晝夜增溫速率的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)新疆地區(qū)植被動(dòng)態(tài)的影響

趙 杰,劉雪佳,杜自強(qiáng)*,武志濤,徐小明(.山西大學(xué)黃土高原研究所,山西 太原 030006；.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

晝夜增溫速率的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)新疆地區(qū)植被動(dòng)態(tài)的影響

趙 杰1,劉雪佳2,杜自強(qiáng)1*,武志濤1,徐小明1(1.山西大學(xué)黃土高原研究所,山西 太原 030006；2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

結(jié)合1982～2013年歸一化植被指數(shù)(NDVI)、植被類(lèi)型和氣象數(shù)據(jù),分別利用一元線性回歸和二階偏相關(guān)分析方法,分析了新疆地區(qū)生長(zhǎng)季白天最高氣溫(Tmax)和生長(zhǎng)季夜間最低氣溫(Tmin)的變化趨勢(shì)以及晝夜增溫的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)各類(lèi)型植被活動(dòng)的影響.結(jié)果表明：近 32年來(lái)新疆地區(qū)Tmax及Tmin都存在極為顯著的上升趨勢(shì),生長(zhǎng)季Tmin的增長(zhǎng)速率約為T(mén)max增長(zhǎng)速率的1.5倍,晝夜增溫速率呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)性;晝夜增溫對(duì)植被活動(dòng)的影響呈現(xiàn)出明顯的分異特征：相比于白天增溫,夜間溫度的變化對(duì)新疆植被的影響區(qū)域更為廣泛,而且對(duì)植被的影響程度更大;各植被類(lèi)型 NDVI對(duì)晝夜增溫速率的不對(duì)稱(chēng)性也產(chǎn)生了不同的響應(yīng)：白天增溫對(duì)針葉林產(chǎn)生顯著的積極影響,而夜間增溫對(duì)針葉林、農(nóng)業(yè)植被、草原及草甸植被表現(xiàn)出顯著的積極影響.

不對(duì)稱(chēng)性增溫；植被動(dòng)態(tài)；白天增溫；夜間增溫；新疆地區(qū)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是連接大氣、土壤、水體的自然紐帶,在全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中充當(dāng)著“指示器”的作用[1-2].氣候變化是植被活動(dòng)的重要影響因素,溫度、降水等作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要環(huán)境因子,對(duì)植被的生長(zhǎng)和物候等具有重要影響[3].目前,國(guó)內(nèi)外在植被動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子的相互關(guān)系方面進(jìn)行了大量的研究,得到不同的研究區(qū)域和不同的時(shí)空尺度下植被生長(zhǎng)對(duì)氣溫和降水的時(shí)空響應(yīng)特征[3-9].

過(guò)去50年的氣溫?cái)?shù)據(jù)表明,全球地表晚間升溫增速約為白天的 1.4倍[10].由于大部分地表植物的光合作用在白天進(jìn)行,然而植物呼吸作用貫穿全天.因此,這種不均衡的變暖速率必然會(huì)影響植被的碳吸收和碳消耗[11].目前,國(guó)內(nèi)外在植被動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子相互關(guān)系方面的研究大多集中于植被對(duì)平均氣溫變化的響應(yīng);考慮晝夜增溫速率不一致對(duì)植被生長(zhǎng)變化影響的研究相對(duì)較少.Wan等[12]通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)研究了內(nèi)蒙古草原日最高氣溫、夜間最低氣溫與歸一化植被指數(shù)(NDVI)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)日最高溫的增加抑制了該地區(qū)草地樣地NDVI的升高,而夜間最低溫的升高則促進(jìn)了草地樣地NDVI的增加.Peng等[10]利用遙感數(shù)據(jù)、大氣CO2濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù),系統(tǒng)地研究了白天和晚上溫度上升對(duì)北半球植被生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能影響,發(fā)現(xiàn)白天溫度的升高有利于大部分寒帶和溫帶濕潤(rùn)地區(qū)植被生長(zhǎng)及其生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能,但并不利于溫帶干旱和半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng).而在晚上,溫度上升對(duì)植被生長(zhǎng)的影響相反.梁春玲等[13]利用氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)計(jì)算了近40年來(lái)晝夜增溫對(duì)南四湖濕地植被 NDVI 的影響差異,發(fā)現(xiàn)NDVI與白天氣溫呈現(xiàn)極顯著的偏相關(guān)關(guān)系,而夜間氣溫與 NDVI 的偏相關(guān)關(guān)系在任何時(shí)期內(nèi)均不顯著.可見(jiàn),不同地區(qū)或者不同類(lèi)型植被對(duì)晝夜溫度變化的響應(yīng)具有明顯的差異.

新疆(E73°40′～96°33',N34°25′～49°10′)地處中國(guó)中溫帶極端干旱的荒漠地帶,自然環(huán)境復(fù)雜、氣候類(lèi)型各異、水熱分布懸殊,這為從局地尺度驗(yàn)證更大尺度的植被與氣候變化相互關(guān)系提供了良好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所[14].

本文利用近32年新一代NDVI數(shù)據(jù)集以及中國(guó)植被分類(lèi)數(shù)據(jù)、白天和夜間極端氣溫?cái)?shù)據(jù),分析新疆地區(qū)晝夜氣溫、植被NDVI生長(zhǎng)季變化及對(duì)晝夜不對(duì)稱(chēng)增溫響應(yīng)的差異.以期豐富全球氣候變化背景下,晝夜溫度上升對(duì)中國(guó)內(nèi)陸干旱、半干旱地帶生態(tài)系統(tǒng)植被活動(dòng)影響的認(rèn)識(shí),為不同植被類(lèi)型對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征研究提供借鑒.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 遙感數(shù)據(jù) 1982～2013年 NDVI數(shù)據(jù)是由美國(guó)國(guó)家航空航天局的全球觀測(cè)模擬與制圖研究組(Global Inventory Modeling and Mapping Studies, GIMMS)提供的第3代NOAA/AVHRR遙 感 數(shù) 據(jù)(NDVI3g)(http：//www.landcover.org/ data/gimms),其空間分辨率為8km,時(shí)間分辨率為15d.該數(shù)據(jù)集消除了太陽(yáng)高度角、傳感器靈敏度隨時(shí)間變化等影響,并結(jié)合交叉輻射定標(biāo)的方法,增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的精度,已被廣泛應(yīng)用于大區(qū)域與全球尺度植被覆蓋研究中[15-17].本文采用最大值合成法重建生長(zhǎng)季各月最大化NDVI數(shù)據(jù)集[18],并利用《中國(guó)植被編碼1：400萬(wàn)植被圖集》,排除無(wú)植被地區(qū).

1.1.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn)的中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集,包括極端最高氣溫、極端最低氣溫、降水量等.采用反距離權(quán)重法對(duì)各個(gè)氣象因子進(jìn)行空間插值[19],得到逐像元的氣象數(shù)據(jù).將極端最高溫度作為T(mén)max,將極端最低氣溫作為T(mén)min來(lái)處理[10].

1.1.3 植被類(lèi)型數(shù)據(jù) 植被類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)自于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)《中國(guó)植被編碼1：400萬(wàn)植被圖集》.該數(shù)據(jù)共有4個(gè)大類(lèi),13個(gè)綱組,50個(gè)群系綱,110個(gè)群系組.本文將新疆地區(qū)植被類(lèi)型劃分為7種類(lèi)型：針葉林、闊葉林、灌從(含萌生矮林)、荒漠、草原(含稀疏灌木草原)、草甸(含草木沼澤)和農(nóng)業(yè)植被.

1.2 研究方法

1.2.1 氣候要素趨勢(shì)分析 采用最小二乘法擬合氣候要素(Tmax、Tmin)隨時(shí)間的變化速率,即氣候要素y隨時(shí)間t變化的線性回歸系數(shù),可采用一元一次方程表示：

式中：t為時(shí)間;常量a和系數(shù)b由最小二乘法求得;b為回歸常數(shù)項(xiàng);a為回歸系數(shù),a值的符號(hào)及數(shù)值大小反映 y上升或下降的趨勢(shì).線性回歸法可以清楚地顯示所給出的序列是否存在某種明顯的變化.

1.2.2 偏相關(guān)分析法 采用二階偏相關(guān)分析法,消除其他變量的干擾來(lái)研究晝夜增溫的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)植被NDVI的影響.例如,通過(guò)限制Tmin和降水量計(jì)算生長(zhǎng)季NDVI與Tmax的偏相關(guān)系數(shù).同樣,限制Tmax和降水量計(jì)算生長(zhǎng)季NDVI和Tmin的偏相關(guān)系數(shù).二階偏相關(guān)系數(shù)通過(guò)一階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到,而計(jì)算一階偏相關(guān)系數(shù)需要首先計(jì)算相關(guān)系數(shù).相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為[20]：

一階偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

二階偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：x,y為需要進(jìn)行偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算的要素;1,2為控制變量.

偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),一般采用 t 檢驗(yàn)法.t檢驗(yàn)法的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為[21]：

式中：r為偏相關(guān)系數(shù),n為樣本數(shù),q為自由度個(gè)數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆地區(qū)晝夜增溫趨勢(shì)分析

1982 年以來(lái),新疆地區(qū)Tmin和Tmax都有著不同程度的升高趨勢(shì)(圖 1).從擬合方程來(lái)看,近 32年來(lái)新疆地區(qū)Tmin和Tmax平均每10年分別增加0.642℃(P＜0.01)和 0.458℃(P＜0.01),晝夜溫差每10年減小0.18℃(P＜0.1).Tmax和Tmin二者之間存在極為顯著的正相關(guān)性(P＜0.01).這說(shuō)明,新疆地區(qū)生長(zhǎng)季 Tmin的增加趨勢(shì)遠(yuǎn)快于 Tmax的增加趨勢(shì),晝夜增溫速率呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性.晝夜溫差(TmaxTmin)呈現(xiàn)較為顯著的減小態(tài)勢(shì)(P＜0.1).

圖1 1982～2013年生長(zhǎng)季新疆地區(qū)Tmax和Tmin變化Fig.1 Variations of Tmaxand Tminin growing seasons in Xinjiang during 1982～2013

2.2 新疆地區(qū)植被NDVI與晝夜增溫的偏相關(guān)分析

由于新疆屬于干旱、半干旱地區(qū),降水為植被生長(zhǎng)的主要限制因子之一.因此,在進(jìn)行偏相關(guān)分析時(shí),將降水作為控制變量處理.即通過(guò)控制降水和Tmin計(jì)算NDVI與Tmax的偏相關(guān)系數(shù);通過(guò)控制降水和Tmax計(jì)算NDVI與Tmin的偏相關(guān)系數(shù).通過(guò)逐像元計(jì)算NDVI與氣溫變量的偏相關(guān)系數(shù)后,得到偏相關(guān)系數(shù)的空間格局(圖 2).從像元數(shù)量上來(lái)看,去除 Tmin、降水的影響后,約有55.14%的地區(qū)NDVI同Tmax之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,其中7.39%的地區(qū)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P＜0.05).同樣,約有44.86%的地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),其中3.99%的地區(qū)表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05).然而,當(dāng)去除Tmax、降水量的影響后,約有 58.78%的地區(qū)植被生長(zhǎng)季NDVI和Tmin呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),其中顯著負(fù)相關(guān)的地區(qū)達(dá)到44.00%(P＜0.05).同樣,約有41.22%的地區(qū),生長(zhǎng)季 NDVI與 Tmin呈現(xiàn)正相關(guān),其中,約有 25.03%的地區(qū)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P＜0.05).從通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占新疆總面積的比例來(lái)看,生長(zhǎng)季NDVI與Tmin的偏相關(guān)性通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的地區(qū)占新疆總面積的36.18%,而生長(zhǎng)季NDVI與Tmax的偏相關(guān)性通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的比例僅為 5.87%.可見(jiàn),夜間溫度的變化對(duì)植被影響的區(qū)域更為廣泛.從受其影響地域的空間分布來(lái)看,除新疆西北部的塔城地區(qū)、克拉瑪依市、博爾塔拉蒙古自治州和哈密地區(qū)及新疆南部的巴音郭楞蒙古自治州中部與和田地區(qū)西南部外,大部分區(qū)域植被 NDVI與 Tmax呈現(xiàn)正相關(guān)性;生長(zhǎng)季NDVI與Tmin偏相關(guān)性在新疆地區(qū)西北部至西南部大多呈現(xiàn)為正相關(guān),東北部至東南部大多呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān).

圖2 1982～2013年生長(zhǎng)季新疆地區(qū)NDVI與Tmax和Tmin的偏相關(guān)系數(shù)Fig.2 Partial correlation coefficients between growing-season NDVI and Tmax/ Tminin Xingjiang during 1982～2013

2.3 新疆地區(qū)各植被類(lèi)型NDVI與晝夜增溫的偏相關(guān)分析

表1 不同植被類(lèi)型NDVI與Tmax及Tmin的偏相關(guān)系數(shù)Table 1 Partial correlation coefficients between NDVI and Tmax/ Tminfor different vegetation types

生長(zhǎng)季不同植被類(lèi)型NDVI與Tmax和Tmin的偏相關(guān)系數(shù)(表 1)顯示,除農(nóng)業(yè)植被外,其他各類(lèi)植被NDVI與Tmax整體上皆表現(xiàn)為偏正相關(guān)性,但僅有針葉林呈現(xiàn)為顯著相關(guān)(P＜0.05).而各類(lèi)型植被對(duì) Tmin的偏相關(guān)性差異較為明顯,除荒漠外,其它各類(lèi)植被NDVI與Tmin皆呈現(xiàn)為偏正相關(guān)性.針葉林、農(nóng)業(yè)植被、草原及草甸與 Tmin的偏相關(guān)系數(shù)最高,其中前三類(lèi)植被的NDVI與Tmin表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(P＜0.01),后者亦表現(xiàn)為顯著相關(guān)(P＜0.05).與 Tmax偏負(fù)相關(guān)的農(nóng)業(yè)植被和與 Tmin偏負(fù)相關(guān)的荒漠植被類(lèi)型,其相關(guān)關(guān)系皆未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P＞0.05).總體上,晝夜氣溫的升高對(duì)新疆地區(qū)各類(lèi)型植被產(chǎn)生了積極作用.

為研究不同類(lèi)型的植被 NDVI與晝夜氣溫偏相關(guān)性的空間分布差異,得到偏相關(guān)性通過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)的像元占該植被類(lèi)型總像元的比例(表 2).可以看出,各類(lèi)植被 NDVI與Tmax的偏相關(guān)性通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的比例普遍較低,其中針葉林的比例最高,但僅為 13.75%.相比之下,NDVI與 Tmin的偏相關(guān)性通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的比例普遍相對(duì)較高.其中,農(nóng)業(yè)植被(38.26%)和針葉林(33.75%)NDVI與Tmin顯著正相關(guān)的比例最高;荒漠和闊葉林NDVI與Tmin顯著負(fù)相關(guān)的比例最高,分別為34.29%和30.49%.

綜合來(lái)看(表 1,表 2),除灌叢和荒漠植被外,相比于白天增溫,夜間增溫對(duì)針葉林、闊葉林、草原、草甸和農(nóng)業(yè)植被的影響程度更大,影響區(qū)域更廣.

表2 通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)的像元占該植被類(lèi)型總像元的比例(%)Table 2 Percentages of statistically significant (P＜0.05) pixels in different vegetation types (%)

3 討論

本文顯示近32年間新疆地區(qū)生長(zhǎng)季夜間氣溫升溫速率約為白天氣溫升溫速率的 1.5倍.Solomon等[22]在研究過(guò)去50年全球地表溫度的晝夜增溫時(shí)發(fā)現(xiàn),夜間最低氣溫的升溫速率約為日最高氣溫升溫速率的 1.4倍.這說(shuō)明新疆地區(qū)與全球具有一致的晝夜變暖趨勢(shì),晝夜增溫存在不對(duì)稱(chēng)性.樸世龍等[10]在研究北半球植被對(duì)晝夜增溫速率不對(duì)稱(chēng)性的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),在北方干旱、半干旱地區(qū)生長(zhǎng)季植被NDVI與Tmin表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)關(guān)系.本文同樣認(rèn)為位于干旱、半干旱地區(qū)的新疆植被 NDVI對(duì)夜間氣溫變化的響應(yīng)更為顯著.梁春玲等[13]在研究晝夜增溫對(duì)南四湖濕地植被 NDVI的影響差異時(shí)發(fā)現(xiàn),NDVI與 Tmax呈現(xiàn)極顯著的偏相關(guān)關(guān)系,而本文發(fā)現(xiàn)Tmax僅對(duì)針葉林的影響顯著,對(duì)其他類(lèi)型植被的影響并不顯著;梁春玲等[13]認(rèn)為T(mén)min與NDVI的偏相關(guān)關(guān)系并不顯著,而本文發(fā)現(xiàn) Tmin對(duì)多數(shù)植被類(lèi)型的影響顯著.發(fā)生這種差異的原因可能與溫度對(duì)水份條件充足的濕地植被和干旱、半干旱的荒漠地帶植被的影響機(jī)理不同有關(guān).

根據(jù)植物學(xué)理論,植物的光合作用通常在白天發(fā)生,在夜間一般不能進(jìn)行光合作用.因此,晝夜溫度對(duì)植被的作用機(jī)理不同.夜間氣溫的升高引起植物呼吸作用的增強(qiáng)和體內(nèi)養(yǎng)分代謝速率的增加,造成植物體內(nèi)有機(jī)質(zhì)損耗增加[13],降低灌漿期持續(xù)時(shí)間,減小胚乳細(xì)胞體積,從而會(huì)降低植被生產(chǎn)力[23-24].這可能會(huì)使某些植被 NDVI與Tmin產(chǎn)生負(fù)的偏相關(guān)關(guān)系,比如荒漠植被.另一方面,夜間氣溫的升高也可能會(huì)通過(guò)降低霜凍發(fā)生的頻率[25]以及夜間自養(yǎng)呼吸加劇而產(chǎn)生的補(bǔ)償作用[12]來(lái)提高植被生產(chǎn)能力.這可能使得某些植被NDVI與Tmin之間呈現(xiàn)出正的偏相關(guān)關(guān)系,比如針葉林、草原、草甸等大多數(shù)類(lèi)型植被.相對(duì)于 Tmin,Tmax的上升對(duì)新疆地區(qū)植被的影響作用并不十分顯著;研究區(qū)地處干旱、半干旱地區(qū),植被生長(zhǎng)主要受制于降水是其可能的原因之一.

植被 NDVI的時(shí)空演變是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果,本文只分析了晝夜溫度、降水量與植被變化的相關(guān)性,而未能將太陽(yáng)輻射量等其他的氣候因子和人為因素考慮在內(nèi).此外,NDVI在稀疏植被區(qū)的低敏感性可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.所以,需要在以后的研究中綜合各種因素,采用控制試驗(yàn)或模型模擬研究等多種方法相互補(bǔ)充,以進(jìn)一步闡釋晝夜增溫對(duì)不同植被的影響機(jī)理.

4 結(jié)論

4.1 新疆地區(qū)1982～2013年間晝夜增溫趨勢(shì)顯著;晝夜增溫速率具有不對(duì)稱(chēng)性;晝夜溫差呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).

4.2 新疆地區(qū)晝夜增溫對(duì)植被的影響呈現(xiàn)出明顯的空間差異：總體上,相比于白天增溫,夜間增溫對(duì)植被活動(dòng)的影響程度更大,影響區(qū)域更為廣泛.

4.3 新疆地區(qū)晝夜增溫對(duì)不同類(lèi)型植被會(huì)產(chǎn)生不同的影響.從影響的程度來(lái)看,白天增溫對(duì)針葉林的影響顯著;夜間增溫對(duì)針葉林、農(nóng)業(yè)植被、草原及草甸的影響顯著.從影響的空間分布來(lái)看,夜間溫度對(duì)不同類(lèi)型植被有顯著影響的面積比例均高于白天溫度.

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Effects of the asymmetric diurnal-warming on vegetation dynamics in Xinjiang.

ZHAO Jie1, LIU Xue-jia2, DUZi-qiang1*, WU Zhi-tao1, XU Xiao-ming1(1.Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2.College of Environmental & Resource Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China). China Environment Science, 2017,37(6)：2316～2321

Based on normalized difference vegetation index (NDVI) data, vegetation type data and meteorological data, this study revealed the warming trends of the day- and nighttime in growing seasons using the unitary linear regression analysis, and analyzed different effects of the asymmetry diurnal warming on vegetation activities using the two order partial correlation analysis method. Results indicated that: there was an extremely significant trend of diurnal warming from 1982 to 2013 in Xinjiang areas. The nighttime warming was approximately 1.5times that of daytime during growing seasons. The warming rate showed an asymmetry between day- and nighttime; the effects of day- and nighttime warming on vegetation activities showed obvious differentiation. Nighttime warming had significantly stronger and more extensive effects on vegetation than daytime warming; and different vegetation types responded differently to the asymmetry warming. Daytime warming had significantly positive effects on the coniferous forest, and nighttime warming had significant positive effects on the coniferous forest, agricultural vegetation, grassland, and meadow.

asymmetric warming；vegetation dynamics；daytime warming；nighttime warming；Xinjiang areas

X173

A

1000-6923(2017)06-2316-06

趙 杰(1993-),男,山東臨沂人,碩士研究生,主要從事全球變化生態(tài)學(xué)、植被與生態(tài)遙感方面的研究工作.發(fā)表論文5篇.

2016-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41161066,41401643, 41401053)

* 責(zé)任作者, 副教授, duzq@sxu.edu.cn