黄土高原植被物候变化及其对季节性气候变化的响应

受气候变化影响,全球范围内植被物候发生了显著变化,而目前针对不同植被分区类型下（荒漠草原区、典型草原区、森林草原区、落叶栎林区、落叶栎林亚区）植被物候变化及其对季节性气候变化响应的研究尚少。因此基于MODIS遥感归一化差值植被指数（MODIS NDVI：MOD13Q1）数据、中国植被区划数据及135个气象站点插值数据,利用Sen''s斜率估计、Hurst指数和高阶偏相关分析等方法,研究黄土高原2001-2018年植被物侯变化及其对季节性气候变化的响应。结果表明：（1）黄土高原植被生长季始期（SOS,Start of Growing Season）主要集中在第96-144天,子植被分区由西北向东南方向,逐渐呈现提前趋势,71.0%的像元植被SOS整体提前0-2 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间66%的像元植被SOS继续呈现提前趋势;植被生长季末期（EOS,End of Growing Season）主要集中在第288-304天,各子植被分区植被EOS变化基本保持一致,87.6％的像元植被EOS整体延迟0-3 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间有80%的像元植被EOS继续呈现推迟趋势。（2）黄土高原植被SOS主要受各季节温度的影响;当年春季降水导致植被SOS提前,主要分布在黄土高原中部;上年夏季和上年秋季降水增加会导致植被SOS推迟;当年春季、上年秋季和年初冬季的温度升高均会导致植被SOS提前;各子植被分区植被SOS对不同季节降水的响应存在差异,而对不同季节温度的响应具有一致性。（3）黄土高原植被EOS主要受各季节降水和秋季温度的影响;不同季节降水增加均会导致大部分植被EOS推迟;当年秋季温度导致整体区域植被EOS推迟,且各子植被区植被EOS对当年秋季温度响应具有一致性。该研究可为大尺度植被物候影响因素提供新的认识,也为植被适应未来气候变化提供借鉴。     

黄土高原植被覆盖时空变化及其对气候因子的响应

为研究黄土高原地区退耕还林(草)后,植被覆盖变化及其对水热条件的响应,利用1999—2013年SPOT VGT NDVI 1km/10d分辨率数据,采用最大合成法、一元线性回归法和偏相关分析法,系统分析了黄土高原地区NDVI(归一化植被指数)的时空分布及变化趋势,及其与气候因子的关系。结果表明:黄土高原1999—2013年年最大NDVI的平均值为0.31,NDVI较高的区域位于黄土高原南部,而西北部植被覆盖度较低;自1999年开始,黄土高原地区NDVI呈极显著(P0.01)增加趋势,年最大NDVI的变化斜率为0.0099;不同季节(春、夏、秋、冬)和生长季的植被状况均呈现良性发展趋势;1998—2013年间,黄土高原地区气候呈现不显著的"冷湿化"特征;NDVI年际(及生长季和季节)变化与降雨和温度的相关性不显著,而在月时间尺度上,呈显著的相关性,并且月NDVI与当月降雨量的相关性要强于与当月温度的相关性;植被生长对温度的响应存在一个月的滞后期,而对降雨的响应无滞后效应。     

1982-2015年黄土高原植被变化特征及归因

黄土高原植被对于黄河中下游泥沙量减少以及区域生态安全维持发挥着重要作用。气候变化和人类活动是驱动黄土高原植被覆盖度变化的两大因素,然而先前研究多基于统计方法建立植被覆盖度与气候变化的线性关系,忽略了植被覆盖度与气候变化之间复杂的非线性关系,限制了对黄土高原植被变化驱动机制的理解。基于1982-2015年黄土高原植被覆盖度(GIMMS NDVI)数据,以1999年退耕还林工程开始实施为界限,采用随机森林和残差阈值法等手段量化并分析了1982-2015年植被变化特征及气候变化和人类活动对植被变化的影响。结果表明:(1)1982-2015年黄土高原植被覆盖度整体上呈现增长趋势,1999年之后植被覆盖度增加的面积大于1999年之前, 1999年以前显著增长的区域只占总面积的54.68%,1999年以后显著增长的区域面积占比增长至85.11%;(2)在考虑时滞效应的基础上,1982-1998年黄土高原超过80%的区域的逐月温度、降水、日照时数与植被覆盖度存在显著的正相关关系,表明1999年以前植被覆盖度变化主要与气候变化有关。随机森林算法能较好地模拟植被覆盖度与气候因子之间的关系,99.71%的区域拟合的决定系数R²达到0.5以上;(3)2000-2015年,气候因素和人类活动对植被覆盖度的影响具有空间异质性。人类活动对植被覆盖度产生积极影响的面积增加了55.94%,气候消极影响的面积减少了42.58%,气候积极影响的面积减少了12.86%。研究提出的量化气候变化与人类活动对植被覆盖度影响的方法能够更好的区分黄土高原植被覆盖度变化的驱动因素,为黄土高原生态建设以及黄河流域的生态安全和高质量发展提供数据支撑。     

祁连山不同植被类型的物候变化及其对气候的响应

基于1982—2006年GIMMS NDVI和2000—2014年MODIS NDVI遥感数据,利用double logistic拟合方法提取了1982—2014年祁连山区不同植被的生长季始期、生长季末期和生长季长度3个重要的物候参数,分析了不同植被物候期的时间变化趋势、空间分异特征及对气候因子的响应。结果表明:(1)祁连山区不同植被的生长季始期和生长季末期随年际变化表现出波动提前或推迟,其中沼泽植被的变化波动最大;草甸植被、灌丛植被、阔叶林植被和栽培植被生长季长度出现延长趋势;(2)祁连山区植被生长季始期集中在5月初,其中阔叶林植被生长季开始最早,荒漠植被生长季开始最晚,植被生长季末期集中在9月,栽培植被生长季结束较早,荒漠植被、沼泽植被生长季结束较晚,植被生长季长度集中在110—140 d,其中阔叶林植被、针叶林植被生长季长度较长,而荒漠植被、高山植被生长季长度较短;(3)祁连山植被物候期变化趋势的空间分布表明植被生长季始期、生长季末期主要表现为提前不明显和推迟不明显,生长季长度主要表现为缩短不明显和延长不明显;(4)物候要素与气候要素相关性表明前期温度的积累有利于植被的开始生长,但当年3月的降水量对植被生长季始期同样有重要作用,不同植被生长季末期与8月、9月温度相关性较大,而与10月、11月降水的相关性较大。     

黄土高原植被景观多尺度变化及其与地形的响应关系

基于RS和GIS技术,利用黄土高原近30年不同分辨率的归一化植被指数(NDVI),采用基于小波分析的多尺度空间统计学方法,研究不同时期黄土高原植被景观的多尺度变化特征及其与地形的响应关系。结果表明:(1)黄土高原植被景观1982—2011年期间发生了周期性变化。其中,1990年以前为植被恢复阶段,1990—2001年为植被退化阶段,2001年以后为植被恢复阶段。(2)植被景观的空间异质性与数据获取的时间、数据分辨率、空间位置和地形均有关。一方面,植被指数和数据分辨率越高,植被景观的空间异质性就越大,而且沿经度方向植被景观的空间差异性大于纬度方向;另一方面,NDVI的多尺度变化特征与地形因子有不同程度的相关性,表现为:高程地形湿度坡度坡向,这对于今后黄土高原植被景观的合理布局,提高生物多样性,控制水土流失,增强景观的连续性具有特别重要的意义,也可为指导生态环境建设提供基础资料。     

2000-2011年黄土高原植被景观格局变化

在RS和GIS技术的支持下,利用遥感数据MODIS NDVI提取植被覆盖度,运用景观生态学的分析方法,对黄土高原近12年不同时段(2000-2003年、2004-2007年和2008-2011年)以及夏季不同时期(初夏、盛夏和暮夏)的植被景观格局变化进行研究.结果表明:(1)近12年黄土高原的植被覆盖度在景观水平上,破碎度和复杂度在初夏时期呈先增后减的趋势;而在盛夏和暮夏时期整体趋于复杂化,景观优势度、最大斑块的聚集度降低,多样性先增后减,景观连通性无明显变化.(2)在类型水平上,年际变化主要表现为中低度、中度覆盖向中高度、高度覆盖类型的转化,而低度覆盖呈先增后减的变化趋势,变化幅度较小,约为3％～5％;季节内变化主要表现为低度覆盖持续减小,中度、高度覆盖类型在盛夏明显增大,最大增幅为9.76％,中低度覆盖类型在盛夏减小幅度最高,达13.77％,其他类型无明显变化趋势.研究结果揭示了黄土高原植被覆盖情况和景观格局变化规律,可为当地植被建设和生态环境保护提供参考.     

退耕还林后陕西省植被覆盖度变化及其对气候的响应

1999年起,陕西省实施了大规模的退耕还林、封山禁牧等生态建设和保护工程,使植被覆盖得到迅速恢复和增加。为了进一步跟踪评估植被覆盖变化,为生态建设和规划提供依据,本文基于2000—2017年MOD13Q1数据、气象数据,利用像元二分法估算陕西省18年间的植被覆盖度,通过空间插值方法、空间相关分析、统计学方法分区对其时空变化特征和对气候变化的响应进行了分析。结果表明:2000—2017年陕西省植被覆盖度呈现波动增加趋势,但增速逐年减少,2012年达到最大值后在高位波动;全省植被覆盖度增加区域面积占国土面积的82.4%,降低的区域仅占17.6%;陕北地区植被覆盖度显著增加,部分地区植被覆盖度达到最大值后出现下降趋势;植被覆盖度变异系数大的区域主要分布陕北长城沿线风沙区和丘陵沟壑区以及城市周边;陕西省植被覆盖度与降水量、气温在年尺度上相关系数均呈不显著的正相关;占全省98.4%的区域植覆盖度与降水、气温的复相关空间也未通过0.05显著水平检验;说明退耕还林等生态建设工程的实施,对植被恢复和生长具有重要的促进作用,一定程度上降低了植被生长对气候因子的敏感性;未来陕西省随着退耕还林等生态建设工程...     

2001–2020年黄土高原光合植被时空变化及其驱动机制

为揭示实施退耕还林(草)政策20年后黄土高原植被盖度的最新演变趋势及区域差异,定量分析气候和人类活动对该区植被盖度变化的贡献率及空间分布。该研究以光合植被(PV)盖度为植被生长状况指标,基于2001–2020年PV数据及同期气象数据,采用Mann-Kendall检验、Sen分析和残差分析等方法,分析了黄土高原2001–2020年植被覆盖的时空演变特征及其驱动要素。主要结果:20年中黄土高原植被盖度呈显著增加趋势,增速为每年0.8%。全区植被盖度呈增加趋势的区域面积比例为90%,呈显著增加的区域面积占比为71%;对全区植被盖度增加的贡献,主要是黄土丘陵区(约2/5),其次为风沙丘陵区(约1/4)和石质山区(约1/5);不同地貌分区内,黄土丘陵区中陕西榆林和延安两市区境内植被盖度增加迅速,风沙丘陵区中内蒙古鄂尔多斯市植被盖度变化最快;研究时段内人类活动和气候变化对黄土高原植被增加的贡献率分别为76%和24%;人类活动对植被盖度贡献较大区域主要分布在陕西延安以北、山西太原以南、宁夏同心以南和甘肃平凉和庆阳等丘陵、台塬和风沙丘陵等政府生态工程实施较好的地区。     

基于地理探测的黄土高原植被生长对气候的响应

为探讨黄土高原不同植被类型对气候变化的响应机制,以2002-2019年黄土高原归一化植被指数(NDVI)数据为基础,利用趋势分析、Hurst指数、地理探测器等方法分析不同植被类型NDVI变化趋势及其与气象因子的关系.结果 表明:2002-2019年,黄土高原不同植被类型NDVI以增长趋势和同向中持续性为主,仅栽培植被在...     

植被变化对气候的反馈机制及调节效应

植被通过光合作用固定大气中的CO₂来减缓温室效应,同时植被也通过改变地表能量收支影响温室效应。在过去的气候-植被研究中,大多关注气候变化对植被的影响,而植被对气候反馈的研究相对较少。植被通过调节地表能量收支、水通量等重要地气过程影响局地、区域乃至全球气候,在气候变化中的作用十分重要。因此,需要厘清植被对气候的反馈效应机制及其结果,并识别其地域差异。从生物地球物理和生物地球化学过程两方面分析植被与气候之间的作用机制,对全球及关键区域内植被变化对局地、区域乃至全球的气候反馈效应进行了系统总结：（1）生物地球物理反馈的区域特征明显,生物地球化学反馈则表现在全球尺度上,二者相互作用但难以统一;（2）植被破坏带来的气候影响在气温效应方面与生态系统的类型及地理分布相关：热带森林破坏带来增温效应,北方森林破坏带来降温效应,温带森林破坏则会通过增加森林反照率抵消丢失的固碳降温效应,气温效应表现不明显;（3）当前研究对关键过程机制考虑不够完善,不同研究方法的结果差异较大,且缺乏高质量观测数据的验证;同时考虑生物地球物理和生物地球化学的净气候反馈研究尚无法支撑植树造林对气候变化单一减缓作用的常规理解。本文可为科学评估植树造林对气候变化作用的方向与强度提供理论依据。     

陕北黄土高原丘陵沟壑区植被覆盖变化及其对气候的响应

利用1982～2007年GIMMS、SPOT VEGETATION两种NDVI数据集和气候资料对陕北黄土高原丘陵沟壑区植被覆盖变化趋势及其与气候的关系进行了分析,结果显示:(1)近26年来该区的植被覆盖总体上处于上升趋势,大致经历了3个阶段: 1982～1998年植被覆盖在波动中缓慢增加,1999～2001年植被覆盖处于一个相对的低谷,2003～2007年植被覆盖快速增加.(2)四季植被活动增强,以秋季NDVI增加最为显著;NDVI的年平均标准差在波动中逐年减小,高覆盖植被面积所占的比例在增加,植被覆盖状况趋于转好.(3)研究区内14个县(区)年平均NDVI线性倾向值都为正值,说明植被覆盖都在增加,但增加的显著性和幅度不同.(4)近26年来陕北黄土高原丘陵沟壑区年平均温度呈极显著(P<0.001)的上升趋势,年降水量具有减少的趋势;春季NDVI与温度之间存在着明显(P<0.10)正相关关系,夏季NDVI与温度之间存在着显著(P<0.05)负相关关系;夏季NDVI与降水量之间存在着极显著(P<0.01)正相关关系,同时夏季NDVI与春季降水量之间存在着显著(P<0.05)正相关关系,且夏季各月降水量对植被覆盖的影响具有滞后效应.研究表明,春季升温和退耕还林(草)生态建设工程是植被增加的主要原因,夏季水分状况是该区植被生长的制约因素.     

黄土高原4种植被带草本群落特征及其对降水变化的响应

以黄土高原草本群落为研究对象,选取陕西省榆林市榆阳区至延安市富县的4种植被带,测定草本群落物种多样性和生物量,结合研究区近20年的气象数据资料,分析4种植被带草本群落物种多样性和生物量的分布特征以及它们对降水变化的响应规律,以期为黄土高原植被恢复和水土保持生态建设提供参考。结果表明:(1)4种植被带草本群落Margalef指数、Pielou指数以及Shannon-Wiener指数均为草原-荒漠带数值最小,森林带数值最大,且都随着年均降水量的增加呈先增大后减小的变化趋势,最大值都出现在森林-草原带。(2)地上、地下和总生物量的大小顺序均为草原-荒漠带森林带草原带森林-草原带,它们随着年均降水量的增加呈"单峰曲线"的变化趋势,曲线的拐点都出现在森林-草原带;地下/地上生物量与年均降水量之间存在显著正相关关系。     

黄河上游玛曲县气候变化对植被的影响研究

利用1982年至2003年NASAGIMMS逐月归一化植被指数（NDVI）数据集和玛曲县气温、降水资料,对玛曲县近22年来NDVI变化和气候变化特征及其相互关系进行分析,以揭示黄河上游地区植被对全球变暖的区域响应.结果表明：（1）玛曲县植被变化在不同时段表现出较大差异,NDVI年际变化略有增加.（2）夏季是NDVI增长最快的季节,春季NDVI在20世纪90年代后期到本世纪初呈下降趋势,秋、冬季NDVI呈下降趋势.（3）返青期和NDVI值在春季达到同一水平值的时间及夏季达到峰值的时间逐年提前,说明生长季提前是该地区植被对全球变暖的主要响应表现.（4）玛曲县近22年来植被的NDVI变化在中等盖度水平（0.3～0.5）呈增加趋势,高盖度水平（≥0.7）的植被呈下降趋势,而在年代间变化水平上,气温和降水对植被生长都有影响,其中气温要比降水更显著;玛曲县降水和气温在季节尺度上对NDVI的影响不明显,除夏季气温与夏季NDVI关系密切之外,其他季节的关系均不明显.（5）按植被变化特点,将NDVI变化斜率最大值0.005定义为返青期指标,发现该地区牧草返青期的变化主要受温度条件影响,随气候变暖,返青期提前,其变化规律为4～5月份平均气温每10年升高0.6℃,返青期每10年提前3 d.     

基于ICEEMDAN方法的黄土高原植被覆盖变化及其对气候变化的响应

地理数据和遥感数据的长期序列中包含噪声和周期性波动信息。本研究基于ICEEMDAN方法对黄土高原1982—2015年归一化植被指数(NDVI)、降雨和温度进行逐像元分解,分解后得到的残差项减少了原始数据中的噪声和周期性波动,并利用残差项研究NDVI的变化趋势以及NDVI与气候因子之间的关系。结果表明: 1982—2015年,黄土高原NDVI以上升为主,残差项NDVI变化趋势的显著性(95.9%)大于原始NDVI变化趋势的显著性(72.3%),并且存在一定的空间差异性。温度和降雨的变化可以在很大程度上解释植被覆盖的变化。其中,温度与黄土高原NDVI之间呈极显著正相关的区域占83.7%,极显著负相关区域占13.9%;降雨与黄土高原NDVI之间呈极显著正相关的区域占54.4%,极显著负相关区域占37.2%。黄土高原植被对气候变化的响应存在明显的空间差异性,不同气候因子对不同植被覆盖类型的影响程度不同。总体上,黄土高原生长季不同植被与温度之间的相关性强于降水,温度是影响黄土高原植被覆盖变化的主要因素。     

黄土高原冬小麦田光谱特征变化及其与二氧化碳日收支的相关分析

根据光谱辐射仪对黄土高原冬小麦整个生育期光谱反射率的连续观测数据及CO₂通量观测数据,对冬小麦田光谱特征变化及其与CO₂日收支的相关性进行了分析.结果表明：冬小麦田不同波长光谱反射率和归一化植被指数（NDVI）呈现明显的日变化和季节变化.同一天内,反射率随太阳高度角的变化而变化,变化最大的波段（550 nm左右、700～1 050 nm）表现为峰.不同生育期同一时刻,可见光波段（350～670 nm）反射率变化不大,近红外波段（700～1 050 nm）出现较大差异,在出苗期、分蘖期和越冬期后红边位置向长波方向“红移”;越冬期前出现向短波方向“蓝移” 的现象;但成熟期“蓝移”现象不明显,表现为突变;其他生育时期没有观测到波谱位移.NDVI的日变化呈U型,13：00左右最低,16：00后出现较大波动,与抛物线有较好的拟合效果,小麦生长旺盛时期,对其地面遥感观测应选择在NDVI变化不大的13：00左右进行;整个冬小麦生长季11:00反射率及NDVI以播种后第140天为中心对称,NDVI的季节变化表现为M型,可用四次多项式拟合;在整个小麦生育期中NDVI与CO₂的日收支呈极显著负相关,但正午左右的相关性稍差.     

Methods for Collecting Vegetation Information in Loess Plateau

The optimum vegetation indexand methods for collecting vegetation information in loess plateau area were studied and appraised. In this area, there were deciduous broadleaved forest, steppe and desert. Vegetation types were rich and diverse. However, collection of vegetation information was strongly influenced by the soil background. The modified soil-adjusted vegetation index (MSAVI) after being compared and analysed not only could enhance vegetation signal, but also could minimize greatly the soil background effects. It could also reflect the distribution of the vegetation types macroscopically in this area. At present, it has been a more or lessideal vegetation index for collection vegetation information in loess plateau area. The collection and monitering of vegetation information for the normalized difference vegetation index (NDVI), soil-adjusted vegetation index (SAVI) and perpendicular vegetation index (PVI) were used in high, medium density and rare vegetation area respectively. For a variety of vegetation indices, the images which were produced by cumulative multitemporal vegetation indices could extract vegetation information well reflecting the vegetation distribution of that particular area.     

2000～2008年长白山地区植被覆盖变化特征

利用2000～2008年250 m分辨率MODIS/NDVI数据,结合谐波分析、影像处理和多种统计方法分析长白山地区的植被覆盖年内和年际变化特征,并结合区划图和植被类型图对不同区域和不同植被类型的植被覆盖变化进行分析.结果显示:近9年长白山地区覆盖总体呈上升趋势,其中春季植被覆盖略有下降,夏季植被覆盖变化不大,而秋季植被覆盖显著上升;和龙林业局、露水河林业局和长白山自然保护区的植被覆盖较好,而朝鲜一侧、泉阳林业局和长白林业局的植被覆盖较差;针叶林、阔叶林和针阔混交林的植被覆盖要高于荒草地、沼泽地、高山岳桦林和高山苔原,但后几种植被类型的植被覆盖增长趋势明显.     

黄土丘陵沟壑区三种豆科人工草地的植被与土壤特征

在黄土高原丘陵沟壑区以 4龄苜蓿 (Medicago sativa)、沙打旺 (Astragalus adsurgens)和甘草 (Giycyrrhiza uralensis)单播人工草地为材料 ,人工牧草、杂草和土壤 3方面研究了其生产性能和生态特性。在相同的管理条件下 ,沙打旺种群高度平均高于苜蓿 33.8% ,是甘草的 6 .2倍 ;苜蓿的密度分别是甘草和沙打旺的 5 .9倍和 2 .6倍 ;沙打旺盖度最大 ,苜蓿次之 ,甘草最小。三种牧草的地上生物量及其占群落生物量的比例依次是苜蓿 >沙打旺 >甘草 ;苜蓿种群生物量占群落的比例接近沙打旺 ,二者远高于甘草。甘草人工草地的杂草种数、杂草生物量及其生物量占群落的比例均最大。0～ 10 0 cm土层内三种人工草地的地下生物量依次为甘草 >苜蓿 >沙打旺。 0～ 10 0 cm土层内营养物质含量 :全 P,苜蓿 >甘草 >沙打旺 ;全 N,苜蓿与甘草接近 ,高于沙打旺 ;速效 P、速效 N都是甘草最高 ;有机质含量 ,苜蓿接近甘草、高于沙打旺。讨论了管理措施与人工草地的关系 ,加大投入是维持人工草地群落稳定的前提之一     

黄土高原区景观生态特征与景观生态建设

黄土高原是黄河中游的黄土分布区 ,人类开发历史悠久 ,自然环境变化显著。长期以来 ,由于土地的不合理利用 ,水土流失严重 ,资源被破坏 ,生态环境日益恶化 ,属于生态脆弱区。人类活动强烈干扰 ,超过了生态系统的稳定极限而使之退化是该区的显著特征之一。景观生态学理论体系中的景观动态与演进、景观规划与建设以及景观保护等都是黄土高原生态环境所面临的主要问题。所以 ,强调人类活动对景观结构与生态过程影响 ,可为黄土高原地区生态环境建设提供理论依据。1　黄土高原区景观生态特征黄土高原位于我国西北荒漠区的前沿 ,北与毛乌素沙漠相…