闊葉紅松林不同演替階段冠層光譜特征及與氣溫的關(guān)系2.0-萊森光學(xué)

1引言

遙感影像在時(shí)間和空間上具有連續(xù)性，是研究植被動(dòng)態(tài)的重要數(shù)據(jù)源，其中陸地衛(wèi)星（Landsat）應(yīng)用最多，哨兵二號(hào)（Sentinel-2）近年來也被廣泛應(yīng)用。根據(jù)植被的光譜特性，將不同波段進(jìn)行組合運(yùn)算，獲得多種植被指數(shù)，可簡(jiǎn)單、有效地表征植被生理活動(dòng)狀態(tài)。例如，通過建立歸一化植被指數(shù)（NDVI）與葉面積指數(shù)（LAI）之間的回歸模型，可以對(duì)宏觀尺度LAI進(jìn)行預(yù)測(cè)；利用不同植被指數(shù)對(duì)冠層葉綠素含量進(jìn)行估算，增加紅邊波段信息例如哨兵二號(hào)新型倒紅邊葉綠素指數(shù)（IRECI）和哨兵二號(hào)紅邊位置（S2REP），相比傳統(tǒng)植被指數(shù)，與植被生物物理變量具有更高的相關(guān)性，可定量表征植物的葉綠素含量以及葉面積指數(shù)等；根據(jù)NDVI數(shù)據(jù)可以很好地解釋植被生理活動(dòng)的變化及其與氣候波動(dòng)的相關(guān)性。遙感數(shù)據(jù)時(shí)間跨度長(zhǎng)，可通過繪制長(zhǎng)時(shí)間序列堆棧可檢測(cè)森林干擾與恢復(fù)；也可以利用增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可以檢測(cè)區(qū)域植被干旱現(xiàn)象；長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)冠層光譜變化監(jiān)測(cè)與分析，可以說明森林冠層某些屬性的季節(jié)以及年際變化特征，監(jiān)測(cè)森林動(dòng)態(tài)變化，揭示植被動(dòng)態(tài)與氣候的關(guān)系。

隨著全球氣候變暖，森林群落的某些屬性也在逐漸變化，例如長(zhǎng)白山近30年生長(zhǎng)季在延長(zhǎng)，部分物種生物量有增加趨勢(shì)，基于模型預(yù)測(cè)也得出相似的結(jié)論。研究常用Logistic模型解釋植被冠層物候相的變化。通過模型模擬出闊葉紅松林凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）年際變化趨勢(shì)與EVI的波動(dòng)趨勢(shì)相似，二者存在顯著的相關(guān)關(guān)系。有關(guān)長(zhǎng)白山文獻(xiàn)報(bào)道的冠層光譜研究主要集中在年度變化、特征反演、高光譜特征分析等。

本研究通過遙感影像提取長(zhǎng)白山闊葉紅松林（原始林）與楊樺林（次生林）多年冠層光譜信息，分析冠層光譜季節(jié)變化特征，以期通過不同波段數(shù)據(jù)以及植被指數(shù)變化，闡明長(zhǎng)白山原始林與次生林物候進(jìn)程、植被綠度年度變化趨勢(shì)及其與氣溫的關(guān)系，為揭示群落內(nèi)部種間更替以及植被生產(chǎn)力對(duì)氣候因子的響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

2原始林與次生林植被指數(shù)變化

2.1植被指數(shù)季節(jié)變化

植被指數(shù)反映綠度即生理活性，所以其呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征。從季節(jié)變化來看，NDVI和EVI均在第123天（5月3日）左右開始迅速上升，但NDVI在第143天（5月23日）左右到達(dá)最大值且在冠層蓋度達(dá)到一定水平后趨近于飽和，之后持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。EVI呈現(xiàn)鐘形曲線，在生長(zhǎng)季期間，原始林與次生林季節(jié)進(jìn)程差異明顯，次生林比原始林先達(dá)到峰值，且下降時(shí)間也較早。原始林較晚達(dá)到峰值可能是由于原始林中紅松展葉時(shí)間較長(zhǎng)。非生長(zhǎng)季階段，原始林和次生林植被指數(shù)差異較為明顯，原始林中存在常綠樹種，植被指數(shù)大于次生林。在植被生長(zhǎng)旺盛期，NDVI近乎相等，次生林EVI更高，在此階段EVI更能反映二者之間生長(zhǎng)差異。根據(jù)S2REP變化（圖4c），在生長(zhǎng)季初期，原始林紅邊位置比次生林更接近長(zhǎng)波，“紅邊”向長(zhǎng)波方向位移，反映了植物葉綠素含量的增加，植物光合作用增強(qiáng)，吸收了更多的光量子。在生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，與原始林相比，次生林冠層紅邊位置更接近長(zhǎng)波。隨著生長(zhǎng)季的結(jié)束，二者冠層光譜逐漸向短波一側(cè)，即藍(lán)移

圖4 2019年長(zhǎng)白山兩種森林植被的綠度(a、b)與紅邊位置季節(jié)變化(c)

NDVI對(duì)植被發(fā)育中期冠層變化較為敏感，常用于分析植被季節(jié)生長(zhǎng)變化。由圖4可知，原始林與次生林NDVI均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。本文對(duì)Landsat多年NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行雙邏輯斯蒂曲線擬合，以NDVI變化（即日增量）表示植被返青增長(zhǎng)速率以及衰減速率。根據(jù)圖5可知，原始林生長(zhǎng)季為第139天至第276天，持續(xù)137d，而次生林生長(zhǎng)季則在第133天至276天，持續(xù)143d。原始林與次生林生長(zhǎng)季時(shí)間范圍基本相同。

長(zhǎng)白山兩種森林植被歸一化植被指數(shù)邏輯斯蒂曲線

多年NDVI數(shù)據(jù)雙邏輯斯蒂擬合原始林R2為0.922，RMSE為0.0605；次生林R2為0.966，RMSE為0.0536。從擬合方程來看，原始林全年NDVI最低值為0.3，變動(dòng)范圍為0.5260；次生林全年NDVI最低值為0.13，變動(dòng)范圍為0.7262。原始林返青日增長(zhǎng)速率為0.0765，日衰減速率為0.0639；次生林返青日增長(zhǎng)速率為0.0612，日衰減速率為0.0554。二者NDVI具有相同的變化趨勢(shì)，即春季展葉期間增長(zhǎng)，秋季落葉期間衰退。從NDVI變化來看，次生林生長(zhǎng)季持續(xù)時(shí)間略長(zhǎng)于原始林。在非生長(zhǎng)季，與次生林相比，原始林NDVI較高，且變動(dòng)幅度較大，這是由于原始林有較多的常綠針葉樹，且在早春和晚秋無冰凍期間仍有光合作用；次生林主要由落葉闊葉樹組成，落葉后沒有光合作用，所以相對(duì)穩(wěn)定

2.2 植被綠度季節(jié)年際變化

由圖4可知，EVI可在生長(zhǎng)旺盛時(shí)期反映原始林與次生林之間的差異，本研究選取EVI作為植被綠度變化指標(biāo)。由圖6可知，植被綠度年際變化總的趨勢(shì)是，多年EVI一致在增加。原始林與次生林季節(jié)EVI線性增長(zhǎng)趨勢(shì)均通過0.05的置信度檢驗(yàn)，但季節(jié)增長(zhǎng)速率（斜率）存在明顯差異。原始林EVI不同季節(jié)增長(zhǎng)速度為：夏季>春季>冬季>秋季；次生林為：夏季>秋季>春季>冬季。從不同年份間的波動(dòng)幅度來看，原始林與次生林都呈現(xiàn)出：秋季>春季>夏季>冬季。原始和次生林的EVI都表現(xiàn)為夏季年增長(zhǎng)速率最大，分別為0.00385和0.00389，二者增長(zhǎng)速度相近。從變動(dòng)幅度來看，原始林春秋季EVI年度變動(dòng)幅度較大，這可能與生長(zhǎng)季始（返青）和生長(zhǎng)季末（落葉）時(shí)間變化有關(guān)。冬季EVI也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，與常綠針葉樹種的葉片特性有關(guān)。

圖6長(zhǎng)白山兩種森林植被EVI季節(jié)變化(1985?2019年)

2.3植被綠度的生長(zhǎng)季年際變化及其與氣溫的關(guān)系

從35年時(shí)間植被綠度的變化過程看，二者生長(zhǎng)季EVI變化呈逐漸上升趨勢(shì)，次生林年上升速率為0.0030，原始林為0.0035，變化趨勢(shì)通過0.05的置信度檢驗(yàn)，增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯。研究區(qū)氣溫上升緩慢，生長(zhǎng)季平均氣溫上升速率為0.05℃/a。原始林與次生林生長(zhǎng)季EVI最小值在1994年，最大值分別在2013年和2007年。二者生長(zhǎng)季EVI在2000年后增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯，且多數(shù)年份EVI大于多年生長(zhǎng)季平均EVI。研究區(qū)生長(zhǎng)季多年平均氣溫為19.7℃，1997年后生長(zhǎng)季平均氣溫明顯升高，除1994年，平均氣溫達(dá)到20.2℃，在1997年之前低于多年平均氣溫（圖7b）。1997年之后，生長(zhǎng)季平均氣溫增加幅度較大。生長(zhǎng)季最低為17.9℃（1986年），最高為21.2℃（2001年）。原始林與次生林生長(zhǎng)季EVI在2000年前變化較為平緩，之后EVI變化呈逐漸上升趨勢(shì)。

圖7 長(zhǎng)白山兩種森林植被生長(zhǎng)季EVI(a)和氣溫(b)的關(guān)系(1985?2018年)

2.4 植被年際綠度變化與同期月氣溫的關(guān)系

原始林與次生林EVI多年月均值變化（圖8）與2019年EVI季節(jié)變化（圖4）結(jié)果相似。非生長(zhǎng)季，原始林EVI月均值變化較為穩(wěn)定，最低出現(xiàn)在11月，為0.17；次生林最低為0.10，出現(xiàn)在1月。生長(zhǎng)初期二者EVI變化較快，6月份均到達(dá)最大值，且次生林大于原始林。原始林與次生林多年月標(biāo)準(zhǔn)差最大值均出現(xiàn)在5月份，這與其多年生長(zhǎng)起始時(shí)間的變化有關(guān)。

圖8 長(zhǎng)白山兩種森林植被EVI多年月均值與標(biāo)準(zhǔn)差(1985?2018年)

原始林與次生林月綠度（EVI）年際變化對(duì)同期氣溫變化響應(yīng)存在差異（表1）。生長(zhǎng)季初期植被綠度受氣溫影響較大，即氣溫升高會(huì)促進(jìn)植被綠度的增加。原始林5、6月EVI年際變化與同期平均氣溫和最高氣溫顯著正相關(guān)，即隨著氣溫的升高，植被年際EVI呈增加的趨勢(shì)。與原始林相比，次生林6月平均氣溫與EVI相關(guān)系數(shù)沒有通過顯著性檢驗(yàn)，且次生林EVI年際變化受春季氣溫影響較大，3、4月與同期平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)。原始林與次生林8月EVI年際變化與同期最低氣溫顯著負(fù)相關(guān)。原始林10月EVI年際變化與同期最高氣溫顯著正相關(guān)，在生長(zhǎng)季末期，原始林更容易受氣溫的影響。

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審核編輯黃昊宇