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    農業論文

    內蒙古荒漠草原植被對氣候響應的滯后性研究

    時間:2021年07月28日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

    摘要:草原植被驅動機制研究一直備受關注。以1982-2015年內蒙古荒漠草原為研究對象,基于GIMMSNDVI3g及氣象數據,采用皮爾遜相關系數、滯后系數探討內蒙古地區荒漠草原NDVI對氣候因子的滯后性。結果表明:1)荒漠草原NDVI、降水、氣溫和太陽總輻射年內變化都

      摘要:草原植被驅動機制研究一直備受關注。以1982-2015年內蒙古荒漠草原為研究對象,基于GIMMSNDVI3g及氣象數據,采用皮爾遜相關系數、滯后系數探討內蒙古地區荒漠草原NDVI對氣候因子的滯后性。結果表明:1)荒漠草原NDVI、降水、氣溫和太陽總輻射年內變化都是單峰型。8月草原NDVI值達到最大,NDVI值年內變化不明顯;降水也是8月達到最大;氣溫和太陽總輻射7月達到最大。2)從草原NDVI與氣候因子的相關關系和顯著相關面積占比來看,氣候因子對草原NDVI影響從大到小的排列順序為:降水>太陽輻射>氣溫。3)荒漠草原生長季植被的NDVI與氣候的滯后性分析表明,5-9月NDVI與降水相關關系顯著,滯后時間為1個月左右。4月NDVI與1-4月的降水不顯著,降水不是草地返青的主導氣候因子;6-9月草原NDVI與氣溫成負相關,滯后時間為0~1個月。4-5月草原NDVI與氣溫成正相關,該季氣溫的回升是植被返青的關鍵因子;6-9月草原NDVI與太陽輻射成負相關,滯后時間為1個月。5月草原NDVI與太陽輻射成正相關,滯后時間為1個月;4月NDVI與1-4月的太陽輻射關系不顯著。

      關鍵詞:荒漠草原;NDVI;滯后時間;氣候因子

    應用生態學報

      草原是內陸半干旱到半濕潤氣候條件下特有的一種生態系統類型,不僅為人類提供生產、生活原料,還是支撐與維持地球生命的支持系統,維持生命的物質循環與水循環,維持生物物種與遺傳多樣性、凈化環境、維持大氣化學平衡與穩定[1-4]。

      荒漠草原是草原區向荒漠區過渡的旱生化草原生態系統,在內蒙古約占草原總面積的10.7%[5-6],該地區干旱少雨,屬于典型的生態脆弱帶,穩定性差,極易遭到破壞,對全球變化的響應十分的敏感[7-9]。草原植被驅動機制研究一直受到廣泛關注[10]。歸一化植被指數(NDVI)是目前公認的作為區域或全球植被覆蓋度及植被生長狀態的最佳指示因子[11-12]。研究結果表明,NDVI與氣候因子有著顯著的相關關系[13-15]。同時,植被對氣候因子響應存在著明顯的滯后性,植被生長除了受當時的氣候因子影響外,前一段時間的氣候條件的累積效應對植被的生長也產生很大的影響,并且不同地區植被對氣象因子的響應時段不盡相同[16-19]。

      遼寧省生長季植被從滯后期的時間長短看,植被生長對氣溫的變化最為敏感,其次是降水量,而對日照響應相對緩慢[20]。1982-2000年內蒙古地區植被NDVI與降水有很好的相關性,降水對植被的生長影響很大[21-22]。2001-2010年內蒙古草原植被覆蓋度在年際水平上主要受降雨影響,月植被覆蓋度對降雨量的響應存在時滯效應[23-24]。

      目前關于氣候對草地生長的影響研究,主要集中在降水方面。針對氣溫,尤其是太陽輻射對草地的生長研究比較少。同時研究的時間跨度比較小且缺少對空間分布的描述;谝陨显,利用長時間序列(1982-2015年)GIMMSNDVI3g、ERA5降水、氣溫、太陽輻射數據,對內蒙古荒漠草原NDVI對降水、氣溫、太陽輻射的滯后性進行研究,探討荒漠草原植被對不同氣候因子的響應和時滯的差異性,以期揭示荒漠草原生長的規律特征及其氣候驅動機制。

      1研究區概況

      內蒙古荒漠草原位于37°-46°N,105°-115°E,總面積約為11.2萬km2,占全區草地總面積的10.68%。主要分布在陰山北麓和西鄂爾多斯,是內蒙古干旱區代表性的植被類型之一,面積遼闊,占據了烏蘭察布高原大部及西鄂爾多斯。與荒漠帶緊鄰,在典型草原和草原化荒漠之間呈帶狀由東北向西南分布。該區為典型的溫帶大陸性氣候,干旱少雨。

      年均氣溫為4.79℃,最低氣溫在1月份,均溫為-14.65℃,最高氣溫7月份,均溫達22.32℃。平均年降水量為217mm,且年內分布不均勻,主要集中在6-8月。草原植被類型主要為戈壁針茅(Stipatianschanicavar.gobica)草原、石生針茅(Stipatianschanicavar.klemenzii)草原、沙生針茅(Stipacaucasicasubsp.glareosa)草原和短花針茅(Stipabreviflora)草原組成的草原群落。

      2數據與研究方法

      2.1數據獲取及預處理

      2.1.1NDVI數據

      植被指數數據為美國宇航局(NASA)最新提供的第3代NDVI數據集(GIMMSNDVI3gV1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/),該數據集時間跨度為1982-2015年,時間分辨率為15d,空間分辨率為8km,經過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強等預處理。使用Matlab對1982-2015年覆蓋內蒙古草地的GIMMSNDVI3g數據進行格式轉換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、Albers等面積投轉換等處理,形成涵蓋內蒙古草地的月度DNVI時空數據集。

      2.1.2氣象數據選用的氣象再分析資料為EC-MWF公開的ERA5數據(http://apps.ecmwf.int/datasets/),ERA5是迄今最強大的全球氣候監測數據集,與之前的ERA-Interim產品相比,ERA5具有更高的時空分辨率,時間分辨率為逐小時,空間分辨率高達0.125°。選用覆蓋內蒙古草地1982-2015年1-12月0.125°的ECMWF-ERA5氣象模式2m氣溫、降水、太陽總輻射數據。使用Matlab對數據進行格式轉換、年度合成、圖像裁剪、Albers等面積投轉換、重采樣等處理。

      2.1.3荒漠草原數據荒漠草原類型數據是在中科院植物所2000年制作的1∶100萬全國植被類型數據基礎上,完成對內蒙古地區荒漠草原范圍的提取。并對草原圖進行投影轉換、柵格化等處理,獲得投影和分辨率與遙感數據一致數字化產品。

      3結果與分析

      3.1草地的NDVI年內生長變化規律

      給出了1982-2015年荒漠草原類型月平均NDVI的變化趨勢;哪菰璑D-VI變化呈現單峰生長規律。草原植被從4月底到5月快速生長,到8月NDVI值達到最大,9月就開始衰退,到11月徹底枯黃;哪菰捎谑茏匀粭l件和降水的影響,NDVI值一直變化不太明顯(0.105~2.210),但也表現出了一定季節性規律。

      3.2氣候因子年內變化規律

      給出了1982-2015年荒漠草原月平均降水、氣溫、太陽總輻射的變化趨勢,降水、氣溫、太陽總輻射年內變化都是單峰型;哪菰瓘1月開始降水量逐漸增加,到8月份達到最大,降水量為53.40mm,9-12月份開始逐漸下降;由中可知荒漠草原氣溫也是從1月份開始逐漸增加,到7月份氣溫達到最大值22.75℃,之后開始快速下降;月太陽總輻射量也是前7個 月逐漸遞增,到7月份達到最大值860.18MJ/m2,之后開始快速下降。

      3.3荒漠草原降水滯后時間及空間分布

      荒漠草原9月份NDVI與1-9月的降水相關性最高的是8月份,其平均相關系數為0.433。由此可得,9月份NDVI與8月份降水有很好的相關性,9月份NDVI對應降水滯后時間為1個月。

      其中,通過P<0.1顯著性檢驗的面積占整個荒漠草原面積的63.30%,顯著相關空間分布主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗,烏蘭察布盟的四子王旗,包頭,巴彥淖爾的烏拉特中旗、烏拉特后旗,鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區;8月份NDVI與1-8月的降水相關性最高的月份是7月份,其平均相關系數為0.480。8月份的滯后時間為也是1個月。其中,通過P<0.1顯著相關的區域占整個草原面積的81.47%,除了阿拉善左旗、鄂托克前旗,顯著相關地區幾乎覆蓋了整個荒漠草原;7月份NDVI與1-7月的降水相關性最高的月份是6月份,其平均相關系數為0.513。7月份的滯后時間也是1個月左右。

      其中,通過P<0.1顯著相關的區域占整個草原面積的93.00%。相關系數和面積占比是所有月份里面最高的,幾乎覆蓋荒漠草原整個地區;6月份NDVI與1-6月的降水相關性最高的月份是5月份,其平均相關系數是0.486。6月份的滯后時間為1個月。其中,通過P<0.1顯著相關的面積占整個草原面積的88.86%,顯著相關的區域除了烏拉特前旗和部分烏拉特后旗,覆蓋了剩下整個荒漠草原;5月份NDVI與1-5月的降水相關性最高的月份是4月份,其平均相關系數是0.408,5月份的滯后時間也是1個月。顯著相關的區域主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗,烏蘭察布盟的四子王旗,鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區;4月份NDVI與1-4月的降水顯著性不明顯,且1-3月平均相關系數為負,4月份正好是草地返青季,由此可見降水并不是草地返青的主導氣候因子,導致4月份草地的生長可能還受其他氣候因子控制。

      4結論與討論

      4.1討論

      荒漠草原NDVI對氣候因子的響應存在一定的滯后性,且不同學者研究結論差異比較大[25]。張穎等[26]研究發現三江源地區荒漠草原受降水影響較大,在月尺度上草地覆蓋度對氣溫表現出明顯的滯后效應,而降水滯后效應不明顯;李曉兵等[27]認為內蒙古荒漠草原分布區夏季的降水對當年植被生長的影響最明顯;王舉鳳等[18]認為內蒙古荒漠草原植被覆蓋度對降水量存在明顯的1~2個月滯后和累積效應,且表現出越干旱的草原類型滯后效應越明顯的特征,荒漠草原植被對降水量變化更加敏感。

      王雨晴等[23]認為內蒙古荒漠草原的月NDVI對降水、溫度存在1~2個月滯后效應,且降水對NDVI的影響大于溫度;劉成林等[28]通過氣象站點資料收集方式研究發現二連浩特、蘇尼特左旗、朱日和荒漠草原NDVI對降水滯后時間都為64d以上,那仁寶力格和多倫滯后48d;李霞等[29]也是通過氣象站數據研究荒漠草原氣候因子時滯效應,結果發現ND-VI對降水滯后時間1個月,氣溫的滯后時間不明顯。

      草原NDVI與當月的氣溫相關關系最強,且氣溫在植被生長季前期與NDVI成正相關,中后期成負相關關系,這個結論與本文的研究基本一致。由此可見,目前絕大多數研究主要集中在水熱滯后性方面,而本研究發現太陽輻射對荒漠草原植被ND-VI影響要大于氣溫的影響,且與氣溫對NDVI響應比較類似,也是在植被生長季前期與NDVI成正相關,中后期成負相關關系,滯后時間為1個月。ND-VI與降水的相關最強,滯后也是1個月。NDVI與氣溫的相關關系在三者中最弱,滯后約0~1個月?偟膩砜,以上結論有的和本研究一致,有的不同,主要原因可能是研究區域不一致,也可能是數據、研究方法不同造成的。

      4.2結論

      利用1982-2015年的GIMMS月度NDVI、ECMWF-ERA5月度降水、氣溫、太陽輻射數據,對內蒙古地區荒漠草原NDVI的氣候因子滯后性進行研究;哪菰璑DVI、降水、氣溫、太陽總輻射年內變化都是單峰型。草原到8月NDVI值達到最大,NDVI值(0.105~2.210)年內變化不太明顯;降水8月份達到最大,降水量為53.40mm;氣溫7月份達到最大值22.75℃;太陽總輻射也是7月份達到最大值860.18MJ/m2。

      生態論文投稿刊物:應用生態學報主要報道應用生態學領域的創新性科研成果與科研進展,反映我國應用生態學的學術水平和發展方向,跟蹤學科發展前沿,注重理論與應用結合,促進國內外學術交流合作與人才培養。

      荒漠草原生長季植被的NDVI與降水的滯后性分析表明,5-9月NDVI與降水相關關系比較顯著,滯后時間為1個月,顯著相關的區域主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗,烏蘭察布盟的四子王旗,鄂爾多斯的杭錦旗、鄂托克旗等地區。4月份NDVI與1-4月的降水不顯著,降水不是草地返青的主導氣候因子。

      參考文獻:

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      作者:滑永春,高潤宏*,敖敦

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