新疆干旱区荒漠灌丛物候时空变化与预测研究

The change of vegetation phenology in desert area has directly impact on carbon storage and exchange of arid eco-system, lead to ecosystem structure and function variation, and is becoming a severe challenge to ecological security of the region. For the phenology of desert vegetation, most researches have focused on the spatial-temporal variation of woody and herbaceous vegetation phenology based on in-situ observation and remote sensing data, the researches of phenology model and prediction which are on the basis of mechanism are almost absent. This project takes arid desert shrub as research object, and selects desert of Xinjiang as a typical study area, obtains high accurate phenology information by coupling the phenocam and remote sensing retrieval, and analysis the spatial-temporal pattern and process of shrub phenology. Then, major climate factors which derived the phenology change of desert shrub vegetation will be identified, and a generalizable phenology model of arid desert shrub will be developed. In addition, the verified model will be applied to predict shrub phenology under historical and future climate change background, by using the observed climate data and projected future climate data under IPCC AR5 emission scenarios. The study will enhance understanding on the response mechanism of vegetation phenology on climate change in arid region.

荒漠植被的物候改变直接影响生态系统碳储量和碳交换，导致生态系统结构与功能变化，使干旱区生态安全面临严峻挑战。然而以往基于实地观测与遥感数据的物候时空变化研究较多，缺乏基于机理的植被物候模型和模拟预测研究。本项目拟选择灌丛植被典型分布的南、北疆荒漠为研究区，利用多源遥感数据和物候相机观测资料，开展遥感反演与交叉验证，获取高精度遥感物候信息，分析新疆荒漠灌丛返青期、枯黄期和生长季长度的时空变化特征；分析潜在气候驱动要素对灌丛物候影响程度、影响时期和阈值范围，甄别触发物候改变的主控因子，从而构建具有区域适用性的荒漠灌丛物候预测模型；依据气象站历史观测资料和多个GCM在IPCC AR5排放情景下对新疆未来气候的集合预测结果，重现与预测荒漠灌丛物候演变过程，定量评估气候变化对新疆荒漠灌丛物候的影响。研究结果将加深气候变化下干旱区荒漠灌丛植被响应机理的认识，提高生态系统碳循环的模拟精度。

气候变化对干旱区荒漠植被物候产生持续影响，使区域生态安全面临严峻挑战。以往研究多集中在落叶乔木和草本物候，对荒漠灌丛物候诊断关注不足；且多基于人工观测或遥感物候资料，研究物候时空变化特征，缺乏基于机理过程的灌丛物候模拟定量研究，对于气候变化下干旱区荒漠灌丛物候的触发机制和演变规律缺乏深入认识。本项目选择南、北疆典型荒漠为研究区，选择了典型荒漠灌丛区域15个，构建了新疆荒漠灌丛物候观测30个观测站点，获取了2018至今近地面尺度的10分钟时间间隔的地面数字相片集。同时，以物候相机照片为重要数据源，联合多尺度遥感数据在地面和高空尺度的差异尺度上，开展基于相机观测的物候信息提取。通过物候信息对比，遥感反演精度分析与交叉验证，在充分发挥多种信号滤波器对原位信号的去噪性能基础上，开展了面向GIMMS、MODIS和VIIRS遥感数据的植物物候相机与遥感数据的数据一致性分析和精度检验，初步筛选了对干旱区荒漠灌丛进行遥感物候提取的优化方法选择，继而获取新疆较高精度的空间物候信息，并通过MK趋势检验等方法分析了新疆荒漠灌丛的植被物候格局与过程；此外，结合温度，降水和积雪物候等气候数据，利用空间相关分析方法探讨了多种潜在气候驱动因子与灌丛物候的相关性，筛选并确定荒漠灌丛物候变化的主控因子；最后结合已有的各类物候模型框架，利用GLC30时间序列土地利用覆被数据，提取20年来未发生变化的荒漠灌丛样本点数据，尝试构建荒漠灌丛物候的开始期模型；最后依据气象站历史观测资料和基于GCM的未来气候变化情景，模拟了新疆荒漠灌丛物候过程。项目经过4年的实施，基本完成了计划任务数的内容，撰写了论文5篇，其中2篇已发表，1篇已接收，2篇审稿中。另有软件著作权1项已经获得授权。