中國自然地帶氣候指數(shù)的提取與特征提取

中國自然地帶氣候指數(shù)的提取與特征提取

隨著海拔的增加，山地環(huán)境發(fā)生了規(guī)律的變化。形成的山坡帶是地質調查的經典內容。這是地帶性和非地帶性規(guī)律性質的重要手段[1.4]。山地垂直帶的一些重要界線,包括森林帶界線、雪線、草甸帶、凍土帶等在山地發(fā)展、區(qū)域生態(tài)及全球變化研究中具有特別重要的意義。近年來人們已認識到山地森林界線、雪線等對氣候變化特別敏感,能夠比周圍低地較早地反映氣候變化,是氣候變化的早期預警系統(tǒng)[5~8]。國際上已經進行過全球主要山地雪線和森林帶界線的對比,以及南北半球森林帶界線的變化及其控制因素的研究。國內學者基于中國大陸廣袤的地域范圍和豐富的植被帶類型,對山地植被垂直帶空間分布進行了大量研究,中國垂直帶定量研究開始于垂直帶界線的區(qū)域模型,包括指數(shù)模型[11~13]、正態(tài)頻率分布曲線模型、多級正弦函數(shù)模式、高寒草甸“層帶”模式、二次拋物線模型等。最近,有研究通過構建青藏高原部分山體的經度、緯度、山體基面高度對雪線的影響,充分認識到基面高度對雪線的重要影響。山地森林帶界線具有重要的地學和生態(tài)學研究意義,包括上線和下線,上線也稱之為林線。已有大量研究關注林線內部植被格局變化、林線海拔高度波動、林線構成樹種變化等方面,同時也分析了林線對近代氣候變化的響應以及主要控制因子[14,20,21,22,23,24]。國內外研究中主要的林線平衡理論包括熱量(溫度)控制、環(huán)境脅迫、干擾、繁殖更新障礙、碳平衡失調等。山地森林帶界線受氣候變化影響敏感,除了受垂直地帶性規(guī)律影響外,還受到水平地帶性的影響。因此,定量刻畫基面高度、山體高度和水平地帶性特征對山地森林帶界線的影響,可以為在區(qū)域、乃至全球尺度的山地森林帶評價和預測模擬提供重要的輸入?yún)?shù)和基礎背景信息。本文通過分析中國31個自然帶的水分和熱量差異,構建地帶性氣候指數(shù),并定量評價地帶性氣候指數(shù)、山體基面高度和山體相對高度對山地森林帶上下線的影響,以及它們的相對貢獻率和坡向差異。1材料和方法1.1自然帶數(shù)據(jù)分布及氣候指標山地森林帶數(shù)據(jù)主要從已發(fā)表的文獻中進行收集,其中部分文獻介紹了山地森林帶的坡向差異,從中共篩選了28個山體南北坡森林帶上下線數(shù)據(jù)[26~43],這些森林帶數(shù)據(jù)分布于15個自然帶(圖1、表1)。氣候資料來自于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)的近40a(1960~2000年)的年均氣候數(shù)據(jù)(1km分辨率),具體的氣候指標包括年總輻射總量(MJ/m2)、年日照時數(shù)(h)、年平均氣溫(℃)、1月最低/高溫(℃)、7月最低/高溫(℃)、日平均氣溫、≥0℃和≥10℃積溫(℃)、年降水量(mm)、生物溫度(℃)、溫暖指數(shù)(℃·月)、干燥度。山體的基面高度和相對高度來自于文獻中的描述。1.2山地森林帶氣候指數(shù)pca1)地帶性氣候指數(shù)構建方法。盡管不同山地的局地小氣候對山地森林帶的影響比較明顯,有著直接的作用,但決定山地森林帶宏觀格局的主要還是區(qū)域尺度的水熱差異。因此,針對每個自然地帶構建一個概化的地帶性氣候指數(shù),用于表征該地帶的宏觀氣候特征,可以用于評價和預測該區(qū)域內山地垂直帶的總體分布特征。構建地帶性氣候指數(shù),需要從現(xiàn)有收集的氣候指標中提取最大的信息,因此,將所有的氣候指標按照中國31個自然地帶的邊界進行統(tǒng)計,得到各個自然地帶的不同氣候指標。而由于所收集的氣候指標具有很大的相關性,因此首先利用主成分分析(PCA),提取最主要的影響因子。2)山地森林帶界線影響因子識別方法。山地森林帶界線特征包括3個指標:山地森林帶上線南北差異、山地森林帶下線南北差異、山地森林帶寬度南北差異。基于線性多元回歸模型,利用山體基面高度、山體相對高度、地帶性氣候指數(shù)3個因子,分析它們對山地森林帶界線特征的貢獻率差異。2結果與討論2.1山地森林帶植物的空間分布特性1)地帶性氣候指數(shù)的含義。通過主成分分析可以看出(表2),前3個主成分的綜合貢獻已經超過了總變異的95%,所以可以選擇這3個主成分代表地帶性氣候指數(shù)。PC1主要是1月最高和最低溫度,可以定義為“冬季溫度變異指數(shù)”(WT-VI);PC2主要是7月最高和最低溫度,可以代表“夏季溫度變異指數(shù)”(STVI);PC3主要是干燥度和年均降水,可以定義為“干旱指數(shù)”(DI)。2)地帶性指數(shù)的空間格局。將31個自然地帶的地帶性氣候指數(shù)進行空間賦值,可以看出3個指數(shù)具有明顯的空間異質性規(guī)律(圖2)。WTVI基本符合從南向北的空間遞減(圖2a),最大值位于中國最南端的“熱帶季雨林-磚紅壤地帶(東部)”,最小值位于最北端的“明亮針葉林-泰加林棕色土地帶”。STVI以東部地區(qū)和南疆部分地區(qū)最高(圖2b),最大值位于華南地區(qū)的“常綠闊葉林-紅壤與黃壤地帶”和塔里木盆地的“荒漠-棕色荒漠土地帶”,最小值位于“藏南山地灌叢草原地帶”。DI則從東南向西北遞增(圖2c),最大值位于塔里木盆地的“荒漠-棕色荒漠土地帶”,最小值位于華南地區(qū)的“常綠闊葉林-紅壤與黃壤地帶”。山地森林帶上下線在中國西南、中部地區(qū)比較高,而在中國東南、東北地區(qū)相對較低,這一方面由于基面高度、山體高度的影響,另外一方面也受制于區(qū)域水熱組合特征。通過分析山地森林帶界線與3個氣候指標的相關性(表3),可以看出WT-VI越大,山地森林帶上下線的南北差異越大,說明WTVI與森林帶上下線具有正相關關系;STVI和DI與森林帶上線南北差異具有負相關,與森林帶下線南北差異具有正相關,這也說明了STVI和DI對山地森林帶界線的影響是一致的;而3個指數(shù)對山地森林帶南北坡寬度差異具有負相關關系。由于地形和氣候因子對山地森林帶界線的影響不同,不同組合特征導致森林帶界線差異明顯,因此本文結合多元回歸統(tǒng)計方法,對地形和氣候因子與山地森林帶界線的關系進行辨識,并對其貢獻率進行定量識別。2.2坡面土壤條件對山地森林帶南北坡差異的影響根據(jù)28個山地森林帶的地帶性氣候指數(shù)、山體基面高度、山體相對高度構建多元線性回歸模型,并分析不同因子對山地森林帶界線的影響(表4)。山體基面高度與山地森林帶界線南北坡差異呈正相關關系,基面高度對山地森林帶下線南北差異的貢獻最大,達到39.67%,而對上線南北差異的貢獻最小,僅為4.74%;相反地,山體相對高度與山地森林帶界線南北坡差異呈負相關關系,山體相對高度對山地森林帶上線南北差異的貢獻最大,達到39.34%,而對下線南北差異的貢獻最小,僅為8.89%,這反映了山體南北坡林線高度越接近,較低的山體由于林線缺失等造成南北坡林線高度具有較大差異。3個地帶性氣候指數(shù)對山地森林帶上下線南北差異、森林帶南北寬度差異的累積貢獻相差不大,介于51%~56%之間。具體地,WTVI、STVI和DI對上線南北差異的貢獻為21.06%、24.64%和10.22%,對下線南北差異的貢獻為16.49%、31.41%和3.54%,對林帶寬度南北差異的貢獻為7.21%、40.77%和7.71%?？梢?STVI是最重要的因素,其次是WTVI,最后是DI。22.3對臨床結果的分析主要運用在山體效應和林線山體效應對山地森林帶界線的形成和維持有影響,很多較低的山區(qū),出現(xiàn)的林線比氣候林線低。本研究表明山體效應中的“基面效應”和“山頂效應”對山地森林帶界線的影響是有差異的,基面高度對山地森林帶下線的貢獻率在39.67%,而對上線的貢獻率僅為4.74%;相反地,山體相對高度對山地森林帶上線的貢獻率達到39.34%,而對下線的貢獻率為8.89%。此外,“坡向效應”也是山體效應中不可或缺的重要內容,但是考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性,本研究僅選擇山地森林帶上下線作為代表,分析地形和氣候對山地森林帶南北坡界線差異的影響。除了變異最明顯的南北坡外,山地植被帶界線的東西坡差異也是值得關注的地學規(guī)律,在以后的研究中,應該加以關注,這對于研究山體效應和林線模型至關重要。國內外已經對山地森林帶上線(林線)從分布規(guī)律到形成機理等進行了大量研究。但是對于山地森林帶下線的研究相對較少。困難主要在于,在干旱區(qū)半干旱地區(qū)確實存在明顯的森林下線,但在一些濕潤地區(qū),實際上不存在明顯的森林帶下線,文獻中的數(shù)據(jù)有時候也不統(tǒng)一,多是指冷杉林等,這也使分析山地森林帶下線分布規(guī)律及原因造成了一定的誤差。盡管山地植被帶的其它界線也具有重要的地學和生態(tài)學意義,如草原帶、高山草甸帶等,但是進行相關研究時也會遇到類似的困難,因此數(shù)據(jù)的收集和篩選在以后的研究中顯得尤為關鍵和重要。3山地森林帶界線1)利用山體基面高度、山體相對高度和氣候因子對山地森林帶界線變異進行的分析,可以看出,地帶性氣候指數(shù)對于山地森林帶界線的南北坡差異影響明顯,貢獻率在50%以上,其中STVI的貢獻率最高,其次是WTVI和DI。山體基面高度和山體相對高度對山地森林帶界線的影響是不一樣的,山體基面高度對于森林帶下線的南北差異和森林