長(zhǎng)江上游安寧河流域植被生長(zhǎng)變化對(duì)氣候條件的響應(yīng)

仙 巍，邵懷勇

(1.成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，成都 610225;2.成都理工大學(xué)國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

0 引言

植被變化在全球能量循環(huán)及物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)中具有重要影響［1］。研究表明，無(wú)論在全球尺度還是在區(qū)域尺度上，氣候變化通常是植被動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子［2－3］，因此理解植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制是當(dāng)今科學(xué)界面臨的重要任務(wù)之一［4］。當(dāng)前，利用遙感圖像獲取大范圍植被指數(shù)已成為植被覆被變化研究的主要方法。由遙感圖像獲取歸一化差值植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)被廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)及干旱監(jiān)測(cè)等方面［5－8］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋狀況與氣候的關(guān)系研究，這類研究主要分為特定區(qū)域NDVI與氣候因子年際變化的時(shí)間序列相關(guān)性研究［9－10］和空間相關(guān)性研究［11］。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)北方及青藏高原植被生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的研究較為多見(jiàn)［12－15］，而對(duì)南方地區(qū)尤其是西南農(nóng)牧交錯(cuò)帶的此類研究基本未涉及，而西南農(nóng)牧交錯(cuò)帶處在青藏高原、云貴高原到四川盆地的過(guò)渡區(qū)域，屬于氣候變化敏感帶和生態(tài)脆弱帶，在氣候及植被生長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)類型等方面具有突出的過(guò)渡性，在我國(guó)生態(tài)安全建設(shè)中具有特殊的生態(tài)地位。因此，了解西南農(nóng)牧交錯(cuò)帶的植被生長(zhǎng)狀況及其對(duì)氣候條件的響應(yīng)，對(duì)指導(dǎo)該區(qū)域植被建設(shè)及生態(tài)恢復(fù)工作具有重要意義。

本研究以我國(guó)西南山地農(nóng)牧交錯(cuò)生態(tài)脆弱區(qū)安寧河流域?yàn)檠芯繀^(qū)［16－19］，利用 2001—2008 年 NDVI數(shù)據(jù)及氣象因子數(shù)據(jù)，探討植被變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，以期為研究植被與氣候相互作用提供理論依據(jù)，掌握安寧河流域植被演變的趨勢(shì)，為制定環(huán)境政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安寧河流域位于四川省南部，行政區(qū)劃包括冕寧縣、米易縣、德昌縣和西昌市(圖1)，是四川第二大平原。流域處我國(guó)云貴高原、青藏高原與四川盆地的過(guò)渡地帶，其氣候受亞熱帶季風(fēng)氣候和高原氣候，水平地帶與垂直地帶交叉影響［20－21］，有明顯干濕季。特殊的地理位置和復(fù)雜的氣候條件使得該流域生態(tài)環(huán)境先天脆弱，屬于我國(guó)西南山地農(nóng)牧交錯(cuò)生態(tài)脆弱區(qū)。流域內(nèi)植被類型豐富、珍稀樹(shù)種多，但流域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境條件總體較差，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)規(guī)模較大。因此，研究該區(qū)植被演變及其對(duì)氣候的響應(yīng)，可為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的制定提供參考依據(jù)。

圖1 安寧河流域行政范圍Fig.1 Adm inistrative range of Anning River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

NDVI數(shù)據(jù)采用 NASA Goddard Space Flight Center提供的2001—2008年MOD13Q1數(shù)據(jù)集中的NDVI產(chǎn)品，正弦曲線投影，時(shí)間分辨率16 d，空間分辨率為250 m。由于該數(shù)據(jù)集產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)幾何精糾正，輻射校正，大氣精校正等預(yù)處理，本文僅應(yīng)用MRT和ENVI軟件對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式與投影轉(zhuǎn)換、圖像拼接與裁剪，運(yùn)用最大值合成法將16 d的NDVI數(shù)據(jù)合成為月均值，以消除云、霧及太陽(yáng)高度角等因素對(duì)NDVI的影響。

氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的2001—2008年中國(guó)農(nóng)業(yè)基本氣象資料月數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包括研究區(qū)及周邊地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象站的月平均氣溫和月平均降水量，對(duì)其進(jìn)行Kriging插值，空間分辨率設(shè)置為250 m。采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2套數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)插值精度。結(jié)果顯示差值前后2套數(shù)據(jù)的差異滿足分析要求。

1.3 研究方法

1)利用NDVI柵格數(shù)據(jù)和插值后的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)NDVI和氣溫的年均值和季均值以及年降水量和季降水量，并進(jìn)行一元線性回歸處理，分析其在時(shí)間尺度和空間尺度上的變化趨勢(shì)。

2)對(duì)降水量和氣溫分別與NDVI的相關(guān)性進(jìn)行分析。Pearson相關(guān)系數(shù)R的計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)［22］。如果相關(guān)系數(shù)R通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)或0.01 顯著性檢驗(yàn)(P＜0.01)，表明降水和氣溫與NDVI的相關(guān)性具有較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣候因子的變化特征

安寧河流域的降水量變化存在較強(qiáng)的時(shí)空可變性(圖2)。2001—2008年的8 a間，2001年的年降水量最為充沛，其次是2007年，2 a的年降水量均在420 mm以上，而2003—2005年這3 a的年降水量均在400 mm以下。

圖2 安寧河流域2001—2008年各季度降水量(mm)Fig.2 Quarterly precipitation in Anning River Basin during 2001 to 2008(mm)

如圖2所示，每年第1季度降水量總體都較稀少，有從南往北逐漸遞減的趨勢(shì)，而流域南部降水量在近3 a來(lái)有逐年增加的趨勢(shì);流域間隔2 a左右會(huì)出現(xiàn)1次降水量下降的趨勢(shì);2007年第1季度降水量比往年同期減少。第2季度降水比第1季度有所增加，僅在2005年出現(xiàn)降水量比同期偏少的情況;總體遵循由南向北遞減的趨勢(shì)，但在2004年和2008年出現(xiàn)了南部降水比北部稀少的情況。第3季度為流域雨季，降水量增多，是全年降水量最多的季度;中部地區(qū)降水少于南部和北部地區(qū)，間隔2～3 a北部地區(qū)會(huì)出現(xiàn)一次降水比中部和南部地區(qū)降水多的情況，也說(shuō)明了北部地區(qū)第3季度降水在全年中降水分布相對(duì)不均衡。第4季度降水量也較為稀少，但一般比第1季度的降水量稍多;有南多北少的趨勢(shì)，但2002—2004年間該趨勢(shì)不明顯;2006年和2008年降水量比同期偏高。

研究區(qū)2001—2008年間年均氣溫起伏變化較大，總體趨勢(shì)是每隔2～3 a年均氣溫會(huì)下降0.5～1℃，2001年和2004年氣溫均較低，而結(jié)合降水量的分析可以看出，2004年氣溫及降水量與其他年份相比均屬“異?！蹦攴荨?005和2006年的年均氣溫較高，均超過(guò)了18℃(圖3)。

圖3 安寧河流域2001—2008年各季度平均氣溫(℃)Fig.3 Quarterly mean tem perature in Anning River Basin during 2001 to 2008(℃)

由圖3可以看出，每年第1季度氣溫相對(duì)較低，溫度范圍在7～17℃之間，空間分布上氣溫從北到南逐漸升高，且在不同年份間南北溫差普遍較大，2008年第1季度氣溫在全流域內(nèi)均比往年同期氣溫要低。第2季度氣溫上升幅度較大，最低溫均比上季度升高10℃左右，溫度范圍在16～26℃之間，空間分布仍然遵循南高北低的趨勢(shì)，8 a間南北溫差普遍比第1季度小，但2004年北部地區(qū)比其他年份同期溫度偏低，而2005年南部地區(qū)比其他年份同期溫度偏高。第3季度氣溫仍然較高，低溫比上一季度有所增加，而高溫增加不大，溫度范圍在19～25℃之間分布，說(shuō)明該季度內(nèi)溫度的空間分布差異較小，流域內(nèi)的溫差減小;受緯度因素影響，氣溫空間南高北低趨勢(shì)明顯。第4季度溫度范圍在10～17℃之間，與第1季度的氣溫接近，但流域內(nèi)部溫差相對(duì)第1季度稍小;8 a間，2004年第4季度流域北部地區(qū)比其他年份同期氣溫偏低，而2008年流域南部地區(qū)比其他年份同期氣溫偏高。

2.2 NDVI的變化特征

8 a間，安寧河流域NDVI的空間差異不大，但以增長(zhǎng)為主(增長(zhǎng)區(qū)面積占全區(qū)的 52.38%)。98.36%區(qū)域的變化幅度都集中在－0.05～0.05之間，NDVI≤－0.05 與NDVI＞0.05 的區(qū)域分布零星，僅占研究區(qū)面積的1.64%(表1)。

表1 各變化幅度所占面積百分比Tab.1 Percentage of the area occupied by each changemargin

從每年各季度NDVI來(lái)看(圖4)，第1季度NDVI在大多數(shù)區(qū)域的值偏低，區(qū)域整體植被覆蓋度相對(duì)其他季度差，其中2001年相對(duì)其他年份NDVI偏低，植被覆蓋狀況比其他年份稍差。第2季度全區(qū)NDVI比第1季度有所升高，隨著氣溫和降水量增加，植被覆蓋比第1季度增加，其中2005年NDVI比其他年份的低，特別是研究區(qū)南部NDVI生長(zhǎng)狀況較差。2004年和2007年NDVI較高，除了中東部的安寧河平原外，其他地區(qū)植被覆蓋狀況均好于其他年份。第3季度NDVI在全年中最高，全區(qū)植被覆蓋狀況均較好，包括在其他季度覆蓋狀況較差的中東部安寧河平原在本季節(jié)內(nèi)植被指數(shù)值也較高。第4季度植被指數(shù)值略有下降，但在4個(gè)季度中仍屬植被覆蓋狀況較好的季度。

圖4 安寧河流域2001—2008年各季度平均NDVIFig.4 Quarterly mean NDVI in Anning River Basin during 2001 to 2008

2.3 植被對(duì)氣候因子的響應(yīng)

2001—2008年的8 a間，研究區(qū) NDVI變化與降水量變化和氣溫變化的相關(guān)系數(shù)分別為0.497 8和0.302 4(圖5)，均通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)，表明降水量和氣溫與NDVI的相關(guān)性具有較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且降水量對(duì)植被生長(zhǎng)的影響更大。

圖5 不同降水(左)和不同氣溫(右)條件下NDVI的分布情況Fig.5 Distribution of NDVI in different precipitation(left)and temperature(right)

通過(guò)對(duì)NDVI與氣候因子的季度統(tǒng)計(jì)可知:第1季度NDVI總體偏低，取值范圍在0.55～0.6之間，是4個(gè)季度中最低的。其中，2008年植被指數(shù)值最低，這與2008年第1季度氣溫偏低有關(guān)。各年間第1季度的氣溫變化不大，而降水量年際間存在波動(dòng)，NDVI的波動(dòng)與降水量的波動(dòng)趨勢(shì)保持較高的一致性。第2季度各年份間NDVI差別較大，其中2005年降水量比其他年份偏少，氣溫比其他年份偏高，2005年NDVI顯著低于其他年份，NDVI不足0.6，說(shuō)明降水量和氣溫等氣候因子的變動(dòng)會(huì)直接反映在NDVI上，也就是說(shuō)氣候因子對(duì)植被的生長(zhǎng)有密切影響。第3季度各年份間NDVI相對(duì)第2季度差別減小，2005年該季度雖然降雨量有明顯回升，溫度與其他年份差異也不大，但NDVI的值仍然延續(xù)了上一季度的趨勢(shì)，比其他年份低，說(shuō)明植被的生長(zhǎng)變化與氣候變化相比具有一定的滯后性，這也與Wang等的研究結(jié)論相同［22－24］。同樣，2003 年第 2季度雖然降水量比往年明顯增加，氣溫也較高，水熱條件較好，但該時(shí)期NDVI仍比其他年份偏低，氣候因子影響的滯后性導(dǎo)致2003年第3季度NDVI明顯好于其他年份，而此時(shí)的氣溫和降水量并不占優(yōu)勢(shì)，降水量比其他年份偏低。

第4季度各年份間NDVI總體差異不大，均在0.65上下浮動(dòng)。其中2005年NDVI數(shù)值與其他年份相比差異不大。而2008年第4季度降雨量與其他年份相比屬降雨充沛的年份，溫度比其他年份略偏高，這與2008年較高的NDVI有密切聯(lián)系。而在2008年第1—3季度NDVI比往年大部分時(shí)期偏低，與同期氣候因子也表現(xiàn)出關(guān)系不密切的情況，即氣溫及降水量的增加對(duì)同時(shí)期NDVI影響不大，此現(xiàn)象主要由2007年第2—4季度氣溫偏低，第4季度降水量減少，導(dǎo)致第4季度NDVI降低，而2008年第1—3季度仍然延續(xù)了NDVI偏低的態(tài)勢(shì)，直到2008年第4季度隨著冬季氣溫升高和降水量充沛等氣候環(huán)境的進(jìn)一步改善，NDVI才出現(xiàn)反彈。

3 結(jié)論

本文基于多年高精度MODIS數(shù)據(jù)和安寧河流域及周?chē)貐^(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別從全年和季節(jié)角度分析了2001—2008年間攀西安寧河流域地區(qū)氣溫、降水量及植被的變化情況，以及植被生長(zhǎng)與氣溫、降水量變化的關(guān)系，較好地揭示了該區(qū)域植被變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)特點(diǎn):

1)研究區(qū)降水量變化存在較強(qiáng)的時(shí)空可變性，8 a間呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)，空間上大體呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢(shì);年平均氣溫起伏變化較大，總體趨勢(shì)是每隔2～3 a年均氣溫會(huì)下降0.5～1℃。

2)研究區(qū)植被變化的空間差異不大，但以增長(zhǎng)為主。變化較小的區(qū)域面積占整個(gè)研究區(qū)面積的98.36%，NDVI值增長(zhǎng)區(qū)域面積大于減小區(qū)域，占研究區(qū)面積的52.38%。季節(jié)尺度上，第3季度研究區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)較好，NDVI值較高。研究區(qū)NDVI值總體變化和氣溫、降水量呈正相關(guān)，其中降水對(duì)安寧河流域植被生長(zhǎng)的影響更為明顯。同時(shí)，植被的生長(zhǎng)變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)在時(shí)間上具有一定的滯后性。

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