中国西南部地区植被对极端气候事件的响应

在全球气候变化背景下, 极端气候事件频发。中国西南部地区植被对于气候变化及极端气候事件的响应较为敏感。为探究西南部地区植被对极端气候事件的响应程度, 该文采用Pettitt检验、趋势分析法对数据进行分析, 并对数据进行去趋势处理, 分析去趋势前后极端气候指数与归一化植被指数(NDVI)的相关关系。结果表明: (1) 1982-2015年西南部地区植被NDVI呈现显著上升的趋势, NDVI在1994年发生突变, 突变前上升不显著, 突变后呈现显著上升的趋势; (2)去趋势前, 1982-2015年间, 极端降水指数与NDVI显著相关的仅有1日最大降水量, 其与NDVI显著正相关; 除气温日较差外, 其他极端温度指数均与NDVI显著相关。1994-2015年间, 1日最大降水量与NDVI显著正相关, 降水日数与NDVI显著负相关; 在极端温度指数中, 日最低气温最大值、暖昼日数、夏季日数、生长季长度和气温日较差与NDVI显著正相关, 冷昼日数、冰冻日数、冷夜日数和霜冻日数与NDVI显著负相关。1982-2015年间NDVI对年平均气温的响应最强, 而在1994-2015年间NDVI对夏季日数和气温日较差的响应强于对年平均气温的响应。(3)去趋势后, 极端降水指数与NDVI的相关性在两个时段都不显著; 而日最高气温最大值、暖昼日数、夏季日数和气温日较差在这两个时段与NDVI显著正相关, 但其与NDVI的相关系数都在1994-2015年间更高。气温日较差在两个时段与NDVI的相关系数都最高。只在1982-2015年冷昼日数与NDVI显著负相关。     

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。     

青藏高原草地植被覆盖变化及其与气候因子的关系

为揭示气候变化对青藏高原草地生态系统的影响及其生态适应机制,利用1982~1999年间的NOAA/AVHRR NDVI数据和对应的气候资料,研究了近20年来青藏高原草地植被覆盖变化及其与气候因子的关系。结果表明,18年来研究区生长季NDVI显著增加(p=0.015),其增加率和增加量分别为0.41% a^-1和0.001 0 a^-1。生长季提前和生长季生长加速是青藏高原草地植被生长季NDVI增加的主要原因。春季为NDVI增加率和增加量最大的季节,其增加率和增加量分别为0.92% a^-1和0.001 4 a^-1;夏季NDVI的增加对生长季NDVI增加的贡献相对较小,其增加率和增加量分别为0.37% a^-1和0.001 0 a^-1。3种草地(高寒草甸、高寒草原、温性草原)春季NDVI均显著增加(p<0.01;p=0.001; p=0.002); 高寒草甸夏季NDVI显著增加(p=0.027),而高寒草原和温性草原夏季NDVI呈增加趋势,但都不显著(p=0.106; p=0.087);3种草地秋季NDVI则没有明显的变化趋势(p=0.585; p=0.461; p=0.143)。3种草地春季NDVI的增加是由春季温度上升所致。高寒草地(高寒草甸和高寒草原)夏季NDVI的增加是夏季温度和春季降水共同作用的结果。温性草原夏季NDVI变化与气候因子并没有表现出显著的相关关系。高寒草地植被生长对气候变化的响应存在滞后效应。     

中国北方草原植被对气象因子的时滞响应

利用1982~1997年的气温、降水和1983~1997年生长季的NOAA/AVHRR的归一化植被指数(Normalized differential vegetation index, NDVI)遥感数据,分析了中国北方温带草原植被生长对气象因子的时滞响应。根据4个时间尺度(1~4个月)和4个时滞期(前0~3个月)将降水数据进行16种组合方式,计算了植被的NDVI与同期及前期(前1~6个月)降水之间的相关系数。同时,计算了植被的NDVI与同期和前一个月气温之间的相关系数。结果表明:1)中国北方温带草原植被的NDVI与同期降水和气温的显著相关。2)植被的NDVI对前一个月降水的时滞响应最强烈,植被的NDVI与当月降水和前两个月降水的累积量相关性最强。3)在生长季的起始阶段,去冬、今春的降水总量对草甸草原植被的生长有重要的作用。在生长季的中期和后期,当月和前一、二个月的降水对典型草原和荒漠草原的植被有显著影响。4)在草甸草原、典型草原区,生长季早期的气温均对植被生长的影响较为显著。在荒漠草原区,气温不仅在生长季初期与植被的NDVI呈现正相关,而且在生长季的中后期,气温与植被的NDVI呈现负相关性。     

基于MODIS的泾河流域植被动态年际变化

以中分辨率成像光谱仪数据(Moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)为基础计算泾河流域归一化差异植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)在2001~2004年的时间序列值,分别采用相关系数r值和成对t检验的t值定量描述年内NDVI曲线在年际间的协同性和差异性。以农田、森林、灌丛和草地4种土地利用类型NDVI曲线在年际间变化显著的面积百分比为参数,在2001~2004年间分为1、2和3年间隔共6个时间组,比较分析4种土地利用类型的NDVI曲线在6个时间组内的协同性和差异性,进而探讨泾河流域植被年际变化及其与土地利用之间的关系。结果表明:4种土地利用类型NDVI波动对外界环境的响应在不同的时间间隔里表现一致,在2001~2003年和2001~2004年间变化比较明显;在各个时间组内比较发现有较大面积的农田和草地NDVI协同性较差,尤其在2001~2002年间,这可能与退耕还林还草政策的实施有关;4年来泾河流域内4种土地利用类型的NDVI值有增加趋势,植被状况趋于良好;NDVI年际间差异最明显的是草地,其次是农田和灌丛,森林的NDVI比较稳定。     

基于太白红杉树轮宽度重建近172年太白山自然保护区7月NDVI

利用太白山自然保护区南北坡采集的太白红杉树轮数据、气象数据和区域NDVI数据进行相关分析,重建太白山自然保护区近172年NDVI变化序列.结果表明: 太白山自然保护区的NDVI年内变化规律与植被生长周期具有一致性,生长季的水热条件是控制NDVI值的主要因素;树轮宽度与植物生长季的NDVI呈显著正相关,7月相关性最强.利用长时间序列的树轮宽度指数重建太白山自然保护区历史时期7月的NDVI变化序列,发现重建的历史时期7月NDVI变化序列存在5个低值时段和5个高值时段,这些时段与秦岭地区的气候变化趋势及旱灾发生记录相对应.重建的太白山自然保护区南北坡7月NDVI变化序列存在60年左右的准周期变化.     

黑河中游荒漠生态系统归一化植被指数对降水的响应

降水是荒漠生态系统主要的水分来源, 是植被结构和功能变化的根本驱动力。该研究以黑河中游砾质荒漠(砾漠)和沙质荒漠(沙漠)为研究对象, 基于2000-2012年中分辨率成像光谱仪(MODIS)获取的归一化植被指数(NDVI)数据以及日降水数据, 运用多元线性回归法, 分析了砾漠和沙漠植被生长季(5-9月)、生长季早期(5-6月)和晚期(7-9月)累积NDVI (NDVI_INT, INT表示某时间段的累积值)对冷季降水(P_c, 前一年9月至当年2月累积降水)、暖季降水(P_w, 当年3月至8月累积降水)、前一年生长季NDVI_INT (NDVI_INT-pys)以及干湿气候期(干旱期: 2001-2003; 湿润期: 2004-2007年)的响应。研究结果表明: (1)砾漠植被生长季NDVI_INT年际变化的影响因素排序为NDVI_INT-pys > P_c > P_w, 沙漠植被NDVI_INT则为P_w > NDVI_INT-pys; 砾漠生长季NDVI_INT早期NDVI_INT年际变化的影响因素排序为NDVI_INT-pys > P_c, 晚期则为NDVI_INT-pys > P_c = P_w; 而沙漠生长季早期NDVI_INT年际变化的影响因素为NDVI_INT-pys, 晚期是P_w。(2)在干湿气候期内, 降水量并非是影响荒漠NDVI_INT变化的关键因子。干湿气候期交替时, 砾漠NDVI_INT较沙漠增加明显; 湿润期内, 湿润期持续的长短是影响两种生境植被NDVI_INT的关键因子, 以沙漠较为明显。黑河中游砾漠和沙漠植被生产力对冷暖季降水及干湿气候期响应具有明显的差异, 但总体显示出荒漠植被生产力对降水响应具有滞后性特征。以上结论可为揭示荒漠植被生产力对降水的响应机理提供参考。     

1982-2012年中亚植被变化及其对气候变化的响应

归一化植被指数(NDVI)能够反映植被生长状况, 被广泛应用于区域乃至全球的植被变化研究中。该文利用1982-2012年GIMMS-NDVI数据, 通过基于像元的线性趋势分析、偏相关分析, 基于场域的经验正交分解(EOF)、奇异值分解(SVD), 综合时间和空间两个维度上的信息, 研究了近31年来中亚植被的变化及其变化中的区域差异, 分析了植被对气候变化的响应关系。线性趋势分析发现, 34%的中亚植被NDVI显著增长(p < 0.05), 山区植被NDVI的增长速率可达到每年0.004。偏相关分析表明, 63%的中亚植被受到降水的显著影响(p < 0.05, 仅4%为负相关), 而32%的植被受到气温的显著影响(p < 0.05, 仅9%为正相关)。EOF分析发现, 中亚植被NDVI的变化表现出较大的空间差异: 山区及东北部的植被NDVI变化主要分为3个阶段, 即先增长(1982-1994年)、后波动(1994-2002年)、然后继续增长(2002-2012年); 而西北部平原区的植被NDVI变化主要表现为两个阶段, 即先增长(1982-1994年)而后减少(1994-2012年)。SVD分析表明: 1982-2012年间中亚植被受到降水和气温的共同影响, 植被NDVI的空间变化特征与降水的空间变化特征较为一致, 但西北部和山区的植被NDVI对气温的响应存在差异。     

阿尔泰山西伯利亚落叶松径向生长对气候变化的分异响应

在全球气候变暖的背景下, 北半球中高纬度地区出现了树轮径向生长对气候变化的分异响应现象, 但是阿尔泰山优势针叶树种对气候因子响应的稳定性还存在不确定性。该研究选择阿尔泰山中段高海拔西伯利亚落叶松(Larix sibirica)样本建立了树轮宽度年表, 并对年表特征及树木径向生长-气候的动态关系进行了分析。结果表明: 生长季初期和中期的气温是研究区树木生长的主控气候因子; 树木径向生长与当年4月的气温显著负相关, 与当年6-7月的气温显著正相关; 研究区西伯利亚落叶松径向生长与当年4月和6-7月的气温发生了分异现象, 表现为随着气候变化, 树木径向生长对生长季初期由高温引起的干旱的响应敏感性越来越强, 而对生长季中期气温的敏感性表现出先减弱再增强的趋势。阿尔泰山西伯利亚落叶松径向生长对气候变化的响应比较敏感, 适合开展树木生长-气候变化的研究; 检验树木径向生长对气候变化分异响应为该区域基于树木年轮开展历史气候重建和提高未来森林生态系统发展趋势预测的准确性提供了科学依据。     

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。     

不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应

利用青海不同生境祁连圆柏树木年轮样本,采用3种不同去趋势方法建立树轮年表,结合青海30个气象站的气象资料,分析不同生境和去趋势方法下祁连圆柏径向生长对气候的响应差异。结果表明,祁连山区,生长季前期的平均气温是祁连圆柏树木径向生长的主要限制性因子,NEP树轮标准化宽度年表与生长季前期冬季平均气温相关最好;在柴达木盆地,生长季降水量是该地区树木径向生长的限制性因子,SPL树轮年表对生长季降水量相关较好;在青南高原,祁连圆柏径向生长对春季温度响应最为敏感,而SPL年表与春季温度呈现明显的负相关关系,相关系数达-0.606;而在青海东部地区,祁连圆柏树木径向生长对气候的响应总体不显著。位于青海西部和北部的柴达木盆地和祁连山区祁连圆柏径向生长受西风气候的影响显著,尤其是柴达木盆地,其气候受西风主导;而青南高原受西南季风影响更为显著,该地区祁连圆柏径向生长同时受西南季风气候和海拔高度两方面影响;在青海东部,祁连圆柏径向生长受东亚季风影响更为显著。     

中国祁连山西段青海云杉树轮密度记录的气候信号

树轮气候学是研究过去气候变化的重要手段之一。以往研究表明,树轮密度是生长季温度的重要代用资料。本文建立了祁连山西段青海云杉132～135年的树轮最大密度年表、树轮最小密度年表、树轮晚材平均密度年表和树轮早材平均密度年表,比较了不同密度年表指示的最优气候信号及其季节组合,评估了其作为气候代用资料的潜力与价值。结果表明:树轮晚材平均密度和树轮早材平均密度对于树木生长季气候信号的响应远低于树轮最大密度和树轮最小密度;树轮早材平均密度和树轮最小密度与帕尔默干旱指数有很强的联系,表明树轮早材平均密度和树轮最小密度有成为干旱代用指标的潜力。     

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。     

祁连山南坡主要河谷NDVI时空变化及影响因素分析

为进一步保护祁连山生态环境及合理开发利用河流沿线的植被资源,该文基于MODIS数据的NDVI产品及DEM数据集,对祁连山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生长季的NDVI时空分布特征进行了研究,并提取研究区的主要地形因子,分析其对河流谷地植被生长季NDVI的影响.结果表明:随着河流两侧缓冲区距离逐渐增大,各年份的...     

祁连山东部青海云杉死亡和存活个体径向生长对气候变化的响应差异

研究建立了祁连山东部青海云杉(Picea crassifolia)存活个体与死亡个体的树轮宽度年表和断面生长增量(BAI)序列,对青海云杉存活个体与死亡个体的径向生长特征及其对气候要素的响应关系进行了比较,尝试厘清青海云杉径向生长与气候要素之间的响应机制。结果表明:青海云杉死亡个体的径向生长速率明显低于存活个体(P ＜ 0.001),尤其是在20世纪80年代快速升温后,这一差距进一步加大,青海云杉死亡率也大幅增加。在1951-1986年期间,青海云杉径向生长主要受生长季前(上一年9月到当年2月)干湿状况的影响;而在1987-2020年期间,青海云杉径向生长则更多受生长季(当年6-8月)干湿状况的影响。并且与活树相比,死树对区域干湿状况表现出更高的敏感性,对气温的负响应也更强。随着气候变暖加剧,高温及其带来的干旱胁迫已成为区域内限制青海云杉径向生长的主要气候因素,青海云杉的死亡率可能会继续升高。     

1998—2017年祁连山南坡不同海拔、坡度和坡向生长季NDVI变化及其与气象因子的关系

祁连山是我国西北地区重要的水源涵养保护区,是我国地形第一、二阶梯分界线,对气候变化极其敏感。基于气温、降水量和归一化植被指数(NDVI)数据,使用趋势分析、小波分析和相关分析方法,结合数字高程模型(DEM)数据,从海拔、坡度和坡向的角度探讨祁连山南坡NDVI变化及其与气温和降水的关系。结果表明: 1998—2017年,祁连山南坡生长季NDVI整体呈增长趋势,增长趋势为0.023·10 a^-1。NDVI值在不同海拔、坡度和坡向上的变化存在差异性,NDVI值随海拔的升高呈先增后降趋势,海拔2700～3700 m区域的植被覆盖状况较好,＞4700 m区域的植被出现退化现象;NDVI值随坡度增加呈降低态势;NDVI值在坡向上的差异较小,但阳坡的植被覆盖状况好于阴坡。生长季NDVI与气温、降水的关系密切,生长季NDVI、气温、降水均具有14年的变化周期,而不同海拔、坡度、坡向的植被受到气温和降水的影响不同,海拔＜3700 m、＞4700 m区域、坡度＜25°区域和各坡向区域的植被均易受降水影响。     

不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔雪岭云杉树轮宽度年表对气候的响应

利用新疆东天山高低海拔雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)年轮样本,采用样条函数法、负指数函数法和区域曲线法3种去趋势方法研制树轮宽度标准化年表,通过分析不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔云杉树轮宽度标准化年表特征、年表与气候响应的关系和年表间在不同频域互相关,及其与其它资料对比发现:(1)3种去趋势法对东天山年表质量影响较小,低海拔树轮年表含有更多可靠的气候变化信息。(2)高海拔的雪岭云杉树木径向生长与6—9月平均气温均呈显著正相关,其中标准化树轮年表与7月平均气温相关系数达0.553(P0.01,n=58),夏季温度可能是东天山高海拔雪岭云杉径向生长的主要限制因子;低海拔雪岭云杉树木径向生长与春季降水显著正相关,同时与春季平均气温显著负相关,春季高温和缺水共同作用的春旱可能是影响低海拔雪岭云杉径向生长的主导因子,且负指数函数年表对气候响应更敏感。(3)区域曲线法能够保留树轮标准化年表中更多低频信息,但优势不明显。高低海拔标准化年表在低频域相关系数较大,并和历史干旱事件有很好的对应。在东天山高低海拔雪岭云杉的去趋势方法研究中,负指数函数法比样条函数法和区域曲线法更适合。     

Climate–growth analysis of Qilian juniper across an altitudinal gradient in the central Qilian Mountains, northwest China

In the context of global warming, it is of high importance to assess the influence of climatic change and geographic factors on the radial growth of high-elevation trees. Using tree-ring data collected from four stands of Qilian juniper (Juniperus przewalskii Kom.) across an altitudinal gradient in the central Qilian Mountains, northwest China, we compared the radial growth characteristics and climate–growth relationships at different elevations. Results indicated that there was little difference in the tree-ring parameters of the four chronologies. Correlation analyses both for unfiltered and 10-year high-passed data of monthly climatic variables and chronologies were presented to investigate the climatic forcing on tree growth, and results revealed that the correlation patterns were consistent among the four sites, especially for high-passed data. We employed the principal components analysis method to obtain the first principal component (PC1) of the four chronologies and computed the correlations between PC1 and climate factors. The PC1 correlated significantly with winter (November–January) temperature, prior August and current May temperature, and precipitation in the previous September and current January and April, indicating that tree growth in this region was mainly limited by cold winter temperature and drought in early growing season and prior growing season (prior August and September). However, the climate–growth relationships were unstable; with an increase in temperature, the sensitivity of tree growth to temperature had decreased over the past few decades. Considering the instability of the climate–growth relationships, climate reconstructions based on tree rings in the study area should be approached with more caution.     

Response of regional tree-line forests to climate change: evidence from the northeastern Tibetan Plateau

Tree-ring width and age structure of Juniperus przewalskii (Qilian juniper) forests were analyzed for four tree-line sites in Qilian and Anyemaqen Mountains, northeastern Tibetan Plateau, to investigate their relationships to climate change. Tree-line growth on Qilian Mountain was mainly limited by temperature at the low-frequency band. However, tree-line growth in the Anyemaqen Mountain was highly correlated with the current growing season temperature at the high-frequency band, and with the previous growing season precipitation at the low-frequency band. A temperature-stressed growth pattern at colder western sites and a moisture-stressed growth pattern at the warm, drier eastern tree-line sites were detected. The number of surviving trees in the tree-line ecotone was not clearly correlated with temperature before the 1900s. An unprecedented rise in the number of trees coincided well with the rapid global warming after the 1900s.