（环境科学专业论文）近30年来秦岭南北坡植被指数时空差异及其对区域气候的响应.pdf

可能存在潜在退化的危险。 秦岭南坡年最大n d v i 值与前一年8 月至当年7 月平均温度显著相关，从北往南， 相关性从显著正相关到不显著的正相关，再过渡到显著的负相关。研究表明该地区存在 两个温度界限，当前一年8 月至当年7 月平均温度低于1 3 o 0 2 。c 时，其与年最大n d v i 呈显著的正相关，而高于1 4 4 0 2 。c 时则呈显著的负相关，即当温度超过1 4 4 + 0 2 。c 时， 温度的升高可能会抑制当地植被的生长，从而导致该地区年最大n d v i 降低。尤以南坡 南端的人为耕作区更为敏感，因此加大南部草灌丛的保护力度，继续积极开展退耕还林 还草是防止该地区植被退化，保持秦岭生态系统平衡的重要措施。 关键词：秦岭，植被指数，气候变化，温度，降水 s p a t i a l - t e m p o r a lc h a n g e so fv e g e t a t i o ni n d e xa n dr e s p o n s e st or e g i o n a l t e m p e r a t u r ei nt h en o r t h e r na n dt h e s o u t h e r nr e g i o n so f q i n l i n gm o u n t a i n sd u r i n gt h ep a s t3 0y e a r s a b s t r a c t a st h es u p r e m em o u n t a i n so nt h ee a s to fo r i e n t ，q i n l i n gm o u n t a i n sa l en o to n l yt h e i m p o r t a n td e m a r c a t i o nl i n eo fc h i n a sn o r t ha n ds o u t h ，b u ta l s ot h ew a t e rs o u t ho f t h em i d d l e r o u t eo fs o u t h t on o r t hw a t e rd i v e r t i o n i nt e r m so ft h ea n a l y s i sm e t h o d so fm v c ，r e g r e s s i o n ， c o r r e l a t i o na n dw a v e l e te t c ，t h e t e m p o r a l & s p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c s o fv e g e t a t i o nc o v e r v a r i a t i o n sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec l i m a t ew e r ea n a l y z e db a s e do nt h el o n g e rt e r m g i m m s ( 1 9 8 1 7 2 0 0 3 1 2 ) a n ds p o tv e g e t a t i o n ( 1 9 9 8 4 - 2 0 0 7 1 0 ) n d v id a t a t h es t u d i e s o fv e g e t a t i o nc o v e rv a r i a t i o na n di t sr e s p o n s e st or e g i o n a lc l i m a t ec h a n g eh a db e e nc a r r i e do u t t h em a i nc o n c l u s i o n si n c l u d e d ： ( 1 ) t h es p a t i a l t e m p o r a lc h a n g e s o fv e g e t a t i o ni nt h en o r t h e r na n dt h es o u t h e r nr e g i o n so f q i n l i n gm o u n t a i n s t h es e a s o n a ln d v io ft h en o r t h e r na n dt h es o u t h e r nr e g i o n so fq i n l i n gm o u n t a i n s f l u c t u a t e dw i t ht h es a m et r e n d sa st i m ep a s s e d ；i nw i n t e ra n da u t u m n ，t h es e a s o n a ln d v io f t h et w or e g i o n sw e r ei n c r e a s e dw i t ht h et i m e ，w h i l et h e yw e r ed e c r e a s e di ns p r i n ga n dw i n t e r t h ev e g e t a t i o nc o v e r a g ei nt w or e g i o n sw e r ea l lr e d u c e dd u r i n gt h ep a s t3 0y e a r s ，a n dt h e s p e e do ft h er e d u c t i o ni nt h en o r t h e r np a r tw a sg r e a t e rt h a nt h a to ft h es o u t h e r np a r t b e f o r e 1 9 9 8 ，t h e r ew e r es m a l lc h a n g e so fv e g e t a t i o n ，b u ti tb e c a m ed e c r e a s e db e c a u s eo ft h ec l i m a t e c h a n g ea f t e r1 9 9 8 ，a n dp r e s e n t e dt h em i n i m u m v a l u ei n2 0 0 0 ( 2 ) r e s p o n s e so fv e g e t a t i o nc o v e r a g et or e g i o n a le n v i r o n m e n tc h a n g ei nt h en o r t h e r na n d t h es o u t h e r no fq i n l i n gm o u n t a i n s t h ec l i m a t ei nt h en o r t h e r na n dt h es o u t h e r no fq i n l i n gm o u n t a i n sa r eb e c o m i n gw a r m a n dd r yd u r i n gt h ep a s t3 0y e a r s ，a n dt h ed i f f e r e n c e so ft e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o nb e t w e e n t h et w or e g i o n sw e r eg e t t i n gs m a l l e r i nt h es o u t h e r np a r to fq i n l i n gm o u n t a i n s ，t h ei m p a c to f t e m p e r a t u r eo nv e g e t a t i o nc o v e rl a g g e df o r1m o n t h ，b u tt h ei m p a c tw a ss m a l li nt h en o r t h e r n r e g i o nb e c a u s e o fh u m a na c t i v i t i e s a tt h es a m et i m e ，t h er a i n f a l li sr e l a t i v e l ya b u n d a n ti nt h e t w or e g i o n ss ot h a ti t si m p a c tw a sl e s st h a nt h a to ft e m p e r a t u r e c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h es e a s o n a lm e a nn d v ii ns p r i n ga n ds u m m e rw e r e t i g h t l yc o r r e l a t e dw i t ht e m p e r a t u r ef o rb o t hr e g i o n sd u r i n g1 9 8 2t o 1 9 9 7 b u ta f t e r1 9 9 8 ， t e m p e r a t u r ew a si n s i g n i f i c a n tw i t he i t h e ra n n u a ln d v io rs e a s o n a ln d v ia ta n yt i m e ，e x c e p t w i n t e ri nt h en o r t h e r nr e g i o n ，w h e nt h ec o e l a t i o nc o e f f i c i e n to fw i n t e r sn d v it o t e m p e r a t u r ei n t h en o r t h e r nq i n l i n gm o u n t a i n sw a s 蕊h i g h 弱0 7 5 0 5 ) ，w h i c h r e p r e s e n t e da ni m p o r t a n ts i g n a lo fr e g i o n a le c o l o g i c a lr e s p o n s et og l o b a lw a r m i n g 0 ) r e s p o n s e so fv e g e t a t i o nc h a n g et ot e m p e r a t u r ei n t h es o u t h e r nr e g i o no fq i n l i n g m o u n t a i n sd u r i n gt h ep a s td e c a d e s d u r i n gt h ep a s td e c a d e s ，t h ep i x e l sw h e r en d v i 蚴s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da c c o u n tf o r m o r et h a n1 5 o ft h et o t a lp i x e l si nt h es o u t h e r nr e g i o no fq i n l i n gm o u n t a i n s ，a n dt h en d v i i nt h ep a r t i a lb r o a d l e a v e df o r e s t - - d i s t r u b t e da r e ar e d u c e ds i g n i f i c a n t l y t h em o s td e g r a d e d v e g e t a t i o nw e r es h r u b sa n db u s h e s t h ea n n u a lm a x i m u mo fn d v lw a sc o r r e l a t e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h em e a na i rt e m p e r a t u r e c a l c u l a t e df r o ml a s ta u g u s tt oj u l y ，a n dt h ec o r r e l a t i o nf o l l o w e db ys i g n i f i c a n tp o s i t i v e ， i n s i g n i f i c a n tp o s i t i v ea n ds i g n i f i c a n tn e g a t i v ef r o mn o r t ht os o u t hi nt h es o u t h e r nr e g i o no f q i n l i n gm o u n t a i n s w h a t sm o r e ，t h e r em a yb et w os e n s i t i v i t yt h r e s h o l d so fp o s i t i v ea n d n e g a t i v ec o r r e l a t i o n ，w h i c hm e a n st h a tw h e nt h et e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n1 3 0 0 2 c ，i ti s s i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t e dw i t ht h en d v i m 缸，w h i l ei tw i l lr e d u c et h en d v i m 缸w h e ni t h i g h e rt h a n1 4 4 0 20 c s oi tw a si m p o r t a n tt or e t u r n i n gf a r m l a n dt of o r e s ta n dg r a s s l a n d ， e s p e c i a l l yi nt h es o u t h e r np a r to f t h er e g i o n k e yw o r d s ：q i n l i n gm o u n t a i n s ，v e g e t a t i o ni n d e x ，c l i m a t ec h a n g e ， t e m p e r a t u r e ，p r e c i p i t a t i o n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：二纽晕卜指导教师签名： 咖年石月“日杪，p 年月，多日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另i , d h 以标注和 致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鞠、聋 沁l o 年6 只曙日 西北大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 近百年来，特别是近二三十年来，全球气候系统正经历着一次以变暖为主要特征的 显著变化【。1 9 0 6 2 0 0 5 年的1 0 0 年里，全球平均地表温度上升了o 7 4 。c ( o 5 6 0 9 2 c ) ， 且最近5 0 年的升温速率几乎是过去1 0 0 年的两倍。2 0 0 7 年联合国政府间气候变化专门委 员会( 口c c ) 第四次评估报告的结论是：人类活动很可能是气候变暖的主要原因，这种 可能性在9 0 以上。一项研究报告显示，森林吸收人类制造的二氧化碳的能力正在下降。 这意味着人类释放的二氧化碳会更多地对气候造成影响，而不是安全地被锁定在树木或 土壤中。如果温度升高意味着植物和微生物二氧化碳吸收量的减少，那么全球变暖趋势 将会加速。气候变化问题已成为各国政府、公众和科技界关注的重大问题。 中国全球变化研究始于2 0 世纪8 0 年代，是全球变化研究发起国之一，中国科学家在 参与“世界气候研究计划( w c r p ) 和“国际地圈生物圈计划( i g b p ) 方面作出了积极 贡献。在“全球环境变化人文因素计划( i h d p ) ”和“生物多样性计划( d i v e r s i t a s ) 方面也开展了有成效的研究。2 1 世纪中国全球变化研究将面临新的挑战，考虑到中国区 域优势和国际科学前沿，下一阶段中国全球变化研究着重解决的科学问题是：中国土地 利用覆被变化与陆地生态系统变化研究；中国人类活动与区域碳循环过程研究；人类 活动与大气气溶胶研究；中国水循环与水问题研究；边缘海及海陆过渡地带与人类活动 研究；全球变化的影响与适应：全球变化与人类活动相互作用研究基础信息平台建设； 自然灾害预测和影响评估【2 j 。 学者们认为，由于气候变暖，地球上南北地区温差减小，经向大气环流减弱，降水 地理分布发生变化，但全球气候变暖对不同纬度地区降水量的影响到底是增加还是减少 仍是不确定。气候变化将导致全球水循环加剧，并会对区域水资源产生重大影响，并进 而影响生态系统的平衡【3 】o 美国在2 0 0 7 年就已将陆地生态系统模型( 包括山地生态系统、 森林生态系统、流域生态系统) 、陆地生态系统研究( 包括土壤、长期生态研究站点、 生态系统的物种入侵、林木市场和趋势、食物安全、生态系统的降水变化) 以及水生生 态系统研究作为研究重点。 植被覆盖是生态系统的主要指标之一，大区域范围植被覆盖的变化( 退化与恢复) 体 现了自然演变和人类活动对生态环境的作用，在全球变化研究中植被充当着“指示器 1 第一章绪论 的作用1 4 j ，长期以来演变而成的气候格局决定了植被的分布，气候变化导致植被生态系 统发生相应的改变，中高纬地区植被生长季延长，适生区北移；气候变暖导致蒸发量加 大，使干旱半干旱地区荒漠化加剧；温度升高使北半球中高纬度植被生长季延长，植被 活动增加。与此同时，植被覆盖的变化又会对局地的小气候系统产生重要影响。 全球变化是由千差万别的区域变化构成的。“温室气体增加可能造成的全球气候变 化因区域不同而异，陆地生态系统和环境对此的响应，也因地表各种过程在不同时空尺 度上表现出的差异及其自身的抗干扰能力和恢复能力的高低而变化。就区域性分析来 讲，重点地区将集中在脆弱生态区和自然地理的过渡地带如海岸带、水分条件的大梯度 过渡带及山地。 1 5 j 这些地区由于抵抗外部干扰的能力差，对环境的改变更为敏感，因 此它们正受到学者们越来越多的关注。 秦岭山地，腹地位于陕西省南部，东连豫鄂，西接甘陇，南望巴蜀，北瞰关中，大 致位于东经1 0 5 。3 0 - 1 1 0 。0 5 ，北纬3 2 0 4 0 3 4 。3 5 之间。北部以秦岭北坡山脚线为界；南部 以汉江北岸为界，但不包括汉中、安康盆地。在汉中、安康盆地，以盆地的北缘为界； 东、西两侧以省界为界。秦岭山地北仰南俯，地处我国暖温带和亚热带的生态过渡带， 是中国南北地理环境的重要分界线。其独特的地理位置、古老的地质演化历史、复杂的 自然环境特点孕育了丰富的天然植物资源，近1 0 0 多年来，一直受到中外各界学者的关 注。 秦岭南北气候差异大，北坡属于暖温带半湿润气候带，南坡大部分地区则属于亚热 带湿润气候带；秦岭山地还是重要的生物地理分界线，秦岭以北广泛分布暖温带落叶阔 叶林，而秦岭以南分布的则是北亚热带落叶阔叶常绿阔叶混交林。如位于秦岭南部的 安康与位于北部地区的西安，两地纬度距离仅为1 。4 0 ，直线距离不足2 0 0 k m ，但当代气 候变化的南北差异却比较显著1 6 1 。延军平【7 1 通过对秦岭南北坡地区近5 0 年来秦岭南北环 境响应程度进行比较发现，近5 0 年来，随着气候变暖，秦岭山地的气候分界作用明显， 其南北地区对全球变暖过程的响应有明显区别。秦岭以北变暖程度超过秦岭以南，而秦 岭以南年降水量减少的绝对值超过秦岭以北，温度以及降水的差值均随时间减小，两地 区的气候存在趋同性。另一方面，秦岭南北坡地区人文环境不仅存在着历史性差异，且 随着现代经济发展，该地区的产业结构、经济发展速度和城市化水平亦发生了很大变化。 环境变化特别是气候变化对秦岭南北坡地区植被指数的影响是否存在着差异性? 秦岭生态系统是否具有区域响应分界的意义? 秦岭山地作为南水北调中线的水源地是 否会成为气候变暖影响的敏感区域? 等等，这些问题都值得进行较精细的比较研究；另 2 西北大学硕仁学位论文 外，3 s 技术的发展为较大尺度上植被动态变化研究提供了便利和可能。对秦岭南北坡地 区的植被指数变化及其对气候变化的响应研究，不仅可揭示全球变暖大趋势下秦岭南北 坡地区森林生态系统的响应程度，而且可为本区生物多样性保护和水源地保护提供理论 支撑。 1 2 国内外研究现状 植被具有明显的年际变化和季节变化特点，对植被的动态监测可以从一定程度上反 映气候变化的趋势，因此监测植被动态变化以及分析这种变化与气候的关系已经成为全 球变化研究的一个重要领域。随着遥感卫星获得长时间序列逐日观测数据，许多国际组 织和机构指定了全球卫星数据接收、处理和生成数据集计划，所产生的标准数据集则极 大地促进了全球尺度、洲际尺度以及区域尺度上的植被动态变化监测研究。 植被指数是一种利用卫星探测数据的线性或非线性组合来反映绿色植物生长状况 和分布的特征指数，通过科学的定标可实现植被信息变化的自动化提取。植被指数的计 算方法很多，主要可分为两类：由波段的比值得到，常用的为比值植被指数、归一化植 被指数等；另一类是由不同波段的线性组合构成，包括垂直植被指数、绿度植被指数等。 其中，归一化植被指数n d v i ( n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ) 能够敏感地反映出植 被生长状况、生物物理化学性质及生态系统参数的变化，是植被生长状况和覆盖度的最 佳指示因子，在一定程度上反映了像元所对应区域的植被和土地覆盖类型的综合情况， 因此常被直接或间接用于研究植被或土地覆盖变化1 8 】。 1 2 i 国外对植被变化及其气候响应的研究 近十年来，国外学者利用n d v i 多年时间序列数据，在n d v i 和气候因子的相关关系 研究方面发表了大量的论文【9 埘。e a s t m 一1 ，a n y a m b a 1 羽，u 【1 3 j ，g u r g e l l l 4 】等人以主成 分分析及n d v i 时间序列数据研究了非洲、美国及巴西等地n d v i 或g v i 变化，认为空间 上植被指数的异常变化在某种程度与厄尔尼诺( e n s o ) 现象所引发的降雨和温度异常 有关。 n e m a n i 1 5 】等分析表明1 9 8 2 年至1 9 9 9 年全球气候变化减弱了许多影响植被生长的临 界气候约束条件，植被净初级生产力n p p 均有大幅度增加，1 8 年全球n p p 增加6 相当于 增j j h 3 4 亿吨碳；k a w a t a b a l l 6 】等利用n d v i 数据分析 1 9 8 2 1 9 9 0 年全球尺度年和季节植被 活动的年际变化趋势，结果表明北半球中高纬度地区，因为逐渐增加的气温导致广泛地 3 第一章绪论 植被活动增加； z h o u 1 7 1 等对全球变暖影响下欧亚大陆植被覆盖趋势和生长状况进行了研究，分析表 明欧亚大陆北纬4 0 度至t j 7 0 度6 1 面积，有植被区域生长季节n d v i 表现出持续增长趋势， 欧亚大陆相对于北美洲植被生长季节有大的n d v i 增加幅度( 1 2 对8 ) 和更长的植被生 长期( 1 天对1 2 天) ，即春天的提前和秋天的推迟； s c h m i d t 等【1 8 】利用n o a a a v h r rn d v i 对以色列的一个南北样带内不同植被带植被 对降水的响应进行了研究，结果表明在过渡带n d v i 对降水很敏感。 1 2 2 我国植被变化及其气候响应的研究 我国学者采用不同分辨率、不同时序的遥感影像，对我国典型地区植被以及典型植 被的覆盖动态变化及其对气候的响应进行了研究。王思远等在遥感与g i s 技术的支持下， 对中1 虱1 9 9 6 2 0 0 0 年5 a 来森林植被动态变化进行了定量研究【”】，结果表明，5 a 0 林草地 变化的总趋势是减少，耕地的增加主要以减少林草地为代价，经济发展加速、人类活动增 强是导致林草地减少的主要原因。 马荣华等1 2 0 1 以1 9 8 7 年海南植被类型分布图和1 9 9 8 年f l 勺t m 遥感资料为信息源，综合 g i s 参与监督分类及目视判读的方法，以g i s 为工具对海南岛的植被变化进行了分析，加 上1 9 8 8 年土壤侵蚀图为信息源，提取生态因子信息并按景观生态类型进行了评价和分析 对比。 朴世龙【2 1 】等利用1 9 8 2 ，1 9 9 9 年间n o a a i a v h r r 数据，对我国植被覆盖动态变化进行 了分析，认为我国植被覆盖的动态变化受气候波动的影响十分显著，并且这种变化的区 域性差异明显，2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代的变化趋势之间存在较大的差异，9 0 年代n d v i 减小的区域明显比8 0 年代增加，特别是西北干旱地区下降趋势明显。 张井勇【2 2 】等利用1 9 8 1 1 9 9 4 年n o a aa v h r r 数据的n d v i 和1 6 0 个标准气象台站的 气温、降水资料，对我国不同区域植被对气候的影响作了滞后相关分析。结论表明：在 多数地区前期n d v i 与后期降水存在正的相关，同时这种滞后相关存在明显的区域差异， 上年冬季n d v i 与夏季降水以华中和青藏高原地区的相关最为明显，而春季n d v i 与夏季 降水则以东部干旱半干旱区和青藏高原的相关更明显，降水较温度对n d v i 的响应更显 著，可能与温室效应部分掩盖了n d v i 与温度的相关关系有关。 李本纲【冽通过对中国1 6 0 个标准气象站的a v h r rn d v i 数据、气象数据、植被类型 数据的分析，认为温度和降水是中国大部分地区植被生长的主要限制因子，且气温的影 4 西北大学硕士学位论文 响超过降水。降水对植物生长的影响力随年降水量的变化呈现规律性的变化，当年降水 量小于3 0 0 m m 时，降水的影响力随降水量的增加而增加，当降水量在3 0 0 7 0 0 m m 时达到 最大，当降水量大于7 0 0 m m 时，降水的影响反而下降。 但由于遥感数据的空间分辨率、研究时段以及研究区域存在差异，研究时段较短且 代表性差，温度和相关系数的计算采用简单平均的方法等原因，研究结果可能存在较大 差异，有的结论甚至互相矛盾。 高志强【2 4 】认为西北干旱区植被指数与降水的关系不大，同温度的相关性也不好； 李晓兵【2 5 】研究结论则与以上有所差异，他认为西北内陆的温带荒漠植被n d v i 的变 化明显受到温度、降水变化的影响。 李震【2 6 1 等利用1 9 8 2 。2 0 0 1 年n d v i 资料，采用差分法、斜率变化和主成分分析方法， 分析了2 0 年来西北地区植被变化，并采用将植被变化图和西北地区气温和降水变化图进 行对比的方法，仅从定性的角度分析了西北地区n d v i 与气候的关系，发现n d v i 增加 区域与降水增加一致，与温度变化区域不一致，从而得出n d v i 与降水存在明显的正相 关，与温度变化关系不明显的结论。 以上分析可以看出，在利用n d v i 遥感数据进行植被覆盖的动态变化及其与气候的 关系研究时，应针对特定的区域、特定的时段、选用分辨率相对较高的遥感数据进行分 析。 1 2 3 基于遥感的植被变化研究 常用于植被监测的卫星传感器包括n o a aa v h r r ，s p o t ，s p o tv g t ，m o d i s ， l a n d s a t ，t m 和e t m + ( 7 ) ，a s t e r ，s p o t4 和5 ，i k o n o s ，q u i c kb i r d 等1 2 7 1 。不 同传感器的波长范围、空间分辨率、时间分辨率都有较大差异，其中，前三种资料被普 遍使用于宏观尺度的植被覆盖监测上，它们的重复周期均为1 天，s p o tv e t 从1 9 9 8 年开 始被处理和使用，其空间分辨率为l k m ，m o d i s 从2 0 0 0 年开始提供完成预处理的数据， 空间分辨率达到为2 5 0 r n ；后6 种资料则常用在小尺度( 小区，小区域) 的土地利用和土地 覆盖的分类和动态变化研究上，其中q u i c kb i r d 的空间分辨率达到了0 6 1 m 。 下面以s p o tv g t 为例，阐述一下植被指数n d v l 数据的制备过程。 v e g e t a t i o n 传感器于1 9 9 8 年3 月由s p o t - 4 搭载升空，从1 9 9 8 年4 月开始接收用 于全球植被覆盖观测的s p o tv g t 数据。它拥有十分完善和高效的图像地面处理机构体 系。v e g e t a t i o n 数据主要由瑞典的k i r u n a 地面站负责接收，由位于法国t o u l o u s e 的图 5 第一章绪论 像质量监控中心负责图像质量并提供相关参数( 如定标系数) ，最终由位于比利时的 v i t o 研究所的图像处理与存档中心负责全球v e g e t a t i o n 数据存档与用户定单。 其q b v g t - - p ( p r o t o t y p e ) 数据产品主要为科研人员提供高质量的物理量原型数据以 便于他们研建算法和应用模型。数据经过严格的系统误差订正并重采样为经纬网投影， 像元分辨率l k m ，像元亮度值是地物在大气顶层的反射率。除提供四个波段原始数据外， 还根据用户需要提供相关辅助参数，如大气状况、系统信息( 太阳的天底角、方位角， 视场角和接收时间) 和地形数据等。 v g t - - s ( s y n t h e s i s ) 产品提供经过大气纠正的地表反射率数据，并运用多波段合成技 术来获得l k m 分辨率的归一化植被指数( w ) 数据集。v g l _ - s 产品包括每天合成的四个波 段的光谱反射率及n d v i 数据集( s 1 ) ，每1 0 天合成的四个波段的光谱反射率及1 0 天最大 化n d v i 数据集( s l o ) 以减少云及b r d f 的影响，同时s 1 0 还被重采样成4 k m 分辨率 ( s 1 0 4 ) 和8 k m 分辨率( s 1 0 8 ) 数据集。v g t - s 产品以其高时间分辨率而被广泛使用。 本数据集包含的是每1 0 天合成的四个波段的光谱反射率及1 0 天最大化n d v i 数据集 ( s l o ) 。s p o t 源数据的预处理包括大气校正，辐射校正，几何校正，生成了1 0d 最大化 合成的n d v i 数据，并将1 n 0 1 的值设置为0 1 ，再通过公式y d n = ( j n d v i + 0 1 ) o 0 0 4 转换n o 2 5 0 的y d n 值。 1 2 4 秦岭地区植被研究进展 由于秦岭地理位置独特，物种丰富，其植物的种类、分布及变化很早就引起了广泛 的关注。1 9 世纪末2 0 世纪初是秦岭植物研究的奠基期，钟补求教授( 1 9 4 7 ) 完成了秦 岭之植物地理概观1 2 9 】；崔友文教授( 1 9 4 9 ) 较为详细地研究了华山植物的种类分布、 形态特征及生境。有组织的研究开始于解放后，自1 9 5 2 年起，西北大学、中国科学院、 西北师范大学、兰州大学、中国科学院西北植物研究所及西北水保所等1 0 个单位的学者 深入到秦岭地区，进行实地考察和调查研究。在7 0 年代，多家单位的专家学者组成了秦 岭生物资源调查组，先后采集的植物标本达数十万号，为秦岭植物的研究奠定了坚实的 基础。特别是西北大学教授雷明德在1 9 9 9 年主编的陕西植被 3 0 】己成为目前陕西植物 资源研究中最为权威的著作，其中，秦岭的植被在这本专著中占有非常重要的地位。 长期以来，许多单位的专家学者对秦岭不同地区的植被类型、生态环境进行了详细 的考察研究，并在此基础上发表了大量有关秦巴山区植被的论文，如应俊生等( 1 9 9 0 、 1 9 9 4 ) 对太自山地区植物区系、植被以及秦岭植物区系的性质、特点和起源进行了研究 6 西北大学硕十学位论文 1 3 1 , 3 2 1 ；杨秀芬( 1 9 8 5 ) 、李乡旺等( 1 9 8 7 ) 对秦岭西部甘南地区的植被及植物区系进行 了研究；狄维忠等( 1 9 8 9 ) 、胡正海( 1 9 6 4 、1 9 8 7 ) 研究秦岭的珍稀植物等。随着遥感 技术的迅速发展和广泛应用，近年来许多学者对秦岭进行了更加深入的研究。秦岭山地 植被分布与环境梯度的关系【3 3 1 、植被生态系统服务功能及空间特征研究【3 4 1 、秦岭山地植 被水源涵养功能空间分布格局及生态保育策略f 3 5 j 等均是在遥感技术的基础上进行的研 究。 秦岭山地地处我国气候、生物地理分界线，是8 0 0 r n m 等降水量线和一月0 。c 等温线 的通过地，不仅其南北坡的地形、土壤、气候及生物分布具有较大差异，其自然和人文 环境的变化趋势也存在不同。但以前对秦岭地区的研究均是整体分析，对其南北坡的变 化差异进行对比研究的较少，尚存在部分空白。延军平【7 】利用气象水文实测数据，计算 分析在气候变暖过程中中国秦岭具有的区域响应分界意义。在1 0 年时间尺度上，陕南气 温变化较小，而关中气温增高较快，陕南与关中年均气温差值变小；关中和陕南降水量 差值变小，二者同时干旱或陕南更干旱，反映出秦岭在气候变化中显著的分界作用。秦 岭北坡地区较其以南地区环境干暖化的趋势更明显，这对于认识全球变化的区域响应差 异有参考意义。之后，其学生又对秦岭南北坡地区环境脆弱化和脆弱度进行了比较研究 m l ，认为近五十年来关中地区与陕南地区环境脆弱度均表现出加强趋势，关中地区脆弱 度由5 0 年代的0 3 增! j n n 9 0 年代的0 5 8 ，陕南地区脆弱度由5 0 年代的o 2 4 上升到9 0 年代的 0 4 7 ；但关中地区脆弱性程度总体上高于陕南地区，尤其是脆弱度年代际变幅增长速度 显著快于陕南地区。 在全球变暖大趋势下，秦岭南北坡地区的植被覆盖对气候和人文环境变化的响应程 度是否存在着差异性，秦岭生态系统是否具有区域响应分界的意义，目前还没有比较精 细的比较研究。本文在前人研究的基础上，结合秦岭南北坡地区的植被状况和环境响应 变化特点，对秦岭南北坡地区植被覆盖变化的差异以及植被覆盖对环境的响应进行了对 比研究，不仅为秦岭生态系统区域响应分界的研究打下基础，而且对保持秦岭地区生态 系统的平衡具有重要意义。 1 3 研究内容 本文利用1 9 8 1 2 0 0 7 年陕西省秦岭地区的气象数据及g i m m s 遥感影像数据，结合实 际调查资料，分析研究了近3 0 年来秦岭南坡和秦岭北坡地区植被指数的时空变化特征， 并结合气象气候资料，以及两地区受人为影响程度的不同，对两地区植被覆盖对气候因 7 ， 第一章绪论 子的响应程度作了比较。在此基础上，利用s p o t v e g e t a t i o n 遥感影像数据，对受人 为影响程度相对较小的秦岭南坡近1 0 年的植被覆盖变化状况及其对温度的响应作了更 为细致的分析研究。研究内容主要包括以下两部分： ( 1 ) 利用a v h r rn d v i 数据以及气温、降水数据，结合秦岭地区的植被分布状况， 运用一元线性回归、相关分析以及小波分析等方法，研究了秦岭南北坡地区植被指数的 时空变化特征及其与气候因子的关系。 ( 2 ) 利用l k m 分辨率的s p o t 数据，研究了秦岭南坡地区植被指数的变化特征，并 在空间尺度上分析了温度对植被指数的影响程度。 1 4 技术路线 秦岭行政边界 矢量数据 n d v i 原始 数据 秦岭n d v i 时序影像 最大值合成法( m v c ) li 插值缺失数据 秦岭地区年最大 n d v i 影像 秦岭地区年最大 n d v i 时序数据 秦岭地区年平均 n d v i 时序数据 气象数据 气 温 降 水 变 化 特 征 差值分析ll 最小二乘回归分析ii 相关性分析 植被指数 变化图 变化斜率 分级图 植被指数变化与 气候因子的响应 图1 1 秦岭南北坡地区植被指数变化及其对环境响应的研究路线 8 两北大学硕士学位论文 2 1 研究区概况 第二章研究区概况和研究方法 秦岭山地是我国东部地区一条明显的南北地理分界线，也是黄河水系和长江水系的 重要分水岭。在陕西省境内，东西长4 0 0 5 0 0 k m ，南北宽1 2 0 1 8 0 k m 。秦岭大致与一月o * c 等温线、8 0 0 r a m 等降水量线及2 0 0 0 ，b 时日照时数等值线一致。秦岭南坡属于长江的一级 支流汉江和嘉陵江水系，太阳辐射较少，气温较高，降水量较大，气候湿润，全年总辐 射量约4 6 2 x 1 0 6 j ( c m 2 a ) ，日照时数约为1 7 0 h ，日照百分率不足5 0 1 2 8 】；秦岭北坡属于 黄河水系的一级支流渭河水系，1 3 0 0 m 以下为暖温带气候，年均温8 7 1 2 7 ，年降 水量6 5 0 8 0 0 m m ，1 3 0 0 2 6 0 0 m 为温带气候，年均温1 7 8 7 年降水量则高达 9 0 0 一1 0 0 0 m m 。 秦岭山地平均海拔在1 0 0 0 m 以上，还有海拔在2 5 0 0 m 以上的中高山。秦岭南坡植被 表现为以北亚热带为基带的垂直带谱，北坡表现为以暖温度为基带的垂直带谱，但随着 海拔高度的增大，南北两坡垂直带谱由基带的显著差异到上部的逐渐趋同。大体在2 2 0 0 m 以下为松栎林带，主要树种为华山松、栓皮栎、油松、槭树、铁杉、山杨等，混交树种 有椴树、化香、卜氏杨、槭树等。其中1 0 0 0 1 6 0 0 m 为锐齿林和松林亚带，1 5 0 0 - 2 2 0 0 m 为辽东栎林、松林亚带，2 3 0 0 2 7 0 0 m 为牛皮栎林亚带，2 6 0 0 3 1 0 0 m 为冷杉林亚带， 2 9 0 0 3 3 5 0 m 为高山针叶林带，主要树种落叶松。 本研究区域介于北纬1 0 5 5 2 0 - 1 1 1 1 0 ，东经3 1 9 - 3 4 9 0 之间，总面积约1 0 万平方千米， 包括秦岭以北关中地区的西安市、周至县、华县、户县、蓝田县等1 5 个县( 市、区) 和 秦岭以南汉中、安康与商洛的2 4 个县( 市、区) ，具体位置如图2 1 。 9 第= 章0 宄e 概m 与 f 究方m 国2 1 研究区范隋及气象站点位置 秦蛤南坡地区：1 风县2 甘b 坪3 勉县4 汉阴5 安康6 岚皋7 商县8 山m9 洋县1 0 域 同1 l 西乡1 2j 陕1 3 旬日i1 4 紫剐1 5 丹m1 6 商南1 7 太自1 8 目坝 1 9 洋县2 0 宁强2 11 1 采2 2 柞水2 3 镇安2 4 汉中市 秦岭j b 坡地区：2 5 扶风2 6 渭南2 7 户县2 8 髑童2 9 华阴3 0 华县3 1 蓝用3 2 岐山3 3 眉县3 4 周至3 5 直3 6 潼戈3 7 洛南3 8 宝鸡3 9 咸刚 22 n d v i 数据来源和处理 2 ，2 1 n d v i 的基础理论 遥感观泓4 提供了对受人类活动和气候影响的大尺度植被变化进行监测、量化和研究 的机会。植被影响着能量平衡、气候、水文和生化循环，可以作为气候和人文因素对环 境影响的敏感指标。 植被指数( ) 是对地表植被活动的简单、有效和经验的度量。利用卫星不同波段探 测数据组合而成的，能反映植物生长状况的指数。植物叶面在可见光红光波段有很强的 吸收特性，在近红外波段有很强的反射特性，这是植被遥感监测的物理基础，通过这两 个波段测值的不同组合可得到不同的植被指数。通常使用红色可见光通道( 0 6 加舡m ) 和近红外光谱通道( 07 11 m ) 的组台来设计植被指数。 植被参数相等的红色近红外反射率的连线为“植被等值线”，它可以从辐射传输 模式或观测数据获得。植被指数等值线也反映了导致相同植被指数值的红色一近红外反 射率响应的集台。这些等值线可以将像元数据对应到植被量各种等级的模式参数。等值 。 西北大学硕士学位论文 线的概念与植被指数的辐射传输理论有本质上的联系，为从植被信号中分解大气和背景 信号提供了基础。 n d ( n o r m a ld i f f e r e n t i a lv e g e t a t i o ni n d e x ，归一化植被指数，标准差异植被指数) 是近红外与红色通道反射率比值( s r = n i r r e d ) 的- - 种变换形式， n d v i