关键词:
卫星微波比辐射率差分植被指数(EDVI)
NDVI
反照率
生态系统光能利用率
涡度协方差
植被含水量
云
环境和生物物理因素
森林
摘要:
植被在地球气候系统水循环和碳循环中发挥着重要作用。植被能通过改变地表反照率影响地球表面的能量平衡。植被含水量(VWC)可引起地表反照率和地表发射率的变化,从而影响地表辐射平衡以及光合作用和蒸腾作用过程。植物通过光合作用和蒸腾作用过程与大气相互作用,并调节云的形成、降雨和气候。然而,我们对VWC如何影响森林生态系统的反照率变化和生态系统光利用效率(LUE)的理解还很有限。这主要由于缺乏在空间和时间尺度上对冠层VWC的有效观测。卫星遥感能在不同时空尺度上观测植物冠层VWC的重要信息。光学遥感的空间分辨率相对较高,但在浓密植被上往往会饱和,而且还会受到云层的污染。然而,微波遥感比光学遥感在云天更有优势,因为它可以在全天候条件下工作,并且能穿透云和植被冠层,但其空间分辨率相对较粗。微波比辐射率差分植被指数(EDVI)可以反映森林植被的VWC,已在中纬度森林和亚马逊雨林的碳水循环研究中进行了应用。然而,在森林生态系统反照率研究中,VWC对反照率变化的影响研究尚未得到应用。此外,VWC对云变化下生态系统LUE的影响也尚未研究。针对这些空白,本论文的主要研究了中国西双版纳常绿阔叶林(BNS)和长白山温带混交林(CBS)两种森林类型的VWC、反照率和生态系统LUE的时空特征,分析了 VWC对反照率变化的影响,并研究了不同云天条件下VWC对生态系统LUE的影响。BNS和CBS森林在气候、海拔和主要植被类型方面具有独特的特点。具体而言,BNS位于云南省,地处低山和丘陵环绕的小盆地中,溪流众多。BNS受热带季风气候控制。CBS位于中国吉林省长白山区。CBS属于受季风影响的温带大陆性气候,具有显著的中纬度山地气候特征,春季干燥多风,夏季炎热,冬季多雨寒冷。
卫星遥感可获取植被绿度、土地利用土地覆被和冠层尺度VWC的宝贵信息。我们利用卫星微波植被指数EDVI来表示冠层尺度的VWC,MODIS NDVI来表示植被绿度,MODIS 土地覆被来绘制研究区域的植被类型。我们利用原位站点测量计算森林冠层反照率、生态系统LUE和其他环境变量,采用时间序列分析理解两个森林的反照率和LUE与影响变量之间的联系,采用了Lindeman-Merenda-Gold(LMG)方法来量化影响变量对反照率变化的相对重要性。此外,我们还采用路径分析方法计算了影响变量对生态系统LUE的相对重要性。
主要研究结果和结论如下:
1.我们研究了两个森林植被含水量、反照率和光利用效率的一般时空特征。在两种森林类型中,EDVI、反照率、光利用效率以及影响因子在日、月、季和年尺度上都有变化。在季节尺度上,两种森林的反照率和光利用效率从生长初期开始增加,在夏季达到峰值,然后下降。月变化表明,BNS和CBS森林的反照率分别在7月和6月达到峰值。两个森林的LUE在7月份达到峰值。BNS森林的EDVI从生长季初期开始增加,并在夏季和秋季保持峰值,而CBS森林的EDVI从生长季初期开始发展,在夏季达到峰值,并在秋季急剧下降。在5月至10月期间,BNS的反照率和EDVI多年平均值相对高于CBS。与CBS森林相比,BNS森林的LUE较高。其他环境和生物物理影响因素在研究期间也有明显变化。因此,了解反照率和LUE的时空动态及其控制因素对于更好地理解研究期间不同森林生态系统反照率和LUIE的变化机制非常重要。
2.我们调查了 VWC与反照率之间的关系,并研究了影响变量变化对反照率的影响。结果表明,VWC在很大程度上影响了两个森林的反照率变化。在BNS森林中,我们观察到反照率与EDVI、NDVI和土壤含水量(VSWC)呈负相关;而在CBS森林中,在生长季节(5月至10月),反照率与EDVI和NDVI呈正相关,与VSWC呈负相关。在高VWC和低VWC状态下,反照率随NDVI和VSWC的增加而降低,在高VWC状态下,BNS森林的反照率变化规律较低。在高VWC和低VWC状态下,反照率与NDVI和VSWC呈负相关。在BNS森林的高VWC状态下,反照率较低。然而,在CBS森林,反照率随着生长季节VWC的增加而持续增加。相关分析表明,反照率与NDVI呈正相关,表明反照率主要由植被绿度驱动。此外,在BNS森林的高VWC状态下,NDVI是反照率变化的主要驱动力。然而,在低VWC状态下,VSWC被认为是最重要的驱动因素。在CBS森林,NDVI被认为是生长季高和低VWC状态下的主要驱动因素。总之,研究结果表明,EDVI可用于研究VWC对森林生态系统反照率变化的影响。然而,还需要在不同地区、季节和气候条件下开展更多研究,以充分了解陆地-大气相互作用的机制。
3.我们研究了 BNS和CBS森林在云变化下VWC对生态系统光利用效率的影响。在多云天气下,VWC、Ta和VPD的减少以及散射辐射(PARdif)的增加导致两种森林的光利用