近20年天津地区植被变化及其对气候变化的响应.doc

刘德义等：近20年天津地区植被变化及其对气候变化的响应 801近20年天津地区植被变化及其对气候变化的响应刘德义1，傅宁2，范锦龙31. 天津市气候中心，天津 300074；2. 中国民航大学，天津 300300；3. 中国气象局气候研究开放实验室，北京 100081摘要：植被与气候变化的相互关系在全球或区域尺度上得到了证明。研究特定地区植被动态变化及其与气候变化的关系，找出影响植被变化的关键因子，是植被重建和生态环境恢复的前提。文章利用19822003年8 km8 km的NASA/GIMMS半月合成的植被指数(NDVI)数据和同期气候数据，分析了天津地区植被的年平均NDVI的动态变化规律及其与年平均温度和年降水的关系。结果表明：19822003年，年平均NDVI呈现波动性的逐渐降低趋势，并且年代际变化特征明显；近20年来，天津年平均温度明显升高，而年平均降水量总体上呈减少趋势，指示天津地区暖干化趋势明显；统计分析表明研究区年平均温度对植被指数的年际变化没有明显的影响（P0.05），而年降水与植被指数呈显著正相关（P0.01）。本研究证实由于天津地区持续干旱化的影响，植被生长状况逐渐向差的方向发展，降水的多寡是植被生长优劣的决定性因子，改善水分状况是推进该地区植被恢复与重建的关键因素。关键词：天津；植被指数；温度；降水；气候变化中图分类号：Q948 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）02-0798-04植被是土壤类型、地貌特征、气候变化和人类活动长期相互作用的产物，其分布、组成、发生和发展与环境条件密切相关，特别是受气候变化的影响，定量描述区域尺度上植被的演变动态及其与气候因子的相互关系是全球变化研究的重要内容1-4。近年来，随着遥感技术的发展，借助遥感数据对区域尺度植物动态变化已经成为一条有效的途径5,6。归一化植被指数（NDVI）是根据绿色植物在可见光和近红外波段范围内特有的光谱特征反演而来，能够有效的表征地表植物覆盖和生长状态7。气候变化是引发地表覆盖变化的主要原因之一8，而地表植被指数在一定程度上能表征地表覆盖状况，因而植被指数的动态变化及其对气候变化的响应近年来受到了广泛关注9-11。前人研究表明非洲波兹瓦纳地区NDVI与气温、降水量有明显的相关关系，当年降水量小于500 mm或月降水量在50100 mm之间时，NDVI与降水量呈正相关12。而在非洲布基纳法索，气温与降水均是影响植被覆盖变化的显著性因子，都与NDVI呈显著的正相关13。国内一些科学家也利用时间序列的NOAA/AVHRR数据，结合同期的温度、降水数据，研究了中国主要植被类型的遥感特征参数NDVI的变化及其对气候变化的响应14,15。天津地处华北平原东北部，海河流域下游，属典型的暖温带半湿润半干旱季风气候，四季分明，季节交替明显。年平均温度为12.9 ，年降水量和年蒸发量分别为547.9 mm和 1717.4 mm。植被主要包括：侧柏（Platycladus orientalis）、黄栌（Cotinus coggygria）、毛白杨(Populus tomentosa)，刺槐(Robinia pseudoacacia）、冬小麦（Triticum aestivum）、棉花（Bombax malabaricum）、玉米（Zea mays）等。近年来由于气候变暖以及持续干旱化必然影响到植被的生长及分布，而该区地表植被覆盖状况的演化特征及其与气候因子之间关系的研究还很缺乏。研究天津区域的植被变化特征及其对气候变化的响应模式，找出影响天津地区植被生长和分布的主导因子，对天津区域植被重建和恢复工作具有重要意义，同时对制订滨海新区的发展规划、改善生态环境，建立生态宜居城市方面亦具有指导作用。1 数据与方法1.1 数据来源气象数据来自天津市气候中心的19512004年的日观测基本气候资料，重点分析与植被变化密切相关的温度与降水数据。遥感数据来自美国全球调查模拟和制图研究项目制作的数据库，选取覆盖研究区域的19822003年8 km8 km的NASA/GIMMS 植被指数（NDVI）数据，使用美国NOAA27、9、11、14、16的AVHRR数据合成植被指数数据集。1.2 数据处理由于研究区范围较小，计算研究区12个气象站温度和降水的年平均值。使用ENVI图像处理软件对收集到的19822003年8 km8 km的NASA/GIMMS的植被指数（NDVI）数据进行处理，主要过程包括图像格式转换、投影、裁剪、波段叠合等，生成研究区的相应数据集。在ENVI软件中提取出研究区域22年植被指数年平均值。以SPSS 10.0进行统计分析植被指数与气象因子的相关关系，P 0.05为显著水平。2 结果与分析2.1 天津地区植被变化天津地区的19822003年平均NDVI呈波动状的下降趋势，而且年代际变化特征明显（图1）。年代际变化趋势NDVI年累积值的距平（图2）表明，20世纪90年代以来除1991、1995、1998为正值外，其它年份NDVI年平均值均为负距平，80年代除1982、1983、1984年外其它年份的NDVI年平均值多为正距平，90年代以来NDVI低于22年的均值，而80年代NDVI高于22年的均值，表明80年代的植被生长状况较好。此外，在1983、1993和2000年，NDVI出现3个明显的低谷，年距平分别约为-0.02、-0.0185和-0.031，表明这3年的植被生长状况较其它年份差。总体来说，天津地区近22年来植被生长状况逐渐向差的方向发展。2.2 天津地区的气候变化特征2.2.1 温度近50年来，天津年平均温度呈现明显上升趋势（图3），其变化幅度为10.413.5 。1969年达最低点，为10.4 ，19971998年发生了近百年最强的厄尔尼诺现象，受其影响，1998年最高，达到13.5 。近50年平均温度上升了约1.9 ，增温幅度为0.38 /10 a，表明天津属于全球变暖的正响应区域，并且增温幅度大于全国同期平均水平16。图3 19512006年天津地区年平均温度的年际变化Fig. 3 Interannual variations of annual mean temperature in Tianjin area during 195120062.2.2 降水图1 19822003年天津地区年平均NDVI的年际变化Fig. 1 Interannual variations of annual mean NDVI in Tianjin area during 19822003图2 19822003年天津地区年NDVI距平的年际变化Fig. 2 Interannual variations of annual accumulated NDVI in Tianjin area during 19822003图4 19512006年天津地区年降水量的年际变化Fig. 4 Interannual variations of annual precipitation in Tianjin area during 19512006近50年来天津年降水量总体上呈现出明显减少趋势（图4），降幅为4.5 mm/10 a，50年降水量共减少23.5 mm。同时阶段性变化趋势明显，70年代后期、80年代中期为两个多雨时段，70年代末至80年代前期和90年代中后期至今为降水量偏少时段，尤其近10年（19972006年）的平均降水量为473.2 mm，比常年平均（572.3 mm）偏少20。目前天津处于50年代后的相对少雨时段，降水趋势非常明显。如果降水量按照这种趋势降低，干旱现象加剧，将不利于天津地区的植被生长。2.3 植被对气候变化的响应天津地区年平均植被指数与年降水量的统计分析表明，植被指数与年降水量显著正相关（P 0.05），尽管随着温度的增加，植被指数表现出下降的趋势。根据气候资料统计，天津的增温主要表现冬季，达0.66 /10 a，而该地区的植被生长季集中在510月，增温时间与植被生长季不一致，也进一步表明温度并不是该区域植被长势优劣的主要制约因子。天津地区的植被指数与降水正相关，而与温度无相关关系，表明该区域降水是植被指数年间变化的主要影响因子，降水的多寡决定了植被的生长状况。图5天津地区植被指数动态与年平均降水量的关系Fig. 5 Relationship between annual mean NDVI and annual precipitation in Tianjin area图6研究区植被指数动态与年平均温度的关系Fig. 6 Relationship between annual mean NDVI and annual temperature in Tianjin area3 结语利用气候及遥感数据，分析了天津地区的植被指数NDVI变化特征、气候变化的趋势以及二者的相关关系。结果表明近20年来，天津地区的NDVI总体上呈降低趋势，植被生长状况向差的方向发展。研究区降水与植被指数呈正相关，降水对植被的影响非常大，降水的多寡决定了植被的生长状况，温度对研究区域的植被指数变化没有显著影响。本文研究证实，在全球变暖的大背景下，天津地区增温明显，且增温幅度大于全国平均水平。近20年来降水量总体呈下降的趋势，影响到研究区的植被覆盖和植被生长状况，使该地区植物指数呈现出下降的趋势。脆弱的生态环境和降雨量偏少的气候变化特征在时空上的共振和耦合加剧了生态系统的退化程度。因而，需要加强生态环境建设，改善气候条件，尤其是水分状况，采取蓄水、保水、增墒措施，逐步推进天津地区植被的恢复与重建。参考文献：1 范锦龙, 李贵才, 张艳. 阴山北麓农牧交错带植被变化及其对气候变化的响应J. 生态学杂志, 2007, 26(10): 1528-1532.Fan Jinlong, Li Guicai, Zhang Yan. 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