基于树木年轮学的大兴安岭西部地区植被覆盖动态研究

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全球变暖增加了极端天气事件的发生频率和强度,严重影响陆地生态系统组成与功能。植被在陆地生态系统功能中发挥着重要作用。然而,历史数据的缺失给长时间尺度下的植被覆盖动态研究带来困难。工业革命以来,人类活动强度不断增大,对陆地生态系统的影响也在不断加深。但是人类活动难以定量化,所以人类活动和植被之间的定量关系尚不完全清晰。因此,探究长时间序列的植被覆盖变化规律以及植被覆盖动态变化与气候和人类活动的关系,可以为植被的可持续管理和生态恢复提供科学参考。树木年轮是探究长时间序列下气候变化和植被覆盖动态的理想材料。本研究以树木年轮学为基础,建立了大兴安岭西部地区樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)树轮年表;通过樟子松年表再现了研究区193年植被覆盖动态变化,揭示了研究区域植被覆盖动态的极端变化规律;通过相关分析探讨了气候对植被覆盖动态的影响,通过残差分析法得到人类活动对植被覆盖动态的影响,最后利用随机森林对人类行为影响植被的程度进行了排序。本研究主要研究结果及结论如下:(1)重建193年植被覆盖动态,揭示了植被覆盖动态呈现波动式变化规律。樟子松年轮与研究区域生长季的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)显著相关,且二者均受到降水控制,故本研究认为年轮宽度变化可代表此地植被覆盖动态变化,以此来重建历史植被覆盖动态。研究结果表明,过去193年中,植被覆盖动态整体呈现波动式变化,且略有上升;同时发现1950年为植被覆盖动态变化序列的关键节点年,因人类活动强度的不同,节点前后植被覆盖动态变化呈现出不同波动规律。(2)分析植被覆盖动态极端变化特征,阐明了不同时期变化特征存在差异。本研究通过极端事件随时间变化的规模和强度,对植被覆盖动态特征进行了评估。结果发现,在过去193年中,植被极度茂密时期有32年,植被极度稀疏时期有37年,极端年份占据整个时期的35.8%,并且在20世纪50年代后,植被覆盖动态极端变化的持续时间、规模、强度均有较大增加,但间隔有较大幅度降低。(3)探讨影响植被覆盖动态的因素,发现了气候变化是研究区域植被覆盖动态变化的主导因素,人类活动有着重要影响。本研究通过对气温和降水与NDVI进行相关性分析,发现NDVI与降水呈现显著正相关,与温度呈现弱负相关,与帕尔默干旱强度指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI)呈现正相关,这表明水分是制约研究区生长季植被覆盖动态变化的主要影响因素。通过残差分析发现,人类活动对大兴安岭西部地区植被覆盖动态变化的影响呈现“S”型变化,在1950年后人类活动的影响呈现先上升后下降再上升的趋势,到1973年达到顶峰后开始下降,在1993年正式转为负面影响,2006年到达谷底后逐渐向好发展一直至今。通过随机森林对人类影响植被的行为进一步分析发现,牲畜总量是影响植被最大的因素,其他因素依次为造林面积、人口总数和耕地面积。本研究通过大兴安岭西部地区樟子松树轮年表,重建了研究区域193年的历史植被覆盖动态,解决了遥感数据不足的问题,填补该区域植被研究的空白;为大兴安岭西部地区未来植被覆盖动态模型的进一步研究和可持续管理提供了的数据支撑;基于树木年轮学重建长时间序列的植被覆盖动态并分析其影响因素的研究模式,可以为其他地区的相关研究提供可借鉴的模式。
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