全 文 ： 8
第l9卷第4期
1999~g7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．1 9．No 4
July，1 999
北半球高纬度地区气候变化对植被的影响途
径和机制
齐 哗
● - - _ _ ● ● _ _ 一
(美国伯克制加里幅尼亚太学环境科学 政策与管理系)
政3 _／『己
桷要 ：根据标准化植 被指数(NDVI)探讨了植被功能的地带特征及其与温度梯度的关系 结果表明在北半球高纬度地区
NDVI的年晟太值 及该值出现的时间与温度之间存在着密切的相关 但其定量关 系固纬度而异。在较高纬度地带 ．两
十参数对韫度 的反应更为敏感 由于这种温度作用的不均衡性，气温的增 口将可能导致较高纬度地带的植被在物候和生
产力上 更加接近较低纬度带上的植被 其结 果是使大气 CO 季节振幅增大．同时季节各值 出现的时间提前。这一推论与
太气 c0坪B铡数据相吻旨。
关键调 ：气候变化；植被地带性 ；标准化植被指数{植被遥感；温度效应
The effect of climate change on vegetation at high latitudes of the
northern Hemisphere：a functional analysis
QI Ye (D~partmem ofE ⋯ tul Scie ，P0m d Manag⋯ f，U &~rsity ofCalifo r⋯ B kdey．CA 94720—
3310，USA)
Abstract：The metabolic and phenological response ot vegetation to the change in temperature was studied
by using the latitudinal gradient to represent the temperature gradient．By comparing the seasonalⅣI)
curves of different latitudinal zone~，we found that the peak value( N )increased as latitudes decreased
from 75～56 N ，with the greatest peak occurring at 56"N．In the same latitude range．the peaking time as
measured by the Julian days when the Dl was reached decreased with latitude．These results imply that
temperature increases at high latitude of the northern Hemisphere may increase the M y r，and decrease
for the vegetation above 56 N ，and therefore lower the trouph of the seasonal curve of atmospheric
C0 and make the trouph arrive earlier．The matching of the spatial distribution of the warming from 1 965
to 1995 with the temperature sensitive vegetation zone leads to the conclusion that the warming causes the
metabolic enhancement and phenological shift for the vegetation in the high latitude region and which in
Iurn causes the increase of seasonal amplitude of CO 2 and its phase shift．
Key words：global warming；vegetation response；NDVI；metabolic enhancement；phenolog
ical shift；remote sensing；temperature effect
文章编号 ：1000—0933(1999)04 0474 95 中圈分类号 ：Q151 文献标识码 ：A
全球气候变化研究表明北半球高纬度地 区气候变化最为显著 自l9 ～1995年的30a间，气温升高1～
2 C以上的地区主要集中于北纬5O 以上的陆 。北纬50。以上的陆地表面分布有北方森林，泰加林和极地
冻原 。该地带水分供应 充足 ，植被生长主要 由温度控制 该地 区植被对温度变化异常敏感 因此 ．北半球
高纬度地区在全球变化与陆地生态系统研究中备受关注： 。
本研究所用 NDVI数据 由美国航空航天局 Goddard空间飞行中心提供。部分研究由 家大气海洋管理局资助 Keel
lag教授、团 教授给予了很大帮助 在此一并致谢!
收藕日期：1997 08 16}恪订日期 ：1998．02 29
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4期 齐 哗等 ：北半球高纬度地区气候变化对植被的影响途径和机制 475
分布在北纬50。 上的森林植披占全球森林总面积50 上。具有冬季休眠和夏季快速生长的特征，决
定了该地区植被对大气 CO 季节信号的贡献很大。事实上 ．大气 CO 季节变异主要由高纬度地区的植披季
节性波动决定 。自70年代中期 来，CO 季节振幅在不断增 ⋯ 。一般认为这一现象是 由于陆地生态 系统
活动加剧所致 Hall等 人发现在 COz季节振幅不断升高的同时垒 球陆地 生态系统 的净初级生产力(Ⅳ尸尸
或 P)和异养呼吸(R)也同时增加 ，二者间比值(P／R)约为1[5] 在最近 的一项研究中 Keeling等人发现不但
CO 的季节振幅在增大．而且其季节变异曲线的相位和形状亦有变化‘ 。这主要表现在该曲线的各值提前
到达 80年 代末期与60年代初期相 比．各值大约提前 到达 。对这一现象 的解释主要依据 效应假说 ，即
大气 CO 浓度提高导致植披光合作用增强 然而 ，根据 Luo和 Mooney的研 究 ， 效应假说在理论上至
多 只能解释全 部振幅变化中的6 _i]。况且该假说 不能用 解释 CO 季节曲线 的相位漂 移(phase shift)。
Qi E~1-1 2]认为有必要考虑温度升高对植披生长的刺激效应作为补充或替代假说。Qi和 Gong El a]根据全球 标
准化植披指数 (Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)采用空间替代时间的方法 ll卜伽(Space—for·
Time substitute approach)揭示了高纬度植被的地带特征 NDV1年最大值 (．】lf )及其到达时间(丁 )与
温度的关系，为温度效应假说提供了证据 但某些关键问题仍有待深入探讨 。例如 ．NDV1是否与 NPP有
线性相关 ，NDVI最大值的增长幅在何种程度上影响 CO 季节振 幅，以及异养呼吸如何受温度影响。Keel—
ing等人认为．仅从 效应和温度的直接效应上解释生态系统代谢提高和物候迁移是不够的。他们提出温
度的年代波动(decadal oscillation)与植披季节波动的交互作用可能起着关键作用 ，但有待进一步的验证 。
1 由NDVI所揭示的植被地带特征
标准化植被指数 (NDVI)是根据传感器所接受的地表覆盖(1and cover)对红光 (波长为0．58～0．69~m)
和近红外光(波长为0．73～1．1O~m)两个波段的反射强度的两个参数组合而成：
NDV1= (Ⅳ，R — R)／(Ⅳ ，R + R)
其中，R为地面对红光反射率 ，NIR为地面对近红外光的反射率
由于 NDV1能够相当准 确地反 映植披的绿度和 光合 作用 强度，因而该 指数披广泛运用于植披的监
测- ]、分类 、物候分析、农作物估产等方面[1 ：。在区域和全球生态系统模型中 ，NDVI常被直接和间接地
用于计算植披的初级生产力n 。本研究所用原始数据取 自美国国家大气海洋管理局所发射的改进的特
高分辨率气象卫星的第一和第二频道。原始图象数据为每日两次，空间分辨率约为1．1km×1．]km。美国航
空航天局的 Gocldard空间飞行中心将诙数据进行 了大气和遥感器校 正，并进一步组合为经纬各1。的各 旬
(8～1ld)数据以减少云的影响并便于处理。为了降低单一年份数据可能弓【致的偏差，采用1982至1993年的
平均值进行分析。
以0．1为阚值．计算出北纬每5啪 地带平均值。并用每旬数值绘出 NDVI的季节变化曲线。图1显示了
北纬45。至80 ，每5。的 NDVI季节变化 在每个纬度带 ．NDV1起始值较小 ，随时间推移而增大 ，在年中达到
最大，其后又逐渐下降至低值。这一变化反映了高纬地区值杖的季节性消长特征，即冬季休眠与夏季牛长
相交替。
比较图1中代表不同纬度带的各条曲线．不难发理
各曲线的MvDv，和 丁 刚呈现有规律地变化。在图中纬
度最高的地带(75～8O。N)，其曲线的最大值 (^f )最
低。随纬度带向南推移．NDV1则逐渐增大，在55～60。
带，Ⅳ帅 ，达到最大。随纬度带继续向南推移 MvDv，反而
降低。最大值到达的时间(丁删 )在北纬75～80。地带最
迟。随纬度带向南推移，丁⋯ 减小，到达 时间提早．至55
～ 6O。时较为稳定 。
为了深入探讨 植被 功能特征 随纬度地带的变化 ．
对每一个纬度带分别计算出其 f^ m r 和 丁⋯ 并绘制
出图2和 图3。图2表 明在北纬56。上 ．】lf肋 ，最大，在 与其
图1 不同纬度带 NDVI季节变化比较
Fig．1 Seasonal N DVI ac加ss latitudes between 45
and 80"N
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相邻的较高和较低纬度的地区 M 均较 之为小。假定 NDVI与 NPP成正 比，可 以推论在北纬56。NPP
的季节振幅最太 加之在该纬度带植被总面积大，因此，该纬度带植被可能对大气 CO 季节性吸收的贡献
也最大。进一步的观察发现，在56 以北， 随纬度的变化较56。以南为快。计算表明，75~56 北 MuDw
曲线平均斜率大约是56～40。地带平均 斜率的一倍 。这一现象决定了北纬56。上下两个亚地区对温度变化的
啦感性m：。 ’，．
^
图2 NDV1年最大值与纬度梯度的关系
F ．2 Variation ot maximum N DV1 with latitudes
3 NDV1年最大值到达时间与纬度梯度的 采
F 3 Variation of the timing of maximum NDV1 with
lotitIdes
从图3可见，在北纬75。至56。之间 T~,-D 随纬度降低而减小t至 6。时达到最低点。这表明在北半球高纬
度地区，植被最大光合作用能力在北纬56。出现最早，随纬度升高，最大光合作用到达时间推迟。T~zvl的大
小影响着大气 CO。谷值出现的时间。在北纬56。上，大气CO 的季节性谷值蓟选较早。而随纬度的增高，cO
的谷值则推迟到达 在北纬l3 和39。上下丁 的值出现两个明显的低谷。
2 檀被的地带特钲与沮废构关系
纬度梯度与温 度摊度之闻存在着 密切的相关。在北半球 高纬 度地区降水量一般 超过植被的水分蒸
散 ⋯，热量往往构成该地区植物生长的限制因子 。因此 ，这 一地区植被的地带性特征可能与温度梯度之间
存在着密切的相关。为了验证这一推i赠，将北纬56。至7 之间每个纬度上的NNo~．I和 丁 分别与该纬度上
的年平均温度绘戚散点图(图4)，井将 一 和 丁 分别与温度回归，结果见表I。图4和表I表明 ⋯ 与
温度之间存在良好的线性和非线性关系。在回归的范国内 M唧 ，谊温度的增加而增加。从图4和表1可见
丁～ ，与温度之间亦存在着负相关 在北半球高纬度地区由 如^ 和 丁⋯ 所代替的植被功能特征可能主要
由温度梯度所决定，而温度与纬度梯度在北纬2O 籼 之闻吻合 良好 。
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⋯ 喜 ⋯
图4 NDV1年最大值及其到达时间与温度梯度的关 系
Fig．4 Relationship between M uDvt，r ，and temper—
a“Ir gradient
衰1 NDV1年量太值爰其劐选时间与沮度梯度的关系
Table 1 CorrelltIon bet~ven 村 ，trⅣ州 and m曲n an-
那J．I temprature
项 目 1tern M~vvt T~Dvt
截距 Interception O 5O5 197 12
斜率 Slope 0 O106 —1．62
F值 F-va1．ue 438 4 140．69
娃著 ，值 Signifcant F value 4．36e-14 6．08e-10
相关关系C~rrelatlon coefficient 0．96 0 89
3 气沮升高对檀被功能和格局的影响
全球气候变化的重要特征之一在于北纬50。以上地区陆面温度大幅度升高 根据上述所建立的植被
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4期 齐 晔等：北半球高纬度地区气候变化对植被的影响途径和机制 477
功能和温度梯度之问的关 系(图4和表1)．可 预测当温度升高1c， 朋 将提 高约O，0106，T 将提前约
1．62d。这种温度效应在不同纬度上的反应不均衡 ，在纬度较高的地区反应更加敏感 前 已述及在北纬56。上
下两侧的温度效应是相反的 ，只是在56。 下地 区反应远 不如5铲以上地 区明显 由于温度与 M 和 丁 Ⅲ
之间关系，在较高纬度地区温度的增加将导致该地 区植被 M 朋 的增大和 丁 nw的减小。这些变化的全球教
应则在于使大气 CO 的季节 振幅增加，并同时使季节 曲线的备值提前。对 CO 季节 曲线的分析结果从反面
支持了以上关于高纬度植被变化的推论。
温度变化对 植被的影响在短期 内(几年至几 十年 )主要表现在功 能上的变化 ．在较长的时间尺度上，其
影响不仅局限在功能上，而更重要的是在组成和格局上。由于这一地区植被的地带过渡特征，其结构的变
化将表现在两方面：一是某一地带植被在空间上的扩散，二是地带植被的平移。同样，由于气候变化的不均
衡性和植被反应 的不均衡性 ．使得前者发生的可篦性远大于后者 根据 TikhomirQv的观测Ⅱ 唧，由于2O世
纪以来的气温升高已导致俄罗斯北部森林植被的向北迁移．原来的冻原带上开始有森林的发育。树线北迁
有时 惊 人的速 度发展，Uspenski观铡到在某些地 区速度可达到每年致百米。”
高纬度地区地带植被 的扩展 ，迁 移和树线的变动在历史上 出现过多次 。其原因往往 由气温变化所致。
孢橱和化石资料显示在据 今12000年前 ，在现夸的泰加林带曾有 阔叶树种生长 。距今约81O0～92。0a时，当
时太阳辐射比现在高出近8 ，温度亦较现在为高，当时的树线则在距现在树线100~200m的冻原带 。
4 中低镩矗地带的沮度梯度与檀被分布
本研究的棱心在于高纬度地带植被生长和物候与温度梯度的关系 。这不仅 因为在高纬度地带 气温升
高趋势最为明显 ，同时也因为在高纬度地 区植被生长和物候对温度反应最 为敏感 在中低纬度地区植被生
长和钰锋与温度的关系较为复杂。从图2和图3可见，无论是 NDV1年最大值 ．还是该最大值到达时闻，均不
存在与温度闻的单调关系 一般认为．在中低纬度地区，温度不是植物生长的限制因素 相对而言．降水往
往是控制植掬生长的主要因子 。
l ■论置有待研究的问朋
本文根据标准化植被指数探讨了植被功能的地带特征及其与温度梯度的关系 结果表明在北半球高
纬度地区NDV1的年最大值 及该值出现的时间与温度之问存在着密切的相关性。但其定量关系因纬度
而异 在较高纬度地带．两个参数对温度的反应更为敏感。由于这种温度作用的不均衡性，气温的增加将可
能导致高纬度植被在功篦上的趋同化 ．即较 高纬度地带的植被在功能上更加接近较低纬度带上 的植被 。其
结果将是使大气 CO 季节振幅增大．同时季节各值出现时间提前。这一推论与大气CO。观 数据相结合。
本文所基于的一个基本假设是 NDVI与植被 的净初级生产力成正比．这一假设有待进一步证 实。其
次，温度变化对于呼吸的影响不象对生长影响那样便于在大范围内直接观 。此外本文未考虑 效应和长
期温度振蔼与植被生长周期的相互作属呻。
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