青藏高原沼澤濕地植被NDVI時(shí)空變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

神祥金, 張佳琦, 呂憲國(guó)

中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130102

氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切,生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)一直是全球變化研究的焦點(diǎn)[1]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)氣候變化響應(yīng)非常敏感[2-3]。目前關(guān)于植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究多側(cè)重在森林和草地生態(tài)系統(tǒng),有關(guān)濕地植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究相對(duì)較少[4-7]。作為全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一,濕地具有獨(dú)特的環(huán)境條件[8],可能導(dǎo)致植被對(duì)氣候變化響應(yīng)與其他生態(tài)系統(tǒng)植被相比具有明顯的差異[9-12]。明確濕地生態(tài)系統(tǒng)植被變化對(duì)氣候變化的響應(yīng),對(duì)于全面了解生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化的關(guān)系具有重要意義。

青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)[13-15],該地區(qū)集中分布著大量沼澤濕地。作為青藏高原沼澤濕地的主要組成部分,沼澤植被在陸地表面能量交換、生物地球化學(xué)循環(huán)和水文循環(huán)等方面起著重要的作用[16]。已有許多學(xué)者對(duì)青藏高原沼澤植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了研究,如楊玲莉[17]研究發(fā)現(xiàn)黃河源區(qū)沼澤植被與降水呈顯著正相關(guān),但與氣溫?zé)o顯著相關(guān)性；李英年等[18]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原海北高寒沼澤植被在氣候暖干化的影響下,物種多樣性增多；嚴(yán)曉瑜等[19]通過分析若爾蓋高原沼澤植被與氣溫、地溫、降水等氣象因子的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)氣溫是影響該區(qū)植被生長(zhǎng)的最關(guān)鍵因素；李寧云[20]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原東北部沼澤濕地植被與平均溫和降水均呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性,其中與降水呈顯著正相關(guān)。然而,以往上述研究多集中在局地或樣地尺度,缺少對(duì)整個(gè)青藏高原沼澤植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究。已有研究表明不同地區(qū)、不同類型沼澤濕地植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)可能存在明顯的差異[10,12],因此青藏高原不同類型沼澤植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律需進(jìn)一步揭示。此外,已有研究發(fā)現(xiàn)白天最高溫和夜晚最低溫變化對(duì)青藏高原植被生長(zhǎng)具有不同的影響。Peng等[21]發(fā)現(xiàn)青藏高原植被生長(zhǎng)季NDVI與生長(zhǎng)季平均最高溫和最低溫均呈正的相關(guān)性；Shen等[22]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原草地植被NDVI與夏季平均最低溫呈顯著正相關(guān),而與平均最高溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在全球白天和夜晚不對(duì)稱增溫的背景下[23],亟需探究白天和夜間升溫分別對(duì)青藏高原沼澤植被的影響。

本文基于2000—2017年MODIS NDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),分析了青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季(5—9月)NDVI時(shí)空變化特征及其與氣象因子(降水、平均氣溫、平均最高溫和平均最低溫)的相關(guān)性。明確青藏高原沼澤植被NDVI時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng),能為揭示沼澤植被與氣候變化關(guān)系機(jī)理提供科學(xué)依據(jù),并對(duì)青藏高原沼澤植被的預(yù)測(cè)及濕地植被保護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)

青藏高原位于中國(guó)西南部,范圍在73°—105°E和26°—40°N之間,包括中國(guó)青海、甘肅、西藏、新疆等6個(gè)省區(qū),總面積250萬km2。青藏高原氣候特征表現(xiàn)為：氣溫較低,晝夜溫差大,年降水量偏少,降水有顯著的季節(jié)性差異。青藏高原生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,主要有森林、草原、沼澤和荒漠生態(tài)系統(tǒng)[24]。青藏高原沼澤種類有草本沼澤、灌叢沼澤、內(nèi)陸鹽沼、季節(jié)性咸水沼澤、沼澤化草甸、森林沼澤等。草本沼澤主要由水生和沼生的草本植物構(gòu)成；內(nèi)陸鹽沼以鹽生植被為主要植被類型；季節(jié)性咸水沼澤只在部分季節(jié)維持浸濕或潮濕狀況；沼澤化草甸多分布在地勢(shì)低洼、排水不暢、土壤過分潮濕、通透性不良的地區(qū),是草甸向沼澤轉(zhuǎn)化的過渡類型[25]。本文以草本沼澤、沼澤化草甸、內(nèi)陸鹽沼和季節(jié)性咸水沼澤四種沼澤作為研究對(duì)象,其他幾種沼澤由于所占面積很小,為了避免其統(tǒng)計(jì)結(jié)果的不準(zhǔn)確性,故將其排除(圖1)。

圖1 青藏高原沼澤(中國(guó)濕地生態(tài)與環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供)及氣象站(國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供)空間分布

1.2 數(shù)據(jù)

本研究采用的氣象數(shù)據(jù)是由國(guó)家氣象中心提供的2000—2017年青藏高原地區(qū)106個(gè)站點(diǎn)的逐月降水、平均溫、平均最高溫和平均最低溫?cái)?shù)據(jù)。

本文采用的Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Normalized Difference Vegetation Index(MODIS NDVI)數(shù)據(jù),是由美國(guó)國(guó)家航空航天局提供的MOD13Q1級(jí)植被指數(shù)產(chǎn)品,時(shí)間范圍為2000—2017年,空間分辨率為250米,時(shí)間分辨率為16天。本文利用最大值合成法[26]將逐旬NDVI數(shù)據(jù)合成為逐月數(shù)據(jù),以減少云、大氣、太陽高度角等不確定因素的影響。為了避免下墊面非植被信息對(duì)沼澤植被NDVI的干擾,參照以往青藏高原植被NDVI的閾值[27],將NDVI值大于0的區(qū)域定為本文的研究區(qū)。本文利用各類型沼澤對(duì)應(yīng)的研究區(qū)內(nèi)所有像元的NDVI平均值來代表該類型沼澤植被的NDVI值[12],并將5—9月NDVI值求平均得到生長(zhǎng)季NDVI值。

沼澤分布數(shù)據(jù)是由中國(guó)濕地生態(tài)與環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的2010—2015年青藏高原沼澤矢量分布數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集是利用美國(guó)Landsat衛(wèi)星、中巴資源衛(wèi)星等中高分辨率遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源,建立的沼澤分類數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集已采用遙感技術(shù)和地面驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互判別解譯,并通過了野外準(zhǔn)確性驗(yàn)證[12]。

1.3 方法

1.3.1趨勢(shì)分析法

本文利用趨勢(shì)分析法分析2000—2017年青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI變化趨勢(shì),并基于ArcGIS軟件中的柵格計(jì)算器工具來計(jì)算逐像元植被NDVI的變化趨勢(shì)值[28],計(jì)算公式如下[29]：

(1)

式中,n為研究的時(shí)間序列長(zhǎng)度即為18年；i為年序號(hào)；NDVIi為第i年的生長(zhǎng)季NDVI值；θslope為各個(gè)像元NDVI變化趨勢(shì)的斜率,若θslope為正值,則表示該像元生長(zhǎng)季NDVI的變化為增加趨勢(shì),反之則為減少趨勢(shì)。

1.3.2相關(guān)分析

基于ArcGIS的柵格計(jì)算器工具,利用NDVI影像與插值得到的生長(zhǎng)季的降水量、平均氣溫、平均最高溫和平均最低溫柵格影像,分別計(jì)算青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與降水、平均氣溫、平均最高溫和平均最低溫的相關(guān)系數(shù),進(jìn)而分析沼澤植被NDVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)。計(jì)算公式如下[29]：

(2)

1.3.3多元線性回歸分析

基于SPSS軟件,利用多元線性回歸分析法來分析降水、平均溫、平均最高溫和平均最低溫對(duì)沼澤植被NDVI的綜合影響,公式如下[30]：

Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4

(3)

式中,Y為沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI,X1、X2、X3、X4分別為生長(zhǎng)季降水量、平均溫、平均最高溫和平均最低溫,β0、β1、β2、β3、β4分別對(duì)應(yīng)常數(shù)項(xiàng)、生長(zhǎng)季降水量、生長(zhǎng)季平均溫、生長(zhǎng)季平均最高溫和生長(zhǎng)季平均最低溫的回歸系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI時(shí)空變化特征

青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季平均NDVI在2000—2017年總體呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)(圖2),上升趨勢(shì)為0.010/10a(P<0.01)。草本沼澤、沼澤化草甸、內(nèi)陸鹽沼和季節(jié)性咸水沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI均呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05),其中內(nèi)陸鹽沼NDVI的增長(zhǎng)趨勢(shì)(0.011/10a)最大,而草本沼澤NDVI增長(zhǎng)趨勢(shì)最小(0.009/10a)。由圖2可以看出,青藏高原草本沼澤和沼澤化草甸的植被生長(zhǎng)季NDVI年際間的變化波動(dòng)較大,而內(nèi)陸鹽沼和季節(jié)性咸水沼澤NDVI具有類似的年際間變化規(guī)律,均呈現(xiàn)持續(xù)的上升趨勢(shì)。

圖2 2000—2017年青藏高原不同類型沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI變化

在空間分布上,青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季多年平均NDVI呈現(xiàn)從西北向東南逐漸升高的規(guī)律(圖3),四種沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI多年平均值按從大到小排序?yàn)椋赫訚苫莸?0.44)>草本沼澤(0.26)>內(nèi)陸鹽沼(0.12)=季節(jié)性咸水沼澤(0.12)。在空間變化上,青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI呈增加趨勢(shì)的面積(78.25%)明顯大于呈減少趨勢(shì)的面積(21.75%),其中青藏高原東北部的沼澤化草甸生長(zhǎng)季NDVI增加最為明顯,沼澤植被NDVI呈減少趨勢(shì)的地區(qū)分布在西藏東北部那曲縣和聶榮縣,青海省西南部雜多縣和曲麻萊縣等地,這些區(qū)域的沼澤類型主要為草本沼澤(圖3)。

圖3 2000—2017年青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI空間分布及變化趨勢(shì)/10a

2.2 沼澤濕地植被生長(zhǎng)季NDVI對(duì)氣象因子的響應(yīng)

青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與降水量總體呈現(xiàn)弱的正相關(guān)性(表1),表明降水可能不是影響青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)的主要因素。生長(zhǎng)季NDVI與降水呈正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)沼澤分布區(qū)的54.89%,主要集中在青藏高原西部的草本沼澤和季節(jié)性咸水沼澤分布區(qū)(圖4),其中季節(jié)性咸水沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與降水的相關(guān)性通過了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05),表明降水的增多可能會(huì)促進(jìn)季節(jié)性咸水沼澤植被NDVI的增加。分析其原因可能是因?yàn)榧竟?jié)性咸水沼澤只在部分季節(jié)維持浸濕或潮濕,由于植物在干旱季節(jié)的生長(zhǎng)同樣需要充足的水分,因此降水的增加在一定程度上可能會(huì)促進(jìn)季節(jié)性咸水沼澤植被的生長(zhǎng)[25]。青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與降水呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)沼澤分布區(qū)的45.11%,主要分布在青藏高原中部的青海省的烏蘭縣、瑪沁縣、治多縣,沼澤植被類型主要為沼澤化草甸、內(nèi)陸鹽沼(圖4)。青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與降水呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域和沼澤植被NDVI與氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域基本重合,表明氣溫升高能促進(jìn)這些地區(qū)沼澤植被的生長(zhǎng),而降水的增多會(huì)導(dǎo)致植被NDVI的下降,這是由于一方面降水的同時(shí)往往伴隨著降溫過程,另一方面降水增多可能會(huì)引起霜凍或洪澇等災(zāi)害,進(jìn)而抑制植被生長(zhǎng)[31]。

表1 青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季平均NDVI與氣象因子的相關(guān)性

圖4 青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與生長(zhǎng)季降水、平均溫、平均最高溫和平均最低溫相關(guān)系數(shù)空間分布

青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與生長(zhǎng)季平均溫、最高溫和最低溫均呈顯著正相關(guān)(P<0.01)(表1),正相關(guān)區(qū)域占整個(gè)沼澤分布區(qū)的比例分別為77.99%、70.25%、82.60%(圖4),主要分布在除研究區(qū)南部的那曲縣以外的大部分地區(qū)；青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與平均溫、最高溫和最低溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部西藏的那曲縣(圖4)。沼澤化草甸、內(nèi)陸鹽沼、季節(jié)性咸水沼澤生長(zhǎng)季NDVI與平均溫均呈顯著正相關(guān)(表1),表明這三種類型沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI主要受氣溫影響,生長(zhǎng)季氣溫的升高可以促進(jìn)沼澤植被的生長(zhǎng)。這與神祥金等得出氣溫是影響高寒草甸草原植被生長(zhǎng)季生長(zhǎng)的主要因素,溫度的升高有利于植被生長(zhǎng)的結(jié)論相一致[29]。但本文結(jié)果與Shen等[22]的研究結(jié)果有些不同,Shen等指出青藏高原夏季植被NDVI與夏季平均最低溫呈顯著正相關(guān),與平均最高溫呈顯著負(fù)相關(guān),其原因可能是由于白天增溫導(dǎo)致蒸發(fā)量增加和土壤水分有效性降低,使植被不能獲取充足的水分,進(jìn)而抑制了植被生長(zhǎng)。與Shen等分析的是青藏高原所有草地生態(tài)系統(tǒng)植被有所不同,本文的研究對(duì)象為沼澤植被,與干旱的草地生態(tài)系統(tǒng)相比,沼澤濕地具有相對(duì)充足的水分,因此白天增溫能提升光合作用酶的活性[32],進(jìn)而促進(jìn)光合作用[33]和沼澤植被的生長(zhǎng)[34]。

沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與最低溫的相關(guān)性均要高于最高溫,其中沼澤化草甸、內(nèi)陸鹽沼、季節(jié)性咸水沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與最低溫相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01),而最高溫僅與沼澤化草甸植被NDVI呈顯著正相關(guān)(表1)。白天和夜晚溫度變化對(duì)青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)具有不對(duì)稱影響,與白天增溫相比,夜晚溫度升高對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更顯著。本文結(jié)果與Peng等[21]得出的平均最低溫的升高相比平均最高溫更利于青藏高原植被生長(zhǎng)的結(jié)論基本相同。而本文的研究結(jié)果與Shen等關(guān)于青藏高原植被對(duì)氣溫響應(yīng)的結(jié)果有所不同,Shen等發(fā)現(xiàn)青藏高原草地植被生長(zhǎng)季NDVI與白天最高溫呈顯著正相關(guān),而與夜晚最低溫呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),其原因可能是由于夜間增溫對(duì)促進(jìn)植被呼吸作用的影響,比通過補(bǔ)償效應(yīng)促進(jìn)植被光合作用的效果更為顯著[35]。作為植被對(duì)逆境的一種適應(yīng),補(bǔ)償效應(yīng)是指植被在經(jīng)歷夜晚呼吸作用增強(qiáng)導(dǎo)致消耗較多的有機(jī)質(zhì)后,可通過補(bǔ)償和促進(jìn)第二天的光合作用產(chǎn)生更多的有機(jī)質(zhì),進(jìn)而使植被生長(zhǎng)得到一定恢復(fù)的現(xiàn)象[36]。已有研究表明植被在比較豐富的可利用資源條件下,補(bǔ)償效應(yīng)能力較高[37],有時(shí)甚至達(dá)到或超過未經(jīng)脅迫下的情形,表現(xiàn)出明顯的補(bǔ)償或超補(bǔ)償效應(yīng),而濕地充裕的水分正是超補(bǔ)償性發(fā)生的最理想環(huán)境條件[38]。由于本文的研究對(duì)象是沼澤濕地,因此夜晚最低溫度升高通過補(bǔ)償效應(yīng)促進(jìn)沼澤植被生長(zhǎng)的作用很可能比夜間增溫導(dǎo)致的沼澤植被呼吸消耗作用更加顯著,這可能是導(dǎo)致本文與Shen等研究結(jié)果不同的主要原因。

2.3 青藏高原沼澤濕地植被變化

對(duì)青藏高原沼澤植被NDVI與各氣象因子進(jìn)行多元線性回歸分析(表2),結(jié)果同樣表明青藏高原沼澤植被主要受氣溫影響(P<0.001),生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫的變化總體解釋了71.7%的沼澤植被NDVI變化。與相關(guān)性分析結(jié)果相同,沼澤化草甸植被NDVI受生長(zhǎng)季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的影響,內(nèi)陸鹽沼植被NDVI主要受最高氣溫和最低氣溫的影響；而季節(jié)性咸水沼澤植被NDVI受生長(zhǎng)季降水、平均氣溫和最低氣溫的共同影響(表2)。

表2 青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI與氣象因子多元線性回歸分析結(jié)果

為進(jìn)一步解釋青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI的時(shí)空變化,本文計(jì)算了2000—2017年的青藏高原沼澤分布區(qū)氣溫和降水變化趨勢(shì)。2000—2017年,青藏高原草本沼澤和季節(jié)性咸水沼澤的生長(zhǎng)季降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(表3, 圖5),而沼澤化草甸和內(nèi)陸鹽沼降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。青藏高原沼澤區(qū)生長(zhǎng)季平均溫、最高溫、最低溫在2000—2017年均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且平均最低溫增加幅度明顯高于最高溫。根據(jù)氣象因子與NDVI之間的相關(guān)性結(jié)果,我們可以得出生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫的升高很可能是導(dǎo)致青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季NDVI增加的主要原因。沼澤化草甸與內(nèi)陸鹽沼生長(zhǎng)季降水量的下降和平均最低溫的升高,在一定程度上解釋了沼澤化草甸與內(nèi)陸鹽沼植被生長(zhǎng)季NDVI的增加。從空間上分析,青藏高原沼澤植被NDVI在2000—2017年顯著增加,其中青藏高原東部地區(qū)NDVI增幅最大,主要沼澤類型為沼澤化草甸,青藏高原東部生長(zhǎng)季平均最低溫的升高也最為顯著(圖5),因此生長(zhǎng)季內(nèi)夜晚最低溫的升高可能是這些地區(qū)沼澤植被NDVI增幅最大的原因。

表3 2000—2017年青藏高原沼澤生長(zhǎng)季溫度和降水量的變化趨勢(shì)

圖5 2000—2017年青藏高原沼澤生長(zhǎng)季降水(mm/a),平均溫(℃/a),平均最高溫(℃/a),平均最低溫(℃/a)變化趨勢(shì)空間分布

2.4 不足與展望

本文目前的研究可能存在一定的不確定性及不足之處。首先,本研究所采用的NDVI數(shù)據(jù)可能會(huì)受到云、大氣、太陽高度角等因素的影響,因此遙感數(shù)據(jù)本身的不確定性可能會(huì)影響到本文的研究結(jié)果。其次,由于無青藏高原早期的沼澤分布數(shù)據(jù),本文所利用的沼澤分布數(shù)據(jù)僅為一期2010—2015年沼澤分布數(shù)據(jù)集,無法排除研究時(shí)段內(nèi)青藏高原沼澤變化對(duì)分析結(jié)果的影響。此外,沼澤植被與氣候變化之間的關(guān)系實(shí)際上非常復(fù)雜,除了氣溫和降水以外,許多其他氣象和環(huán)境因素也可能對(duì)沼澤植被產(chǎn)生影響,其他氣象及環(huán)境要素對(duì)沼澤植被的影響還需進(jìn)一步揭示。為更準(zhǔn)確地揭示青藏高原沼澤植被變化及其機(jī)理,未來研究需進(jìn)一步借助更加精確的數(shù)據(jù)和研究方法,并加強(qiáng)對(duì)其他氣象和環(huán)境因素以及人類活動(dòng)等對(duì)青藏高原沼澤植被影響的研究。

3 結(jié)論

青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)季平均NDVI在2000—2017年總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),上升趨勢(shì)為0.010/10a。青藏高原沼澤植被生長(zhǎng)主要受氣溫影響,生長(zhǎng)季內(nèi)白天和夜晚增溫都會(huì)對(duì)沼澤植被生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)作用,夜晚增溫對(duì)沼澤植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更加明顯。在全球白天和夜晚不對(duì)稱增溫的背景下,利用模型模擬未來氣候變化對(duì)青藏高原沼澤植被影響時(shí),應(yīng)重視白天與夜晚溫度對(duì)沼澤植被生長(zhǎng)的不對(duì)稱影響。