关键词:
植被遥感
气候变化
生态地质
耦合协调度
时滞-累积效应
摘要:
地表植被是气候变化研究的“指示器”,其分布既受地质地貌基底条件制约,也受气候变化影响。长期相对稳定的地质地貌空间格局是植被生态系统赋存的基础,而显著性、多周期变化的气候是引起植被变化的重要驱动力。东北地区是我国北方重要的生态屏障和商品粮基地,植被-气候变化研究对于区域生态安全、粮食安全和可持续发展具有重要的生态意义和战略意义。已有研究多基于植被类型或气候分区,针对某一植被参数分析植被动态变化及其对气候变化的响应,较少考虑地质地貌基底的影响,也缺少对近期和长时间尺度植被-气候变化的综合研究。本文在明确地质-地貌与生态空间耦合协调关系的基础上,从地球系统科学角度出发,利用遥感和地理信息技术开展东北地区植被-气候变化和耦合协调关系研究。
本文以东北地区植被与气候为研究对象,依据生态地质要素的空间聚类特征划分九个生态地质分区,采用耦合协调度模型(Coupled Coordination Degree Model,CCD模型)定量评价不同分区生态地质空间耦合协调关系;基于1901-2020年气温和降水数据,系统分析东北地区背景气候和近期气候的时空变化特征;基于植被类型、MOD13A1-NDVI和GIMMS NDVI3g数据,分析1982-2020年东北地区植被类型分布变化,重构时间序列归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),提取生长季始期(Start of Season,SOS)、生长季末期(End of Season,EOS)和生长季长度(Length of Season,LOS)3个植被物候参数,利用改进的CASA模型估算植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP),探讨不同时空尺度下东北地区植被NDVI、物候和NPP的时空变化;采用Pearson相关系数和p值检验方法,分析1982-2020年东北地区植被对气候变化的响应和时滞-累积效应;采用多元线性回归和残差分析法,宏观评价气候变化和人类活动两类驱动因素对植被变化的影响和贡献率;基于植被与气候的显著相关性,构建植被-气候综合系统评价指标体系,采用博弈论综合赋权法和CCD模型,分析九个生态地质分区1982、1990、2000、2010、2020年五期植被-气候耦合协调关系的时空变化。
本文从生态地质分区的角度进行植被-气候变化研究,将植被-气候变化问题上升到地球系统科学维度,为植被-气候变化综合研究提供新视角,在理论层面有所创新;建立地质-地貌与生态、植被与气候的耦合协调度评价模型,推动自然系统要素耦合协同发展研究的方法创新;在植被-气候变化研究的系统性、全面性、针对性和时段长度方面具有一定优势。本文主要结论如下:
(1)九个生态地质分区分别为:Ⅰ三江平原,Ⅱ长白山地,Ⅲ小兴安岭,Ⅳ松辽平原东部,Ⅴ松辽平原中西部,Ⅵ辽西低山丘陵,Ⅶ大兴安岭中北部,Ⅷ大兴安岭南段,Ⅸ内蒙古东部高原。CCD模型评价表明:九个分区地质-地貌与生态的耦合协调水平整体较高但空间分异明显,高、中、低水平耦合协调发展类分区分别为2、3、3个,轻度失调衰退类分区1个;东部平原分区耦合协调水平高,西部高原和南部山地分区耦合协调水平低。
(2)1901-2020年,气候呈暖湿化趋势,气温、降水的平均变化率分别为0.15℃/10a和1.70mm/10a,全区1985年发生气温增暖突变;1982-2020年,气候暖干化趋势明显,气温、降水的平均变化率分别为0.22℃/10a和-2.51mm/10a,全区2015年发生气温增暖突变。
(3)1982-2020年,植被NDVI北部东部高、中西部低,呈极显著的空间聚集分布格局(P<0.01),平均中心自东北向西南转移,全区NDVI逐年增长,2002年发生增长突变;全区山地和高原SOS早于平原,中部EOS晚于东西两侧,平原LOS小于山地高原,物候期提前、生长季缩短,分区Ⅴ、Ⅶ、Ⅸ曾发生SOS、LOS突变;植被NPP东高西低、山地高平原高原低,平均中心自东北向西南移动,全区NPP逐年增长,年均变化率2.59 gC/m2/a,分区Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ曾经历NPP增长突变。
(4)植被对气候变化响应显著,各分区植被参数与气温相关性多强于降水,且分布范围更广。年尺度NPP、NDVI与降水、气温显著正相关,SOS、EOS、LOS与降水显著正相关、与气温显著负相关。降水的滞后效应较强,气温的累积作用较为显著。气候变化和人类活动对植被NDVI、NPP的影响以促进为主,人类活动贡献率高于气候变化。
(5)各分区植被-气候高度耦合,耦合协调水平时空分异明显,东部分区优于中西部,2020年优于前四期,随时间总体向好发展。气候条件限制了东部和北部分区植被与气候的高水平协调发展;而植被状况导致中西部分区