蒙古高原植被返青期变化及其驱动机制研究

The Start of vegetation growing season is a key parameter in the study of global change impacts on terrestrial ecosystems and interaction mechanisms between them. Due to the global warming, the start of vegetation growing season in the mid and high latitude of northern hemisphere experienced a significant advancement during the last 20 years of last century. However, with the extension of recent observation period, the start of vegetation growing season and its driving mechanism in regional scale triggered strong controversies and divergence, and became one of the hardcore of the global change studies. The Mongolian Plateau belongs to typical arid and semiarid ecosystems, and has a profound influence in the ecological environment of China and even total Northeast Asia. This research will examine the spatial and temporal variations of the start of vegetation growing season in the Mongolian Plateau during 1982-2019 by integrating ecosystem modeling, observation data, climate data and previous study results, and further reveal the key climatic factors and driving mechanisms of the start of vegetation growing season changes in the arid and semiarid environment for the deeply understanding of start of vegetation growing season changes under the different human activities and climate change in the mid and high latitude regions. The study results would be very important to verify vegetation dynamics and driving factors in the Northern mid- and high latitude, and provide the status of ecological environment and risk prevention in border area of China and neighbouring country.

植被返青期是开展全球变化对陆地生态系统影响和反馈机理研究的重要参数。由于全球变暖，在上世纪最后20年北半球中高纬度大多地区的植被返青期经历了显著提前趋势。但随着近年研究时段的逐渐延长，区域尺度植被返青期及其驱动机制引发很多争议和分歧，成为当前全球变化研究的热点。蒙古高原属典型的干旱半干旱区，其生态环境对我国乃至整个东北亚生态安全都产生深远影响。本申请项目将通过模型模拟、观测数据、气候数据和已有研究成果的集成分析，识别蒙古高原1982-2019年返青期时空动态，揭示在干旱半干旱地区影响植被返青期变化的关键气候因子及驱动机制，在区域尺度上深入探明中高纬度不同气候驱动下的返青期动态。研究结果将为验证中高纬度植被动态及其驱动机制，掌握我国边疆和邻国地区生态环境变化趋势和风险防范等具有重要意义。

植被春季返青期是对气候变化最敏感的生态指数因子之一，对植被年内生长过程产生重要影响，是全球变化对陆地生态系统影响和反馈机理研究的重要参数。蒙古高原（主体包括我国内蒙古自治区与蒙古国）位于欧亚大陆腹地，属于典型的温带干旱半干旱生态系统，对气候变化极为脆弱和敏感。本项目在利用1982-2021年的GIMMS NDVI和MODIS NDVI数据构建蒙古高原15天时间分辨率的NDVI数据集的基础上，综合利用多模型识别蒙古高原植被春季返青期、夏季峰值期和秋季枯黄期等物候参数，研究返青期过去40年间的变化规律及其对气候变化的响应过程，并分析了返青期对枯黄期和植被净初级生产力的影响。结果包括，（1）构建的extended GIMMS NDVI和GIMMS NDVI之间具有很好的一致性，除研究区西南部荒漠草原和戈壁荒漠稀疏植被区外的大多区域相关系数都高于0.92；（2）收集和整理了1982-2021年蒙古高原气温和降水量等逐月数据（栅格数据和矢量数据）；（3）识别和构建了蒙古高原1982-2021年间植被返青期和峰值期时空栅格数据集；（4）过去40年来，蒙古高原植被返青期呈提前趋势的面积（59.1%）大于呈推迟趋势的面积（40.9%）。分段线性趋势分析表明，返青期变化趋势的转折点主要发生在2000年以后，呈先提前后推迟的变化趋势；（5）从三大生态分区上来看，森林生态区40年来以持续提前为主，而草原生态区和荒漠生态区返青期2000年以后发生转折，由提前变为推迟；（6）从返青期对气候的响应特征看，蒙古高原西北高山地区和东北地区的植被返青期与季前气温之间主要以负相关为主，而在研究区中部和西南部地区的返青期与温度之间呈正相关。返青期与降水量之间的相关性整体上与返青期与温度相关性的空间格局相反；（7）返青期与枯黄期之间主要呈正相关，表明植被尤其草地植被年生长过程的高度关联性；（8）与前人研究结果不同的是，蒙古高原植被返青期的提前对植被生产力的影响不显著，而枯黄期推迟及其导致的生长季延长和夏季干旱的影响更加明显；（9）和返青期和枯黄期密切相关的生长度日（GDD）和冷却度日（CDD）变化呈相反，即GDD值小的地区的CDD要大。研究结果对准确评估干旱半干旱区植被生长过程和阐明草地生态系统碳水循环研究提供科学依据。