高衛(wèi)東 袁玉江 張瑞波

(濟(jì)南大學(xué)，濟(jì)南，250002) (中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所))

全球氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響及陸地生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)是全球變化研究的重要內(nèi)容［1］。遙感數(shù)據(jù)可以為植被監(jiān)測(cè)和地表覆被變化研究提供更好的手段。INDV(Normalized Difference Vegetation Index)是根據(jù)植被反射波段特性計(jì)算得到的歸一化植被指數(shù)，它能較好地反映植被綠度及生長(zhǎng)狀況［2］。至今人們已經(jīng)總結(jié)出40余種植被指數(shù)，但是，由于INDV可以消除大部分與儀器定標(biāo)、太陽(yáng)高度角、地形、云陰影和大氣有關(guān)輻照度的變化，增強(qiáng)了對(duì)植被的響應(yīng)能力。因此，INDV是目前應(yīng)用較廣泛的植被指數(shù)，并且被廣泛地用于植被-大氣相互作用診斷的研究領(lǐng)域。

高分辨率的樹(shù)木年輪資料具有定年精確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于取樣等特點(diǎn)，在全球變化和環(huán)境研究方面，樹(shù)木年輪分析已成為重要的技術(shù)途徑［3］。它不僅可以制成年輪年代表，用作判定年代，而且年輪狀況可以作為環(huán)境變動(dòng)的“記錄器”，探討歷年各種環(huán)境因子，甚至季節(jié)的變化。樹(shù)木年輪寬度數(shù)據(jù)提供了有關(guān)樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)，可以評(píng)估森林凈第一性生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，PNP)和驗(yàn)證來(lái)自其它凈第一性生產(chǎn)力模型得出的結(jié)論［4］。如果樹(shù)木年輪資料能夠可靠地預(yù)測(cè)植被INDV的變化，它就可能成為用于研究重建植被變化新的代用指標(biāo)。已有研究發(fā)現(xiàn)年輪指數(shù)與INDV值有很好的相關(guān)關(guān)系，在西伯利亞阿拉斯加，樹(shù)木年輪寬度與最大晚材密度和森林INDV均呈正相關(guān)［5-6］。在西伯利亞，樹(shù)輪寬度變化趨勢(shì)與森林生長(zhǎng)季INDV變化趨勢(shì)有很好的空間相關(guān)關(guān)系［7］。Kaufmann等［8］發(fā)現(xiàn)，在北美中高緯度地區(qū)和亞歐大陸樹(shù)木年輪與6、7月份森林的 INDV變化相關(guān)。Wang J等［9］研究發(fā)現(xiàn)，橡樹(shù)的樹(shù)輪寬度與同生長(zhǎng)季整個(gè)區(qū)域的INDV值有非常好的相關(guān)關(guān)系。袁玉江利用樹(shù)輪年表重建和預(yù)測(cè)了天山北坡牧草產(chǎn)量［10］;梁爾源等研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)蒙古東部和青藏高原東北部生長(zhǎng)季草地INDV與樹(shù)木年輪寬度有重要的相關(guān)關(guān)系［11］;何吉成等［12］在德令哈的研究也發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)季草地INDV與樹(shù)木年輪指數(shù)密切相關(guān)。在國(guó)內(nèi)針對(duì)樹(shù)木年輪與INDV關(guān)系的研究較少，針對(duì)新疆地區(qū)樹(shù)木年輪的研究也多集中在氣候重建、同位素分析等方面，為此，文中利用新疆的樹(shù)木年輪資料，結(jié)合遙感資料研究樹(shù)木年輪指數(shù)與生長(zhǎng)季草地INDV之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)自然概況

呼圖壁河流域地處 86°5'～87°8'E，43°7'～45°20'N，流域南北長(zhǎng)258 km，東西寬40 km，總面積為10 255 km2。流域處在中緯度西風(fēng)帶控制之下，屬溫帶干旱氣候。境內(nèi)光熱條件良好，四季分明，平原地區(qū)平均氣溫6.7℃，年降水量167 mm，無(wú)霜期180 d，全年日照總時(shí)數(shù)3 090 h，穩(wěn)定在10℃以上的年有效積溫為3 553℃。呼圖壁河上游山區(qū)支流呈樹(shù)枝狀分布，兩岸有一級(jí)支流30條，其中10條支流源頭在冰川和永久積雪區(qū)，其余支流皆源于中、低山區(qū)，主要靠季節(jié)性積雪消融和夏季降水補(bǔ)給［13］。研究區(qū)草地面積38.46萬(wàn)hm2，占土地面積的43.5%;未利用土地28.45萬(wàn)hm2，占土地面積的32.17%。

2 材料與方法

樹(shù)輪采集:樹(shù)木年輪資料取自天山北坡中部的呼圖壁河流域，共設(shè)6個(gè)采樣點(diǎn)，均位于原始森林，海拔2 167～2 606 m。每個(gè)采樣點(diǎn)采集樹(shù)木20株以上，每株鉆取樣芯2根(圖1、表1)，采樣樹(shù)木是森林帶林緣區(qū)立地條件較差的和石崖上的雪嶺云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)，采樣年份為 2003年。氣象資料取自呼圖壁氣象站，所用資料為1960—2003年月降水量。

圖1 樹(shù)輪采樣點(diǎn)和氣象站分布示意圖

表1 呼圖壁河流域樹(shù)木年輪資料來(lái)源地的基本概況

樹(shù)木年輪年表的研制均遵循以下過(guò)程:1)按照樣本的基本處理程序，對(duì)樹(shù)輪樣本進(jìn)行干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度為0.001 mm的輪寬測(cè)量?jī)x和MeasureJ2X程序進(jìn)行輪寬測(cè)量;2)用國(guó)際年輪庫(kù)的COFECHA定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年的檢驗(yàn)，以確保每一生長(zhǎng)年輪具有準(zhǔn)確的日歷年齡;3)采用ARSTAN年表研制程序完成樹(shù)輪寬度年表的建立。

考慮到重建的可靠性，本文氣候重建序列起始年代取年表子樣本信號(hào)強(qiáng)度SSS(subsample signal strength)＞0.85，在此時(shí)段有足夠的樣本量，即保證樣本量的變化對(duì)樹(shù)輪寬度指數(shù)序列方差的影響不大，又保證定年的準(zhǔn)確和量測(cè)的寬度有總體代表性。將研究區(qū)域所有標(biāo)準(zhǔn)化年表取SSS＞0.85，截齊后進(jìn)行互相關(guān)分析，起止年代為1662—2001(n=340)?；ハ嚓P(guān)表明，除BIG、AYS和KYS相關(guān)僅通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)外，其余年表兩兩相關(guān)均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明這3個(gè)年表對(duì)區(qū)域的代表性可能較差，因此，在進(jìn)行樹(shù)輪對(duì)INDV重建的過(guò)程中將此3個(gè)年表剔除。

草地INDV的數(shù)據(jù)采用經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何粗校正的NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)源(1981—2001)，再進(jìn)一步對(duì)每日、每軌圖像進(jìn)行幾何精校正、除壞線、除云等處理，進(jìn)而進(jìn)行INDV計(jì)算及合成。計(jì)算公式為INDV=1 000×(b2-b1)/(b2+b1)，式中:b1、b2為AVHRR的第1、2通道。計(jì)算完成后再對(duì)結(jié)果影像兩兩比較，選出INDV最大的值作為研究對(duì)象。本文所用的NOAA/AVHRR-NDVI是每15 d合成的最大化INDV數(shù)據(jù)，分辨率為8 km，結(jié)合2000年全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)，利用Erdars、ENVI等軟件提取研究區(qū)生長(zhǎng)季草地月最大INDV值。

3 結(jié)果與分析

3.1 INDV的變化特征及與降水量的關(guān)系

西北地區(qū)的植物生長(zhǎng)期一般在5—10月。從呼圖壁河流域多年平均逐月INDV的變化(圖2)可以看出，研究區(qū)的INDV在1—3月和11—12月幾乎沒(méi)有變化，維持在全年的低值水平，表明這些時(shí)段植被基本停止生長(zhǎng)。從4月開(kāi)始，研究區(qū)降水量增加，INDV開(kāi)始上升，從 0.32 增長(zhǎng)到 5 月的 0.48;6、7、8 月份依然保持較高的降水量，INDV增加迅速，7月份達(dá)到全年的最大值(0.73)，8月依然維持INDV的高值，7、8月份是植被生長(zhǎng)最為繁茂的時(shí)期;隨后INDV減小，植被開(kāi)始枯萎。年內(nèi)變化上，研究區(qū)多年INDV變化基本一致，與研究區(qū)降水的年內(nèi)分布一致，說(shuō)明該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的地上生物量受降水的影響較大，降水量與INDV的相關(guān)系數(shù)為0.695，降水量對(duì)INDV的影響有所滯后(圖2)。

圖2 呼圖壁河流域植被INDV變化與降水量的關(guān)系

3.2 INDV與樹(shù)輪指數(shù)的關(guān)系及INDV序列重建

在天山山區(qū)開(kāi)展的大量的樹(shù)木年輪研究表明，這一區(qū)域樹(shù)木和草地生長(zhǎng)主要的限制因子是降水，特別是在春季、夏末和秋初，短命植被對(duì)降水的反應(yīng)極為敏感，故本文選取研究區(qū)草地INDV值進(jìn)行重建。研究發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)INDV最大值、最小值、均值以及極差中，與樹(shù)木年輪資料相關(guān)性最好的是草地INDV最大值。通過(guò)對(duì)呼圖壁河流域標(biāo)準(zhǔn)化年表和生長(zhǎng)季草地最大INDV的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年生長(zhǎng)季草地最大INDV與樹(shù)木年輪指數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，干旱區(qū)草地對(duì)氣候影響的反映相對(duì)于樹(shù)木比較靈敏，草地最大INDV對(duì)降水量的增減反映可以很快體現(xiàn)出來(lái)，而樹(shù)木的生長(zhǎng)往往存在滯后現(xiàn)象。夏末、秋初草地最大INDV與樹(shù)輪指數(shù)的相關(guān)性較好，賽熱克巴依薩依(SRK)、希熱克久熱特(SRK)和希勒木布爾克(XLM)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表與生長(zhǎng)季草地最大INDV相關(guān)系數(shù)分別為 0.61、0.82 和 0.75，這也反映了在夏末、秋初草地對(duì)降水的反應(yīng)較靈敏。通過(guò)檢驗(yàn)和重建的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)9月INDV最大值與所選年表有很好的相關(guān)性，重建結(jié)果可靠，所以本文選取研究區(qū)草地9月INDV最大值與相關(guān)較好的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表進(jìn)行重建。

將呼圖壁河流域草地9月最大INDV與相關(guān)較好的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表序列進(jìn)行多元回歸分析，最終得到最佳轉(zhuǎn)換函數(shù):

INDV9=0.123-0.106TSRK+0.198TXRK+0.04TXLM。

式中:INDV9為呼圖壁河流域1662—2001年(共340 a)草地9月最大 INDV重建值;TSRK、TXRK、TXLM分別代表賽熱克巴依薩依、希熱克久熱特和希勒木布爾克當(dāng)年的標(biāo)準(zhǔn)化年表。由該方程可以重建呼圖壁河流域草地9月最大INDV值(圖3)。重建方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，校準(zhǔn)期內(nèi)，重建值對(duì)實(shí)測(cè)值的方差解釋量為73.0%(調(diào)整自由度后的方差解釋量=0.69)。檢驗(yàn)值為:F(3，16)=17.21，達(dá)到 0.000 012的顯著性水平，重建方程具有較好的穩(wěn)定性，重建結(jié)果是可靠的。有遙感觀測(cè)資料以來(lái)的該流域草地最大INDV值與重建值比較表明，二者具有很好的一致性(圖4)，INDV重建值與陳峰等［14］研究得出的呼圖壁河流域的草地最大INDV重建值與高衛(wèi)東等［15］得出的天山北坡的降水重建值也有很好的一致性(圖5)，INDV重建值與天山北坡的降水重建值相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到 0.74。

圖3 呼圖壁河流域草地1662—2001年9月最大INDV重建

圖4 呼圖壁河流域草地9月最大INDV的重建值和實(shí)測(cè)值

結(jié)合濾去小于8 a的高頻周期振動(dòng)的低通濾波(圖6)和11 a滑動(dòng)平均值(圖3)，對(duì)重建的9月草地INDV序列進(jìn)行階段分析發(fā)現(xiàn):1662—2001年間，研究區(qū)9月草地INDV大概經(jīng)歷了9個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的偏高階段和9個(gè)偏低階段，草地生長(zhǎng)較好的時(shí)期有1684—1700、1723—1739、1772—1780、1801—1817、1827—1851、1895—1905、1878—1882、1923—1959、1994—2001，草地生長(zhǎng)較差的時(shí)期有1669—1683、1701—1722、1740—1751、1787—1800、1818—1826、1852—1877、1883—1894、1906—1922、1960—1993。從《新疆通志》的氣象志和相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)中可以了解到，新疆民國(guó)初年延續(xù)了清末的冷濕氣候，1917—1929年暖干階段的中后期天山山區(qū)降水量增加，1930—1940年為冷濕階段。在20世紀(jì)40年代的短暫暖干期內(nèi)，新疆北疆地區(qū)干旱加劇，蝗災(zāi)頻發(fā)，1943、1944、1948年的年 INDV值偏小，INDV重建值的1701—1722年偏干階段和1923—1959年偏濕階段與之對(duì)應(yīng)。

圖5 呼圖壁河流域1662—2001年9月草地月最大INDV重建值與天山北坡1662—2001年降水重建值的關(guān)系

圖6 呼圖壁河流域1662—2001年9月草地月最大INDV重建值距平

3.3 草地重建INDV序列的檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)樹(shù)輪INDV重建值的穩(wěn)定性和可靠性，采用國(guó)際年輪研究中常用的“逐一剔除法”進(jìn)行交叉檢驗(yàn)?！爸鹨惶蕹ā钡木唧w實(shí)施過(guò)程為:在校準(zhǔn)期中，剔除其中某一年的值，建立回歸方程，然后將所剔除年的年表值代入此方程，得到相應(yīng)年份氣候要素的估計(jì)值。重復(fù)上述過(guò)程，直至得到整個(gè)重疊時(shí)段氣候要素的估計(jì)序列，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，用以檢驗(yàn)回歸方程的穩(wěn)定性。利用“逐一剔除法”，從相關(guān)系數(shù)R1、一階差相關(guān)系數(shù)R2、符號(hào)檢驗(yàn)值S1、一階差符號(hào)檢驗(yàn)值S2、誤差縮減值RE和乘積平均數(shù)t等幾個(gè)方面對(duì)重建方程進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。如果這些檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量中某幾個(gè)能通過(guò)檢驗(yàn)，誤差縮減值大于0.3，則說(shuō)明該重建方程是穩(wěn)定的，由其重建的降水量是可靠的。方程檢驗(yàn)值分別為:R1=0.681，R2=0.65，S1=29/40，S2=32/41，RE=0.473，t=5.979，各重建方程的符號(hào)檢驗(yàn)值均通過(guò)99%的置信度檢驗(yàn);RE值大于0.3，可見(jiàn)重建方程是穩(wěn)定可靠的，可以利用原方程重建天山北坡中部過(guò)去338 a的降水量變化。

4 結(jié)論

利用天山北坡中部呼圖壁河流域6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表，篩選出有區(qū)域代表性的3個(gè)年表，結(jié)合1981—2001年NOAA-AVHRR-NDVI資料提取研究區(qū)生長(zhǎng)季草地各月最大INDV值。分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)年生長(zhǎng)季草地最大INDV與樹(shù)木年輪指數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，夏末、秋初草地月最大INDV與樹(shù)輪指數(shù)的相關(guān)性較好。將呼圖壁河流域草地9月最大INDV與相關(guān)較好的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表序列進(jìn)行多元回歸分析，重建了1662—2001年研究區(qū)9月草地最大INDV值，重建方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，重建值對(duì)實(shí)測(cè)值的方差解釋量為73.0%(調(diào)整自由度后的方差解釋量0.69)，達(dá)到0.000 012的顯著性水平。將有遙感觀測(cè)資料以來(lái)的該流域草地最大INDV值與重建值比較表明，二者具有很好的一致性，重建結(jié)果通過(guò)檢驗(yàn)，是可靠的。

結(jié)合低通濾波和11 a滑動(dòng)平均值對(duì)重建的9月草地INDV序列進(jìn)行階段分析發(fā)現(xiàn):1662—2001年間，研究區(qū)9月草地INDV經(jīng)歷了9個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的偏高階段和9個(gè)偏低階段。從《新疆通志》的氣象志和相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)中查證，1930—1940年為冷濕階段，在20世紀(jì)40年代的短暫暖干期內(nèi)，新疆北疆地區(qū)干旱加劇，蝗災(zāi)頻發(fā)，1943、1944、1948年的年INDV值偏小，INDV重建值的1701—1722年偏干階段和1923—1959年偏濕階段與之對(duì)應(yīng)。

致謝:NOAA/AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)下載于國(guó)家自然科學(xué)基金委“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http://westdc.westgis.ac.cn”。

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