基于樹木年輪的呼圖壁河流域草地歸一化植被指數(shù)重建1)

高衛(wèi)東 袁玉江 張瑞波

(濟南大學(xué)，濟南，250002) (中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所))

全球氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響及陸地生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)是全球變化研究的重要內(nèi)容［1］。遙感數(shù)據(jù)可以為植被監(jiān)測和地表覆被變化研究提供更好的手段。INDV(Normalized Difference Vegetation Index)是根據(jù)植被反射波段特性計算得到的歸一化植被指數(shù)，它能較好地反映植被綠度及生長狀況［2］。至今人們已經(jīng)總結(jié)出40余種植被指數(shù)，但是，由于INDV可以消除大部分與儀器定標、太陽高度角、地形、云陰影和大氣有關(guān)輻照度的變化，增強了對植被的響應(yīng)能力。因此，INDV是目前應(yīng)用較廣泛的植被指數(shù)，并且被廣泛地用于植被-大氣相互作用診斷的研究領(lǐng)域。

高分辨率的樹木年輪資料具有定年精確、連續(xù)性強、分辨率高和易于取樣等特點，在全球變化和環(huán)境研究方面，樹木年輪分析已成為重要的技術(shù)途徑［3］。它不僅可以制成年輪年代表，用作判定年代，而且年輪狀況可以作為環(huán)境變動的“記錄器”，探討歷年各種環(huán)境因子，甚至季節(jié)的變化。樹木年輪寬度數(shù)據(jù)提供了有關(guān)樹木生長對氣候變化的響應(yīng)，可以評估森林凈第一性生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，PNP)和驗證來自其它凈第一性生產(chǎn)力模型得出的結(jié)論［4］。如果樹木年輪資料能夠可靠地預(yù)測植被INDV的變化，它就可能成為用于研究重建植被變化新的代用指標。已有研究發(fā)現(xiàn)年輪指數(shù)與INDV值有很好的相關(guān)關(guān)系，在西伯利亞阿拉斯加，樹木年輪寬度與最大晚材密度和森林INDV均呈正相關(guān)［5-6］。在西伯利亞，樹輪寬度變化趨勢與森林生長季INDV變化趨勢有很好的空間相關(guān)關(guān)系［7］。Kaufmann等［8］發(fā)現(xiàn)，在北美中高緯度地區(qū)和亞歐大陸樹木年輪與6、7月份森林的 INDV變化相關(guān)。Wang J等［9］研究發(fā)現(xiàn)，橡樹的樹輪寬度與同生長季整個區(qū)域的INDV值有非常好的相關(guān)關(guān)系。袁玉江利用樹輪年表重建和預(yù)測了天山北坡牧草產(chǎn)量［10］;梁爾源等研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)蒙古東部和青藏高原東北部生長季草地INDV與樹木年輪寬度有重要的相關(guān)關(guān)系［11］;何吉成等［12］在德令哈的研究也發(fā)現(xiàn)，生長季草地INDV與樹木年輪指數(shù)密切相關(guān)。在國內(nèi)針對樹木年輪與INDV關(guān)系的研究較少，針對新疆地區(qū)樹木年輪的研究也多集中在氣候重建、同位素分析等方面，為此，文中利用新疆的樹木年輪資料，結(jié)合遙感資料研究樹木年輪指數(shù)與生長季草地INDV之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)自然概況

呼圖壁河流域地處 86°5'～87°8'E，43°7'～45°20'N，流域南北長258 km，東西寬40 km，總面積為10 255 km2。流域處在中緯度西風(fēng)帶控制之下，屬溫帶干旱氣候。境內(nèi)光熱條件良好，四季分明，平原地區(qū)平均氣溫6.7℃，年降水量167 mm，無霜期180 d，全年日照總時數(shù)3 090 h，穩(wěn)定在10℃以上的年有效積溫為3 553℃。呼圖壁河上游山區(qū)支流呈樹枝狀分布，兩岸有一級支流30條，其中10條支流源頭在冰川和永久積雪區(qū)，其余支流皆源于中、低山區(qū)，主要靠季節(jié)性積雪消融和夏季降水補給［13］。研究區(qū)草地面積38.46萬hm2，占土地面積的43.5%;未利用土地28.45萬hm2，占土地面積的32.17%。

2 材料與方法

樹輪采集:樹木年輪資料取自天山北坡中部的呼圖壁河流域，共設(shè)6個采樣點，均位于原始森林，海拔2 167～2 606 m。每個采樣點采集樹木20株以上，每株鉆取樣芯2根(圖1、表1)，采樣樹木是森林帶林緣區(qū)立地條件較差的和石崖上的雪嶺云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)，采樣年份為 2003年。氣象資料取自呼圖壁氣象站，所用資料為1960—2003年月降水量。

圖1 樹輪采樣點和氣象站分布示意圖

表1 呼圖壁河流域樹木年輪資料來源地的基本概況

樹木年輪年表的研制均遵循以下過程:1)按照樣本的基本處理程序，對樹輪樣本進行干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度為0.001 mm的輪寬測量儀和MeasureJ2X程序進行輪寬測量;2)用國際年輪庫的COFECHA定年質(zhì)量控制程序進行交叉定年的檢驗，以確保每一生長年輪具有準確的日歷年齡;3)采用ARSTAN年表研制程序完成樹輪寬度年表的建立。

考慮到重建的可靠性，本文氣候重建序列起始年代取年表子樣本信號強度SSS(subsample signal strength)＞0.85，在此時段有足夠的樣本量，即保證樣本量的變化對樹輪寬度指數(shù)序列方差的影響不大，又保證定年的準確和量測的寬度有總體代表性。將研究區(qū)域所有標準化年表取SSS＞0.85，截齊后進行互相關(guān)分析，起止年代為1662—2001(n=340)。互相關(guān)表明，除BIG、AYS和KYS相關(guān)僅通過0.05的顯著性檢驗外，其余年表兩兩相關(guān)均通過0.01的顯著性檢驗，表明這3個年表對區(qū)域的代表性可能較差，因此，在進行樹輪對INDV重建的過程中將此3個年表剔除。

草地INDV的數(shù)據(jù)采用經(jīng)過輻射校正和幾何粗校正的NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)源(1981—2001)，再進一步對每日、每軌圖像進行幾何精校正、除壞線、除云等處理，進而進行INDV計算及合成。計算公式為INDV=1 000×(b2-b1)/(b2+b1)，式中:b1、b2為AVHRR的第1、2通道。計算完成后再對結(jié)果影像兩兩比較，選出INDV最大的值作為研究對象。本文所用的NOAA/AVHRR-NDVI是每15 d合成的最大化INDV數(shù)據(jù)，分辨率為8 km，結(jié)合2000年全國土地利用數(shù)據(jù)，利用Erdars、ENVI等軟件提取研究區(qū)生長季草地月最大INDV值。

3 結(jié)果與分析

3.1 INDV的變化特征及與降水量的關(guān)系

西北地區(qū)的植物生長期一般在5—10月。從呼圖壁河流域多年平均逐月INDV的變化(圖2)可以看出，研究區(qū)的INDV在1—3月和11—12月幾乎沒有變化，維持在全年的低值水平，表明這些時段植被基本停止生長。從4月開始，研究區(qū)降水量增加，INDV開始上升，從 0.32 增長到 5 月的 0.48;6、7、8 月份依然保持較高的降水量，INDV增加迅速，7月份達到全年的最大值(0.73)，8月依然維持INDV的高值，7、8月份是植被生長最為繁茂的時期;隨后INDV減小，植被開始枯萎。年內(nèi)變化上，研究區(qū)多年INDV變化基本一致，與研究區(qū)降水的年內(nèi)分布一致，說明該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的地上生物量受降水的影響較大，降水量與INDV的相關(guān)系數(shù)為0.695，降水量對INDV的影響有所滯后(圖2)。

圖2 呼圖壁河流域植被INDV變化與降水量的關(guān)系

3.2 INDV與樹輪指數(shù)的關(guān)系及INDV序列重建

在天山山區(qū)開展的大量的樹木年輪研究表明，這一區(qū)域樹木和草地生長主要的限制因子是降水，特別是在春季、夏末和秋初，短命植被對降水的反應(yīng)極為敏感，故本文選取研究區(qū)草地INDV值進行重建。研究發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)INDV最大值、最小值、均值以及極差中，與樹木年輪資料相關(guān)性最好的是草地INDV最大值。通過對呼圖壁河流域標準化年表和生長季草地最大INDV的分析發(fā)現(xiàn)，當年生長季草地最大INDV與樹木年輪指數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，干旱區(qū)草地對氣候影響的反映相對于樹木比較靈敏，草地最大INDV對降水量的增減反映可以很快體現(xiàn)出來，而樹木的生長往往存在滯后現(xiàn)象。夏末、秋初草地最大INDV與樹輪指數(shù)的相關(guān)性較好，賽熱克巴依薩依(SRK)、希熱克久熱特(SRK)和希勒木布爾克(XLM)3個標準化年表與生長季草地最大INDV相關(guān)系數(shù)分別為 0.61、0.82 和 0.75，這也反映了在夏末、秋初草地對降水的反應(yīng)較靈敏。通過檢驗和重建的計算發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)9月INDV最大值與所選年表有很好的相關(guān)性，重建結(jié)果可靠，所以本文選取研究區(qū)草地9月INDV最大值與相關(guān)較好的3個標準化年表進行重建。

將呼圖壁河流域草地9月最大INDV與相關(guān)較好的3個標準化年表序列進行多元回歸分析，最終得到最佳轉(zhuǎn)換函數(shù):

INDV9=0.123-0.106TSRK+0.198TXRK+0.04TXLM。

式中:INDV9為呼圖壁河流域1662—2001年(共340 a)草地9月最大 INDV重建值;TSRK、TXRK、TXLM分別代表賽熱克巴依薩依、希熱克久熱特和希勒木布爾克當年的標準化年表。由該方程可以重建呼圖壁河流域草地9月最大INDV值(圖3)。重建方程的相關(guān)系數(shù)達到0.86，校準期內(nèi)，重建值對實測值的方差解釋量為73.0%(調(diào)整自由度后的方差解釋量=0.69)。檢驗值為:F(3，16)=17.21，達到 0.000 012的顯著性水平，重建方程具有較好的穩(wěn)定性，重建結(jié)果是可靠的。有遙感觀測資料以來的該流域草地最大INDV值與重建值比較表明，二者具有很好的一致性(圖4)，INDV重建值與陳峰等［14］研究得出的呼圖壁河流域的草地最大INDV重建值與高衛(wèi)東等［15］得出的天山北坡的降水重建值也有很好的一致性(圖5)，INDV重建值與天山北坡的降水重建值相關(guān)系數(shù)可以達到 0.74。

圖3 呼圖壁河流域草地1662—2001年9月最大INDV重建

圖4 呼圖壁河流域草地9月最大INDV的重建值和實測值

結(jié)合濾去小于8 a的高頻周期振動的低通濾波(圖6)和11 a滑動平均值(圖3)，對重建的9月草地INDV序列進行階段分析發(fā)現(xiàn):1662—2001年間，研究區(qū)9月草地INDV大概經(jīng)歷了9個持續(xù)時間較長的偏高階段和9個偏低階段，草地生長較好的時期有1684—1700、1723—1739、1772—1780、1801—1817、1827—1851、1895—1905、1878—1882、1923—1959、1994—2001，草地生長較差的時期有1669—1683、1701—1722、1740—1751、1787—1800、1818—1826、1852—1877、1883—1894、1906—1922、1960—1993。從《新疆通志》的氣象志和相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)中可以了解到，新疆民國初年延續(xù)了清末的冷濕氣候，1917—1929年暖干階段的中后期天山山區(qū)降水量增加，1930—1940年為冷濕階段。在20世紀40年代的短暫暖干期內(nèi)，新疆北疆地區(qū)干旱加劇，蝗災(zāi)頻發(fā)，1943、1944、1948年的年 INDV值偏小，INDV重建值的1701—1722年偏干階段和1923—1959年偏濕階段與之對應(yīng)。

圖5 呼圖壁河流域1662—2001年9月草地月最大INDV重建值與天山北坡1662—2001年降水重建值的關(guān)系

圖6 呼圖壁河流域1662—2001年9月草地月最大INDV重建值距平

3.3 草地重建INDV序列的檢驗

為了進一步檢驗樹輪INDV重建值的穩(wěn)定性和可靠性，采用國際年輪研究中常用的“逐一剔除法”進行交叉檢驗?！爸鹨惶蕹ā钡木唧w實施過程為:在校準期中，剔除其中某一年的值，建立回歸方程，然后將所剔除年的年表值代入此方程，得到相應(yīng)年份氣候要素的估計值。重復(fù)上述過程，直至得到整個重疊時段氣候要素的估計序列，并與實測值進行對比，用以檢驗回歸方程的穩(wěn)定性。利用“逐一剔除法”，從相關(guān)系數(shù)R1、一階差相關(guān)系數(shù)R2、符號檢驗值S1、一階差符號檢驗值S2、誤差縮減值RE和乘積平均數(shù)t等幾個方面對重建方程進行交叉檢驗。如果這些檢驗統(tǒng)計量中某幾個能通過檢驗，誤差縮減值大于0.3，則說明該重建方程是穩(wěn)定的，由其重建的降水量是可靠的。方程檢驗值分別為:R1=0.681，R2=0.65，S1=29/40，S2=32/41，RE=0.473，t=5.979，各重建方程的符號檢驗值均通過99%的置信度檢驗;RE值大于0.3，可見重建方程是穩(wěn)定可靠的，可以利用原方程重建天山北坡中部過去338 a的降水量變化。

4 結(jié)論

利用天山北坡中部呼圖壁河流域6個標準化年表，篩選出有區(qū)域代表性的3個年表，結(jié)合1981—2001年NOAA-AVHRR-NDVI資料提取研究區(qū)生長季草地各月最大INDV值。分析發(fā)現(xiàn):當年生長季草地最大INDV與樹木年輪指數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，夏末、秋初草地月最大INDV與樹輪指數(shù)的相關(guān)性較好。將呼圖壁河流域草地9月最大INDV與相關(guān)較好的3個標準化年表序列進行多元回歸分析，重建了1662—2001年研究區(qū)9月草地最大INDV值，重建方程的相關(guān)系數(shù)達到0.86，重建值對實測值的方差解釋量為73.0%(調(diào)整自由度后的方差解釋量0.69)，達到0.000 012的顯著性水平。將有遙感觀測資料以來的該流域草地最大INDV值與重建值比較表明，二者具有很好的一致性，重建結(jié)果通過檢驗，是可靠的。

結(jié)合低通濾波和11 a滑動平均值對重建的9月草地INDV序列進行階段分析發(fā)現(xiàn):1662—2001年間，研究區(qū)9月草地INDV經(jīng)歷了9個持續(xù)時間較長的偏高階段和9個偏低階段。從《新疆通志》的氣象志和相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)中查證，1930—1940年為冷濕階段，在20世紀40年代的短暫暖干期內(nèi)，新疆北疆地區(qū)干旱加劇，蝗災(zāi)頻發(fā)，1943、1944、1948年的年INDV值偏小，INDV重建值的1701—1722年偏干階段和1923—1959年偏濕階段與之對應(yīng)。

致謝:NOAA/AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)下載于國家自然科學(xué)基金委“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http://westdc.westgis.ac.cn”。

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