吉林省东部林区植被NPP时空变化特征分析.pdf

林业科学 农业与技术 吉林省东部林区植被 时空变化特征分析许翔驰马艳敏马云飞杨光辉(吉林省气象科学研究所 吉林 长春 长白山气象与气候变化吉林省重点实验室 吉林 长春 吉林省农业气象灾害风险评估与防控科技创新中心 吉林 长春 吉林省突发事件预警信息发布中心 吉林 长春)摘 要:植被净初级生产力()是陆地植被生态系统中一个重要指标 也是碳循环过程的重要组成 可以一定程度表征碳源碳汇过程 本文使用基于 年 数据和气象数据反演的吉林省陆地植被 数据 分析吉林省东部林区 时空变化及其与气象因素的相关性 结果表明:年以来 吉林省东部林区植被 在 月总量呈波动上升趋势 年之后东部林区 最低值也在前 年最高水平之上 年吉林省东部林区 分布呈现出空间差异性 绝大部分地区 表现为上升趋势 上升区域占总面积的 吉林省东部林区各市州 依次受到温度、日照时数和降水量等气象因素影响 相关程度存在一定的空间地域差异 气象因素对于地区 影响性由大到小依次为温度、日照时数、降水量 气象因素对白山影响最大 对吉林影响最小关键词:植被净初级生产力()时空变化 气象因素 吉林省东部林区中图分类号:文献标识码:/收稿日期:作者简介:许翔驰()男 硕士 助理工程师 研究方向:陆地植被生态遥感引言植被 净 初 级 生 产 力()是陆地表面植被生物通过光合作用进而产生的有机物总量中扣除自养呼吸后剩余的部分 作为陆地植被生态系统碳循环的组成部分 能够反映植被在自然生态环境下的生产能力 植被净初级生产力()主要是指绿色植物生物在一定单位面积、一定单位时间内所能累积的有机物数量 一般以每平方米干物质的含量克碳/平方米()来表示利用相关遥感数据、数据集和地面气象观测数据通过模型计算得出自然界中植被基于光合作用而拥有了一定固碳能力 可以吸收大气中一定量的二氧化碳气体 进而减少二氧化碳在大气中的浓度 植被的高效生长可以减缓地球的温室效应 同时 植被生长作为生态系统中的物质循环基础 其反映的能量流动变化 也是评价地球生态系统结构成分变化的指标 植被生态功能性与生物圈人口承载能力息息相关 因此 对相关区域的 研究具有较大的生态价值 计算开始于 世纪中叶 按照模拟测算方法可以分为实验员站点实地实测和计算机软件模型估算 站点实测的方式受到空间限制影响 而且成本较高 因此在研究大面积大尺度区域上观测较为困难 年以来 随着卫星技术的发展使卫星遥感观测 成为可能科研人员采用光能利用率模型计算 逐渐成为获取 数据集进行科研工作的主要手段 对比其他估算方式 基于卫星遥感数据计算的植被 可以保证多精度、长时效和大区域等优点植被 作为一种体现陆表植被生物生长好坏的指标 可以起到描述地区植被风向标的作用 目前针对吉林省内各个典型生态区域的植被 相关研究较少 存在空间小、时间短等问题 缺少从长时间尺度 时空变化特征的相关研究 如 罗玲等利用吉林省西部草地年均 数据分析草地空间 变化趋势 结果表明水分是西部草地 主要影响因素 马佳妮等利用耕地 评价吉林省地区耕地质量 结果表明反演结果与整体空间分布一致 崔博超等利用 模型并结合 数据对 年塔里木河流域草地净初级生产力时空特征进行研究 本文基于光能利用率模型计算出的植被 数据集 对吉林省东部林区进行了 时空变化特征和气象相关性分析 旨在分析此地区的植被生态环境变化 为吉林省东部林区和长白山自然保护区的利用和保护提供一定的科学依据 助力生态持续发展 研究区概况吉林省地处亚洲东部邻国靠近俄罗斯、朝鲜 土 农业与技术 林业科学地面积占国土面积的 左右 地形地貌多样 吉林省东南部为湿润气候 吉林省中部为半湿润气候 西北部为半干旱气候 气候差异较为明显 吉林省气候要素及气象灾害等均有明显的时间变化和地区差异 年 吉林省逐年平均降水量为 吉林省气候环境存在较大的季节性差异 集中在 月 吉林省东部降雨量最为丰沛 逐年平均气温为 西部地区气温较高 并由西部松原白城向东南白山通化等区域逐渐减少 植被类型主要分为东部森林植被区、西部草地植被区和中部农田等 类林业区以阔叶林、针阔混交林为主 全省由东部白山到西部松原可以划分为长白山原始森林自然生态区、中东部农田主产区、西部草地生态区 吉林省生态环境表现出多样化的特点 本文主要研究区域为吉林省东部林区 有 个行政市州 密布着大片森林林业资源丰富多样 绝大部分为天然林区 吉林省林区面积占全国前列水平 因气候适宜 降水量多且足 适宜森林草木生长 属于典型的中温带森林区长白山地区树木种类繁多 大部分为针阔叶混交林是中国北方主要的木材产地之一 也是东北地区主要的生态保护伞 对地区生态环境起到重要保护作用图 研究区概况 数据分析 数据源 年植被净初级生产力()数据源自国家气象卫星中心 时间周期为 天 期 空间分辨率为 单位为 气象数据源自吉林省东部通化、白山、吉林和延边区域内共 个气象站点数据 数据源来自中国气象数据网 吉林省土地分类数据来源于清华大学地球系统科学系宫鹏研究组制作的 年 分辨率全球地表覆盖图(:/)分类精度达到 以上 数据处理本研究利用 进行影像裁剪和投影 投影方式选为 投影 利用 等软件对 数据进行数据校正 对数据进行降噪处理 以去除云、大气等影像 气象数据采用反距离权重插值法()将站点数据插值成栅格数据 使气象栅格数据与 数据保持了统一时空分辨率 由于吉林省东部林区冬季存在较为明显的积雪 对植被遥感影像会产生影响 故本研究选取的是 年 月累积 数据 最终合成逐年 数据集 研究方法 简单插值法简单差值法通过对相同区域不同时间的栅格图像进行减法运算 利用图像间的差值判读 不同时间跨度之间的变化情况 公式:式中 和 为不同时相、为栅格图像各像元的行列号 为不同栅格图像的差值 趋势分析法一元线性回归模型可以模拟空间上每个像元的 变化趋势 公式斜率使用最小二乘法计算 公式:()()式中 为累积年数 本文为 年 为第 年的年均 为一元线性回归方程的斜率表示 年连续年份的变化趋势 说明 年间 呈现上升趋势 反之下降 的大小表示上升或下降的速率 相关性分析植被 变化受到多种因素影响 如地形地貌、气象因素和人为活动等多个影响因子共同作用的变化过程 本文通过计算吉林省东部林区 和温度、日照时数和降水量之间的相关系数 进而分析 变化与气象条件的关系程度 相关系数值在 计算公式:()()()()式中 为要素 与 之间的相关系数 表示两要素之间的相关程度 为研究年数 为第 年植被 为第 年的气象要素 表示正相关 表示负相关 和 分别为 个要素样本值的平均值 为弱相关 为低度相关 为显著相关 为极显著相关 结果分析 林业科学 农业与技术 植被 年际变化趋势利用 对下载好的植被数据进行一系列预处理与校正后 利用 对研究区逐年植被 进行计算提取 分别求出吉林省东部林区 年植被 数据变化趋势结果如图 所示图 年吉林省东部林区 变化趋势由图 可知 吉林省东部林区植被 近 年以来呈整体上升趋势 上升趋势斜率达 为 线性相关显著 自 年以来吉林省东部林 区 植 被 指 数 上 升 显 著 其 中 最 低 值 为 年份为 年 最高值为 年份为 年 年之后东部林区 最低值也在前 年最高水平之上 其中 年和 年处于历史较高水平 植被 数值的持续上升表明吉林省各级单位对吉林省东部林区植被保护的积极响应 以及地区生态环境的向好形势 植被 空间变化趋势自 年开始 每 年对吉林省东部林区植被 数据进行空间提取分析 得出 年、年、年、年、年植被 空间分布及变化情况 结果如图 所示 结果表明 吉林省东部林区植被 呈现南部稍高 北部稍低的空间特征 其中 年东部林区 最高值为 为这 年中最低 在这之后多年以来东部林区 最高值逐步升高 年为最高值 主要集中在通化和白山地区图 吉林省东部林区 空间分布 农业与技术 林业科学 同时 对 年东部林区 变化趋势率进行计算和空间分布出图 如图 所示 结果表明 吉林省东部林区 高值区域主要分布在通化南部、延边州东部和白山市 吉林省东部林区多年以来 变化趋势整体上升趋势明显 吉林省东部林区 整体上升区域占总面积的 下降区域占总面积的 延边州东部的汪清、珲春和通化南部上升趋势较高 桦甸、敦化南部和长白山周边 上升水平较低 可能是受到地区发展和人为活动影响 这些地区的 上升程度受到限制图 吉林省东部林区 变化趋势率 气象驱动力分析一个地区的 数据变化是受到自然因素和人为因素共同影响的结果 植被的生长受到自然因素的影响最大 主要包括地区气候条件、地理环境和区域土壤条件等 通过对吉林省东部林区各地级市 年以来 数据与平均气温、降水量、日照时数数据进行相关分析 探讨气象因素对植被的影响图 吉林省东部林区各市州 变化图从东部各市州 变化趋势可以看出 通化和白山整体 变化趋势相似 吉林 整体变化幅度较小 延边地区 变化幅度较大 数值有高有低吉林省东部林区各市州气象要素变化不尽相同其中日照时数各市州有着相似的变化趋势 整体差异性较小 从平均温度变化趋势可以看出各市州变化趋势几乎相同 但数值上存在差距 通化整体平均温度较高 而白山平均温度在东部地区处于最低表 吉林省东部林区各市州 与气象因素相关性降水量平均温度日照时数吉林相关性 显著性 通化相关性 显著性 白山相关性 显著性 延边相关性 显著性 注:为相关性在 上显著相关 为相关性在 上显著相关利用 对吉林省东部林区各市州植被净初级生产力与平均温度、降水量和日照时数等数据进行相关性分析 结果如表 所示 研究结果表明 东部各市州 与平均温度相关性较高 白山相关系数最高 吉林相关系数最低 依次为 、其中白山 与平均温度相关性呈显著性相关 各市州降水量与 相关性较小 其中通化和白山 与降水量呈负相关 相关系数为、吉林、延边 与 降 水 量 呈 正 相 关 相 关 系 数 为、各市州 与日照时数相关性差异较大 其中白山和通化与日照时数呈现显著性相关 相关系数为 、延边和吉林相关系数较低相关系数依次为 、结合 种气象要素与 相关性分析 吉林省东部各市州 中受到气象条件影响由大到小依次为白山、通化、延边、吉林 气象因素对于地区 影响由大到小依次为平均温度、日照时数、降水量 结论本文以吉林省东部林区为研究区域 使用基于 遥感影像数据反演出的植被净初级生产力()同时使用 技术 对吉林省东部林区气象要素进行分析 探讨吉林省东部林区 时空分布特征及气象因素影响 研究结果如下从总体年际变化来看 吉林省东部林区植被 自 年以来呈不断上升趋势 上升趋势斜率达 为 线性相关显著 从空间分布及变化趋势来看 吉林省东部林区各市州 变化规律有所差异 吉林省东部林区 整体上升区域占总面积的 下降区域占总面积的 通化和白山地区 整体好于吉林和延边 这应该是受到了长白山森林保护区的影响 长白山地区作为自然保护区多年以来一直受到重视和保护 整体植被条件生长条件较好 林业科学 农业与技术 吉林省东部林区 与平均温度、日照时数等气象因素呈现出一定相关性 吉林省东部各市州 中受到气象条件影响由大到小依次为白山、通化、延边、吉林 气象因素对于地区 影响由大到小依次为平均温度、日照时数、降水量本文仅对 年以来吉林省东部林区植被净初级生产力 时空变化分析 只与平均温度、日照时数、降水量等气象因素做出分析 下一步将结合多种气象因子和人类活动等对影响植被净初级生产力的因素进行深入研究 及时开展吉林省东部林区 时空变化及气象因素驱动研究 可以为吉林省合理开发旅游业和农业生产提供一定的参考 也可以为特色农业如人参产业、药材产业提供一定的科学依据参考文献 李媛.陆地植被净初级生产力估算及影响因素研究现状.宁夏大学学报(自然科学版)():.马良 朱再春 曾辉.评估过程模型应用研究进展.中国沙漠 ():.徐雨晴 肖风劲 於琍.中国森林生态系统净初级生产力时空分布及其对气候变化的响应研究综述.生态学报 ():.孔春芳 岳永财 徐凯.年江汉平原区域植被 时空特征及其对气候变化的响应.长江流域资源与环境 ():.黄端 闫慧敏 池泓 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