青藏高原多年冻土区植被分布现状及变化分析

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青藏高原是一个经历了长期复杂地质作用过程的多阶段拼合体,拥有世界上最大面积的高海拔区域,被公认为“世界第三极”,具有独特的自然地貌单元,对气候变化敏感又属于生态脆弱带。随着近百年来全球气温逐年升高,广泛分布于青藏高原的多年冻土也存在严重的退化现象,而且根据现有研究表明这种趋势在21世纪仍将持续。多年冻土的退化,会导致位于其上的活动层厚度增加,进而改变土壤中的水、热环境,对青藏高原多年冻土区的植被生长和分布存在重要的影响作用。当该区域植被和土壤水、热状况发生变化时,又会通过下垫面对大气圈底部的环境产生反作用,进而影响到周边地区乃至全球的气候变化。同时,青藏高原多年冻土区的植被生长和分布发生改变时,又会通过自身生物量的增减影响到该区域的土壤有机碳含量,以至改变该区域碳的源汇效应。因此,研究青藏高原多年冻土区植被的生长和分布现状及其变化意义重大,不仅可以为研究气候变化提供理论支撑,还可以为青藏高原多年冻土区乃至全球的碳循环过程提供关键的数据基础。  基于此,本文首先利用GIMMS NDVI产品分析了1982年到2012年全球植被的平均值和变化趋势,发现青藏高原地区无论是在NDVI平均值方面,还是在31年的变化率上都有相对较小的数值,甚至与同样拥有大面积多年冻土的环北极地区相比,数值也较小。所以,相比全球其它区域,青藏高原地区的植被相对比较稀疏,生态环境也更加脆弱。同时,通过冻土分布图和植被类型图的一致性分析可知,有65.95%的区域属于多年冻土区和高山草甸一致的地段,因此青藏高原多年冻土区更有利于高山草甸类的植被生长和发育。  之后,利用青藏高原多年冻土区2009年9月到2013年9月的植被观测资料和遥感数据完成该地区小区域高分辨率(30m)和大区域低分辨率(1km)的植被制图结果。其中,小区域高分辨率的植被制图在玉树地区展开,通过面向对象的图斑分类方法和决策树分类规则完成的制图精度为49.32%;大区域低分辨率的植被制图研究区为整个青藏高原多年冻土区,主要通过决策树分类完成,最终的平均精度为74.5%。以上两种方法可以为以后不同尺度需求的植被制图研究提供一定的理论基础。  在得到青藏高原多年冻土区植被分布现状的结果后,利用均匀分布于该区域的8个研究区来分析植被生长变化受地理位置和植被类型的影响作用。通过分析1982年到2012年间,8个研究区中不同高寒植被类型(高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠)中NDVI在植物生长季(每年4月到10月)的变化率可知:在每个研究区中,不同植被类型条件下的NDVI变化速率基本相似;而在不同研究区中,即使是同一种高寒植被类型,其NDVI变化速率也不相同;同时,青藏高原多年冻土区中东部的研究区变化速率明显大于西部区域。因此,青藏高原多年冻土区植被生长变化状况的区域效应远大于植被类型效应。  此外,本文还对该区域碳的源汇效应做出研究。为保证代表植被特征的NDVI数据对当前和未来的植被生长状况有准确的预测,本文首先利用一元线性回归预测模型对NDVI数据做出扩展,使其时间序列覆盖1982年到2014年。这段时间青藏高原植被在生长季的生长存在增长趋势(0.0004yr-1,r2=0.5859,P<0.001)。因植被生长可以促进碳积累效应,所以青藏高原在这段时间属于碳吸收区。然后,利用扩展后的NDVI数据计算青藏高原多年冻土区的变化率后,通过统计关系计算获得2050年和2070年青藏高原多年冻土区的各种植被特征参数。同时,借助WorldClim数据中心当前、2050年和2070年的生物气候参数以及DEM数据,利用决策树分类方法完成当前、2050年和2070年4种情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)10种气候系统模式下青藏高原多年冻土区植被类型分布结果。最终结合野外调查获取的地下0-50 cm的土壤有机碳含量可知,该区域当前的碳储量为12.65 Pg。2050年和2070年青藏高原多年冻土区4种情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)地下0-50 cm的土壤有机碳含量则分别为12.12 Pg、12.25 Pg、12.38 Pg、12.49 Pg、12.23 Pg、12.32Pg、12.27 Pg和12.80Pg。因此,青藏高原多年冻土区在增温后,碳的汇效应明显减弱,全球变暖不利于该地区的“固碳”作用。  综上所述,青藏高原多年冻土区在1982年到2014年间,植被属于生长积累时期,在碳循环过程中做出“固碳”的贡献。同时,该区域植被在生长时受地理位置的影响效果远强于植被类型的作用。而随着全球温度上升,该区域在地下0-50 cm处的土壤有机碳含量会减少,很有可能会转变为碳排放区域。
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