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Reconstruction of regional NDVI using tree-ring width chronologies in the Qilian Mountains, northwestern China

基于祁连山树轮宽度指数的区域NDVI重建



全 文 :植物生态学报 2010, 34 (9): 1033–1044 doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.09.004
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2010-03-22 接受日期Accepted: 2010-05-18
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: liuxh@lzb.ac.cn)
基于祁连山树轮宽度指数的区域NDVI重建
王文志 刘晓宏* 陈 拓 安文玲 徐国保
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室, 兰州 730000
摘 要 利用祁连山自东向西5条树轮宽度年表序列和1986–2003年间的归一化植被指数(NDVI), 分析了NDVI的时空变化及
其与树轮宽度年表之间的关联。结果表明, 祁连山地区植被的生长主要集中在6–8月。空间上, NDVI值从祁连山东段向西段
逐渐减小; 在1986–2003时段内, 东、中和西段生长季的NDVI值分别增长了3.28%、4.82%和7.75%。整个祁连山地区的NDVI
变化与5个宽度年表的第一主成分相关性较高(r = 0.74, p < 0.01)。基于此, 利用树轮宽度RES年表的第一主成分重建了
1843–2003年间祁连山地区生长季的NDVI变化曲线。重建的NDVI曲线表现出6个高值期和6个低值期, 其中1923–1932的10年
间植被生长状况最差。另外, 在1989–2003时段内NDVI年际波动较大, 总体上表现为NDVI低于平均值, 但是从1991年开始,
NDVI有上升的趋势。
关键词 归一化植被指数, 祁连山, 树轮宽度指数
Reconstruction of regional NDVI using tree-ring width chronologies in the Qilian Mountains,
northwestern China
WANG Wen-Zhi, LIU Xiao-Hong*, CHEN Tuo, AN Wen-Ling, and XU Guo-Bao
State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Cold and Arid Regions Environment and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lan-
zhou 730000, China
Abstract
Aims Many recent studies indicated that the regional climate of northwest China had changed from a warm-dry
to a warm-wet pattern. Therefore, it is important to assess vegetation cover change in this area. Our objective is to
evaluate the normalized difference vegetation index (NDVI) record in eastern, middle and western parts of the
Qilian Mountains and assess past long-term vegetation cover change with tree-ring chronologies.
Methods Temporal and spatial changes of NDVI, and its relationship with tree-ring width were analyzed using 8
km × 8 km resolution multi-temporal NOAA/AVHRR-NDVI data from 1986–2003 and five ring-width chronolo-
gies in the Qilian Mountains. Then, we used liner regression to reconstruct annual NDVI varieties for 1843–2003.
Important findings Vegetation cover in the Qilian Mountains decreased from east to west, and the main growing
season lasted from June to August. In addition, during the period 1986–2003, an increasing NDVI-trend was evi-
dent in three regions in the Qilian Mountains, indicating that vegetation activity has been rising recently. In the
eastern, central and western parts of the Qilian Mountains, values of NDVI during the growing season have in-
creased by 3.28%, 4.82% and 7.75% per year, respectively. We also found a strong relationship between NDVI
and the first principal component (PC1) of the five tree-ring width chronologies (r = 0.74, p < 0.01). Growing
season NDVI was reconstructed based on correlation analysis. Six periods characterized by high and low values
were reflected in the NDVI curve, and the poorest period of plant growth was 1923–1932. Moreover, the ampli-
tude of the fluctuation was larger during 1989–2003, accompanied by an increasing trend since 1991.
Key words normalized difference vegetation index (NDVI), Qilian Mountains, tree-ring width index

植被是生物圈的重要组成部分, 在地球的能量
转化和物质循环中起着重要作用, 并且植被还具有
改善局地气候、防止水土流失、调节河流流量和减
轻环境污染等作用。植被与环境的相互作用, 一方
面能够影响区域尺度的气候, 另一方面也受区域气
候变化的影响(李晓兵和史培军, 2000; Peter et al.,
2000; Bachelet et al., 2001; Karl & Trenberth, 2003;
Liu et al., 2007; Notaron et al., 2007)。位于青藏高原
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北部的祁连山脉, 对区域温度、降水以及植被的非
地带性分布都有重要影响。近年来, 对于祁连山历
史气候特征变化及植被覆盖的研究已有很多, 并获
得了有意义的成果 (康兴成等 , 2003; Herzschuh
et al., 2006; Liu et al., 2008, 2009a; 尹宪志等 ,
2009)。
从20世纪80年代开始, 随着卫星观测技术的发
展, 利用遥感资料研究大尺度的植被变化已相当广
泛(Myneni et al., 2001; Tucker et al., 2001; Zhou et
al., 2001, 2003; Piao et al., 2003)。由GIMMS (global
inventory monitoring and modeling studies)提供的归
一化植被指数(normalized difference vegetation in-
dex, NDVI)是目前最常用的植被指数资料(Tucker et
al., 2001; Zhou et al., 2001)。该NDVI数据集消除了
火山爆发、太阳高度角、传感器灵敏度随时间变化
等影响(Holben et al., 1986), 已经在区域净初级生
产力(Potter et al., 1993; Paruelo et al., 1997)、植被覆
盖(Tucker et al., 1991; Myneni et al., 1997; Los et al.,
2001; Zhou et al., 2001; Piao et al., 2003)、生物量计
算(Myneni et al., 2001; Dong et al., 2003)和生物气
候学(Reed et al., 1994; Moulin et al., 1997)等方面得
到了广泛应用。但NDVI数据的观测时间相对较短,
在长时间尺度变化分析方面受到一定限制。
树轮以其定年准确、分辨率高、时间序列长和
分布广泛等优势在研究过去的环境变化方面发挥
着重要作用(Briffaa et al., 2004)。D’Arrigo等(2000)
在研究美国北部地区的树轮时, 发现树轮的最大晚
材密度与森林的NDVI显著相关; Wang等(2004)报道
了北美大平原中部树轮残差年表与5–6月NDVI的平
均值显著相关, 类似的研究结果在北美、欧亚大陆
中高纬度(Kaufmann et al., 2004)和俄罗斯西北部
(Lopatin et al., 2006)均有报道。Leavitt等(2008)研究
了美国西南部树轮中δ13C的主成分与NDVI的关系,
发现第一主成分(PC1)与夏季NDVI呈显著正相关关
系。国内科学家也开始了这方面的尝试性工作。He
和Shao (2006)发现德令哈地区树轮宽度指数与生长
季各月的NDVI均有显著的相关性 , 并重建了该
地区过去1 000年来草地8月份的NDVI变化曲线;
Liang等(2005, 2009)的研究揭示了中国内蒙古东部
半干旱草原上树轮宽度与草原生长季NDVI之间的
显著正相关关系, 表明可以利用树轮宽度指示过去
草原地上生物量的变化, 并指出NDVI存在17–20年
的准周期变化。因此, 利用树轮作为代用资料研究
过去长期的NDVI变化是非常有意义的。然而, 在面
积广大、地形复杂的祁连山地区还未有利用树轮资
料研究NDVI长期变化的报道。本研究利用祁连山地
区5条树轮宽度序列来探讨其与NDVI的关系, 揭示
利用树轮指示过去植被NDVI变化的潜力, 为重建
过去植被的地上生物量变化奠定基础。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
祁连山(36°30′–39°30′ N, 93°31′–103° E)位于青
藏高原东北侧, 地处青藏、蒙新和黄土3大高原交汇
地带。区内由多条西北―东南走向的平行山脉和宽
谷组成, 平均海拔在2 800 m以上, 许多高大山峰的
海拔超过了4 000 m, 并有冰川发育。
祁连山地区属于典型的大陆性气候, 表现为温
度变幅大, 雨量分配不均。温度和降水随海拔高度
呈明显的垂直梯度变化。一般山前低山属荒漠气候,
年平均气温6 ℃左右, 年降水量约150 mm。中山下
部属半干旱草原气候, 年平均气温2–5 ℃, 年降水
量250–300 mm。中山上部为半湿润森林草原气候,
年平均气温0–1 ℃, 年降水量400–500 mm。亚高山
和高山属寒冷湿润气候, 年平均气温 5 ℃左右, 年
降水量约800 mm (李栋梁和刘德兴, 2000)。降水总
趋势是由东向西逐步减少。祁连山东段乌鞘岭、中
段张掖和西段酒泉气象站的记录显示其年平均降
水量分别为410.3、128.3和84.7 mm。山地东部气候
较湿润, 西部较干燥。
祁连山森林资源比较丰富 , 其中有林地
166 843.6 hm2, 疏林地11 910.1 hm2, 灌木林地
412 569.0 hm2, 森林覆盖率达21.3% (王文元, 2004),
祁连山东西部植被分布不尽相同, 山地植被南北坡
垂直结构变化明显, 东部主要分布着寒温性针叶林,
中部山地南北坡均有森林分布, 西部主要分布着草
地和灌木丛, 并在山地阴坡有小片森林。祁连山地区
的树种主要有青海云杉(Picea crassifolia)、祁连圆柏
(Sabina przewalskii)、山杨(Populus davidiana)和白桦
(Betula platyphylla)等(Liu et al., 2005)。
1.2 树轮数据
青海云杉的树轮样品于2004年采自祁连山, 沿
东南—西北山脉走向选取5个样点。样点海拔界于
2 440–3 360 m之间(表1; 图1)。采集的样品经过预
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表1 祁连山地区树轮年表与气象站信息
Table 1 Description of the study sites and the meteorological stations in the Qilian Mountains
地点 Location 经纬度 Latitude and longitude 海拔 Altitude (m) 时段 Range of years
昌岭山 Changlingshan 37.4° N, 103.7° E 2 440 1843–2003
哈溪 Haxi 37.5° N, 102.4° E 2 800 1829–2003
东大山 Dongdashao 39.1° N, 100.8° E 2 660 1789–2003
寺大隆 Sidalong 38.4° N, 99.9° E 3 360 1700–2003
样点
Sampling site
祁丰 Qifeng 39.4° N, 98.6° E 2 780 1730–2003
乌鞘岭 Wushaoling 37.2° N, 102.9° E 3 045 1986–2003
张掖 Zhangye 38.9° N, 100.4° E 1 483 1986–2003
气象站
Meteorological station
酒泉 Jiuquan 39.8° N, 98.5° E 1 477 1986–2003




图1 祁连山树轮样点、附近气象站与归一化植被指数(NDVI)区域范围。
Fig. 1 Locations of the sampling sites, meteorological stations and normalized difference vegetation index (NDVI) grids in the Qilian
Mountains.


处理后 , 用骨架示意图进行交叉定年 (Stokes &
Smiley, 1968; Fritts, 1976)。并用COFECHA程序
(Holmes, 1983)对定年结果进行检验, 以保证定年
结果的准确。
树轮年表的建立通过ARSTAN程序 (Cook,
1985)完成。首先以负指数函数去除生长趋势, 并对
去趋势后的序列合成标准(STD)年表, 然后用自回
归模型消除森林内部树木之间竞争所导致的低频
变化, 得到残差(RES)年表。5个树轮序列采用相同
的方法建立年表, 以保留不同年表的相同信号。
1.3 气象数据与NDVI数据
本研究中选取了分别位于祁连山东、中和西部
的乌鞘岭、张掖和酒泉3个气象站1986–2003年(表1)
的平均气温和降水资料。以这3个气象站的资料分
别代表祁连山东、中和西部3个区域的气候状况。
所使用的NDVI数据为GIMMS工作组的AVH-
RR卫星遥感时间序列数据, 空间分辨率8 km × 8
km。逐月NDVI数据采用国际通用的最大值合成
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(MVC)法获得 (宋怡和马明国 , 2008), 一般认为
NDVI值超过0.1表示有植被覆盖, NDVI值越大则植
被覆盖率越高。本研究中分别从祁连山东、中和西
部3段各选取一个区域(图1), 提取各区域中所有像
元的逐月NDVI平均值来表示该区域的植被覆盖情
况。选取1986年1月到2003年12月为研究时段。
1.4 研究方法
本研究中利用Excel进行数据处理及相关计算,
用SPSS 16.0进行皮尔逊相关分析、主成分分析以及
线性回归分析。重建方程采用1986–2003年的实测
NDVI数据和相应时段的树轮宽度指数第一主成分
(PC1)线性回归拟合得到 , 并采用逐一剔除法
(one-leave-out)对方程的稳定性进行检验(李江风等,
2000)。
2 结果
2.1 NDVI的时空变化
西北地区的植被生长一般在每年的5–10月(邓
朝平等, 2006; 程瑛等, 2008)。从祁连山地区多年平
均逐月NDVI的变化(图2)可以看到, 东、中和西3段
的NDVI在1–3月和11–12月几乎没有变化, 维持在
全年的低值水平, 表明这些时段植被基本不生长。
从4月开始, NDVI开始上升, 其中, 东部和中部分别
从4月初的0.16和0.14增长到5月的0.21和0.26, 而西
部只从0.09增长到0.12。6–7月内, 3个区域的NDVI
都处于快速增长期, 东部和中部7月达到全年的最
大值, 分别为0.47和0.40; 西部7月的NDVI值也基本
为全年的最高值, 为0.25。随后的8月, NDVI也维持
在高值水平。总体来看, 7月中旬到8月中旬NDVI值
最高, 植被达到一年中最茂盛的时期。随后, 植被
便开始枯萎, NDVI逐渐减小。从以上分析和图2可以
看出, 祁连山地区的植被生长主要集中在夏季6–8
月。虽然9月的NDVI值也较大, 但是9月的植被已经
基本停止生长。因此, 本研究中定义6–8月为祁连山
地区植被的生长季, 并主要以6–8月的NDVI平均值
作为研究对象。
年内变化上, 祁连山不同地段NDVI变化的一
致性较好, 都呈单峰型变化, 与程瑛等(2008)的结
果相似。空间变化上, NDVI平均值从东段的0.27减
少到西段的0.15, 这与祁连山地区降水的分布一致,
说明该地区生态系统的地上生物量是受降水驱
动的。
3个区域中, 东部与中部、中部与西部NDVI的
相关性都达到了显著水平(p < 0.01)。只有东部与西
部的相关性稍低, 相关系数为0.43 (p = 0.08, n =
18)。从年际间变化上可以看到: 东、中和西3段生
长季的NDVI都呈上升趋势(图3)。根据Fang等(2004)
对NDVI变化率的定义, 计算得到祁连山东、中和西
3段生长季NDVI的年增长率分别为3.28%、4.82%和
7.75%, 这一结果与中国北方地区(马明国等, 2003;
Fang et al., 2004; Piao et al., 2005; 杨元合和朴世龙,
2006; Ding et al., 2007; Zeng & Yang, 2008)和北半
球(Myneni et al., 1997; Tucker et al., 2001; Lucht et
al., 2002; Gong & Shi, 2003; Nemani et al., 2003;
Slayback et al., 2003; Zhou et al., 2003)的植被变化
基本一致。



图2 祁连山地区东(E)、中(M)、西(W) 3段NDVI的月变化。
Fig. 2 Changes of average monthly NDVI values in the east (E),
middle (M) and west (W) areas of the Qilian Mountains.




图3 祁连山地区生长季(6–8月) NDVI的年际变化(1986–
2003)。E, 祁连山东部; M, 祁连山中部; W, 祁连山西部。
Fig. 3 Interannual changes and spatial distribution of the grow-
ing season NDVI in the Qilian Mountains during the period of
1986–2003. E, Eastern of the Qilian Mountains; M, Middle of
the Qilian Mountains; W, Western of the Qilian Mountains.
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2.2 NDVI与气候要素的关系
为了研究祁连山地区生长季的NDVI与气候因
子的关系, 我们对3个区域的NDVI与对应的乌鞘
岭、张掖和酒泉气象站的逐月平均温度、降水量做
了相关分析。同时, 考虑到温度和降水可能会共同
影响NDVI的变化, 因此引入湿润指数(P/T, 降水量
(P)与平均气温(T)的比值) (沈长泗等, 1998; 彭剑峰
等, 2006)。如表2所示, 在祁连山东部, 上一年12月
的温度、11–12月的降水量和当年1月的湿润指数与
NDVI同时表现出显著的负相关关系。在中部, NDVI
与降水量和湿润指数的相关性较好, 与5月、5–7月
的降水量和湿润指数的相关性都达到了显著水平(p
< 0.01)。另外, 与上一年11–12月的湿润指数也具有
较好的相关性。与5–7月的降水显著相关, 表明在中
部地区植被生长的限制性因子主要为降水, 尤其是
5月份的降水。5月份植物开始生长, 对水分的需求
较高, 此时如果降水稀少, 只能满足那些耐干旱植
物的生长, 大量的喜湿性植物生长缓慢或无法生
长, 使得NDVI值较低。反之, 则会有较高的NDVI值。
与上一年11–12月的湿润指数的相关可能是由于冬
季降水量大, 利于多年生植物储存水分供来年生长。
在祁连山西段, NDVI与气候因子的相关性不显著,
植物生长可能还受其他限制性因子的综合影响, 然
而5–7月的降水量与NDVI的相关系数达到了0.42, 说
明生长季的降水量对植物生长也有重要影响。
2.3 NDVI与树轮宽度指数的关系
树轮中STD年表更多的是反映低频变化, RES
年表则更多地反映高频变化(Liu & Ma, 1999)。由于
本研究中NDVI数据只有18年, 更多地表现为高频
变化, 故选择RES年表作为研究对象。图4为祁连山
东、中和西3段5个样点的RES年表与6、7、8、9、6–8、
6–9、7–8月NDVI的相关系数。从图中可以看出, 整
个祁连山地区生长季的NDVI与RES年表相关性较
好。在东段, 昌岭山(CLS)与6月和6–8月的NDVI相
关性显著, 哈溪(HX)与9月和6–9月的NDVI相关系
数分别达到了0.55和0.68, 均通过了显著性检验。在
中段, 东大山(DDS)和寺大隆(SDL)两个样点的RES
年表与6、7和6–8月的NDVI有较高的正相关关系。
西段祁丰(QF)的树轮宽度年表与NDVI同样表现出
较好的相关关系。
为研究区域NDVI与树轮年表的关系, 分别对
祁连山东、中段各2条树轮宽度序列和整个祁连山
的5条树轮年表序列提取变化方向一致的PC1与
NDVI进行了相关分析(表3)。


表2 生长季NDVI指数(6–8月)与平均温度、降水量和湿润指数的关系
Table 2 The correlation between growing season NDVI and mean temperature, precipitation and humidity index
p, 前一年。
*, p < 0.05; **, p < 0.01. p, Last year.

东部 Eastern 中部 Middle 西部 Western
温度
Temperature
(T)
降水量
Precipitation
(P)
湿润指数
P/T
温度
Temperature
(T)
降水量
Precipitation
(P)
湿润指数
P/T
温度
Temperature
(T)
降水量
Precipitation
(P)
湿润指数
P/T
9p 0.223 0.388 –0.111 0.314 0.482* 0.458 0.302 0.107 0.093
10p 0.458 0.356 0.273 0.219 –0.067 –0.126 0.307 0.117 0.088
月份
Month
11p 0.004 –0.286 –0.343 –0.153 0.237 0.525* –0.042 –0.085 0.109
12p –0.483* –0.385 –0.043 –0.338 –0.129 0.267 –0.188 0.311 –0.251
1 –0.152 0.429 –0.472* 0.102 0.400 –0.460 0.017 0.395 –0.385
2 –0.009 –0.170 0.123 0.324 –0.100 –0.025 0.146 –0.175 0.092
3 0.171 0.039 –0.021 0.224 0.156 0.075 0.186 –0.077 –0.129
4 –0.201 –0.104 –0.172 0.265 –0.027 –0.046 0.101 0.030 0.015
5 0.093 0.003 0 –0.121 0.577* 0.572* 0.044 0.149 0.134
6 –0.111 0.205 0.179 –0.165 0.216 0.206 –0.076 0.390 0.367
7 0.267 –0.193 –0.176 0.132 0.354 0.323 0.153 0.198 0.193
8 0.155 –0.040 –0.046 0.112 0.140 0.131 0.236 –0.387 –0.387
5–7 0.129 –0.050 –0.011 –0.095 0.719** 0.705** 0.059 0.418 0.398
11p–12p –0.239 –0.478* –0.368 –0.338 0.158 0.537* –0.172 0.121 0.090
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图4 祁连山地区树轮残差(RES)年表与NDVI的关系。A, 祁
连山东部。B, 祁连山中部。C, 祁连山西部。
Fig. 4 Correlation between the NDVI and residual (RES) chro-
nology. A, Eastern of the Qilian Mountains. B, Middle of the
Qilian Mountains. C, Western of the Qilian Mountains.


树轮序列PC1与生长季的NDVI相关性都较高,
祁连山东部树轮宽度年表PC1与相应区域NDVI的
相关系数为0.50 (p < 0.05); 中部、西部和整个区域
的树轮宽度年表PC1与对应区域NDVI的相关系数
都达到了显著水平(p < 0.01)。其中, 整个祁连山区
域树轮PC1与区域NDVI的相关系数高达0.74。树轮

表3 祁连山地区树轮残差(RES)年表PC1与生长季(6–8月)
的归一化植被指数的关系
Table 3 Correlation between growing season normalized dif-
ference vegetation index (NDVI) values and the first principal
component (PC1) of RES chronology
树轮残差(RES)年表第一主成分(PC1)
PC1 of the tree-ring RES chronologies
东部
Eastern
中部
Middle
西部
Western
区域
Area
东部
Eastern
0.500*
中部
Middle
0.723**
西部
Western
0.606**
生长季
NDVI
NDVI in
growing
season
平均
Average
0.739**
*, p < 0.05; **, p < 0.01.
祁连山东部(昌岭山、哈溪)和中部(寺大隆、东大山)分别由2
个点的RES年表提取PC1; 西部(祁丰)为1个样点的RES年
表; 祁连山区域由上述5个样点树轮RES年表提取PC1。
PC1 was extracted by two sampling sites in the eastern (Chan-
glingshan and Haxi) and middle (Sidalong and Dongdashan) of
the Qilian Mountains, respeatively. RES chronology was ana-
lyzed in one sampling site in the western (Qifeng) and regional
in all sampling sites, respectively.


RES年表与NDVI的相关关系说明两者对于限制因
子的响应存在一致性。因此, 树轮宽度指数可以反
映祁连山地区逐年生长季内NDVI的变化。
2.4 祁连山地区过去160年间NDVI的重建
鉴于祁连山地区树轮宽度指数PC1与生长季的
NDVI具有很好的相关关系, 我们利用树轮宽度指
数PC1线性拟合生长季的NDVI值, 得到拟合方程:
NDVI = 0.014 × PC1 + 0.351 (1)
其中, NDVI为生长季(6–8月)的平均值, PC1为祁连
山地区CLS、HX、DDS、SDL和QF 5个样点树轮宽
度RES年表的第一主成分。方程方差解释量达到
54.7%, 调整后的解释方差为51.8%。
根据转换方程 (1), 我们重建了祁连山地区
1843–2003年间的NDVI序列变化(图5, 图6A)。图5
为校准期1986–2003年间由PC1重建的生长季NDVI
与实测值的对比, 二者表现出很好的一致性。利用逐
一剔除法对重建方程进行稳定性检验, 结果显示其
误差缩减值(RE)为0.56, 一阶差相关系数为0.87, 达
到0.01的显著水平, 说明所建转换方程稳定可靠。
重建结果如图6A所示, 祁连山地区过去160年
间NDVI波动较大的时期有4个, 分别为: 1854–1868,
1890–1901, 1957–1975, 1993–2003。其中1957–1975
年间波动最大。在这160年间植被生长最好的10年
王文志等: 基于祁连山树轮宽度指数的区域 NDVI重建 1039

doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.09.004


图5 重建NDVI值与实际值的比较。
Fig. 5 Comparison of reconstructed and observed NDVI values.


为: 1848, 1863, 1868, 1899, 1913, 1920, 1969, 1980,
1996和2002。最差的10年为: 1883, 1891, 1923, 1925,
1928, 1957, 1960, 1971, 1995和2001。另外, 对NDVI
序列进行10年低通滤波分析, 显示在1843–2003年
间, NDVI经历了6个高值期和6个低值期, 植被生长
较好的时期有: 1865–1876, 1886–1893, 1896–1905,
1933–1947(除1940年的低值 ), 1954–1956和1975–
1988。植被生长较差的时段有: 1877–1885, 1906–
1911, 1923–1932, 1948–1953, 1957–1974和1989–
2003, 其中1923–1932这10年植被生长最差。另外,
1989–2003年内NDVI年际波动大 , 总体上表现为
NDVI低于平均值, 但是从1991年开始, NDVI有上升
趋势。
3 讨论
祁连山不同地段生长季NDVI的增长幅度不同,
西部增长最快, 达到7.75%, 中部次之, 东部最慢,
为3.28%。这样的结果可能是由于西部的温度和降
水增长较快造成的(尹宪志等 , 2009; 张耀宗等 ,
2009)。前人研究也发现, 西北地区植被的增长以新
疆和河西走廊最快(马明国等, 2003; Fang et al.,
2004; 邓朝平等, 2006), 并有向东递减的趋势(Piao
et al., 2006)。这验证了施雅风等(2002, 2003)提出的
西北地区由暖干向暖湿转变的结论。
NDVI的变化受多种因素控制, 而气候是主要
影响因子之一。大多数研究表明生长季前期的温
度、降水与NDVI的相关性最好(Ding et al., 2007;
Zeng & Yang, 2008)。而在不同区域, 温度和降水影


图6 A, 利用树轮RES年表PC1重建祁连山地区1843–2003年间生长季(6–8月)NDVI平均值的变化。B, 德令哈地区1843–2001
年间6–9月NDVI平均值的变化(He & Shao, 2006)。C, 祁连山地区1891–2003年间帕默尔干旱指数(PDSI)的变化(刘晓宏等,
2010)。(直线为平均值; 平滑曲线为10年低通滤波)
Fig. 6 A, Variations of reconstructed, growing season (June–August) NDVI values during 1843–2003 in the Qilian Mountains by
using tree ring width RES chronologies PC1. B, Averaged NDVI from June to September during 1843–2001 in Delingha (He & Shao,
2006). C, Palmer drought severy index (PDSI) during 1891–2003 in the Qilian Mountains (Liu et al., 2010). (Average of NDVI (line)
and 10 years low pass filtering (smoothed curve))
1040 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2010, 34 (9): 1033–1044

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响的程度不同(陈云浩等, 2001)。也有研究表明, 西
北干旱区的NDVI与温度和降水的关系不大(高志强
和刘纪远, 2000)。本研究中, 祁连山中部5–7月的降
水、东部上一年的冬季温度与相应区域的NDVI显著
相关, 西部和东部的降水与生长季的NDVI相关性
不显著, 这可能是由于干旱区生态系统所需的水资
源绝大部分来源于地下水所致 (Zhao & Cheng,
2002)。也可能与植被类型有关, 东部植被以常绿针
叶林为主, 降水对于树木径向生长影响较大, 对树
叶影响相对较小, 而NDVI主要反映的是树叶的生
长变化, 所以NDVI与降水关系不显著。还可能是由
于地形影响。祁连山地形复杂, 高大山峰较多, 温
度与降水均随海拔升高而发生变化 (王宁练等 ,
2009), 同时, 山体南坡和北坡气候差异显著(张耀
宗等, 2009), 这些地形因素导致限制植被生长的因
子有较大变化。
树轮宽度RES年表与NDVI之间具有较高的统
计相关性, 树木径向生长与生长季的气候条件有
关, NDVI反映了植被的生长状况, 也与气候环境条
件相关, 说明两者对于限制因子的响应存在一致
性。NDVI是植物叶面由红光和近红外两个波段反射
所合成的指数, 主要反映植物叶片的绿度。树轮宽
度表示的是树木径向生长, 其生长速度主要取决于
光合作用与呼吸作用所产生的净积累量。而叶绿素
是植物光合作用的重要基础, 其多寡将决定植物光
合作用所产生的积累量, 进而影响植物的径向生
长。当限制因子作用于植被时, 会抑制植物叶片的
光合作用, 减慢植物的径向生长, 使树轮宽度与
NDVI共同受控于这一限制因子。祁连山中部与西部
的植被主要是森林和草地, 其生长季集中在夏季,
与树木径向生长的时间段基本相同, 因此, 这两个
区域的树轮宽度与NDVI之间的相关性分别达到了
0.72和0.61, 均通过了0.01的显著性检验。东部地区
植被主要以常绿针叶林为主, 虽然光合作用主要发
生在夏季, 但是在一年中叶片颜色的变化并不十分
显著, 而树轮径向生长集中于光合作用大于呼吸作
用的夏季, 所以两者相关性稍低, 为0.50, 仅能通
过0.05的显著性检验。
祁连山地区植被的生长与德令哈地区草地的
NDVI (图6B)和祁连山地区帕默尔干旱指数(PDSI)
(图6C)的变化趋势有很好的一致性, 其相互间的相
关系数都通过了0.01的显著性检验。祁连山地区植
被生长较差的时段有 : 1877–1885, 1906–1911,
1923–1932, 1948–1953, 1957–1974和1989–2003。这
些时段中 , 除了1948–1953年外 , 德令哈地区的
NDVI指数也处于低值期。祁连山植被的生长与
PDSI之间的关系更加明显, 两者不论在变化趋势上
还是在波动幅度上都高度相关。在祁连山植被生长
较差的时段中, 1923–1932这10年植被生长最差。造
成植被生长不好的最主要原因为降水减少和持续
干旱, 这方面的研究已有很多。Gao等(2005)利用树
轮资料重建了腾格里沙漠南缘过去140年来降水的
变化, 发现有两个主要干旱期: 1877–1894和1924–
1932。Liang等(2003, 2006)利用树轮网络数据和历
史文献资料证实了20世纪20到30年代早期中国北
方存在大范围的严重干旱。Zhang等(2008)利用石笋
资料也发现了20世纪20到30年代干旱期的存在。另
外, 20世纪20到30年代的高温加剧了干旱(Liu et al.,
2009b; Tian et al., 2009), 使植被生长的水分胁迫更
加严重, 这也是植被生长较差的重要原因。
4 结论
根据祁连山地区东、中、西3个区域NDVI的变
化, 发现整个祁连山地区植被的生长主要集中在夏
季6–8月份。祁连山的NDVI在年内变化上呈单峰型;
在空间变化上, NDVI平均值从东段的0.27减少到西
段的0.15, 这与祁连山地区的降水分布一致。在年
际变化上, 东、中、西3段生长季的NDVI都有上升
趋势, 增长率分别为3.28%、4.82%和7.75%。NDVI
与气候因子的关系较复杂, 总体上与降水关系较
好, 这种复杂关系可能主要受地形影响。
祁连山5个样点的树轮RES年表与生长季NDVI
的相关性普遍高于与单月NDVI的相关性, 而对年
表提取第一主成分后与NDVI的关系显著增强, 整
个祁连山地区的NDVI与5个年表的PC1相关性最好,
达到了0.74。所以树轮指数可以反映祁连山地区逐
年生长季内的植被变化。利用5个年表PC1重建了
1843–2003年间祁连山地区生长季NDVI的变化, 发
现NDVI经历了6个高值期和6个低值期, 植被生长
较好的时期有: 1865–1876, 1886–1893, 1896–1905,
1933–1947(除1940年), 1954–1956和1975–1988。植
被生长较差的时段有 : 1877–1885, 1906–1911,
1923–1932, 1948–1953, 1957–1974和1989–2003。其
中1923–1932这10年植被的生长最差, 另外, 1989–
王文志等: 基于祁连山树轮宽度指数的区域 NDVI重建 1041

doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.09.004
2003时段内NDVI的年际波动大 , 总体上表现为
NDVI低于平均值, 但是从1991年开始, NDVI有上升
的趋势。
致谢 国家自然科学基金(40871- 002)、中国科学院
方向性青年人才项目(KZCX2-YW-QN308)、科技基
础性工作专项(2007FY- 220200)项目、冰冻圈科学国
家重点实验室自主课题(SKLC-S09-03)资助。感谢
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所遥感与地
理信息科学研究室宋怡博士在祁连山地区的NDVI
数据提取方面提供的帮助。
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责任编委: 张齐兵 实习编辑: 黄祥忠