基于树轮宽度的巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI重建与分析

2015-04-08 13:48陈峰袁玉江张瑞波喻树龙
沙漠与绿洲气象 2015年4期
关键词:巴丹吉林沙漠树轮云杉

陈峰,袁玉江,张瑞波,喻树龙

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆树木年轮生态实验室,中国气象局树轮年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐, 830002;2.兰州大学西部环境教育部重点实验室,西部环境与气候变化研究院,甘肃兰州 730000)

基于树轮宽度的巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI重建与分析

陈峰1,2,袁玉江1,张瑞波1,喻树龙1

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆树木年轮生态实验室,中国气象局树轮年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐, 830002;2.兰州大学西部环境教育部重点实验室,西部环境与气候变化研究院,甘肃兰州 730000)

利用巴丹吉林沙漠南缘山地3个采样点的青海云杉树轮样本研制出区域树轮宽度年表。相关分析发现区域树轮宽度年表与5—7月NDVI变化有较好相关性,相关系数为0.670(P<0.001)。利用线性回归模型重建了巴丹吉林沙漠南缘山地1765—2010年5—7月NDVI变化,方差解释量为44.9%。NDVI重建序列揭示在1765—2010年期间巴丹吉林沙漠南缘山地有10个植被生长良好时段和10个植被生长较差时段。同时,NDVI重建序列的低值与河西走廊极端干旱历史事件有着良好的一致性。多窗谱周期分析发现,巴丹吉林沙漠南缘山地5—7月NDVI重建序列具有11.4,8.1,4.9,3.4,2.4 a的准周期变化。交叉小波分析发现太阳黑子活动是区域NDVI变化的重要驱动力之一。基于NDVI与区域干湿变化良好相关,分析了极端低值年份和极端高值年份的矢量风场距平变化发现区域NDVI变化与大范围气候场变化有显著关联,发现当西风增强时,研究区气候偏湿,有利于树木生长,NDVI值偏高,形成较宽的树轮。当研究区被来自北面沙漠地区气流控制时候,研究区气流偏干,不利于树木生长。

巴丹吉林沙漠;树木年轮;NDVI重建;西风

河西走廊南山——祁连山分布了大片原始针叶林,因其气候及冰川水资源的变化对于下游河西走廊绿洲农业区的重要影响,一直是中国树轮气候水文重建研究最为关注的地区之一[1-4]。而在河西走廊北部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠南缘山地,由于其森林稀疏,人烟稀少,年降水不足150 mm,难以形成稳定的地表径流,在以往的树轮气候研究中较少受到关注[5]。巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠南缘山地虽然属于温带荒漠干旱气候,但其北坡地形相对平缓,在阴坡和迎风坡分布成片天然针叶林,最近几年成为区域树轮气候环境研究热点地区之一,研究人员在这一地区已建立了多条降水和干旱指数树轮序列[5-7],但针对该地区植被生长状况的历史变化研究还相对较少。由于靠近巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠,该地区的针叶林生长变化对于改善区域生态环境和遏制土地沙漠化有着极为重要的作用。因此,我们有必要对其植被生长状况历史变化进行深入研究。

由GIMMS(global inventory monitoring and modeling studies)提供的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)是目前最常用的植被生长监测资料之一[8]。由于其消除了火山爆发、太阳高度角、传感器灵敏度随时间变化等影响,能够有效指示区域植被生长变化[9]。但由于该NDVI数据观测时间较短,无法满足植被生长长期变化的研究需要,而许多研究已经证实通过建立树轮指数与NDVI的关系,能够有效利用树轮资料解决这一问题。目前,树轮指数和植被指数之间关系的研究多集中在北半球中高纬度地区。Malmström等[10]在美国阿拉斯加的研究结果表明树木年轮宽度与利用NDVI估算得到森林净初级生产力之间有显著的正相关;Berner等[11]发现俄罗斯和加拿大高纬度地区1982—2008年夏季森林NDVI值与树木年轮宽度正相关;在北美和欧亚大陆中高纬地区针叶林带、美国中部大平原等均发现树木年轮宽度与植被NDVI有较强的相关性[12-15]。近年来,在中国北方和青藏高原相关地区利用树轮资料和NDVI数据进行区域植被生长变化重建研究取得了许多重要的进展。例如He和Shao(2006)利用德令哈地区树轮宽度指数重建了该地区过去1 000 a来草地8月的NDVI变化曲线[16];Liang等(2009)的研究揭示了中国内蒙古东部半干旱草原上树轮宽度与草原生长季NDVI之间的显著正相关关系,表明可以利用树轮宽度指示过去草原地上生物量的变化[17]。本文基于三个采样点青海云杉(Picea crassifolia)树轮资料,利用线性回归模型重建巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI变化,并以此为基础分析巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI的历史变化特征。巴丹吉林沙漠南缘山地因其特殊的地理位置,是河西走廊对气候变化的最为敏感区和脆弱区之一。该研究工作对于进一步了解中国北方沙漠边缘区植被变化提供数据支持,对认识气候变化背景下中国北方沙漠边缘区的生态环境演变具有重要意义。

1 资料和方法

1.1 研究区概况及树轮资料获取

受温带大陆性气候和西风的综合影响,巴丹吉林沙漠南缘山地以温带荒漠干旱气候为主。研究区的主要气候特征表现为降水稀少,温度变化幅度大,雨热同期。根据张掖气象站1951—2010年的气候资料,该地区年平均降水为130.6 mm,年平均温度为7.3℃,7月和8月是温度和降水最高的两个月。随着海拔高度变化,研究区降水和植被覆盖有着明显的变化,由下至上依次为荒漠草原带,针叶林带以及灌丛带。林下土壤为灰褐森林土。山地针叶林的建群种为青海云杉(Picea crassifolia),青海云杉已经被证明适于利用树轮宽度进行气候变化研究[5]。

树轮采样工作分别于2009年7月和2011年6月进行。在祁连山国家级自然保护区的东大山和龙首山两个保护站的管辖区内布设了3个采样点(LLS,DDS1和DDS2),采样树种为青海云杉(图1)。采样点分布于海拔2 800~3 185 m之间,坡向为北坡和东北坡,坡度为10~30°,森林郁闭度为0.1~0.3(表1)。在上述3个采样点共计采集了100棵树的193个样芯。依照树轮样本处理的基本程序,首先对所采样芯进行晾干、粘贴、磨平。用砂纸将样芯打磨至年轮轮廓清楚,细胞清晰可见之后,在显微镜下在树芯表面进行记号标识。然后用精度为0.001 mm的Velmex轮宽测量仪进行轮宽测量。利用COFECHA程序对交叉定年结果进行检验[18]。树轮宽度年表的建立是利用ARSTAN程序完成的[19]。我们将3个采样点的所有树轮宽度序列利用hugershoff生长函数进行去除生长趋势处理[19]。由于树轮序列之间存在较高相关系数(r=0.58),以双权重平均法将上述去除生长趋势后的序列合并成均值为1、最小值为0的无量纲的区域树轮宽度标准化年表。最后再使用自回归模型消除森林内部树木之间竞争所导致的低频变化,得到区域树轮宽度差值年表(图2)。因为树轮差值年表在重建巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI效果更为理想,故在以下的研究中我们只展示树轮宽度差值年表重建结果。

1.2 气候和NDVI资料的选取

离研究区最近的,且观测时间最长的气象站为张掖气象站(38°56′N,100°26′E,海拔1 483.7 m,记录时段1951—2008年)。经初步检验确认,张掖气象站的记录可靠,无明显的系统误差。考虑到前一年的气候条件可能对当年生长季的树木生长产生一定影响,结合青海云杉的主要生长季节(5—8月)[20],本研究所采用的气候要素为上一年7月至当年9月的月平均温度和月降水量。所使用的NDVI数据为GIMMS(global inventory monitoring and modeling studies)工作组提供的逐月平均NDVI数据集,空间分辨率8 km×8 km[8]。一般认为NDVI值超过0.1表示有植被覆盖,NDVI值越大则植被覆盖率越高[21]。本研究从该数据集中提取出覆盖研究区(38.90°~ 39.10°N,100.70°~101.00°E)的逐月平均NDVI值,选取的研究时段为1982年1月至2006年12月。在这一过程中,我们剔除了非植被地物对NDVI的干扰。从NDVI值的月变化来看,从5月到7月呈明显上升趋势,并7月达到峰值,之后逐渐下降。

利用相关函数(Pearson)分析树轮宽度年表与气候和NDVI的关系,并建立树轮宽度与NDVI的回归方程。为评价气候重建效果,采用逐一剔除检验方法进行验证,计算的统计量有方差解释量,符号检验,误差缩减值,效率系数等[22]。利用多窗谱分析对重建序列进行周期分析[23]。

2 结果

2.1 树轮宽度指数与气候、NDVI的关系

对树轮宽度差值年表与张掖气象站的月平均温度、月降水量和NDVI进行相关分析的结果表明,差值年表与上年7—9月降水量和当年5—7月降水量的相关关系十分显著,超过了95%置信水平;而差值年表与月平均温度的相关系数较低,没有通过95%置信水平的月份(图3)。从气候相关分析结果看,巴丹吉林沙漠南缘山地降水对于青海云杉生长的影响大于对温度的影响,这符合研究区处于干旱区的实际情况。从对降水相关看,研究区青海云杉生长与上年7月至当年6月的降水量最为相关(r= 0.728),这种相关关系是由树木生理过程所决定的。上年7月到当年6月包括了上年生长季末期、冬季树木休眠期和当年生长季,该时段降水偏多不仅有利于当年生长季中青海云杉树轮的生长,还将对次年树轮生长产生影响[24]。以上分析揭示降水是研究区青海云杉生长最为主要的气候限制因子。从图3中还可以看出,巴丹吉林沙漠南缘山地青海云杉当年生长季的NDVI与树轮差值年表相关性较好。从5月开始,青海云杉生长逐渐旺盛,占树轮宽度最主要部分--早材快速生长,NDVI与青海云杉树轮宽度相关系数也开始上升,并于6—7月达到最高,这说明树轮宽度变化与生长季内的NDVI变化存在显著关联。其中,树轮宽度差值年表与5—7月NDVI变化的联系最为紧密,相关系数为0.670,通过了99%显著性检验。同时,我们还发现5—7月NDVI变化与上年7月至当年6月的降水量也存在显著相关(r=0.457,p<0.05)。在降水量相对充足,土壤水分的胁迫作用减弱的情况下,良好的水分条件会促进青海云杉叶片的光合作用,导致NDVI值上升,增加青海云杉光合作用所产生的积累量,从而使得青海云杉径向生长增加,形成较宽的树轮。反之,则会有较低的NDVI值和较窄树轮。因此,研究区青海云杉树轮宽度变化在可以反映巴丹吉林沙漠南缘山地降水变化的同时,也能够揭示逐年生长季内NDVI的变化。

2.2 NDVI重建

基于巴丹吉林沙漠南缘山地区域树轮宽度差值年表与生长季的NDVI具有很好的相关关系,我们利用巴丹吉林沙漠南缘山地区域树轮宽度差值年表重建生长季的5—7月NDVI值,得到重建方程:

NDVI=0.12×RC+0.02,(1)

其中,NDVI为生长季5—7月的平均值,RC为巴丹吉林沙漠南缘山地区域树轮宽度差值年表。方程方差解释量达到44.9%,调整后的解释方差为42.5%。根据重建方程(1),并基于子样本信号强度(SSS)>0.85的阀值[25],重建了巴丹吉林沙漠南缘山地1765—2010年间的5—7月NDVI序列变化。图4为校准期1982—2006年间由区域树轮差值年表重建的5—7月NDVI与实测值的对比,二者表现出很好的一致性。利用逐一剔除法对重建方程进行稳定性检验,结果显示其误差缩减值和效率系数分别为0.358和0.333,一阶差相关系数为0.48,达到了99%置信水平(表2),符号检验也达到95%置信水平。以上检验结果说明重建方程稳定可靠。3.3NDVI重建序列特征

对巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI序列进行15年低通滤波处理,显示在1765—2010年间,NDVI经历了10个高值期和10个低值期,植被生长较好的时期有:1772—1787年,1798—1804年,1823—1829年,1839—1848年,1866—1875年,1885—1911年,1935—1946年,1951—1958年,1969— 1984年和2005—2010年。植被生长较差的时段有:1765—1771年,1788—1797年,1805—1822年,1830—1838年,1849—1865年,1876—1884年,1912—1934年,1947—1950年,1959—1968年和1985—2004年,其中1912—1934年这23 a植被生长最差(图5)。20世纪初以来的NDVI年际波动幅度和时间间隔明显高于之前的时段。从20世纪80年代末期以来,区域NDVI有显著上升趋势。在这246 a间植被生长最好的10 a为:1786年,1790年,1855年,1888年,1889年,1899年,1955年,1980年,1982年,2010年。最差的10年为:1789年,1895年,1925年,1926年,1928年,1950年,1957年,1962年,1981年,1986年。另外,NDVI重建序列存在着显著的周期性变化,主要的振荡准周期有11.4年,8.1年,4.9年,3.4年和2.4年。上述准周期变化与腾格里沙漠东缘贺兰山北部的3—7月帕尔默干旱指数重建序列周期变化具有良好的一致性[26],这说明同处亚洲戈壁沙漠南缘的两者受类似的气候波动影响。

4 讨论

将NDVI重建序列介于Mean(平均值)±σ(标准差)值之间的范围视为巴丹吉林沙漠南缘山地植被正常生长变化,把NDVI

NDVI重建序列2.4~4.9 a的变化周期可能与ENSO有关[30]。在本NDVI重建序列中发现的11.4年变化周期说明了区域植被生长变化不仅受到干旱胁迫的影响,同时还受到太阳活动影响[27]。交叉小波分析也进一步证实区域NDVI变化与太阳黑子活动的11年周期波动有着显著关联(图6)。

现代气候观测资料证实研究区气候主要受到西风活动控制。研究区降水重建结果也发现研究区降水与太平洋海温、大西洋海温有着紧密关联,并深受西风和东亚夏季风交互作用影响[5,31]。我们从NDVI重建序列中挑选有气候资料记录(1948—2010年)的5个最高值和6个最低值年份,绘制出5—7月500 hPa矢量风场距平合成图(图7)。在NDVI值偏高年份,中纬度西风输送增强,亚洲戈壁沙漠地区受到西风气流控制,同时来自低纬地区的湿润气流能够更加深入内陆,导致巴丹吉林沙漠南缘山地降水偏多,从而缓解干旱压力,促进研究区青海云杉生长。相反,在NDVI值偏低年份,中纬度西风气流偏南,亚洲夏季风偏弱,研究区主要受到亚洲戈壁沙漠腹地干燥气流控制,干旱气候加重了干旱压力,不利于青海云杉生长。以上分析也佐证了研究区气候和植被生长变化受到了西风和亚洲夏季风共同作用,其中西风驱动的气候变化在研究区气候环境变化中起到了主导作用[32-36]。最近30年来NDVI上升趋势的发生与中国西北西部暖湿化相同步[32-35],这说明两个地区很可能具有类似的水汽来源,并与西风活动有着紧密联系[5,26]。这一暖湿化趋势为研究区脆弱的生态环境改善提供良好的气候条件,这不仅直接反映在降水和湿度得到增加方面,同时在促进区域植被生长,改善生态效应方面得到了体现。

5 结论

(1)巴丹吉林沙漠南缘山地近246 a的5—7月的NDVI经历了10个植被生长良好阶段和10个植被生长较差阶段,其中NDVI重建序列中的低值与河西走廊地区极端干旱事件有对应关系。

(2)巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI重建序列存在11.4,8.1,4.9,3.4和2.4 a的变化准周期,与同处亚洲戈壁沙漠南缘的贺兰山北部地区树轮气候序列的周期具有良好的一致性。同时,交叉小波分析证实太阳黑子活动对于区域NDVI值变化有着重要影响大。

(3)5—7月500 hPa矢量风场距平表明巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI与区域气候变化有着显著作用。通过矢量风场距平分析发现,巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI主要受到西风变化的影响,当西风增强时,降水有可能增加,有利于青海云杉生长,同时也与季风气流活动有着显著相关。

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Reconstruction of Regional NDVI Using Tree-ring Width Chronology in the Southern Edge of the Badain Jaran Desert,Northwestern China

CHEN Feng1,2,YUAN Yujiang1,ZHANG Ruibo1,YU Shulong1
(1.Xinjiang Laboratory of Tree-ring Ecology/Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration,Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 830002,China;2.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems(MOE),Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

A regional tree-ring chronology of Picea crassifolia spanning 1765-2010 was developed from the southern edge of the Badain Jaran Desert,northwestern China.The climate/NDVI response analysis shows the regional tree-ring chronology have a good correlation(r=0.670)with May-July NDVI.Based on the regional tree-ring chronology,we developed a May-July NDVI reconstruction of the southern edge of the Badain Jaran Desert for the period AD 1765-2010.The NDVI/treegrowth model accounts for 44.9%of the observed NDVI variance during the period 1982-2006.Ten high NDVI periods(NDVI values higher than the average of reconstruction)and ten low NDVI periods(NDVI values lower than the average)was found during 1765-2010 respectively,and reflected the strong-weak changes of the Westerlies.There is a reasonable agreement with climatic extremes previously estimated from documentary records in northwest China.The results reveal common climatic extremes over much of Gansu.Many of these events have had profound impacts on the peoples of the Hexi Corridor over the past several centuries.The multitaper method(MTM)spectral analysis indicates the existence of 11.4 years,8.1 years,4.9 years,3.4 years and 2.4 years cycles,which may potentially be the fingerprints of some proposed climate change forcings. Preliminary analysis of links between large-scale climatic variation and the NDVI reconstructions shows that there is a relationship between extremes in NDVI reconstruction and anomalous atmospheric circulation in the region,and revealed that the westerlies have the great effects on the NDVI changes of the study area.

Badain Jaran Desert;tree-ring;NDVI reconstruction;westerlies

P467

B

1002-0799(2015)04-0001-07

陈峰,袁玉江,张瑞波,等.基于树轮宽度的巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI重建与分析[J].沙漠与绿洲气象,2015,9(4):1-7.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.001

2014-11-07;

2015-05-30

科技部公益性行业(气象))科研专项“沙漠地区历史气候变化序列重建研究”(GYHY201206014);中国沙漠气象科学研究基金“树轮记录的新疆东部近300年干湿变化及其与周边地区之关联”(Sqj2013015);中央级基本科研业务费项目“基于树轮密度的秦岭中西部温度的重建和分析”(IDM201105)共同资助。

陈峰(1982-),男,副研究员,主要从事树木年轮与气候变化研究。E-mail:feng653@163.com

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