近四十年北半球高纬度地区陆地植被变化特征

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泛北极地区位于北半球高纬度地区,主要属于低温限制型生态系统,因而泛北极地区植被对全球变暖敏感,气候变暖导致北半球高纬度地区土地覆盖类型和植被碳储量发生了巨大变化。气候变暖整体上促进了北极植被的生长,林线北移和苔原地区的灌木化已经成为事实。不同植被类型对气候变化的响应存在差异,要明确北半球高纬度陆地生态系统对全球变暖响应过程和机理,就需要高精度的植被类型分类数据作为基础资料。但是,目前泛北极地区植被数据的结果年份少、精度低、空间小。主要原因包括植被野外调查实测数据较少和分布不均、植被类型分类标准不一、苔原植被群落的异质性大、制图技术和分类算法优化困难等。为更好地探讨泛北极地区植被类型分类变化与气候的关系,本文研究内容主要包括以下两部分:(1)使用GLASS-GLC全球土地覆盖产品和CRU TS气象产品对40°N以北地区陆地植被变化进行分析,并探讨了植被对气候变化的响应。结果表明:随着大面积草地向森林和灌丛转移,森林和灌丛面积增加。从1982年到2015年,冰雪、苔原和草地大幅度减少。虽然大约277.3×10~3 km~2的裸地(占1982年总裸地面积的6.2%)变为苔原,但同时部分苔原转变为森林和草地。苔原的NDVI值显著增加,而灌木则呈下降趋势。生长季(6~9月)温度与森林、苔原、草地和耕地的NDVI值正相关系数最大。然而,由于灌木区的灌木化过程和植物死亡,灌木NDVI与年均气温呈负相关,与月均温呈正相关。研究结果表明,高纬度地区土地覆被类型变化明显,不同土地覆被类型的NDVI值对气候变化的响应不同。总体趋势是灌丛和林线向北移动,而不同土地覆盖类型和植被生长对气候的响应过程是未知的。因此,选择了纬度高于40°N的陆地区域作为研究区域,基于动态网格比较了1982~2015年间土地覆盖类型的变化,探讨了不同土地覆盖类型的NDVI值与气温和降水之间的关系。(2)由于北极植被群落结构复杂,使用全球土地覆盖产品无法有效解释植被的响应变化,因此,本研究对北半球高纬度地区的植被产品进行了改进。通过对全球生物多样性数据库GBIF中存储的植物物种样点数据进行筛选,按照植被群落结构和物种组成对样点进行叠加分析,得到了可用的训练数据。基于机器学习对植被分布进行模拟,并生产出1982~2020年新的植被数据集。结果显示模型的整体精度为83.50%,高于2019年发表的北极植被图CAVM的分类精度(70%)。从本产品的模拟结果看出,由于不同冻土类型区的土壤水热条件不同,植被生长也受到不同程度的影响。对于连续多年冻土带和部分降水条件良好的低北极地区,苔藓植物的面积总体呈现增加趋势,降水的增加导致低洼积水地区苔藓植物和禾本科植物对灌木的入侵。在气温变暖背景下,禾本植物逐渐生长到土壤贫瘠的裸地和山体基岩。非冻土区中温度较高,极端干旱事件和人类影响,导致了部分地区森林和灌木的死亡,但总体而言,森林和灌木的面积呈现显著的增长趋势。
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