东北地区植被变化及其对气候变化的影响研究

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许多证据表明,近30年全球气候变化明显。过去30年,以变暖为主要特征的气候变化已经导致了植被生长的显著变化。然而,这种变化在区域上存在很大的差异。植被变化趋势在不同研究时段差异也较大。因此,需要在更多的区域分时段分析气候变化对植被生态系统的影响。东北地区是过去30年中国变暖速度最快的地区之一,该地区还是中国重要的粮食和林业产地,因此东北地区是开展气候变化对植被影响研究的理想区域。  本文在东北地区,利用GIMMS-NDVI/SPOT-VGT-NDVI/MODIS-NDVI/MODIS-EVI等遥感数据,结合同期站点尺度和插值后的区域尺度上的月平均气温和月降水量资料,利用分段线性回归(Piecewise Linear Regression,PWLR)和BFAST(Breaks For Additive Seasonal and Trend)时序统计方法,研究了东北地区气温、降水量、标准化降水蒸散指数(Standardized PrecipitationEvapotranspiration Index,SPEI)以及归一化植被指数(Normalized DifferenceVegetation Index,NDVI)的时空变化特征。利用双重Logistic函数拟合法和动态阈值法提取了研究区植被生长开始期、结束期及生长季长度,利用PWLR方法分析了三个物候参数的时空变化特征。利用偏最小二乘回归法(Partial least-squares regression,PLS),分析了东北样带植被生长开始期与其之前12个月温度与降水的关系。基于MODIS NRBA数据,计算五种植被指数,在作物生长开始期后每隔5天时间点上建立植被指数与玉米产量的回归模型,进而选择玉米估产的最优模型。基于植被健康指数VHI(Vegetation Healthy Index),借助作物生长开始期和结束期提取生长季内的植被健康指数,进行了研究区的干旱评估研究。主要结果如下:  (1)东北地区年平均气温上升趋势显著,年平均气温以0.041℃/a(P<0.01)的速率上升。四季平均气温均呈现增高的趋势,秋季增温幅度最大。区域上,高海拔地区增温幅度较大。1980-2010年东北地区年降水量呈下降趋势,气候倾向率为-0.183mm/a,夏季下降幅度最大,而春季和冬季降水量则呈现增多的趋势。东北地区四个尺度SPEI干旱指数均呈下降趋势,表明东北地区呈变干趋势。  (2)植被指数和气候变化研究表明,东北地区NDVI呈先增长后下降,再上升的趋势。东北地区NDVI在1982-1990年呈上升趋势;在1990-2000年呈下降的趋势,在2000-2010年呈上升趋势。温度在1982-1990年呈上升趋势,在1990-2000年呈上升趋势,在2000-2010年呈下降趋势。降水和三个尺度干旱指数的年际变化趋势与NDVI的变化趋势一致,都是呈先上升后下降,再上升的趋势。结果表明,东北地区降雨对NDVI影响较大。利用BFAST方法分析了东北样带NDVI的时空变化,研究发现,东北样带草原NDVI趋势发生突变的次数最多,波动最大,农田NDVI升高最明显。  (3)与NDVI趋势类似,物候参数在不同时段,趋势也不一致。1982-1990年,植被生长开始期呈提前趋势,植被生长结束期呈延后趋势,生长季长度呈延长的趋势。1990-2000年,植被生长开始期呈延后趋势,植被生长结束期呈提前趋势,植被生长季长度呈缩短的趋势。2001-2010年,植被生长开始期呈提前趋势,结束期也呈提前趋势,由于植被生长开始期提前的幅度要大于结束期提前的幅度,整个区域生长季长度仍呈延长的趋势。利用PLS方法,分析了东北样带植被生长开始期与气候因子的关系。研究发现,在东北样带农田和草原生态系统,春季升温导致开始期延后,这与以往春季增温导致开始期提前的研究结果不一致。  (4)作物估产和干旱评估研究结果表明,产量与陆表水分指数(LandSurface Water Index,LSWI)、增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI)和归一化水分指数(Normal Difference Water Index,NDWI)的最佳相关性出现的时间在开始期后第50-55日,其中LSWI与产量建立的回归模型具有最高的决定系数和最低的RM SE(Root-Mean-Square-Error), EVI和NDWI与玉米产量所建立的回归模型决定系数低于LSWI;与上述三种植被指数不同,宽范围植被指数(Wide Dynamic Range Vegetation Index,WDRVI)与产量的最佳相关性出现在生长开始期后的第85天;NDVI对产量的预测能力最弱。东北农田生长季VHI指数均值最高,植被状况最好,森林地区的生长季VHI指数均值最低。
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