烏伊嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋演變及其對(duì)氣候突變的響應(yīng)

盛 任,萬(wàn)魯河,*

1 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 哈爾濱 150025 2 哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150025

全球性氣候變化問(wèn)題已經(jīng)逐漸成為人類所關(guān)注的重要發(fā)展性問(wèn)題[1]。根據(jù)最新頒布的政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出,到21世紀(jì)末,氣溫將比1850—1900年間上升 1.5℃[2]。相比于全球氣候變化,《第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》[3]指出：中國(guó)的升溫趨勢(shì)與全球基本保持一致,尤其近50年間顯著增溫(0.23℃/10a)。伴隨著全球變暖,北半球中緯度包括歐洲、中亞、北美大部及中國(guó)長(zhǎng)江以北等地區(qū)的平均降水已增加[4],但中國(guó)東北地區(qū)降水卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(-5.2 mm/10a)[5]。由于氣候因子的相互作用及周期性波動(dòng)對(duì)植被的生長(zhǎng)與分布將產(chǎn)生巨大的影響[6],因此在全球氣候變暖背景下, 研究植被演化與氣候變化之間的響應(yīng)機(jī)制已經(jīng)成為研究全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系中的重中之重[7],也對(duì)于揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的植被演化過(guò)程具有重要的意義。

氣候因子是驅(qū)動(dòng)植被變化的主要因素,尤其是水熱條件變化會(huì)直接影響到地表植被的生長(zhǎng)及空間分布。歸一化植被指數(shù)(NDVI)由于其算法精度高、誤差較小的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于地域乃至全球植被變化的研究,與植被覆蓋正相關(guān)分析的指數(shù)也是指示區(qū)域植被密度和長(zhǎng)勢(shì)的重要基準(zhǔn)[8]。目前,針對(duì)氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)及覆蓋的研究,Thomas等[9]研究發(fā)現(xiàn),在南美洲亞馬遜河流域極端氣候變化對(duì)植被覆蓋的影響巨大,呈顯著相關(guān)趨勢(shì)。Wang等[10]與Piao等[11]研究發(fā)現(xiàn),在北美洲、亞歐大陸氣候因子間相似的變化,卻對(duì)其植被覆蓋的空間相關(guān)性存在較大差異。

而迄今為止,相比于國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域的研究[12],國(guó)內(nèi)植被演化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究多集中在中低緯度地帶[13-14],針對(duì)于北方高緯度地區(qū)森林植被覆蓋區(qū)涉獵少,并且相對(duì)于國(guó)外探討其不同地域氣候突變狀態(tài)下對(duì)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征的相關(guān)研究仍尚顯薄弱。因此,研究烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋變化受不同氣候因子變化乃至突變狀態(tài)影響下的時(shí)空變化規(guī)律及其相關(guān)性關(guān)系,不僅有助于精確界定氣候因子與植被演化之間的反饋機(jī)制,對(duì)區(qū)域氣候突變所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警,也將對(duì)北半球高緯地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)與地方農(nóng)林經(jīng)濟(jì)之間的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展起到積極的指導(dǎo)作用。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)DEM高程示意圖 Fig.1 Schematic diagram of DEM elevation in the Wuyi Mountain Nature Reserve

烏伊嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省東北部(48°33′—48°50′N,129°00′—129°28′E),小興安嶺頂部東北段,地勢(shì)中心高四周平緩,東北部地勢(shì)最低,大體可以分為中部海拔較高的山地區(qū)、東北部低山丘陵區(qū)、西北與東南部較平緩的低矮山地這3個(gè)地帶(圖1)。林區(qū)地處高緯,湖沼相連,沼澤濕地保存相對(duì)完好,針闊混交林和寒濕帶針葉林等植被覆蓋區(qū)分布密集,達(dá)到78%以上。此外,各種鳥(niǎo)類、魚(yú)類及各種國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物等也分布其中,共同形成了具有典型性的北方高緯度、多種類、復(fù)合型濕地自然生態(tài)系統(tǒng)。其地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,常年受蒙古-西伯利亞高壓控制,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,季節(jié)性差異顯著。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究區(qū)NDVI 數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(GIMMS)發(fā)布的MOD13Q1L3級(jí)產(chǎn)品,2000—2016年合計(jì)176景數(shù)據(jù)。優(yōu)先選取植被生長(zhǎng)季(5—9月),均值大于0.1像元的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用最大值合成法得到月、年尺度的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集。對(duì)于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集缺省時(shí)段,應(yīng)用美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)提供的1975—2016年的TM/ETM+數(shù)據(jù),進(jìn)行圖像處理及空間匹配(圖2),得到基于TM/ETM+數(shù)據(jù)的NDVI數(shù)據(jù)集,目的在于對(duì)MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集的缺省時(shí)段進(jìn)行補(bǔ)充與匹配,提高區(qū)域統(tǒng)計(jì)以及輸出結(jié)果的容錯(cuò)率,減小誤差。進(jìn)而設(shè)計(jì)算法,經(jīng)幾何投影矯正、輻射矯正、去云等進(jìn)行統(tǒng)一處理,減少了云量、投影變換等因素的誤差干擾,最終得到其相匹配于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)與TM/ETM+數(shù)據(jù)的植被覆蓋變化的NDVI數(shù)據(jù)集。

圖2 生長(zhǎng)季植被覆蓋指數(shù)處理流程Fig.2 Growing season vegetation coverage index process

為得到研究區(qū)實(shí)際土地地物的精確劃分,獲取了2016—2017年5—9月生長(zhǎng)季地表植被與土樣的實(shí)地采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行驗(yàn)證。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云STRM地形產(chǎn)品數(shù)據(jù),空間分辨率為90 m。

選用1954—2016年長(zhǎng)時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)均嚴(yán)格取自于國(guó)家氣象局氣象數(shù)據(jù)中心所發(fā)布的觀測(cè)數(shù)據(jù),包括小興安嶺地區(qū)及其范圍內(nèi)烏伊嶺保護(hù)區(qū)的17個(gè)氣象站點(diǎn)。對(duì)從1954年起各氣象站點(diǎn)已有的最早實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行分析與突變性檢驗(yàn),增加分析樣本容量,大幅減少了突變性檢驗(yàn)的誤差。個(gè)別缺測(cè)數(shù)據(jù)與臨站進(jìn)行線性回歸比較插補(bǔ),進(jìn)而對(duì)站點(diǎn)間進(jìn)行Spearman相關(guān)系數(shù)分析,結(jié)果在0.85以上,達(dá)到99.9%的信度水平,校準(zhǔn)了其長(zhǎng)時(shí)序氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的代表性與連續(xù)性。

1.3 研究方法

1.3.1基于VFC像元二分模型下的植被覆蓋度趨勢(shì)分析

歸一化植被指數(shù)NDVI,是反映地表植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)因子,定義為近紅外波段 NIR與可見(jiàn)光紅光波段R,即反射率之差與反射率之和的比值:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

并在像元二分模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中,NDVIsoil為裸土或無(wú)植被區(qū)域像元的NDVI值,NDVIveg則表示完全被植被覆蓋像元(純植被像元)的NDVI值。計(jì)算公式為：

NDVIsoil=(VFCmax×NDVImin-VFCmin×NDVImax)∕(VFCmax-VFCmin)
NDVIveg=((1-VFCmin)×NDVImax-(1-VFCmax)×NDVImin)∕(VFCmax-VFCmin)

(3)

根據(jù)實(shí)際植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)結(jié)果,區(qū)域內(nèi)可近似取VFCmax=95%,VFCmin=5%,公式(1)可變?yōu)椋?/p>

VFC=(NDVI-NDVImin)∕(NDVImax-NDVImin)

(4)

式中,NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。

并根據(jù) FVC模型結(jié)果,結(jié)合實(shí)際將覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí),即低等級(jí)植被覆蓋區(qū)(0—0.2)、中低植被覆蓋區(qū)(0.2—0.4)、中等植被覆蓋區(qū)(0.4—0.6)、中高植被覆蓋區(qū)(0.6—0.8)、高等級(jí)植被覆蓋區(qū)(0.8—1.0)。通過(guò)ArcGIS 10.1平臺(tái),計(jì)算生成覆蓋度劃分等級(jí)面積以及植被覆蓋度空間變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1.3.2累積距平法

累積距平法是處理與分析氣象數(shù)據(jù)的常用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法之一,可直觀表示天氣系統(tǒng)的變化趨勢(shì)。由公式可以表示為：

(5)

1.3.3Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗(yàn)

曼-肯德?tīng)柗ㄊ鞘澜鐨庀蠼M織推薦并廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法,無(wú)須數(shù)據(jù)樣本服從特定的規(guī)律,檢驗(yàn)范圍廣,能區(qū)分其是否處于自然波動(dòng)變化,能客觀表征樣本序列的變化趨勢(shì),明確突變發(fā)生時(shí)間、區(qū)域及其范圍。統(tǒng)計(jì)量定義公式:

(6)

式中,n為平穩(wěn)獨(dú)立序列,s為樣本統(tǒng)計(jì)量,則可得到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量：

(7)

式中,在α顯著性區(qū)間內(nèi),如果︱Z︱≥Z1-α/2成立,則樣本服從具有獨(dú)立同分布的趨勢(shì)分析。并且在α的置信水平下,構(gòu)造秩序列：

(8)

得到秩序列SK是第i時(shí)刻大于第j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)個(gè)數(shù)。并在時(shí)間序列隨機(jī)且獨(dú)立條件下,定義統(tǒng)計(jì)量UFK：

(9)

式中,UFK是按照時(shí)間序列x的正序計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)；同理,按照時(shí)間序列x的逆序,重復(fù)上述過(guò)程計(jì)算,得到UBK。

1.3.4滑動(dòng)T檢驗(yàn)

滑動(dòng)T檢驗(yàn)方法(MTT法)是處理數(shù)據(jù)樣本平均值的差異是否顯著,來(lái)檢驗(yàn)在時(shí)間序列上是否存在突變區(qū)間。對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X,其定義統(tǒng)計(jì)量t為：

(10)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因子的變化特征與突變性檢驗(yàn)分析

1954—2016年烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)氣溫和降水量的年平均累積距平如圖3所示,表1為氣溫和降水量的四季與年際均值的氣候傾向率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。氣溫整體呈現(xiàn)增溫,年際降水量緩慢下降的變化趨勢(shì)。。其年均氣溫傾向率為0.557℃/10a(P<0.0001),氣溫的季節(jié)性變化整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì),只是幅度略有不同,冬季(0．692℃/10a)與年均最低氣溫(0.7229℃/10a)增溫幅度最快,秋季(0.264℃/10a)最慢。烏伊嶺年際降雨量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),不同年份之間年均降雨量差異較弱。傾向率約為-14.052 mm/10a(P<0.0001)。與氣溫的季節(jié)性整體升高趨勢(shì)不同,降水量在季節(jié)性較年際差異更加明顯。降水量在秋季降幅最快(-12.168 mm/10a),夏季卻略微增長(zhǎng)(0.446 mm/10a)。

表1 1954—2016年烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)氣候影響因子傾向率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)氣溫與降水量的累積距平變化Fig.3 Cumulative distance variation of air temperature and precipitation in the Wuyi Mountain Nature Reserve

烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)的氣候環(huán)境在過(guò)去近62年以來(lái)經(jīng)歷突變,尤其是氣溫的突變較為明顯(圖4)。在滑動(dòng)T檢驗(yàn)中,自1954年來(lái),統(tǒng)計(jì)量t有突變檢驗(yàn)水平區(qū)間分別為1970—1995年、1990—2000年。且突變區(qū)間都是向正序列方向突變,表明區(qū)間內(nèi)年均氣溫是由冷變暖的波動(dòng)變化；再進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)中,在1980年之前UF曲線在絕大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)小于0,且UF曲線在1987年起大大超過(guò)α顯著性水平臨界線,UF曲線與UB曲線交點(diǎn)在1990年且大于顯著性水平值,說(shuō)明自1980年氣溫開(kāi)始變暖,1987年開(kāi)始顯著增溫,在1990年達(dá)到最大。結(jié)合兩種檢測(cè)方法結(jié)果分析得出:烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)氣溫由冷到暖的轉(zhuǎn)變時(shí)間出現(xiàn)在 1980—1990年間。

圖4 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均氣溫突變的滑動(dòng)T檢驗(yàn)與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)Fig.4 Slip T test and Mann-Kendall nonparametric test of annual mean temperature abrupt change in the Wuyi Mountain Nature Reserve α：置信水平,The confidence level

烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均降水量突變形式呈現(xiàn)起伏變化(圖5)。在滑動(dòng)T檢驗(yàn)中,自1954年來(lái),突變檢驗(yàn)水平區(qū)間在多個(gè)時(shí)段內(nèi)顯著變化,其集中在1970—2004年間。而進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn),除1970年的交點(diǎn)外,自1982年起到1995年,UF曲線與UB曲線開(kāi)始發(fā)生有多個(gè)交點(diǎn),且交點(diǎn)與UF曲線始終小于0。結(jié)合兩種檢測(cè)方法結(jié)果分析得出：烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)降水量自1970年附近有一段豐雨期,其氣候波動(dòng)變化劇烈的區(qū)間在1982—1995年之間,降水量呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。

最后,結(jié)合上述年均氣溫和降水量的突變性分析結(jié)果得出：1980—1995年間是氣候因子活躍時(shí)期,該時(shí)期為氣候暖干化特征的突變時(shí)期。

圖5 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均降水量突變的滑動(dòng)T檢驗(yàn)與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)Fig.5 Slip T test and Mann-Kendall nonparametric test of annual precipitation variation in the Wuyi Mountain Nature Reserve

基于烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)近62年來(lái)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的突變性檢驗(yàn),分析突變前后時(shí)期氣候影響因子傾向率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2),研究區(qū)在突變前(1954—1980年),氣溫仍呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的狀態(tài)且整體均溫偏低,年際傾向率-0.0087℃/10a(0

表2 突變前后時(shí)期氣候影響因子傾向率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

*為相關(guān)顯著(0

2.2 烏伊嶺保護(hù)區(qū)植被覆蓋的空間分布與變化趨勢(shì)

由烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均NDVI指數(shù)分級(jí)分析(表3),研究區(qū)年平均植被生長(zhǎng)季的NDVI為0.673,有植被覆蓋的區(qū)域(NDVI≥0.1)占研究區(qū)總面積的87.69%,無(wú)植被覆蓋區(qū)僅占總面積的12.31%,其中高植被覆蓋度區(qū)域(NDVI≥0.8)所占的面積比最大為23.54%。

表3 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均NDVI指數(shù)分級(jí)

結(jié)合烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)植被年均NDVI的空間分布(圖6)與土地植被覆蓋類型(圖7)可知。研究區(qū)中部山地的主要植被覆蓋類型為針葉林與以紅松為主的針闊葉混交林,植被生長(zhǎng)季NDVI較高,森林茂盛。北部山地及西北部山丘地區(qū)植被覆蓋類型為草地,草地的覆蓋面積與NDVI變化較大,根據(jù)實(shí)地采樣結(jié)果,其北部大部分草地是由高植被覆蓋區(qū)遭到破壞退化形成,其空間分布受季節(jié)性水熱條件影響大。烏伊嶺地區(qū)東北大部分及南部地區(qū)分布大片濕地,濕地植被分布廣泛,NDVI值較高。西北部區(qū)域是農(nóng)田主要分布區(qū),,經(jīng)實(shí)地考察,其在生長(zhǎng)季時(shí)段主要種植作物為玉米和黃豆,但由于農(nóng)作物受到人類活動(dòng)影響較大,因此其年均NDVI波動(dòng)較大。

圖6 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)NDVI空間分布 Fig.6 Spatial distribution of NDVI in the Wuyi Mountain Nature Reserve

圖7 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)土地植被的覆蓋類型 Fig.7 Coverage types of land vegetation in the Wuyi Mountain Nature Reserve

2.3 氣候因子與植被覆蓋狀況的關(guān)系

2.3.1氣候突變時(shí)期植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征

由保護(hù)區(qū)突變前后植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化(圖8)及覆蓋度像元統(tǒng)計(jì)量變化與面積百分比(圖9)可知,在氣候突變前,研究區(qū)整體表現(xiàn)氣溫降低、降水下降的變化趨勢(shì)(-0.0087℃/10a、-10.206 mm/10a),烏伊嶺整體表現(xiàn)NDVI大于0.6為主的中高級(jí)植被覆蓋趨勢(shì),高植被覆蓋區(qū)域(NDVI≥0.8)由中部到東北部依次上升,已占總面積比的50.76%,而低植被覆蓋區(qū)域(NDVI≥0.8)集中在西北與東南部耕地區(qū)與居民地,僅占總面積比的10.75%。在而氣候突變過(guò)程中,研究區(qū)整體呈現(xiàn)氣溫急劇升高,降水進(jìn)一步下降的暖干化趨勢(shì)(0.6209℃/10a、-12.768 mm/10a),整體以中低、低等級(jí)的植被覆蓋區(qū)域(0.2≤NDVI≤0.6)為主,由中心海拔高的山地向四周地勢(shì)比較低平的丘陵區(qū)輻散下降,可占總面積比的53.85%,高植被覆蓋區(qū)域僅僅在中部偏東北方向的濕地區(qū)仍保持較高的植被覆蓋,但只占總面積比的22.17%。在烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)氣候突變時(shí)期,受氣候暖干化突變影響植被覆蓋度開(kāi)始顯著下降,其不同植被覆蓋區(qū)域下降的幅度比：混交林>草地>針葉林>耕地>濕地。

圖8 研究區(qū)氣候突變期前后生長(zhǎng)季最大NDVI空間分布動(dòng)態(tài)變化過(guò)程Fig.8 The dynamic process of maximum NDVI spatial distribution in the growing season before and after the climate change period in the research area

研究區(qū)植被覆蓋受氣候暖干化突變影響(圖8),NDVI由原來(lái)的0.8273下降到0.6739,植被覆蓋度整體顯著下降。各等級(jí)植被覆蓋區(qū)突變前后面積變化狀況：高等>中低等>中等>中高等>低等。低植被覆蓋區(qū)突變前后無(wú)顯著變化,中低與中等植被覆蓋區(qū)突變后覆蓋分別由5.23%、9.53%上升到27.54%、26.31%,覆蓋面積顯著增大。而中高等與高植被覆蓋區(qū)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),尤其是高植被覆蓋區(qū)像元統(tǒng)計(jì)量與總面積比相比于其他植被覆蓋區(qū)下降最為顯著(50.76%下降到22%)。高植被覆蓋區(qū)控制的大部分范圍逐漸退化為中等與中低等植被覆蓋區(qū)。不同等級(jí)植被覆蓋區(qū)由突變前的中心森林茂盛植被長(zhǎng)勢(shì)密集的山地,變?yōu)橥蛔兒笱厮闹苓吔绺采w度迅速下降的趨勢(shì),研究區(qū)植被退化的狀況十分嚴(yán)重。

圖9 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)突變前后時(shí)期各等級(jí)植被覆蓋區(qū)年均像元計(jì)量與面積百分比變化Fig.9 The annual average pixel count and area percentage change of vegetation cover in each grade in the period before and after the Wuyi Mountain Reserve

2.3.2氣候突變時(shí)期與整體變化時(shí)期植被的覆蓋特征比較

與1975—2016年烏伊嶺保護(hù)區(qū)植被年均NDVI空間覆蓋演化過(guò)程相聯(lián)系,從植被覆蓋類型上看,在氣候突變時(shí)期,濕地所占面積最大為16541.77 hm2(39.32%),耕地占地面積最低為4783.31 hm2(11.37%),而在氣候整體變化時(shí)期,濕地與草地所占面積最大(24.03%、23.45%),耕地與混交林占地面積最低(16.18%、16.79%)。比較氣候突變期與氣候整體變化時(shí)期的由年均NDVI空間覆蓋變化可知(表4),突變時(shí)期其各種植被覆蓋類型的NDVI空間變化與樣地實(shí)際面積的變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣候整體變化時(shí)期,突變期混交林年均NDVI空間變化呈下降的趨勢(shì)(|-2.251%|>|-0.196%|)、草地上升的趨勢(shì)(1.493%>0.268%)最強(qiáng),且針葉林、耕地、濕地等區(qū)域的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1975—2016年植被覆蓋的整體變幅(|-0.387%|>|-0.064%|、0.031%>0.0008%、|-0.016%|>|-0.003%|),濕地區(qū)基本收到的干擾最弱(-0.016%)。通過(guò)比較分析,在1980—1995年氣候突變時(shí)期逐年累積植被覆蓋退化的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1975—2016年氣候因子整體變化時(shí)期的速率。

2.3.3植被覆蓋度變化與氣候因子的相關(guān)性分析

根據(jù)烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均最大NDVI與年均溫和年均降水的相關(guān)性空間分布結(jié)果(圖10)。在1975—2016年間,烏伊嶺保護(hù)區(qū)年均最大NDVI與年均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.261,與年均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.068。其中呈正相關(guān)的像元分別占總像元面積的56.67%和42.79%。

表4 氣候突變時(shí)期與整體變化時(shí)期的逐年植被覆蓋狀況變化的統(tǒng)計(jì)分析

由烏伊嶺保護(hù)區(qū)年均最大NDVI與年均溫空間相關(guān)性分析可知(圖10),負(fù)相關(guān)及相關(guān)性較低的區(qū)域主要集中在西北部山地區(qū),土地覆蓋類型主要為耕地、居民區(qū)、大部分草地及其由草地與混交林開(kāi)墾的農(nóng)田,受人類活動(dòng)的影響較高,占總面積比的43.33%。而呈現(xiàn)正相關(guān)性(0—0.469)的地區(qū)主要集中在東北部及南部的低山丘陵區(qū),其主要植被覆蓋類型為濕地,少部分為混交林、針葉林與草地。研究區(qū)由不同的土地植被覆蓋類型,其年均氣溫的空間相關(guān)性差異明顯。由年均最大NDVI與年均降水量空間相關(guān)性分析可知(圖10),與氣溫的空間相關(guān)性相反,正相關(guān)及正相關(guān)性較強(qiáng)地區(qū)主要集中在混交林、針葉林等地區(qū),由于累年降雨量的不斷減少,導(dǎo)致混交林,草地以及針葉林等區(qū)域的NDVI值不斷降低,植被覆蓋范圍逐年下降。而呈現(xiàn)相關(guān)性較弱甚至負(fù)相關(guān)地區(qū)主要為沼澤濕地地區(qū),其濕地植被長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。

圖10 烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年均最大NDVI與氣溫、降水量相關(guān)系數(shù)的空間分布 Fig.10 Spatial distribution of the correlation between the maximum annual NDVI and the temperature and the precipitation in the Wuyi Mountain Reserve

3 討論

3.1 研究區(qū)氣候變化趨勢(shì)與突變特征

烏伊嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)整體氣溫呈上升、降雨量緩慢下降的趨勢(shì)與北半球[16]、中國(guó)東北[17]呈現(xiàn)的氣候波動(dòng)變化的總趨勢(shì)基本相同,1980—1995年間氣候增溫減濕的突變時(shí)期較北半球高緯地區(qū)[18]、中國(guó)東北部[19]氣候暖干化突變研究所呈現(xiàn)的時(shí)序基本保持一致。而這種極端氣候事件與近百年來(lái)全球性氣候變暖有著密不可分的影響與聯(lián)系[1-2,20]。

值得注意的是,對(duì)于近62年來(lái)烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)年際均溫的整體上升,其年均最低氣溫顯著增溫的貢獻(xiàn)尤為重要；究其原因,可能是由于烏伊嶺地區(qū)地表植被的逐年退化,裸土與中低植被區(qū)比例上升,所導(dǎo)致夜間地物的長(zhǎng)波輻射顯著上升,造成大氣逆輻射的增強(qiáng),最后致使烏伊嶺地區(qū)夜間異常增溫現(xiàn)象的加劇。

3.2 氣候因子變化及突變對(duì)植被覆蓋狀況的影響

氣候因子的不斷變化深刻影響著植被覆蓋度的空間變化,而植被生長(zhǎng)季年、月NDVI值可以準(zhǔn)確的反映出地區(qū)性植被覆蓋的變化特征[21-22]。烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)近年來(lái)氣候呈現(xiàn)暖干化發(fā)展趨勢(shì),其對(duì)生長(zhǎng)季植被空間的演化及分布造成了巨大的變化；其高緯度地區(qū)植被生長(zhǎng)季NDVI顯著減少的結(jié)果與北半球高緯地區(qū)[23]、亞洲北部地區(qū)[24]以及其他研究[25-26]得出的結(jié)論基本保持一致。

研究區(qū)由于受到氣候暖干化趨勢(shì)的影響,不同的植被覆蓋類型其年均NDVI值域范圍也不盡相同?；旖涣帧⑨樔~林等植被生長(zhǎng)季年均NDVI值受到年際氣候因子變化的影響較大,而草地的覆蓋范圍受季節(jié)性水熱條件影響進(jìn)而收縮或擴(kuò)張[27]。尤其在耕地區(qū),由于近年來(lái)人類活動(dòng)導(dǎo)致種植玉米和黃豆的農(nóng)田不斷開(kāi)墾,要注意根據(jù)實(shí)地采樣,來(lái)界定玉米和黃豆等作物植被NDVI范圍,以排除無(wú)關(guān)因素的干擾。而在突變前后,能保持其原有覆蓋度的東北部分地區(qū)域集中分布了烏伊嶺保護(hù)區(qū)75%以上的沼澤濕地,該地區(qū)保持其自身植被覆蓋度穩(wěn)定的能力可能與沼澤濕地在涵養(yǎng)調(diào)控水源、調(diào)節(jié)局部氣候環(huán)境、保持自身生物多樣性等方面[28]的功效有著密切的聯(lián)系。

氣候增溫減濕的突變時(shí)期,整體植被生長(zhǎng)季NDVI顯著下降,高植被覆蓋區(qū)大部分范圍逐漸退化為中等、中低等植被覆蓋區(qū),森林茂盛植被覆蓋密集的山地開(kāi)始沿四周覆蓋度迅速下降,這種氣候突變加速區(qū)域植被退化狀況的現(xiàn)象與Lloret[29]及Walther[30]等對(duì)于極端天氣事件所影響植被生長(zhǎng)覆蓋的分析相一致,極端氣候事件對(duì)植被造成的影響受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究[31-32]。針對(duì)極端氣候事件去進(jìn)一步分析不同種類因素如碳循環(huán)作用[33]、土壤自身物化特性(有機(jī)質(zhì)組分、團(tuán)聚體穩(wěn)定性及疏水性)[34],對(duì)研究區(qū)植被生長(zhǎng)覆蓋所造成的綜合性影響,這還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討與研究。

3.3 植被覆蓋空間變化與氣候因子相關(guān)性

植被覆蓋狀況與氣候因子有著密不可分的聯(lián)系,相較于傳統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)分析中,研究高分?jǐn)?shù)據(jù)像元的小樣本作為統(tǒng)計(jì)單元能精確反應(yīng)植被覆蓋和氣候因子的空間相關(guān)性特征[2,35]。與降水因子相比,烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)植被生長(zhǎng)季年均NDVI與氣溫因子呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系；氣溫因子是影響研究區(qū)植被NDVI的主導(dǎo)因素,此結(jié)論與Gottfried[36]與Xu[37]等研究結(jié)果相一致。

氣溫因子是主要影響研究區(qū)植被空間覆蓋狀況的成因是多角度的,植被覆蓋變化對(duì)氣溫變化的反應(yīng)更為敏感[38]。研究區(qū)常年受蒙古-西伯利亞高壓控制,地處高緯,冬期較長(zhǎng)。因此,在植被生長(zhǎng)季前后,烏伊嶺冬季的冰雪融水以及結(jié)冰期水域的凍融補(bǔ)充作用,使得植被生長(zhǎng)所受水分條件的制約較小。并且研究區(qū)隸屬北半球高緯度多年凍土區(qū),凍土對(duì)熱狀態(tài)很不穩(wěn)定,對(duì)外界環(huán)境因素改變極為敏感[39]。因此,隨著氣溫顯著上升,使得多年凍土開(kāi)始緩慢退化,致使深層土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能被植物利用,凍土層中的碳開(kāi)始極易釋放到大氣中[40],在客觀上有利于植物在生長(zhǎng)季的正常發(fā)育與光合作用[41]。但值得警惕的是,雖然這種氣候變化所導(dǎo)致的凍土退化為植被提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與二氧化碳,但從長(zhǎng)期來(lái)講,這種變化過(guò)程中所帶來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力和土地承載力變化下的消極作用[34],其危害會(huì)大大超過(guò)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與二氧化碳本身對(duì)光合作用所直接帶來(lái)的積極作用[42],從而開(kāi)始對(duì)植被正常的發(fā)育生長(zhǎng)與生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能帶來(lái)一系列負(fù)面的影響。

此外,除了氣候因子的作用,人類活動(dòng)也是影響植被覆蓋度變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[43]。由于本文選取的烏伊嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是人類活動(dòng)較少,人為因素干擾弱的地區(qū),因此并沒(méi)有針對(duì)性討論人類活動(dòng)因子的影響。但近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,人類活動(dòng)已越來(lái)越成為影響植被覆蓋度變化的重要驅(qū)動(dòng)因素。因此,對(duì)于如何多角度、多層次的討論氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋變化的影響,構(gòu)建“氣候-植被-人類活動(dòng)”的動(dòng)態(tài)研究機(jī)制,將會(huì)對(duì)地域性植被演化的研究起到促進(jìn)作用,并對(duì)于建設(shè)區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展工作也有著積極意義。

4 結(jié)論

本文基于MODIS-NDVI和TM/ETM+遙感數(shù)據(jù),結(jié)合近62年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用像元二分法模型、累計(jì)距平分析、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)、相關(guān)性分析,揭示了烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)1975—2016年氣候因子變化與植被覆蓋的演化規(guī)律,結(jié)論如下:

(1)氣溫顯著上升,降水呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì),氣溫的年際間變化較強(qiáng),降雨量的季節(jié)性差異明顯。研究區(qū)整體氣候變化呈現(xiàn)暖干化發(fā)展的趨勢(shì),1980—1995年是氣候因子增溫減濕趨向最活躍的突變時(shí)期。

(2)研究區(qū)年均植被生長(zhǎng)季NDVI值為0.673,有植被覆蓋的區(qū)域占總面積的87.69%。其中高等植被覆蓋區(qū)所占的面積比最大,不同土地植被覆蓋類型其植被覆蓋度具有顯著的空間差異性,草地空間分布受季節(jié)性水熱條件影響較大,而分布廣泛的沼澤濕地區(qū)植被覆蓋變化則相對(duì)穩(wěn)定。

(3)在氣候增溫減濕的突變時(shí)期,植被覆蓋度顯著下降,各等級(jí)植被覆蓋區(qū)突變前后面積變化狀況：高等>中低等>中等>中高等>低等,高植被覆蓋區(qū)逐漸退化為中等與中低等植被覆蓋區(qū),由中心高海拔山地向四周低地勢(shì)地區(qū)輻散下降。受氣候突變影響其不同植被覆蓋類型的降幅：混交林>草地>針葉林>耕地>濕地。在1980—1995年氣候突變時(shí)期植被覆蓋退化的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1975—2016年氣候整體變化時(shí)期的速率,土地植被覆蓋空間變化最為顯著,退化最嚴(yán)重。

(4)研究區(qū)年均最大NDVI與氣溫因子和降水因子的相關(guān)性分析中都表現(xiàn)出明顯的空間差異性,在不同種類植被覆蓋類型上其空間相關(guān)性均展現(xiàn)出不同的變化特征。無(wú)論在氣候整體變化還是突變時(shí)期,氣溫因子的空間相關(guān)性均高于降水因子,即氣溫是影響植被覆蓋變化的主導(dǎo)因素,也是導(dǎo)致烏伊嶺自然保護(hù)區(qū)植被退化的主要影響因子。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所吳文祥老師及其學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的幫助，感謝哈爾濱師范大學(xué)楊旭老師對(duì)實(shí)驗(yàn)的幫助。