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随着全球气候变暖,东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化敏感,探讨多年冻土的退化及多年冻土区植被对全球变化的响应,分析多年冻土退化对植被的影响具有重要意义。本文探讨了多年冻土的南界变化以及冻土退化的分布与空间分异,同时分析了多年冻土区的气候环境因子的变化及多年冻土退化的影响因子。基于AVHRR和MODIS两种不同遥感数据源的NDVI数据建立了长时间序列的数据集,并用CASA模型模拟了近30年的植被NPP。通过分析两种植被生态参数的时空变化特征及其与气候等因子间的相关性,进而分析了多年冻土退化对植被生态参数的影响。通过研究得出以下结论:
(1)过去近30a多年冻土退化空间化表达
过去近30a间,随着时间的推移,0℃气温等值线和0℃平均地温等值线在纬度方向上逐渐北移。研究区中部等值线变化速率与东部和西部差异明显。随着时间的推移,温度的逐渐升高,.多年冻土南界向北移动的趋势明显。典型研究区内过去近30a间冻土退化49033km2,以0℃平均地温来划分多年冻土,计算典型研究区当前多年冻土面积为76384km2。典型研究区内分布的10个地温观测站点的平均地温显著上升。过去近30a间,大部分站点最大冻土深度呈下降趋势,冻土退化差异明显。东北多年冻土区多年冻土的退化主要受气候变化、和人类活动的影响。而气候变化和人类活动所造成的植被覆被变化以及地貌类型都是多年冻土退化的重要影响因素。随着全球环境变化,东北多年冻土区气候变暖、降水减少、太阳辐射和日照时数增加,加上土地利用/覆被显著变化,人类活动等诸多因子共同导致了东北地区多年冻土的显著退化。
(2)长时间序列(28年)NDVI数据拓展与NPP模拟
本文对AVHRR和MODIS两种数据源的NDVI数据融合应用,采用逐像元一元线性回归模型方法基于两种数据源的重合时间段的数据,用MODIS NDVI对GIMMS数据进行插补,建立了1982~2009的长时间序列的NDVI数据集。插补序列数据较好的通过了一致性检验。基于CASA模型的植被NPP模拟较好的完成了28a时间序列的模拟,模拟精度通过了验证。通过对植被NPP的年际变化趋势的分析和与其他研究的比较都很好的验证了模拟精度。
(3)NDVI和NPP28a时空演变规律
1982~2009年间东北多年冻土区存在:在年平均气温显著上升,年降水量显著下降、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升、CO2浓度及其年增长率显著增加的背景下,植被年最大NDVI呈显著下降(P<0.05)、植被NPP总体平均升高的年际变化趋势(P<0.01)。东北多年冻土区植被NDVI的空间差异明显,空间分布状态与地形和植被类型有很大关系。东北多年冻土区内主要植被类型的NDVI值依次降低的顺序是:阔叶林和针阔混交林>针叶林>灌丛>耕地植被>草甸草原、草甸和湿地植被>典型草原。逐像元趋势线分析法分析得出,28a间研究区植被NDV1变化趋势差异明显。空间变异系数分析得出相对变化较大的区域分布在呼伦贝尔典型草原区以及海拉尔地区草甸草原区,变异系数在0.1~0.4之间。全区植被28a间平均年NPP总量在623gC·m-2a-1。研究区内植被年NPP空间分布差异明显,1982~2009年间植被年NPP呈现先增加后降低的趋势,变化趋势回归系数通过99%置信度检验,趋势线分析得出变化分异的节点在1998年。
(4)植被生态参数对气候等环境因子变化的响应
研究发现:植被NDVI与年降水量间呈正相关关系,相关系数为0.779(P<0.01)。生长季的植被NDVI与降水相关性比与气温间相关性更明显。东北多年冻土区,降水对NDVI的影响大于气温。植被NPP与降水间的相关系数(0.686)明显大于植被NPP与气温间的相关系数(0.098)。逐像元相关分析得出,较温度而言,降水是生长季植被生长的主控影响因子。植被生态参数对气候变化的响应空间异质性明显。综合分析得出,1982~2009年间东北多年冻土区生长季NDVI和NPP的变化对降水变化的响应大于对气温变化的响应。土地利用变化通过改变土地覆被变化进而导致了植被NDVI和植被NPP发生变化,影响了植被NDVI和NPP在时间和空间上的分布特征。随着CO2浓度的不断升高和CO2浓度年增长率的不断增大,其对植被生长起到的施肥作用明显。
(5)多年冻土退化对植被生态参数的影响
多年冻土退化对寒区水文过程产生重要影响,短时间内,冻土退化为植被的生长提供了一定的可利用土壤水分,但对于较为干旱的区域及随着时间的推移,多年冻土退化造成了地表水的下渗、迁移和通过地表蒸散减少了土壤含水量,进而影响了植被的生长。同时,多年冻土退化影响了水循环,加大了地表径流,造成区域水量减少和土壤养分流失。多年冻土退化造成了土壤活动层加厚,加速了土壤有机物的分解。多年冻土退化对植被的影响主要体现在几个方面:植被覆盖度、植被生物量、植被生态群落组成与分布、生物多样性。多年冻土退化对于植被NDVI和NPP的影响随着区域环境的不同而互有差异。东北多年冻土区气温相对较低的北部地区植被NDVI与平均地温呈正相关关系,南部气温相对高的地区,NDVI与平均地温呈负相关。多年冻土区植被NPP与年平均地温呈正相关关系,而与年最大冻土深度呈负相关关系。