晝夜增溫速率的不對稱性對新疆地區植被動態的影響

趙 杰,劉雪佳,杜自強*,武志濤,徐小明(.山西大學黃土高原研究所,山西 太原 030006；.山西大學環境與資源學院,山西 太原 030006)

晝夜增溫速率的不對稱性對新疆地區植被動態的影響

趙 杰1,劉雪佳2,杜自強1*,武志濤1,徐小明1(1.山西大學黃土高原研究所,山西 太原 030006；2.山西大學環境與資源學院,山西 太原 030006)

結合1982～2013年歸一化植被指數(NDVI)、植被類型和氣象數據,分別利用一元線性回歸和二階偏相關分析方法,分析了新疆地區生長季白天最高氣溫(Tmax)和生長季夜間最低氣溫(Tmin)的變化趨勢以及晝夜增溫的不對稱性對各類型植被活動的影響.結果表明：近 32年來新疆地區Tmax及Tmin都存在極為顯著的上升趨勢,生長季Tmin的增長速率約為Tmax增長速率的1.5倍,晝夜增溫速率呈現出不對稱性;晝夜增溫對植被活動的影響呈現出明顯的分異特征：相比于白天增溫,夜間溫度的變化對新疆植被的影響區域更為廣泛,而且對植被的影響程度更大;各植被類型 NDVI對晝夜增溫速率的不對稱性也產生了不同的響應：白天增溫對針葉林產生顯著的積極影響,而夜間增溫對針葉林、農業植被、草原及草甸植被表現出顯著的積極影響.

不對稱性增溫；植被動態；白天增溫；夜間增溫；新疆地區

植被作為陸地生態系統的重要組成部分,是連接大氣、土壤、水體的自然紐帶,在全球變化與陸地生態系統的研究中充當著“指示器”的作用[1-2].氣候變化是植被活動的重要影響因素,溫度、降水等作為植物生長發育的必要環境因子,對植被的生長和物候等具有重要影響[3].目前,國內外在植被動態變化及其與氣候因子的相互關系方面進行了大量的研究,得到不同的研究區域和不同的時空尺度下植被生長對氣溫和降水的時空響應特征[3-9].

過去50年的氣溫數據表明,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影響植被的碳吸收和碳消耗[11].目前,國內外在植被動態變化及其與氣候因子相互關系方面的研究大多集中于植被對平均氣溫變化的響應;考慮晝夜增溫速率不一致對植被生長變化影響的研究相對較少.Wan等[12]通過控制實驗研究了內蒙古草原日最高氣溫、夜間最低氣溫與歸一化植被指數(NDVI)的關系,發現日最高溫的增加抑制了該地區草地樣地NDVI的升高,而夜間最低溫的升高則促進了草地樣地NDVI的增加.Peng等[10]利用遙感數據、大氣CO2濃度觀測數據以及氣象數據,系統地研究了白天和晚上溫度上升對北半球植被生產力和生態系統碳源匯功能影響,發現白天溫度的升高有利于大部分寒帶和溫帶濕潤地區植被生長及其生態系統碳匯功能,但并不利于溫帶干旱和半干旱地區植被生長.而在晚上,溫度上升對植被生長的影響相反.梁春玲等[13]利用氣象數據和遙感數據計算了近40年來晝夜增溫對南四湖濕地植被 NDVI 的影響差異,發現NDVI與白天氣溫呈現極顯著的偏相關關系,而夜間氣溫與 NDVI 的偏相關關系在任何時期內均不顯著.可見,不同地區或者不同類型植被對晝夜溫度變化的響應具有明顯的差異.

新疆(E73°40′～96°33',N34°25′～49°10′)地處中國中溫帶極端干旱的荒漠地帶,自然環境復雜、氣候類型各異、水熱分布懸殊,這為從局地尺度驗證更大尺度的植被與氣候變化相互關系提供了良好的實驗場所[14].

本文利用近32年新一代NDVI數據集以及中國植被分類數據、白天和夜間極端氣溫數據,分析新疆地區晝夜氣溫、植被NDVI生長季變化及對晝夜不對稱增溫響應的差異.以期豐富全球氣候變化背景下,晝夜溫度上升對中國內陸干旱、半干旱地帶生態系統植被活動影響的認識,為不同植被類型對氣候變化的響應特征研究提供借鑒.

1 數據和方法

1.1 數據

1.1.1 遙感數據 1982～2013年 NDVI數據是由美國國家航空航天局的全球觀測模擬與制圖研究組(Global Inventory Modeling and Mapping Studies, GIMMS)提供的第3代NOAA/AVHRR遙 感 數 據(NDVI3g)(http：//www.landcover.org/ data/gimms),其空間分辨率為8km,時間分辨率為15d.該數據集消除了太陽高度角、傳感器靈敏度隨時間變化等影響,并結合交叉輻射定標的方法,增強了數據的精度,已被廣泛應用于大區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季各月最大化NDVI數據集[18],并利用《中國植被編碼1：400萬植被圖集》,排除無植被地區.

1.1.2 氣象數據 氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http：//cdc.cma.gov.cn)的中國地面氣候資料月值數據集,包括極端最高氣溫、極端最低氣溫、降水量等.采用反距離權重法對各個氣象因子進行空間插值[19],得到逐像元的氣象數據.將極端最高溫度作為Tmax,將極端最低氣溫作為Tmin來處理[10].

1.1.3 植被類型數據 植被類型數據來自于寒區旱區科學數據中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)《中國植被編碼1：400萬植被圖集》.該數據共有4個大類,13個綱組,50個群系綱,110個群系組.本文將新疆地區植被類型劃分為7種類型：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)和農業植被.

1.2 研究方法

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

式中：t為時間;常量a和系數b由最小二乘法求得;b為回歸常數項;a為回歸系數,a值的符號及數值大小反映 y上升或下降的趨勢.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 偏相關分析法 采用二階偏相關分析法,消除其他變量的干擾來研究晝夜增溫的不對稱性對植被NDVI的影響.例如,通過限制Tmin和降水量計算生長季NDVI與Tmax的偏相關系數.同樣,限制Tmax和降水量計算生長季NDVI和Tmin的偏相關系數.二階偏相關系數通過一階偏相關系數計算得到,而計算一階偏相關系數需要首先計算相關系數.相關系數的計算公式為[20]：

一階偏相關系數的計算公式為：

二階偏相關系數的計算公式為：

式中：x,y為需要進行偏相關系數計算的要素;1,2為控制變量.

偏相關系數的顯著性檢驗,一般采用 t 檢驗法.t檢驗法的統計量計算公式為[21]：

式中：r為偏相關系數,n為樣本數,q為自由度個數.

2 結果與分析

2.1 新疆地區晝夜增溫趨勢分析

1982 年以來,新疆地區Tmin和Tmax都有著不同程度的升高趨勢(圖 1).從擬合方程來看,近 32年來新疆地區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性(P＜0.01).這說明,新疆地區生長季 Tmin的增加趨勢遠快于 Tmax的增加趨勢,晝夜增溫速率呈現不對稱性.晝夜溫差(TmaxTmin)呈現較為顯著的減小態勢(P＜0.1).

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

2.2 新疆地區植被NDVI與晝夜增溫的偏相關分析

由于新疆屬于干旱、半干旱地區,降水為植被生長的主要限制因子之一.因此,在進行偏相關分析時,將降水作為控制變量處理.即通過控制降水和Tmin計算NDVI與Tmax的偏相關系數;通過控制降水和Tmax計算NDVI與Tmin的偏相關系數.通過逐像元計算NDVI與氣溫變量的偏相關系數后,得到偏相關系數的空間格局(圖 2).從像元數量上來看,去除 Tmin、降水的影響后,約有55.14%的地區NDVI同Tmax之間呈現正相關關系,其中7.39%的地區表現為顯著正相關(P＜0.05).同樣,約有44.86%的地區呈現負相關,其中3.99%的地區表現為顯著負相關(P＜0.05).然而,當去除Tmax、降水量的影響后,約有 58.78%的地區植被生長季NDVI和Tmin呈現負相關,其中顯著負相關的地區達到44.00%(P＜0.05).同樣,約有41.22%的地區,生長季 NDVI與 Tmin呈現正相關,其中,約有 25.03%的地區表現為顯著正相關(P＜0.05).從通過顯著性檢驗的區域占新疆總面積的比例來看,生長季NDVI與Tmin的偏相關性通過顯著性檢驗的地區占新疆總面積的36.18%,而生長季NDVI與Tmax的偏相關性通過顯著性檢驗的比例僅為 5.87%.可見,夜間溫度的變化對植被影響的區域更為廣泛.從受其影響地域的空間分布來看,除新疆西北部的塔城地區、克拉瑪依市、博爾塔拉蒙古自治州和哈密地區及新疆南部的巴音郭楞蒙古自治州中部與和田地區西南部外,大部分區域植被 NDVI與 Tmax呈現正相關性;生長季NDVI與Tmin偏相關性在新疆地區西北部至西南部大多呈現為正相關,東北部至東南部大多呈現為負相關.

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

2.3 新疆地區各植被類型NDVI與晝夜增溫的偏相關分析

表1 不同植被類型NDVI與Tmax及Tmin的偏相關系數Table 1 Partial correlation coefficients between NDVI and Tmax/ Tminfor different vegetation types

生長季不同植被類型NDVI與Tmax和Tmin的偏相關系數(表 1)顯示,除農業植被外,其他各類植被NDVI與Tmax整體上皆表現為偏正相關性,但僅有針葉林呈現為顯著相關(P＜0.05).而各類型植被對 Tmin的偏相關性差異較為明顯,除荒漠外,其它各類植被NDVI與Tmin皆呈現為偏正相關性.針葉林、農業植被、草原及草甸與 Tmin的偏相關系數最高,其中前三類植被的NDVI與Tmin表現為極顯著相關(P＜0.01),后者亦表現為顯著相關(P＜0.05).與 Tmax偏負相關的農業植被和與 Tmin偏負相關的荒漠植被類型,其相關關系皆未通過顯著性檢驗(P＞0.05).總體上,晝夜氣溫的升高對新疆地區各類型植被產生了積極作用.

為研究不同類型的植被 NDVI與晝夜氣溫偏相關性的空間分布差異,得到偏相關性通過統計顯著性檢驗(P＜0.05)的像元占該植被類型總像元的比例(表 2).可以看出,各類植被 NDVI與Tmax的偏相關性通過顯著性檢驗的比例普遍較低,其中針葉林的比例最高,但僅為 13.75%.相比之下,NDVI與 Tmin的偏相關性通過顯著性檢驗的比例普遍相對較高.其中,農業植被(38.26%)和針葉林(33.75%)NDVI與Tmin顯著正相關的比例最高;荒漠和闊葉林NDVI與Tmin顯著負相關的比例最高,分別為34.29%和30.49%.

綜合來看(表 1,表 2),除灌叢和荒漠植被外,相比于白天增溫,夜間增溫對針葉林、闊葉林、草原、草甸和農業植被的影響程度更大,影響區域更廣.

表2 通過統計學顯著性檢驗(P＜0.05)的像元占該植被類型總像元的比例(%)Table 2 Percentages of statistically significant (P＜0.05) pixels in different vegetation types (%)

3 討論

本文顯示近32年間新疆地區生長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]在研究過去50年全球地表溫度的晝夜增溫時發現,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.這說明新疆地區與全球具有一致的晝夜變暖趨勢,晝夜增溫存在不對稱性.樸世龍等[10]在研究北半球植被對晝夜增溫速率不對稱性的響應時發現,在北方干旱、半干旱地區生長季植被NDVI與Tmin表現為明顯的正相關關系.本文同樣認為位于干旱、半干旱地區的新疆植被 NDVI對夜間氣溫變化的響應更為顯著.梁春玲等[13]在研究晝夜增溫對南四湖濕地植被 NDVI的影響差異時發現,NDVI與 Tmax呈現極顯著的偏相關關系,而本文發現Tmax僅對針葉林的影響顯著,對其他類型植被的影響并不顯著;梁春玲等[13]認為Tmin與NDVI的偏相關關系并不顯著,而本文發現 Tmin對多數植被類型的影響顯著.發生這種差異的原因可能與溫度對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理不同有關.

根據植物學理論,植物的光合作用通常在白天發生,在夜間一般不能進行光合作用.因此,晝夜溫度對植被的作用機理不同.夜間氣溫的升高引起植物呼吸作用的增強和體內養分代謝速率的增加,造成植物體內有機質損耗增加[13],降低灌漿期持續時間,減小胚乳細胞體積,從而會降低植被生產力[23-24].這可能會使某些植被 NDVI與Tmin產生負的偏相關關系,比如荒漠植被.另一方面,夜間氣溫的升高也可能會通過降低霜凍發生的頻率[25]以及夜間自養呼吸加劇而產生的補償作用[12]來提高植被生產能力.這可能使得某些植被NDVI與Tmin之間呈現出正的偏相關關系,比如針葉林、草原、草甸等大多數類型植被.相對于 Tmin,Tmax的上升對新疆地區植被的影響作用并不十分顯著;研究區地處干旱、半干旱地區,植被生長主要受制于降水是其可能的原因之一.

植被 NDVI的時空演變是自然因素和人為因素綜合作用的結果,本文只分析了晝夜溫度、降水量與植被變化的相關性,而未能將太陽輻射量等其他的氣候因子和人為因素考慮在內.此外,NDVI在稀疏植被區的低敏感性可能會對結果產生一定的影響.所以,需要在以后的研究中綜合各種因素,采用控制試驗或模型模擬研究等多種方法相互補充,以進一步闡釋晝夜增溫對不同植被的影響機理.

4 結論

4.1 新疆地區1982～2013年間晝夜增溫趨勢顯著;晝夜增溫速率具有不對稱性;晝夜溫差呈現減小的趨勢.

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

4.3 新疆地區晝夜增溫對不同類型植被會產生不同的影響.從影響的程度來看,白天增溫對針葉林的影響顯著;夜間增溫對針葉林、農業植被、草原及草甸的影響顯著.從影響的空間分布來看,夜間溫度對不同類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學、植被與生態遙感方面的研究工作.發表論文5篇.

2016-11-17

國家自然科學基金資助項目(41161066,41401643, 41401053)

* 責任作者, 副教授, duzq@sxu.edu.cn