三江並流區植被格局與物候動態及其驅動因子研究獲得係列進展
植被作為陸地生態係統的重要組成部分,其格局動態變化受到生物、非生物和人類活動等因素的多重驅動。山地生態係統是最脆弱的陸地生態係統之一,對氣候變化和人類活動十分敏感,而山地植被動態過程和驅動因素的分析也一直是全球氣候變化和山地研究領域關注的焦點。山區地形複雜、可達性差,遙感和地理信息係統技術的迅猛發展使得監測山區大尺度植被變化成為可能。 英國植物學家、地理學家、探險家F. Kingdon Ward在1911—1950年的這40年裏,曾八次考察藏東南、滇西北、川西南秘境,並首次發現三江並流這一世界地理大奇觀。該區域地處青藏高原東南緣向雲貴高原過渡的橫斷山脈的縱穀地帶核心區,屬於東喜瑪拉雅與西南山地兩大國際生物多樣性熱點區域交彙地帶,也是國內外著名的風景名勝區和世界自然遺產地,因此備受關注。世界自然遺產名錄描述的“三江並流”僅包括雲南境內的三江並流國家公園,而真正的三江並流區域應該遠不止如此。怒江、瀾滄江和金沙江(長江上遊)均發源於青藏高原北部,自昌都地區開始向東南並進,南至滇藏邊界。現有研究更多的是局限於雲南省三江並流國家公園或者某一子流域,嚴重製約了對於上下遊之間流域關聯性的有機理解,也不符合基於景觀地貌特征而維持陸地生態係統原真性與完整性的科學原則。因此,對於三江並流區域整體以及西藏片區的植被時空格局變化及其驅動力分析的進一步探討尤為迫切。
高寒草地與濕地生態項目組的聯合培養碩士研究生王春雅同學(成都理工大學)在王金牛副研究員、吳寧研究員的共同指導下,依托西藏芒康野外生態監測站(“一站多點”分布見附圖),與國內外相關科研工作者深度合作,對藏東南三江並流核心區的植被時空格局變化及其氣候因子、地形特征等進行了分析探討。基於MODIS NDVI遙感數據、中國氣象網數據、DEM高程數據,並結合主要社會經濟數據,利用Sen+Mann-Kendall趨勢分析方法,結合地理加權模型綜合探究了區域植被時空格局的變化情況以及相關驅動因子。結果表明,2000—2016年間,該區植被覆蓋整體呈緩慢增加趨勢,不同植被類型覆蓋空間異質性明顯。另外,區域植被覆蓋變化以穩定不變和改善趨勢為主,總體呈穩中向好態勢(圖1A)。與氣候因子的相關性分析表明,植被NDVI增加主要與氣候暖化有關,與降水量相關性較小(圖1B)。此外,人類活動對植被影響存在雙重性:大多地區植被改善受生態工程和圍欄禁牧政策影響,局部地區植被退化則與城鎮化進程加快有關。
在高山峽穀雲嶺縱深的三江並流區域,複雜的地形特征(海拔、坡度、坡向等)對植被格局的影響更為顯著,因此進一步深入分析了地形因子對藏東南三江並流區域植被動態變化的作用。2000—2019年間,除瀾滄江流域外,整個流域NDVI呈不顯著增加趨勢,流域整體及各子流域的NDVI在2004年左右共同發生突變。近20年來,隨著海拔的升高,植被格局沿海拔梯的空間異質性顯著,南部地區植被覆蓋整體高於北部;植被覆蓋主要集中在8-35°的坡度範圍內,除平地外,各坡向植被分布格局無明顯差異。另外,三江並流區植被NDVI在各地形因子影響下均以輕微改善為主(36.10%),改善區域具體分布在金沙江流域河源區和整個流域的南部(圖2)。地理加權回歸分析結果表明,海拔高度與大多數地區的NDVI趨勢呈負相關,特別是怒江流域和金沙江流域中遊,坡度和坡向對NDVI變化的影響明顯小於海拔(圖3)。
在過去幾十年中,全球氣候變暖使得青藏高原植被春季/秋季物候出現不同程度的提前/延遲現象。青藏高原是世界上僅次於南北極外最大的永久凍土和季節性凍土區,在高寒草地生態係統中,凍土的變化會對植被物候產生一定的影響。因此,有必要監測凍土區域的植被物候時空格局,並探討其對氣候因素、凍土變化等的響應,以闡明植被物候在高山生態係統中的作用。2000—2019年間藏東南三江並流地區季節性凍土區域高寒草地的植被物候(主要指返青期SOS、枯黃期EOS以及生長季長度LOS)變化特征及其相關驅動因素的研究結果表明,三個物候參數的多年均值空間分布均存在顯著的南北差異;多年平均SOS 隨海拔升高逐漸從第100天推遲到160天,EOS整體提前(從第320天到280天),LOS縮短(從210天到130天)(圖4)。在過去20年中,SOS提前0.16 d·yr-1,EOS延遲0.08 d·yr-1,LOS以0.07d·yr-1的速度延長,這可能與區域的氣候暖幹化有關。此外,年平均氣溫(AMT)與SOS呈負相關,與EOS和LOS呈正相關;年平均總降水量(AMP)與SOS和EOS正相關,與LOS負相關。此外,凍結指數的增加導致SOS延遲和EOS提前,進一步使得LOS縮短。與AMT類似,融化指數的增加使得SOS提前,EOS延遲,LOS延長(圖5)。該研究證實了氣候因子和凍土變化對植被物候過程的重要性,也有助於進一步理解高寒生態係統對全球氣候變化響應的複雜性。
本研究得到中國科學院西北生態環境研究院羅棟梁研究員、王旭峰研究員、魏彥強博士,蘭州大學崔霞博士等諸位同行的大力協助,受到國家自然科學基金項目(31971436, 41661144045);中國科學院西北生態環境與資源研究院冰凍圈國家重點實驗室開放課題(SKLCSOP-201807);芒康野外監測站“中國生物多樣性監測與研究網絡(SinoBon)”平台項目的經費支持。階段性係列成果以王春雅為第一作者,王金牛副研究員為通訊作者分別發表在國內外主流學術期刊《地理研究》、Remote Sensing(IF=4.84)、Frontiers in Earth Science(IF=3.49)。
圖1 2000—2016年研究區NDVI變化趨勢及其與氣候因子的關係(A, B)
圖2 2000-2019年流域植被變化趨勢情況分析
圖3 地形因子對植被變化趨勢的影響的回歸係數和顯著性空間分布
圖4 2000-2019年研究區植被物候空間分布格局(SOS(A)、EOS(B)、LOS(C))
圖5 2000-2019年研究區氣候因子(氣溫(A)、降水量(B))、凍土變化(這裏主要指凍融指數)(C)與植被物候(SOS、EOS、LOS)之間的關係和顯著性檢驗
附圖 西藏芒康生態監測台站“一站多點”圖示
注:西藏自治區生態環境廳為了長期有效監測西藏生態安全屏障的功能發展態勢,依照《西藏生態安全屏障保護與建設規劃》(2008-2030年)設立西藏生態安全屏障生態監測站網(Tibet Ecological Security Monitor Network,TESMN),共計11個站,吸納了國內院所校技術支撐單位。芒康野外生態監測站為我所與西藏自治區生態環境廳共建台站,站點覆蓋芒康(總站)、左貢、八宿三縣域共計10處監測樣點。自治區生態環境廳累計投入基建以及科研儀器平台資金達3000萬。台站自2017年開始建設,2019年正式運行,由我所生態係統服務與生物多樣性領域主任江建平研究員擔任站長,累計爭取科研項目經費2000萬。