盛 任,萬魯河,*

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)測與空間信息服務(wù)黑龍江省重點實驗室, 哈爾濱 150025

全球性氣候變化問題已經(jīng)逐漸成為人類所關(guān)注的重要發(fā)展性問題[1]。根據(jù)最新頒布的政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出,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,《第二次氣候變化國家評估報告》[3]指出：中國的升溫趨勢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、北美大部及中國長江以北等地區(qū)的平均降水已增加[4],但中國東北地區(qū)降水卻呈現(xiàn)下降的趨勢(-5.2 mm/10a)[5]。由于氣候因子的相互作用及周期性波動對植被的生長與分布將產(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],也對于揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的植被演化過程具有重要的意義。

氣候因子是驅(qū)動植被變化的主要因素,尤其是水熱條件變化會直接影響到地表植被的生長及空間分布。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,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)域植被密度和長勢的重要基準(zhǔn)[8]。目前,針對氣候變化對植被生長及覆蓋的研究,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植被覆蓋的影響巨大,呈顯著相關(guān)趨勢。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,相比于國外相關(guān)領(lǐng)域的研究[12],國內(nèi)植被演化及其對氣候變化響應(yīng)的研究多集中在中低緯度地帶[13-14],針對于北方高緯度地區(qū)森林植被覆蓋區(qū)涉獵少,并且相對于國外探討其不同地域氣候突變狀態(tài)下對植被覆蓋動態(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制,對區(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

烏伊嶺國家級自然保護區(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,地勢中心高四周平緩,東北部地勢最低,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個地帶(圖1)。林區(qū)地處高緯,湖沼相連,沼澤濕地保存相對完好,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,各種鳥類、魚類及各種國家重點保護動物等也分布其中,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)來源及預(yù)處理

研究區(qū)NDVI 數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(NASA)全球監(jiān)測與模型研究組(GIMMS)發(fā)布的MOD13Q1L3級產(chǎn)品,2000—2016年合計176景數(shù)據(jù)。優(yōu)先選取植被生長季(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。對于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集缺省時段,應(yīng)用美國地質(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MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集的缺省時段進(jìn)行補充與匹配,提高區(qū)域統(tǒng)計以及輸出結(jié)果的容錯率,減小誤差。進(jìn)而設(shè)計算法,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)實際土地地物的精確劃分,獲取了2016—2017年5—9月生長季地表植被與土樣的實地采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行驗證。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(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年長時間序列氣象數(shù)據(jù)均嚴(yán)格取自于國家氣象局氣象數(shù)據(jù)中心所發(fā)布的觀測數(shù)據(jù),包括小興安嶺地區(qū)及其范圍內(nèi)烏伊嶺保護區(qū)的17個氣象站點。對從1954年起各氣象站點已有的最早實測數(shù)據(jù),進(jìn)行分析與突變性檢驗,增加分析樣本容量,大幅減少了突變性檢驗的誤差。個別缺測數(shù)據(jù)與臨站進(jìn)行線性回歸比較插補,進(jìn)而對站點間進(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)了其長時序氣象觀測數(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分析

歸一化植被指數(shù)NDVI,是反映地表植被生長狀態(tài)的重要指標(biāo)因子,定義為近紅外波段 NIR與可見光紅光波段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)實際植被覆蓋度統(tǒng)計結(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)合實際將覆蓋度劃分為5個等級,即低等級植被覆蓋區(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)、高等級植被覆蓋區(qū)(0.8—1.0)。通過ArcGIS 10.1平臺,計算生成覆蓋度劃分等級面積以及植被覆蓋度空間變化趨勢的統(tǒng)計結(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)計學(xué)方法之一,可直觀表示天氣系統(tǒng)的變化趨勢。由公式可以表示為：

(5)

1.3.3Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗

曼-肯德爾法是世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計方法,無須數(shù)據(jù)樣本服從特定的規(guī)律,檢驗范圍廣,能區(qū)分其是否處于自然波動變化,能客觀表征樣本序列的變化趨勢,明確突變發(fā)生時間、區(qū)域及其范圍。統(tǒng)計量定義公式:

(6)

式中,n為平穩(wěn)獨立序列,s為樣本統(tǒng)計量,則可得到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計量：

(7)

式中,在α顯著性區(qū)間內(nèi),如果︱Z︱≥Z1-α/2成立,則樣本服從具有獨立同分布的趨勢分析。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時刻大于第j時刻數(shù)值個數(shù)的累計個數(shù)。并在時間序列隨機且獨立條件下,定義統(tǒng)計量UFK：

(9)

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

1.3.4滑動T檢驗

滑動T檢驗方法(MTT法)是處理數(shù)據(jù)樣本平均值的差異是否顯著,來檢驗在時間序列上是否存在突變區(qū)間。對于具有n個樣本量的時間序列X,其定義統(tǒng)計量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分析

1954—2016年烏伊嶺自然保護區(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。。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,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,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(0.446 mm/10a)。

表1 1954—2016年烏伊嶺自然保護區(qū)氣候影響因子傾向率統(tǒng)計結(jié)果

圖3 烏伊嶺自然保護區(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

烏伊嶺自然保護區(qū)的氣候環(huán)境在過去近62年以來經(jīng)歷突變,尤其是氣溫的突變較為明顯(圖4)。在滑動T檢驗中,自1954年來,統(tǒng)計量t有突變檢驗水平區(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變化；再進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)檢驗中,在1980年之前UF曲線在絕大多數(shù)時間段內(nèi)小于0,且UF曲線在1987年起大大超過α顯著性水平臨界線,UF曲線與UB曲線交點在1990年且大于顯著性水平值,說明自1980年氣溫開始變暖,1987年開始顯著增溫,在1990年達(dá)到最大。結(jié)合兩種檢測方法結(jié)果分析得出:烏伊嶺自然保護區(qū)氣溫由冷到暖的轉(zhuǎn)變時間出現(xiàn)在 1980—1990年間。

圖4 烏伊嶺自然保護區(qū)年均氣溫突變的滑動T檢驗與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗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

烏伊嶺自然保護區(qū)年均降水量突變形式呈現(xiàn)起伏變化(圖5)。在滑動T檢驗中,自1954年來,突變檢驗水平區(qū)間在多個時段內(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,除1970年的交點外,自1982年起到1995年,UF曲線與UB曲線開始發(fā)生有多個交點,且交點與UF曲線始終小于0。結(jié)合兩種檢測方法結(jié)果分析得出：烏伊嶺自然保護區(qū)降水量自1970年附近有一段豐雨期,其氣候波動變化劇烈的區(qū)間在1982—1995年之間,降水量呈現(xiàn)波動下降的趨勢。

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期,該時期為氣候暖干化特征的突變時期。

圖5 烏伊嶺自然保護區(qū)年均降水量突變的滑動T檢驗與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗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區(qū)近62年來氣象觀測數(shù)據(jù)的突變性檢驗,分析突變前后時期氣候影響因子傾向率統(tǒng)計結(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 突變前后時期氣候影響因子傾向率統(tǒng)計結(jié)果

*為相關(guān)顯著(0

2.2 烏伊嶺保護區(qū)植被覆蓋的空間分布與變化趨勢

由烏伊嶺自然保護區(qū)年均NDVI指數(shù)分級分析(表3),研究區(qū)年平均植被生長季的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 烏伊嶺自然保護區(qū)年均NDVI指數(shù)分級

結(jié)合烏伊嶺自然保護區(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)實地考察,其在生長季時段主要種植作物為玉米和黃豆,但由于農(nóng)作物受到人類活動影響較大,因此其年均NDVI波動較大。

圖6 烏伊嶺自然保護區(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氣候突變時期植被覆蓋動態(tài)變化特征

由保護區(qū)突變前后植被覆蓋度的動態(tài)變化(圖8)及覆蓋度像元統(tǒng)計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(-0.0087℃/10a、-10.206 mm/10a),烏伊嶺整體表現(xiàn)NDVI大于0.6為主的中高級植被覆蓋趨勢,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(0.6209℃/10a、-12.768 mm/10a),整體以中低、低等級的植被覆蓋區(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%。在烏伊嶺自然保護區(qū)氣候突變時期,受氣候暖干化突變影響植被覆蓋度開始顯著下降,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季最大NDVI空間分布動態(tài)變化過程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由原來的0.8273下降到0.6739,植被覆蓋度整體顯著下降。各等級植被覆蓋區(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,尤其是高植被覆蓋區(qū)像元統(tǒng)計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)。不同等級植被覆蓋區(qū)由突變前的中心森林茂盛植被長勢密集的山地,變?yōu)橥蛔兒笱厮闹苓吔绺采w度迅速下降的趨勢,研究區(qū)植被退化的狀況十分嚴(yán)重。

圖9 烏伊嶺自然保護區(qū)突變前后時期各等級植被覆蓋區(qū)年均像元計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氣候突變時期與整體變化時期植被的覆蓋特征比較

與1975—2016年烏伊嶺保護區(qū)植被年均NDVI空間覆蓋演化過程相聯(lián)系,從植被覆蓋類型上看,在氣候突變時期,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期的由年均NDVI空間覆蓋變化可知(表4),突變時期其各種植被覆蓋類型的NDVI空間變化與樣地實際面積的變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣候整體變化時期,突變期混交林年均NDVI空間變化呈下降的趨勢(|-2.251%|>|-0.196%|)、草地上升的趨勢(1.493%>0.268%)最強,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%)。通過比較分析,在1980—1995年氣候突變時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 氣候突變時期與整體變化時期的逐年植被覆蓋狀況變化的統(tǒng)計分析

由烏伊嶺保護區(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墾的農(nóng)田,受人類活動的影響較高,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),其濕地植被長勢相對穩(wěn)定。

圖10 烏伊嶺自然保護區(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)氣候變化趨勢與突變特征

烏伊嶺國家級自然保護區(qū)整體氣溫呈上升、降雨量緩慢下降的趨勢與北半球[16]、中國東北[17]呈現(xiàn)的氣候波動變化的總趨勢基本相同,1980—1995年間氣候增溫減濕的突變時期較北半球高緯地區(qū)[18]、中國東北部[19]氣候暖干化突變研究所呈現(xiàn)的時序基本保持一致。而這種極端氣候事件與近百年來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,對于近62年來烏伊嶺自然保護區(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)致夜間地物的長波輻射顯著上升,造成大氣逆輻射的增強,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]。烏伊嶺自然保護區(qū)近年來氣候呈現(xiàn)暖干化發(fā)展趨勢,其對生長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?、針葉林等植被生長季年均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)而收縮或擴張[27]。尤其在耕地區(qū),由于近年來人類活動導(dǎo)致種植玉米和黃豆的農(nóng)田不斷開墾,要注意根據(jù)實地采樣,來界定玉米和黃豆等作物植被NDVI范圍,以排除無關(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期,整體植被生長季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]等對于極端天氣事件所影響植被生長覆蓋的分析相一致,極端氣候事件對植被造成的影響受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究[31-32]。針對極端氣候事件去進(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(有機質(zhì)組分、團聚體穩(wěn)定性及疏水性)[34],對研究區(qū)植被生長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)計分析中,研究高分?jǐn)?shù)據(jù)像元的小樣本作為統(tǒng)計單元能精確反應(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,烏伊嶺自然保護區(qū)植被生長季年均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。因此,在植被生長季前后,烏伊嶺冬季的冰雪融水以及結(jié)冰期水域的凍融補充作用,使得植被生長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),凍土對熱狀態(tài)很不穩(wěn)定,對外界環(huán)境因素改變極為敏感[39]。因此,隨著氣溫顯著上升,使得多年凍土開始緩慢退化,致使深層土壤營養(yǎng)物質(zhì)能被植物利用,凍土層中的碳開始極易釋放到大氣中[40],在客觀上有利于植物在生長季的正常發(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養(yǎng)物質(zhì)與二氧化碳,但從長期來講,這種變化過程中所帶來的生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力和土地承載力變化下的消極作用[34],其危害會大大超過土壤營養(yǎng)物質(zhì)與二氧化碳本身對光合作用所直接帶來的積極作用[42],從而開始對植被正常的發(fā)育生長與生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能帶來一系列負(fù)面的影響。

此外,除了氣候因子的作用,人類活動也是影響植被覆蓋度變化的重要驅(qū)動因素[43]。由于本文選取的烏伊嶺國家級自然保護區(qū)是人類活動較少,人為因素干擾弱的地區(qū),因此并沒有針對性討論人類活動因子的影響。但近年來,隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,人類活動已越來越成為影響植被覆蓋度變化的重要驅(qū)動因素。因此,對于如何多角度、多層次的討論氣候變化與人類活動對植被覆蓋變化的影響,構(gòu)建“氣候-植被-人類活動”的動態(tài)研究機制,將會對地域性植被演化的研究起到促進(jìn)作用,并對于建設(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年的氣象觀測數(shù)據(jù),運用像元二分法模型、累計距平分析、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗、滑動T檢驗、相關(guān)性分析,揭示了烏伊嶺自然保護區(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,氣溫的年際間變化較強,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,1980—1995年是氣候因子增溫減濕趨向最活躍的突變時期。

(2)研究區(qū)年均植被生長季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穩(wěn)定。

(3)在氣候增溫減濕的突變時期,植被覆蓋度顯著下降,各等級植被覆蓋區(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。無論在氣候整體變化還是突變時期,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)致烏伊嶺自然保護區(qū)植被退化的主要影響因子。

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