基于樹輪寬度的巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI重建與分析

陳峰，袁玉江，張瑞波，喻樹龍

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆樹木年輪生態(tài)實驗室，中國氣象局樹輪年輪理化研究重點開放實驗室，新疆烏魯木齊， 830002；2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室，西部環(huán)境與氣候變化研究院，甘肅蘭州 730000）

基于樹輪寬度的巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI重建與分析

陳峰1，2，袁玉江1，張瑞波1，喻樹龍1

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆樹木年輪生態(tài)實驗室，中國氣象局樹輪年輪理化研究重點開放實驗室，新疆烏魯木齊， 830002；2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室，西部環(huán)境與氣候變化研究院，甘肅蘭州 730000）

利用巴丹吉林沙漠南緣山地3個采樣點的青海云杉樹輪樣本研制出區(qū)域樹輪寬度年表。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)區(qū)域樹輪寬度年表與5—7月NDVI變化有較好相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.670（P<0.001）。利用線性回歸模型重建了巴丹吉林沙漠南緣山地1765—2010年5—7月NDVI變化，方差解釋量為44.9%。NDVI重建序列揭示在1765—2010年期間巴丹吉林沙漠南緣山地有10個植被生長良好時段和10個植被生長較差時段。同時，NDVI重建序列的低值與河西走廊極端干旱歷史事件有著良好的一致性。多窗譜周期分析發(fā)現(xiàn)，巴丹吉林沙漠南緣山地5—7月NDVI重建序列具有11.4，8.1，4.9，3.4，2.4 a的準(zhǔn)周期變化。交叉小波分析發(fā)現(xiàn)太陽黑子活動是區(qū)域NDVI變化的重要驅(qū)動力之一?；贜DVI與區(qū)域干濕變化良好相關(guān)，分析了極端低值年份和極端高值年份的矢量風(fēng)場距平變化發(fā)現(xiàn)區(qū)域NDVI變化與大范圍氣候場變化有顯著關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)西風(fēng)增強時，研究區(qū)氣候偏濕，有利于樹木生長，NDVI值偏高，形成較寬的樹輪。當(dāng)研究區(qū)被來自北面沙漠地區(qū)氣流控制時候，研究區(qū)氣流偏干，不利于樹木生長。

巴丹吉林沙漠；樹木年輪；NDVI重建；西風(fēng)

河西走廊南山——祁連山分布了大片原始針葉林，因其氣候及冰川水資源的變化對于下游河西走廊綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的重要影響，一直是中國樹輪氣候水文重建研究最為關(guān)注的地區(qū)之一[1-4]。而在河西走廊北部的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠南緣山地，由于其森林稀疏，人煙稀少，年降水不足150 mm，難以形成穩(wěn)定的地表徑流，在以往的樹輪氣候研究中較少受到關(guān)注[5]。巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠南緣山地雖然屬于溫帶荒漠干旱氣候，但其北坡地形相對平緩，在陰坡和迎風(fēng)坡分布成片天然針葉林，最近幾年成為區(qū)域樹輪氣候環(huán)境研究熱點地區(qū)之一，研究人員在這一地區(qū)已建立了多條降水和干旱指數(shù)樹輪序列[5-7]，但針對該地區(qū)植被生長狀況的歷史變化研究還相對較少。由于靠近巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠，該地區(qū)的針葉林生長變化對于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和遏制土地沙漠化有著極為重要的作用。因此，我們有必要對其植被生長狀況歷史變化進行深入研究。

由GIMMS（global inventory monitoring and modeling studies）提供的歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是目前最常用的植被生長監(jiān)測資料之一[8]。由于其消除了火山爆發(fā)、太陽高度角、傳感器靈敏度隨時間變化等影響，能夠有效指示區(qū)域植被生長變化[9]。但由于該NDVI數(shù)據(jù)觀測時間較短，無法滿足植被生長長期變化的研究需要，而許多研究已經(jīng)證實通過建立樹輪指數(shù)與NDVI的關(guān)系，能夠有效利用樹輪資料解決這一問題。目前，樹輪指數(shù)和植被指數(shù)之間關(guān)系的研究多集中在北半球中高緯度地區(qū)。Malmstr?m等[10]在美國阿拉斯加的研究結(jié)果表明樹木年輪寬度與利用NDVI估算得到森林凈初級生產(chǎn)力之間有顯著的正相關(guān)；Berner等[11]發(fā)現(xiàn)俄羅斯和加拿大高緯度地區(qū)1982—2008年夏季森林NDVI值與樹木年輪寬度正相關(guān)；在北美和歐亞大陸中高緯地區(qū)針葉林帶、美國中部大平原等均發(fā)現(xiàn)樹木年輪寬度與植被NDVI有較強的相關(guān)性[12-15]。近年來，在中國北方和青藏高原相關(guān)地區(qū)利用樹輪資料和NDVI數(shù)據(jù)進行區(qū)域植被生長變化重建研究取得了許多重要的進展。例如He和Shao（2006）利用德令哈地區(qū)樹輪寬度指數(shù)重建了該地區(qū)過去1 000 a來草地8月的NDVI變化曲線[16]；Liang等（2009）的研究揭示了中國內(nèi)蒙古東部半干旱草原上樹輪寬度與草原生長季NDVI之間的顯著正相關(guān)關(guān)系，表明可以利用樹輪寬度指示過去草原地上生物量的變化[17]。本文基于三個采樣點青海云杉（Picea crassifolia）樹輪資料，利用線性回歸模型重建巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI變化，并以此為基礎(chǔ)分析巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI的歷史變化特征。巴丹吉林沙漠南緣山地因其特殊的地理位置，是河西走廊對氣候變化的最為敏感區(qū)和脆弱區(qū)之一。該研究工作對于進一步了解中國北方沙漠邊緣區(qū)植被變化提供數(shù)據(jù)支持，對認識氣候變化背景下中國北方沙漠邊緣區(qū)的生態(tài)環(huán)境演變具有重要意義。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況及樹輪資料獲取

受溫帶大陸性氣候和西風(fēng)的綜合影響，巴丹吉林沙漠南緣山地以溫帶荒漠干旱氣候為主。研究區(qū)的主要氣候特征表現(xiàn)為降水稀少，溫度變化幅度大，雨熱同期。根據(jù)張掖氣象站1951—2010年的氣候資料，該地區(qū)年平均降水為130.6 mm，年平均溫度為7.3℃，7月和8月是溫度和降水最高的兩個月。隨著海拔高度變化，研究區(qū)降水和植被覆蓋有著明顯的變化，由下至上依次為荒漠草原帶，針葉林帶以及灌叢帶。林下土壤為灰褐森林土。山地針葉林的建群種為青海云杉（Picea crassifolia），青海云杉已經(jīng)被證明適于利用樹輪寬度進行氣候變化研究[5]。

樹輪采樣工作分別于2009年7月和2011年6月進行。在祁連山國家級自然保護區(qū)的東大山和龍首山兩個保護站的管轄區(qū)內(nèi)布設(shè)了3個采樣點（LLS，DDS1和DDS2），采樣樹種為青海云杉（圖1）。采樣點分布于海拔2 800～3 185 m之間，坡向為北坡和東北坡，坡度為10～30°，森林郁閉度為0.1～0.3（表1）。在上述3個采樣點共計采集了100棵樹的193個樣芯。依照樹輪樣本處理的基本程序，首先對所采樣芯進行晾干、粘貼、磨平。用砂紙將樣芯打磨至年輪輪廓清楚，細胞清晰可見之后，在顯微鏡下在樹芯表面進行記號標(biāo)識。然后用精度為0.001 mm的Velmex輪寬測量儀進行輪寬測量。利用COFECHA程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進行檢驗[18]。樹輪寬度年表的建立是利用ARSTAN程序完成的[19]。我們將3個采樣點的所有樹輪寬度序列利用hugershoff生長函數(shù)進行去除生長趨勢處理[19]。由于樹輪序列之間存在較高相關(guān)系數(shù)（r=0.58），以雙權(quán)重平均法將上述去除生長趨勢后的序列合并成均值為1、最小值為0的無量綱的區(qū)域樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表。最后再使用自回歸模型消除森林內(nèi)部樹木之間競爭所導(dǎo)致的低頻變化,得到區(qū)域樹輪寬度差值年表（圖2）。因為樹輪差值年表在重建巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI效果更為理想，故在以下的研究中我們只展示樹輪寬度差值年表重建結(jié)果。

1.2 氣候和NDVI資料的選取

離研究區(qū)最近的，且觀測時間最長的氣象站為張掖氣象站（38°56′N，100°26′E，海拔1 483.7 m，記錄時段1951—2008年）。經(jīng)初步檢驗確認，張掖氣象站的記錄可靠，無明顯的系統(tǒng)誤差。考慮到前一年的氣候條件可能對當(dāng)年生長季的樹木生長產(chǎn)生一定影響，結(jié)合青海云杉的主要生長季節(jié)（5—8月）[20]，本研究所采用的氣候要素為上一年7月至當(dāng)年9月的月平均溫度和月降水量。所使用的NDVI數(shù)據(jù)為GIMMS（global inventory monitoring and modeling studies）工作組提供的逐月平均NDVI數(shù)據(jù)集，空間分辨率8 km×8 km[8]。一般認為NDVI值超過0.1表示有植被覆蓋，NDVI值越大則植被覆蓋率越高[21]。本研究從該數(shù)據(jù)集中提取出覆蓋研究區(qū)（38.90°～ 39.10°N，100.70°～101.00°E）的逐月平均NDVI值，選取的研究時段為1982年1月至2006年12月。在這一過程中，我們剔除了非植被地物對NDVI的干擾。從NDVI值的月變化來看，從5月到7月呈明顯上升趨勢，并7月達到峰值，之后逐漸下降。

利用相關(guān)函數(shù)（Pearson）分析樹輪寬度年表與氣候和NDVI的關(guān)系，并建立樹輪寬度與NDVI的回歸方程。為評價氣候重建效果，采用逐一剔除檢驗方法進行驗證，計算的統(tǒng)計量有方差解釋量，符號檢驗，誤差縮減值，效率系數(shù)等[22]。利用多窗譜分析對重建序列進行周期分析[23]。

2 結(jié)果

2.1 樹輪寬度指數(shù)與氣候、NDVI的關(guān)系

對樹輪寬度差值年表與張掖氣象站的月平均溫度、月降水量和NDVI進行相關(guān)分析的結(jié)果表明,差值年表與上年7—9月降水量和當(dāng)年5—7月降水量的相關(guān)關(guān)系十分顯著，超過了95%置信水平;而差值年表與月平均溫度的相關(guān)系數(shù)較低，沒有通過95%置信水平的月份（圖3）。從氣候相關(guān)分析結(jié)果看，巴丹吉林沙漠南緣山地降水對于青海云杉生長的影響大于對溫度的影響，這符合研究區(qū)處于干旱區(qū)的實際情況。從對降水相關(guān)看,研究區(qū)青海云杉生長與上年7月至當(dāng)年6月的降水量最為相關(guān)（r= 0.728），這種相關(guān)關(guān)系是由樹木生理過程所決定的。上年7月到當(dāng)年6月包括了上年生長季末期、冬季樹木休眠期和當(dāng)年生長季，該時段降水偏多不僅有利于當(dāng)年生長季中青海云杉樹輪的生長，還將對次年樹輪生長產(chǎn)生影響[24]。以上分析揭示降水是研究區(qū)青海云杉生長最為主要的氣候限制因子。從圖3中還可以看出，巴丹吉林沙漠南緣山地青海云杉當(dāng)年生長季的NDVI與樹輪差值年表相關(guān)性較好。從5月開始，青海云杉生長逐漸旺盛，占樹輪寬度最主要部分--早材快速生長，NDVI與青海云杉樹輪寬度相關(guān)系數(shù)也開始上升，并于6—7月達到最高，這說明樹輪寬度變化與生長季內(nèi)的NDVI變化存在顯著關(guān)聯(lián)。其中，樹輪寬度差值年表與5—7月NDVI變化的聯(lián)系最為緊密，相關(guān)系數(shù)為0.670，通過了99%顯著性檢驗。同時，我們還發(fā)現(xiàn)5—7月NDVI變化與上年7月至當(dāng)年6月的降水量也存在顯著相關(guān)（r=0.457，p<0.05）。在降水量相對充足，土壤水分的脅迫作用減弱的情況下，良好的水分條件會促進青海云杉葉片的光合作用,導(dǎo)致NDVI值上升，增加青海云杉光合作用所產(chǎn)生的積累量，從而使得青海云杉徑向生長增加，形成較寬的樹輪。反之，則會有較低的NDVI值和較窄樹輪。因此，研究區(qū)青海云杉樹輪寬度變化在可以反映巴丹吉林沙漠南緣山地降水變化的同時，也能夠揭示逐年生長季內(nèi)NDVI的變化。

2.2 NDVI重建

基于巴丹吉林沙漠南緣山地區(qū)域樹輪寬度差值年表與生長季的NDVI具有很好的相關(guān)關(guān)系，我們利用巴丹吉林沙漠南緣山地區(qū)域樹輪寬度差值年表重建生長季的5—7月NDVI值，得到重建方程：

NDVI=0.12×RC+0.02，（1）

其中，NDVI為生長季5—7月的平均值，RC為巴丹吉林沙漠南緣山地區(qū)域樹輪寬度差值年表。方程方差解釋量達到44.9%，調(diào)整后的解釋方差為42.5%。根據(jù)重建方程（1），并基于子樣本信號強度（SSS）>0.85的閥值[25]，重建了巴丹吉林沙漠南緣山地1765—2010年間的5—7月NDVI序列變化。圖4為校準(zhǔn)期1982—2006年間由區(qū)域樹輪差值年表重建的5—7月NDVI與實測值的對比，二者表現(xiàn)出很好的一致性。利用逐一剔除法對重建方程進行穩(wěn)定性檢驗，結(jié)果顯示其誤差縮減值和效率系數(shù)分別為0.358和0.333，一階差相關(guān)系數(shù)為0.48，達到了99%置信水平（表2），符號檢驗也達到95%置信水平。以上檢驗結(jié)果說明重建方程穩(wěn)定可靠。3.3NDVI重建序列特征

對巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI序列進行15年低通濾波處理，顯示在1765—2010年間，NDVI經(jīng)歷了10個高值期和10個低值期，植被生長較好的時期有：1772—1787年，1798—1804年，1823—1829年，1839—1848年，1866—1875年，1885—1911年，1935—1946年，1951—1958年，1969— 1984年和2005—2010年。植被生長較差的時段有：1765—1771年，1788—1797年，1805—1822年，1830—1838年，1849—1865年，1876—1884年，1912—1934年，1947—1950年，1959—1968年和1985—2004年,其中1912—1934年這23 a植被生長最差（圖5）。20世紀初以來的NDVI年際波動幅度和時間間隔明顯高于之前的時段。從20世紀80年代末期以來，區(qū)域NDVI有顯著上升趨勢。在這246 a間植被生長最好的10 a為:1786年，1790年，1855年，1888年，1889年，1899年，1955年，1980年，1982年，2010年。最差的10年為:1789年，1895年，1925年，1926年，1928年，1950年，1957年，1962年，1981年，1986年。另外,NDVI重建序列存在著顯著的周期性變化，主要的振蕩準(zhǔn)周期有11.4年，8.1年，4.9年，3.4年和2.4年。上述準(zhǔn)周期變化與騰格里沙漠東緣賀蘭山北部的3—7月帕爾默干旱指數(shù)重建序列周期變化具有良好的一致性[26]，這說明同處亞洲戈壁沙漠南緣的兩者受類似的氣候波動影響。

4 討論

將NDVI重建序列介于Mean（平均值）±σ（標(biāo)準(zhǔn)差）值之間的范圍視為巴丹吉林沙漠南緣山地植被正常生長變化，把NDVI

NDVI重建序列2.4～4.9 a的變化周期可能與ENSO有關(guān)[30]。在本NDVI重建序列中發(fā)現(xiàn)的11.4年變化周期說明了區(qū)域植被生長變化不僅受到干旱脅迫的影響，同時還受到太陽活動影響[27]。交叉小波分析也進一步證實區(qū)域NDVI變化與太陽黑子活動的11年周期波動有著顯著關(guān)聯(lián)（圖6）。

現(xiàn)代氣候觀測資料證實研究區(qū)氣候主要受到西風(fēng)活動控制。研究區(qū)降水重建結(jié)果也發(fā)現(xiàn)研究區(qū)降水與太平洋海溫、大西洋海溫有著緊密關(guān)聯(lián)，并深受西風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交互作用影響[5，31]。我們從NDVI重建序列中挑選有氣候資料記錄（1948—2010年）的5個最高值和6個最低值年份，繪制出5—7月500 hPa矢量風(fēng)場距平合成圖（圖7）。在NDVI值偏高年份，中緯度西風(fēng)輸送增強，亞洲戈壁沙漠地區(qū)受到西風(fēng)氣流控制，同時來自低緯地區(qū)的濕潤氣流能夠更加深入內(nèi)陸，導(dǎo)致巴丹吉林沙漠南緣山地降水偏多，從而緩解干旱壓力，促進研究區(qū)青海云杉生長。相反，在NDVI值偏低年份，中緯度西風(fēng)氣流偏南，亞洲夏季風(fēng)偏弱，研究區(qū)主要受到亞洲戈壁沙漠腹地干燥氣流控制，干旱氣候加重了干旱壓力，不利于青海云杉生長。以上分析也佐證了研究區(qū)氣候和植被生長變化受到了西風(fēng)和亞洲夏季風(fēng)共同作用，其中西風(fēng)驅(qū)動的氣候變化在研究區(qū)氣候環(huán)境變化中起到了主導(dǎo)作用[32-36]。最近30年來NDVI上升趨勢的發(fā)生與中國西北西部暖濕化相同步[32-35]，這說明兩個地區(qū)很可能具有類似的水汽來源，并與西風(fēng)活動有著緊密聯(lián)系[5，26]。這一暖濕化趨勢為研究區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境改善提供良好的氣候條件，這不僅直接反映在降水和濕度得到增加方面，同時在促進區(qū)域植被生長，改善生態(tài)效應(yīng)方面得到了體現(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）巴丹吉林沙漠南緣山地近246 a的5—7月的NDVI經(jīng)歷了10個植被生長良好階段和10個植被生長較差階段，其中NDVI重建序列中的低值與河西走廊地區(qū)極端干旱事件有對應(yīng)關(guān)系。

（2）巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI重建序列存在11.4，8.1，4.9，3.4和2.4 a的變化準(zhǔn)周期，與同處亞洲戈壁沙漠南緣的賀蘭山北部地區(qū)樹輪氣候序列的周期具有良好的一致性。同時，交叉小波分析證實太陽黑子活動對于區(qū)域NDVI值變化有著重要影響大。

（3）5—7月500 hPa矢量風(fēng)場距平表明巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI與區(qū)域氣候變化有著顯著作用。通過矢量風(fēng)場距平分析發(fā)現(xiàn)，巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI主要受到西風(fēng)變化的影響，當(dāng)西風(fēng)增強時，降水有可能增加，有利于青海云杉生長，同時也與季風(fēng)氣流活動有著顯著相關(guān)。

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Reconstruction of Regional NDVI Using Tree-ring Width Chronology in the Southern Edge of the Badain Jaran Desert,Northwestern China

CHEN Feng1，2，YUAN Yujiang1，ZHANG Ruibo1，YU Shulong1
（1.Xinjiang Laboratory of Tree-ring Ecology/Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration,Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems（MOE），Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

A regional tree-ring chronology of Picea crassifolia spanning 1765-2010 was developed from the southern edge of the Badain Jaran Desert,northwestern China.The climate/NDVI response analysis shows the regional tree-ring chronology have a good correlation（r=0.670）with May-July NDVI.Based on the regional tree-ring chronology,we developed a May-July NDVI reconstruction of the southern edge of the Badain Jaran Desert for the period AD 1765-2010.The NDVI/treegrowth model accounts for 44.9%of the observed NDVI variance during the period 1982-2006.Ten high NDVI periods（NDVI values higher than the average of reconstruction）and ten low NDVI periods（NDVI values lower than the average）was found during 1765-2010 respectively,and reflected the strong-weak changes of the Westerlies.There is a reasonable agreement with climatic extremes previously estimated from documentary records in northwest China.The results reveal common climatic extremes over much of Gansu.Many of these events have had profound impacts on the peoples of the Hexi Corridor over the past several centuries.The multitaper method（MTM）spectral analysis indicates the existence of 11.4 years，8.1 years，4.9 years，3.4 years and 2.4 years cycles,which may potentially be the fingerprints of some proposed climate change forcings. Preliminary analysis of links between large-scale climatic variation and the NDVI reconstructions shows that there is a relationship between extremes in NDVI reconstruction and anomalous atmospheric circulation in the region，and revealed that the westerlies have the great effects on the NDVI changes of the study area.

Badain Jaran Desert；tree-ring；NDVI reconstruction；westerlies

P467

B

1002-0799（2015）04-0001-07

陳峰，袁玉江，張瑞波，等.基于樹輪寬度的巴丹吉林沙漠南緣山地NDVI重建與分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（4）：1-7.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.001

2014-11-07；

2015-05-30

科技部公益性行業(yè)（氣象)）科研專項“沙漠地區(qū)歷史氣候變化序列重建研究”（GYHY201206014）；中國沙漠氣象科學(xué)研究基金“樹輪記錄的新疆東部近300年干濕變化及其與周邊地區(qū)之關(guān)聯(lián)”（Sqj2013015）；中央級基本科研業(yè)務(wù)費項目“基于樹輪密度的秦嶺中西部溫度的重建和分析”（IDM201105）共同資助。

陳峰（1982-），男，副研究員，主要從事樹木年輪與氣候變化研究。E-mail：feng653@163.com