興安落葉松樹輪寬度指數(shù)與歸一化植被指數(shù)的關(guān)系研究

張楠 郭雪梅 張冬有

摘 要：為探究興安落葉松樹木徑向生長與歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的關(guān)系，從而了解樹木生長動態(tài)，本文運用1973—2018年塔河采樣點的興安落葉松、1982—2018年GIMMS NDVI（Global Inventory Modelling and Mapping Studies， 全球植被指數(shù)變化研究）數(shù)據(jù)集與研究區(qū)的氣候因子（降水量、月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫）進行相關(guān)分析。研究結(jié)果表明，樹輪寬度指數(shù)與6月、7月、6—7月平均氣溫顯著負相關(guān)（P<0.05），與6月、7月、6—7月平均最高氣溫顯著負相關(guān)（P<0.05）;NDVI與上年12月平均最低氣溫、月平均氣溫顯著負相關(guān)（P<0.05），與5月平均氣溫、平均最高氣溫、7月平均氣溫顯著正相關(guān)（P<0.05），NDVI與7月、8月、7—8月平均最高氣溫極顯著正相關(guān)（P<0.01）;樹輪寬度指數(shù)與當年7月NDV相關(guān)關(guān)系不顯著，與上年7月NDVI顯著正相關(guān)。從而得出 ，6—7月平均最高氣溫是樹木徑向生長的主要控制因子，7—8月平均最高氣溫是樹木冠層生長的主要控制因子，主干生長與冠層生長受控因子不同，冠層生長狀況與主干生長狀況不同。

關(guān)鍵詞：NDVI;樹輪寬度指數(shù);氣候因子;興安落葉松;樹木生長

中圖分類號：S716.3??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）01-0001-08

A Study on the Relationship between Tree Ring Width Index

and NDVI of Larix gmelinii

ZHANG Nan， GUO Xuemei， ZHANG Dongyou*

（Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold

Regions， Harbin Normal University， Harbin 150025， China）

Abstract：To explore the relationship between radial growth and NDVI （Normalized Difference Vegetation Index） of Larix gmelinii， and to provide reference for understanding tree growth dynamics， based on Larix gmelinii at Tahe sampling point from 1973 to 2018， GIMMS （Global Inventory Modelling and Mapping Studies） NDVI data set from 1982 to 2018 and climate factors （precipitation， monthly mean temperature， monthly mean minimum temperature， monthly mean maximum temperature） was analyzed in this paper. Results showed that? the tree ring width index was significantly negatively correlated with the mean temperature in June， July and June-July （P<0.05）， and significantly negatively correlated with the mean maximum temperature in June， July and June-July （P<0.05）. NDVI was significantly negatively correlated with the mean minimum temperature and monthly mean temperature in December last year （P<0.05）， significantly positively correlated with the mean temperature in May， the mean maximum temperature in May and the mean temperature in July （P<0.05）， extremely positively correlated with the mean maximum temperature in July， August and July-August （P<0.01）. There was no significant correlation between tree ring width index and NDV in July of that year， but a significant positive correlation between tree ring width index and NDVI in July of last year. It can be concluded that the mean maximum temperature from June to July was the main controlling factor of tree radial growth， and the mean maximum temperature from July to August was the main controlling factor of tree canopy growth. The control factors of trunk growth and canopy growth were different， and the growth status of canopy was different from that of trunk.

Keywords：NDVI; tree ring width index; climatic factor; Larix gmelinii; tree growth

0 引言

在全球氣候變化下的大環(huán)境下，陸地生態(tài)系統(tǒng)如何變化及其對氣候環(huán)境的響應(yīng)作用是氣候變化領(lǐng)域研究的核心問題之一[1]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分[2]，生長受到氣候、地貌等因子的影響。研究植被冠層生長與徑向生長間的關(guān)系，有利于明確氣候變化背景下樹木生長的動態(tài)變化，更好地了解樹木的生理機制以及為氣候變化提供參考依據(jù)[3]。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）是植物葉面由紅光（植被吸收）和近紅外（植被強烈反射）2個波段反射所合成的指數(shù)，能夠反映冠層的繁茂程度和植被覆蓋的動態(tài)變化[4]。且大量的研究結(jié)果顯示，NDVI與植被覆蓋度有較高程度的相關(guān)性，因此可用 NDVI來分析區(qū)域植被覆蓋度[5-6]。

近年來已經(jīng)有很多樹輪寬度與NDVI的關(guān)系研究。閆平等[1]研究發(fā)現(xiàn)樹木徑向生長與冠層生長受控因子不同，夏季溫度與樹輪寬度序列的關(guān)系為顯著正相關(guān)，上一年以及當年7月降水與NDVI序列顯著正相關(guān);柳凱茜等[7]研究發(fā)現(xiàn)樹木的整輪寬度和早材寬度、晚材寬度與氣候因子呈現(xiàn)不同的關(guān)系，與前一年NDVI呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，晚材寬度與當年4—5月NDVI呈顯著的負相關(guān)關(guān)系;張旭等[8]研究發(fā)現(xiàn)小興安嶺樹輪指數(shù)與當年7月NDVI顯著正相關(guān)，并且重建了過去NDVI變化系列，為過去發(fā)生的干旱事件提供依據(jù);郭艷飛等[9]研究發(fā)現(xiàn)森林上限與下限樹輪寬度指數(shù)與生長季、非生長季NDVI的相關(guān)性不同;汪青春等[10]分析了青海湖布哈河流域NDVI與樹輪寬度指數(shù)的關(guān)系，并重建了8月份NDVI的千年序列;賈飛飛等[11]研究騰格里沙漠南緣樹輪寬度指數(shù)與NDVI的關(guān)系，重建1804—2009年NDVI序列，為過去發(fā)生的極端旱災(zāi)事件提供了參考依據(jù);Vicente-Serrano等 [12]將西班牙不同環(huán)境條件下各種森林類型的樹木年輪生長和凈初級生產(chǎn)力結(jié)合起來，與NDVI數(shù)據(jù)相結(jié)合，探究不同森林生物群落的樹木年輪生長和植被活動的變化;Carlon等[13]采取墨西哥米卻肯州火山附近樹木，并且評估了海洋大氣指數(shù)和氣候響應(yīng)對樹木年徑向增長的影響;He 等[14]運用祁連圓柏的樹輪年表，研究樹輪寬度指數(shù)、NDVI和氣候資料之間的關(guān)系，并且重建了德令哈過去一千年的8月NDVI。

采樣點位于大興安嶺地區(qū)，已有很多學者對該地區(qū)的樹木年輪與氣候關(guān)系進行了研究[15-17]。這些研究大多是樹輪寬度指數(shù)與氣候因子的關(guān)系，該地區(qū)樹輪寬度指數(shù)與歸一化植被指數(shù)的關(guān)系研究較少，本文研究興安落葉松樹輪寬度指數(shù)、NDVI、氣候因子的內(nèi)在聯(lián)系，為陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)及影響提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇區(qū)域是大興安嶺地區(qū)的塔河縣，研究區(qū)域如圖1所示。大興安嶺地處我國東北部，氣候寒冷，是我國多年凍土主要發(fā)育的地區(qū)之一，由于大陸和海洋季風交替性影響，導(dǎo)致小氣候變化多端，局部氣候有顯著差異，在極地大陸氣團控制下，冬季氣溫極低、干燥而漫長。由于東北地區(qū)最近150年來的顯著氣候變暖和清朝開禁政策以來強烈的人為活動影響，東北地區(qū)凍土和寒區(qū)環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生了顯著變化[18]。塔河縣位于黑龍江省北部、伊勒呼里山北麓，地理坐標為：123°19′～125°48′ E，52°09′～52°23′ N。塔河縣地處北溫帶，屬寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫2.4 ℃，極端最高氣溫37.2 ℃（1992年），極端最低氣溫-45.8 ℃（1980年）。塔河縣氣候主要特征為：塔河縣降水主要集中在7月、8月，7月、8月也是一年中最熱的2個月，具有雨熱同期的特點。一年中冬季的最低溫度可達到-31.6 ℃，夏季的最高溫度25.7 ℃，氣溫年較差大，月平均最高氣溫與月平均最低氣溫相差15 ℃左右。根據(jù)已有的氣候信息，1973—2018年，塔河地區(qū)氣溫呈升高趨勢。年平均降水量大于400 mm，屬于半濕潤地區(qū)，降水量最多的年份為1982年，年總降水量可達到715 mm，降水量最少的年份為1986年，年總降水量317 mm，氣溫、降水的變化并不是很穩(wěn)定。為更直觀地理解該地氣候特征，制作該地區(qū)月均溫與月降水量、年均溫與年降水量示意圖，分別如圖2和圖3所示。植被以興安落葉松構(gòu)成的明亮針葉林為主， 主要林型有杜香-興安落葉松林、杜鵑-興安落葉松林、草類-落葉松林、泥炭蘚-真蘚-落葉松林等[19-20]。主要植物有的白樺 （Betula platyphylla） 、山楊（Populus davidiana） 、杜香（Ledum palustre） 、興安杜鵑 （Rhododendron dauricum）和越橘 （Vaccinium） 等[21] 。

1.2 數(shù)據(jù)的獲取及處理

NDVI數(shù)據(jù)采用荷蘭皇家氣象研究所提供的GIMMS NDVI（Global Inventory Modelling and Mapping Studies NDVI），全球清單建模和制圖研究NDVI數(shù)據(jù)（http：//climexp.knmi.nl）。時間序列為1982—2018年，數(shù)據(jù)均已經(jīng)過幾何校正、輻射校正和大氣校正等預(yù)處理。提取包含采樣點（52°22′08″～55°22′18″ N，124°46′47″～124°46′57″ E）的NDVI最大值數(shù)據(jù)集，并且生成1982—2018年1—12月份逐月NDVI序列以及5—9 月份生長季NDVI序列。氣象數(shù)據(jù)來源于塔河（52°21′ N，124°43′ E）氣象站，包含月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫和月降水量數(shù)據(jù)。選取NDVI數(shù)據(jù)與氣候數(shù)據(jù)重合年份2000—2018年進行皮爾遜（Person）相關(guān)分析，樹輪數(shù)據(jù)選取與氣候數(shù)據(jù)重合的1973—2018年進行相關(guān)分析。

2 研究方法

2.1 樹木年輪樣本采集及其年表特征

興安落葉松是本研究區(qū)的優(yōu)勢樹種之一。該樹種為強陽性樹種，適應(yīng)能力較強，壽命長，耐寒、耐旱力強[22]。該樹種對氣候變化極其敏感，每年都表現(xiàn)出明顯的年輪寬度變化[23]。取塔河地區(qū)落葉松的樹木年輪樣本，在該地區(qū)分別采取20株，采取樣本時使用內(nèi)徑為5.15 mm的生長錐于大約胸徑高處鉆取樣芯，一株樹鉆取兩根樣芯，分別從東部和北部鉆取，樣芯經(jīng)過晾曬、干燥、固定和打磨等后期處理。利用LINTAB樹木年輪分析儀對樹木年輪寬度進行測量，其次利用準確性檢驗（COFECHA）計算機程序?qū)y量后的樹輪樣本序列進行質(zhì)量檢驗和控制，消除定年和測量過程中的一些錯誤，剔除生長異常和相關(guān)性較差的樣本序列[24]。利用去除趨勢（ARSTAN）計算機程序根據(jù)趨勢的形式，通過擬合負指數(shù)曲線或水平線來消除交叉日期樹輪序列的趨勢。如果年輪系列顯示年齡趨勢，則使用負指數(shù)函數(shù)，如果年輪系列不顯示年齡趨勢，則使用水平線[25]。得到標準（STD）年表、差值（RES）年表、回歸（ARSTAN）年表。樹輪寬度指數(shù)是年輪實際測量寬度值與期望值的比值，在建立年表的過程中，通常采用統(tǒng)計學方法對測量的年輪寬度序列進行曲線擬合，由遺傳因子支配的、隨樹木年齡導(dǎo)致的樹木徑向生長減緩趨勢以及其他非限制因子造成的樹木生長波動可以消除，去除這些因素后，獲取主要限制因子制約造成的年輪寬度變化序列。落葉松樹輪寬度指數(shù)與樣本量如圖4所示。樹輪寬度指數(shù)代替了原年輪寬度序列，做進一步年輪氣候?qū)W分析。

從塔河地區(qū)落葉松年表統(tǒng)計特征發(fā)現(xiàn)，年表統(tǒng)計特征見表1，塔河地區(qū)的落葉松的信噪比和平均敏感度均較高，敏感度值反映了所含的氣候信息含量和氣候因子對樹木生長的限制作用，敏感度越大，氣候信息含量越多，相應(yīng)的非氣候噪音越少[26-27]。信噪比越大，氣候信息含量越大，樹木基本不受人為活動的影響，很好地記錄并反映了周圍環(huán)境變化。

2.2 相關(guān)分析法

確定樹木徑向生長與氣候要素之間的相關(guān)性。2個變量之間的Person相關(guān)系數(shù)定義為2個變量之間的協(xié)方差和標準差的商，公式為：

P=∑ni=1（xi-x）（yi-y）∑ni=1（xi-x）2∑ni=1（yi-y）2。

（1）

式中：P為相關(guān)系數(shù);xi與 yi分別代表了x和y在第i年的值;x和y表示平均值;n為樣本容量。

相關(guān)系數(shù)值為-1～1，正值代表變量間呈正相關(guān)關(guān)系，負值代表變量間呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對值越接近于1，變量間相關(guān)性越強。

3 研究結(jié)果

3.1 樹輪徑向生長與氣候因子的相關(guān)分析

因為考慮到樹木年輪生長存在滯后效應(yīng)，所以選取前一年6月至當年10月的氣候因子進行分析，列出相關(guān)系數(shù)顯著月份。利用大興安嶺地區(qū)塔河樹輪寬度標準年表與研究區(qū)的氣候因子進行相關(guān)分析（降水量、平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫），分析結(jié)果如圖5所示。由圖5得出，樹輪年表與降水量的相關(guān)性并不顯著，表明塔河的落葉松生長受降水影響較弱。樹輪年表與上一年7月份的月平均最低氣溫達到了顯著負相關(guān)（r=-0.296，P<0.05），與上一年9月份（r=-0.329，P<0.05）、當年6月（r=-0.318，P<0.05）、7月（r=-0.317，P<0.05）的平均氣溫顯著負相關(guān)，與6—7月平均氣溫顯著負相關(guān)（r=-0.413，P<0.01），與上一年9月（r=-0.348，P<0.05）、當年2月（r=-0.315，P<0.05）、6月（r=-0.382，P<0.05）、7月（r=-0.351）的月平均最高氣溫顯著負相關(guān)，與當年6—7月平均最高氣溫顯著負相關(guān)（r=-0.476，P<0.01）。

3.2 NDVI與氣候因子的相關(guān)分析

圖6為該研究區(qū)內(nèi)1982—2018年NDVI逐月變化，在7月出現(xiàn)最大值，12月和1月出現(xiàn)最小值。興安落葉松展葉子期在5—10月，符合逐月變化曲線。該地區(qū)NDVI逐月變化符合溫帶大陸性氣候特征，降水量主要集中在夏季，且夏季溫度高，樹木光合作用旺盛。

氣候與NDVI是相互反映的關(guān)系，植物生長過程中會受不同氣候因子的作用和影響，生長狀況與樹木生長環(huán)境中的各因子的綜合作用有關(guān)[7]。利用生長季NDVI均值與研究區(qū)氣候因子（月降水量、平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫）進行相關(guān)分析，分析結(jié)果如圖7所示，NDVI與降水量的相關(guān)性并不顯著。與12月（r=-0.471，P<0.05）、2月（r=-0.399，P<0.05）平均最低氣溫顯著負相關(guān)，與5月平均最低氣溫顯著正相關(guān)（r=0.335，P<0.05）;與12月平均氣溫顯著負相關(guān)（r=-0.362，P<0.05），與5月（r=0.394，P<0.05）、7月（r=0.368，P<0.05）平均氣溫顯著正相關(guān)，與8月（r=0.465，P<0.01）、7—8月（r=0.512，P<0.01）平均氣溫極顯著正相關(guān);與5月平均最高氣溫顯著正相關(guān)（r=0.341，P<0.05）與7月（r=0.457，P<0.01）、8月（r=0.555，P<0.01）、7—8月（r=0.584，P<0.01）平均最高氣溫極顯著正相關(guān)。

3.3 樹木徑向生長與NDVI的相關(guān)分析

興安落葉松樹高的生長期從5月下旬到9月中下旬。但快速生長在6月中旬至7月下旬[28]。而興安落葉松展葉在5月中旬，落葉在10月[29]。本文研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果不同，樹輪寬度指數(shù)與當年7月的NDVI值相關(guān)性不高，與前一年7月的NDVI在95%置信度水平下正相關(guān)（r=0.463，P<0.05）。興安落葉松的樹木冠層生長與徑向生長過程存在差異，但二者存在緊密的聯(lián)系。植物葉片進行光合作用合成營養(yǎng)成分，然后通過篩管運送到植物的各個部位，造成樹木的長高和加粗生長。在樹的生長過程中，細胞逐漸形成層，在樹葉以及枝干部分進行著細胞的有絲分裂，這樣細胞也會逐漸增多，葉子茂盛，主干粗壯。由于從根部吸收的養(yǎng)分和從葉片吸收的養(yǎng)分運輸速度不同，導(dǎo)致樹輪寬度指數(shù)與當年7月NDVI相關(guān)不顯著。

4 討論

4.1 樹木徑向生長、NDVI與氣候要素的響應(yīng)

大興安嶺地區(qū)的主要降水集中在6—8月份，這3個月的降水量占全年降水量的70%。但這 3個月的降水量與樹輪寬度指數(shù)、NDVI的相關(guān)性并不顯著，與郭艷飛等[9]、 王麗麗等[16]研究結(jié)果相同。造成這一情況的主要原因可能是：7—8月細胞的分列與伸長已經(jīng)基本完成，新葉片也發(fā)育成熟，進入了光合積累的階段，樹木的生長主要體現(xiàn)在晚材木質(zhì)細胞的加厚上[16]，晚材寬度在總輪寬度中占比較小。對于林冠層而言，6—8月生長所需要的水分主要由5月份供應(yīng)，所以與5月降水量的相關(guān)系數(shù)較其他月份的相關(guān)系數(shù)高。6—8月的降水量對冠層生長影響較弱，但是對土壤水分的存儲影響較大，影響來年的生長季前期階段[14]。

興安落葉松徑向生長、冠層生長與氣候因子的關(guān)系既存在一定的共性，又表現(xiàn)一定的差異性。6—7月平均最高氣溫是塔河落葉松徑向生長的主要限制因子，7月是全年溫度最高的月份，樹木的各項生理活動進入盛期，如果此時溫度過高，土壤中的水分蒸發(fā)加劇，導(dǎo)致可利用的水分減少，使樹木根系得不到充足的水分;如果溫度過低，樹木的各項生理活動就會變緩慢，也會使樹木的生長速度隨之變慢[22]。所以樹輪寬度指數(shù)與平均最低氣溫的相關(guān)性很弱，而與平均氣溫、平均最高氣溫的相關(guān)性強。NDVI與上年12月平均最低氣溫、平均氣溫、2月平均最低氣溫呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系。12月份開始進入冬季時期，一直到2月份，由于溫度過低，林冠層葉片不再進行光合作用，樹葉基本全部凋落。5月平均氣溫是落葉松冠層生長的限制因子，5月份的平均氣溫促進樹木冠層生長。5月溫度的升高可促進落葉松葉片發(fā)育，并且對光合作用起著重要作用。這與Sano等[23]的研究結(jié)果相同。NDVI與7月、8月、7—8月平均最高氣溫極顯著相關(guān)，7—8月是溫度最高的月份，也是葉片綠度最高的時期，此時葉片細胞分裂最為旺盛，光合作用較為強烈。與這與Coulthard等 [30]研究區(qū)域的高海拔林區(qū)的NDVI呈現(xiàn)相同結(jié)果。

4.2 樹木生長與NDVI的響應(yīng)

NDVI 與樹輪年表間的相關(guān)性有著明確的生理基礎(chǔ)[2]。植物的生長發(fā)育受外界環(huán)境和內(nèi)在因素的制約，具有一定的階段性和季節(jié)性，塔河地區(qū)落葉松的樹輪寬度與上年生長季的NDVI月平均值呈正相關(guān)，5—9月具有適合植被生長的環(huán)境條件，在此階段生長速率增大，并且到最快，產(chǎn)生較多的營養(yǎng)物質(zhì)，之后進入生長季的末期。植物沒有循環(huán)系統(tǒng)，樹木徑向生長的養(yǎng)分來源于葉片進行光合作用后產(chǎn)生的有機質(zhì)，以及土壤中的養(yǎng)分，共同作用產(chǎn)生的。樹葉吸收陽光進行光合作用，在葉片中合成葡萄糖，經(jīng)過生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化為樹木必需的營養(yǎng)物質(zhì)。持續(xù)地向樹木的器官運輸所合成的營養(yǎng)物質(zhì)，為樹木的生長發(fā)育提供能量或者存儲起來[7，31]。根莖將上一年多余的物質(zhì)貯藏起來，用于下一年樹木生長。因為落葉松徑向生長與冠層生長受氣候因子影響不同，導(dǎo)致塔河落葉松樹木年輪的生長與上一年7月NDVI的月平均值顯著正相關(guān)，此研究結(jié)果與柳凱茜等[7] 、商志遠等[32]研究結(jié)果相同。

本文只研究了月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫和月降水量對樹木生長的影響，沒有考慮到其他氣候要素對于樹木生長的影響，比如日照、相對濕度等，并且NDVI值代表的是植被覆蓋度，因為研究區(qū)內(nèi)既有林地又有草地，植被類型也有一定的差異，所以對樹輪寬度指數(shù)與NDVI關(guān)系進行研究時，也會受到一定的干擾。

5 結(jié)論

大興安嶺地區(qū)植被覆蓋率較高，被列入我國國有重點林區(qū)名單之中。在全球氣候變化的背景下，研究塔河縣落葉松生長對氣候因子的響應(yīng)，不僅為樹木生長動態(tài)提供參考依據(jù)，而且長時間序列的樹輪寬度指數(shù)為研究塔河地區(qū)過去的長期生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義，也有助于預(yù)測氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)和人類社會的影響。

NDVI與植被覆蓋度有很強的相關(guān)性，植物冠層的背景影響可以由NDVI反映。所以本文利用1982—2018年歸一化植被指數(shù)、1973—2018年樹輪寬度指數(shù)與月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫、月降水量進行相關(guān)分析，探討研究興安落葉松樹木徑向生長與NDVI的關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1） 塔河樹木年輪與6月、7月、6—7月份的月平均最高氣溫呈顯著負相關(guān)，樹木徑向生長的受控因子是6—7月平均最高氣溫。

（2） NDVI與7—8月最高氣溫呈極顯著正相關(guān)，樹木冠層生長的受控因子是7—8月平均最高氣溫。

（3） 塔河地區(qū)落葉松的生長受到降水的影響較弱，但是不排除樹木生長不受降水控制。

（4） 塔河地區(qū)的落葉松與當年7月NDVI相關(guān)性不顯著，與上年7月NDVI顯著相關(guān)。

【參 考 文 獻】

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