中國(guó)東北多年凍土區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)

李昀赟 劉鴻雁

地表過(guò)程分析與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 北京 100871;? 通信作者, E-mail: lhy@urban.pku.edu.cn

約占北半球陸地面積 1/4 的多年凍土區(qū)主要分布在北半球中高緯度地區(qū)[1], 在全球平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)的背景下, 多年凍土區(qū)的升溫幅度更大,升溫速率是其他地區(qū)的兩倍[2-3], 對(duì)氣候變化的響應(yīng)十分敏感[4-5]。全球已有多地觀測(cè)到多年凍土面積縮減和凍土活動(dòng)層加深的現(xiàn)象[6-10], 多年凍土的邊界也明顯北移[11]。

一般認(rèn)為, 氣候變暖會(huì)促進(jìn)高緯度地區(qū)低溫限制的植被生長(zhǎng), 三十多年來(lái)高緯度地區(qū)植被活動(dòng)增強(qiáng)的事實(shí)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)[12-14]。有研究指出, 北半球高緯度地區(qū)升溫對(duì)植被生長(zhǎng)的影響是非線(xiàn)性的, 升溫對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用隨溫度升高而逐漸減弱[15-17], 部分地區(qū)植被生長(zhǎng)衰退甚至死亡, 可能與凍土活動(dòng)的變化有關(guān)[18-24]。隨著升溫趨勢(shì)進(jìn)一步持續(xù), 氣候變化如何影響北半球高緯度凍土分布區(qū)的植被生長(zhǎng)尚不明確。

中國(guó)高緯度多年凍土主要分布在東北地區(qū)北部[2], 屬北半球中高緯多年凍土區(qū)的南緣。研究表明, 受氣候變暖的影響, 中國(guó)東北地區(qū)的凍土正在逐漸退化[25-29]。本文基于遙感歸一化植被指數(shù)(NDVI), 探討中國(guó)東北多年凍土區(qū)的植被變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng), 試圖為預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化下這一地區(qū)植被生長(zhǎng)的變化趨勢(shì)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)東北多年凍土區(qū)位于歐亞大陸高緯度多年凍土分布帶東南緣, 其發(fā)育主要受氣候因素控制。隨著緯度增加, 多年凍土破碎化程度逐漸增加。根據(jù)第二代環(huán)極地凍土及地下冰數(shù)據(jù)庫(kù)資料[30], 該區(qū)凍土自北向南可以分為連續(xù)多年凍土(多年凍土連續(xù)性為 90%～100%)、島狀多年凍土(多年凍土連續(xù)性為 50%～90%)、稀疏多年凍土(多年凍土連續(xù)性為10%-50%)和非多年凍土/季節(jié)凍土(多年凍土連續(xù)性＜10%)4 類(lèi)。

中國(guó)東北多年凍土區(qū)是我國(guó)重要的原始林區(qū)之一, 植被類(lèi)型豐富[25-26]。其中, 連續(xù)多年凍土區(qū)有大片針葉林分布, 優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為興安落葉松(Larix gmelinii); 島狀多年凍土區(qū)除針葉林外, 也有草原分布; 稀疏多年凍土區(qū)和非多年凍土區(qū)分布著針葉林、草原和針闊混交林, 混交林中的闊葉樹(shù)種以白樺(Betula platyphylla)和蒙古櫟(Quercus mongolica)居多。根據(jù)凍土破碎化梯度和植被分類(lèi), 本研究將東北多年凍土分布區(qū)分為 9 個(gè)子區(qū)域進(jìn)行研究(圖 1(a))。

研究區(qū)地屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 過(guò)去 40年來(lái)溫度呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)[31]; 降水波動(dòng)變化不大, 近年來(lái)年降水量有增加趨勢(shì)(圖 1(b)和(c), 站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn/)。

圖1 研究區(qū)植被區(qū)劃與氣候特征Fig. 1 Vegetation zones and climate features in the study area

隨著氣溫的升高, 凍土地區(qū)的年平均地溫也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[32], 導(dǎo)致多年凍土區(qū)的凍土在一定程度上退化, 活動(dòng)層加深, 凍土面積縮減。沿著不同的凍土破碎化梯度, 氣候變化對(duì)植被的影響可能出現(xiàn)差異[33]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

植被指數(shù)是利用植物細(xì)胞中葉綠素對(duì)紅光和近紅外吸收反射的不同, 通過(guò)波段組合表達(dá)植被信息的遙感指數(shù)。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)指示植被覆蓋和植被生長(zhǎng)[27],計(jì)算方式如下:

其中, NIR 為近紅外波段的反射值,R為紅光波段的反射值。NDVI 值介于-1 ～ 1 之間, 數(shù)值越大表示植被覆蓋度越高。本研究采用的生長(zhǎng)季 NDVI 數(shù)據(jù)來(lái)自 GIMMIS 工作組的 NOAA AVHRR 第三代數(shù)據(jù),時(shí)間跨度為 1982—2014 年, 時(shí)間分辨率為 15 天,空間分辨率為 0.083°[28]。該數(shù)據(jù)集校正了傳感器改變和太陽(yáng)高度角的影響, 廣泛應(yīng)用于植被生長(zhǎng)相關(guān)研究中[29,34-35]。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)發(fā)布的《中國(guó)地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集》, 選用東北多年凍土區(qū) 30 個(gè)氣象臺(tái)站 1982—2014 年的月平均溫度和月降水量的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。

植被類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)自《1:1000000 中國(guó)植被圖集》[36]。

1.3 研究方法

采用最大值合成法(maximum value composite),將原始 NDVI 數(shù)據(jù)合并為月數(shù)據(jù)的最大值, 進(jìn)一步消除大氣和云量的干擾[37]。生長(zhǎng)季 NDVI 由 4—10月的NDVI 值累加得到。

根據(jù)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行 IDM 插值處理, 得到研究區(qū)域不同年份的月均溫和月降水量數(shù)據(jù), 獲取與 NDVI 數(shù)據(jù)分辨率一致的氣候要素圖。計(jì)算研究區(qū)內(nèi) NDVI 序列與生長(zhǎng)季均溫和降水量序列的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 NDVI 變化趨勢(shì)

在中國(guó)東北多年凍土區(qū), 基于 10 年滑動(dòng)平均的NDVI 年際變化率具有明顯的空間分布格局。沿著凍土破碎化梯度, 分析 3 種典型植被類(lèi)型(針葉林、混交林和草原)的 NDVI 年際變化趨勢(shì), 結(jié)果見(jiàn)圖 2。

圖2 NDVI 年際變化率(a)及顯著性水平(b)Fig. 2 Interannual change rate (a) and significance level (b) of NDVI

針葉林在不同凍土分區(qū)(C1～C4)均顯示增加趨勢(shì), 且集中生長(zhǎng)在多年凍土區(qū), 僅有極少部分分布在非多年凍土區(qū)。混交林的 NDVI 在稀疏多年凍土區(qū)(M3)呈現(xiàn)增加趨勢(shì), 在非多年凍土區(qū)(M4)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。草原 NDVI 的變化趨勢(shì)與混交林相反, 沿著凍土破碎化梯度(G2～G4), NDVI 由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)。

研究區(qū)像元的變化情況見(jiàn)圖 3, 可以看出, 1982—2015 年, 中國(guó)東北多年凍土區(qū) NDVI 有 63.57%的像元呈增加趨勢(shì), 36.40%的像元呈減小趨勢(shì)。其中,針葉林在連續(xù)多年凍土區(qū)(C1)增加比例最高, 有96.94%的區(qū)域均顯示 NDVI 增加。非多年凍土區(qū)針葉林(C4)區(qū)域面積較小, 不納入比較分析; 混交林在非多年凍土區(qū)(M4) NDVI 下降的比例最高, 達(dá)到61.77%, 出現(xiàn)明顯衰退; 草原在非多年凍土區(qū)(G4)活動(dòng)增強(qiáng)(圖 3)。

圖3 不同分區(qū)生長(zhǎng)季NDVI 像元變化率Fig. 3 Change ratio of pixels in different zones of NDVI during growing season

進(jìn)一步提取 NDVI 出現(xiàn)顯著變化的像元, 比較不同分區(qū)生長(zhǎng)季的 NDVI 年際變化率均值, 結(jié)果如圖 4 所示?？梢钥闯? 針葉林的增長(zhǎng)速度明顯高于其他植被類(lèi)型。隨著凍土破碎化程度增加, 針葉林的增長(zhǎng)速度從每 10 年增長(zhǎng) 0.016 減小到 0.010, 混交林由每 10 年增長(zhǎng) 0.011 到減少 0.006, 增速逐漸降低(忽略面積較小的非凍土區(qū)針葉林)。草原在非多年凍土區(qū)出現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)(0.008/每 10 年), 增速大于島狀多年凍土區(qū)(0.006/每 10 年)。草原在稀疏多年凍土區(qū)出現(xiàn)明顯衰退(-0.003/每 10 年), 衰退速度小于非多年凍土區(qū)的混交林(-0.006/每 10 年)。

圖4 不同分區(qū)生長(zhǎng)季NDVI 年際變化率均值Fig. 4 NDVI mean interannual change rate in growing season of different zones

2.2 NDVI 對(duì)氣候變化的響應(yīng)

2.2.1對(duì)溫度變化的響應(yīng)

中國(guó)東北多年凍土分布區(qū)植被 NDVI 與生長(zhǎng)季溫度的相關(guān)性分析結(jié)果(圖 5)顯示, 在不同凍土退化梯度上, 針葉林(C1～C4) NDVI 均對(duì)生長(zhǎng)季溫度表現(xiàn)出正響應(yīng); 多年凍土區(qū)混交林(M3)與溫度正相關(guān), 而在非多年凍土區(qū)(M4)負(fù)相關(guān); 草原在多年凍土區(qū)(G2～G3)對(duì)溫度響應(yīng)不敏感, 在非凍土區(qū)(G4)的響應(yīng)較為復(fù)雜?？傮w上, 多年凍土區(qū)針葉林和混交林受溫度限制, 非多年凍土區(qū)混交林和草原與溫度呈現(xiàn)顯著相關(guān)像元的比例較小。

圖5 NDVI 與生長(zhǎng)季溫度的相關(guān)性(a)及顯著性(b)Fig. 5 Correlation coefficient (a) and significance level (b) of NDVI and growing season temperature

2.2.2 對(duì)降水變化的響應(yīng)

研究區(qū)植被 NDVI 與生長(zhǎng)季降水的相關(guān)性分析結(jié)果(圖 6)顯示, 自北向南隨凍土破碎化加劇和凍土活動(dòng)層厚度加深, 針葉林(C1～C4)的 NDVI 與生長(zhǎng)季降水量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系; 草原在稀疏多年凍土區(qū)(G3)和非多年凍土區(qū)(G4)與降水存在顯著的正相關(guān)關(guān)系?；旖涣峙c生長(zhǎng)季降水的關(guān)系從多年凍土區(qū)(M3)的負(fù)相關(guān)變?yōu)榉嵌嗄陜鐾羺^(qū)(M4)的正相關(guān)。

圖6 NDVI 與生長(zhǎng)季降水量的相關(guān)性(a)及顯著性(b)Fig. 6 Correlation coefficient (a) and significance level (b) of NDVI and growing season precipitation

3 討論和結(jié)論

本文研究結(jié)果表明, 中國(guó)東北地區(qū)多年凍土分布區(qū) NDVI 有 63.57%的區(qū)域增加, 36.40%的區(qū)域減少, 總體上凍土區(qū)植被活動(dòng)增強(qiáng)。NDVI 顯著增加的區(qū)域集中在連續(xù)多年凍土區(qū)針葉林和非多年凍土區(qū)草原?；旖涣值?NDVI 在非多年凍土區(qū)顯著減少,在多年凍土區(qū)則顯著增加。由于凍土這一特殊生境的作用, 長(zhǎng)期的凍融循環(huán)也會(huì)受到持續(xù)升溫的影響,對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)和土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的改變[38-40]?；旖涣值倪w移可能與樹(shù)種對(duì)水熱條件的適應(yīng)性有關(guān)[41-44]。

中國(guó)東北地區(qū)針葉林在不同凍土退化程度下對(duì)氣候變化的響應(yīng)表現(xiàn)出一致性, 與生長(zhǎng)季溫度正相關(guān), 與生長(zhǎng)季降水負(fù)相關(guān)。我們認(rèn)為這與全球變暖背景下快速升溫導(dǎo)致的多年凍土加速融化有關(guān)。一方面, 由于隨溫度升高, 高緯度地區(qū)的低溫限制逐漸解除, 為樹(shù)木生長(zhǎng)提供了良好的生長(zhǎng)條件; 另一方面, 多年凍土層是不透水層, 降水與凍土融水在淺層地表下方和冰層上方蓄積, 降水對(duì)植被生長(zhǎng)的負(fù)作用可能與水分浸泡現(xiàn)象有關(guān)[45]。針葉林的主要組成樹(shù)種大多為淺根系, 當(dāng)降水量較大時(shí), 很可能導(dǎo)致植被根系被淹沒(méi), 根系進(jìn)行無(wú)氧呼吸, 從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。

混交林在多年凍土區(qū)與非多年凍土區(qū)對(duì)氣候的響應(yīng)出現(xiàn)明顯的差異, 對(duì)生長(zhǎng)季溫度由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān), 對(duì)降水從負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān), 可能與凍土活動(dòng)層深度差異導(dǎo)致的不同水分供給條件有關(guān)。俄羅斯凍土監(jiān)測(cè)研究結(jié)果顯示, 1997 年以來(lái), 隨著凍土活動(dòng)層深度增加, NDVI 與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)下降[46], 也進(jìn)一步佐證凍土是影響森林生長(zhǎng)響應(yīng)氣候變化的重要因素。草原 NDVI 對(duì)氣候的響應(yīng)情況與針葉林和混交林不同, 對(duì)溫度不敏感, 而與降水顯著正相關(guān), 說(shuō)明水分是草原植被的主要限制因子。

本文研究結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明, 凍土區(qū)氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響不僅表現(xiàn)為氣候條件的直接影響,凍土退化引起的活動(dòng)層深度增加也和引起水分和熱量的再分配, 從而影響植被生長(zhǎng)[33]。

在未來(lái)更劇烈的升溫情境下, 中國(guó)東北多年凍土區(qū)植被的空間異質(zhì)性可能會(huì)更加明顯。在氣候-凍土耦合影響下, 多年凍土融化產(chǎn)生的多余水分對(duì)樹(shù)木根系的浸淹風(fēng)險(xiǎn)會(huì)減弱, 針葉林和混交林會(huì)逐漸北移, 草原則可能更多地占據(jù)非多年凍土區(qū)。