楊 柏 娟，王 思 遠(yuǎn)，常 清，孫 云 曉，尹 航，汪 蕭 悅

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

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青藏高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)物候變化的響應(yīng)

楊 柏 娟1,2，王 思 遠(yuǎn)1*，常 清1,2，孫 云 曉1,2，尹 航1,3，汪 蕭 悅1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

該文開(kāi)展了全球變暖影響下青藏高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)對(duì)物候變化響應(yīng)機(jī)制的研究。首先，基于MODIS MOD13Q1 NDVI 數(shù)據(jù)集，采用動(dòng)態(tài)閾值法和CASA模型分別反演了2002-2012年青藏高原植被物候和植被 NPP。而后研究了青藏高原物候和NPP時(shí)空演變格局，分析了青藏高原不同生態(tài)單元、不同植被類型的NPP對(duì)物候變化的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：1)2002-2012年青藏高原高寒植被生長(zhǎng)初期(Beginning of Glowing Season,BSG) 提前(0.034 d/a)，生長(zhǎng)結(jié)束期(Ending of Growing Season,EGS)推后(0.299 d/a)，生長(zhǎng)期(Length of Growing Season,LGS)延長(zhǎng)(0.300 d/a)，植被 NPP與此相應(yīng)出現(xiàn)不同程度的增加(1.494 gC·m-2/a)。2)青藏高原植被NPP對(duì)植被物候變化的響應(yīng)出現(xiàn)明顯的區(qū)域分異。整體上青藏高原植被LGS的延長(zhǎng)促進(jìn)了NPP的增加，但由于不同地區(qū)主導(dǎo)氣象因子的差異，兩者之間的響應(yīng)關(guān)系也存在明顯差異。3)春季物候的提前對(duì)NPP所帶來(lái)的影響明顯大于生長(zhǎng)結(jié)束期，而B(niǎo)GS主要靠影響春季NPP的累積進(jìn)而影響全年植被NPP的總量。

青藏高原；物候；凈初級(jí)生產(chǎn)力；時(shí)空演變；響應(yīng)機(jī)制

0 引言

植被物候的變化能夠直觀地反映全球氣候變化，并引起植物生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)組成及土壤-植物-大氣系統(tǒng)水熱碳交換的變化，進(jìn)而影響氣候系統(tǒng)，加劇氣候變化，因而受到廣泛關(guān)注。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，也是判定生態(tài)系統(tǒng)碳收支和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的主要因子，在全球變化以及碳循環(huán)中扮演著重要的角色。隨著全球氣候變暖，植被物候發(fā)生了顯著的改變，并且這一影響在高緯度和高山陸地生態(tài)系統(tǒng)中尤為突出和重要[1]。目前大量針對(duì)氣候變化對(duì)植被物候影響的研究表明：在過(guò)去的幾十年，北半球植物生長(zhǎng)期呈逐漸延長(zhǎng)趨勢(shì)，各地春季物候普遍提前[2,3]，并且得到了地面觀測(cè)資料的驗(yàn)證。近年來(lái)也有少量學(xué)者開(kāi)展物候變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程的研究，理論上認(rèn)為氣候變暖會(huì)延長(zhǎng)植被生長(zhǎng)期(Length of Growing Season,LGS)， 進(jìn)而增加植被的生產(chǎn)力[4,5]。然而，實(shí)際情況并非如此，野外觀測(cè)表明植被物候變化對(duì)NPP的影響十分復(fù)雜，這加劇了定量評(píng)價(jià)植被生態(tài)系統(tǒng)碳收支的困難。如：Lieth等[6，7]通過(guò)模型研究發(fā)現(xiàn)落葉林隨著LGS延長(zhǎng)一天，凈生態(tài)生產(chǎn)力增加5.2 gC·m-2和5.9 gC·m-2。然而，Dunn等[8]的研究指出，沒(méi)有明確的證據(jù)表明這兩者之間存在顯著的關(guān)系。Richardson[9]通過(guò)通量站點(diǎn)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)提取落葉闊葉林和針葉林的物候和凈生態(tài)生產(chǎn)力，結(jié)果表明不同植被不同區(qū)域植被凈生態(tài)生產(chǎn)力對(duì)物候變化在時(shí)間和空間上的響應(yīng)都不同。Falge等[10]利用遙感葉面積指數(shù)提取物候發(fā)現(xiàn)LGS每延長(zhǎng)一天，凈生態(tài)生產(chǎn)力減少0.84 gC·m-2。Piao等[11]利用陸地生物過(guò)程模型和遙感反演植被指數(shù)研究了北半球生態(tài)系統(tǒng)對(duì)秋季變暖的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)秋季物候推遲導(dǎo)致光合作用累積量減少。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于植被生產(chǎn)力對(duì)物候響應(yīng)關(guān)系的研究結(jié)果，由于數(shù)據(jù)源、研究區(qū)域的不同而存在較大差異，因此進(jìn)一步開(kāi)展基于衛(wèi)星遙感的大區(qū)域植被物候變化與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力響應(yīng)關(guān)系的研究具有重要意義。

青藏高原特殊的地理位置、海拔高度及地貌條件，形成了從熱帶到寒帶、從濕潤(rùn)到干旱等多種氣候和生態(tài)系統(tǒng)類型，是研究陸地生態(tài)演變的理想場(chǎng)所[12]。過(guò)去幾十年的研究表明，全球變暖使青藏高原植被群落、物種組成和物種多樣性發(fā)生了較大變化[13]。自20 世紀(jì)80 年代至今，高寒植被物候整體表現(xiàn)出返青期提前、枯黃期推遲、生長(zhǎng)期延長(zhǎng)的趨勢(shì)[14]，然而這種變化對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響目前研究尚少[15]，僅有的研究又存在結(jié)論不一致或矛盾的地方。因此，利用衛(wèi)星遙感反演的長(zhǎng)時(shí)間序列植被物候與NPP數(shù)據(jù)，研究青藏高原植被NPP與植被物候的變化以及不同地理單元NPP對(duì)物候變化的響應(yīng)關(guān)系，顯得尤為必要。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文物候提取采用的研究數(shù)據(jù)是由NASA網(wǎng)站下載的2002年1月1日 至2012年12月31日MODIS MOD13Q1 NDVI 數(shù)據(jù)集，具有250 m的空間分辨率，每隔16 d一幅。該數(shù)據(jù)集由MODIS 地面反射率產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾何精校正、輻射矯正、大氣校正預(yù)處理，采用最大值合成法(MVC)在像元水平上計(jì)算合成，進(jìn)一步消除了大氣、云、太陽(yáng)高度角等因素的影響。同時(shí)利用MRT(MODIS Reprojection Tools)進(jìn)行影像拼接和投影轉(zhuǎn)換，以WGS-1984為基準(zhǔn)面將影像重投影為Albers等面積圓錐投影。

本文用于計(jì)算NPP的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)包括月太陽(yáng)輻射、月平均溫度、月降水量、月平均相對(duì)濕度和月日照時(shí)數(shù)，由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供。在對(duì)典型植被類別進(jìn)行分析時(shí)，采用中科院地理科學(xué)與資源研究所提供的1∶100萬(wàn)青藏高原地物類型圖。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品受到云、汽溶膠及水汽等影響，為減少噪聲，需對(duì)NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。本研究在充分考慮遙感數(shù)據(jù)集及青藏高原典型植被NDVI特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用云、雪像元反距離加權(quán)空間插值與Chen等[16，17]提出的S-G濾波算法相結(jié)合的處理方法，對(duì)青藏高原2002-2012年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元重建。為了消除非植被像元的影響，在重建前去除了原始影像中全年NDVI最大值小于0.2的像元,該濾波方法有效地消除了突變?cè)肼晫?duì)NDVI數(shù)據(jù)集的影響，并很好地保留了曲線的真實(shí)信息。

1.2 動(dòng)態(tài)閾值法提取植被物候

目前具有代表性的植被物候遙感反演模型有：動(dòng)態(tài)閾值法、最大變化斜率法及l(fā)ogistic曲線擬合法?？紤]到所用遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度，并經(jīng)過(guò)日均溫模型對(duì)3種物候提取方法結(jié)果的驗(yàn)證，本文最終采取動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)植被物候進(jìn)行提取(圖1)。

圖1 動(dòng)態(tài)閾值法提取青藏高原植被物候

Fig.1 Dynamic threshold phenology extraction algorithm

首先統(tǒng)計(jì)青藏高原主要植被類型的NDVI曲線以分析植被的生長(zhǎng)特征，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和相關(guān)研究的參考值設(shè)動(dòng)態(tài)閾值[18,19]：

NDVIt=(NDVImax-NDVImin)×20%

(1)

其中：NDVImax為全年植被NDVI最大值，NDVImin為NDVI上升或下降階段的最小值，分別用于確定生長(zhǎng)初期與結(jié)束期的閾值。

假設(shè)在遙感數(shù)據(jù)時(shí)間間隔內(nèi)，植被NDVI呈線性增長(zhǎng)，采用線性插值的方法根據(jù)得到的閾值確定植物返青期和枯黃期，植物生長(zhǎng)期即為枯黃期減去返青期。青藏高原常綠闊葉林NDVI曲線由于所處地區(qū)季節(jié)性特征不明顯，與其他植被存在很大差異，進(jìn)入夏季后降雨量驟增，持續(xù)的陰雨天氣使得光合有效輻射明顯下降，導(dǎo)致NDVI曲線上半年下降，下半年上升，生長(zhǎng)期定為全年天數(shù)加上EGS與BGS的差值。鑒于常綠闊葉林的特殊性，后續(xù)討論整體植被物候和NPP時(shí)將其排除。

1.3 CASA模型估算青藏高原植被NPP

本文基于CASA模型對(duì)植被NPP進(jìn)行了估算，該模型充分考慮了植被本身的生理生態(tài)特性以及生長(zhǎng)的環(huán)境條件，綜合利用遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及植被覆蓋類型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)植被NPP估算。CASA模型中NPP通過(guò)植被吸收光合有效輻射(APAR)和實(shí)際光能利用率(ε)計(jì)算得到[20，21]。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×fPAR(x,t)×0.5

(3)

式中：APAR(x,t)是t月份x像元處植被吸收的光合有效輻射，單位為MJ/(m2·month)；ε(x,t)是t月份x像元處的實(shí)際光能利用率，單位為gC/MJ；SOL(x,t)是t月份x像元處的太陽(yáng)總輻射量，單位為MJ/(m2·month)； fPAR(x,t)是t月份x像元處植被對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例，無(wú)量綱；0.5表示植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射(波長(zhǎng)為0.38～0.71mm)占太陽(yáng)總輻射的比例。

植被對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例fPAR由植被類型和植被覆蓋度決定，研究表明fPAR與NDVI值之間存在良好的線性關(guān)系：

(4)

(5)

式中：SR是比值植被指數(shù)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)取SRmin為1.08，SRmax根據(jù)植被類型的不同，取值為4.14～6.17。

本文選擇與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果及地面實(shí)測(cè)資料進(jìn)行NPP精度驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)對(duì)比，本文各植被類型NPP估算與周才平等[22，23]研究成果近似。此外與納木錯(cuò)站點(diǎn)實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)(2007-2010年5-9月共17個(gè)實(shí)測(cè)值)對(duì)比進(jìn)一步驗(yàn)證了NPP估算精度。兩者線性擬合得到估算NPP與實(shí)測(cè)值間的關(guān)系為Y=0.832X+3.647，R2=0.672，通過(guò)了P<0.001的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 青藏高原植被物候與NPP時(shí)空演變分析

青藏高原中東部地區(qū)BGS有較大程度的提前，提前區(qū)域占51.61%，提前速率在-1～0d/a內(nèi)所占比例最大(24.37%)，西南地區(qū)BGS則顯示出推后趨勢(shì)。EGS提前區(qū)域集中在青藏高原中部，大部分地區(qū)顯示出推后趨勢(shì)，推后區(qū)域占青藏高原的57.53%，在青藏高原西北部推后程度最大(>1d/a)。55.31%的區(qū)域LGS顯示出延長(zhǎng)的趨勢(shì)，而青藏高原中部和西南部分區(qū)域則顯示出縮短趨勢(shì)。上述結(jié)果與近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的同類研究保持一致[24-26]。

青藏高原地區(qū)年累計(jì)NPP由西向東呈現(xiàn)從減少到增加的變化趨勢(shì)，增加趨勢(shì)最多的區(qū)域集中在青藏高原中東部地區(qū)，占66.26%,增加趨勢(shì)強(qiáng)烈的地區(qū)面積占20.25%，增加速率在0～2gC·m-2/a間的面積比例達(dá)34.49%。而在青藏高原南部NPP呈強(qiáng)烈減少趨勢(shì)。整體上在2002—2012年間青藏高原NPP有明顯的增加，各變化區(qū)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 青藏高原植被物候、NPP不同趨勢(shì)變化區(qū)間所占百分比

通過(guò)計(jì)算2002-2012年青藏高原整體植被物候平均值及年均NPP，分析兩者年際變化趨勢(shì)(圖2)。2002-2012年，青藏高原整體植被返青期開(kāi)始于第111-122天，呈現(xiàn)提前趨勢(shì)(0.034 d/a)；枯黃期開(kāi)始于第297-308天，呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)(0.299 d/a)；生長(zhǎng)期為183-193天，呈現(xiàn)延長(zhǎng)趨勢(shì)(0.300 d/a)，但物候年際變化并不顯著。平均年NPP在219.802～242.543 gC·m-2之間，增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著(1.494 gC·m-2/a,P=0.007)。

圖2 青藏高原整體植被物候、年累計(jì)NPP年際變化

Fig.2 Interannual variability of overall vegetation phenology and NPP on Tibet Plateau

分析不同植被類型(針闊混交林、常綠闊葉林、灌叢、高寒草原、高寒草甸/苔原及高山稀疏植被)的物候及NPP的年際變化特征可知：針闊混交林BGS微弱提前(0.013 d/a)，EGS推后(0.465 d/a)、LGS延長(zhǎng)(0.177 d/a)，NPP呈減少趨勢(shì)(0.876 gC·m-2/a)，波動(dòng)幅度較大。其年NPP與LGS經(jīng)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，顯示出強(qiáng)烈的正相關(guān)性(r=0.729,P=0.011)。常綠闊葉林返青期晚，有提前趨勢(shì)(0.180 d/a)，EGS也有所提前(1.001 d/a)，生長(zhǎng)期縮短(0.456 d/a)。常綠闊葉林NPP呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但并不顯著(0.492 gC·m-2/a)，波動(dòng)幅度在所有植被類型中最大。灌叢BGS提前(0.086 d/a)，EGS推后(0.275 d/a)，LGS延長(zhǎng)(0.301 d/a)，NPP呈現(xiàn)增加趨勢(shì)0.085 gC·m-2/a)。高寒草原BGS推后(0.170 d/a)，EGS推后(0.100 d/a)，LGS延長(zhǎng)(0.260 d/a)，NPP顯著增加(0.896 gC·m-2/a ,P=0.001)。高寒草甸和苔原BGS提前(0.086 d/a)，EGS推后(0.275 d/a)，LGS延長(zhǎng)(0.301 d/a)，NPP顯著增加 (3.459 gC·m-2/a,P=0.006)。高山稀疏植被BGS有所推后(0.103 d/a)，但由于EGS的推遲(0.354 d/a)，LGS仍然延長(zhǎng)(0.235 d/a)，NPP也呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)(0.982 gC·m-2/a,P=0.004)。

植被物候及NPP的年際變化因植被類型不同而不同。針闊混交林、常綠闊葉林和灌叢主要分布于青藏高原東南部，這3種植被類型的NPP年累積量高，年際波動(dòng)大；高寒草原、高寒草甸和苔原及高山稀疏植被位于青藏高原中部和西部，雖然物候變化不盡相同，但NPP累積量都有顯著的增加。鑒于如此明顯的區(qū)域分異，下文將對(duì)不同地理單元植被物候與NPP的響應(yīng)關(guān)系展開(kāi)分析。

2.2 NPP對(duì)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化的響應(yīng)分析

由于植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度直接影響植被NPP的累積，本文著重分析NPP與植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化的響應(yīng)關(guān)系，并將響應(yīng)關(guān)系分為4類：A：LGS縮短，NPP隨之減少；B：LGS延長(zhǎng)，但NPP減少；C：LGS 縮短，NPP反而增加；D：LGS延長(zhǎng)，NPP隨之增加(圖3)。

圖3 青藏高原NPP與LGS響應(yīng)的空間差異

Fig.3 Spatial variabilty of the relationship between NPP and LGS

情形A主要位于青藏高原南部的灌叢區(qū)，地處高原溫帶濕潤(rùn)/半濕潤(rùn)地區(qū)，水熱條件好，年降水量達(dá)700 mm以上，植被生產(chǎn)力水平常年較為穩(wěn)定，該區(qū)2002-2012年降水量相比其他地區(qū)減少最多。生長(zhǎng)期縮短(BGS推遲1.400 d/a,EGS提前0.378 d/a)的趨勢(shì)下，灌叢NPP也顯著減少，減少速率為4.359 gC·m-2/a(P<0.01)。B情形主要位于青藏高原西部——高原溫帶干旱地區(qū)和高原亞寒帶半干旱地區(qū)羌塘高原湖盆高寒草原，高寒草原在返青期提前和生長(zhǎng)結(jié)束期推后的雙重作用下(BGS提前0.942 d/a,EGS推后1.296 d/a)整個(gè)物候期有了較大程度的延長(zhǎng)。標(biāo)準(zhǔn)化之后溫度、降水與NPP的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為-0.079和0.780，降水量為影響該區(qū)域植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子。降水量下降，溫度升高又促進(jìn)了水分蒸發(fā)，盡管生長(zhǎng)期有所延長(zhǎng)，它對(duì)植被生產(chǎn)力累積的促進(jìn)作用因植被自身消耗增大而被抵消， NPP減少速率為-0.870 gC·m-2/a(P<0.01)。C情形主要位于青藏高原中部，主要植被類型為高寒草甸和苔原。該區(qū)年降水量基本維持在500 mm左右，標(biāo)準(zhǔn)化之后溫度、降水與NPP的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.673和0.269，氣溫對(duì)該區(qū)域植被生產(chǎn)力水平的影響占主導(dǎo)地位，并且近10年該區(qū)域溫度增加最為顯著，而降水量略微下降，植被生產(chǎn)力提高。李英年等[27]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)期氣溫的升高導(dǎo)致矮蒿草草甸植物發(fā)育速度加快提前成熟，生長(zhǎng)季變短。而提前結(jié)束的生長(zhǎng)期避免了秋季增溫所增加的自身消耗，LGS縮短一天，NPP增加1.271 gC·m-2(P<0.01)。D情形主要位于青藏高原東部——高原溫帶半干旱草原區(qū)和亞寒帶半干旱高寒草甸草原地區(qū)，主要植被類型為高寒草甸/苔原及高寒草原，且所占面積比例最大(38.27%)。D情形所處區(qū)域年均溫和年降水量均高于C情形所處區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)化之后溫度、降水與NPP的相關(guān)系數(shù)分別為0.582和0.543，植被生產(chǎn)力對(duì)溫度變化的敏感程度相對(duì)于C情形下降，對(duì)降水敏感度上升。LGS延長(zhǎng)，降水增加，從而NPP顯著增加，增加速率為5.942 gC·m-2/a(P<0.01)。

在不同溫度、降水區(qū)間NPP隨LGS有不同的變化規(guī)律。以2℃為間隔劃分年均溫區(qū)間，總體上溫度越高NPP值越大，當(dāng)年均溫在-6℃以下時(shí)，年NPP累積量基本在100 gC·m-2以下，并且NPP與LGS顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.810,P<0.05)，LGS越長(zhǎng)，NPP累積反而越少。年均溫在-6～2℃時(shí)，NPP隨著LGS的延長(zhǎng)先增大，后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨著溫度升高而向后推移；年均溫在2℃以上時(shí)，NPP隨著LGS的延長(zhǎng)先有略微的減小，隨后急劇增大。年降水量在800 mm以下時(shí)，NPP總體上隨著降水量增加而增加；年降水量超過(guò)800 mm時(shí)，過(guò)高的降水反而抑制了NPP的累積；年降水量在300 mm以內(nèi)時(shí)，NPP隨LGS變化幅度??；年降水量在300～400 mm時(shí)，NPP隨LGS的延長(zhǎng)先增大后減?。荒杲邓吭?00～600 mm時(shí)，LGS越長(zhǎng)NPP累積越多；年降水量超過(guò)600 mm，以LGS 165 d為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，NPP先減少后增加。水熱條件好的區(qū)域，LGS越長(zhǎng)則NPP累積量越多。

2.3 植物生長(zhǎng)初期、生長(zhǎng)結(jié)束期對(duì)NPP的影響

植被生長(zhǎng)季的開(kāi)始與結(jié)束同時(shí)影響著整個(gè)LGS，進(jìn)而影響植被的生產(chǎn)力。理論上，春季物候主要影響上半年生產(chǎn)力，而秋季物候則對(duì)下半年植被生產(chǎn)力影響較大。為深入了解上述關(guān)系，本文分析了青藏高原整體及各植被類型BGS、EGS分別對(duì)春季(3-5月)、秋季(9-11月)和全年NPP的影響。

首先計(jì)算BGS、EGS與全年NPP之間的相關(guān)性。57.4%的地區(qū)全年NPP與BGS間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中對(duì)BGS提前敏感的區(qū)域集中在青藏高原東部，負(fù)相關(guān)性顯著。55.78%的地區(qū)全年NPP與EGS之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要集中在青藏高原中部地區(qū)的高寒草甸和苔原。這與上文該地區(qū)LGS由于EGS提前而縮短、NPP反而增加的結(jié)論相一致。全年NPP與EGS正相關(guān)響應(yīng)較為強(qiáng)烈的區(qū)域在青藏高原高寒草甸和苔原的東南部分。

BGS、EGS與NPP之間統(tǒng)計(jì)相關(guān)特性如表2。整體看，青藏高原地區(qū)植被生長(zhǎng)初期與春季NPP有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.003)，而EGS對(duì)秋季NPP和全年NPP的影響都沒(méi)有BGS對(duì)春季NPP和全年NPP的影響大。就各植被類型看，針闊混交林BGS對(duì)全年NPP有著較大的影響，相關(guān)系數(shù)為-0.672，顯著性達(dá)到0.023。常綠闊葉林由于上文提到的BGS/EGS與其他植被類型相反，BGS與秋季NPP顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.807。灌叢、高寒草原、高寒草甸和苔原及高山稀疏植被BGS都與春季NPP顯示出顯著的負(fù)相關(guān)性。除了高寒草原，剩余植被類型的EGS對(duì)NPP的影響則沒(méi)有達(dá)到顯著相關(guān)水平。

表2 植被生長(zhǎng)初期、生長(zhǎng)結(jié)束期對(duì)NPP的影響

Table 2 The effects of BGS and EGS on NPP

春季NPP秋季NPP全年NPPrPrPrP整體針闊混交林常綠闊葉林灌叢高寒草原高寒草甸和苔原高山稀疏植被BGSEGS-0．808??-0．3730．0030．259 0．257 0．5870．4460．058-0．14 0．1150．6820．735BGSEGS-0．498-0．0320．1190．926-0．345 0．2380．2980．481-0．672?-0．0310．0230．929BGSEGS-0．47-0．2920．1450．384-0．807??-0．767??0．0030．006-0．641?-0．5290．0340．095BGSEGS-0．65?-0．2510．03 0．457 0．242 0．5880．4740．057-0．224 0．0320．5080．926BGSEGS-0．675?-0．2750．0230．413 0．461 0．625?0．1540．04 0．174 0．5350．6090．09 BGSEGS-0．798?-0．3980．03 0．226 0．137 0．5850．6870．059-0．315 0．040．3460．908BGSEGS-0．908?? 0．06300．854-0．08 0．480．8150．135 0．605? 0．5840．0490．059

注：*P<0.05;**P<0.01。

3 結(jié)論與展望

青藏高原物候和NPP整體上隨著水熱梯度變化由西北向東南呈現(xiàn)出一定的變化特征?？傮w看，2002-2012年間青藏高原植被物候BGS提前、EGS推后、LGS延長(zhǎng)，而NPP呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。LGS的延長(zhǎng)對(duì)NPP的增加有一定促進(jìn)作用，但由于各植被類型的差異和不同生態(tài)地理單元特征，NPP對(duì)LGS變化的響應(yīng)不同，即使相同的植被類型，在不同的氣候環(huán)境下NPP與LGS的響應(yīng)也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異。如在青藏高原東南部水熱條件良好的區(qū)域，隨LGS縮短N(yùn)PP減少4.359 gC·m-2/a；但在年降水量小于500 mm的區(qū)域，在氣候暖干化過(guò)程中，盡管LGS延長(zhǎng)，NPP減少-0.870 gC·m-2/a，且降水為影響NPP的主導(dǎo)因子[23]。 春季NPP對(duì)BGS的變化有明顯的響應(yīng)，而植被NPP對(duì)EGS變化的敏感度沒(méi)有BGS大[28，29]。返青期的提前加之氣溫的升高加速了植被生長(zhǎng)發(fā)育，從而提高了上半年的生產(chǎn)力。

研究結(jié)果表明，NPP年際變化與物候變化間的關(guān)系較為復(fù)雜，這與植被類型、生態(tài)地理單元及氣候特征的不同有很大關(guān)系。本文在研究NPP對(duì)物候變化的響應(yīng)機(jī)制時(shí)僅考慮了溫度、降水因子以及部分植被要素、地理單元的影響，不同地形特征、積雪凍土環(huán)境以及人類活動(dòng)等對(duì)物候與NPP響應(yīng)機(jī)制的作用有待進(jìn)一步分析?；诓煌牡乩韱卧?、氣象水文特征、地形地貌特征甚至人類活動(dòng)影響下開(kāi)展全面的植被物候與植被生產(chǎn)力之間的響應(yīng)關(guān)系研究將對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)變化和預(yù)測(cè)有著重大意義。

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Response of NPP to Phenology Changes in the Tibet Plateau

YANG Bai-juan1,2,WANG Si-yuan1,CHANG Qing1,2,SUN Yun-xiao1,2,YIN Hang1,3,WANG Xiao-yue1,2

(1.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049;3.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

It is already an indisputable fact that the phenology of high-latitude areas has changed to a different extent following global warming.The research of this phenomenon is important for us to predict the response of terrestrial ecosystem to global change.However,the knowledge about the effects of phenology changes on biomass especially on vegetation net primary productivity (NPP) is hardly known.This paper took the Tibet Plateau (TP) as study area for its unique natural geographical environments and aimed to study the response mechanism between phenology and NPP.Firstly,phenology and NPP were detected respectively with dynamic threshold value method and CASA model based on MODIS NDVI dataset and meteorological data from 2002 to 2012 in the Tibet Plateau.Then,the paper described the spatio-temporal trends of phenology and NPP,and analyzed the impacts of phenology changes on NPP of different areas and vegetable types.The research also discussed the temperature and precipitation in different areas to better explain the response mechanism diversities.Conclusions can be drawn as follows:1) The beginning of growing season (BGS) of overall vegetations in Tibet Plateau has advanced during 2002 to 2012 at the rate of 0.034 d/a;the end of growing season(EGS) has delayed 0.299 d/a;the length of growing season(LGS) extended 0.300 d/a,and the annual NPP has increased 1.494 gC·m-2·a-1significantly.2) The extending of LGS can contribute to the increasing of NPP overall the Tibet Plateau.However this correlation is not notable and has regional differences because of the changing dominant meteorological factors.3) The advance of BGS has greater impact on NPP than the delay of EGS,and the effect of BGS mainly lies in the stimulation to the spring NPP.

Tibet Plateau;phenology;NPP;spatio-temporal evolution;response mechanism

2015-02-09；

2015-03-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“青藏高原植被物候變化及其生物量響應(yīng)機(jī)制研究”(D010702)

楊柏娟(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹脖晃锖蚺c全球變化。*通訊作者E-mail:wangsy@radi.ac.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.05.023

X87；P463

A

1672-0504(2015)05-0115-06