【摘 要】
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地表植被作为陆地生态系统的关键组成成员,在能量交换、水循环和碳循环中起着重要作用。青藏高原是世界上海拔最高的高原,其生态系统敏感脆弱,高寒草地和冻土面积分布广泛,是我国重要的生态安全屏障。高原冻土变化带来的环境变化直接影响着植被生长的水热条件,然而大多数研究中利用气象站点插值数据参与分析,忽略了冻土环境变化引起水热条件改变对植被生态系统的重要影响,利用遥感数据获得的地表温度和再分析土壤水分数据弥补
【基金项目】
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国家自然科学基金(41801099); 第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0307、2019QZKK0307);
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地表植被作为陆地生态系统的关键组成成员,在能量交换、水循环和碳循环中起着重要作用。青藏高原是世界上海拔最高的高原,其生态系统敏感脆弱,高寒草地和冻土面积分布广泛,是我国重要的生态安全屏障。高原冻土变化带来的环境变化直接影响着植被生长的水热条件,然而大多数研究中利用气象站点插值数据参与分析,忽略了冻土环境变化引起水热条件改变对植被生态系统的重要影响,利用遥感数据获得的地表温度和再分析土壤水分数据弥补了这一不足。在此背景下,本文基于MODIS-NDVI数据、地表温度、表层土壤水分等数据,提取春季植被返青期和年NDVImax,研究2001~2019年青藏高原冻土区植被不同生长阶段的动态变化特征及其对水热因子的响应,对生态系统水源涵养和保护具有重要意义。主要研究内容和成果如下:(1)基于MODIS-NDVI数据,通过动态阈值法提取青藏高原植被返青期,并分析其年际变化、空间分布和趋势变化特征。结果表明:青藏高原不同冻土区年际植被返青期均呈提前趋势;在空间分布上,西部植被返青期迟于东部,不同水热组合条件下植被返青期分布差异较大;在变化趋势中,植被返青期的变化率主要在-1.2~1.4d/a之间,呈提前趋势面积占比最多的是过渡型冻土区,推迟趋势面积占比最多的是季节性冻土区;在海拔差异变化中,随海拔升高植被返青期均值逐渐推迟,2500m以上高程区间植被返青期以不显著提前趋势为主。(2)使用SG滤波和MVC方法获取2001~2019年青藏高原NDVImax,并分析其时空动态变化特征。结果表明:青藏高原不同冻土区年际NDVImax均呈升高趋势;在空间分布上,NDVImax呈由西北向东南逐渐增加的特点,不同水热组合条件下NDVImax值存在较大差异;在变化趋势中,青藏高原NDVImax整体以改善为主,其中改善趋势面积占比最大(78.77%)的是亚稳定型冻土区,退化趋势面积占比最大(39.36%)的是季节性冻土区;不同高程区间的NDVImax均以改善趋势为主。(3)采用偏相关分析和趋势分析方法,结合地表温度和表层土壤水分数据,探讨不同时期水热因子对植被返青期和NDVImax的影响,并分析与植被返青期和NDVImax相关性最强时期水热因子的时空变化特征。结果表明:青藏植被返青期与第105~168天地表温度和表层土壤水分相关性最大,在第81~144天之前地表温度对植被返青的影响大于土壤水分,而之后土壤水分对植被返青的影响更大;青藏高原地表温度(第105~168天)整体以0.04℃/10a速率升高,土壤水分(第105~168天)平均值为0.335m~3·m-3。青藏高原全年平均地表温度和6-8月的土壤水分对NDVImax的影响最大;年地表温度(全年)整体以0.14℃/10a的速率升高,土壤水分(6-8月)多年平均值为0.373m~3·m-3,以0.0032(m~3·m-3)/10a的速率减少。(4)基于识别出的相关性最强时期的水热因子,结合冻土类型分布数据,得出植被返青期与水热因子的响应关系。结果表明:青藏高原植被返青期与地表温度呈正、负相关的区域面积占比相差较小;与土壤水分的相关关系以负相关为主;整体上植被返青期受水热因子驱动的面积占比为12.66%,土壤水分对植被返青期的影响强于地表温度,研究区西部和东南部等区域的地表温度和土壤水分是影响植被返青期变化的主要原因。在不同冻土区,地表温度变化对亚稳定型冻土区植被返青提前的影响最大,土壤水分变化对季节性冻土区植被返青提前的影响最大。植被返青期受水热因子驱动面积占比最大(16.57%)的是季节性冻土区。(5)植被NDVImax与水热因子的响应关系结果表明:青藏高原植被NDVImax与地表温度和表层土壤水分分别呈负相关和正相关关系;整体上NDVImax受水热因子驱动的面积占比为25.9%,土壤水分对NDVImax影响强于地表温度,研究区西部和中部的地表温度和土壤水分变化是影响NDVImax变化的主要原因。与其他冻土类型相比,亚稳定型冻土区的NDVImax与地表温度和土壤水分呈正相关的区域面积占比均最大,季节性冻土区NDVImax与地表温度呈负相关的面积占比更大,不稳定型冻土区的NDVImax与土壤水分呈负相关的区域面积占比更大。季节性冻土区NDVImax受地表温度和表层土壤水分驱动面积占比最大(26.85%)。
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