气候变暖背景下河西地区荒漠植被变化研究（1982-2013）

【摘要】：气候变暖给地球各个圈层带来了很大的影响,与生态环境密切相关,也显著影响着人类社会。植被作为陆地生态系统的主体,是全球物质循环和能量转换最活跃的因子,是气候和生态环境变化的指示器。荒漠生态系统结构简单,抗干扰能力差,能较快地响应外界环境变化。全球变暖背景下,对干旱地区荒漠植被进行监测与评价,有利于全面认识植被一大气相互作用,揭示气候变暖给陆地生态系统带来的影响,为荒漠生态环境调节与生态恢复提供科学依据。本研究基于“3S”技术,融合1982-2006年GIMMS NDVI数据和2000-2013年MODIS NDVI数据,反演1982-2013年甘肃省河西地区荒漠植被时空变化格局。基于MODIS NDVI遥感数据,构建荒漠植被物候期遥感监测模型,分析2000年以来河西地区荒漠植被返青期、枯黄期以及生长季长度时空变化格局。利用1982-2013年研究区主要气象站点数据,从水分(降水量)、热量(气温、≥0℃积温)和光照(太阳总辐射)三个方面,探讨气侯变暖对河西地区荒漠植被产生的影响。研究结果显示：一、1982-2013年河西地区荒漠植被时空变化格局河西地区荒漠植被生长状况纬度地带性和垂直地带性较为明显,生长季NDVI最大值(NDVImax)自低纬度向高纬度地区呈-0.022/1°N减小趋势,自低海拔向高海拔呈0.047×10-3/m增加趋势。1982-2013年40.51%的荒漠植被呈显著改善状态,5.96%的荒漠植被显著退化,NDVImax整体上呈显著的0.65×10-3yr-1增长趋势,非植被区面积逐渐减小。上世纪90年代后期到2000年初发生了荒漠植被明显退化的现象,荒漠植被改善趋势主要发生在最近10年。总体而言,1982-1999年(Ⅰ阶段)荒漠植被以保持稳定为主,2000-2013年(Ⅱ阶段)52.11%的区域呈显著改善趋势,但是也存在植被退化区面积增加的现象。Ⅰ阶段河西地区各流域荒漠植被均以保持稳定为主,Ⅱ阶段均以改善为主,西部疏勒河流域改善程度更为明显。疏勒河流域和石羊河流域荒漠植被改善区域主要发生在中下游地区,荒漠植被重心(WMC)以向流域中下游方向转移为主。1982-2013年,河西地区40.70%的典型荒漠植被呈极显著改善状况,高于山地荒漠植被18.45%,典型荒漠植被生长状况波动较大,Ⅱ阶段典型荒漠植被改善区和退化区面积百分比高于山地荒漠植被,退化区面积较Ⅰ阶段也有所增加。河西地区荒漠植被多年平均返青期为第127天(Ⅱ阶段),枯黄期为第295天,生长季长度169天。返青期表现出阶梯形分布特征,以黑河流域为界,东部荒漠植被返青期和枯黄期均晚于西部地区,中部地区物候期波动相对较大。返青期自低纬度地区向高纬度地区呈不显著推迟趋势,枯黄期呈显著的提前趋势。物候期海拔分异特征显示,1700 m以下返青期自低海拔向高海拔地区推迟且波动很大,1700 m以上荒漠植被返青期随海拔上升显著提前。2000-2013年河西地区荒漠植被返青期和枯黄期整体上呈不显著的-6.2 d/10a和-1.8 d/10a提前趋势,生长季长度呈不显著的2.77 d/10a增加趋势。石羊河和黑河流域荒漠植被返青期和枯黄期均以提前为主,疏勒河流域均呈推迟趋势,生长季长度石羊河流域增加最明显,其次为黑河流域,疏勒河流域没有明显的变化。此外,山地荒漠植被返青期和枯黄期的提前趋势、生长季长度的增加趋势较典型荒漠植被相对明显。二、气候变化对河西地区荒漠植被产生的影响1982-2013年河西地区气温整体上呈显著的0.50℃/10a上升趋势,尤其Ⅰ阶段呈显著的0.73℃/10a增温趋势,到Ⅱ阶段减缓为0.17℃/10a。1982-2013年河西地区降水量整体上呈不显著的4.37mm/10a上升趋势,但是由Ⅰ阶段的4.31mm/10a下降到Ⅱ阶段0.43 mm/10a,上世纪90年代后期出现急剧升温和降水量下降现象。Ⅱ阶段各季节升温速率较Ⅰ阶段减小,冬季平均气温呈负增长趋势。河西地区春季降水量Ⅰ Ⅱ阶段持续下降,冬季降水量持续增加,夏季降水量由Ⅰ阶段下降转变为Ⅱ阶段的增加状态,而秋季降水量由增加转变为减小趋势。1982-2013年河西地区≥0℃年积温呈显著的增加趋势,不同季节≥0℃积温增加趋势在Ⅱ阶段均有所减缓；1982-2013年太阳总辐射呈显著的增加趋势,Ⅱ阶段太阳总辐射变化并不显著。1982-2013年河西地区95%的荒漠植被NDVImax与3-8月份降水量呈正相关关系,其中呈显著或极显著正相关的区域分别占23.57%和25.7%,植被生长状况主要受降水量控制,尤其3-8月份累积降水量是荒漠植被生长的主控气候因子,气温对荒漠植被生长状况的影响相对较小。由于干旱少雨,当年降水量最大可能地被荒漠植被利用,一般情况下荒漠植被的生长状况对气温和降水量不存在跨年份的滞后响应效应。可能由于植被集中分布在水分条件相对较好的地区,降水量对疏勒河流域荒漠植被的影响较小。此外,可能由于山地荒漠植被植被耐旱能力较低,再加上受到地形等因素的影响,部分地区汇水条件差,因此降水量对山地荒漠植被的影响较典型荒漠植被明显。河西地区(Ⅱ阶段)春季降水量和冬季≥0℃积温是植被返青的主控气候因子,降水量增加或≥0℃冬季积温上升均有利于返青期提前。河西地区春季降水相对较少,春季气温上升可能导致蒸发量增加,土壤含水量减小,推迟返青期。而荒漠植被展叶初期太阳辐射的增加,有利于加强植被光合作用,加速其生长发育而提前返青期,但是整体上春季气温和太阳辐射对荒漠植被返青的影响不大。9月份降水量和温度的增加会促使植被枯黄期推迟,其中降水量的影响更为显著。降水量对黑河和疏勒河流域植被枯黄期的影响较石羊河流域明显。此外,9月份太阳辐射增加可能会使衰退阶段的荒漠植被呼吸作用增强而提前枯黄期,但是这种作用并不明显。8月份温度过高可能会加强植被蒸腾作用和呼吸作用,加速植被衰退过程而提前枯黄期,该现象在夏季温度较高的疏勒河流域相对显著。 【关键词】：气候变化 荒漠植被 NDVI 物候 时空变化格局 影响因子 河西地区
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948.1
【目录】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 研究背景15-18
• 1.1.1 气候变暖对生态环境的影响15-17
• 1.1.2 植被是气候变化的指示器17
• 1.1.3 遥感技术为植被监测提供了新手段17-18
• 1.2 研究进展18-23
• 1.2.1 植被NDVI变化及其对气候变暖的响应18-21
• 1.2.2 基于遥感监测的植被物候变化21-23
• 1.3 研究概述23-28
• 1.3.1 研究意义23-25
• 1.3.2 研究内容25-27
• 1.3.3 技术路线27-28
• 第二章 研究基础28-41
• 2.1 研究区概况28-33
• 2.1.1 地理位置28-29
• 2.1.2 气候条件29
• 2.1.3 土壤特点29-30
• 2.1.4 水文条件30-31
• 2.1.5 植被概况31-33
• 2.2 数据收集及预处理33-38
• 2.2.1 NDVI数据来源及重建33-36
• 2.2.2 NDVI时序数据插补融合36-37
• 2.2.3 气候、DEM、植被数据37-38
• 2.3 主要的数据分析方法38-41
• 2.3.1 趋势分析法38
• 2.3.2 气候要素突变点检测38-39
• 2.3.3 简单相关和偏相关分析39-40
• 2.3.4 格兰杰因果检验40-41
• 第三章 1982-2013年河西地区荒漠植被NDVI_(max)时空变化格局41-58
• 3.1 河西地区荒漠植被NDVImax多年覆盖特征41-43
• 3.1.1 荒漠植被多年覆盖特征41
• 3.1.2 荒漠植被空间分异规律41-43
• 3.2 河西地区荒漠植被NDVImax年际变化趋势43-46
• 3.2.1 非植被区面积变化趋势43
• 3.2.2 河西地区及其各流域荒漠植被变化趋势43-45
• 3.2.3 不同荒漠植被变化趋势45-46
• 3.3 河西地区荒漠植被NDVImax空间变化格局46-55
• 3.3.1 荒漠植被重心转移46-50
• 3.3.2 荒漠植被空间变化格局50-52
• 3.3.3 不同时段荒漠植被空间变化格局52-55
• 3.4 小结55-58
• 第四章 2000-2013年河西地区荒漠植被物候变化58-82
• 4.1 植被物候期遥感监测模型58-61
• 4.2 模拟结果及误差评估61-65
• 4.2.1 多项式拟合精度验证61-62
• 4.2.2 物候期提取结果对比62-64
• 4.2.3 误差分析64-65
• 4.3 荒漠植被物候参数统计量特征65-68
• 4.4 河西地区荒漠植被物候时空变化格局68-80
• 4.4.1 河西地区物候期空间分布格局68-73
• 4.4.2 荒漠植被物候年际变化特征73-75
• 4.4.3 各流域荒漠植被物候变化75-77
• 4.4.4 不同荒漠植被物候变化77-78
• 4.4.5 荒漠植被物候变化空间分异特征78-80
• 4.5 小结80-82
• 第五章 1982-2013年河西地区气候变化82-104
• 5.1 河西地区1982-2013年平均气候特征84-89
• 5.1.1 气温和降水量空间插值84-87
• 5.1.2 气温和降水量多年平均特征87-88
• 5.1.3 气温和降水量空间格局88-89
• 5.2 1982-2013年河西地区主要气候因子变化趋势89-98
• 5.2.1 气温变化趋势及突变点检测89-90
• 5.2.2 降水量变化趋势及突变点检测90-91
• 5.2.3 气温和降水量变化空间分布格局91-92
• 5.2.4 不同季节气温和降水量变化92-94
• 5.2.5 ≥0℃积温变化趋势94-96
• 5.2.6 太阳总辐射变化趋势96-98
• 5.3 各流域气温和降水量变化趋势98-101
• 5.3.1 各流域气温变化趋势98-99
• 5.3.2 各流域降水量变化趋势99-100
• 5.3.3 各流域≥0℃积温变化趋势100-101
• 5.4 不同荒漠植被带气温和降水量变化趋势101-102
• 5.4.1 不同荒漠植被带气温和降水量变化趋势101-102
• 5.4.2 不同荒漠植被带≥0℃积温变化趋势102
• 5.5 小结102-104
• 第六章 河西地区荒漠植被NDVI_(max)变化与气候的关系104-115
• 6.1 荒漠植被与气温和降水量的简单相关关系104-105
• 6.1.1 荒漠植被与气温的简单相关关系104-105
• 6.1.2 荒漠植被与降水量的简单相关关系105
• 6.2 荒漠植被活动对气温和降水量的滞后响应105-107
• 6.3 荒漠植被与气温和降水量的空间偏相关关系107-111
• 6.3.1 荒漠植被与气温和降水量偏相关关系107-109
• 6.3.2 各流域荒漠植被与气温和降水量的偏相关关系109-110
• 6.3.3 不同荒漠植被与气温和降水量的偏相关关系110-111
• 6.4 讨论和小结111-115
• 6.4.1 讨论111-114
• 6.4.2 小结114-115
• 第七章 河西地区荒漠植被物候变化与气候的关系115-124
• 7.1 河西地区荒漠植被物候期与主要气候因子的关系116-118
• 7.1.1 返青期GD与主要气候因子的关系116-117
• 7.1.2 枯黄期SD与主要气候因子的关系117-118
• 7.2 各流域荒漠植被物候期与主要气候因子的关系118-120
• 7.2.1 返青期GD与主要气候因子的关系118-119
• 7.2.2 枯黄期SD与主要气候因子的关系119-120
• 7.3 不同荒漠植被物候期与主要气候因子的关系120-121
• 7.3.1 返青期GD与主要气候因子的关系120
• 7.3.2 枯黄期SD与主要气候因子的关系120-121
• 7.4 讨论和小结121-124
• 第八章 结论与展望124-128
• 8.1 主要结论124-127
• 8.2 不足与展望127-128
• 参考文献128-146
• 在学期间的主要成果146-147
• 致谢147-148
• 图件列表148-151
• List of Figures151-155
• 表格列表155-157
• List of Tables157-158

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