中國東北多年凍土退化對植被季節NDVI 的影響研究

郭金停，胡遠滿，布仁倉

（1.內蒙古師范大學 生命科學與技術學院，內蒙古 呼和浩特010022；2.中國科學院 沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽110016）

多年凍土是冰凍圈的重要組成部分，近年來隨著全球氣候變暖，發生了不同程度的退化［1－3］。Taylor 等［4］發現北美北部多年凍土區的地表溫度隨著不斷升高的氣溫和降雪覆蓋狀況的改變呈增加的趨勢，導致北部廣泛分布的多年凍土不斷發生退化。顧鐘煒和周幼吾［5］對大興安嶺北坡阿爾木地區的研究發現，該區多年凍土退化趨勢明顯。由氣候變化引起的多年凍土退化過程對寒區植被的生長、寒區水文特征以及整個寒區陸地生態系統都有著非常重要的影響。多年凍土退化導致凍土區水文模式、土壤中營養物質含量、土壤微生物活性、土壤質地和組成發生改變，進而影響地上植被［6］。郭正剛等［7］的研究表明隨著青藏高原北部地區多年凍土退化，植被覆蓋度降低，群落以及物種多樣性呈先增加后降低的趨勢。梁四海等［8］也發現黃河源區多年凍土發生退化后會使土壤含水量減少，造成植被物種更替。王根旭等［9］研究表明，隨著青藏高原多年凍土活動層厚度的增加，高寒草甸草地的植被覆蓋度和生物量均顯著降低，同時高寒草甸與高寒沼澤草甸生態系統發生退化。譚俊和李秀華［10］預測當年平均氣溫增加4 ℃，降水量增加10% 時，東北東部各森林地帶將向北移3～5 個緯度，屆時大興安嶺森林將有可能完全北移出境，取而代之的是以中溫性的針闊混交林以及草原為主的群落。孫廣友［11］認為多年凍土的退化或者完全消失破壞了東北地區沼澤發生的物質基礎，從而導致沼澤退化或者消失。毛德華等［12］對東北凍土區植被NDVI 對氣候變化的響應進行了研究，雖然探討了該區植被NDVI 與氣候因子的關系，但未對多年凍土退化對植被的影響進行分析。

目前有關凍土退化的研究大都集中在分析多年凍土的分布以及退化成因等方面［13－16］，很少涉及區域尺度上關于多年凍土退化對植被NDVI 的影響研究，因此在氣候變化背景下，探討多年凍土退化對植被NDVI 的影響具有重要意義。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

我國東北多年凍土區（46°30'～53°30' N，115°52'～135°09' E）處于歐亞大陸多年凍土帶的南緣，同時也是我國第二大多年凍土分布區，地跨內蒙古自治區和黑龍江省的最北部。 依據國內學者郭東信、金會軍等［17－18］的研究成果，經過掃描數字化以及屬性添加，確定本研究區多年凍土南界以及不同多年凍土類型區范圍。研究區內包括郭東信等［17］在20 世紀70 年代所考察出的多年凍土南界以及金會軍等［18］在21 世紀初期推斷出的南界范圍。按照影響多年凍土空間分布的地理以及氣候條件，將東北多年凍土區劃分為連續多年凍土區（6.2×104km2）、不連續多年凍土區（6.6×104km2）、稀疏島狀多年凍土區（1.3×105km2）以及多年凍土完全退化區（1.3×105km2）。該區屬于寒溫帶大陸性氣候，冬季漫長干冷，夏季短暫濕熱。研究區的年平均氣溫為－5 ℃～2 ℃，年降水量為260～600 mm［19］。主要植被類型為森林，且大都分布在大小興安嶺地區，樹種以興安落葉松（Larix gmelinii Kuzen.）、白樺（Betula platyphylla Suk.）、蒙古櫟（Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.）等混交樹種為主。

1.2 數據來源與處理

獲取LTDR（land term data record）NDVI 的AVH13C1 以及MODIS NDVI 的MOD13C2 兩種NDVI產品數據集進行研究，其中AVH13C1 產品的時間分辨率為1 d，空間分辨率為0.05°，本文使用該數據集的時 間 為1982－1999 年，該 產 品 獲 取 網 址http：//ltdr.nascom.nasa.gov/cgi－bin/ltdr/ltdrPage.cgi。MOD13C2 產品屬于半月合成數據，空間分辨率0.05°，使用該數據集時間為2000－2014 年，該產品獲取網址https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/。上述兩種NDVI 產品均已經過遙感圖像預處理，如幾何校正、輻射校正、大氣校正等［20］，通過采用最大合成法（MVC）［21］來減少云、大氣、太陽高度角等影響，且兩個NDVI 產品數據具有良好的一致性，可以用于后續研究［22］。受東北多年凍土區冬季降雪的影響，本研究分別選擇植被春季（4 月－5 月）、夏季（6 月－8 月）、秋季（9 月－10 月）平均NDVI 進行研究，且NDVI 值小于0.05 的像元被定義為非植被區，不參與本文的結果分析。東北多年凍土區范圍內的35 個氣象站點1982－2014 年的月平均氣溫、月降水量以及月平均地溫數據來源于中國氣象數據網（http：//cdc.cma.gov.cn/）。

1.3 研究方法

利用“空間替代時間”方法，從連續多年凍土區－不連續多年凍土區－稀疏島狀多年凍土區－多年凍土完全退化區視為多年凍土區退化過程，由此分析多年凍土退化對植被產生的影響。

2 結果與分析

2.1 多年凍土退化對春季NDVI 影響

2.1.1 不同類型多年凍土區春季NDVI 變化 四種類型區多年凍土植被春季NDVI 均呈增加趨勢，除多年凍土完全退化區外均達到了顯著增加水平（圖1）。不同多年的凍土類型區春季NDVI 增加的幅度不同，連續多年凍土區植被春季NDVI 增加的幅度最大，為0.002 a－1，而多年凍土完全退化區增加幅度最小，為0.001 a－1。不連續多年凍土區植被NDVI 增加的幅度與連續多年凍土區相近，為0.002 a－1，稀疏島狀多年凍土區植被春季NDVI 增加幅度為0.001 a－1。

圖1 1982－2014 年東北不同類型多年凍土區春季平均NDVI 年際變化趨勢Fig.1 Interannual variation of spatial average spring average NDVI values of variable types of permafrost zones in northeastern China during 1982－2014

NDVI 增加趨勢最大值（≥0.004）所占的像元比例依次為連續多年凍土區＞不連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區；NDVI 增加趨勢（0.002～＜0.004）所占的像元比例依次為連續多年凍土區＞不連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區；NDVI 增加趨勢（0～＜0.002）所占的像元比例依次為稀疏島狀多年凍土區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區＞多年凍土完全退化區；而NDVI 減少（＜0）所占的像元比例依次為多年凍土完全退化區＞稀疏島狀多年凍土區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區（表1）。

表1 1982－2014 年東北不同多年凍土分區春季NDVI 變化趨勢的面積比例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 不同類型多年凍土區春季NDVI 與氣候因子相關性 不同類型多年凍土區春季NDVI 與春季平均氣溫呈顯著正相關關系（見表2），其中稀疏島狀多年凍土區以及多年凍土完全退化區達到了極顯著水平（P＜0.01），連續多年凍土區與島狀多年凍土區植被春季NDVI 與春季降水呈負相關關系，而稀疏島狀多年凍土區與多年凍土完全退化區植被NDVI 與春季降水呈正相關關系。NDVI 與氣溫相關性系數依次為多年凍土完全退化區＞稀疏島狀多年凍土區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區。

表2 1982—2014 年東北不同類型多年凍土區植被春季平均NDVI 與氣候因子的相關系數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 多年凍土退化對夏季NDVI 影響

2.2.1 不同類型多年凍土區夏季NDVI 變化 四種類型區植被NDVI 均呈極顯著增加趨勢（P＜0.01），然而增加的幅度不盡相同（圖2）。連續多年凍土區植被夏季NDVI 增加的幅度最大，為0.005 a－1，而多年凍土完全退化區增加幅度最小，為0.002 a－1。不連續多年凍土區為0.004 a－1，稀疏島狀多年凍土區植被夏季NDVI 增加趨勢為0.003 a－1。

圖2 1982－2014 年東北不同類型多年凍土區夏季平均NDVI 年際變化趨勢Fig.2 Interannual variation of spatial average summer average NDVI values of variable types of permafrost zones in northeastern China during 1982－2014

空間像元尺度對不同多年凍土區夏季NDVI 變化幅度所占的像元比例見表3，NDVI 增加趨勢最大值（＞0.004）所占的像元比例依次為連續多年凍土區＞不連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區；NDVI 增加趨勢（0.002～＜0.004）所占的像元比例依次為稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區；NDVI 增加趨勢（0～＜0.002）所占的像元比例依次為多年凍土完全退化區＞稀疏島狀多年凍土區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區；NDVI 減少（＜0）所占的像元比例依次為多年凍土完全退化區＞稀疏島狀多年凍土區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區。

表3 1982－2014 年東北不同多年凍土分區夏季NDVI 變化趨勢的面積比例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 不同類型多年凍土區夏季NDVI 與氣候因子相關性 不同類型多年凍土區夏季NDVI 與平均氣溫呈顯著正相關關系（表4），其中不連續多年凍土區、稀疏島狀多年凍土區以及多年凍土完全退化區達到了極顯著水平（P＜0.01）。除多年凍土完全退化區外，夏季NDVI 與降水呈負相關關系，其中不連續多年凍土區達到了顯著性水平（P＜0.05）。NDVI 與氣溫相關性系數依次為不連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區＞連續多年凍土區。多年凍土由連續多年凍土區退化成不連續多年凍土區，NDVI 與氣溫之間的相關性系數增加，即氣溫升高可以促進夏季NDVI 的增加，但隨著多年凍土區由不連續多年凍土區退化成稀疏島狀多年凍土區，甚至退化為多年凍土完全退化區，植被NDVI 與氣溫之間的相關性系數均逐漸降低。

表4 1982－2014 年東北不同類型多年凍土區植被夏季平均NDVI 與氣候因子的相關系數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 多年凍土退化對秋季NDVI 影響

2.3.1 不同類型多年凍土區秋季NDVI 變化 四種類型區植被秋季NDVI 均呈增加趨勢（圖3），其中稀疏島狀多年凍土區與多年凍土完全退化區未達到顯著性水平。不同多年凍土類型區秋季NDVI 增加的幅度不盡相同，連續多年凍土區植被秋季NDVI 增加的幅度最大，為0.002 a－1，而多年凍土完全退化區增加幅度最小，為0.0002 a－1。不連續多年凍土區植被NDVI 增加的幅度與連續多年凍土區相近，為0.002 a－1，稀疏島狀多年凍土區植被秋季NDVI 增加趨勢為0.001 a－1。

圖3 1982－2014 年東北不同類型多年凍土區秋季平均NDVI 年際變化趨勢Fig.3 Interannual variation of spatial average autumn average NDVI values of variable types of permafrost zones in northeastern China during 1982－2014

空間像元尺度不同對多年凍土區秋季NDVI 變化幅度所占的像元比例見表5，NDVI 增加趨勢最大值（≥0.004）所占的像元比例依次為連續多年凍土區＞不連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區；NDVI 增加趨勢（0.002～＜0.004）所占的像元比例依次為連續多年凍土區＞不連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區＞多年凍土完全退化區；NDVI 增加趨勢（0～＜0.002）所占的像元比例依次為多年凍土完全退化區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區＞稀疏島狀多年凍土區；而NDVI 減少（＜0）所占的像元比例依次為多年凍土完全退化區＞稀疏島狀多年凍土區＞不連續多年凍土區＞連續多年凍土區。

表5 1982－2014 年東北不同多年凍土分區秋季NDVI 變化趨勢的面積比例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 不同類型多年凍土區秋季NDVI 與氣候因子相關性 不同類型多年凍土區秋季NDVI 與平均氣溫相關性不顯著（表6），連續多年凍土區與不連續多年凍土區植被秋季NDVI 與降水量表現出顯著負相關關系，相關系數均為－0.426。對于多年凍土完全退化區而言，秋季NDVI 與氣溫呈負相關關系，為－0.107。

表6 1982—2014 年東北不同類型凍土區植被秋季平均NDVI 與氣候因子的相關系數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 結論與討論

本研究利用景觀生態學中“空間代時間”方法，將連續多年凍土－不連續多年凍土－稀疏島狀多年凍土－多年凍土完全退化區視為多年凍土的退化過程。隨著多年凍土不斷退化，春季NDVI 受地區氣溫的影響其相關系數逐漸增高，這表明多年凍土退化過程有助于春季植被的生長；而對于夏季NDVI，多年凍土由連續多年凍土區退化成不連續多年凍土區，NDVI 與氣溫之間的相關性系數增加，即氣溫升高可以促進夏季NDVI 的增加，但隨著多年凍土區由不連續多年凍土區退化成稀疏島狀多年凍土區，直至多年凍土完全退化區，植被NDVI 與氣溫之間的相關性系數逐漸降低，植被受氣溫影響的敏感程度下降。這在一定程度上表明，短期來看，多年凍土區退化可以促進夏季植被生長，但長期來看，多年凍土退化甚至消失可能會阻礙夏季植被生長。對于秋季植被NDVI 而言，在多年凍土完全退化區，秋季NDVI 與氣溫呈負相關關系，在一定程度上表明隨著氣溫升高，多年凍土區退化會阻礙秋季植被生長。

多年凍土退化在植被生長過程中起到積極作用，這與一些研究結果一致［19，23］。多年凍土區隨著地表溫度的逐漸升高，多年凍土會發生融化，導致凍土區活動層厚度增加，進而可以為多年凍土區的植被生長提供更多的水分和營養物質［24］。多年凍土退化屬于長期的動態過程，而且也存在一定滯后效應，多年凍土退化的初期階段，升高的溫度減弱了該區低溫環境對植被生長的消極作用，增加了土壤水分，促進植被生長。隨著多年凍土進一步退化，植被NDVI 與氣溫的正相關關系逐漸減弱，可能是長期退化過程中，土壤水分供應不斷減少。因此，短期來看，多年凍土發育或者維持相對較好的區域，隨著溫度的增升高，多年凍土發生退化，可以促進植被生長，增加植被覆蓋，但長期的持續退化甚至消失會阻礙植被生長。