范 德 芹，趙 學(xué) 勝*，鄭 周 濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875)

內(nèi)蒙古羊草草原物候及其對氣候變化的響應(yīng)

范 德 芹1，趙 學(xué) 勝1*，鄭 周 濤2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875)

為了有效分析內(nèi)蒙古羊草草原的物候及其對氣候變化的響應(yīng)，基于NOAA歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)時序數(shù)據(jù)，利用S-G濾波擬合方法對原始NDVI時序數(shù)據(jù)進行了重建，然后采用滑動平均法對重建后的NDVI數(shù)據(jù)進行了物候期識別，利用地面物候觀測數(shù)據(jù)對識別結(jié)果的驗證結(jié)果表明，“S-G濾波+滑動平均法”識別的物候期與地面物候觀測結(jié)果具有較好的一致性。在此基礎(chǔ)上，獲取了各氣象站點的物候期及其生長季長度，結(jié)合氣候數(shù)據(jù)進行物候期和生長季長度對氣候變化的響應(yīng)分析顯示，返青期呈提前趨勢，主要與當(dāng)年春季溫度升高和前一年10月到當(dāng)年4月的累積降水量增加相關(guān)；黃枯期呈提前趨勢，主要與當(dāng)年8月份溫度升高相關(guān)；生長季長度呈延長趨勢，主要是由返青期提前的幅度較黃枯期提前幅度更大所致。

羊草；草原；NDVI；物候；遙感；氣候

0 引言

內(nèi)蒙古草原植被是中國北方溫帶草原的主體，具有極其典型的代表性[1]，羊草(Leymuschinensis)是其主要植被類型之一[2]，對氣候變化的響應(yīng)敏感。因此，研究羊草草原物候及其對氣候變化的響應(yīng)，不僅有助于增進內(nèi)蒙古草原植被對氣候變化響應(yīng)的理解，還有助于研究全球植被生產(chǎn)力[3]、群落組成及結(jié)構(gòu)、土壤-植被-大氣系統(tǒng)水熱碳交換的變化[4,5]，對提高氣候-植被之間物質(zhì)與能量交換的模擬精度、準(zhǔn)確評估植被生產(chǎn)力與全球碳收支具有重要意義[6,7]。

目前，關(guān)于內(nèi)蒙古草原植被物候及其對氣候變化響應(yīng)的監(jiān)測，主要采用地面觀測和遙感監(jiān)測兩大類方法。地面觀測方法主要是根據(jù)內(nèi)蒙古各地區(qū)多年的農(nóng)氣觀測站資料和氣候數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析內(nèi)蒙古典型草原植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)[8-11]。相關(guān)研究表明，近30年來內(nèi)蒙古典型草原的物候期呈提前趨勢[8]，其返青期的提前與春季氣溫升高呈正相關(guān)，與日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與降水的相關(guān)性因地域而異；黃枯期提前與前1～2個月溫度呈負(fù)相關(guān)，與日照時數(shù)呈正相關(guān)[10,12]。地面觀測法主要是通過人工觀測記錄植物的物候期[13]，在物種水平上進行物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)研究[14]，很難從群落甚至生態(tài)系統(tǒng)角度反映植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)。

遙感監(jiān)測方法主要是將基于遙感植被指數(shù)時序數(shù)據(jù)(如NDVI、EVI等)識別出的物候期與氣候數(shù)據(jù)結(jié)合，分析氣候變化對物候的影響規(guī)律及影響程度[15,16]。遙感識別植被的物候期主要包含植被指數(shù)數(shù)據(jù)擬合和物候期求取。目前植被指數(shù)擬合方法主要有多項式擬合法、非對稱高斯法、分段邏輯斯蒂擬合法、Savitzky-Golay(S-G)濾波法等，物候期求取方法有閾值法、滑動平均法、曲率法、求導(dǎo)法等[17],應(yīng)根據(jù)植被所在區(qū)域、植被類型等選取合適的方法來識別植被的物候期[18]以及進行其與氣候變化的相關(guān)性分析。例如，Piao等[19]利用1982-1999年NOAA/AVHRR NDVI數(shù)據(jù)，采用多項式擬合法對NDVI時序數(shù)據(jù)進行擬合，然后利用最大斜率閾值法識別中國溫帶植被的物候期，發(fā)現(xiàn)3-5月氣溫的升高導(dǎo)致返青期提前，8月中旬至10月氣溫的升高導(dǎo)致生長季結(jié)束日期延后；王植等[20]基于1982-2003年NOAA NDVI數(shù)據(jù)，采用Logistic函數(shù)擬合方法和曲率法研究了中國東部南北樣帶植被生長季起止日期，發(fā)現(xiàn)溫帶草原生長季起始和結(jié)束日期均呈提前趨勢，生長季起始日期與前一年冬季和當(dāng)年春季溫度相關(guān)性較大，生長季結(jié)束日期與秋季降水相關(guān)；昝國盛等[21]利用1982-2006年NOAA/AVHRR NDVI數(shù)據(jù)，采用諧函數(shù)法和閾值法識別了呼倫貝爾草原植被的物候期，發(fā)現(xiàn)草原的生長季明顯延長，受春季溫度升高影響，返青期呈提前趨勢。遙感技術(shù)可以在群落或生態(tài)系統(tǒng)水平上監(jiān)測植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)[22-24]。

目前，關(guān)于內(nèi)蒙古羊草草原物候及其對氣候變化的響應(yīng)研究大多數(shù)是基于地面觀測的物候數(shù)據(jù)進行的，少數(shù)基于遙感監(jiān)測的研究，尚缺乏地面觀測的驗證，這使得遙感識別的物候期在數(shù)值和時空變化趨勢上的可靠性不強，從而影響植被物候變化趨勢的有效判斷和植被物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)機理研究的深入開展。因此，本文基于地面觀測的物候數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測NOAA NDVI數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合中國植被類型圖[2]，選取覆蓋內(nèi)蒙古羊草草原的實驗點，建立了經(jīng)過農(nóng)氣站點觀測結(jié)果驗證的物候期識別方法(NDVI曲線S-G濾波重建、滑動平均法求取物候期)，獲得了1982-2013年內(nèi)蒙古羊草草原的物候期，并結(jié)合各氣象站點及其對應(yīng)年份的溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了大范圍物候與主要氣象因子變化之間的作用關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)來源

(1)地面物候數(shù)據(jù)。采用國家氣象局氣候中心提供的內(nèi)蒙古地區(qū)各農(nóng)氣站觀測的物候數(shù)據(jù)，選取了額爾古納市(50°15′N，120°11′E)、鄂溫克自治旗(49°09′N，119°45′E)、巴雅爾圖胡碩(45°04′N，120°20′E)和鑲黃旗(42°14′N，113°50′E)4個站點30年(1982-2011年)共113個樣本點(排除缺失值)的羊草返青期和黃枯期作為地面驗證數(shù)據(jù)。

(2)遙感數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)來源于NOAA NDVI 3g數(shù)據(jù)(http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v0/)，其空間分辨率為8 km，時段為1982-2013年。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品為15 d最大值合成，每年含有24個數(shù)值，32年的NDVI時序數(shù)據(jù)共含有768個數(shù)值。本實驗點是基于1∶100萬中國植被類型圖[2]選取的覆蓋內(nèi)蒙古羊草草原且與農(nóng)氣站和氣象站點鄰近的像元。

(3)氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)，從其地面資料的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集中選取了覆蓋內(nèi)蒙古羊草草原(或在農(nóng)氣站附近)15個氣象站點的日均溫數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時段為1981-2013年(共33年)。

2 研究方法

2.1 技術(shù)路線

首先根據(jù)中國植被類型圖[2]中羊草草原的分布情況，選取內(nèi)蒙古羊草草原的實驗點，從NOAA NDVI影像中提取各實驗點的1982-2013年NDVI時序數(shù)據(jù)；然后采用S-G濾波擬合法對每年NDVI時序數(shù)據(jù)進行擬合，將得到的NDVI時序曲線采用滑動平均法求取羊草草原的物候期(主要是返青期和黃枯期)；最后利用地面物候觀測數(shù)據(jù)對求取的返青期和黃枯期進行驗證，以確定物候期識別方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合日均溫數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)，進行遙感識別的物候期對氣候變化的響應(yīng)分析。

2.2 NDVI曲線擬合去噪聲方法

Savitzky-Golay濾波法[25]是一種基于最小二乘原理的局域低階多項式擬合的數(shù)據(jù)平滑濾波方法，可在盡量保持原始信號規(guī)律的基礎(chǔ)上有效提高信噪比。其表達式為：

(1)

式中:yj、Yj分別表示第j個原始NDVI值和濾波后的NDVI值;Ci為局域內(nèi)第i個樣本點的卷積系數(shù);m為窗口寬度;共計m+1個原始樣本點參與第j個樣本點的低階(

2.3 物候期求取方法

滑動平均法[26,27]是利用原始植被指數(shù)曲線與其滑動平均曲線的交叉點判斷植被物候期。

Yt=(Xt+Xt-1+Xt-2+…+Xt-(w-1))/w

(2)

式中:Yt表示在t時刻的滑動平均值;Xt表示t時刻平滑后的NDVI值;w表示滑動平均的時間間隔(窗口寬度)。本文對比分析了180～290之間，間隔為10個DOY(Day Of Year)的12個窗口寬度，通過比較返青期、枯黃期識別結(jié)果的穩(wěn)定性、遙感識別結(jié)果與地面觀測結(jié)果的一致性，確定返青期和枯黃期識別的最佳窗口寬度分別為280和190。

3 實驗結(jié)果及對比分析

3.1 物候期識別結(jié)果與驗證

圖1和圖2給出了4個氣象站30年(1982-2011年)遙感識別的返青期和黃枯期與地面物候觀測值的相關(guān)性分析結(jié)果?？梢钥闯?，基于S-G濾波擬合后采用滑動平均法識別返青期和黃枯期與地面觀測結(jié)果呈現(xiàn)出較顯著的正相關(guān)性，表明這種識別方法獲得的返青期和黃枯期變化趨勢與地面觀測結(jié)果一致，識別的返青期和黃枯期與地面觀測值之間的相關(guān)性均較高(相關(guān)系數(shù)(r)在0.43～0.63之間，顯著性水平(P)在0.005～0.05之間)。同時，識別的返青期和黃枯期與地面觀測結(jié)果在數(shù)值上差別主要集中在10～30 d，這可能是因為地面觀測的物候期是從植物個體尺度觀測的，而遙感監(jiān)測的物候期是在群落甚至生態(tài)系統(tǒng)尺度監(jiān)測的，監(jiān)測方法的不同可能導(dǎo)致遙感監(jiān)測結(jié)果較地面觀測結(jié)果有所滯后。

物候期識別方法的地面驗證結(jié)果表明，遙感物候期識別結(jié)果與農(nóng)氣站觀測結(jié)果在物候變化趨勢上較一致。因此，本文采用S-G濾波擬合重建及滑動平均法識別羊草草原的返青期和黃枯期。

圖1 各氣象站遙感識別的返青期與地面觀測值的散點圖

圖2 各氣象站遙感識別的黃枯期與地面觀測值的散點圖

3.2 羊草草原物候及其生長季變化

在15個氣象站點附近選取1982-2013年NDVI數(shù)據(jù)，基于S-G濾波擬合方法重建NDVI曲線后，采用滑動平均法識別羊草草原的返青期和黃枯期。為分析相同年份各氣象站點物候期識別結(jié)果的統(tǒng)計分布情況，圖3-圖5給出了每年各站點物候期的四分位圖分析結(jié)果，為分析物候期隨年份的變化規(guī)律，對各站點遙感識別的物候期隨年份變化做了線性擬合分析，在圖3-圖5中增加了物候期隨年份變化的趨勢線及其顯著性評估結(jié)果。從圖3可以看出，1982-2013年各站點返青期主要集中在每年的第110-130天左右，同時發(fā)現(xiàn)近32年的返青期呈現(xiàn)出較顯著的提前趨勢，平均提前了2.2 d/10 a。從圖4可以看出，1982-2013年各站點黃枯期主要集中在每年的第255-275天左右，近32年的黃枯期變化趨勢不明顯。從圖5可以看出，1982-2013年各站點生長季長度主要為135～155 d左右，呈不顯著的延長趨勢，延長了1.4 d/10 a，這主要是由返青期提前導(dǎo)致的。

通過上述分析可知，同一年內(nèi)，不同氣象站點的返青期、枯黃期、生長季長度均存在一定的差異，這與不同站點附近的遙感實驗點所處的地理環(huán)境及氣候條件有關(guān)，對于干旱、半干旱地區(qū)的草原植被而言，溫度、降水空間分布的差異可能是造成不同遙感實驗點物候期差異的重要原因。比較物候期的年際變化規(guī)律可知，1982-2013年返青期的提前趨勢較為顯著，黃枯期的變化趨勢相對不明顯，這表明返青期對氣候變化響應(yīng)可能更為敏感，因此研究返青期與主要氣候因子的關(guān)系及其氣候響應(yīng)機制，對于開展大面積物候變化預(yù)測、認(rèn)識氣候變化對植被物候的影響等均具有重要參考價值。

圖3 各站點1982-2013年返青期變化趨勢

圖4 各站點1982-2013年黃枯期變化趨勢

圖5 各站點1982-2013年生長季長度變化趨勢

3.3 羊草草原物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)分析

表1給出了1982-2013年內(nèi)蒙古15個氣象站點附近羊草草原的返青期、枯黃期、生長季長度變化量及其與溫度、降水的相關(guān)性分析結(jié)果。

1982-2013年大部分站點返青期提前7～10 d，少部分站點返青期提前1～4 d。返青期與春季溫度、冬春累積降水有明顯的相關(guān)性。返青期與春季氣溫，尤其是與當(dāng)年4月、5月上旬平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與春季平均氣溫的相關(guān)系數(shù)多在-0.6～-0.2之間，與4月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)多在-0.4～-0.1之間，與5月上旬平均氣溫的相關(guān)系數(shù)多在-0.7～-0.2之間。這種相關(guān)性的內(nèi)在生長機制可能在于：羊草返青前需經(jīng)歷一定程度的抗寒鍛煉及溫度驅(qū)動作用，內(nèi)蒙古冬春溫度普遍較低，充足的抗寒鍛煉可以自然滿足，因而溫度驅(qū)動作用的強弱(即返青前春季氣溫的高低)便成為影響返青日期的重要氣象因素。降水對羊草草原的驅(qū)動效果也十分明顯，大部分站點返青期與前一年10月至當(dāng)年4月的累積降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)多在-0.5～-0.2之間。這種相關(guān)作用的內(nèi)在生長機制可能在于：在干旱/半干旱地區(qū)種子發(fā)育的休眠期[28]，土壤墑情會對發(fā)育速度造成一定影響，在溫度滿足一定條件的前提下，充足的降水會對植被返青起到促進作用。

1982-2013年羊草草原的黃枯期也呈提前趨勢，但比返青期的提前幅度小，僅提前了0～4 d。黃枯期的變化主要與當(dāng)年8月的平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在-0.5～-0.1之間，即黃枯前的氣溫越高，黃枯期越提前。

1982-2013年羊草草原的生長季長度整體呈延長趨勢，大部分站點延長了3～9 d。生長季長度的變化是返青和黃枯兩種發(fā)育過程綜合作用的結(jié)果，但主要是由返青期提前引起的，因為返青期比黃枯期提前的趨勢更加明顯。因此，生長季長度變化的主要影響因素與春季物候的影響因素相近，春季溫度及冬春累積降水作用較大，秋季溫度也有一定影響。

表1 1982-2013年內(nèi)蒙古羊草草原物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

4 結(jié)論與討論

本文基于NOAA NDVI數(shù)據(jù)和內(nèi)蒙古部分氣象站點的羊草物候期地面觀測數(shù)據(jù)，在對原始植被指數(shù)進行去噪預(yù)處理[29]的基礎(chǔ)上，利用S-G濾波法進行了NDVI植被指數(shù)曲線的重建；采用滑動平均法進行了返青期和黃枯期的求取，并結(jié)合地面物候觀測結(jié)果進行了驗證，發(fā)現(xiàn)此法識別的物候期與地面觀測結(jié)果具有較好的一致性。然后，圍繞內(nèi)蒙古羊草草原的15個氣象站點進行了遙感選點及物候期求取，并結(jié)合氣候數(shù)據(jù)對返青期、黃枯期和生長季長度的變化趨勢進行了分析，研究了物候期與氣候變化的相關(guān)性。結(jié)果表明：1982-2013年內(nèi)蒙古羊草草原的返青期和黃枯期均呈提前趨勢，但返青期較黃枯期提前趨勢更加明顯，從而使生長季長度呈延長趨勢。返青期的提前與春季氣溫升高有關(guān)，尤其與當(dāng)年4月和5月上旬氣溫的負(fù)相關(guān)作用明顯，與前一年10月至當(dāng)年4月累積降水量增加也有顯著的負(fù)相關(guān)性；黃枯期的延后主要與當(dāng)年8月氣溫的升高有關(guān)，與降水的相關(guān)性不大。

對于干旱/半干旱地區(qū)的草原植被而言，為更好地研究氣候?qū)ξ锖蜃兓挠绊?，今后有必要考慮溫度和降水兩種主要氣象因素的聯(lián)合影響，同時考慮光照、土壤含水量等的綜合影響，最好是結(jié)合植物物候模型、地面物候觀測和遙感監(jiān)測，從機理層面深入分析植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)。

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[28] CESARACCIO C,SPANO D,SNYDER R L,et al.Chilling and forcing model to predict bud-burst of crop and forest species[J].Agricultural and Forest Meteorology,2004,126(1-2):1-13.

[29] 范德芹,朱文泉,潘耀忠,等.基于狄克松檢驗的NDVI時序數(shù)據(jù)噪聲檢測及其在數(shù)據(jù)重建中的應(yīng)用[J].遙感學(xué)報,2013,17(5):1158-1174.

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《地理與地理信息科學(xué)》雜志社

2016年11月15日

Phenology ofLeymusChinensisSteppe in Inner Mongolia and Its Response to Climate Changes

FAN De-qin1,ZHAO Xue-sheng1,ZHENG Zhou-tao2

(1.CollegeofGeosciencesandSurveyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083;2.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Along with the global climate change,plant phenology has also changed.In order to analyze the response of phenology forLeymuschinensissteppe in Inner Mongolia to climate effectively,we first used the Savitzky-Golay function to reconstruct the National Oceanic and Atmospheric Administration Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) time series for the selected test pixels,then used moving average methods to derive the phenology forLeymuschinensissteppe.The performance of the methods for green-up date and the end of season date identification were verified by the ground observation samples.The phenology dates identified by the moving average method using the reconstructed NDVI time series,were well consistent with the observed ground phenology data.The correlations coefficient (r) of the phenology derived from remote sensing and the ground observation were between 0.43 and 0.63,while the significant level (P) were between 0.005 and 0.05.The differences of the phenology derived from remote sensing and the ground observation were between 10 and 30 days.On this basis,we acquired phenology stages (e.g.green-up dates and end of season dates) and the length of the growing season at each weather station,and analyzed their response to climate change combing with climate data (temperature and precipitation data) from 1982 to 2013.The result showed that the mean green-up dates forLeymuschinensissteppe in Inner Mongolia were mainly occurred between DOY (Day Of Year) 110 and 130,and the green-up dates were advanced at a rate of 2.2 days per decade during 1982-2013.The mean end of season dates forLeymuschinensissteppe in Inner Mongolia were mainly occurred between DOY 255 and 275,which were slightly advanced during 1982-2013.The trend of green-up dates forLeymuschinensissteppe in Inner Mongolia advanced,which was related with the rising spring temperature and the increasing accumulated precipitation between October of the last year and April of this year.The trend of end of season dates also advanced,which was related with the rising temperature of this year,but not related with the precipitation.Therefore,the length of growing season was delayed mainly due to the advanced trend of green-up dates was more obviously than the end of season dates.

Leymuschinensis;steppe;NDVI;phenology;remote sensing;climate

2016-06-27；

2016-08-26

國家自然科學(xué)基金項目(41171306、41601456)

范德芹(1982-)，女，博士后，主要從事植被與生態(tài)遙感研究。*通訊作者E-mail: zxs@cumtb.edu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.06.014

TP79

A

1672-0504(2016)06-0081-06