中国东北多年冻土退化对植被季节NDVI 的影响研究

郭金停，胡远满，布仁仓

（1.内蒙古师范大学 生命科学与技术学院，内蒙古 呼和浩特010022；2.中国科学院 沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳110016）

多年冻土是冰冻圈的重要组成部分，近年来随着全球气候变暖，发生了不同程度的退化［1－3］。Taylor 等［4］发现北美北部多年冻土区的地表温度随着不断升高的气温和降雪覆盖状况的改变呈增加的趋势，导致北部广泛分布的多年冻土不断发生退化。顾钟炜和周幼吾［5］对大兴安岭北坡阿尔木地区的研究发现，该区多年冻土退化趋势明显。由气候变化引起的多年冻土退化过程对寒区植被的生长、寒区水文特征以及整个寒区陆地生态系统都有着非常重要的影响。多年冻土退化导致冻土区水文模式、土壤中营养物质含量、土壤微生物活性、土壤质地和组成发生改变，进而影响地上植被［6］。郭正刚等［7］的研究表明随着青藏高原北部地区多年冻土退化，植被覆盖度降低，群落以及物种多样性呈先增加后降低的趋势。梁四海等［8］也发现黄河源区多年冻土发生退化后会使土壤含水量减少，造成植被物种更替。王根旭等［9］研究表明，随着青藏高原多年冻土活动层厚度的增加，高寒草甸草地的植被覆盖度和生物量均显著降低，同时高寒草甸与高寒沼泽草甸生态系统发生退化。谭俊和李秀华［10］预测当年平均气温增加4 ℃，降水量增加10% 时，东北东部各森林地带将向北移3～5 个纬度，届时大兴安岭森林将有可能完全北移出境，取而代之的是以中温性的针阔混交林以及草原为主的群落。孙广友［11］认为多年冻土的退化或者完全消失破坏了东北地区沼泽发生的物质基础，从而导致沼泽退化或者消失。毛德华等［12］对东北冻土区植被NDVI 对气候变化的响应进行了研究，虽然探讨了该区植被NDVI 与气候因子的关系，但未对多年冻土退化对植被的影响进行分析。

目前有关冻土退化的研究大都集中在分析多年冻土的分布以及退化成因等方面［13－16］，很少涉及区域尺度上关于多年冻土退化对植被NDVI 的影响研究，因此在气候变化背景下，探讨多年冻土退化对植被NDVI 的影响具有重要意义。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

我国东北多年冻土区（46°30'～53°30' N，115°52'～135°09' E）处于欧亚大陆多年冻土带的南缘，同时也是我国第二大多年冻土分布区，地跨内蒙古自治区和黑龙江省的最北部。 依据国内学者郭东信、金会军等［17－18］的研究成果，经过扫描数字化以及属性添加，确定本研究区多年冻土南界以及不同多年冻土类型区范围。研究区内包括郭东信等［17］在20 世纪70 年代所考察出的多年冻土南界以及金会军等［18］在21 世纪初期推断出的南界范围。按照影响多年冻土空间分布的地理以及气候条件，将东北多年冻土区划分为连续多年冻土区（6.2×104km2）、不连续多年冻土区（6.6×104km2）、稀疏岛状多年冻土区（1.3×105km2）以及多年冻土完全退化区（1.3×105km2）。该区属于寒温带大陆性气候，冬季漫长干冷，夏季短暂湿热。研究区的年平均气温为－5 ℃～2 ℃，年降水量为260～600 mm［19］。主要植被类型为森林，且大都分布在大小兴安岭地区，树种以兴安落叶松（Larix gmelinii Kuzen.）、白桦（Betula platyphylla Suk.）、蒙古栎（Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.）等混交树种为主。

1.2 数据来源与处理

获取LTDR（land term data record）NDVI 的AVH13C1 以及MODIS NDVI 的MOD13C2 两种NDVI产品数据集进行研究，其中AVH13C1 产品的时间分辨率为1 d，空间分辨率为0.05°，本文使用该数据集的时 间 为1982－1999 年，该 产 品 获 取 网 址http：//ltdr.nascom.nasa.gov/cgi－bin/ltdr/ltdrPage.cgi。MOD13C2 产品属于半月合成数据，空间分辨率0.05°，使用该数据集时间为2000－2014 年，该产品获取网址https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/。上述两种NDVI 产品均已经过遥感图像预处理，如几何校正、辐射校正、大气校正等［20］，通过采用最大合成法（MVC）［21］来减少云、大气、太阳高度角等影响，且两个NDVI 产品数据具有良好的一致性，可以用于后续研究［22］。受东北多年冻土区冬季降雪的影响，本研究分别选择植被春季（4 月－5 月）、夏季（6 月－8 月）、秋季（9 月－10 月）平均NDVI 进行研究，且NDVI 值小于0.05 的像元被定义为非植被区，不参与本文的结果分析。东北多年冻土区范围内的35 个气象站点1982－2014 年的月平均气温、月降水量以及月平均地温数据来源于中国气象数据网（http：//cdc.cma.gov.cn/）。

1.3 研究方法

利用“空间替代时间”方法，从连续多年冻土区－不连续多年冻土区－稀疏岛状多年冻土区－多年冻土完全退化区视为多年冻土区退化过程，由此分析多年冻土退化对植被产生的影响。

2 结果与分析

2.1 多年冻土退化对春季NDVI 影响

2.1.1 不同类型多年冻土区春季NDVI 变化 四种类型区多年冻土植被春季NDVI 均呈增加趋势，除多年冻土完全退化区外均达到了显著增加水平（图1）。不同多年的冻土类型区春季NDVI 增加的幅度不同，连续多年冻土区植被春季NDVI 增加的幅度最大，为0.002 a－1，而多年冻土完全退化区增加幅度最小，为0.001 a－1。不连续多年冻土区植被NDVI 增加的幅度与连续多年冻土区相近，为0.002 a－1，稀疏岛状多年冻土区植被春季NDVI 增加幅度为0.001 a－1。

图1 1982－2014 年东北不同类型多年冻土区春季平均NDVI 年际变化趋势Fig.1 Interannual variation of spatial average spring average NDVI values of variable types of permafrost zones in northeastern China during 1982－2014

NDVI 增加趋势最大值（≥0.004）所占的像元比例依次为连续多年冻土区＞不连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区；NDVI 增加趋势（0.002～＜0.004）所占的像元比例依次为连续多年冻土区＞不连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区；NDVI 增加趋势（0～＜0.002）所占的像元比例依次为稀疏岛状多年冻土区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区＞多年冻土完全退化区；而NDVI 减少（＜0）所占的像元比例依次为多年冻土完全退化区＞稀疏岛状多年冻土区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区（表1）。

表1 1982－2014 年东北不同多年冻土分区春季NDVI 变化趋势的面积比例Tab.1 Proportions of pixels for the variations trend of spring NDVI in the different permafrost zones of northeastern China during 1982－2014 %

2.1.2 不同类型多年冻土区春季NDVI 与气候因子相关性 不同类型多年冻土区春季NDVI 与春季平均气温呈显著正相关关系（见表2），其中稀疏岛状多年冻土区以及多年冻土完全退化区达到了极显著水平（P＜0.01），连续多年冻土区与岛状多年冻土区植被春季NDVI 与春季降水呈负相关关系，而稀疏岛状多年冻土区与多年冻土完全退化区植被NDVI 与春季降水呈正相关关系。NDVI 与气温相关性系数依次为多年冻土完全退化区＞稀疏岛状多年冻土区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区。

表2 1982—2014 年东北不同类型多年冻土区植被春季平均NDVI 与气候因子的相关系数Tab.2 Correlation coefficients between mean spring NDVI and climatic factors during growing season in different permafrost zones of northeastern China during 1982－2014

2.2 多年冻土退化对夏季NDVI 影响

2.2.1 不同类型多年冻土区夏季NDVI 变化 四种类型区植被NDVI 均呈极显著增加趋势（P＜0.01），然而增加的幅度不尽相同（图2）。连续多年冻土区植被夏季NDVI 增加的幅度最大，为0.005 a－1，而多年冻土完全退化区增加幅度最小，为0.002 a－1。不连续多年冻土区为0.004 a－1，稀疏岛状多年冻土区植被夏季NDVI 增加趋势为0.003 a－1。

图2 1982－2014 年东北不同类型多年冻土区夏季平均NDVI 年际变化趋势Fig.2 Interannual variation of spatial average summer average NDVI values of variable types of permafrost zones in northeastern China during 1982－2014

空间像元尺度对不同多年冻土区夏季NDVI 变化幅度所占的像元比例见表3，NDVI 增加趋势最大值（＞0.004）所占的像元比例依次为连续多年冻土区＞不连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区；NDVI 增加趋势（0.002～＜0.004）所占的像元比例依次为稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区；NDVI 增加趋势（0～＜0.002）所占的像元比例依次为多年冻土完全退化区＞稀疏岛状多年冻土区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区；NDVI 减少（＜0）所占的像元比例依次为多年冻土完全退化区＞稀疏岛状多年冻土区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区。

表3 1982－2014 年东北不同多年冻土分区夏季NDVI 变化趋势的面积比例Tab.3 Proportions of pixels for the variations trend of summer NDVI in the different permafrost zones of northeastern China during 1982－2014 %

2.2.2 不同类型多年冻土区夏季NDVI 与气候因子相关性 不同类型多年冻土区夏季NDVI 与平均气温呈显著正相关关系（表4），其中不连续多年冻土区、稀疏岛状多年冻土区以及多年冻土完全退化区达到了极显著水平（P＜0.01）。除多年冻土完全退化区外，夏季NDVI 与降水呈负相关关系，其中不连续多年冻土区达到了显著性水平（P＜0.05）。NDVI 与气温相关性系数依次为不连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区＞连续多年冻土区。多年冻土由连续多年冻土区退化成不连续多年冻土区，NDVI 与气温之间的相关性系数增加，即气温升高可以促进夏季NDVI 的增加，但随着多年冻土区由不连续多年冻土区退化成稀疏岛状多年冻土区，甚至退化为多年冻土完全退化区，植被NDVI 与气温之间的相关性系数均逐渐降低。

表4 1982－2014 年东北不同类型多年冻土区植被夏季平均NDVI 与气候因子的相关系数Tab.4 Correlation coefficients between mean summer NDVI and climatic factors during growing season in different permafrost zones of northeastern China during 1982－2014

2.3 多年冻土退化对秋季NDVI 影响

2.3.1 不同类型多年冻土区秋季NDVI 变化 四种类型区植被秋季NDVI 均呈增加趋势（图3），其中稀疏岛状多年冻土区与多年冻土完全退化区未达到显著性水平。不同多年冻土类型区秋季NDVI 增加的幅度不尽相同，连续多年冻土区植被秋季NDVI 增加的幅度最大，为0.002 a－1，而多年冻土完全退化区增加幅度最小，为0.0002 a－1。不连续多年冻土区植被NDVI 增加的幅度与连续多年冻土区相近，为0.002 a－1，稀疏岛状多年冻土区植被秋季NDVI 增加趋势为0.001 a－1。

图3 1982－2014 年东北不同类型多年冻土区秋季平均NDVI 年际变化趋势Fig.3 Interannual variation of spatial average autumn average NDVI values of variable types of permafrost zones in northeastern China during 1982－2014

空间像元尺度不同对多年冻土区秋季NDVI 变化幅度所占的像元比例见表5，NDVI 增加趋势最大值（≥0.004）所占的像元比例依次为连续多年冻土区＞不连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区；NDVI 增加趋势（0.002～＜0.004）所占的像元比例依次为连续多年冻土区＞不连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区＞多年冻土完全退化区；NDVI 增加趋势（0～＜0.002）所占的像元比例依次为多年冻土完全退化区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区＞稀疏岛状多年冻土区；而NDVI 减少（＜0）所占的像元比例依次为多年冻土完全退化区＞稀疏岛状多年冻土区＞不连续多年冻土区＞连续多年冻土区。

表5 1982－2014 年东北不同多年冻土分区秋季NDVI 变化趋势的面积比例Tab.5 Proportions of pixels for the variations trend of autumn NDVI in the different permafrost zones of northeastern China during 1982－2014 %

2.3.2 不同类型多年冻土区秋季NDVI 与气候因子相关性 不同类型多年冻土区秋季NDVI 与平均气温相关性不显著（表6），连续多年冻土区与不连续多年冻土区植被秋季NDVI 与降水量表现出显著负相关关系，相关系数均为－0.426。对于多年冻土完全退化区而言，秋季NDVI 与气温呈负相关关系，为－0.107。

表6 1982—2014 年东北不同类型冻土区植被秋季平均NDVI 与气候因子的相关系数Tab.6 Correlation coefficients between mean autumn NDVI and climatic factors during growing season in different permafrost zones of northeastern China during 1982－2014

3 结论与讨论

本研究利用景观生态学中“空间代时间”方法，将连续多年冻土－不连续多年冻土－稀疏岛状多年冻土－多年冻土完全退化区视为多年冻土的退化过程。随着多年冻土不断退化，春季NDVI 受地区气温的影响其相关系数逐渐增高，这表明多年冻土退化过程有助于春季植被的生长；而对于夏季NDVI，多年冻土由连续多年冻土区退化成不连续多年冻土区，NDVI 与气温之间的相关性系数增加，即气温升高可以促进夏季NDVI 的增加，但随着多年冻土区由不连续多年冻土区退化成稀疏岛状多年冻土区，直至多年冻土完全退化区，植被NDVI 与气温之间的相关性系数逐渐降低，植被受气温影响的敏感程度下降。这在一定程度上表明，短期来看，多年冻土区退化可以促进夏季植被生长，但长期来看，多年冻土退化甚至消失可能会阻碍夏季植被生长。对于秋季植被NDVI 而言，在多年冻土完全退化区，秋季NDVI 与气温呈负相关关系，在一定程度上表明随着气温升高，多年冻土区退化会阻碍秋季植被生长。

多年冻土退化在植被生长过程中起到积极作用，这与一些研究结果一致［19，23］。多年冻土区随着地表温度的逐渐升高，多年冻土会发生融化，导致冻土区活动层厚度增加，进而可以为多年冻土区的植被生长提供更多的水分和营养物质［24］。多年冻土退化属于长期的动态过程，而且也存在一定滞后效应，多年冻土退化的初期阶段，升高的温度减弱了该区低温环境对植被生长的消极作用，增加了土壤水分，促进植被生长。随着多年冻土进一步退化，植被NDVI 与气温的正相关关系逐渐减弱，可能是长期退化过程中，土壤水分供应不断减少。因此，短期来看，多年冻土发育或者维持相对较好的区域，随着温度的增升高，多年冻土发生退化，可以促进植被生长，增加植被覆盖，但长期的持续退化甚至消失会阻碍植被生长。