昼夜增温速率的不对称性对新疆地区植被动态的影响

赵 杰,刘雪佳,杜自强*,武志涛,徐小明(.山西大学黄土高原研究所,山西 太原 030006；.山西大学环境与资源学院,山西 太原 030006)

昼夜增温速率的不对称性对新疆地区植被动态的影响

赵 杰1,刘雪佳2,杜自强1*,武志涛1,徐小明1(1.山西大学黄土高原研究所,山西 太原 030006；2.山西大学环境与资源学院,山西 太原 030006)

结合1982～2013年归一化植被指数(NDVI)、植被类型和气象数据,分别利用一元线性回归和二阶偏相关分析方法,分析了新疆地区生长季白天最高气温(Tmax)和生长季夜间最低气温(Tmin)的变化趋势以及昼夜增温的不对称性对各类型植被活动的影响.结果表明：近 32年来新疆地区Tmax及Tmin都存在极为显著的上升趋势,生长季Tmin的增长速率约为Tmax增长速率的1.5倍,昼夜增温速率呈现出不对称性;昼夜增温对植被活动的影响呈现出明显的分异特征：相比于白天增温,夜间温度的变化对新疆植被的影响区域更为广泛,而且对植被的影响程度更大;各植被类型 NDVI对昼夜增温速率的不对称性也产生了不同的响应：白天增温对针叶林产生显著的积极影响,而夜间增温对针叶林、农业植被、草原及草甸植被表现出显著的积极影响.

不对称性增温；植被动态；白天增温；夜间增温；新疆地区

植被作为陆地生态系统的重要组成部分,是连接大气、土壤、水体的自然纽带,在全球变化与陆地生态系统的研究中充当着“指示器”的作用[1-2].气候变化是植被活动的重要影响因素,温度、降水等作为植物生长发育的必要环境因子,对植被的生长和物候等具有重要影响[3].目前,国内外在植被动态变化及其与气候因子的相互关系方面进行了大量的研究,得到不同的研究区域和不同的时空尺度下植被生长对气温和降水的时空响应特征[3-9].

过去50年的气温数据表明,全球地表晚间升温增速约为白天的 1.4倍[10].由于大部分地表植物的光合作用在白天进行,然而植物呼吸作用贯穿全天.因此,这种不均衡的变暖速率必然会影响植被的碳吸收和碳消耗[11].目前,国内外在植被动态变化及其与气候因子相互关系方面的研究大多集中于植被对平均气温变化的响应;考虑昼夜增温速率不一致对植被生长变化影响的研究相对较少.Wan等[12]通过控制实验研究了内蒙古草原日最高气温、夜间最低气温与归一化植被指数(NDVI)的关系,发现日最高温的增加抑制了该地区草地样地NDVI的升高,而夜间最低温的升高则促进了草地样地NDVI的增加.Peng等[10]利用遥感数据、大气CO2浓度观测数据以及气象数据,系统地研究了白天和晚上温度上升对北半球植被生产力和生态系统碳源汇功能影响,发现白天温度的升高有利于大部分寒带和温带湿润地区植被生长及其生态系统碳汇功能,但并不利于温带干旱和半干旱地区植被生长.而在晚上,温度上升对植被生长的影响相反.梁春玲等[13]利用气象数据和遥感数据计算了近40年来昼夜增温对南四湖湿地植被 NDVI 的影响差异,发现NDVI与白天气温呈现极显著的偏相关关系,而夜间气温与 NDVI 的偏相关关系在任何时期内均不显著.可见,不同地区或者不同类型植被对昼夜温度变化的响应具有明显的差异.

新疆(E73°40′～96°33',N34°25′～49°10′)地处中国中温带极端干旱的荒漠地带,自然环境复杂、气候类型各异、水热分布悬殊,这为从局地尺度验证更大尺度的植被与气候变化相互关系提供了良好的实验场所[14].

本文利用近32年新一代NDVI数据集以及中国植被分类数据、白天和夜间极端气温数据,分析新疆地区昼夜气温、植被NDVI生长季变化及对昼夜不对称增温响应的差异.以期丰富全球气候变化背景下,昼夜温度上升对中国内陆干旱、半干旱地带生态系统植被活动影响的认识,为不同植被类型对气候变化的响应特征研究提供借鉴.

1 数据和方法

1.1 数据

1.1.1 遥感数据 1982～2013年 NDVI数据是由美国国家航空航天局的全球观测模拟与制图研究组(Global Inventory Modeling and Mapping Studies, GIMMS)提供的第3代NOAA/AVHRR遥 感 数 据(NDVI3g)(http：//www.landcover.org/ data/gimms),其空间分辨率为8km,时间分辨率为15d.该数据集消除了太阳高度角、传感器灵敏度随时间变化等影响,并结合交叉辐射定标的方法,增强了数据的精度,已被广泛应用于大区域与全球尺度植被覆盖研究中[15-17].本文采用最大值合成法重建生长季各月最大化NDVI数据集[18],并利用《中国植被编码1：400万植被图集》,排除无植被地区.

1.1.2 气象数据 气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.cma.gov.cn)的中国地面气候资料月值数据集,包括极端最高气温、极端最低气温、降水量等.采用反距离权重法对各个气象因子进行空间插值[19],得到逐像元的气象数据.将极端最高温度作为Tmax,将极端最低气温作为Tmin来处理[10].

1.1.3 植被类型数据 植被类型数据来自于寒区旱区科学数据中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)《中国植被编码1：400万植被图集》.该数据共有4个大类,13个纲组,50个群系纲,110个群系组.本文将新疆地区植被类型划分为7种类型：针叶林、阔叶林、灌从(含萌生矮林)、荒漠、草原(含稀疏灌木草原)、草甸(含草木沼泽)和农业植被.

1.2 研究方法

1.2.1 气候要素趋势分析 采用最小二乘法拟合气候要素(Tmax、Tmin)随时间的变化速率,即气候要素y随时间t变化的线性回归系数,可采用一元一次方程表示：

式中：t为时间;常量a和系数b由最小二乘法求得;b为回归常数项;a为回归系数,a值的符号及数值大小反映 y上升或下降的趋势.线性回归法可以清楚地显示所给出的序列是否存在某种明显的变化.

1.2.2 偏相关分析法 采用二阶偏相关分析法,消除其他变量的干扰来研究昼夜增温的不对称性对植被NDVI的影响.例如,通过限制Tmin和降水量计算生长季NDVI与Tmax的偏相关系数.同样,限制Tmax和降水量计算生长季NDVI和Tmin的偏相关系数.二阶偏相关系数通过一阶偏相关系数计算得到,而计算一阶偏相关系数需要首先计算相关系数.相关系数的计算公式为[20]：

一阶偏相关系数的计算公式为：

二阶偏相关系数的计算公式为：

式中：x,y为需要进行偏相关系数计算的要素;1,2为控制变量.

偏相关系数的显著性检验,一般采用 t 检验法.t检验法的统计量计算公式为[21]：

式中：r为偏相关系数,n为样本数,q为自由度个数.

2 结果与分析

2.1 新疆地区昼夜增温趋势分析

1982 年以来,新疆地区Tmin和Tmax都有着不同程度的升高趋势(图 1).从拟合方程来看,近 32年来新疆地区Tmin和Tmax平均每10年分别增加0.642℃(P＜0.01)和 0.458℃(P＜0.01),昼夜温差每10年减小0.18℃(P＜0.1).Tmax和Tmin二者之间存在极为显著的正相关性(P＜0.01).这说明,新疆地区生长季 Tmin的增加趋势远快于 Tmax的增加趋势,昼夜增温速率呈现不对称性.昼夜温差(TmaxTmin)呈现较为显著的减小态势(P＜0.1).

图1 1982～2013年生长季新疆地区Tmax和Tmin变化Fig.1 Variations of Tmaxand Tminin growing seasons in Xinjiang during 1982～2013

2.2 新疆地区植被NDVI与昼夜增温的偏相关分析

由于新疆属于干旱、半干旱地区,降水为植被生长的主要限制因子之一.因此,在进行偏相关分析时,将降水作为控制变量处理.即通过控制降水和Tmin计算NDVI与Tmax的偏相关系数;通过控制降水和Tmax计算NDVI与Tmin的偏相关系数.通过逐像元计算NDVI与气温变量的偏相关系数后,得到偏相关系数的空间格局(图 2).从像元数量上来看,去除 Tmin、降水的影响后,约有55.14%的地区NDVI同Tmax之间呈现正相关关系,其中7.39%的地区表现为显著正相关(P＜0.05).同样,约有44.86%的地区呈现负相关,其中3.99%的地区表现为显著负相关(P＜0.05).然而,当去除Tmax、降水量的影响后,约有 58.78%的地区植被生长季NDVI和Tmin呈现负相关,其中显著负相关的地区达到44.00%(P＜0.05).同样,约有41.22%的地区,生长季 NDVI与 Tmin呈现正相关,其中,约有 25.03%的地区表现为显著正相关(P＜0.05).从通过显著性检验的区域占新疆总面积的比例来看,生长季NDVI与Tmin的偏相关性通过显著性检验的地区占新疆总面积的36.18%,而生长季NDVI与Tmax的偏相关性通过显著性检验的比例仅为 5.87%.可见,夜间温度的变化对植被影响的区域更为广泛.从受其影响地域的空间分布来看,除新疆西北部的塔城地区、克拉玛依市、博尔塔拉蒙古自治州和哈密地区及新疆南部的巴音郭楞蒙古自治州中部与和田地区西南部外,大部分区域植被 NDVI与 Tmax呈现正相关性;生长季NDVI与Tmin偏相关性在新疆地区西北部至西南部大多呈现为正相关,东北部至东南部大多呈现为负相关.

图2 1982～2013年生长季新疆地区NDVI与Tmax和Tmin的偏相关系数Fig.2 Partial correlation coefficients between growing-season NDVI and Tmax/ Tminin Xingjiang during 1982～2013

2.3 新疆地区各植被类型NDVI与昼夜增温的偏相关分析

表1 不同植被类型NDVI与Tmax及Tmin的偏相关系数Table 1 Partial correlation coefficients between NDVI and Tmax/ Tminfor different vegetation types

生长季不同植被类型NDVI与Tmax和Tmin的偏相关系数(表 1)显示,除农业植被外,其他各类植被NDVI与Tmax整体上皆表现为偏正相关性,但仅有针叶林呈现为显著相关(P＜0.05).而各类型植被对 Tmin的偏相关性差异较为明显,除荒漠外,其它各类植被NDVI与Tmin皆呈现为偏正相关性.针叶林、农业植被、草原及草甸与 Tmin的偏相关系数最高,其中前三类植被的NDVI与Tmin表现为极显著相关(P＜0.01),后者亦表现为显著相关(P＜0.05).与 Tmax偏负相关的农业植被和与 Tmin偏负相关的荒漠植被类型,其相关关系皆未通过显著性检验(P＞0.05).总体上,昼夜气温的升高对新疆地区各类型植被产生了积极作用.

为研究不同类型的植被 NDVI与昼夜气温偏相关性的空间分布差异,得到偏相关性通过统计显著性检验(P＜0.05)的像元占该植被类型总像元的比例(表 2).可以看出,各类植被 NDVI与Tmax的偏相关性通过显著性检验的比例普遍较低,其中针叶林的比例最高,但仅为 13.75%.相比之下,NDVI与 Tmin的偏相关性通过显著性检验的比例普遍相对较高.其中,农业植被(38.26%)和针叶林(33.75%)NDVI与Tmin显著正相关的比例最高;荒漠和阔叶林NDVI与Tmin显著负相关的比例最高,分别为34.29%和30.49%.

综合来看(表 1,表 2),除灌丛和荒漠植被外,相比于白天增温,夜间增温对针叶林、阔叶林、草原、草甸和农业植被的影响程度更大,影响区域更广.

表2 通过统计学显著性检验(P＜0.05)的像元占该植被类型总像元的比例(%)Table 2 Percentages of statistically significant (P＜0.05) pixels in different vegetation types (%)

3 讨论

本文显示近32年间新疆地区生长季夜间气温升温速率约为白天气温升温速率的 1.5倍.Solomon等[22]在研究过去50年全球地表温度的昼夜增温时发现,夜间最低气温的升温速率约为日最高气温升温速率的 1.4倍.这说明新疆地区与全球具有一致的昼夜变暖趋势,昼夜增温存在不对称性.朴世龙等[10]在研究北半球植被对昼夜增温速率不对称性的响应时发现,在北方干旱、半干旱地区生长季植被NDVI与Tmin表现为明显的正相关关系.本文同样认为位于干旱、半干旱地区的新疆植被 NDVI对夜间气温变化的响应更为显著.梁春玲等[13]在研究昼夜增温对南四湖湿地植被 NDVI的影响差异时发现,NDVI与 Tmax呈现极显著的偏相关关系,而本文发现Tmax仅对针叶林的影响显著,对其他类型植被的影响并不显著;梁春玲等[13]认为Tmin与NDVI的偏相关关系并不显著,而本文发现 Tmin对多数植被类型的影响显著.发生这种差异的原因可能与温度对水份条件充足的湿地植被和干旱、半干旱的荒漠地带植被的影响机理不同有关.

根据植物学理论,植物的光合作用通常在白天发生,在夜间一般不能进行光合作用.因此,昼夜温度对植被的作用机理不同.夜间气温的升高引起植物呼吸作用的增强和体内养分代谢速率的增加,造成植物体内有机质损耗增加[13],降低灌浆期持续时间,减小胚乳细胞体积,从而会降低植被生产力[23-24].这可能会使某些植被 NDVI与Tmin产生负的偏相关关系,比如荒漠植被.另一方面,夜间气温的升高也可能会通过降低霜冻发生的频率[25]以及夜间自养呼吸加剧而产生的补偿作用[12]来提高植被生产能力.这可能使得某些植被NDVI与Tmin之间呈现出正的偏相关关系,比如针叶林、草原、草甸等大多数类型植被.相对于 Tmin,Tmax的上升对新疆地区植被的影响作用并不十分显著;研究区地处干旱、半干旱地区,植被生长主要受制于降水是其可能的原因之一.

植被 NDVI的时空演变是自然因素和人为因素综合作用的结果,本文只分析了昼夜温度、降水量与植被变化的相关性,而未能将太阳辐射量等其他的气候因子和人为因素考虑在内.此外,NDVI在稀疏植被区的低敏感性可能会对结果产生一定的影响.所以,需要在以后的研究中综合各种因素,采用控制试验或模型模拟研究等多种方法相互补充,以进一步阐释昼夜增温对不同植被的影响机理.

4 结论

4.1 新疆地区1982～2013年间昼夜增温趋势显著;昼夜增温速率具有不对称性;昼夜温差呈现减小的趋势.

4.2 新疆地区昼夜增温对植被的影响呈现出明显的空间差异：总体上,相比于白天增温,夜间增温对植被活动的影响程度更大,影响区域更为广泛.

4.3 新疆地区昼夜增温对不同类型植被会产生不同的影响.从影响的程度来看,白天增温对针叶林的影响显著;夜间增温对针叶林、农业植被、草原及草甸的影响显著.从影响的空间分布来看,夜间温度对不同类型植被有显著影响的面积比例均高于白天温度.

[1]袁丽华,蒋卫国,申文明,等. 2000～2010黄河流域植被覆盖的时空变化 [J]. 生态学报, 2013,33(24)：7798-7806.

[2]李 霞,李晓兵,王 宏,等.气候变化对中国北方温带草原植被的影响 [J]. 北京师范大学学报(自然科学版), 2006,42(6)：618-623.

[3]Zhu Z, Piao S, Myneni R B, et al. Greening of the Earth and its drivers[J]. Nature climate change, 2016,6(8)：791-795.

[4]毛德华,王宗明,宋开山,等.东北多年冻土区植被 NDVI变化及其对气候变化和土地覆被变化的响应 [J]. 中国环境科学, 2011,31(2)：283-292.

[5]Fensholt R, Proud S R. Evaluation of earth observation based global long term vegetation trends-Comparing GIMMS and MODIS global NDVI time series [J]. Remote Sensing of Environment, 2012,119：131-147.

[6]崔林丽,史 军,杨引明,等.中国东部植被 NDVI对气温和降水的旬响应特征 [J]. 地理学报, 2009,64(7)：850-860.

[7]Jiapaer G., Liang S, Yi Q, et al. Vegetation dynamics and responses to recent climate change in Xinjiang using leaf area index as an indicator [J]. Ecological Indicators, 2015,58：64-76.

[8]王 强,张 勃,戴声佩,等.三北防护林工程区植被覆盖变化与影响因子分析 [J]. 中国环境科学, 2012,32(7)：1302-1308.

[9]赵安周,刘宪锋,朱秀芳,等. 2000～2014年黄土高原植被覆盖时空变化特征及其归因 [J]. 中国环境科学, 2016,36(5)：1568-1578.

[10]Peng S S, Piao S L,Ciais P,et al. Asymmetric effects of daytime and nighttime warming on Northern Hemisphere vegetation [J]. Nature, 2013,501：88-94.

[11]Atkin O K, Turnbull M H, Zaragoza-Castells J, et al. Light inhibition of leaf respiration as soil fertility declines along a post-glacial chronosequence in New Zealand： an analysis using the Kok method [J]. Plant and Soil, 2013,367(1)：163-182.

[12]Wan S Q, Xia J, Liu W, et al. Photosynthetic overcompensation under nocturnal warming enhances grassland carbon sequestration [J]. Ecology, 2009,90：2700-2710.

[13]梁春玲,于泉洲,刘煜杰,等.昼夜增温对南四湖湿地植被 NDVI的影响差异 [J]. 应用生态学报, 2010,12(3)：315-321.

[14]庞 静,杜自强,张霄羽.新疆地区植被对水热条件的时滞响应[J]. 中国农业资源与区划, 2015,36(7)：82-88.

[15]张景华,封志明,姜鲁光,等.澜沧江流域植被 NDVI与气候因子的相关性分析 [J]. 自然资源学报, 2015,30(9)：1425-1435.

[16]Kobayashi H, Dye D G. Atmospheric conditions for monitoring the long-term vegetation dynamics in the Amazon using normalized difference vegetation index [J]. Remote Sensing of Environment, 2005,97(4)：519-525.

[17]张生军,王 涛,王天明,等.新疆不同植被 NDVI的变化及其与气候因子的关系 [J]. 草业科学, 2009,26(5)：26-31.

[18]郭 铌,朱燕君,王介民,等.近22年来西北不同类型植被NDVI变化与气候因子的关系 [J]. 植物生态学报, 2008,32(2)：319-327.

[19]何 月,樊高峰,张小伟,等.浙江省植被 NDVI动态及其对气候的响应 [J]. 生态学报, 2012,32(14)：4352-4362.

[20]张勇荣,周忠发,马士彬,等.基于 NDVI的喀斯特地区植被对气候变化的响应研究—以贵州省六盘水市为例 [J]. 2014,34(4)：114-117.

[21]侯光磊,张洪岩,郭 聃,等.长白山植被生长季 NDVI时空变化及其对气候因子敏感性 [J]. 地理科学进展, 2012,31(3)：285-292.

[22]Solomon S, Qin D, Manning M, et al. Climate Change 2007： The physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change (Cambridge University Press, 2007).

[23]Tan J G, Piao S L, Chen A P, et al. Seasonally different response of photosynthetic activity to daytime and night-time warming in the Northern Hemisphere [J]. Global Change Biology, 2015,21(1)：377-87.

[24]Welch J R, Vincent J R, Auffhammer M, et al. Rice yields in tropical/subtropical Asia exhibit large but opposing sensitivities to minimum and maximum temperatures [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010,107(33)：14562-14567.

[25]Lobell D B. Changes in diurnal temperature range and national cereal yields [J]. Agricultural and forest meteorology, 2007,145(3)：229-238.

Effects of the asymmetric diurnal-warming on vegetation dynamics in Xinjiang.

ZHAO Jie1, LIU Xue-jia2, DUZi-qiang1*, WU Zhi-tao1, XU Xiao-ming1(1.Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2.College of Environmental & Resource Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China). China Environment Science, 2017,37(6)：2316～2321

Based on normalized difference vegetation index (NDVI) data, vegetation type data and meteorological data, this study revealed the warming trends of the day- and nighttime in growing seasons using the unitary linear regression analysis, and analyzed different effects of the asymmetry diurnal warming on vegetation activities using the two order partial correlation analysis method. Results indicated that: there was an extremely significant trend of diurnal warming from 1982 to 2013 in Xinjiang areas. The nighttime warming was approximately 1.5times that of daytime during growing seasons. The warming rate showed an asymmetry between day- and nighttime; the effects of day- and nighttime warming on vegetation activities showed obvious differentiation. Nighttime warming had significantly stronger and more extensive effects on vegetation than daytime warming; and different vegetation types responded differently to the asymmetry warming. Daytime warming had significantly positive effects on the coniferous forest, and nighttime warming had significant positive effects on the coniferous forest, agricultural vegetation, grassland, and meadow.

asymmetric warming；vegetation dynamics；daytime warming；nighttime warming；Xinjiang areas

X173

A

1000-6923(2017)06-2316-06

赵 杰(1993-),男,山东临沂人,硕士研究生,主要从事全球变化生态学、植被与生态遥感方面的研究工作.发表论文5篇.

2016-11-17

国家自然科学基金资助项目(41161066,41401643, 41401053)

* 责任作者, 副教授, duzq@sxu.edu.cn