基于遥感监测的青藏高原植被物候及其对水分利用效率影响的时空变化特征

论文摘要

全球变暖作为全球面临的重大生态环境问题之一,已经严重影响了全球生态系统碳水循环过程。植被物候作为全球气候变化最直观、最敏感的综合指示器,直接或间接调控生态系统植被碳水循环等过程。青藏高原作为对全球气候变化高敏感性区域之一,其独特的生态系统植被类型和水热条件对我国乃至东南亚的生态以及水资源安全具有重要的屏障作用。因此,探讨青藏高原植被物候及其生态系统碳水循环对气候变化的响应对评估高原生态系统对全球变化的响应具有重要意义。本研究首先基于2000-2017年MODIS NDVI和SPOT NDVI数据利用四种动态阈值法提取了青藏高原不同自然带中不同植被类型的生长季开始期（SOS）、峰值期（POS）、结束期（EOS）和生长季时长（LOS）,利用线性回归模型和冗余分析定量探讨了高原植被物候的年际变化特征及其对温度和降水响应的敏感性;然后基于MODIS总初级生产力（GPP）和蒸散发（ET）产品数据,结合植被光合模型模拟的GPP和修订后的遥感蒸散发模型模拟的ET探讨了青藏高原不同植被类型春季、夏季、秋季以及全年GPP、ET以及水分利用效率（WUE）的时空分布特征;最后利用前向选择分析定量评估了高原植被GPP、ET以及WUE年际变化对物候的响应机制和程度。主要结论如下:（1）青藏高原植被物候及其年际变化趋势呈现明显的区域差异。高原东部植被的生长季开始期早于150天之间,结束期晚于300天,生长季时长大于180天;高原西部植被的开始期要晚于180天,而结束期一般发生在九月前期,致使其生长季时长多小于100天。整个青藏高原植被生长季开始期显著提前（-0.41 days year-1,P<0.01）,结束期显著延迟（0.47 days year-1,P<0.01）,生长季时长显著延长（0.88 daysyear-1,P<0.01）,而峰值期无显著变化。整个研究区不同植被类型的生长季开始期、结束期和生长季时长均显著变化,但不同自然带中不同植被类型的物候变化仍存在明显差异,其中高原荒漠植被的物候变化速率最快,高原北部柴达木山地荒漠地带（ⅡD2）中荒漠植被生长季开始期的提前速率为-1.15 daysyear-1（P<0.01）,结束期的延迟速率为 1.47 daysyear-1（P<0.01）,致使其生长季时长以3.06 days year-1（P<0.01）的速率显著延长;高原草甸植被的物候变化速率最小,整个研究区草甸植被的生长季开始期、结束期和生长季时长的变化速率分别为-0.24、0.24和0.49 days year-1,显著性P均小于0.01;高原针叶林、阔叶林、灌丛以及草原植被的生长季开始期、结束期和生长季时长的变化速率介于两者之间,生长季峰值期均无显著变化。（2）基于冗余分析定量探讨了温度和降水对高原植被物候年际变化的贡献率,结果表明整个研究区植被生长季开始期的年际变化受春季平均温度的显著负向影响（22.40%,P=0.05）,峰值期受夏季累计降水的显著正向影响（20.70%,P=0.05）,结束期受秋季平均温度的显著正向影响（47.10%,P<0.01）,生长季时长受年平均温度和累计降水的共同显著正向影响（47.80%和12.40%,P<0.05）。然而高原不同自然带中不同植被类型物候年际变化对温度和降水的响应差异明显,其中高原中西部草甸和草原植被的生长季开始期、结束期和生长季时长的年际变化主要受平均温度的显著影响,其中春季平均温度对高原草甸和草原植被生长季开始期的年际变化的条件效应的解释率分别为22.50%和18.00%,秋季平均温度对生长季结束期的解释率分别为50.00%和44.00%,年平均温度对生长季时长的解释率分别为54.90%和39.80%,显著性P均小于0.05。高原东部针叶林、落叶阔叶林以及灌丛生长季开始期和结束期的年际变化受平均温度和累计降水的共同显著影响,此外高原常绿阔叶林的生长季开始期只受春季累计降水的显著影响（27.40%,P<0.05）,高原荒漠植被生长季时长的年际变化只受年累计降水的显著影响（38.40%,P<0.05）。对于高原植被的生长季峰值期,高原针叶林、阔叶林、落叶灌丛和草甸植被的生长季峰值期的年际变化主要受夏季累计降水的显著正向影响,而常绿灌丛、草原以及荒漠植被生长季峰值期的年际变化对夏季累计降水和平均温度均无显著响应。（3）青藏高原植被基于MODIS产品以及模型模拟的GPP和ET及其年际变化趋势均呈现明显的东西梯度差异,高原东部植被的GPP和ET明显大于高原西部植被,而WUE无明显的区域差异,仅高原东北部以及西部的少数植被的WUE高于高原中部植被。研究期间整个高原植被不同季节以及全年GPP和ET均呈增加趋势,其中全年MODIS GPP和模型GPP的增加速率分别为1.25和2.13 gC m-2 year-1,MODIS ET 和模型 ET 的增加速率分别为 2.70 和 2.25 mm year-1,显著性P均小于0.05。高原不同自然带中不同植被类型的GPP、ET和WUE呈现不同的年际变化趋势,其中整个研究区除草原植被外其它植被类型的春季GPP均显著增加,而高原东部针叶林、阔叶林和灌丛植被的夏季、秋季以及全年MODIS GPP变化趋势不显著,但是高原东北部青海祁连东部山地草原与针叶林地带（ⅡC2）中针叶林、阔叶林和灌丛植被的全年GPP以及高原西部草原和荒漠植被的夏季、秋季以及全年GPP均显著增加。青藏高原阔叶林GPP的增加速率最快,其中高原ⅡC2自然带中落叶阔叶林的全年MODIS GPP增加速率为4.79 gC m-2 year-1（P<0.01）,高原西北部昆仑高寒荒漠地带（ⅠD1）中荒漠植被的全年MODISGPP增加速率最小（0.46 gC m-2 year-1,P<0.05）。青藏高原东部针叶林、阔叶林和灌丛植被以及高原西北和北部的荒漠植被的不同季节和全年ET均呈现显著增加趋势,同样高原阔叶林的ET增加速率最快,其中高原ⅡC2自然带中落叶阔叶林的全年MODISET增加的速率为6.57 mmyear-1（P<0.05）。青藏高原中西部草甸和草原植被不同季节以及全年ET呈不显著的增加趋势。青藏高原植被GPP和ET的同向作用使得高原植被的WUE变化不显著,整体而言高原东部以及东北部针叶林、阔叶林和灌丛等植被的WUE减小,而高原中西部草甸和草原植被的WUE增大,其中高原东部ⅡC2自然带中针叶林、阔叶林和灌丛以及高原北部ⅡD2自然带中荒漠植被的夏季和全年WUE显著减小。（4）基于冗余分析定量评估了高原植被GPP、ET和WUE年际变化对物候响应的贡献率,结果表明整个高原植被春季GPP、ET和WUE的年际变化受生长季开始期的显著影响,高原植被生长季开始期的提前使得高原植被的春季GPP和ET同时增加,由于GPP的增加程度大于ET,导致植被的春季WUE增大,此外高原植被的全年GPP和ET的年际变化受生长季时长的显著正向影响,生长季时长作为主控因子对其年际变化的条件效应的解释率分别为10.30%和41.30%,显著性P均小于0.05。青藏高原不同自然带中不同植被类型GPP、ET和WUE的年际变化对植被物候变化的响应不同,（a）对于春季GPP、ET和WUE,虽然高原西部草甸和草原植被主要受春季平均温度的显著影响,但是高原针叶林、灌丛以及荒漠植被的春季GPP年际变化受春季温度和生长季开始期的共同显著影响,此外生长季开始期作为主控因子对高原落叶阔叶林和常绿阔叶林春季GPP年际变化的解释率分别为69.6%和61.2%,显著性P均小于0.05;高原不同植被类型的春季ET的年际变化均受生长季开始期的显著影响;高原不同植被类型的春季WUE主要受春季平均温度的显著影响,然而高原荒漠植被春季WUE同样受生长季开始期的显著影响（21.90%,P<0.01）。（b）高原大部分植被类型的夏季GPP和ET的年际变化主要受夏季平均温度的显著影响,但是高原落叶阔叶林和常绿阔叶林夏季GPP年际变化受生长季峰值期主控,生长季峰值期作为主控因子对其年际变化的解释率高达49.70%和42.70%。（c）高原大部分植被类型的秋季GPP的年际变化受秋季平均温度主控,秋季ET受秋季累计降水主控,导致高原植被的秋季WUE受温度和降水的共同显著影响,然而高原草原以及荒漠植被秋季GPP的年际变化同时受生长季结束期的显著影响（62.1%和69.7%,P<0.01）,此外生长季结束期作为主控因子对高原落叶阔叶林和常绿阔叶林秋季GPP年际变化的解释率分别43.7%和32.9%,对秋季ET的解释率分别为38.3%和37.8%,显著性P均小于0.05。（d）高原植被生长季时长对全年GPP和ET均具有显著正向影响,但是高原东北部针叶林、阔叶林和灌丛以及高原西南部分草原植被的年均WUE对生长季时长的响应为多为模式Ⅳ,即RWUE<0,RGPP>0且RET>0,而高原中部草甸和草原植被多为模式Ⅰ,即RWUE>0,RGPP>0且RET>0。前向选择表明高原落叶阔叶林、草原以及荒漠植被全年GPP的年际变化受生长季时长的显著影响,生长季时长作为主控因子对其年际变化的解释率分别44.70%、64.70%和89.3%,显著性P均小于0.01,此外高原不同植被类型全年ET的年际变化均只受生长季时长的显著影响。综上所述,青藏高原气候暖湿化显著影响植被物候,导致高原植被的生长季开始期提前,结束期延迟,生长季时长延长,进而显著增加了高原植被不同季节以及全年GPP和ET。虽然GPP和ET的同向作用使得高原植被的WUE变化趋势不显著,但高原不同植被类型不同季节以及全年WUE对物候的响应显著,并表现出不同的响应模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词索引
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 植被物候的遥感检测和提取
•     1.2.2 植被物候对气候变化的响应
•     1.2.3 植被水分利用效率及其对物候和气候变化的响应
•   1.3 研究内容与技术路线
• 第2章 数据与方法
•   2.1 研究区概况
•   2.2 研究数据
•     2.2.1 遥感植被指数数据
•     2.2.2 气象数据
•     2.2.3 基础地理数据
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 NDVI数据预处理
•     2.3.2 基于NDVI的物候提取
•     2.3.3 基于VPM模型的GPP计算
•     2.3.4 基于RS-PM模型的ET计算
• 第3章 青藏高原植被遥感物候的时空变化特征
•   3.1 生长季开始期的时空变化特征
•     3.1.1 生长季开始期的空间分布
•     3.1.2 生长季开始期年际变化的空间分布
•     3.1.3 不同植被类型生长季开始期的年际变化
•   3.2 生长季峰值期的时空变化特征
•     3.2.1 平均生长季峰值期的空间分布
•     3.2.2 生长季峰值期年际变化的空间分布
•     3.2.3 不同植被类型生长季峰值期的年际变化
•   3.3 生长季结束期的时空变化特征
•     3.3.1 平均生长季结束期的空间分布
•     3.3.2 生长季结束期年际变化的空间分布
•     3.3.3 不同植被类型生长季结束期的年际变化
•   3.4 生长季时长的时空变化特征
•     3.4.1 平均生长季时长的空间分布
•     3.4.2 生长季时长年际变化的空间分布
•     3.4.3 不同植被类型生长季时长的年际变化
•   3.5 本章小结
• 第4章 青藏高原植被遥感物候对气候变化的响应
•   4.1 青藏高原气候变化特征
•     4.1.1 气候年际变化的空间分布
•     4.1.2 不同自然带气候的年际变化
•   4.2 生长季开始期对气候变化的响应
•     4.2.1 生长季开始期与春季温度和降水的相关性分析
•     4.2.2 生长季开始期的主要影响因素分析
•   4.3 生长季峰值期对气候变化的响应
•     4.3.1 生长季峰值期与夏季温度和降水的相关性分析
•     4.3.2 生长季峰值期的主要影响因素分析
•   4.4 生长季结束期对气候变化的响应
•     4.4.1 生长季结束期于秋季温度和降水的相关性分析
•     4.4.2 生长季结束期的主要影响因素分析
•   4.5 生长季时长对气候变化的响应
•     4.5.1 生长季时长与年均温度和降水的相关性分析
•     4.5.2 生长季时长的主要影响因素分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 青藏高原植被水分利用效率对物候变化的响应
•   5.1 青藏高原植被水分利用效率的空间分布特征
•     5.1.1 总初级生产力的空间分布
•     5.1.2 蒸散发的空间分布
•     5.1.3 水分利用效率的空间分布
•   5.2 青藏高原植被水分利用效率的年际变化特征
•     5.2.1 总初级生产力的年际变化特征
•     5.2.2 蒸散发的年际变化特征
•     5.2.3 水分利用效率的年际变化特征
•   5.3 青藏高原植被水分利用效率对物候的响应分析
•     5.3.1 水分利用效率与物候的相关性分析
•     5.3.2 水分利用效率对物候的响应模式分析
•     5.3.3 水分利用效率对物候响应的定量评估
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 主要创新
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 研究期间主要成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 程敏

导师: 江洪

关键词: 全球变化,植被物候,总初级生产力,蒸散发,水分利用效率,青藏高原

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 生物学,工业通用技术及设备,自动化技术

单位: 南京大学

基金: 科技部国家科技基础条件平台项目“国家地球系统科学数据共享服务平台”(2005DKA32300),国家自然科学基金(3153007,41601442,51709179),南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划

分类号: TP79;Q948

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000130

总页数: 174

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