快速升溫和升溫間歇期興安落葉松徑向生長與歸一化植被指數(shù)的關(guān)系

關(guān)鍵詞：興安落葉松；徑向生長；NDVI；氣候變暖；大興安嶺；快速升溫期；升溫間歇期 中圖分類號：S716.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.7525/j.issn.1006-8023.2025.04.003

Abstract：Theforestcanopyfixes carbon dioxidein theatmosphere through photosynthesis，andthetre trunk uses the organic matter generated by thecanopy forcambium spliting and thickening.Whether the assmilation of tree canopy andtheradial growthof tree trunk changedsynchronouslyintheprocessof climatechange iscontroversial，and whether the synchronous ordiferential changes arerelatedtotheresponsecharacteristics ofthese two processes to climate factors isalsoahottopicofattention.Inparticular，thesametreespeciesindiffrentclimaticbackgroundisstilltobestudied. Larix gmelini as themain coniferous forest species incold temperate zoneof China，issensitive toclimate change. Therefore，this paper selected Greater Hinggan Mountains from south to north in the Arshan （AES），Kudur（KDE）and Daebaeksan（DBS）as the research objects.Normalized diference vegetation index（NDVI）and ring width index （RWI）wereused to represent the growthof tree canopy and trunk，respectively.Segmentation function and correlation analysis were used.Therelationship between treecanopyand trunk growth and thediferences indriving factors under diferent climate backgrounds were investigated.The mainresultswereas folows：therapid warming period significantly promoted the growth of tree canopy，mainly reflected in the early growing season （EGS）and the late growing season （LGS）.However，organic mater produced by photosynthesis may be more used forcanopyrespiration，thus inhibiting theradial growth oftres，resulting inan insignificantrelationship between tre trunk andcanopy growth during this period.Withthe slowing downof the temperature riserate，the growthoftree canopy was mainlyreflected inthe midleof the growing season（MGS）and the endof the growing season（LGS），and the relationship between treetrunk and canopy growth showed significant correlation（ Plt;0. 05 ）.The global temperature rise rate leads to the diference in response of foresttrunk and canopygrowth toclimate factors，which may be the rootcauseof the inconsistent relationship between tree trunk and canopy growth.Theaccelerationof global temperature rise increases the diffrence between trunk and canopy growth in response to climate，and on the contrary，greatly reduces the diffrence between the two.

Keywords： Larix gmelinii；radial growth；NDVI；climate warming；Greater Hinggan Mountains；rapid warming period；intermittent warming period

0 引言

在全球氣候變暖的背景下，森林動態(tài)變化及其對氣候的響應(yīng)均對全球碳循環(huán)產(chǎn)生了重要的影響1。近年來，全球平均低溫上升了約 1.5^°C^[2] ，世界迅速變暖，特別是在北半球高緯度地區(qū)，包括中國東北地區(qū)[3]，這種升溫自20世紀(jì)80年代以來尤其明顯[4-5]，于20世紀(jì)末期出現(xiàn)停滯[6-7]。全球變暖影響了森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，以及樹木的生長、開花和結(jié)果等[8]。樹木個體也可以通過改變其結(jié)構(gòu)和功能來適應(yīng)氣候變化，森林生長受到了氣候變暖和干旱的脅迫[10-11]，北方針葉林已經(jīng)出現(xiàn)了生長下降[12]，加劇了水分脅迫對樹木造成的危害。但是，也有相關(guān)研究表明氣候變暖促進(jìn)了森林的生長，主要表現(xiàn)為二氧化碳含量升高、光合速率提高和生長季延長等[13-14]。因此，了解樹木生長對氣候變暖的響應(yīng)對評估全球森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

樹木年輪寬度指數(shù)（ringwidthindex，RWI）和歸一化植被指數(shù)（normalized differencevegetation，NDVI）都是研究森林生態(tài)系統(tǒng)及其對氣候變化響應(yīng)常用的有效指標(biāo)。樹木年輪記錄了大量關(guān)于樹木生長、物種行為等信息[15-16]，并且對研究森林生長及其與氣候的關(guān)系具有重要價(jià)值[17]。NDVI與植被生長狀況、光合作用、覆蓋率以及葉面積指數(shù)有著密切的關(guān)系[18-19]，該指標(biāo)能夠有效地估算植被凈初級生產(chǎn)力[20]。然而，樹木年輪寬度指數(shù)只能代表局部地區(qū)森林植被生長狀況，要想研究更大區(qū)域內(nèi)森林植被的生長狀況費(fèi)時(shí)費(fèi)力[21]，而NDVI時(shí)間序列較短，不適合做長期氣候背景下森林生態(tài)系統(tǒng)的變化研究[17]。因此，研究樹木年輪和NDVI之間的關(guān)系將有助于利用2個指標(biāo)更加全面地研究森林生長及其對氣候變暖的響應(yīng)。

植被生理過程以及木材的形成都與冠層光合作用之間存在較強(qiáng)的關(guān)系[22]，這也成為研究樹木主干和冠層生長關(guān)系的理論基礎(chǔ)。然而，以往關(guān)于樹木徑向和冠層生長之間關(guān)系的研究結(jié)果不盡相同。一些研究表明，樹木年輪寬度和NDVI之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[23-27]，且主要和當(dāng)年生長季內(nèi)6—8月NDVI呈顯著正相關(guān)，這表明夏季氣候?qū)χ脖还趯拥挠绊懣赡苁情g接控制年輪寬度的主要因素。另外一些研究表明，樹木年輪和NDVI之間不存在關(guān)系[28-30]。樹輪的全材和早材與NDVI呈顯著正相關(guān)，而晚材與NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)[31]。還有研究表明，森林類型、區(qū)域氣候[21.32]、NDVI分辨率[17]、地形和海拔[33-35]的差異，都會影響樹木年輪和NDVI之間的關(guān)系。目前，樹木年輪和NDVI之間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

大興安嶺位于我國高緯度地區(qū)，屬于北半球中高緯度地區(qū)，對氣候變化特別是全球變暖具有高度敏感性[36]。興安落葉松（Larix gmelinii）是該地區(qū)優(yōu)勢樹種，壽命長，適應(yīng)性強(qiáng)，樹木年輪清晰，是樹木年代學(xué)分析的理想樹種。然而，該地區(qū)樹木年輪寬度與NDVI的相關(guān)研究相對較少，僅僅局限于大興安嶺北部地區(qū)。同時(shí)，相關(guān)研究僅分析了RWI、NDVI對月份氣候因子的響應(yīng)差異，尚未對生長季不同時(shí)期NDVI對氣候響應(yīng)的差異進(jìn)行研究，以及20世紀(jì)末期全球氣溫的快速變暖和后期的變暖停滯對RWI和NDVI關(guān)系的差異性更未見到。因此，在大興安嶺開展不同氣候背景下興安落葉松樹木徑向生長和不同季節(jié)NDVI應(yīng)對氣候響應(yīng)差異研究具有重要意義。

20世紀(jì)末期大興安嶺氣候變暖是否存在階段性特征，氣候的階段性變化是否會導(dǎo)致該地區(qū)不同緯度興安落葉松主干和冠層NDVI生長對氣候響應(yīng)差異發(fā)生變化。為此，本研究以大興安嶺不同緯度興安落葉松為研究對象，以樹木年輪寬度指數(shù)（RWI）和植被指數(shù)（NDVI）分別代表樹木主干和冠層生長狀況，探究以下科學(xué)問題：1）大興安嶺地區(qū)氣溫年際變化是否存在階段性特征。2）大興安嶺興安落葉松主干、冠層（NDVI）生長時(shí)空變化趨勢特征。3）不同氣候變化階段內(nèi)興安落葉松主干與冠層（NDVI）生長的關(guān)系。4）不同氣候變化階段內(nèi)興安落葉松主干和冠層（NDVI）對氣候響應(yīng)的差異特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于中國高緯度地區(qū)大興安嶺（ 43^°00^′ 53^°30^′N，117^°20^′～126^°00^′E） 。大興安嶺位于中國東北部，全長 1200km ，平均寬度 200km ，平均海拔573m 。大興安嶺作為中國東北重要的森林生態(tài)保護(hù)區(qū)和生態(tài)綠色屏障，對全球氣候變暖具有高度敏感性[36]。本研究的采樣點(diǎn)分別位于大興安嶺南部阿爾山地區(qū)（AES） （47^°17^′N，120^°28^′E） 、中部庫都爾地區(qū)（KDE）（ 50^°70^′N ， 121^°32^′E 和北部的大白山地區(qū)（DBS） 51^°10^′N ， 123^°70^′E ），氣象數(shù)據(jù)采用就近阿爾山（AES） （47^°17^′N ， 119^°93^′E ）、圖里河（TLH）（ 50^° 48^′N，121^°68^′E） 、漠河（MH） （52^°97^′N，122^°52^′E）3 個氣象站數(shù)據(jù)。研究區(qū)屬于典型寒溫帶大陸季風(fēng)氣候，冬季長而冷，夏季短而暖[3]，年降水量為 400～ 500mm，7 月氣溫達(dá)到最高值。研究區(qū)屬于北方針葉林的南緣。主要森林類型為興安落葉松林，伴生樹種為白樺、樟子松和山楊等。

1. 2 采樣點(diǎn)和樹木年輪數(shù)據(jù)

在阿爾山（AES）庫都爾（KDE）和大白山（DBS）地區(qū)分別建立1個 50m×50m 遠(yuǎn)離人為干擾的樣地，按照樹木年代學(xué)方法，在每個樣地內(nèi)選取生長良好的興安落葉松，用生長錐在每株樹木胸徑處（樹高 1.3m 處）沿平行于坡面的2個不同方向各鉆取一個樣芯。3個樣地分別選取20株樹，共取樣芯120個。

將野外取回的樣芯用乳白膠固定在帶有凹槽的木條上，待風(fēng)干后，利用砂紙拋光，用于交叉定年和年輪寬度測量。使用骨架圖法[37]進(jìn)行初步交叉定年[9]，消除偽年輪和缺失年輪。使用LINTAB-6測量系統(tǒng)以0.001mm 的精度測量樹木年輪寬度，利用COFFCHA程序[38對交叉定年和測量的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除不符合主序列的樣本數(shù)據(jù)，將合格的樹輪寬度數(shù)據(jù)通過ARSTAN程序擬合負(fù)指數(shù)曲線或線性曲線，進(jìn)行去趨勢和標(biāo)準(zhǔn)化處理，以去掉隨年齡增長的生長趨勢和其他非一致性擾動導(dǎo)致的非氣候信號[39]。然后將每個環(huán)寬除以每個環(huán)寬的擬合值，最終得到3個取樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)林分年表（standard foreststandchronology，STD）。為更好地評估年表質(zhì)量，計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)年表的平均敏感度（meansensitivity，MS）、樣本總體代表性（expresspopulation signal，EPS）、信噪比（signal to nosise ratio，SNR）、標(biāo)準(zhǔn)差（standarddeviation，STD）、一階自相關(guān)（autocorrelationorder1，AC1）等參數(shù)。

1. 3 NDVI數(shù)據(jù)

本研究使用全球庫存建模和繪圖研究的NDVI數(shù)據(jù)集（GIMMS 。第三代全球庫存建模和繪圖研究GIMMS 3g ，以先進(jìn)的高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）為基礎(chǔ)，空間分辨率為 8km ，時(shí)間分辨率為 15d GIMMS 3gNDVI 數(shù)據(jù)集從1981年7月開始記錄，為了使NDVI數(shù)據(jù)集與RWI重合時(shí)間段更長，本研究使用從1982年（NDVI數(shù)據(jù)集的第一個完整年份）到2015年底的數(shù)據(jù)。相比于GIMMS 3g 數(shù)據(jù)，雖然MODIS和SPOT植被數(shù)據(jù)集具有更高的空間分辨率，但時(shí)間跨度較短，數(shù)據(jù)僅在2000年之后才可用，這2個數(shù)據(jù)集無法對快速升溫期（1982—1997）開展研究。

本研究基于NDVI數(shù)據(jù)反演獲得的植被冠層物候數(shù)據(jù)集[40]及觀測數(shù)據(jù)[41]得到大興安嶺興安落葉松冠層生長開始期均處于4月末至5月，結(jié)束期處于9月末至10月初，因此將4一10月定義為生長季。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，原始數(shù)據(jù)為nc4格式，一年包含2個nc4文件，每個文件包含12期NDVI數(shù)據(jù)，利用R語言將nc4文件轉(zhuǎn)換成TIFF格式文件并定義數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為WGS-1984，然后利用輻射校正、幾何校正和大氣校正等方法降低數(shù)據(jù)集的誤差。利用ArcGIS10.2軟件基于最大合成法將逐旬?dāng)?shù)據(jù)合成逐月數(shù)據(jù)，消除云、大氣和太陽高度角等不確定因素的影響，從而獲取每月NDVI，再利用逐月數(shù)據(jù)計(jì)算得到生長季（4一10月）平均NDVI，剔除生長季NDVI小于等于0的格點(diǎn)，對于缺失數(shù)據(jù)利用周圍格點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合，以表征生長季內(nèi)植被的平均生長狀況。將各采樣點(diǎn)經(jīng)緯度插人選取采樣點(diǎn)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，再利用R語言程序分別提取各個采樣點(diǎn)1982—2015年的月NDVI序列，以及生長季（4—10月）NDVI序列。

1. 4 氣象數(shù)據(jù)

阿爾山采樣點(diǎn)選取阿爾山（AES）氣象站，庫都爾采樣點(diǎn)選取圖里河（TLH）氣象站，大白山采樣點(diǎn)選取漠河（MH）氣象站。氣象數(shù)據(jù)包括1981—2015年的日平均氣溫 、日最高氣溫 （t_max） 、日最低氣溫 （t_min） 和日降水量 （P） 。氣象數(shù)據(jù)下載自中國氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//data.cma.cn）。

1.5 研究方法

本研究主要評估了20世紀(jì)末期不同升溫階段大興安嶺興安落葉松徑向生長和植被冠層NDVI變化特征、氣候敏感性響應(yīng)差異2個方面。首先采用分段線性回歸對1982一2015年各研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，獲得各地區(qū)氣溫突變點(diǎn)，再對各研究區(qū)興安落葉松RWI和NDVI進(jìn)行分段線性擬合?；谄栠d相關(guān)性分析研究不同時(shí)段RWI、NDVI和氣候變量之間的關(guān)系。

分段線性回歸模型[42]在氣候變化[43]，以及植被物候轉(zhuǎn)折[44]等方面有較為廣泛的應(yīng)用。本研究采用分段回歸分析各研究區(qū)氣候要素指標(biāo)突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

式中：代表年份； y 代表整個研究區(qū)域的氣候變量時(shí)間序列值； α 為突變點(diǎn)年份 是回歸系數(shù)； β₁ 和 β₂ 是突變點(diǎn)前后的趨勢； ε 為誤差項(xiàng)。 χ_t 檢驗(yàn)用來檢驗(yàn)突變前后趨勢是否顯著，若顯著水平達(dá)到 0.1，α 就稱為突變點(diǎn)。

相關(guān)分析模型分別分析興安落葉松RWI和NDVI與氣溫（最高溫、平均溫和最低溫）、降水量之間的相關(guān)系數(shù)。

式中： R_xy 表示相關(guān)系數(shù)； n 表示研究時(shí)間段年份長度，本研究為 34a;x_i 表示月份氣候因子數(shù)值； 為研究時(shí)間段內(nèi)某氣候因子的平均值； y_i 為某年樹木RWI或NDVI; 為研究時(shí)間段內(nèi)RWI或者NDVI平均值。R_xygt;0 表示正相關(guān)； R_xylt;0 表示負(fù)相關(guān)，系數(shù)絕對值越大，說明兩要素之間相關(guān)性越顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1興安落葉松樹輪年表統(tǒng)計(jì)特征

樹木年表統(tǒng)計(jì)特征反映了年表的信息量和可用性，見表1，3個地點(diǎn)樣本總體代表性（EPS）介于0.959＼～0.981，均高于樹木年輪總體代表性閾值0.85，樣本所含信息能夠代表總體特征。標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和信噪比（SNR）均較高，表示樣本中包含了較多的氣候和環(huán)境信息。一階自相關(guān)（AC1）介于0.515＼～0.866，說明樹木前一年的生長對當(dāng)年存在明顯的影響。樣芯間平均相關(guān)系數(shù)（AC）介于0.394＼～0.589，說明樣芯間樹木年輪寬度變化一致?？傮w而言，3個地區(qū)年表統(tǒng)計(jì)特征值表明年表質(zhì)量較高，符合樹木年輪學(xué)研究要求。圖1為研究區(qū)興安落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表。

2. 2 氣候變化階段劃分

本研究主要分析了大興安嶺各研究區(qū)氣候數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行了分段線性擬合，以確定20世紀(jì)末期全球變暖加速對各研究區(qū)氣候的影響。經(jīng)分析可知，阿爾山和庫都爾地區(qū)最高溫均在1998年前，其增加速度明顯加快（ （Plt;0.05） ，經(jīng) Φ_t 檢驗(yàn)表明，兩地區(qū)最高溫在1998年前后趨勢差異顯著 （P=0.042;P=0.098） ，并且年降水量在1982—1997年期間均未發(fā)生顯著變化，在1998年后均出現(xiàn)顯著增加 （Plt;0.01） 。天白山地區(qū)最高溫在2002年前增加速率明顯加快 （Plt;0.05） ，經(jīng) Φ_t 檢驗(yàn)表明，該地區(qū)最高溫在2002年前后趨勢差異顯著，研究時(shí)間段內(nèi)降水量并未發(fā)生顯著變化。20世紀(jì)末期以前各研究區(qū)最高溫表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，如圖2所示，說明大興安嶺地區(qū)氣溫的變化受到了20世紀(jì)末期全球氣溫快速變暖[6-7]的影響。根據(jù)研究區(qū)氣候變化的總體趨勢，將1982一2015年劃分為

2個時(shí)段，1982—1997年為快速升溫期，1998—2015年為升溫間歇期。大白山研究區(qū)分別為1982一2002年和2003—2015年。

本研究將快速升溫期和升溫間歇期內(nèi)各個月份平均溫、最高溫、最低溫和降水量進(jìn)行了趨勢分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，快速升溫期是2月（冬季）和7月（夏季）的最高溫顯著上升導(dǎo)致的，2月最高溫起主要作用，升溫間歇期主要是生長季內(nèi)最低溫呈顯著上升趨勢，如圖3所示。

各月份降水量變化趨勢在快速升溫期變化不顯著，僅庫都爾和大白山的7月和8月降水量出現(xiàn)明顯的下降趨勢；然而升溫間歇期，各研究點(diǎn)降水量均出現(xiàn)了顯著增加的趨勢，主要分布在生長季內(nèi)，如圖4所示。

2.3 不同升溫階段大興安嶺樹木RWI和NDVI變化特征

阿爾山、庫都爾和大白山興安落葉松RWI和生長季NDVI在1982一2015年呈現(xiàn)非線性變化趨勢，如圖5所示。由圖5可知，二者變化趨勢在快速升溫期表現(xiàn)出很強(qiáng)的不一致性，在升溫間歇期二者的變化趨勢一致性逐漸增強(qiáng)。在快速升溫期，阿爾山、庫都爾和大白山地區(qū)RWI呈極顯著下降趨勢，變化幅度分別為0.047/a，0.046/a，0.042/a ，NDVI呈顯著上升趨勢，變化幅度分別為 0.002/a.0.003/a.0.03/a 。在升溫間歇期，阿爾山、庫都爾和大白山生長季NDVI變化趨勢仍然呈現(xiàn)顯著上升趨勢，而RWI變化趨勢卻發(fā)生了很大的改變。阿爾山、庫都爾和大白山地區(qū)NDVI變化幅

*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著；**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著。

*indicatesasignificant correlation at the 0.05level . ** indicatesa significantcorrelationattheO.O1 level.

度分別為 0.002/a?0.003/a?0.01/a ；阿爾山和天白山地區(qū)RWI由之前的下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?，其變化幅度分別為 0.018/a（P=0.118）?0.028/a（P=0.410） ，而庫都爾地區(qū)RWI變化仍處下降趨勢，但變化幅度呈不顯著下降，為 0.018/a（P=0.143） 。

結(jié)果表明，1998年前后氣溫上升速率的差異對樹木RWI和冠層產(chǎn)生了不同的影響。快速升溫期，冬季氣溫（2月）的快速上升可能顯著抑制了落葉松的徑向生長，顯著促進(jìn)冠層的生長。生長季NDVI在不同地區(qū)均呈顯著上升趨勢（圖5），驗(yàn)證了20世紀(jì)末期相比20世紀(jì)80年代初，中國東北地區(qū)的NDVI值明顯增加[48]。后期冬季氣溫上升不顯著以及生長季內(nèi)最低溫的顯著上升可能逐漸減弱樹木RWI和冠層NDVI之間的不一致性。

2.4生長季不同時(shí)期平均NDVI變化

本研究對生長季內(nèi)不同時(shí)期進(jìn)行了劃分：4一5月定義為生長季前期（EGS），6一8月定義為生長季中期（MGS），9一10月定義為生長季末期（LGS）。并且對快速升溫期和升溫間歇期內(nèi)各個不同生長季時(shí)期平均NDVI進(jìn)行趨勢分析。分析表明，快速升溫期生長季平均NDVI顯著上升是生長季前期（EGS）和生長季后期（LGS）的快速上升導(dǎo)致的，如圖6所示。然而生長季前期和末期NDVI的顯著上升主要體現(xiàn)在樹木冠層生長季的延長[45]。眾多基于遙感影像反演植被物候研究結(jié)果也表明1998年之前植被冠層物候開始期呈顯著提前[45]結(jié)束期呈顯著推遲、生長季延長[45-46]。然而1998年之后，生長季NDVI依舊顯著上升的原因主要是生長季中期和末期NDVI呈顯著上升趨勢，庫都爾和大白山最為明顯。

2.5 不同升溫階段RWI與NDVI的關(guān)系

研究結(jié)果表明，大興安嶺興安落葉松RWI和NDVI之間的關(guān)系在快速升溫期和升溫間歇期存在明顯的差異，如圖7所示。快速升溫期RWI與各個月份NDVI以及生長季平均NDVI的關(guān)系大多呈負(fù)相關(guān)（圖7（a））。升溫間歇期RWI和各月份NDVI的關(guān)系大多數(shù)呈正相關(guān)，該期間阿爾山地區(qū)RWI與7月NDVI呈顯著正相關(guān)0 （Plt;0.1） ，大白山地區(qū)RWI與8月NDVI呈顯著正相關(guān)

L （Plt;0.05） ，而庫都爾地區(qū)RWI更多的是和各月份NDVI呈負(fù)相關(guān)，和5月NDVI呈顯著正相關(guān) （Plt;0.05） ，與6月NDVI均呈極顯著負(fù)相關(guān) （Plt;0.01） ，并且隨著時(shí)間的推移，這種負(fù)相關(guān)性逐漸減弱（圖7（b））。結(jié)果表明，落葉松RWI僅僅和某個月份NDVI的關(guān)系比較密切，而生長季樹木冠層的平均生長狀態(tài)與落葉松徑向生長之間關(guān)系不密切。樹木RWI和NDVI雖然受共同的氣候要素影響，但二者之間存在很復(fù)雜的關(guān)系。

2.6快速升溫期RWI和NDVI與氣候因子的關(guān)系

快速升溫期間，生長季前期（EGS）和生長季末期（LGS）NDVI的顯著上升是整個生長季NDVI呈顯著上升的主要原因（圖6）。因此，本研究分別分析了興安落葉松RWI、樹木冠層生長季前期（EGS）和生長季末期（LGS）NDVI與氣候響應(yīng)的關(guān)系，目的是更好地了解快速升溫期間樹木RWI和NDVI關(guān)系不一致的原因，阿爾山地區(qū)生長季中期（MGS）NDVI變化顯著，因此分析生長季中期NDVI對氣候的響應(yīng)?？焖偕郎仄谂d安落葉松RWI和NDVI對氣候的響應(yīng)隨緯度變化存在一定的差異，同時(shí)也存在共同的驅(qū)動因素，如圖8所示。雖然阿爾山、庫都爾和大白山地區(qū)RWI與NDVI對眾

**表示相關(guān)性在0.05水平上顯著；***表示相關(guān)性在0.01水平上顯著； ΔNDVI_EGS 表示生長季前期平均NDVI; NDVI_LGS 表示生長季中期平均NDVI; NDVI_LGS 表示生長季末期平均NDVI。p表示上一年;c表示當(dāng)年。

?=? indicates a significant correlation at the O.O5 level; *** indicates a significant correlation atthe O.O1 level; ΔNDVI_EGS is mean NDVI in the early growing season; NDVI_LGS is mean NDVI in the middle of growing season; NDVI_LGS is mean NDVIat the end of the growing season，the same as below. p denotes year; c denotes the current year.

多月份氣候因素存在很強(qiáng)的敏感性，但結(jié)合本研究對各月氣候因子的趨勢分析（圖3，圖4）表明樹木RWI、NDVI對某些月份氣候因子敏感性很高并不代表該因子是導(dǎo)致RWI和NDVI發(fā)生顯著變化的主要因素，因?yàn)樵撘蜃釉谠摃r(shí)期并未發(fā)生顯著變化。

快速升溫期阿爾山地區(qū)樹木RWI主要受當(dāng)年2月氣溫（平均溫、最高溫、最低溫）的抑制作用；庫都爾地區(qū)樹木RWI主要受當(dāng)年2月氣溫（平均溫、最高溫、最低溫）的抑制作用，以及前年7月和當(dāng)年7月降水量的促進(jìn)作用；大白山地區(qū)樹木RWI主要受當(dāng)年2月最高溫和當(dāng)年1月降水量的抑制作用，以及前年9月最低溫和當(dāng)年8月降水量的促進(jìn)作用。然而，當(dāng)年2月最高溫和平均溫均顯著促進(jìn)了阿爾山、庫都爾、大白山 ΔNDVI_EGS 的變化（圖3，圖8），RWI和ND-VI_EGS 對2月氣溫響應(yīng)的不同導(dǎo)致二者之間關(guān)系不一致。同時(shí)庫都爾地區(qū) ΔNDVI_EGS 還受當(dāng)年2月最低溫的促進(jìn)作用，大白山地區(qū) ΔNDVI_ECS 還主要受前年8月和9月最低溫以及當(dāng)年1月降水量的促進(jìn)作用。阿爾山地區(qū) NDVI_MGS 仍然主要受當(dāng)年2月氣溫（平均溫、最高溫、最低溫）的促進(jìn)作用；庫都爾地區(qū) ΔNDVI_LGS 除了主要受當(dāng)年2月氣溫（平均溫和最高溫）的促進(jìn)作用，還主要受當(dāng)年7月最高溫的促進(jìn)作用和當(dāng)年7月降水量的抑制作用；大白山地區(qū) NDVI_LGS 主要受當(dāng)年生長季內(nèi)氣溫（當(dāng)年7月最高溫、8月、9月最低溫），以及當(dāng)年1月降水量的影響較大。

該期間氣溫因子明顯抑制了興安落葉松的徑向生長，這與前人的研究結(jié)果[47]一致，尤其當(dāng)年2月最高溫。3個研究區(qū)RWI對當(dāng)年2月最高溫的敏感性隨著緯度的升高，逐漸降低（圖6），但 ΔNDVI_EGS 對2月最高溫的敏感性隨緯度恰恰相反。阿爾山研究區(qū)，RWI對降水量的敏感性較差，而處于中高緯度地區(qū)的庫都爾和大白山研究區(qū)，生長季內(nèi)降水量對樹木徑向生長起促進(jìn)作用，尤其庫都爾地區(qū)RWI對當(dāng)年7月降水量最為敏感。

2.7升溫間歇期RWI和NDVI與氣候因子的關(guān)系

升溫間歇期，生長季中期（MGS）和生長季末期（LGS）NDVI的顯著上升是整個生長季NDVI呈顯著上升的主要原因（圖6）。因此，本研究分別分析了興安落葉松RWI、樹木冠層生長季中期（MGS）和生長季末期（LGS）與氣候響應(yīng)的關(guān)系，目的為更好地了解升溫間歇期樹木RWI和NDVI關(guān)系一致性增強(qiáng)的原因。

升溫間歇期阿爾山地區(qū)樹木RWI、冠層NDVIMGS＼`ΔNDVI_LGS 的生長均受到了當(dāng)年5月最低溫的顯著促進(jìn)作用（圖3，如圖9所示），另外前年6月和11月最低溫也促進(jìn)了樹木RWI的生長；前年5月和當(dāng)年6月最低溫也顯著促進(jìn)了 ΔNDVI_LGS 的生長。大白山地區(qū)樹木

RWI、冠層 NDVI_MGS?NDVI_LGS 的生長均受到當(dāng)年5月平均溫的顯著促進(jìn)作用（圖3，圖9），另外 NDVI_MGS 和ΔNDVI_LGS 還受前年6月最低溫、當(dāng)年5月、6月、8月最低溫、前年7月降水量、當(dāng)年6月、8月平均溫的促進(jìn)作用。相反的是庫都爾地區(qū)樹木RWI仍然受氣候的抑制作用，這可能與地理環(huán)境因素有關(guān)，前年10月降水量抑制了該地區(qū)RWI的生長，但顯著促進(jìn)了NDVI_MGS 和 ΔNDVI_LGS 的生長（圖4，圖9），這可能是庫都爾RWI與NDVI之間關(guān)系在升溫間歇期仍然處于負(fù)相關(guān)的主要原因（圖7）。除此之外，庫都爾地區(qū)RWI還受前年5月和當(dāng)年5月降水量以及當(dāng)年10月最高溫的影響； NDVI_MGS 還受前年10月最高溫、前年6月最低溫、當(dāng)年6月最低溫的影響； ΔNDVI_LGS 還受前年10月最高溫、前年11月最低溫、當(dāng)年6月最低溫和當(dāng)年10月降水量的影響。

該時(shí)期，5月平均溫和最低溫的顯著變化導(dǎo)致了阿爾山和大白山樹木徑向生長與冠層之間關(guān)系由負(fù)轉(zhuǎn)正。并且隨著緯度的升高，影響生長季中期和末期樹木冠層生長的主導(dǎo)因子趨于一致。然而，庫都爾地區(qū)樹木徑向生長更多受到降水量的限制，RWI和NDVI對氣候因子的相反表現(xiàn)可能是該地區(qū)RWI和NDVI仍然處于負(fù)相關(guān)的主要原因。

3 討論

3.1快速升溫期RWI和NDVI關(guān)系

快速升溫期結(jié)果表明，大多數(shù)RWI與月NDVI以及生長季NDVI呈不顯著負(fù)相關(guān)。眾多RWI和NDVI相關(guān)研究也存在兩者之間關(guān)系不顯著的情況[28-30]，尤其在山區(qū)RWI和NDVI表現(xiàn)出不一致[30]，這表明樹木年輪寬度與NDVI之間的關(guān)系在不同的氣候背景和地理環(huán)境下是不一致的。該時(shí)期2月最高氣溫快速上升的氣候條件導(dǎo)致森林生長及其對氣候因素的響應(yīng)不一致，這可能是解釋該時(shí)期興安落葉松RWI與NDVI之間不一致的主要因素。

生長季前期（EGS）和末期（LGS）NDVI的顯著上升也可能是RWI和NDVI關(guān)系不一致的原因之一。氣溫的顯著上升[48-49]促進(jìn)了植被生長開始期的提前[50]，NDVI最大增幅出現(xiàn)在生長季早期（春季）[50-51]。4、5月NDVI的升高，需要消耗較多前年積累的營養(yǎng)物質(zhì)，用于木質(zhì)部生長的有機(jī)物就會減少，所以RWI和NDVI之間呈負(fù)相關(guān)；9、10月樹木形成層生長處于停滯階段，NDVI的上升更多的是為下年積累有機(jī)物，與當(dāng)年RWI關(guān)系并不密切。隨著7月最高溫的繼續(xù)升高，葉片的氣孔開度也會隨之增天，加劇了樹木的蒸騰作用，蒸發(fā)量也會隨之增大，進(jìn)而加快了水分的散失和養(yǎng)分的消耗，影響樹木內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的積累，導(dǎo)致樹木年輪寬度變窄[31]，也是RWI和NDVI呈負(fù)相關(guān)的原因之一。 ΔNDVI_EGS 對不同氣候因素，特別是對2月最高溫的響應(yīng)較為一致（圖9）。2月最高溫顯著促進(jìn)了生長季前期NDVI，對NDVI_LGS 的促進(jìn)作用隨著緯度的升高逐漸減弱，庫都爾和大白山地區(qū) ΔNDVI_LGS 還主要受7月最高溫和降水量的影響。大興安嶺地區(qū)的RWI在不同緯度也存在相同的變化趨勢，各地區(qū)RWI對2月最高溫的響應(yīng)也表現(xiàn)出一致性，隨著緯度的升高RWI對降水量的響應(yīng)也逐漸增強(qiáng)。興安落葉松的相關(guān)研究也表明，樹木年輪寬度的生長受到了氣溫的限制作用[52]。這也驗(yàn)證了大興安嶺地區(qū)興安落葉松樹木年輪寬度在不同地區(qū)表現(xiàn)出明顯受2月最高溫抑制的事實(shí)。根據(jù)Vicente-Serrano等2i的研究表明，氣候條件和森林類型可以導(dǎo)致樹木年輪寬度和NDVI之間關(guān)系的不同。因此，在快速升溫的氣候背景下，森林生長模式及其對氣候響應(yīng)的差異，都可能導(dǎo)致大興安嶺地區(qū)興安落葉松年輪寬度和NDVI之間的不一致關(guān)系。

另外，本研究中利用的 8km 空間分辨率的NDVI數(shù)據(jù)集，即使基于森林分布范圍提取植被NDVI[52]，單個像素內(nèi)仍有可能混有各種植被類型，都可能導(dǎo)致樹木年輪寬度和NDVI之間的不一致性[30]。此前研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)中，除了樹冠對森林NDVI的貢獻(xiàn)外，林冠下草、灌木等植被對森林NDVI也有貢獻(xiàn)[53]。因此，像素中混有的其他植被對森林NDVI的影響也可能導(dǎo)致RWI和NDVI之間關(guān)系的不一致。

3.2 升溫間歇期RWI和NDVI關(guān)系

升溫間歇期內(nèi)，大多數(shù)RWI和生長季的一個或者多個月NDVI呈正相關(guān)，但顯著正相關(guān)的時(shí)間并不一致，和相關(guān)研究結(jié)果[5相同。該期間冬季氣溫不再顯著變化，生長季內(nèi)最低溫呈顯著上升趨勢，生長季內(nèi)NDVI顯著上升主要表現(xiàn)在生長季中期和末期。阿爾山和大白山RWI呈不顯著上升，庫都爾RWI呈不顯著下降。生長季前期NDVI的不顯著上升，意味著冠層物候開始期沒有顯著提前[54]，以及5月最低溫和平均溫的上升分別促進(jìn)了阿爾山和大白山RWI、NDVIMGS和 ΔNDVI_LGS 的生長，這可能是解釋該期間兩地區(qū)落葉松林RWI和NDVI一致性增強(qiáng)的主要原因。樹木冠層物候開始期的不顯著提前，使得樹木形成層生長獲得更多前年積累的有機(jī)物，同時(shí)5月氣溫的上升促進(jìn)了NDVI_MGS ，光合速率的增強(qiáng)也產(chǎn)生了很多有機(jī)物用于生長。因此，阿爾山和大白山地區(qū)RWI和各月NDVI之間呈正相關(guān)，兩地區(qū)RWI分別于7月和8月NDVI呈顯著正相關(guān)，也說明了7月和8月是植被生長的高峰時(shí)期，會產(chǎn)生更多的碳水化合物[31]。阿爾山和大白山ΔNDVI_LGS 還受其他月份氣溫和降水量的促進(jìn)作用，但RWI和9、10月NDVI呈不顯著正相關(guān)性也驗(yàn)證了生長季后期冠層生長更多為來年積累，與當(dāng)年RWI相關(guān)性不密切。

升溫間歇期庫都爾地區(qū)樹木RWI與各月NDVI關(guān)系除與5月NDVI呈顯著正相關(guān)性外，與其他月NDVI仍呈負(fù)相關(guān)，尤其與6月NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)性?？赡苁菐於紶柕貐^(qū)樹木木質(zhì)部生長先于發(fā)芽，Zhai等[55]、Alice等[56]研究發(fā)現(xiàn)多種北方針葉林木質(zhì)部生長先于冠層。并且相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)樹木木質(zhì)部細(xì)胞增長速率峰值比NDVI上升最快的7月要早1個月左右[57]，在葉子成熟的時(shí)候生長速率達(dá)到最大[62]。在4、5月庫都爾地區(qū)樹木木質(zhì)部生長可能已經(jīng)開始，而4月末期樹木冠層才逐漸發(fā)芽，進(jìn)入5月木質(zhì)部生長速率可能與NDVI“變綠”的速度相一致，二者間呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)性。6月木質(zhì)部迅速生長，速率達(dá)到最高峰，冠層物候開始期提前不顯著，NDVI變化速率可能沒有增大，導(dǎo)致RWI和6月NDVI呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性，隨著后期NDVI變化速率的增大，二者之間的負(fù)相關(guān)性也在逐漸的減弱。另外，RWI和生長季中期、末期NDVI對氣候因素響應(yīng)的不一致性也造成了二者之間的負(fù)相關(guān)性，主要表現(xiàn)出前年10月降水量的顯著下降導(dǎo)致了RWI的下降和 NDVI_MGS 和 NDVI_LGS 的上升。

4結(jié)論

樹木年輪寬度指數(shù)和NDVI被廣泛用于評估森林生長的時(shí)空變化和探究森林生長對氣候變化響應(yīng)的2種有效的森林動態(tài)指標(biāo)。本研究根據(jù)20世紀(jì)末期氣候變化特征將研究期分為快速升溫期和升溫間歇期，分別對RWI和NDVI之間的關(guān)系進(jìn)行研究對比，對揭示北方針葉林初級生長和次級生長及其關(guān)系探討具有重要意義，并得出以下結(jié)論。

1）大興安嶺興安落葉松RWI在快速升溫期呈顯著下降趨勢，升溫間歇期呈不顯著上升趨勢；生長季NDVI在快速升溫期前后均呈顯著上升趨勢。2）快速升溫期，大興安嶺興安落葉松生長季前期（EGS）和末期（LGS）NDVI上升的貢獻(xiàn)率最大；升溫間歇期，興安落葉松生長季中期（MGS）和末期（LGS）NDVI上升貢獻(xiàn)率最大。3）快速升溫期，大興安嶺興安落葉松RWI和大多數(shù)月份NDVI呈不顯著負(fù)相關(guān)；升溫間歇期，興安落葉松RWI與大多數(shù)月份NDVI呈正相關(guān)。

4）快速升溫期，2月最高溫對興安落葉松RWI的抑制作用隨著緯度的升高逐漸變?nèi)酰?月最高溫的上升顯著促進(jìn)了阿爾山、庫都爾、大白山生長季前期冠層生長，造成了樹木RWI和NDVI的不一致。

5）升溫間歇期，生長季內(nèi)5月氣溫的上升明顯減弱了興安落葉松RWI和NDVI的不一致性。

總體表明：不同時(shí)期大興安嶺興安落葉主干和冠層生長一致性存在差別，二者對共同氣候驅(qū)動因子響應(yīng)是否存在差別決定了樹木主干和冠層生長關(guān)系的一致性。如果樹木主干和冠層生長對共同氣候驅(qū)動因子響應(yīng)存在差別，且該驅(qū)動因子屬于該期間氣候主要變化因子，則樹木年輪寬度指數(shù)與NDVI會呈較多負(fù)相關(guān)。如果樹木主干和冠層生長對共同氣候驅(qū)動因子響應(yīng)無差別，且驅(qū)動因子屬于該期間氣候主要變化因子，則樹木年輪寬度指數(shù)與NDVI會呈較多正相關(guān)。此外，我們也認(rèn)識到研究時(shí)段較短所帶來的局限性，未來將采用更長時(shí)間序列的遙感植被指數(shù)來彌補(bǔ)這一缺陷。

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