长白山地森林植被物候对气候变化的响应研究

长白山地森林植被物候对气候变化的响应研究

目前,越来越多的证据表明全球气候正逐步变暖,而植物物候现象是全球变化的积分仪和自然环境变化的综合指示器。有关物候对气候变化的响应研究正成为全球变化的热点问题。森林是全球生态系统的重要组成部分,森林物候是反映短期或长期气候变化对森林生长阶段影响的综合性生物指标。遥感技术的发展,为在景观层面进行物候观测提供了技术手段,有效地实现了物候监测从点向面的空间尺度转换。 本文主要运用GIS和遥感技术,使用10天合成的SPOT/NDVI多时相遥感数据、气象数据以及各种相关的图表和统计资料等,构建了长白山地森林生长季遥感监测模型(Double Logistic模型),并利用该模型计算了1999~2008年长白山地森林植被的各物候参数;分析了1999~2008年长白山森林生长季始期、生长季末期、生长季长度、DN年最大值、DN年振幅和DN生长季积分值的时空分布格局及年际变化趋势;探讨了长白山地的气候变化特征;并在此基础上进一步深入分析了森林生长季变化与气候因素的关系,揭示了长白山森林生长季对区域降水和气温变化的响应方式和反馈机制。论文的主要结论如下: 1 Double logistic模型的构建 基于遥感和地理信息系统技术,本文结合logistic模型和一个全局函数的优点,构建了double logistic模型。该模型不仅可以同时提取多年的森林物候期,而且可以消除时间序列的边界效应,它能更灵活地拟合复杂的曲线。同时,由于森林开始生长和结束生长是两个不同的生物物理过程,对于拟合曲线的两侧采用动态的比例更符合森林的生长过程;再者,该模型是在没有设置预定的阈值或者经验参数前提下而逐个像元运算的,所以它能够更加稳定地表征不同像元之间物理意义,具有更好的通用性。野外观测数据和先前学者的研究结果都证明了利用double logistic模型动态监测长白山地植被物候期是一种可行的方法。 2长白山地森林植被物候参数时空格局 (1)在1999~2008年间,长白山地大部分地区森林生长季始期发生在第100~140天,其中在第100~110天和在第110~120天开始生长的地区所占面积比较大。提前的区域仅占研究区面积的32.46%,平均提前速率约0.71d/a;延迟的区域占总面积的67.54%,平均延迟速率约为0.43d/a。 (2)大部分地区森林生长季末期发生在第270~290天,其中在第280~290天开始生长的地区所占面积比较大。长白山地森林的生长季末期中南部表现为延迟趋势,南端和北部表现为一定的提前趋势。延迟区域占有较大比例,约为65.3%,平均延迟速率为0.53d/a;提前的区域占总面积的34.7%,平均提前速率为0.57d/a。 (3)大部分地区森林生长季长度140~180天,其中长度在160~180天的地区所占面积比较大。长白山地森林的生长季长度中东部表现为延长趋势,南端和西北部表现为一定的缩短趋势,整体上呈现东南—西北向的空间分异格局。生长季延长的区域占研究区面积的59.69%,平均延长率为0.67d/a;生长季缩短的区域占总面积的40.31%,平均缩短率约为1d/a。 (4)生长季DN积分值、DN年最大值和DN值年振幅整体上都有增加的趋势,且空间格局具有相似性,是因为三者之间是相互关联的。如果生长季长度不变、DN年最大值或者振幅的增加必然会导致生长季DN积分值的增加;如果生长季长度和生长季的DN基准值不变,那么DN年最大值和振幅的含义就是一样的了。 3长白山地的气候变化特征 综合年平均气温和年降水量的时间变化来看,可以认为长白山地近50年来来气候的年代际变化经历了一个“冷湿—冷干—暖湿—暖干”的过程,并且暖干的过程仍将持续。从地域分布上看,年均增温趋势分布与春季的增温空间格局较相似,增温幅度与春季也相差无几,与其它几个季节的空间分布存在明显的差异。秋季降水量变化趋势空间分布特征与夏季相似,但是降水量增加的区域略有增加。年降水量的空间分布主要受夏季和秋季降水量的影响,故它与夏、秋季二者叠加后的分布趋势一致。 4森林植被生长季变化与气候的关系 长白山地大部分地区的NDVI与旬降水量、旬均气温的年内相关系数和偏相关系数都较高,呈强显著相关,但温度对森林植被的生长过程的影响大于降水。各种森林植被类型,无论是针叶林还是阔叶林,它们的生长季始期大都与其之前各月月均温呈显著负相关,而生长季末期则与其之前各月月均温呈显著正相关;而它们的生长季始末期与降水的关系就较复杂一些,针叶林的始期与其之前的各月降水量呈正相关,阔叶林则呈大都呈负相关。除蒙古栎外,其它森林类型的生长季末期与其前各月的降水量呈负相关。