基于日光诱导叶绿素荧光的黄土高原干旱监测研究

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随着气候变化的加剧,干旱的频率、持续时间以及发生范围都越来越严重。快速、准确地监测干旱的发生,探索植被光合对干旱的响应,以及气象因子对植被光合的影响对于保障我国农业生产的可持续发展具有重要意义。基于遥感的日光诱导叶绿素荧光(SIF)具有对干旱条件下区域植被光合作用进行早期监测和准确评估的潜力。本文选取黄土高原为研究区域,采用标准化降水蒸散发指数(SPEI)和土壤含水量描述黄土高原地区的干旱情况,同时利用GOSIF数据集表征不同植被的光合作用,结合植被指数以及生态系统总初级生产力(GPP)分析了黄土高原地区2007年典型干旱事件中SIF监测植被活动变化的能力,并对SIF捕捉干旱胁迫下GPP变化的能力进行了研究,最终研究了黄土高原地区2001-2017年生长季内(4-10月)植被光合作用对干旱的响应情况及其受气象因子的影响程度。研究主要得到以下结论:(1)植被指数在监测黄土高原地区干旱对植被活动的影响时存在一定的滞后和低估情况,而日光诱导叶绿素荧光SIF信号在时间变化和空间变化方面都能够比植被指数更为快速、准确地监测干旱对黄土高原地区植被活动的影响。SIFyield能够消除光合有效辐射的影响,对降水等水分条件的变化更加敏感。因此,SIF可以作为监测区域干旱发生及动态变化过程的重要指标。(2)GOSIF数据与通量站点GPP数据之间存在较强的线性关系,两者之间的决定系数R~2根据植被类型的不同依次为:落叶阔叶林(0.94)、常绿针叶林(0.91)、草甸(0.86)、耕地(0.85)以及热带雨林(0.67)。在黄土高原地区,GOSIF数据与VPM GPP遥感产品数据在空间分布上呈现一致性,SIF与GPP之间呈显著的线性相关关系(R~2=0.88),且其线性关系会随着干旱程度的增加而减弱。SIF能够比植被指数EVI更加准确地捕捉到干旱胁迫下植被GPP的变化,因此可以通过SIF数据进行干旱胁迫下植被GPP的估算。(3)黄土高原地区植被生长季内SIF和SPEI之间呈显著正相关关系的区域占比为87.8%,其中半干旱地区植被光合对干旱的响应程度较强(r=0.49),半干旱地区97.7%区域的植被SIF和SPEI之间表现出显著的相关性;半湿润地区植被光合对干旱的敏感性较低(r=0.34),半湿润地区84.5%区域的植被SIF和SPEI之间表现出显著的相关性。不同类型植被光合对干旱的响应程度也存在差异,其中草地对干旱响应的敏感性最高,响应最强的SPEI时间尺度为3-4个月;林地对干旱响应的敏感性最低,SPEI时间尺度为3-10个月。(4)黄土高原地区植被SIF与各气象因子之间存在显著的相关关系。其中,温度是影响黄土高原植被光合的重要气象因子,温度与黄土高原植被SIF呈显著正相关关系的像元占比约为98.9%;降水与黄土高原植被SIF呈显著正相关关系的像元占比约为99.2%,降水对黄土高原植被光合的影响随干旱程度的增加而增强,在干旱地区降水的影响作用最大;SIF与光合有效辐射呈显著正相关的像元占比约为72.8%,主要分布在黄土高原南部的半湿润地区。不同类型植被光合受不同气象因子的影响也存在差异,其中温度和降水在草地、耕地和荒漠植被生态系统中是影响植被光合最为重要的气象因子,而在林地生态系统中,光合有效辐射对植被光合的影响强于降水。
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