青藏高原沼澤濕地植被NDVI時空變化及其對氣候變化的響應

神祥金, 張佳琦, 呂憲國

中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130102

氣候變化與生態系統關系密切,生態系統對氣候變化的響應一直是全球變化研究的焦點[1]。植被作為生態系統的重要組成部分,對氣候變化響應非常敏感[2-3]。目前關于植被對氣候變化響應的研究多側重在森林和草地生態系統,有關濕地植被對氣候變化響應的研究相對較少[4-7]。作為全球三大生態系統之一,濕地具有獨特的環境條件[8],可能導致植被對氣候變化響應與其他生態系統植被相比具有明顯的差異[9-12]。明確濕地生態系統植被變化對氣候變化的響應,對于全面了解生態系統與氣候變化的關系具有重要意義。

青藏高原是全球氣候變化的敏感區[13-15],該地區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、生物地球化學循環和水文循環等方面起著重要的作用[16]。已有許多學者對青藏高原沼澤植被對氣候變化的響應進行了研究,如楊玲莉[17]研究發現黃河源區沼澤植被與降水呈顯著正相關,但與氣溫無顯著相關性；李英年等[18]研究發現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性,發現氣溫是影響該區植被生長的最關鍵因素；李寧云[20]研究發現青藏高原東北部沼澤濕地植被與平均溫和降水均呈現極顯著的相關性,其中與降水呈顯著正相關。然而,以往上述研究多集中在局地或樣地尺度,缺少對整個青藏高原沼澤植被對氣候變化響應的研究。已有研究表明不同地區、不同類型沼澤濕地植被對氣候變化的響應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氣候變化的響應規律需進一步揭示。此外,已有研究發現白天最高溫和夜晚最低溫變化對青藏高原植被生長具有不同的影響。Peng等[21]發現青藏高原植被生長季NDVI與生長季平均最高溫和最低溫均呈正的相關性；Shen等[22]研究發現青藏高原草地植被NDVI與夏季平均最低溫呈顯著正相關,而與平均最高溫呈顯著負相關關系。在全球白天和夜晚不對稱增溫的背景下[23],亟需探究白天和夜間升溫分別對青藏高原沼澤植被的影響。

本文基于2000—2017年MODIS NDVI數據和氣象數據,分析了青藏高原沼澤植被生長季(5—9月)NDVI時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)的相關性。明確青藏高原沼澤植被NDVI時空變化特征及其對氣候變化的響應,能為揭示沼澤植被與氣候變化關系機理提供科學依據,并對青藏高原沼澤植被的預測及濕地植被保護具有重要的指導意義。

1 數據和方法

1.1 研究區

青藏高原位于中國西南部,范圍在73°—105°E和26°—40°N之間,包括中國青海、甘肅、西藏、新疆等6個省區,總面積250萬km2。青藏高原氣候特征表現為：氣溫較低,晝夜溫差大,年降水量偏少,降水有顯著的季節性差異。青藏高原生態系統類型多樣,主要有森林、草原、沼澤和荒漠生態系統[24]。青藏高原沼澤種類有草本沼澤、灌叢沼澤、內陸鹽沼、季節性咸水沼澤、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成；內陸鹽沼以鹽生植被為主要植被類型；季節性咸水沼澤只在部分季節維持浸濕或潮濕狀況；沼澤化草甸多分布在地勢低洼、排水不暢、土壤過分潮濕、通透性不良的地區,是草甸向沼澤轉化的過渡類型[25]。本文以草本沼澤、沼澤化草甸、內陸鹽沼和季節性咸水沼澤四種沼澤作為研究對象,其他幾種沼澤由于所占面積很小,為了避免其統計結果的不準確性,故將其排除(圖1)。

圖1 青藏高原沼澤(中國濕地生態與環境數據中心提供)及氣象站(國家氣象科學數據中心提供)空間分布

1.2 數據

本研究采用的氣象數據是由國家氣象中心提供的2000—2017年青藏高原地區106個站點的逐月降水、平均溫、平均最高溫和平均最低溫數據。

本文采用的Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Normalized Difference Vegetation Index(MODIS NDVI)數據,是由美國國家航空航天局提供的MOD13Q1級植被指數產品,時間范圍為2000—2017年,空間分辨率為250米,時間分辨率為16天。本文利用最大值合成法[26]將逐旬NDVI數據合成為逐月數據,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的區域定為本文的研究區。本文利用各類型沼澤對應的研究區內所有像元的NDVI平均值來代表該類型沼澤植被的NDVI值[12],并將5—9月NDVI值求平均得到生長季NDVI值。

沼澤分布數據是由中國濕地生態與環境數據中心提供的2010—2015年青藏高原沼澤矢量分布數據集,該數據集是利用美國Landsat衛星、中巴資源衛星等中高分辨率遙感影像作為主要數據源,建立的沼澤分類數據集。該數據集已采用遙感技術和地面驗證相結合的方法,對數據進行人機交互判別解譯,并通過了野外準確性驗證[12]。

1.3 方法

1.3.1趨勢分析法

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

(1)

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

1.3.2相關分析

基于ArcGIS的柵格計算器工具,利用NDVI影像與插值得到的生長季的降水量、平均氣溫、平均最高溫和平均最低溫柵格影像,分別計算青藏高原沼澤植被生長季NDVI與降水、平均氣溫、平均最高溫和平均最低溫的相關系數,進而分析沼澤植被NDVI對氣候變化的響應。計算公式如下[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為沼澤植被生長季NDVI,X1、X2、X3、X4分別為生長季降水量、平均溫、平均最高溫和平均最低溫,β0、β1、β2、β3、β4分別對應常數項、生長季降水量、生長季平均溫、生長季平均最高溫和生長季平均最低溫的回歸系數。

2 結果與討論

2.1 青藏高原沼澤植被生長季NDVI時空變化特征

青藏高原沼澤植被生長季平均NDVI在2000—2017年總體呈現顯著上升趨勢(圖2),上升趨勢為0.010/10a(P<0.01)。草本沼澤、沼澤化草甸、內陸鹽沼和季節性咸水沼澤植被生長季NDVI均呈顯著上升趨勢(P<0.05),其中內陸鹽沼NDVI的增長趨勢(0.011/10a)最大,而草本沼澤NDVI增長趨勢最小(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季NDVI年際間的變化波動較大,而內陸鹽沼和季節性咸水沼澤NDVI具有類似的年際間變化規律,均呈現持續的上升趨勢。

圖2 2000—2017年青藏高原不同類型沼澤植被生長季NDVI變化

在空間分布上,青藏高原沼澤植被生長季多年平均NDVI呈現從西北向東南逐漸升高的規律(圖3),四種沼澤植被生長季NDVI多年平均值按從大到小排序為：沼澤化草甸(0.44)>草本沼澤(0.26)>內陸鹽沼(0.12)=季節性咸水沼澤(0.12)。在空間變化上,青藏高原沼澤植被生長季NDVI呈增加趨勢的面積(78.25%)明顯大于呈減少趨勢的面積(21.75%),其中青藏高原東北部的沼澤化草甸生長季NDVI增加最為明顯,沼澤植被NDVI呈減少趨勢的地區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季NDVI空間分布及變化趨勢/10a

2.2 沼澤濕地植被生長季NDVI對氣象因子的響應

青藏高原沼澤植被生長季NDVI與降水量總體呈現弱的正相關性(表1),表明降水可能不是影響青藏高原沼澤植被生長的主要因素。生長季NDVI與降水呈正相關的區域占整個沼澤分布區的54.89%,主要集中在青藏高原西部的草本沼澤和季節性咸水沼澤分布區(圖4),其中季節性咸水沼澤植被生長季NDVI與降水的相關性通過了顯著性檢驗(P<0.05),表明降水的增多可能會促進季節性咸水沼澤植被NDVI的增加。分析其原因可能是因為季節性咸水沼澤只在部分季節維持浸濕或潮濕,由于植物在干旱季節的生長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促進季節性咸水沼澤植被的生長[25]。青藏高原沼澤植被生長季NDVI與降水呈負相關的區域占整個沼澤分布區的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、內陸鹽沼(圖4)。青藏高原沼澤植被生長季NDVI與降水呈負相關的區域和沼澤植被NDVI與氣溫呈正相關的區域基本重合,表明氣溫升高能促進這些地區沼澤植被的生長,而降水的增多會導致植被NDVI的下降,這是由于一方面降水的同時往往伴隨著降溫過程,另一方面降水增多可能會引起霜凍或洪澇等災害,進而抑制植被生長[31]。

表1 青藏高原沼澤植被生長季平均NDVI與氣象因子的相關性

圖4 青藏高原沼澤植被生長季NDVI與生長季降水、平均溫、平均最高溫和平均最低溫相關系數空間分布

青藏高原沼澤植被生長季NDVI與生長季平均溫、最高溫和最低溫均呈顯著正相關(P<0.01)(表1),正相關區域占整個沼澤分布區的比例分別為77.99%、70.25%、82.60%(圖4),主要分布在除研究區南部的那曲縣以外的大部分地區；青藏高原沼澤植被生長季NDVI與平均溫、最高溫和最低溫呈負相關的區域主要分布在研究區南部西藏的那曲縣(圖4)。沼澤化草甸、內陸鹽沼、季節性咸水沼澤生長季NDVI與平均溫均呈顯著正相關(表1),表明這三種類型沼澤植被生長季NDVI主要受氣溫影響,生長季氣溫的升高可以促進沼澤植被的生長。這與神祥金等得出氣溫是影響高寒草甸草原植被生長季生長的主要因素,溫度的升高有利于植被生長的結論相一致[29]。但本文結果與Shen等[22]的研究結果有些不同,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,與平均最高溫呈顯著負相關,其原因可能是由于白天增溫導致蒸發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,進而抑制了植被生長。與Shen等分析的是青藏高原所有草地生態系統植被有所不同,本文的研究對象為沼澤植被,與干旱的草地生態系統相比,沼澤濕地具有相對充足的水分,因此白天增溫能提升光合作用酶的活性[32],進而促進光合作用[33]和沼澤植被的生長[34]。

沼澤植被生長季NDVI與最低溫的相關性均要高于最高溫,其中沼澤化草甸、內陸鹽沼、季節性咸水沼澤植被生長季NDVI與最低溫相關性達到極顯著水平(P<0.01),而最高溫僅與沼澤化草甸植被NDVI呈顯著正相關(表1)。白天和夜晚溫度變化對青藏高原沼澤植被生長具有不對稱影響,與白天增溫相比,夜晚溫度升高對植被生長的促進作用更顯著。本文結果與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的結論基本相同。而本文的研究結果與Shen等關于青藏高原植被對氣溫響應的結果有所不同,Shen等發現青藏高原草地植被生長季NDVI與白天最高溫呈顯著正相關,而與夜晚最低溫呈現顯著負相關,其原因可能是由于夜間增溫對促進植被呼吸作用的影響,比通過補償效應促進植被光合作用的效果更為顯著[35]。作為植被對逆境的一種適應,補償效應是指植被在經歷夜晚呼吸作用增強導致消耗較多的有機質后,可通過補償和促進第二天的光合作用產生更多的有機質,進而使植被生長得到一定恢復的現象[36]。已有研究表明植被在比較豐富的可利用資源條件下,補償效應能力較高[37],有時甚至達到或超過未經脅迫下的情形,表現出明顯的補償或超補償效應,而濕地充裕的水分正是超補償性發生的最理想環境條件[38]。由于本文的研究對象是沼澤濕地,因此夜晚最低溫度升高通過補償效應促進沼澤植被生長的作用很可能比夜間增溫導致的沼澤植被呼吸消耗作用更加顯著,這可能是導致本文與Shen等研究結果不同的主要原因。

2.3 青藏高原沼澤濕地植被變化

對青藏高原沼澤植被NDVI與各氣象因子進行多元線性回歸分析(表2),結果同樣表明青藏高原沼澤植被主要受氣溫影響(P<0.001),生長季內氣溫的變化總體解釋了71.7%的沼澤植被NDVI變化。與相關性分析結果相同,沼澤化草甸植被NDVI受生長季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的影響,內陸鹽沼植被NDVI主要受最高氣溫和最低氣溫的影響；而季節性咸水沼澤植被NDVI受生長季降水、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季NDVI與氣象因子多元線性回歸分析結果

為進一步解釋青藏高原沼澤植被生長季NDVI的時空變化,本文計算了2000—2017年的青藏高原沼澤分布區氣溫和降水變化趨勢。2000—2017年,青藏高原草本沼澤和季節性咸水沼澤的生長季降水量總體呈現上升趨勢(表3, 圖5),而沼澤化草甸和內陸鹽沼降水量呈現減少趨勢。青藏高原沼澤區生長季平均溫、最高溫、最低溫在2000—2017年均呈現上升趨勢,且平均最低溫增加幅度明顯高于最高溫。根據氣象因子與NDVI之間的相關性結果,我們可以得出生長季內氣溫的升高很可能是導致青藏高原沼澤植被生長季NDVI增加的主要原因。沼澤化草甸與內陸鹽沼生長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陸鹽沼植被生長季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,青藏高原東部生長季平均最低溫的升高也最為顯著(圖5),因此生長季內夜晚最低溫的升高可能是這些地區沼澤植被NDVI增幅最大的原因。

表3 2000—2017年青藏高原沼澤生長季溫度和降水量的變化趨勢

圖5 2000—2017年青藏高原沼澤生長季降水(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數據可能會受到云、大氣、太陽高度角等因素的影響,因此遙感數據本身的不確定性可能會影響到本文的研究結果。其次,由于無青藏高原早期的沼澤分布數據,本文所利用的沼澤分布數據僅為一期2010—2015年沼澤分布數據集,無法排除研究時段內青藏高原沼澤變化對分析結果的影響。此外,沼澤植被與氣候變化之間的關系實際上非常復雜,除了氣溫和降水以外,許多其他氣象和環境因素也可能對沼澤植被產生影響,其他氣象及環境要素對沼澤植被的影響還需進一步揭示。為更準確地揭示青藏高原沼澤植被變化及其機理,未來研究需進一步借助更加精確的數據和研究方法,并加強對其他氣象和環境因素以及人類活動等對青藏高原沼澤植被影響的研究。

3 結論

青藏高原沼澤植被生長季平均NDVI在2000—2017年總體呈現上升趨勢,上升趨勢為0.010/10a。青藏高原沼澤植被生長主要受氣溫影響,生長季內白天和夜晚增溫都會對沼澤植被生長產生促進作用,夜晚增溫對沼澤植被生長的促進作用更加明顯。在全球白天和夜晚不對稱增溫的背景下,利用模型模擬未來氣候變化對青藏高原沼澤植被影響時,應重視白天與夜晚溫度對沼澤植被生長的不對稱影響。