近线;a、b为拟合参数。本文利用此模型提取1982—2003年东北地区不同植被类型区的植被物候期(生长开始日期和结束日期)(国志兴等,2010)。1.5温度和生长季根据不同物候期选取不同季节和月份的平均温度和降水数据,分析气候因子(温度和降水量)对不同植被物候期的影响。生长季开始日期主要选择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)的平均温度和降水量数据;生长季结束日期主要选择9、10和11月,夏季(6—8月),秋季(9—11月)和生长季(4—10月)的平均温度和降水量数据;生长季长度主要选择春季、夏季、秋季和生长季的平均温度和降水量数据。在ARCINFO的GRID环境下,使用ZONALSTATS命令编写AML宏语言提取不同植被所在区域的不同时期的温度和降水量数据,以分析气候因子对植被物候期的影响。相关系数反映了变量之间的总体相关程度,本文利用SPSS软件对不同植被物候期和可能影响其变化时期的气候数据进行相关分析。2结果与分析2.1东北气候变化特征2.1.1年生全温度和降水量的相关分析1982—2003年东北地区22年年均温平均值为3.42℃,最高值为4.23℃(1994年),最低值为3.02(1983年)。由图2可见,22年平均温度呈上升的趋势,变化率为0.043℃·a-1。东北地区22年间年降水量平均值为514.00mm,最高值为646.47mm(1998年),最低值为389.91mm(2001年)。年降水量呈下降趋势,其变化率为4.12mm·a-1。2.1.2气候变化特征利用趋势线分析方法分析1982—2003年东北地区22年年均温度和年降水量的空间变化特征。由图3可以看出,22年间东北地区年均温度以升高趋势为主,仅大兴安岭北部小部分地区温度年变化率降低。22年间东北地区年降水量以减少趋势为主,降水量减少的年变化率主要介于0～-16mm·a-1,降水量年变化率增加的面积较少,主要零散分布在小兴安岭北部、三江平原东部和长白山东部地区。通过分析东北地区不同植被物候期的变化趋势(国志兴等,2010)和东北地区气候变化特征分析表明1982—2003年东北地区不同类型植被物候期年际波动较大,年际变化趋势也不尽相同。气候变化明显,气温升高,降水呈下降趋势。为了分析东北地区植被对气候变化的响应,本文将分析东北地区不同植被物候期与气候因子的关系。2.2在植被生长季节，开始日期与气候因子之间的关系2.2.1温度对针、林、生长季开始日期的影响对1982—2003年东北地区不同植被生长季开始日期与可能影响其变化的3、4、5月温度及春季和前一年冬季的平均温度数据进行相关分析(表1)可知,针叶林生长季开始日期与春季平均温度的相关系数为-0.47,且达到显著水平(P<0.05),说明针叶林生长季开始日期提前(国志兴等,2010)受春季温度升高影响显著;同时受3、4、5月温度的不同程度影响,4月温度对其影响较大,5月次之,3月最小,对应相关系数分别为-0.42、-0.40和-0.32。针阔叶混交林生长季开始日期与春季和4月温度的相关系数分别为-0.52和-0.52,且达到显著水平(P<0.05),说明针阔叶混交林生长季开始日期推迟(国志兴等,2010)与温度的变化有关。同时受3和5月温度的不同程度影响,对应相关系数分别为-0.41和-0.32。阔叶林生长季开始日期与春季平均温度的相关系数为-0.58,且达到极显著水平(P<0.01),与3月和4月温度相关系数分别为-0.49和-0.49,且达到显著水平(P<0.05),说明阔叶林生长季开始日期提前(国志兴等,2010)受春季,3和4月温度升高影响显著;同时5月温度对其影响相对较小。草甸生长季开始日期与春季平均温度和5月温度的相关系数分别为-0.50和-0.44,且达到显著水平(P<0.05),同时4月温度对其也有一定影响小,相关系数为-0.41。沼泽生长季开始日期与春季、3月、4月和5月温度的相关系数分别-0.65、-0.47、-0.61和-0.43,且达到显著水平(P<0.05),沼泽生长季开始日期提前(国志兴等,2010)受春季平均温度升高影响最大,4月和3月次之,5月最小。灌丛、草原、草丛和农田植被生长季开始日期与春季、3月、4月和5月温度的影响不明显,相关系数没有达到显著水平(P<0.05),且相关系数较小。东北地区植被生长季开始日期受前一年冬季平均温度的影响不明显,相关系数未达到显著水平(P<0.05),且相关系数较小。2.2.2降水对森林生长季开始日期的影响对1982—2003年东北地区不同植被生长季开始日期与可能影响其变化的3、4、5月降水及春季和冬季降水量数据进行相关分析(表2)可知,针叶林生长季开始日期与春季降水量的相关系数为0.49,且达到显著水平(P<0.05),说明春季降水量的增加抑制针叶林生长季开始日期提前。同时3、4和5月降水对其也有一定影响,但影响不显著,相关系数分别为0.31、0.36和0.25。草原生长季开始日期与5月降水的相关系数为-0.43,且达到显著水平(P<0.05),说明草原生长季开始日期推迟(国志兴等,2010)受5月降水量减少的影响显著;春季降水量对开始日期提前也有一定影响,相关系数为0.31,但未达到显著水平。针阔叶混交林、灌丛、草丛、草甸、沼泽和农田生长季开始日期受降水影响较小。东北地区植被生长季开始日期受前一年冬季降水量的影响不明显,相关系数没有达到显著水平,且相关系数较小。2.3植被生长季节结束日与气候因子之间的关系2.3.1不同种类生长季结束日期的温度变化对1982—2003年东北地区不同植被生长季结束日期与可能影响其变化的9、10、11月温度及夏季,秋季和生长季平均温度数据进行相关分析(表3)可知,草原植被生长季结束日期与秋季温度的相关系数为0.43,且达到显著水平(P<0.05),说明草原植被生长季结束日期提前(国志兴等,2010)受温度降低的影响显著。针叶林生长季结束日期推迟(国志兴等,2010)受夏季平均温度升高影响明显,但不显著,相关系数为0.35。针阔叶混交林生长季结束日期推迟(国志兴等,2010)受秋季和11月平均温度影响明显,但影响不显著,相关系数分别为0.35和0.31。阔叶林生长季结束日期提前(国志兴等,2010)受夏季,生长季和10月平均温度降低影响明显,但不显著,相关系数分别为0.37、0.31和0.30。灌丛生长季结束日期受11月温度影响明显,但影响不显著,相关系数为0.33。草甸生长季结束日期受10月温度影响明显,但不显著,相关系数为0.35。沼泽生长季结束日期受夏季和10月温度影响明显,但不显著,相关系数分别为0.37和0.31。草丛和农田生长季结束日期受温度的影响较小,相关系数较低且不显著。2.3.2气调指标对结束日期的影响对1982—2003年东北地区不同植被生长季结束日期与可能影响其变化的9、10、11月降水及夏季、秋季和生长季降水量数据进行相关分析(表4)可知,针阔叶混交林生长季结束日期与秋季和生长季降水量的相关系数都为0.44,且达到显著水平(P<0.05),说明针阔叶混交林生长季结束日提前(国志兴等,2010)受秋季和生长季降水量减少影响显著,同时9、11月和夏季的降水量对结束日期也有一定影响,但影响不显著,相关系数分别为0.35、0.32和0.36。草原植被生长季结束日期与秋季降水量的相关系数为0.44,且达到显著水平(P<0.05),说明草原植被生长季结束日期提前(国志兴等,2010)受秋季降水减少的影响显著,同时10月降水对结束日期推迟也有一定影响,但影响不显著,相关系数为0.33。草丛生长季结束日期与夏季降水量的相关系数为0.57,且达到显著水平(P<0.05),说明草丛生长季结束日期提前(国志兴等,2010)受夏季降水减少的影响显著,同时生长季降水量对结束日期推迟也有一定影响,但影响不显著,相关系数为0.49。农田植被生长季结束日期与9月、夏季、秋季及生长季降水量的相关系数分别为0.44、0.47、0.52和0.54,且都达到显著性水平(P<0.05),说明农田植被生长季结束日期提前(国志兴等,2010)受9月、夏季、秋季及生长季降水量减少影响显著。针叶林、阔叶林、灌丛、草甸和沼泽生长季结束日期受降水的影响不显著。2.4植被生长季节的长度与气候因子的有关分析2.4.1立地条件对植被生长季长度的影响对1982—2003年东北地区不同植被生长季长度与可能影响其变化的春季、夏季、秋季和生长季平均温度数据进行相关分析(表4)可知,阔叶林和沼泽植被生长季长度与春季平均温度的相关系数分别为0.42和0.50,且都达到显著水平(P<0.05),说明阔叶林和沼泽植被生长季长度延长受春季平均温度升高的影响显著。其他植被生长季长度受不同的季节温度的影响不显著。2.4.2与夏季和生长季降水的相关分析对1982—2003年东北地区不同植被生长季长度与可能影响其变化的春季,夏季,秋季和生长季降水数据进行相关分析(表6)可知,灌丛植被生长季长度与春季降水的相关系数为0.49,且达到显著水平(P<0.05),说明灌丛植被生长季长度缩短受春季降水减少的影响显著。草丛和农田植被生长季长度与夏季和生长季降水量的相关性都达到显著水平(P<0.05)。其他植被生长季长度在不同季节受降水的影响不显著。3不同季节降水对植被生长季开始日期的影响1982—2003年东北地区年均温度以升高趋势为主。仅大兴安岭北