秦岭山地植被时空动态变化特征及其响应因子研究

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随着全球环境变化和生态问题的日益加剧,地表植被成为区域生态健康的鲜明指示因子,探究山地植被与气候变化时空耦合关系对揭示气候变化对区域植被动态的影响、地理国情监测和区域生态保护具有重要的指示意义。本文基于秦岭地区32个气象站点的数据研究了2000—2018年该地的气温、降水时空变化规律,结合同期的MODIS NDVI数据,研究了植被覆盖空间分布特征和时间变化趋势,统计了秦岭植被NDVI与气候变化的关系,并基于重构的MODIS NDVI数据提取了秦岭地区的物候始期、物候末期、生长季长度等物候参数,厘清其关键物候参数变化特征及物候始期、末期对气候变化的时空响应机制,旨在为应对全球变化和保障国家生态安全等问题提供科学指导和理论依据。主要取得以下研究结果和进展:(1)基于气象数据分析发现,2000—2018年期间,秦岭地区年均温度以0.56℃/10a的变化速率升高,年均降水以29.03mm/10a的速率缓慢增加,其中,四季气温均呈上升趋势;春秋两季的降水处于增长趋势,夏季和冬季的降水量有所减少;从空间分布来看,多年年均气温呈现随海拔升高气温降低的地理空间分布格局,降水空间分布表现出显著的差异性,与北坡相比,南坡的降水更多,但北坡的降水增长趋势大于南坡。(2)基于NDVI数据分析发现,年均植被NDVI值介于0.12~0.80之间,NDVI分布呈现“南坡>北坡,西部>东部,中间>两侧”的分布格局,区域差异和季节差异显著,高值区主要位于海拔较高区域和东部地区,低值区主要位于南北坡山麓等人口居住地带。夏季植被生长势最好,冬季植被覆盖度最低,春秋两季居于二者之间;时间尺度上,近19年秦岭地区植被覆盖以2.3%/10a的速率呈现波动上升趋势,其中,山地南坡的NDVI值和增加趋势均高于秦岭北坡,北坡的变化波动幅度大于南坡。秦岭四季NDVI变化差异明显,春季植被覆盖上升趋势最为强烈,变化速率为0.032/10a,夏季植被上升趋势最弱,为0.019/10a。(3)年尺度上,植被覆盖变化与气温和降水呈正相关的区域分别占总面积的20.62%和67.93%,环境变化的复杂性和多样性使得植被指数与气温和降水的相关性存在一定的差异,在空间分布上植被生长与气候因子出现正负相关共存的现象,植被生长受水热组合条件的共同影响;月尺度上,秦岭地区NDVI对月均气候因子的响应存在时滞效应,5、6月气温与同期气温和累积气温均呈负相关关系;秦岭植被降水存在1—6个月的滞后期,夏季的降水对地表植被的生长起着积极的作用。(4)基于植被遥感物候数据探究发现,秦岭地区生长季始期集中于60~102d,物候末期主要集中在315~345d,生长季长度集中在225~255d,空间上看,具有显著的垂直地带分布特征,随海拔升高,物候始期、末期、生长期长度分别呈延迟、提前和缩短趋势;时间尺度上,秦岭指被物候生长季初期以2.6d/10a的速率呈提前趋势,植被物候结束期以4.3d/10a的速率推迟,整个植被生长季呈波动增长趋势,速率为6.87d/10a;从植被物候的年际变化来看,生长季起始期62.25%的像元呈现提早趋势,物候末期53.42%的区域呈现延后趋势,59.18%的区域植被生长期长度延长,仅有5.12%位于中东部中高海拔区部分区域显著延长。(5)植被物候始期大部分区域与2—5月平均气温和降水呈负相关关系,分别占总面积的50.29%和65.24%;物候末期与8—11月平均气温和月降水量主要呈正相关关系,分别占总区域的66.63%和59.77%;冗余分析结果表明秦岭地区植被物候受当季和前期气候因子的共同影响,不同坡向物候变化对气候变化的响应程度有所差异,其中秦岭北坡物候始期主要受当年4月气温和上年12月降水影响,而秦岭南坡主要受当年3—4月气温和上年11月降水影响;北坡植被生长结束时间主要受当年9—10月气温和4月降水影响,而南坡主要受当年9—10月气温和5月降水影响。
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