基于多源数据的中国生态系统研究网络（CERN）典型生态系统植被变化趋势及其影响因素识别

【摘要】：植被作为陆地生态系统的重要组成部分,支撑着自然环境和人类社会的可持续发展。随着全球变暖和人类干扰加剧,中国不同生态系统间的植被动态变化出现了时空分异。科学定量分析植被-气候-人类之间的关系,对制定应对气候变化的策略、实现区域生态系统可持续具有重要意义。为此,本研究以中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)5种生态系统类型(草地、荒漠、农业、森林、湿地)共34个台站及其行政区县为研究区域,选取归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)作为核心指标,采用变化趋势分析、一致性检验、Pearson相关性分析、冗余分析(RDA)等方法,综合比较了不同遥感数据源在CERN典型生态系统植被变化评价中的差异和适用性,分析了2000-2019年CERN典型生态系统植被变化趋势特征并定量评估了气候变化和人类活动对植被动态变化的影响。本文的主要研究结果如下:(1)离散分析表明5种遥感数据集在表征CERN典型生态系统的植被指数存在一定的数值差异,主要表现为GIMMS 3g的年均值最高,MODIS NDVI与SPOT-VGT较接近,MODIS EVI与Landsat-5 TM的数值较低,这是由于传感器波段带宽不同引起的水汽吸收能力差异,导致不同数据集在高植被覆盖区或植被生长旺盛期的敏感度和饱和度不同;而不同数据集植被指数年内波动均呈极显著相关,其中MODIS NDVI与EVI的相关性最高,说明同一传感器的波动相关明显强于不同传感器,Landsat受限于云量无法提供稳定的长时间序列影像,致其与其他数据集的一致性最差且相关性最低。基于尺度效应的考虑,本研究在划定相同地理范围时发现低分辨率的GIMMS 3g影像混合像元值偏高,数据结果的可靠性偏低。此外,极端气候对农业生态系统和Landsat NDVI的影响最大。因此,如何在不同尺度上对不同数据源进行适用性评估和选择,仍将是植被动态变化研究面临的重要问题。(2)2000-2019年CERN 5种典型生态系统整体NDVI呈极显著上升趋势(slope=0.268×10~(-2)yr~(-1),p0.01)。其中3个生态系统类型(农业森林荒漠)的年均NDVI呈极显著上升趋势,而湿地和草地生态系统类型(湿地草地)NDVI呈下降趋势。年均NDVI上升较快的区域分布在长江中下游和黄河中下游的农业和森林站;西部和北部的荒漠站和农业站上升相对缓慢。除草地和湿地在春季出现退化外,农业、森林、荒漠站的四季NDVI均呈显著上升趋势,其中夏季对年NDVI变化的贡献最大。此外,在不同的空间尺度上,2000-2019年CERN台站3 km×3 km缓冲区及其行政区县的波动基本一致,均为0.268×10~(-2)yr~(-1)(p0.01)。不同生态系统的差异主要受控于植被类型和人类活动(如策勒、临泽)、农作物类型和农耕行为(如鹰潭、拉萨)、用地类型变更和海拔地势引起的气候差异(如海北、贡嘎山)等。总体而言,CERN植被指数变化整体呈上升趋势,植被生长的年际稳定性较好,但不同生态系统类型、不同地理尺度、不同时间阶段的植被动态变化存在较大差异。(3)气候变化和人类活动对CERN典型生态系统植被变化影响明显,总解释能力为67.9%,其中气候变化是主导因素,60.1%的NDVI变异由水热条件变化引起。从气候因子上看,气温变化与CERN整体NDVI波动的相关性最为密切,但NDVI不仅受单一环境因子制约,多个环境变量的有机组合会带来梯度差异,加剧其变异的复杂程度。同时县域和缓冲区NDVI响应的差异也表明研究的地理区域越大,气候变化和人类活动对NDVI的影响程度越高。在不同生态系统类型中,草地NDVI波动的主导因素为人口密度,其受人类活动的干扰强度最大,荒漠的主导因素是降水量,农业受气温变化的影响最大,森林则主要受控于总辐射和相对湿度。整体上,气候因素是导致CERN典型生态系统NDVI发生变异的重要原因,而人类活动的影响相对有限。