油松树轮指示的秦岭中部过去194年5—7月NDVI变化

由于归一化差异植被指数(NDVI)观测记录较短,对长时间尺度的NDVI变化研究较少,限制了我们对于全球变暖背景下气候驱动的植被生产力变化及其影响的理解。本研究利用陕西秦岭中部油松树轮样本建立区域树轮宽度指数年表,基于秦岭中部区域年表与5—7月NDVI的较高相关(r=0.624,P<0.01,n=34),利用线性回归模型重建秦岭中部1825—2018年5—7月NDVI变化,方差解释量为38.9%。空间分析表明,重建序列能够较好代表研究区范围内NDVI变化。重建序列表明,秦岭中部过去近194年经历了6个高值期和5个低值期,其中2006—2018年植被生长最好,即在最近的升温停滞期,秦岭中部植被生长呈显著恢复性生长。NDVI低值期与研究区区域干旱事件有着良好的对应关系。小波分析表明,重建序列存在2～4、12～16年准周期。SEA分析表明,重建序列在厄尔尼诺年出现显著下降,而在拉尼娜年事件发生后第1年至第3年出现显著上升。预测油松生长在SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下会略微上升。     

树轮宽度记录的额尔齐斯河上游地区过去291年的降水变化

利用采自额尔齐斯河上游6个采点的西伯利亚云杉(Picea obovata Ledeb)树轮样本建立了区域树轮宽度年表。与气候要素的相关分析表明,该地区树木径向生长主要受降水制约,区域树轮宽度年表与富蕴气象站上年7月至当年6月的降水总量相关显著。在此基础上建立了转换方程,重建了额尔齐斯河上游地区1722—2012年上年7月至当年6月的降水总量,方差解释量高达55.1%(调整自由度后为54.2%)。重建结果显示,该地区过去291年间存在9个降水偏多的时期和8个降水偏少的时期。降水重建序列还存在2.1a和3.2a的显著周期及2.3、21.6、24.3a的较显著周期,并且在1876—1877年及1983年前后发生了降水突变。空间相关分析表明,重建的上年7月至当年6月降水量对额尔齐斯河上游阿勒泰地区的降水量具有很好的空间代表性。此外,重建结果还与周边地区其他基于树轮资料重建的降水序列的干湿变化有较好的一致性。     

北亚热带马尾松年轮宽度与NDVI的关系

北亚热带地处暖温带向亚热带的过渡地区,对环境变化较为敏感。因此,研究北亚热带马尾松年轮宽度与森林NDVI的关系对于揭示陆地生态系统对全球气候变化的响应具有重要意义。以马尾松自然分布北界的南郑县和河南省鸡公山自然保护区为研究地点,利用北亚热带马尾松年轮宽度指数和1982-2006年逐月NOAA/AVHRR的归一化植被指数(NDVI)数据及气候数据,在分析年轮宽度及NDVI与气候因子关系的基础上,重点讨论了北亚热带马尾松径向生长与NDVI之间的关系。结果表明:北亚热带NDVI受水热条件的共同控制,其中与月均温相关性较强,且以正相关为主,与月降水量和干旱度指数多负相关;马尾松的径向生长与上一生长季的温度呈正相关,降水和干旱度指数为负相关,当年生长季内的温度和降水以促进作用为主,而与干旱度指数的关系在两地区内相反;南郑县和鸡公山地区年轮宽度与NDVI年值之间关系均不显著(P>0.05)。单月来讲,南郑县3、4、12月NDVI值与年表显著相关,鸡公山地区9月份的NDVI值与差值年表RES相关性最大;南郑县树木生长受温度影响最大,而鸡公山地区受温度和降水的综合作用。因此,在北亚热带地区,长时间序列的年轮宽度数据并不能很好反应NDVI的长期变化,利用树轮宽度指数来重建北亚热带地区NDVI需要进一步研究。     

基于树轮-气候资料的160多年来秦岭太白山降水变化特征重建

秦岭作为中国南北地理分界线的重要组成部分,一直是全球气候变化研究的热点地区之一。依据秦岭主峰太白山北坡太白红杉(Larix chinensis)树轮宽度指数以及周边宝鸡和眉县多年的气象站数据,通过多元回归模型重建了该地区160年来上年11月至当年6月的累计降水量序列,揭示了1852—2012年秦岭主峰太白山降水变化特征。结果表明:重建方程方差解释量为39.6%(R2adj=0.370,F=15.11,P0.001),重建序列的可靠性得到了气象灾害历史记录以及周边重建结果的支持与验证;重建降水序列表现出明显的干湿变化和周期性波动特征,在过去160年中较湿润的时段主要有1875—1885、1908—1923和1983—2002年;持续干旱的时段包括1857—1867、1886—1907、1923—1935年以及1954—1965年;周期分析结果显示,研究区160年来降水变化存在47~54、17~22、准13和3~7 a的4种震荡周期,并且表现出小周期弱化、大周期增强的趋势。研究区气候变化还受到更大尺度水文气候变化的影响。     

基于黄山松树轮重建华东天目山地区1809—2018年4—7月平均气温

利用浙江北部西天目山高海拔黄山松树轮样品,建立了340年的整轮、早材和晚材宽度年表,根据子样本信号强度大于0.8的标准,确定年表的可靠时段为1810—2019年,通过对年表与气候要素进行相关分析,研究了树轮生长对气候的响应。结果表明: 黄山松径向生长对气温的响应远高于对降水的响应。综合考虑原始序列和一阶差序列相关分析结果,发现早材宽度与上年生长季前期平均气温、平均最高气温显著相关,晚材宽度与上年5月和当年9月平均气温、平均最高气温显著相关。整轮响应时段与早材较为一致,但相关性较低。最优相关组合为早材宽度与上年4—7月平均气温。基于这一关系,重建了华东天目山地区1809—2018年4—7月平均气温,方差解释量达61.5%,原始序列和一阶差序列均通过分段检验。重建气温序列中的偏冷时段为1834—1964年,偏暖时段为1809—1833和1965—2018年。20世纪60年代以来,气温进入快速上升阶段,从低频趋势上看,20世纪80年代之后气温达到过去210年来的最高水平。空间相关分析表明,重建序列较好地代表了华东地区气温的变化情况,与华东地区的区域重建序列对比也具有较好的一致性。黄山松在华东地区古气候重建方面具有较大潜力。     

基于红松树轮重建小兴安岭南麓过去140年6月份平均温度变化

基于建立的小兴安岭南麓红松树轮宽度标准年表,分析红松径向生长与该地区温度和降水间的关系以及1982年升温突变对此相关性的影响。结果表明：6月平均温度与树轮宽度年表在变暖前后始终呈极显著负相关,是该地区红松径向生长的主要限制因子。基于此构建的区域1843—1982年6月平均温度重建方程稳定可靠。重建温度序列的偏暖时期和偏冷时期分别持续7年和29年,偏暖时段为1915—1921年,偏冷时段为1880—1891年和1932—1948年。小波分析结果显示6月平均温度存在2—7a周期变化。空间相关分析结果表明重建温度序列能很好的代表小兴安岭南麓及附近区域的温度变化。本研究拓展了研究区现有的气候数据,可为掌握小兴安岭气候变化规律和科学预测未来气候提供数据支撑。     

基于祁连山树轮宽度指数的区域NDVI重建

利用祁连山自东向西5条树轮宽度年表序列和1986-2003年间的归一化植被指数(NDVI), 分析了NDVI的时空变化及其与树轮宽度年表之间的关联。结果表明, 祁连山地区植被的生长主要集中在6-8月。空间上, NDVI值从祁连山东段向西段逐渐减小; 在1986-2003时段内, 东、中和西段生长季的NDVI值分别增长了3.28%、4.82%和7.75%。整个祁连山地区的NDVI变化与5个宽度年表的第一主成分相关性较高(r = 0.74, p < 0.01)。基于此, 利用树轮宽度RES年表的第一主成分重建了1843-2003年间祁连山地区生长季的NDVI变化曲线。重建的NDVI曲线表现出6个高值期和6个低值期, 其中1923-1932的10年间植被生长状况最差。另外, 在1989-2003时段内NDVI年际波动较大, 总体上表现为NDVI低于平均值, 但是从1991年开始, NDVI有上升的趋势。     

樟子松树轮δ13C的年内变化特征及其对气候要素的响应

对大兴安岭北部两株樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)树轮样品的年内稳定碳同位素比率(δ13C)进行测定,结果表明:樟子松树轮年内δ13C值在不同生长阶段总体表现出每年生长季中期最高、早期次之、晚期最低的变化特征.δ13C的年内变化趋势在幼龄期至速生期变化剧烈,成熟期至衰老期相对平缓.从幼龄期至衰老期的整个生长阶段,同时期年内δ13C的变动幅度基本为晚材大于早材.幼龄期年内晚材的δ13C一直明显高于早材,而成熟期年内早晚材δ13C的差别逐渐减小,至衰老期年内晚材δ13C已低于早材且无显著差别.树轮δ13C的年内变化主要体现在生长季中后期,即早晚材之间的过渡段至晚材.年内不同时段的d13C序列与同时段的宽度去除生长趋势序列(去趋势序列)之间的相关性随生长季节的推移而逐渐降低.当年早材宽度与前一年晚材宽度显著正相关,当年早材δ13C序列与前一年晚材宽度和当年早材宽度的去趋势合并序列呈现较显著的负相关性,与前一年晚材δ13C序列或宽度去趋势序列之间均未表现出显著的相关性.分析结果表明:早材的形成很可能来源于前一年光合作用的产物,在利用树轮年内不同材质宽度或δ13C序列进行气候环境重建时需要考虑这一点.年内早材、过渡段和晚材三个时段的δ13C分别对应于4月下旬至6月中旬土壤湿度较大、温度上升较快的时期,6月下旬至7月中旬降水增加、温度达到最高而相对湿度降低的时期,以及7月下旬至9月中旬降水增加、温度下降而相对湿度较大的时期.     

基于雪岭云杉树轮宽度重建过去339年天山中部巴音布鲁克地区夏季NDVI

归一化差异植被指数(NDVI)被广泛应用于植被研究的各个领域,但由于观测时长较短,难以满足长时间尺度的研究需要。基于巴音布鲁克地区雪岭云杉建立了树轮宽度年表(STD),计算年表和NDVI同气象观测数据的相关系数。结果表明:树轮宽度指数和NDVI均与同时段的气象数据具有显著相关。结合宽度年表与6—8月NDVI间的显著正相关(r=0.7,P＜0.01,n=38),使用回归模型重建了研究区过去339年的夏季(6—8月)NDVI变化序列,在1680—2018年,重建序列有4个高植被覆盖时段(1738—1765、1786—1798、1964—1973和2000—2018年)和5个低植被覆盖时段(1690—1714、1825—1834、1850—1880、1895—1920和1945—1955年)。重建结果也反映了天山中部水文气候。与周边重建的对比显示,当开都河径流量增加,且研究区处于较为潮湿的环境时,植被覆盖相对较高,反之植被覆盖偏低。重建序列的极值也捕捉了历史文献中一系列自然灾害。混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型(HYSPLT)后向轨迹模型和风场分析表明,NDVI异常受到西风带来的降水影响。     

1801年以来河南尧山地区油松高温变化及影响机制

基于建立的河南尧山地区油松树轮宽度标准年表,分析了油松径向生长与该地区气温、降水等气候因子之间的关系以及气温升高前后树木生长与平均最高气温间的相关性,结果表明:4—7月平均最高气温与树轮年表的相关系数高达-0.64,是该地区油松径向生长的主要限制因子;气候变暖后树轮年表与9、10月份平均最高气温显著正相关,与2、3月降水显著正相关,与4—7月平均最高气温间的相关性较为稳定。因此,重建了尧山地区1801年来4—7月平均最高气温,其方差解释量达40%(调整自由度后为38.9%)。过去216年的高温重建历史中经历了6个较暖的时期:1801—1825,1845—1853,1876—1889,1922—1944,1957—1975,1996—2013年和5个较冷的时期:1826—1844,1854—1875,1890—1921,1945—1956,1978—1995年,其结果与过去伏牛山龙池曼地区5—7月温度重建序列具有很好的一致性。周期分析结果发现该地区4—7月平均最高气温变化存在着2—4年(ENSO周期)和35.23—48.47年的主要变化周期,小波分析发现在1920年前后气候由长周期变为短周期变化;空间相关分析显示重建的高温序列很好地代表了豫东平原地区的温度变化,同时也发现与北太平洋副热带高压850 hPa上空的温度有非常高的正相关关系,表明豫东高温的波动可能与北太平洋海气振荡有关,这一研究结果为山区森林管理及平原区农业生产提供基础服务数据。     

内蒙古大青山国家级自然保护区植被归一化指数时空变化及其与环境因子的关系

选取2000—2020年MODIS影像的归一化指数(NDVI)数据及同期的气象数据,采用趋势分析、变异系数、相关分析等方法,从海拔、坡度和坡向的角度分析了内蒙古大青山国家级自然保护区生长季NDVI的时空变化特征,并进一步探讨了NDVI时空变化与气候因子的相关性。结果表明：(1)2000—2020年,内蒙古大青山国家级自然保护区植被总体覆盖状况良好且呈增长趋势,增长速率为0.058/10a;(2)保护区NDVI空间分布呈现出西部低、东部高的从西到东逐渐增加的特征。保护区生长季NDVI均值随着海拔的升高而明显增加,随着坡度的增加呈缓慢增加趋势,在不同坡向上,生长季NDVI均值大小依次为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡;(3)从NDVI变化趋势分析来看,2000—2020年大青山自然保护区植被覆盖改善的面积占总面积的61.75%,其中,显著改善、极显著改善面积分别占总面积的41.13%、20.62%,基本保持不变的面积占总面积的38.17%,退化面积占总面积的0.07%。在空间分布上,NDVI显著、极显著增加的区域主要分布在保护区西部和东部,中部以变化不显著为主。保护区各功能区N...     

不同径级红松径向生长对气候变化的响应

运用树木年轮气候学方法,研究原始阔叶红松林分布区内白石砬子自然保护区(40.9° N)、长白山自然保护区(42.4° N)、凉水自然保护区(47.2° N)和胜山自然保护区(49.4° N)4个纬度样地的2个径级红松径向生长对气候变化的响应,分析不同径级红松对气候因子响应的异同,以及影响不同纬度红松径向生长的关键气候因子,探讨气候变化显著的40多年中红松径向生长的变化动态.结果表明: 2个径级红松对气候因子的响应具有很大的相似性,但是小径级(胸径为10～20 cm)红松对当年生长季的平均最低气温以及上一年的气候因子更敏感,而大径级(胸径>40 cm)红松对当年生长季的平均最高气温和平均相对湿度更敏感.影响4个纬度样地红松径向生长的关键气候因子存在一定差异:在最南端的白石砬子自然保护区是当年生长季的季均气温和季均最高气温;最北端的胜山自然保护区是低温因子,包括所有季节的平均最低气温、冬季的平均最高气温,以及除上一年生长季末期和当年生长季以外所有季节的平均气温;中间纬度的长白山自然保护区是当年生长季和生长季末期的帕尔默干旱指数(PDSI)和当年生长季的降水量;凉水自然保护区是当年生长季的平均气温.在气温不断上升的40多年,最南端的2个径级红松径向生长均显著下降,最北端均显著上升,中间2个纬度样地变化均不显著.     

2001—2018年长白山自然保护区生长季NDVI变化特征及其对气候变化的响应

为了解全球变化背景下东北亚温带森林的动态变化及其对气候变化的响应,基于MODIS 250 m分辨率遥感数据、1 km分辨率地表温度数据以及研究区内及周边气象站点数据,分析2001—2018年生长季长白山自然保护区的归一化植被指数(NDVI)变化情况及其与温度、降水的相关性。结果表明: 2001—2018年生长季,研究区NDVI均值为0.711,植被覆盖度较高,且呈逐年增加趋势(0.0025·a^-1);气温极显著增加(0.032 ℃·a^-1),增速高于全球平均;降水显著增加(5.54 mm·a^-1),但年际间变异加大。空间上,NDVI呈现西北部略高且随着海拔升高而降低的格局;研究期间,NDVI增加的区域占46.2%,主要集中在北部以及中南部高海拔地区,53.8%的区域基本无变化或微弱减少。研究区NDVI主要受温度影响;在年尺度上,NDVI与地表温度主要表现为正相关,正相关区域占90.2%,且有43.6%的区域相关性显著;在月尺度上,气温对NDVI的影响在生长季初和末期更为显著。     

近30年河北大海陀自然保护区山地草甸植被(NDVI)变化及其对气候的响应

河北大海陀自然保护区地处我国暖温带落叶阔叶林区,草甸植被多处于山地顶部,对外界干扰敏感。为了研究该地区的草甸植被变化以及其对气候变化的响应,收集了该地区近30年的TM遥感影像资料,1980—2015年的气候数据,包括年平均气温、7月份平均气温、1月份平均气温、年降水量、6—8月平均降水量等多个气候指标,以及大海陀自然保护区及其周边地区的地形数据等,用滑动平均法、M-K检验法、相关分析法及偏相关分析法等方法分析了大海陀自然保护区草甸植被NDVI及其与气候响应。结果表明:(1)近30年来,大海陀自然保护区草甸植被NDVI呈先上升后下降的趋势,在2004年NDVI达到最高,随后逐渐下降。(2)大海陀自然保护区草甸区域的年降水量变化整体表现为波动循环的趋势,总体略有上升,但没有达到显著水平;年均温变化表现为上升趋势,且达到了极显著水平,该地区的气温上升趋势主要由以1月为主的冬季温度升高而引起。(3)草甸植被NDVI与年均温成显著的负相关关系,与年降水量的关系不明显。     

近30年新疆植被生长异常值时空变化及驱动因子

作为陆地生态系统的主体,植被的时空变化深刻地影响着景观格局和生态功能,深入理解植被动态及其对气候变化的响应,对于提高对生态过程的认识、加强生态管理具有重要意义。在一致性检验的基础上,利用中分辨率成像光谱仪(moderateresolution imaging Spectroradiometer,MODIS)的归一化植被指数(normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据集将新疆地区全球检测与模型研究组(Global Inventory Modeling and Mapping Studies,GIMMS)开发的NDVI数据集的时间序列拓展到2012年,探讨了生长季和各季节植被绿度、气候异常值的动态变化,分析了植被对气候变化的响应。研究结果显示,区域尺度和像元尺度GIMMS与MODIS NDVI之间的一致性较强。1982—2012年,研究区域生长季和各季节植被绿度呈显著增加趋势,但生长季存在明显阶段性:1998年前后分别呈显著增加和显著减少,夏季与秋季与生长季类似,而春季则不存在变化趋势的逆转。NDVI呈正异常值的面积比例与区域尺度NDVI的变化趋势一致;极端异常值、较大异常值多呈明显减少趋势,而一般异常值多呈增加趋势,NDVI的变化倾向于逐渐平稳。区域变暖趋势显著,降水量略有增加,潜在蒸散发显著提高,而湿润指数变化不明显。气温、潜在蒸散发主要在春季、秋季促进植被生长,而夏季降水量、湿润指数对植被生长的调节作用更为突出。     

长白山红松和鱼鳞云杉在分布上限的径向生长对气候变暖的不同响应

用树木年代学方法研究了近50年来气候变化对长白山自然保护区两种广泛分布的重要乔木树种红松(Pinus koraiensis)和鱼鳞云杉(Picea jezoensis var. komarovii)分布上限树木径向生长的影响, 发现红松年轮宽度具有与温度升高相一致的趋势, 而鱼鳞云杉年轮宽度则出现随温度升高而下降的“分离现象”。对水热条件的正响应是分布上限红松年表与温度保持一致的关键: 生长季的温度和降水的增加对上限红松的生长有促进作用, 且二者对树木生长的有利效应有相互促进的现象; 生长季的延长也有利于红松的生长。升温导致的水分胁迫是造成上限分布的鱼鳞云杉年轮宽度与温度变化趋势相反的重要因素: 分布上限的鱼鳞云杉年表与大多数温度指标均呈负相关关系; 随着温度升高, 年表与年降水量尤其是春季降水量的相关性逐渐由负转正; 各月的高温以及生长季中后期的少雨是形成上限鱼鳞云杉窄轮的主要气候因素, 而较低的各月温度以及生长季后期充足的降水则有利于上限鱼鳞云杉的生长; 此外, 生长季长度没有变化也可能是造成鱼鳞云杉年表序列对温度变化敏感性下降的重要因素。     

基于遥感空间信息的武夷山国家级自然保护区植被覆盖度变化与生态质量评估

成立于1979年的武夷山国家级自然保护区,是中国东南部面积最大、保留最为完整的中亚热带森林生态系统,对其成立40年以来的植被及其生态质量的变化迄今并无研究涉及。本研究选取1979—2017年的5景Landsat系列影像,借助MODIS的归一化植被指数(NDVI)数据对Landsat影像的NDVI数据进行植被的时相纠正,通过计算植被覆盖度(FVC)和遥感生态指数(RSEI)来评估武夷山国家级自然保护区植被覆盖度及其生态质量的变化。结果表明: 通过近40年的保护,保护区的植被覆盖度有明显提升,从1979年的73.6%上升到2017年的89.5%;生态质量也随之上升,从1988年的0.801上升到2017年的0.823。2017年,整个保护区生态质量为优、良等级的面积占总面积的98.7%。从空间分布来看,生态变好的区域主要分布在东北核心区和西南核心区中部;变差的区域主要分布于道路两侧和山顶。在垂直高程上,以高程1300~1900 m范围内的植被覆盖度和生态质量最好。除了局部年份可能受到气候的影响外,武夷山国家级自然保护区植被和生态质量的改善主要得益于当地政府的有效政策和群众的积极保护。