秦岭植被遥感生长期以及环境因子研究

第一章绪论

1.1选题意义
1.1.1选题背景
植被是生态系统有机组成的重要部分，更是连接土壤圈、大气圈、岩石圈和水分圈的自然“纽带” [1]。植被在全球生物循环和能量循环及水文循环中扮演十分重要的角色。山地植被因为具有很高的生物生产力和生产量，因此被认为是陆地生态系统的重要构成部分。此外，植被对调节大区域中的碳平衡、调节气候，涵养水分，维持生态平衡也有极为重要的作用。而在社会意义上植被则可以提供木材等资源，促进农林牧业，推动经济发展。
物候是受环境影响、以年为周期的、周而复始的自然现象，在全球的气候变化中，物候被认为是反映气候及环境变化的重耍指标之一物候变化是牛.物圈对气候变暖最敏感也最明显的指示。不同地区的物候对气候变化的响应程度不同，木本植物在寒冷的冬季以休眠期来适应季节的循环更替，休眠期的长短主要山气温和光照强度所控制，其中尤以温度与物候最具相关性，众多研究者在经历长期不懈地探索之后，现在普遍认为，全球气温的升高对植物春季休眠期的解除具有促进作用，对于秋季休眠期的开始具有延迟作用。因此植物可以作为气候变化的生物指标。物候变化作为环境和气候变化的一种重要指标，不仅能直观地揭示季节的变化规律，而且能间接地反映出动植物生命现象对然与环境变化的适应。
国内外对植被物候变化趋势的研究主要集中在中高讳度春季植物物候期上这是因为春季植物物候的变化是植物对气候响应的最敏感，也最易观察的一个要素。植物在自然界长期的进化过程中，植物物候期与周围环境之间形成了一种稳定的稱合关系。同理，土壤-植被-大气系统中的水热条件、碳交换、生产力也相应地维持在一个稳定的动态变化之中。然而随着对全球变化更加深入细致的研究，许多学者对植物的物候变化与气候变化之间的相互关系给予了更大的关注，伴随着物候观测系统的建立和完善，关于植被的物候变化特征已被精确监测并得以定性描述。以地面观测为主的植物个体水平、卫星遥感技术支持下的植物群落和生态系统尺度、以气候变暖为背景的实验水平以及进行未来预测为目的的物候模型层面[I5]均被证明了在近几十年里植物物候在春季和秋季各自发生了变化。二氧化碳浓度作为反应植被物候变化的指标也同样产生了变化。以上关于物候期的综合研究为人们深入理解全球气候变化与植物物候的相互关系提供了基础依据。未来的研究可能侧重于跨尺度地域的物候与气候变化的研究，目的在于细致地量化植物物候变化对气温、土壤、物质循环、能量流动的效应[17]
遥感数据在时间和空间上具有良好的连续性，因此被认为是研究大区域尺度下植被变化最有效的数据源，在众多的遥感数据类型中，从高时间分辨率的NOAA/AVHRR提取出的均一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI)指数是监测地区乃至全球植被和生态环境的有效指标，它不仅对植物的生长势和生长量非常敏感，同时也可以很好地反映出地表植被的繁茂程度，在很大程度上能代表研究R地表植被的变化状况[18]。已有众多学者探讨NDVI和植被密度覆盖、生态系统生物量评估、叶面积指数、光合作用量等要素之间的相互关系，分析了气候变化对NDVI的影响但是对于气候参量这一具有显著生态学意义的要素与NDVI关系的研究论述较少。由于植物对气候变化具有累积效应，除了当时的气候状况会影响植被变化外，前一段时间的气候状况也会对植被卞长状况有一定的影响但迄今为止，气候状况对影响植被生长的影响具有多久的滞后效应，以及影响滞后的最长时效问题仍研究甚少。此外，目前国内外关于物候的研究，大多关注于植物物候期的时空变化规律以及气候变化和物候变化之闻的关系问题，忽视了各种气候参量（如气温、降水、光照强度等）对物候变化的影响作用及其时效的研究。植被生长季是指一年巾某种植物持续生长的天数，按照不同标准可以分为物候生长季、气温生长季和遥感生长季。
遥感生长季是大尺度宏观域地表植被的广义生长季，它指的是从遥感监测所得到的植被绿度始期至绿度末期之间的这一段时间跨度，即遥感生长季长度。它是传统意义上基于定点、定株监测的单一植物、植株的生长季[28]，而是当地面大部分的植被开始变绿的时候，绿度达到一定程度才能被遥感影象所监测表达出来。因此生长季始末期的变化对区域小气候与环境变化有很好的指示反馈作用，它不仅能直观地反映自然季节的变化规律，还能表现出动植物生命现象对自然环境变化的适应和响应。
1.1.2秦巴山区植被生长季研究的重要性
秦巴山地北起关中平原腹地，以渭河为界自北往南贯穿秦岭，横跨汉中盆地和安康盆地，途径汉江南至广义大巴山；其中秦岭山脉是我国一条重要的年轻山脉，东西走向全长约1500公里，南北宽数十公里至二三百公里，海拔1500-3000米，面积广大，山体横亘，它与淮河组成秦岭-淮河一线，是我国大陆南北的地理分界线。
 
  1.2 国内外研究现状 ..............12-16
        1.2.1 国外研究现状 ..............12-13
        1.2.2 国内研究现状 ..............13-15
        1.2.3 亟待解决的问题 ..............15-16
    1.3 研究内容 ..............16-17
    1.4 技术路线 ..............17-18
第二章 研究区概况和研究方法 ..............18-23
    2.1 研究区概况 ..............18
    2.2 数据来源与处理 ..............18-21
        2.2.1 基础数据 ..............18-19
        2.2.2 数据的预处理 ..............19-21
    2.3 研究方法 ..............21-23
        2.3.1 儒略日(Julian days)换算.............. 21
        2.3.2 相关系数 ..............21
        2.3.3 平滑移动平均法..............21-22
        2.3.4 NDVI均值法 ..............22-23
第三章 秦岭植被物候生长季变化趋势分析 ..............23-37
    3.1 物候期在46年内的整体变化趋势 ..............23-25
        3.1.1 研究区气候图解 ..............23
        3.1.2 物候期在46a间的变化特征 ..............23-25
    3.2 1963-1989年物候期变化及其与气温的研究 ..............25-30
    3.3 1990-2008年物候期变化及其与气温的研究 ..............30-33
        3.3.1 1990-2008年的气温变化 ..............30
        3.3.2 物候始期变化与气温的相关性分析 ..............30-32
        3.3.3 物候末期变化与气温的相关性分析 ..............32-33
        3.3.4 气温对物候变化影响关系 ..............33
    3.4 气温对生长季始期的滞后性分析 ..............33-35
    3.5 本章小节 ..............35-37
第四章 基于NDVI的秦岭植被遥感生长季研究 ..............37-46
    4.1 NDVI的变化特征 ..............37-38
    4.2 两种基于NDVI的模拟方法估算生长季变化 ..............38-43
        4.2.1 平滑移动平均法 ..............38-41
        4.2.2 NDVI平均值法 ..............41-43
    4.3 不同方法模拟结果误差分析 ..............43-44
    4.4 生长季始期NDVI与气温的相关分析 ..............44-45
    4.5 本章小结 ..............45-46
第五章 遥感生长季揭示物候生长季变化 ..............46-52
    5.1 NDVI验证物候生长季 ..............46-50
        5.1.1 年际水平NDVI时序与物候期变化的一致性分析 .......46-48
        5.1.2 不同时段中NDVI与物候期变化的一致性分析 ........48-50
    5.2 NDVI与物候变化相关的定量化分析 ..............50-51
    5.3 本章小结 ..............51-52

结论

本文采用西安站8种木本植物1963-2008年的物候观测数据，1998-2009年SPOTVGT遥感影像，及秦岭山地8个地面观测站点的日气温数据集，在分析了物候生长季在过去的变化趋势的基础，验证NDVI所模拟的遥感生长季对物候生长季的反映和揭示，并用气温日值分别与物候生长季和NDVI做相关系数，以分析气温对物候生长季和NDVI的影响关系以及滞后时效。
全球环境变化影响着人类及其社会的可持续发展，己经受到社会和广大学者的广泛重视。植被具有明显的年际变化和季节变化特点，植被的变化、分类、监测的研究都有助于反映陆地生态系统的变化趋势，物候生长季的观测和研究更能揭示环境气候变化对植物的影响。因此植被动态变化以及分析这种变化与气温的关系已经成为全球环境变化研究的一个重要领域。本文对秦岭山地的物候生长季，NDVI和气温的相互关系做了定量的计算研究，但这仅仅是开始，在以下几个方面还需要继续深入研究：本文仅仅研究了物候生长季变化对气候因子的响应问题，即气候变化对植被生长季的影响，但植被与环境、气候之间是相万作用的，其反馈作用也应得到重视，即植被对局地小气候的影响也应给予关注。
本研究在定量计算生长季与环境因子的关系时，只是讣算了与温度，若能将全部影响因综合分析，建立遥感长季与各因之间的数值模型，以便进行植被牛长季的长期模拟和预测，将电具有文际指导意义和科研价值。