劉　可,杜靈通,*,侯　靜,胡　悅,朱玉果,宮　菲

1 寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地, 銀川　750021 2 寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川　750021

氣候變化已影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物、物理和化學過程[1- 2],植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對氣候變化比較敏感[3- 4],氣候變化引起的植被變化已直接影響到區(qū)域陸—氣交互過程的物質(zhì)與能量平衡[5]。因此,開展區(qū)域及全球尺度的植被變化研究對認識氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的相互作用有重要意義[6]。大尺度植被變化的連續(xù)觀測對傳統(tǒng)生態(tài)學研究技術提出了挑戰(zhàn),隨著全球變化生態(tài)學的發(fā)展[7],遙感技術逐漸成為大尺度生態(tài)問題連續(xù)觀測的重要手段。衛(wèi)星傳感器通過探測陸表的光譜反射信息來識別植被的變化,利用植被在可見光與近紅外波段的反射特征構建的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),常作為植被生長狀況及覆蓋度變化的最佳指示因子[8],已在不同尺度植被變化研究中廣泛應用[9-10],特別是時間序列的NDVI能較好的反映陸表植被活動的時間演化和空間變異特征[11]。Myneni等[12]利用1982—1991年的AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)對全球植被活動進行了研究,提出了北半球中高緯地區(qū)植被活動增強的觀點；Piao等[13]利用Global Inventory Modeling and Mapping Studies (GIMMS)第二代NDVI產(chǎn)品研究了1982—2006年亞歐大陸生長季的植被活動,指出NDVI存在兩個明顯的變化階段,1997之前顯著上升,1997年之后NDVI上升趨勢減緩；Park等[14]同樣利用該GIMMS產(chǎn)品研究了東亞地區(qū)的植被活動,得出NDVI增加趨勢在20世紀90年代中期發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折；杜家強[15]等利用AVHRR和MODIS兩個傳感器構建的連續(xù)NDVI數(shù)據(jù)對新疆近30年的植被活動展開研究,認為NDVI的變化趨勢在20世紀90年代末存在拐點。此外,諸多學者關于不同地理單元[16-17]乃至全國范圍[18- 20]的植被活動研究認為,研究區(qū)的植被活動總體增強。

然而,以上研究存在幾方面的問題,一是大多研究基于上一代GIMMS NDVI[21](1982—2006)、SPOT-VGT NDVI(1998—)或MODIS NDVI(2000—至今)等數(shù)據(jù),往往研究時間序列較短；盡管有學者延續(xù)不同傳感器的NDVI數(shù)據(jù)開展植被變化研究[22],但不同傳感器的性能差異又增加了NDVI數(shù)據(jù)的不確定性。二是傳統(tǒng)的線性分析方法對時序較短的非平穩(wěn)NDVI序列開展變化趨勢研究,會忽略非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的非線性波動特征,致使研究結論和規(guī)律存在局限性,而集合經(jīng)驗模態(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)因其良好的自適應性可彌補該缺陷。三是前人研究多從自然單元和行政區(qū)劃的角度探討植被活動特征,忽視了不同陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的植被活動規(guī)律,而我國類型多樣的陸地生態(tài)系統(tǒng)往往鑲嵌分布,不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被活動對氣候變化的響應存在明顯差異[23]。為此,本研究將利用1981—2012年的第三代GIMMS NDVI數(shù)據(jù)(GIMMS NDVI3g)和集合經(jīng)驗模態(tài)分解等非線性分析方法,從生態(tài)系統(tǒng)的視角出發(fā),開展近30年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NDVI時空變化特征研究,以期揭示氣候變化背景下各生態(tài)系統(tǒng)的響應,為我國制定應對氣候變化的策略和生態(tài)文明建設提供科學依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1　數(shù)據(jù)資料

1.1.1GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)

美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)基于NOAA-AVHRR系列數(shù)據(jù)開發(fā)出的GIMMS NDVI3g產(chǎn)品是一種長時序的全球植被指數(shù)數(shù)據(jù)集[24](1981—2012年),空間分辨率為8km,時間分辨率是15d。該數(shù)據(jù)集消除了大氣水汽、火山爆發(fā)、太陽高度角和傳感器靈敏度的變化等因素的影響[25],精度得到有效提高,良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量及連續(xù)的時間序列使其在大尺度生態(tài)過程模擬研究中得到廣泛應用。本研究從NASA網(wǎng)站(http://ecocast.arc.nasa.gov/)獲取了1982—2012年覆蓋全球的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù),運用IDL軟件編程對遙感影像進行讀取、配準、格式轉(zhuǎn)換以及研究區(qū)裁剪等預處理。

1.1.2中國陸地生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)

中國陸地生態(tài)系統(tǒng)類型宏觀結構數(shù)據(jù)源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)?；谶b感解譯獲取的1∶10萬土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)對各生態(tài)系統(tǒng)類型進行辨識、研究和重新分類,形成中國陸地生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)集(分別為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、聚落生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng))。本研究采用2010年的數(shù)據(jù)集,提取不同生態(tài)系統(tǒng)類型,因聚落生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng)類型所占比例較低,同時考慮到聚落生態(tài)系統(tǒng)的碎小斑塊很難在8km分辨率的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)中反映出來,其他生態(tài)系統(tǒng)主要為裸土地或裸巖石質(zhì)地,其NDVI指標無實際生態(tài)學意義,故研究中未對這兩類生態(tài)系統(tǒng)類型進行分析。

1.1.3其他數(shù)據(jù)

多變量厄爾尼諾-南方濤動指數(shù)(The Multivariate ENSO Index, MEI)來源于美國國家海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實驗室(http://www.cdc.noaa.gov/people/klaus.wolter/MEI/),集合了海平面氣壓、海表溫度、海面氣溫、地面緯向風和徑向風、總云量等參數(shù),能夠全面地監(jiān)測和反映厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation, ENSO)事件[26]。太陽黑子數(shù)據(jù)采用比利時皇家天文臺太陽活動數(shù)據(jù)分析中心(http://www.sidc.be/silso/datafiles)發(fā)布的月太陽黑子數(shù)序列,該數(shù)據(jù)已采用13個月滑動窗口平滑處理。本研究截取1982—2012年的時間序列,并用集合經(jīng)驗模態(tài)分解提取不同時間尺度的周期分量。

1.2　研究方法

1.2.1年植被指數(shù)合成方法

中國植被類型豐富多樣,同一生態(tài)系統(tǒng)往往兼有多個自然帶的不同植被型,且部分植被型存在明顯的季相特征。為更全面描述年際植被活動特征,本研究合成了年平均歸一化植被指數(shù)(ANDVI)和年最大歸一化植被指數(shù)(MNDVI)兩種指標[27],分析1982—2012年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)植被活動的空間變化。其中,ANDVI反映年內(nèi)植被生長的平均狀態(tài),MNDVI反映當年最優(yōu)水熱組合下的植被最佳生長狀態(tài),即最佳植被長勢。

(1)

MNDVI=max(NDVIij)(1≤i≤24,1982≤j≤2012)

(2)

1.2.2回歸分析

采用最小二乘法逐像元擬合1981—2012年間的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)序列,求取各像元近30年的變化斜率。一元線性回歸斜率值的正、負分別表示NDVI升高或降低的趨勢,斜率的大小則反映了NDVI值上升或下降的程度,回歸趨勢的顯著性采用F檢驗判定。將NDVI變化趨勢和不同顯著性水平(P=0.05和P=0.01)疊加分析,可得到極顯著上升、顯著上升、上升(但不顯著)、下降(但不顯著)、顯著性下降和極顯著性下降6種變化趨勢組合。

1.2.3集合經(jīng)驗模態(tài)分解

集合經(jīng)驗模態(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)[28-29]是近年來發(fā)展的一種適應于非線性、非平穩(wěn)序列的信號分析方法,該法在EMD(Empirical Mode Decomposition)的基礎上,引入輔助白噪聲,繼承了EMD的自適性,有效地解決了尺度混合問題；它將原始信號中不同時間尺度的周期特征分解開,形成具有不同尺度周期的本征模態(tài)函數(shù)分量(Intrinsic Mode Function, IMF)和一個殘差分量(Residual Standard Error, RSE)。其中,所添加白噪聲對原始信號的影響將遵循如下統(tǒng)計規(guī)律[30]：

(3)

式中,σ為標準偏差,即輸入信號與相應IMF分量的偏差,ε為白噪聲幅度,N為集合樣本數(shù)。

經(jīng)蒙特卡羅法驗證,當自由度趨于無窮,添加白噪聲的序列經(jīng)過分解后,IMF的能量譜平均密度與平均周期具有如下關系：

(4)

(5)

EEMD分解15d合成的GIMMS NDVI3g序列及標準差序列時,輔助白噪聲與原始信號的標準差比率為0.2,集合樣本數(shù)為1000,并借助白噪聲的集合擾動對IMF分量進行顯著性檢驗,獲取不同IMF的信度水平。其中,IMF分量表征從高頻到低頻不同時間尺度的NDVI周期波動特征,RSE反映了NDVI時間序列的殘余變化趨勢。

2　結果與分析

2.1　近30年中國NDVI總體空間變化特征

1982—2012年,中國ANDVI整體呈上升趨勢(0.0029/10a,P<0.05)。從圖1看出,全國有59.31%的國土區(qū)域ANDVI呈上升趨勢,其中僅44.69%的區(qū)域超過5%顯著性水平；全國有40.69%的國土區(qū)域ANDVI呈下降趨勢,其中有46.43%的區(qū)域超過5%顯著性水平。從空間上看,大興安嶺、嫩江流域上游、三江平原、長白山、長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)的ANDVI顯著下降,降幅達到0.0080/10a以上(P<0.01),說明這些區(qū)域的年平均植被活動在減弱；此外,西北地區(qū)的準噶爾盆地、塔里木盆地、柴達木盆地、甘肅西部和內(nèi)蒙古西部廣大地區(qū)的ANDVI降幅不大,但下降趨勢極為明顯,這與上述地區(qū)NDVI本底值較低有關。華北平原、黃土高原、秦巴山區(qū)、臺灣山脈、東南丘陵局部、海南島局部和橫斷山區(qū)的ANDVI極顯著上升,增幅達到0.0080/10a以上(P<0.01),局部地區(qū)增幅遠超0.0240/10a,說明這些地區(qū)的年平均植被活動在增強；此外,藏北高原及天山局部地區(qū)的ANDVI雖然增幅不高,但上升趨勢極為明顯。

圖1　最大歸一化植被指數(shù)(ANDVI)、平均歸一化植被指數(shù)(MNDVI)變化趨勢及顯著性檢驗Fig.1　Trend and significance test of ANDVI and MDNVI

近30年全國MNDVI整體也呈上升趨勢,且上升幅度比ANDVI更強(0.0076/10a,P<0.01)。如圖1所示,占比65.24%的國土區(qū)域MNDVI呈增加趨勢,其中46.85%的區(qū)域超過5%顯著性水平；占比34.76%的國土區(qū)域MNDVI呈下降趨勢,其中超過5%顯著性水平的區(qū)域僅占39.27%。從空間上看,極顯著下降的區(qū)域主要分布在以荒漠生態(tài)系統(tǒng)為代表的內(nèi)蒙古高原西部、準噶爾盆地和塔里木盆地,說明這些地區(qū)年最佳植被長勢在逐年減弱；而東北平原、華北平原、黃土高原、天山南北兩側綠洲區(qū)、大巴山脈、兩廣丘陵及云貴高原局部的MNDVI呈極顯著上升趨勢,增幅達到0.0240/10a以上(P<0.01),說明這些地區(qū)年最佳植被長勢在逐年增強。

由于MNDVI和ANDVI代表的植被活動意義不同,導致兩者的變化幅度差異較大,尤其在東部季風區(qū),MNDVI的變化幅度明顯高于ANDVI。同時,二者的變化趨勢在一些區(qū)域存在差異,甚至截然相反,其中東南沿海的浙閔丘陵、臺灣島和海南島地區(qū)的年平均植被活動在增強,但年最佳植被長勢卻在變差,人類活動持續(xù)增強導致森林植被破壞可能是重要原因[31]；東北松嫩平原的年平均植被活動在減弱,這與東北地區(qū)農(nóng)田NDVI下降趨勢一致,但年最佳植被長勢卻在變好,這種分異可能是暖干化趨勢下松嫩平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的種植結構和作物熟制變化引起的。結合ANDVI和MNDVI來看,全國植被活動顯著增強的區(qū)域主要是分布在東部季風區(qū)的農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng),而西北地區(qū)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)和東北森林區(qū)的植被活動則顯著減弱。

2.2　不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI線性變化趨勢分析

中國各生態(tài)系統(tǒng)面積占比由高到低依次是草地、森林、農(nóng)田、荒漠和水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)；ANDVI和MNDVI最高的是森林生態(tài)系統(tǒng),分別為0.5297和0.8437,荒漠生態(tài)系統(tǒng)最低,分別為0.0789和0.1543。線性趨勢(表1)表明,除荒漠生態(tài)系統(tǒng)外,各生態(tài)系統(tǒng)的植被活動主要表現(xiàn)出上升趨勢。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植被活動顯著增強,ANDVI的增幅為0.0061/10a(P<0.01),MNDVI達到0.0162/10a(P<0.05),這與模型模擬的中國農(nóng)業(yè)植被凈初級生產(chǎn)力增加趨勢一致[32],近30年中國農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整、化肥用量增加、大氣CO2濃度升高和氣候變暖[33]。森林生態(tài)系統(tǒng)的ANDVI、MNDVI均呈不同幅度的上升趨勢,但ANDVI表現(xiàn)出了較強的空間差異,東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的ANDVI顯著下降,而南方亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的ANDVI則顯著上升,這與森林生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯空間分布格局較為一致[34]；MNDVI極顯著上升,年最好植被長勢顯著增強可能與氣候變化有關,氣溫和大氣CO2濃度的升高促進了森林植被年內(nèi)最茂盛時期的長勢。草地生態(tài)系統(tǒng)的ANDVI顯著上升(0.0022/10a,P<0.05),MNDVI極顯著上升(0.0067/10a,P<0.01),說明我國草地地上生物量顯著增加,這與沈海花等[35]的研究結果一致,盡管草地生物量在近30年的變化趨勢存在兩個拐點,但總體依然呈增加趨勢。水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI值是二者的混合信息,NDVI變化主要源于濕地植被變化,由于近30年我國濕地大面積萎縮[36],特別是水體面積的萎縮和濕地植物由水生向陸生的演替,均會造成該生態(tài)系統(tǒng)植被蓋度和生物量的增加,導致NDVI升高。荒漠生態(tài)系統(tǒng)與前4類生態(tài)系統(tǒng)截然相反,ANDVI和MNDVI都處于下降趨勢,這與中國西北日益嚴重的荒漠化現(xiàn)狀比較吻合[37]。

表1　各陸地生態(tài)系統(tǒng)近30年ANDVI、MNDVI基本特征及變化趨勢

*為趨勢通過5%顯著性檢驗,**為趨勢通過1%顯著性檢驗

圖2表明,農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的ANDVI均以上升為主,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)上升像元比例達70.69%,森林和草地生態(tài)系統(tǒng)分別為68.69%和63.49%。然而,上升像元中,農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)分別僅有39.86%、27.31%和27.19%的像元通過了5%顯著性檢驗,可見,各生態(tài)系統(tǒng)ANDVI近30年的上升態(tài)勢并非穩(wěn)定的線性趨勢,而是在上升過程中伴隨著較大的波動。近30年,荒漠生態(tài)系統(tǒng)有73.61%的像元呈下降趨勢,其中有54.47%的像元通過了5%顯著性檢驗,荒漠生態(tài)系統(tǒng)的植被存在明顯的退化過程。水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的上升與下降像元比例幾乎相當。各生態(tài)系統(tǒng)MNDVI近30年的趨勢分析結果基本與ANDVI的結果一致,即農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的植被呈波動上升態(tài)勢,且顯著性更強,荒漠生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)較明顯的退化趨勢,區(qū)別在于水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的MNDVI有64.29%的像元表現(xiàn)為上升趨勢。

圖2　各生態(tài)系統(tǒng)ANDVI和MNDVI不同變化趨勢的面積比例Fig.2　Area proportion of different trends on ANDVI and MNDVI in different terrestrial ecosystemsFLE, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) farmland ecosystem; FOE, 森林生態(tài)系統(tǒng) forest ecosystem; GLE, 草地生態(tài)系統(tǒng)grassland ecosystem; WWE, 水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)water and wetland ecosystem; DE, 荒漠生態(tài)系統(tǒng)desert ecosystem. Ⅰ:極顯著下降,Ⅱ:顯著下降,Ⅲ:下降但不顯著,Ⅳ:上升但不顯著,Ⅴ:顯著上升,Ⅵ:極顯著上升

2.3　不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI波動特征及殘余趨勢

對近30年中國各陸地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI時間序列進行集合經(jīng)驗模態(tài)分解,均可得到8個本征模態(tài)函數(shù)分量(IMF)及1個殘差分量(RSE),高頻分量(IMF1—IMF3/4)主要為模型添加的白噪聲和植被年內(nèi)季節(jié)性生長波動信息,低頻分量(IMF4/5—IMF8)為年際、年代際的植被波動周期(表2)。同時,利用白噪聲的集合擾動,檢驗不同波動周期IMF分量的物理意義。

表2　1982—2012年不同陸地生態(tài)系統(tǒng)NDVI序列各分量的平均周期

*表明P<0.05,**表明P<0.01；/表明該IMF不具有相應尺度的周期

圖3　不同陸地生態(tài)系統(tǒng)低頻分量顯著性檢驗　Fig.3　Significance test of low frequency component of NDVI in different terrestrial ecosystemsE,能量密度energy density；T,平均周期averaged period

由于大氣與海洋環(huán)流的脈動和人類活動間接作用于陸地生態(tài)系統(tǒng),導致植被活動可能存在周期性特征。各生態(tài)系統(tǒng)低頻分量的平均周期(表2)和顯著性檢驗(圖3)表明,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的IMF分量除了IMF8外,均通過了5%顯著性檢驗,可見農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的NDVI具有從年際到年代際的多重波動周期,但隨著波動周期的增長,其顯著性逐漸下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對市場規(guī)律的適應和長周期的氣候波動都可能是影響因素。森林生態(tài)系統(tǒng)1.9a、5.3a和6.9a的波動周期通過了1%顯著性檢驗,但長周期的年代際波動顯著性很低,可能由于森林生態(tài)系統(tǒng)的群落環(huán)境相對比較優(yōu)越,漫長的群落演替過程受氣候波動影響較小。由于草地生態(tài)系統(tǒng)包含了北方溫帶草地、青藏高原高寒草地及南方和東部次生草地,區(qū)域氣候條件差異大,植被活動的氣候波動痕跡不明顯,該生態(tài)系統(tǒng)僅6.8a和22.2a的波動周期通過了5%的顯著性檢驗。水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被活動更易受到氣候波動的影響,主要表現(xiàn)出兩個短周期的波動?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)的NDVI可能包含了大量非植被的背景信息,僅9.6a周期通過了5%顯著性檢驗,可以認為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的周期特性不具有明確的物理意義。上述分析表明,以上5類生態(tài)系統(tǒng)主要存在1.9—7.6a的年際波動周期特征和9.6—11.7a、22.2a的年代際波動周期特征；其中年際波動周期特征普遍比較顯著,年代際波動周期特征顯著性相對較差。由此推論,各生態(tài)系統(tǒng)植被活動的周期性變化可能與海洋和大氣環(huán)流的脈動有一定聯(lián)系。

殘差分量RSE反映NDVI序列的內(nèi)在發(fā)展趨勢,圖4可以看出,近30年來,雖然農(nóng)田、森林、草地和水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI呈總體上升趨勢,荒漠生態(tài)系統(tǒng)的NDVI總體下降,但內(nèi)在包含了“上升—下降”兩個階段,由之前的明顯上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌潭鹊南陆第厔?這與傳統(tǒng)線性趨勢顯然不同[18,20]。暖干化趨勢下,尤其是生長季降水減少引起的干旱脅迫是植被活動發(fā)生轉(zhuǎn)折的重要原因[38-39]。農(nóng)田、森林、草地、水體與濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)NDVI趨勢轉(zhuǎn)折的節(jié)點有所差異,主要集中在20世紀90年代和本世紀初,植被活動轉(zhuǎn)折期的差異在相關文獻[14, 38-39]有所印證,這可能是氣候變化響應的差異和生態(tài)系統(tǒng)分類精度共同作用的結果。

圖4　各陸地生態(tài)系統(tǒng)NDVI殘差分量與線性趨勢Fig.4　Linear trends and residual standard error on NDVI of every terrestrial ecosystem

2.4　不同生態(tài)系統(tǒng)的NDVI空間異質(zhì)特征分析

對于單一生態(tài)系統(tǒng)的NDVI圖像,各像元NDVI之間的標準差越大,則表明該生態(tài)系統(tǒng)植被長勢的空間異質(zhì)性越強,植被活動的地域差異越大。從表3看出,各生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性也存在2.1—7.1a的年際波動周期特征和10.7a、30.2a的年代際波動周期特征,但各生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性的年代際周期波動普遍不具有物理意義,主要表現(xiàn)為2.1—7.1a的年際周期節(jié)律,這可能反映了短周期氣候波動對生態(tài)系統(tǒng)植被活動的影響。

表3　1982—2012年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NDVI標準差序列各分量的平均周期

*表明P<0.05,**表明P<0.01；/表明該IMF不具有相近尺度的周期

標準差序列的殘差分量(RSE)表明(圖5),近30年中國各陸地生態(tài)系統(tǒng)植被長勢的空間異質(zhì)性總體增強,植被活動的區(qū)域差異越來越大?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)NDVI的空間異質(zhì)性持續(xù)增強,直到本世紀后才逐漸減弱,這與亞洲沙漠邊緣植被活動變化的趨勢比較一致[40],沙漠邊緣有效水分的變化直接影響到植被活動,進而反映到空間異質(zhì)性的變化趨勢。森林生態(tài)系統(tǒng)植被長勢的空間異質(zhì)性在20世紀90年代觸底后持續(xù)增強,農(nóng)田、草地和水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性一直處于增強趨勢,區(qū)域差異加大,Peng等[38]指出,近30年中國南、北方的植被長勢存在明顯差異,暖干化趨勢對中國北方植被長勢的季節(jié)性抑制可能是中國陸地生態(tài)系統(tǒng)植被活動空間異質(zhì)性增強的重要原因。

圖5　陸地生態(tài)系統(tǒng)NDVI標準差序列的殘差分量Fig.5　Linear trends and residual standard error on spatial heterogeneity of every terrestrial ecosystemFLE, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) farmland ecosystem; FOE, 森林生態(tài)系統(tǒng) forest ecosystem; GLE, 草地生態(tài)系統(tǒng)grassland ecosystem; WWE, 水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)water and wetland ecosystem; DE, 荒漠生態(tài)系統(tǒng)desert ecosystem. 圖中右側縱軸僅代表荒漠生態(tài)系統(tǒng)DE,左側縱軸代表其他4類生態(tài)系統(tǒng)

2.5　NDVI變化周期與氣候事件關系分析

前述分解的周期與ENSO事件2—7a的變化周期、太陽活動有關的黑子周期(11—12a)、海爾周期(22a)、準35a的布呂克納周期在時間上存在某種契合,可能表明不同陸地生態(tài)系統(tǒng)植被活動與引起海洋和大氣環(huán)流脈動的ENSO事件、太陽活動和海氣相互作用等存在一定聯(lián)系。Propastin[41]和Nagai[42]等指出陸表植被活動與ENSO事件顯著相關,Lü等利用GIMMS數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)中國各陸地生態(tài)系統(tǒng)有32.34%的區(qū)域的植被對ENSO事件響應敏感[43]。本研究將MEI指數(shù)進行EEMD分解,并與各主要生態(tài)系統(tǒng)NDVI具有相近波動周期的IMF分量進行相關分析,發(fā)現(xiàn)ENSO事件存在2.1a、5.3a和7.1a的波動周期,生態(tài)系統(tǒng)NDVI的波動周期與ENSO事件存在不同程度的相關性(表4)。農(nóng)事生產(chǎn)通過有目的的水分調(diào)節(jié)適應農(nóng)時,明顯掩蓋了自然氣候系統(tǒng)對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的周期性影響,僅IMF6分量與ENSO事件的7.1a周期極顯著相關；森林生態(tài)系統(tǒng)受人類活動干擾較少,IMF4、IMF5和IMF6分量分別與ENSO事件的2.1a、5.3a和7.1a周期極顯著相關,有著明顯的氣候短周期脈動痕跡；草地生態(tài)系統(tǒng)的周期性特征不明顯,震蕩周期與ENSO事件無關；水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的IMF6分量與ENSO事件7.1a周期極顯著相關,濕地植被活動存在明顯振蕩周期；荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被信息不足,波動周期與ENSO事件無顯著相關性。

此外,太陽活動與全球氣候變化關系密切[44],盡管太陽活動峰、谷值年的太陽總輻射變化極小,但施加大氣系統(tǒng)的影響可以通過熱帶地區(qū)海-氣耦合作用得到強化,Hadley/Walker環(huán)流隨著類La Nia事件的出現(xiàn)而減弱[45],這對東亞地區(qū)大氣環(huán)流異常和中國南北地區(qū)反向降水變化影響顯著[46],而降水、氣溫和輻射等氣候變量則通過光合作用等生理過程影響植被的生長狀況和群落演替。太陽活動11a周期與不同生態(tài)系統(tǒng)的NDVI變化存在不同程度的極顯著負相關關系(表4),這可能與太陽活動峰值年我國南方和東北夏季降水偏少有關,而生長季尤其是夏季降水對植被生長極為重要,顯然植被活動11a左右的震蕩周期含有明顯的太陽活動信息。上述分析表明,氣候系統(tǒng)的脈動會引起陸地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI波動,海洋與大氣環(huán)流的脈動與各生態(tài)系統(tǒng)植被活動的周期性節(jié)律有著一定關聯(lián),ENSO事件和太陽活動是推動植被活動周期性振蕩的因素之一。

表4　各生態(tài)系統(tǒng)與ENSO、太陽黑子相應周期分量相關分析

ENSO,厄爾尼諾-南方濤動El Nio-Southern Oscillation；*顯著相關(P<0.05),**極顯著相關(P<0.01)；-表明該生態(tài)系統(tǒng)不具有相近尺度的周期

3　結論

基于1982—2012年的GIMMS NDVI3g和中國陸地生態(tài)系統(tǒng)分布數(shù)據(jù),利用一元線性回歸、集合經(jīng)驗模態(tài)分解和相關分析等手段,研究了近30年中國各陸地生態(tài)系統(tǒng)NDVI的時空變化特征,初步分析了NDVI變化與氣候事件的關系,研究取得如下幾點結論：

(1)我國近30年來NDVI主要以上升為主,ANDVI的上升幅度為0.0029/10a(P<0.05),MNDVI的上升幅度為0.0076/10a(P<0.01)。植被活動顯著增強的區(qū)域主要是分布在東部季風區(qū)的農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng),顯著下降的區(qū)域主要是分布于西北的荒漠生態(tài)系統(tǒng)和東北森林區(qū)。

(2)從線性特征來看,盡管各ANDVI和MNDVI變化趨勢的顯著性有所差異,但農(nóng)田、森林、草地和水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI總體呈現(xiàn)非穩(wěn)定的上升趨勢,上升過程中伴隨著較大波動,荒漠生態(tài)系統(tǒng)的NDVI呈下降趨勢,植被退化顯著。

(3)5類生態(tài)系統(tǒng)的植被活動主要存在1.9—7.6a的年際周期波動特征和10.7a、22.2a的年代際周期波動特征,其中1.9—7.6a的年際周期特征普遍比較顯著,年代際周期的顯著性相對較差。與線性趨勢不同,各生態(tài)系統(tǒng)植被活動的殘差趨勢包含“上升—下降”兩個階段,并相繼于20世紀90年代到本世紀初發(fā)生轉(zhuǎn)折。

(4)近30年來,我國各生態(tài)系統(tǒng)植被活動的空間異質(zhì)性存在2.1—7.1a的年際周期節(jié)律；隨著NDVI的上升,農(nóng)田、森林、草地和水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI空間異質(zhì)性持續(xù)增強,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部植被活動的區(qū)域差異逐漸加大,荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被活動的空間異質(zhì)性增強的趨勢于本世紀初后逐漸減弱。

(5)氣候系統(tǒng)的脈動會引起陸地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI波動,海洋與大氣環(huán)流的短周期脈動與各生態(tài)系統(tǒng)植被活動的周期性節(jié)律有一定關聯(lián),ENSO事件和太陽活動可能是推動植被活動周期性振蕩的因素之一。

太陽活動、地球軌道變化、造山運動和人類活動等都是影響地球氣候變化的重要原因,而太陽活動和地球軌道變化表現(xiàn)的周期性節(jié)律可能是植被活動周期性振蕩的重要來源。但太陽活動和地球軌道變化與氣候系統(tǒng)的聯(lián)系集中在相似周期的比較層面[47],其影響氣候系統(tǒng)的物理機制并不十分明確。盡管本研究基于集合經(jīng)驗模態(tài)分解初步揭示了各生態(tài)系統(tǒng)植被活動的周期性振蕩特征,豐富了植被活動響應氣候變化的認識,但該方法計算的平均波動周期[29]與傅里葉譜密度的結果有所差異,且生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部植被類型對氣候變化的響應差異也對周期的顯著性檢驗存在干擾,這對深入解釋植被活動的周期特征帶來困難。近30年來,中國大范圍實施了退耕還林、還草等人工生態(tài)治理工程,同時還經(jīng)歷了快速的城市化,人為因素引起的土地利用類型轉(zhuǎn)變也對各生態(tài)系統(tǒng)的植被活動有著深刻的影響。因此,在氣候變化背景下剝離生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換區(qū)域植被活動的變化,既有助于準確量化人為因素對植被活動的影響,也有利于解釋氣候變化影響植被活動的機制。

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