1982—2020年东北森林带植被绿度时空变化特征.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家重点研发计划()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./张宇余振栾军伟王一叶晓丹刘世荣.年东北森林带植被绿度时空变化特征.生态学报():.():.年东北森林带植被绿度时空变化特征张 宇余 振栾军伟王 一叶晓丹刘世荣 国际竹藤中心竹藤资源与环境研究所国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室北京 南京信息工程大学应用气象学院南京 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京 摘要:植被绿度变化(绿化或褐化)的时空格局研究有助于了解生态系统结构和功能的变化制定适应气候变化的生态系统管理政策 在全球气候变化加剧的背景下过去 间东北森林带植被绿度如何变化仍不清楚 基于气象再分析数据分析了 年来东北森林带的气候变化趋势以叶面积指数()作为植被绿度的衡量指标分析了东北森林带中大兴安岭、小兴安岭和长白山脉植被绿度的时空变化格局和影响因素 研究发现:年东北森林带气候趋势呈现“暖干化”特征研究区植被绿度总体呈绿化趋势但 年后植被绿度变化呈降低趋势的区域增加了.倍主要位于大兴安岭西北部 影响因素分析表明 年温度和土壤水分是植被绿度增加的主要驱动因素而 年之后区域内植被绿化的主要驱动因素为土壤水分的增加降雨和相对湿度降低引起的水分胁迫导致大兴安岭西北部植被褐化加剧 研究结果为揭示东北森林带固碳能力变化、制定适应气候变化的林业管理对策提供了科学参考关键词:东北森林带植被绿度温度降雨相对湿度土壤水分 /:.().()():/.()().:在全球气候变化日益加剧的背景下影响植被光合作用活动的温度和降雨等因素发生了显著变化改变了植被生长和固碳能力 植被光合作用活动可用遥感植被绿度即植被指数()或叶面积指数()进行间接表征 以植被绿度为衡量指标量化植被活动的时空变化有助于理解气候变化和植被之间的关系对于预测植被对气候变化的响应至关重要近年来一些研究利用 或 分析了全球植被绿度变化结果表明自 以来植被的绿化(植被绿度在某一时间段内呈显著增加趋势则定义为绿化代表着植被光合作用活动增强反之则为褐化)是普遍的北半球高纬度和温带区域是绿化的热点地区而气候变暖是主要驱动因素之一 然而由于气候变化的时空异质性植被绿度变化存在较大的时空差异 气候变暖停滞和植被生长的温度响应逐渐减弱改变了植被绿度变化趋势一些温带区域的植被褐化加剧甚至出现从绿化到褐变的逆转 降雨减少和温度持续增加造成植被面临越来越大的水分胁迫以相对湿度()和土壤水分()作为水分胁迫衡量指标的研究指出水分胁迫是植被绿度增加速度放缓或逆转的关键因素植被绿度的时空变化及对气候和土壤水分的响应是非线性的不同时间尺度上气候和土壤水分对植被绿度的影响大小也并不一致 目前分析植被绿度与气候和土壤水分关系的研究多采用相关分析法以变量间的相关系数来确定因子对植被绿度的影响忽视了各因子间的相互作用 因此一些研究基于通径分析或地理探测器量化了各因子对植被绿度变化的影响大小 通径分析可分析多个因子与因变量之间的复杂关系地理探测器可根据因子和因变量之间的时空分布相似性来确定因子对因变量的影响不需要构建变量之间的线性关系东北森林带源于“两屏三带”生态安全战略建设区域内包括大兴安岭、小兴安岭和长白山脉 东北森林带是我国重要的碳汇功能区和生态屏障区也是对气候变化响应的敏感区 近几十年来东北地区气候呈“暖干化”趋势但上世纪末开始区域气候变暖出现停滞 近年来一些研究评估了东北地区植被绿度变化并分析了气候因素的影响但尚不清楚东北森林带是否出现了植被褐化也不清楚气候和土壤水分对植被绿度的影响在时间尺度上是否一致 此外气候和土壤水分变化对植被绿度变化的影响大小也 期 张宇 等:年东北森林带植被绿度时空变化特征:/.需进一步分析 综上本研究利用长时间序列 遥感数据分析东北森林带 年植被绿度时空变化并基于通径分析和地理探测器量化气候和土壤水分对植被绿度的影响大小及时间差异以明确东北森林带植被绿度变化的主要驱动因素 数据与方法.研究区概况研究区位于 和 平均海拔约 研究区大部处于中温带年均温总体上从南至北递减年降水量总体呈东南至西北递减趋势总体上四季分明雨热同期为植被生长提供了良好的环境条件大兴安岭和小兴安岭分布有寒温带针叶林和阔叶林长白山脉主要分布为温带阔叶林和针阔混交林(图)图 研究区示意图.遥感数据大尺度植被绿度变化研究一般采用遥感植被指数作为衡量植被生长的指标 早期研究多采用 为衡量指标但 在植被茂盛地区()易出现过饱和现象因此本研究选取 为衡量指标 定义为单位土地面积上植物叶片总面积与土地面积的比值 数据来源于美国国家海洋和大气管理局()发布的气候数据记录()产品中的 数据集()空间分辨率为.(大约 )时间分辨率为 本研究选取了 年的 数据并采用最大值合成法生成每月 数据以消除大气影响、云污染对信号的影响 采用 插值算法“”进行了缺失值插补 选取每年 月的生长季 作为植被绿度的表征.气候与土壤水分数据本研究采用 数据集(分辨率.:/./)中的 年逐月平均温度()、降雨量()和土壤水分()数据并用双线性插值方法将数据重采样至.分辨率土壤水分数据包括 、和 相对湿度()计算详见参考文献生 态 学 报 卷:/.方法.距平值计算和时间序列突变点检测 距平值计算如下:()式中为第 年()的生长季平均温度、降雨量或相对湿度 和 分别为对应变量的多年平均值和距平值采用 突变检验识别植被绿度趋势的突变点计算过程详见参考文献.趋势分析和显著性检验采用 方法分析植被绿度变化趋势该方法可避免数据不符合正态分布要求的限制并减少异常值的干扰 但 方法无法判断时间序列变化趋势的显著性需引入 检验对趋势进行显著性检验 方法和 检验计算详见参考文献.通径分析和地理探测器基于通径分析可将不同因素对 的影响分解为直接影响和间接影响 直接或间接通径系数绝对值越大表明该因素对 的影响越强系数为正表示对 起促进作用反之为抑制作用 通径分析计算过程详见参考文献地理探测器可量化气候和土壤水分对植被绿度变化的相对作用大小 该方法只对类型变量进行分析对于连续数据可在离散化对其进行分析 利用 包“”可将气候和土壤水分数据离散化离散化的最优标准由“”包的 函数确定以得出最佳的解释力 解释力 计算方式详见参考文献 研究结果.年东北森林带植被绿度的时空变化特征图 东北森林带植被绿度突变图.突变检验发现研究区植被绿度于 年发生了突变(.图)栅格水平上.的区域植被绿度在 年发生突变其次为 年(.图)以 年作为植被绿度变化突变点研究发现两个阶段植被绿度均呈现增加趋势(分别为./和./图)但 年后植被绿度增加速度 期 张宇 等:年东北森林带植被绿度时空变化特征:/.较 年间有所下降且趋势转变为不显著 空间分布上 年间.区域植被绿度呈增加趋势(图)绿化和褐化区域分别占.和.大、小兴安岭增加速度较快 年后.的区域植被绿度呈降低趋势褐化区域占.大兴安岭西北部最为突出(图)两个时期植被绿化区域的空间分布差异较大褐化面积增加了约.倍图 东北森林带植被绿度年际变化.近几十年东北森林带气候变化特征如图 所示 年以来研究区气候总体呈现暖干化特征三个区域生长季平均温度和相对湿度分别呈现显著增加和显著降低的趋势其中大兴安岭温度上升速度最大(./.)相对湿度下降速度最快(./.)且降雨量呈显著降低趋势(./.)为揭示植被绿度突变前后气候条件是否存在差异研究分析了 年前后两个时期气候变化特征 结果显示三个区域温度在两个时期均保持增加趋势但 年变化速度(分别为.、.、./)高于 年后(分别为.、.、./)年后各区域降雨量和相对湿度均转为增加趋势但仅有小兴安岭趋势显著(./平均温度或土壤水分降雨(图)相对湿度降低是植被绿度增加的限制因素(分别为.、.和.)温度上升(分别为.、.和.)和充足的土壤水分(分别为.、.生 态 学 报 卷:/.和.)对植被绿度增加呈促进作用降雨对植被绿度变化的直接作用较小但也可通过调节相对湿度和土壤水分对植被绿度变化产生间接影响 年后温度上升对植被绿度变化的积极影响大幅降低(图 分别为.、.和.)大兴安岭北部相对湿度持续降低(图)是区域植被绿度增加的限制因素(.)而小兴安岭和长白山脉土壤水分胁迫是主要的限制因素(分别为.和.)降雨增多对三个区域植被绿度增加起促进作用(分别为.、.和.)为进一步确定主导植被绿度变化的气候因子研究采用地理探测器分析了气候和土壤水分与植被绿度变化的关系并提取对植被绿化和褐化解释力最强的因子及交互作用 结果如表 所示 年间温度及与其他因子的交互作用是植被绿化的主要驱动因子温度与土壤水分交互作用对长白山脉植被绿化的促进作用最大 年后三个区域植被绿化的主要驱动因子均转变为土壤水分及与其他因子的交互作用而植被褐化的主要驱动因子为降雨和土壤水分的交互作用表 植被绿化或褐化的主要驱动因子 区域驱动因素类型 绿化驱动因子 值褐化驱动因子 值绿化驱动因子 值褐化驱动因子 值大兴安岭单因素温度.相对湿度.土壤水分.相对湿度.交互作用温度相对湿度.温度相对湿度.相对湿度土壤水分.降雨土壤水分.小兴安岭单因素温度.温度.温度.降雨.交互作用温度降雨.温度相对湿度.温度土壤水分.降雨土壤水分.长白山脉单因素降雨.降雨.降雨.土壤水分.交互作用温度土壤水分.降雨土壤水分.温度土壤水分.降雨土壤水分.讨论.气候趋势与植被绿度变化气候与植被绿度的变化并不是单调不变的 许多研究发现上世纪末期开始全球气候变暖趋于平缓尤其是欧亚大陆的中纬度地区 同时全球部分区域植被绿度增加趋势放缓乃至逆转全球 的植被绿度在 年间呈现增加趋势但 年后全球 植被绿度呈降低趋势甚至在许多区域出现趋势逆转 本研究发现.研究区植被绿度在 年之前呈增加趋势与北半球其他中纬度植被活动变化的面积比例类似 年后.区域植被绿度呈降低趋势与全球尺度相比植被绿度降低的面积比例较小表明以森林覆盖为主的东北森林带对逐渐增加的水分胁迫的抗性较其他植被类型更高 全球尺度研究一般认为全球植被绿度变化在 中后期发生逆转然而本研究发现东北森林带的转变点略晚于这些研究这也表明该区域气候和植被具有一定的特异性.植被绿度变化的影响因素植被绿度的年际变化是气候趋势和人类活动影响共同作用的结果 本研究采用的气候和植被数据的空间分辨率为.而这一尺度上的气候趋势是植被绿度变化的主导因素 年以来北半球中高纬度地区温度升高促进了植被生长是导致植被绿度增加的主要驱动因素之一温度上升显著提升了该区域内植被的光合作用酶活性和净光合速率促进了生物量积累 本研究结果也表明 年间温度是研究区植被绿度增加的主要驱动因子与其他研究一致 东北森林带位于北半球中高纬度地区从西北至东南分别跨越半干旱区、半湿润区和湿润区 年间温度在均呈显著上升趋势(图)在温度低于植被光合作用最适温度时温度上升对植被绿度增加的促进作用毋庸置疑 年间研究区降雨和相对湿度呈普遍下降趋势在温度显著增加而降雨减少的情况下相对湿度降低引起的水分胁迫加剧 期 张宇 等:年东北森林带植被绿度时空变化特征:/.限制了植被绿度的增加但湿润半湿润地区在降雨减少时可能会通过增加光照的方式对植被绿度变化起到促进作用 温度持续上升时充足的土壤水分可保障植被活动对水分有效性的需求有利于植被绿度的增加温度和土壤水分对植被绿化的促进作用在长白山脉区域最为显著 年间研究区生长季平均温度呈持续增加趋势但 年后升温速率有所下降这与其他研究结果一致 尽管温度上升速率降低但温度的持续上升会对植被活动产生负面影响在生长季温度过高(高于植被最适温度)或蒸发散增加引发的水分胁迫加剧时植被光合作用将受到明显的抑制 另外一些研究指出 年后夏季温度的持续上升对北半球高纬度地区植被活动的促进作用正在降低本研究也发现 年间温度对三个区域植被绿度变化的促进作用显著低于 年间 年后大兴安岭植被绿化的驱动因素由温度转为土壤水分且交互作用也由温度和相对湿度转为相对湿度和土壤水分大气干燥度上升和土壤水分不足将促使植被为减少水分损失而降低叶片气孔导度削弱光合作用能力进而引发植被褐变 研究区气候趋势呈现“暖干化”特征大兴安岭北部区域属于半干旱区植被绿度变化对水分有效性更为敏感同时区域遭受的气象干旱也高于其他区域特别是温度持续上升引起的蒸发散增加以及降雨和土壤水分的持续下降导致的大气干燥度上升植被生长受到的水分胁迫更为严重区域内植被褐化与降雨和土壤水分降低的空间分布基本一致也说明了水分胁迫是植被褐化的主要因素而温度上升对植被绿度的促进作用不足以抵消水分胁迫对植被绿度的抑制作用 年后小兴安岭植被绿化的驱动因素仍为温度区域内降雨、相对湿度和土壤水分的持续增加保障了植被生长对水分有效性的需求温度持续上升仍然是植被绿化的主要驱动因素 尽管长白山脉属于半湿润区域但温度持续上升时土壤水分亏缺对植被活动的限制越来越大长白山中部和南部降雨、相对湿度和土壤水分的变化说明水分有效性有所降低是区域植被褐化的主要驱动因素这与过往研究得出的水分限制增加是中国植被生长在 年后逐渐降低的主要原因之一的结果较为一致 土壤水分在 年间的降低趋势也侧面反应了植被生长增加对土壤水分的消耗从而造成了 年之后一些区域植被正常活动所需的土壤水分不足 此外东北地区 年发生了严重的干旱由此引发的高温限制和水分胁迫阻碍了植被的持续绿化并可能是该区域大范围植被褐化的原因之一.本研究的不确定性本研究所使用的 数据是.度分辨率(约 )数据中跨度最长的数据集 但该数据集包含 多颗卫星的观测数据在传感器漂移校正过程中存在一定的不确定性 同时由于云层覆盖等因素影响数据集的时空连续性受到了削弱 因此采用最大值合成法将日尺度数据转换为月尺度并对缺失值进行插补以提升 时间序列的质量是进行数据分析的前提施肥效应是全球植被绿化的主要因素之一但有研究认为由于养分和水分限制植被生长的 施肥效应有所下降 由于缺乏 浓度的时空分布数据本研究未量化 施肥效应对植被绿度变化的贡献一些实地观测研究也指出北半球温带区域植被生长并没有显著增加 东北森林带是我国陆地生态系统的主要碳汇区之一在未来气候变化加剧的背景下评估该区域植被活动和固碳能力需要更多野外实地观测的支持 结论本研究基于遥感和气候数据分析了东北森林带植被绿度和气候的时空变化规律以及气候和土壤水分对植被绿度变化的影响主要结论为:()年间东北森林带植被绿度整体呈绿化趋势但 年间绿化速度降低植被褐化的区域扩大了.倍主要分布于大兴安岭西北部()年间东北森林带气候趋势整体呈“暖干化”特征 年后温度上升速度降低部分区域降雨、相对湿度和土壤水分转为增加趋势生 态 学 报 卷:/.()年间温度上升和土壤水分是植被绿化的主要驱动因子 年后植被绿度增加来源于研究区中部降雨、相对湿度和土壤水分的增加的驱动而大兴安岭西北部降雨和土壤水分降低所引发的水分胁迫导致了植被绿度增加速率放缓乃至褐化区域扩大参考文献():.():.():.():.:.:.():.():.():.():.():.():.():.():.?():.():.():.():.():.():.:.期 张宇 等:年东北森林带植被绿度时空变化特征:/.():.():.():.():.():.():.左丽媛 高江波.基于地理探测器的喀斯特植被 定量归因.生态环境学报 ():.张思源 聂莹 张海燕 李永利 韩燕东 刘晓煌 王兵.基于地理探测器的内蒙古植被 时空变化与驱动力分析.草地学报():.:.():.谢舒笛 莫兴国 胡实 陈学娟.三北防护林工程区植被绿度对温度和降水的响应.地理研究 ():.王劲峰 徐成东.地理探测器:原理与展望.地理学报 ():.:.:.():.?.():.陈智.年中国东北森林生产力和碳素利用率的时空变异.应用生态学报 ():.张淑杰 张玉书 陈鹏狮 蔡福 武晋雯 纪瑞鹏.东北地区湿润指数及其干湿界线的变化特征.干旱地区农业研究 ():.():.():.赵俊芳 延晓冬 贾根锁.年中国东北地区森林生态系统碳储量的模拟.应用生态学报 ():.方利 王文杰 蒋卫国 陈民 王永 贾凯 李延森.年黑龙江流域(中国)植被覆盖时空变化及其对气候变化的响应.地理科学 ():.():.().():.():.():.生 态 学 报 卷:/.():.:.:.():.(.).:.:?():.():.():.李双成 蔡运龙.地理尺度转换若干问题的初步探讨.地理研究 ():.():.:.():.张林林.年西南地区变干、变绿趋势分析.西南农业学报 ():./:.():.:.():.():.():.期 张宇 等:年东北森林带植被绿度时空变化特征