鄧晨暉,白紅英,馬新萍,黃曉月,趙 婷

1 咸陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院, 咸陽(yáng) 712000 2 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 3 西北大學(xué)城市與資源環(huán)境學(xué)院, 西安 710127

氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題。氣候變化表現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異性,生態(tài)脆弱帶、生態(tài)敏感區(qū),尤其是山地及中高緯地區(qū)的地理過(guò)渡帶等區(qū)域被認(rèn)為是全球變暖信號(hào)的放大器[1- 5],山地過(guò)渡帶是響應(yīng)氣候變化的典型區(qū)域。山地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的植被被認(rèn)為是響應(yīng)氣候變化的敏感指示器,植被物候?qū)夂虿▌?dòng)非常敏感,其變化不僅可以揭示山地植被的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài),而且能夠直觀反映山地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球環(huán)境變化的響應(yīng)與適應(yīng)過(guò)程[6-9],被認(rèn)為是表征植被-氣候相互關(guān)系變化的重要指標(biāo)之一,以及生物圈對(duì)氣候變暖反應(yīng)最敏感也最明顯的指示[10-14],已成為目前全球氣候評(píng)價(jià)與自然環(huán)境變化的重要指標(biāo)[15-16]。因此,研究氣候變化背景下山地過(guò)渡帶植被物候的變化規(guī)律,探討山地過(guò)渡帶地理環(huán)境變化的規(guī)律和區(qū)域差異,對(duì)于深入了解植被—?dú)夂蜿P(guān)系及揭示山地過(guò)渡帶對(duì)氣候變化的響應(yīng)方式具有重要意義。

植物物候監(jiān)測(cè)主要通過(guò)一定的方法和手段對(duì)植物生長(zhǎng)節(jié)律變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)[17],傳統(tǒng)的地面物候觀測(cè)是從個(gè)體水平對(duì)物種進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在大尺度物候變化時(shí)空格局研究中,亦有學(xué)者采用對(duì)物候影響占主導(dǎo)地位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行提取氣候生長(zhǎng)期開(kāi)展研究[18-22]；近年來(lái),遙感技術(shù)為物候研究提供了新的手段,遙感物候則是通過(guò)衛(wèi)星在群落和生態(tài)系統(tǒng)水平上監(jiān)測(cè)地表植被指數(shù),該物候期是在像元尺度上,單個(gè)像元涵蓋很多物種,空間覆蓋廣,連續(xù)性強(qiáng),便于區(qū)域乃至全球尺度物候變化研究,成為傳統(tǒng)物候觀測(cè)方法的有效補(bǔ)充[23]。因此,遙感監(jiān)測(cè)的植被指數(shù)近年來(lái)受到眾多物候研究者的青睞[24-27],其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)被廣泛用于反演植被物候期[28-32]。然而,有學(xué)者指出NDVI存在某些缺陷,尤其是在高植被覆蓋區(qū)存在大氣噪聲、土壤背景、飽和度等問(wèn)題[33]。亦有學(xué)者發(fā)現(xiàn),在解析不同土壤背景下的植被信息時(shí)增強(qiáng)型植被指數(shù)2(EVI2)要優(yōu)于NDVI[34],EVI2不僅改進(jìn)了NDVI的缺陷,同時(shí)在高生物量地區(qū)具有更高的敏感性,與葉面積指數(shù)(LAI)線性相關(guān)度更高；且當(dāng)?shù)乇頋穸容^高時(shí),EVI2比NDVI的效果要好很多[35],能更好地反映出高植被覆蓋區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況。此外,在提取物候信息時(shí),理論上數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率越高所獲得的物候反演數(shù)據(jù)越精確。但是,高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)往往需要附加數(shù)據(jù)和降噪技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)重構(gòu),而過(guò)粗的時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)又可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些關(guān)鍵的物候變化時(shí)期[36-38]。由此來(lái)看,EVI2對(duì)于物候研究而言其時(shí)空間分辨率(250m,8d)目前相對(duì)更適合。

秦嶺山地被稱(chēng)為“中國(guó)的脊梁”,是我國(guó)重要的地理分界線與氣候分界線,秦嶺南北氣候差異明顯,植被垂直分帶明顯。秦嶺也被認(rèn)為是我國(guó)中部地區(qū)典型的生態(tài)過(guò)渡帶、生態(tài)敏感區(qū),以及重要的氣候敏感區(qū)[39-40]。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),秦嶺地區(qū)氣溫呈顯著上升趨勢(shì),自1980s以來(lái)增溫尤為顯著,且秦嶺南北增溫表現(xiàn)出北高南低的區(qū)域差異[41,14]。氣候變暖背景下,開(kāi)展秦嶺山地植被物候變化特征及其南北差異研究具有重要意義。然而,秦嶺山地地面觀測(cè)物候數(shù)據(jù)缺失,雖有學(xué)者采用遙感植被指數(shù)NDVI、EVI對(duì)秦嶺山地植物物候變化做了初步研究[42-43,33],但以植被指數(shù)EVI2開(kāi)展秦嶺植被物候變化南北差異對(duì)比研究的尚不多見(jiàn)。鑒于此,本研究基于2000—2017年MODIS EVI2數(shù)據(jù),反演了秦嶺山地的植被物候期參數(shù)并建立了其遙感物候數(shù)據(jù)集,分析了近18年來(lái)秦嶺山地植被物候的時(shí)空格局變化特征及其南北差異。試圖回答：氣候變化背景下,近18年來(lái)秦嶺山地植被物候有何變化特征？南北坡的植被物候變化表現(xiàn)出怎樣的差異性？植被物候沿南北坡的海拔梯度呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律？以及南北坡的不同植被垂直帶上植被物候變化又有何特征？研究旨在揭示氣候變化背景下秦嶺山地過(guò)渡帶對(duì)氣候變化的響應(yīng)方式,以期為秦嶺山地的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)安全評(píng)價(jià)以及應(yīng)對(duì)氣候變化策略提供科學(xué)依據(jù)和決策支持,為深入理解全球變化的事實(shí)及其對(duì)山地植被生態(tài)系統(tǒng)的影響等科學(xué)問(wèn)題提供基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況及其植被垂直帶分布

秦嶺是全球生物多樣性關(guān)鍵地帶之一,是我國(guó)最具有自然地理分界意義的山脈,亦是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障,其在我國(guó)具有無(wú)可比擬的特殊地位及重要意義。由于秦嶺山體對(duì)北進(jìn)的東亞暖濕氣流及南侵的北方干冷氣流具有巨大的阻擋作用,南北氣候差異顯著,表現(xiàn)為北干南濕,北坡屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱氣候,1月年均溫低于0℃,廣布暖溫帶針闊混交林與落葉闊葉林；而南坡為北亞熱帶濕潤(rùn)氣候,1月年均溫則高于0℃,以常綠落葉闊葉混交林為基帶。本研究以秦嶺的核心組成部分陜西秦嶺為研究區(qū)(圖1),以山脊線作為秦嶺的南北分界線。

秦嶺植被類(lèi)型豐富,植被垂直帶譜完整而復(fù)雜。依據(jù)學(xué)者們對(duì)秦嶺植被垂直帶譜劃分的相關(guān)研究結(jié)果[44],秦嶺植被垂直帶的空間分布如圖2所示。秦嶺植被垂直帶譜南北坡差異明顯,自下而上,北坡依次為落葉闊葉林(600—1500m)——針闊混交林(1500—2400m)——針葉林(2400—3100m)——高山灌叢草甸和落葉針葉林(>3100m)；南坡依次為常綠、落葉闊葉混交林(600—1300m)——針闊混交林(1300—2200m)——針葉林(2200—3000m)——高山灌叢草甸(>3000m)。秦嶺山脊兩側(cè)呈現(xiàn)南草北樹(shù)的景觀差異,是由秦嶺南北氣候差異造成的。

圖1 研究區(qū)地理位置及高程分布 Fig.1 Geographical location and elevation distribution of the study area

圖2 秦嶺植被垂直帶空間分布 Fig.2 Spatial distribution of the vertical vegetation belts in the Qinling Mountains

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1遙感物候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究選取時(shí)間分辨率為8d及空間分辨率250m的MODIS EVI2植被指數(shù)作為監(jiān)測(cè)遙感物候變化的數(shù)據(jù)源,其來(lái)源于NASA的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品中MOD09Q1地表反射率數(shù)據(jù)集(https://ladsweb.nascom.nasa.gov),時(shí)段為2000—2017年。

首先采用最大值合成法(MVC)消除太陽(yáng)高度角、大氣、云、氣溶膠等對(duì)EVI2數(shù)據(jù)的影響,并通過(guò)ENVI 5.3軟件的波段運(yùn)算工具計(jì)算得到該地區(qū)的增強(qiáng)植被指數(shù)EVI2(enhanced vegetation index 2),其計(jì)算公式如下：

式中：ρnir和ρred分別為近紅外反射率和紅外波段反射率。

之后,采用時(shí)間序列諧波分析法(HANTS)進(jìn)一步對(duì)EVI2時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑濾波處理,以去除亞像元內(nèi)殘余云及云霾或其他負(fù)面影響。

1.2.2遙感物候反演方法

時(shí)序數(shù)據(jù)能夠反映植被在一年中的變化狀況,與植被的物候特征相聯(lián)系,因此可以通過(guò)提取植被指數(shù)EVI2的關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)確定植被物候變化。研究以物候始期(Growing Season Start, GSS)、末期(Growing Season End, GSE)及生長(zhǎng)期(Growing Season Length, GSL)三個(gè)參數(shù)作為研究區(qū)植被物候的判識(shí)指標(biāo)。采用年日序(Day of Year, DOY)表示物候期出現(xiàn)的時(shí)間,即以當(dāng)年1月1日開(kāi)始的實(shí)際日數(shù)。

目前利用遙感提取物候的常用方法有：滑動(dòng)平均法、閾值法、最大比率法、閾值法和最大比率法結(jié)合等,但尚無(wú)一種方法被廣泛接受。本研究采用閾值法與最大比率法相結(jié)合的方法進(jìn)行物候期參數(shù)的提取。過(guò)程如下：①確定GSS與GSE的閾值。計(jì)算HANTS平滑后日EVI2時(shí)間序列的多年均值,可獲得每個(gè)像元上EVI2多年平均的年內(nèi)變化曲線；計(jì)算基于像元尺度兩相鄰時(shí)間點(diǎn)上的EVI2差值,即相對(duì)變化值,利用相對(duì)變化值的最大絕對(duì)值確定GSS與GSE的EVI2閾值。②提取每年的GSS與GSE。在TIMESAT軟件中選取雙Logistic模型曲線擬合法重建EVI2時(shí)間序列擬合曲線,以確定的EVI2閾值分別提取每年的GSS與GSE。③設(shè)定置信區(qū)間剔除異常值并計(jì)算GSL。在ArcGIS軟件中,設(shè)置1%的置信區(qū)間剔除提取的GSS與GSE異常值,進(jìn)一步計(jì)算每年GSS與GSE的差值,即為該年的GSL。

1.3 分析方法

空間尺度的一元線性回歸趨勢(shì)分析法,是采用最小二乘法逐像元擬合EVI2所確定的GSS、GSE及GSL的斜率,其能夠模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì),綜合反映區(qū)域植被的時(shí)空格局演變[45],公式為：

式中：n為時(shí)間序列(年)；EVI2i為第i年的GSS、GSE及GSL值；當(dāng)slope>0 時(shí)，表明GSS與GSE呈推遲趨勢(shì)，GSL呈延長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)slope<0 時(shí)，表明GSS與GSE呈提前趨勢(shì)，GSL呈縮短趨勢(shì)。采用t檢驗(yàn)變化趨勢(shì)的顯著性,并將結(jié)果劃分為極顯著(P≤0.01)、顯著(0.010.1)變化4個(gè)等級(jí)。

4 結(jié)果與分析

4.1 秦嶺山地遙感GSS與GSE的EVI2閾值確定及精度驗(yàn)證

植物物候期識(shí)別所需的各項(xiàng)參數(shù)均應(yīng)根據(jù)其多年的時(shí)間演化規(guī)律進(jìn)行確定,這樣能夠提高物候遙感識(shí)別方法的魯棒性。圖3為2000—2017年秦嶺山地EVI2年均值最大相對(duì)變化值確定的GSS與GSE閾值。結(jié)果顯示,GSS的EVI2閾值為0.264,其對(duì)應(yīng)一年中93DOY,即秦嶺山地物候始期平均發(fā)生于4月初；GSE的EVI2閾值為0.289,其對(duì)應(yīng)一年中277DOY,即秦嶺山地物候末期平均發(fā)生于10月上旬。

圖3 2000—2017年秦嶺山地EVI2多年均值確定的GSS與GSE閾值Fig.3 Thresholds of the GSS and GSE determined by the multi-year mean of EVI2 in the Qinling Mountains from 2000 to 2017GSS： 物候始期Growing season start; GSE: 物候末期Growing season end

秦嶺地區(qū)的地面物候觀測(cè)數(shù)據(jù)甚少,目前可用于驗(yàn)證以上結(jié)論的相關(guān)研究?jī)H是學(xué)者們采用中國(guó)物候觀測(cè)網(wǎng)中秦嶺北麓西安站的木本植物觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論[33,42-43,46-48]。此外,研究者本人以研究區(qū)日均溫10℃氣溫閾值反演的氣候生長(zhǎng)期并采用ANUSPLIN法進(jìn)行空間插值獲得的2000—2015年相關(guān)結(jié)果(見(jiàn)圖4)；以及學(xué)者們采用遙感監(jiān)測(cè)的植被指數(shù)NDVI、EVI反演的物候期分析結(jié)果[33,42-43],以上三類(lèi)不同意義的物候研究情況見(jiàn)表1。

圖4 2000—2015年秦嶺山地氣候生長(zhǎng)期GSS與GSE的多年均值空間分布Fig.4 Spatial distribution of the multi-year mean of the GSS and GSE represented by climate in the Qinling Mountains from 2000 to 2015

由表1可知,秦嶺地區(qū)三類(lèi)不同意義的研究結(jié)果顯示,物候始末期發(fā)生時(shí)間較為一致,始期主要發(fā)生于4月前后,末期主要發(fā)生于10月前后。但是,由于存在數(shù)據(jù)源、時(shí)間尺度、物候期時(shí)期,以及提取物候期方法等不同,學(xué)者們對(duì)于秦嶺地區(qū)的物候研究結(jié)果也存在一定差異。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),本研究所提取的遙感物候期與以上研究所得的物候始末期發(fā)生時(shí)間也較為一致,表明基于MODIS EVI2數(shù)據(jù)反演的秦嶺山地物候期數(shù)據(jù)對(duì)于該區(qū)域的物候監(jiān)測(cè)研究具有一定的參考價(jià)值。

表1 三類(lèi)不同意義的物候研究結(jié)果對(duì)比

4.2 植被物候空間分布及年際變化特征

4.2.1植被物候空間分布特征

圖5為2000—2017年秦嶺山地植被物候生長(zhǎng)期參數(shù)的多年均值空間分布。由圖5可見(jiàn),近18年來(lái),秦嶺山地植被物候變化表現(xiàn)出明顯的地形和氣候地域分異規(guī)律。全區(qū)GSS主要發(fā)生于70—130DOY,平均為107.0DOY,但在秦嶺北坡的地勢(shì)低平區(qū)早于70DOY；而在一些海拔和緯度較高的地區(qū)GSS則晚于130DOY。北坡GSS平均發(fā)生于102.1DOY,而南坡為108.3DOY,北坡較南坡平均約早6.2d。全區(qū)GSE主要發(fā)生于270—310DOY,平均為292.3DOY,但在南北坡地勢(shì)低平人口密集區(qū)卻早于270DOY,也表現(xiàn)出一定的海拔及緯度差異。北坡GSE平均發(fā)生于287.7DOY,南坡為293.5DOY,北坡較南坡平均約早5.8d。全區(qū)GSL主要集中在150—210d,平均為185.3d,北坡約114.6—249.7d,南坡約91.4—231.0d。南北坡GSL平均長(zhǎng)度基本相同,但就總體來(lái)看,北坡較南坡的長(zhǎng),北坡較南坡約長(zhǎng)18.7—23.2d。

圖5 2000—2017年秦嶺山地植被物候期參數(shù)的多年均值空間分布Fig.5 Spatial distribution of the multi-year mean of vegetation phenological parameters in the Qinling Mountains from 2000 to 2017

4.2.2植被物候年際變化特征

圖6為2000—2017年秦嶺山地植被物候期參數(shù)的年際變化趨勢(shì)及顯著性。由圖6可見(jiàn),近18年來(lái),秦嶺山地植被物候年際變化存在明顯的空間差異。

GSS全區(qū)以提前趨勢(shì)為主,平均速率為-3.7d/10a,其中83.29%的區(qū)域呈提前趨勢(shì),16.71%的區(qū)域呈推遲趨勢(shì)；且以提前0—5d/10a(44.46%)為主,提前5—10d/10a(28.60%)次之。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,提前趨勢(shì)達(dá)到顯著性(P<0.1,下同)的區(qū)域僅占25.41%,主要位于山脊線附近的高海拔區(qū)及南坡的西部地區(qū)；推遲趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域僅占3.57%,主要位于北坡的低海拔區(qū),這可能與近些年頻發(fā)的“倒春寒”氣候?qū)Ρ逼掠绊戄^大有關(guān)。北坡提前趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域僅11.65%與不顯著的區(qū)域?yàn)?3.00%；而南坡分別為29.03%、59.18%。

GSE全區(qū)變化趨勢(shì)不明顯,其中50.17%的區(qū)域呈推遲趨勢(shì),49.83%的區(qū)域呈提前趨勢(shì)；且推遲趨勢(shì)以0—5d/10a(25.51%)、5—10d/10a(15.44%)為主,提前趨勢(shì)亦以0—5d/10a(22.82%)、5—10d/10a(14.81%)為主。推遲趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域僅7.49%,主要位于北坡人口密集的低海拔區(qū),可能與城市熱島效應(yīng)的有關(guān)；提前趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域僅5.08%。北坡推遲趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域?yàn)?0.45%與不顯著的區(qū)域?yàn)?7.40%；而南坡分別為4.10%、38.83%。

GSL全區(qū)以延長(zhǎng)趨勢(shì)為主,平均速率為3.7d/10a,其中65.34%的區(qū)域呈延長(zhǎng)趨勢(shì),34.66%的區(qū)域呈縮短趨勢(shì),延長(zhǎng)在0—5d/10a(19.28%)、5—10d/10a(20.71%)及10—15d/10a(14.12%)均有分布,縮短趨勢(shì)以0—5d/10a(14.83%)與5—10d/10a(10.15%)的占比相對(duì)較多。延長(zhǎng)趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域僅占12.06%,主要位于山脊線附近的高海拔區(qū),這與學(xué)者們近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)高海拔區(qū)增溫較低海拔區(qū)更為顯著的結(jié)論一致[49]；縮短趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域僅占2.17%。北坡延長(zhǎng)趨勢(shì)達(dá)到顯著性的區(qū)域?yàn)?2.74%與不顯著的區(qū)域?yàn)?3.66%,而南坡分別為11.89%、50.57%。

圖6 2000—2017年秦嶺山地植被物候期參數(shù)的年際變化趨勢(shì)及顯著性Fig.6 Spatial distribution of interannual change trends and significance in the vegetation phenological parameters in the Qinling Mountains from 2000 to 2017

綜上可知,GSL延長(zhǎng)主要是GSS提前的結(jié)果,由此可知秦嶺山地植被生長(zhǎng)期延長(zhǎng)主要?dú)w因于物候始期的提前,物候始期對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度顯著大于物候末期。GSS的提前趨勢(shì)南坡較北坡顯著,GSE的推遲趨勢(shì)北坡較南坡顯著,可知秦嶺南北坡的植被物候變化不僅表現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異而且存在顯著的季節(jié)性差異。與此同時(shí),秦嶺山地植被物候在高海拔區(qū)的變化趨勢(shì)更為顯著。

4.3 植被物候沿海拔梯度變化特征

2000—2017年秦嶺山地植被物候期多年均值與海拔的關(guān)系顯示(圖7),GSS、GSE及GSL隨海拔升高呈規(guī)律性變化,表現(xiàn)出顯著的海拔敏感性。隨著海拔升高,GSS逐漸推遲,GSE逐漸提前,GSL逐漸縮短。在海拔≤600m平原區(qū),三者隨海拔變化的波動(dòng)幅度較大,規(guī)律不明顯,這可能與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān),低海拔區(qū)受城市熱島效應(yīng)的影響區(qū)域增溫差異明顯；而在海拔≥2700m高海拔區(qū),三者隨海拔變化的波動(dòng)幅度相對(duì)更為劇烈,這與氣候條件密切相關(guān),這一區(qū)域?yàn)楸墯夂蛩刂?氣溫低且多強(qiáng)風(fēng),山頂效應(yīng)明顯。

圖7 2000—2017年秦嶺山地及其南北坡植被物候期參數(shù)多年均值與海拔的關(guān)系Fig.7 Changing trends in the multi-year mean of vegetation phenological parameters along altitude in the Qinling Mountains and its north and South Slopes from 2000 to 2017

秦嶺南北坡2000—2017年植被物候期多年均值與海拔的關(guān)系顯示(圖7),北坡GSS與GSL隨海拔上升的變化幅度大于南坡,而GSE則表現(xiàn)為南坡大于北坡。海拔每上升100m,北坡GSS推遲1.76d,GSE提前0.25d,GSL縮短2.01d；南坡GSS推遲1.50d,GSE提前0.44d,GSL縮短1.94d,這可能與秦嶺山地北坡陡短而南坡緩長(zhǎng)的地形差異有關(guān)。就GSS而言,在海拔<900m地區(qū)北坡的變化幅度波動(dòng)較大且發(fā)生時(shí)間早于南坡；而在≥2600m地區(qū)南北坡均隨海拔上升推遲趨勢(shì)減緩,且北坡早于南坡；在900—2600m地區(qū)南北坡的發(fā)生時(shí)間相差不大且均隨海拔上升呈規(guī)律性推遲趨勢(shì)。就GSE而言,南北坡的發(fā)生時(shí)間隨海拔變化波動(dòng)均較大,在海拔≥900m地區(qū)表現(xiàn)出隨海拔上升呈規(guī)律性提前趨勢(shì)；而在≥3000m地區(qū)變化趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)折,均表現(xiàn)出隨海拔上升呈明顯的推遲,且在3300m之后推遲趨勢(shì)均有所減緩；在≤1000m及2300—3000m地區(qū)則是南坡的發(fā)生時(shí)間晚于北坡。就GSL而言,海拔≤600m地區(qū)北坡的變化幅度波動(dòng)大且較南坡長(zhǎng)；在600—2800m地區(qū)表現(xiàn)出隨海拔上升呈規(guī)律性縮短趨勢(shì)且南北坡生長(zhǎng)期相差不大；而在≥2800m地區(qū)則隨海拔上升呈緩慢的延長(zhǎng)趨勢(shì)且北坡GSL長(zhǎng)于南坡。

4.4 植被垂直帶上物候變化特征

依據(jù)秦嶺植被垂直帶的劃分情況,進(jìn)一步分析了秦嶺南北坡的不同植被垂直帶上遙感物候變化特征(見(jiàn)表2)。表2顯示,落葉闊葉林帶與高山灌叢草甸帶GSS北坡較南坡分別平均早4.2d、3.5d,而針闊混交林帶與針葉林帶GSS則是北坡較南坡分別平均晚6.0d、1.6d。就GSE而言,除南北坡的≤600m植被帶及高山灌叢草甸帶外,落葉闊葉林帶、針闊混交林帶及針葉林帶北坡較南坡依次分別平均早4.7d、4d、1.2d,而高山灌叢草甸帶北坡較南坡平均晚2.9d；落葉闊葉林帶、針闊混交林帶、針葉林帶GSL北坡較南坡依次分別平均短0.4d、10.0d、2.8d,而高山灌叢草甸帶北坡較南坡平均長(zhǎng)6.4d。

表2 2000—2017年不同植被垂直帶上物候期參數(shù)的多年均值

三者的變化在≤600m植被帶上表現(xiàn)出差異性,可能與北坡低海拔區(qū)平緩,人口密度大,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)北坡早春氣溫回升的影響大于南坡有關(guān)；而在高山灌叢草甸帶的不同,一方面可能是因?yàn)楦吆０螀^(qū)增溫幅度更顯著,另一方面也可能與受氣候變暖的影響林線樹(shù)種太白紅杉上限已伸入灌叢草甸區(qū)有關(guān)。

三者在高山灌叢草甸帶發(fā)生時(shí)間及時(shí)長(zhǎng)南坡與北坡發(fā)生轉(zhuǎn)換的原因,可能歸于山頂南北兩側(cè)氣候的差異,南坡向陽(yáng),土壤干燥,水分蒸發(fā)快,而北坡背陰,陽(yáng)光照射時(shí)間短,水分蒸發(fā)慢,土壤相對(duì)濕潤(rùn),故在高山草甸區(qū)北坡的氣候條件更利于植物生長(zhǎng),更利于物候始期提前與末期推遲。

5 結(jié)論與討論

5.1 討論

為尋求遙感物候與實(shí)測(cè)物候之間的關(guān)系,繪制同期(2000—2015年)遙感物候與實(shí)測(cè)物候、氣候表征的物候的GSS與GSE變化趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖8)。由圖8可知,雖然三種意義表征的物候期變化均表現(xiàn)出GSS提前及GSE推遲,但變化趨勢(shì)并不完全一致,尤其是秋季物候。GSS遙感物候與實(shí)測(cè)物候的相關(guān)性為0.540(P<0.05),其與氣候表征的物候的GSS相關(guān)性為0.519(P<0.05),均達(dá)到了顯著性水平；而GSE遙感物候與其他兩類(lèi)物候的相關(guān)性均為達(dá)到顯著性水平。實(shí)際上,實(shí)測(cè)物候與遙感物候之間本身就因觀測(cè)尺度與觀測(cè)內(nèi)容的不同而存在明顯的內(nèi)涵差異,二者所監(jiān)測(cè)的物候期并不是明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系[17],而氣候表征的物候雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較大空間尺度的生長(zhǎng)期變化研究,但存在僅考慮了氣溫因素的自身局限性。因此,如何找到一種合理科學(xué)的方法,建立起實(shí)測(cè)物候與遙感物候之間轉(zhuǎn)換的紐帶,實(shí)現(xiàn)二者之間監(jiān)測(cè)尺度和監(jiān)測(cè)內(nèi)容的匹配,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)物候與遙感物候的結(jié)合,將地面?zhèn)€體水平上觀測(cè)的植物物候期擴(kuò)展到遙感監(jiān)測(cè)的植被群落甚至生態(tài)系統(tǒng)尺度上,實(shí)現(xiàn)物候研究尺度從點(diǎn)到面的區(qū)域擴(kuò)展、時(shí)間序列的延長(zhǎng)、分辨率的精度更高,將有望獲得更準(zhǔn)確的研究結(jié)果。這仍然是物候研究的重要內(nèi)容。

圖8 2000—2015年秦嶺遙感物候與實(shí)測(cè)物候、氣候表征的物候GSS與GSE的變化趨勢(shì)Fig.8 Changing trends in the GSS and GSE of phenology by remote sensing monitoring and ground observation,phenology represented by climate in the Qinling Mountains from 2000 to 2015

研究結(jié)果顯示,秦嶺南北坡的同一類(lèi)型植被帶上物候變化存在明顯差異,這不僅與南北氣候差異有關(guān),而且與植被帶內(nèi)的樹(shù)種差異有關(guān)。由于秦嶺南北氣候的差異,南北坡植被垂直帶譜呈現(xiàn)明顯的分異現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在各植被垂直帶的分布高度及基帶特征[44]。北坡基帶為落葉闊葉林,主要分布于海拔600—1500m的地區(qū),以栓皮櫟林為代表；南坡基帶為常綠落葉闊葉混交林,主要分布于海拔600—1300m的地區(qū),除栓皮櫟、麻櫟外,常有常綠樹(shù)種小青岡和巖櫟等混生其中[44]。此外,北坡有較明顯的遼東櫟林亞帶,而南坡則沒(méi)有,遼東櫟林亞帶出現(xiàn)與否被認(rèn)為是秦嶺南北坡植被垂直帶差異明顯的標(biāo)志之一[44]。

此外,研究亦發(fā)現(xiàn)氣候變暖背景下秦嶺山地植被物候變化的顯著區(qū)域主要集中在人為影響較少的高海拔區(qū),這一結(jié)論亦從植被物候變化視角證實(shí)了學(xué)者們的研究發(fā)現(xiàn),全球變化背景下山地對(duì)氣候變化具有高度的敏感性,其中高山帶對(duì)氣候變化的響應(yīng)更敏感,高海拔地區(qū)對(duì)全球變暖的響應(yīng)較低海拔區(qū)更強(qiáng)烈[50-56]。再者,高海拔區(qū)亦是秦嶺天然林連片分布區(qū),氣候變暖導(dǎo)致秦嶺高山林線波動(dòng)上升,植被帶上限向更高海拔區(qū)上升,各植被帶內(nèi)植物適生區(qū)擴(kuò)大。與此同時(shí),秦嶺高山區(qū)特有物種的太白紅杉為適應(yīng)生境變化正向高山灌叢、裸巖分布處遷移,林線附近的幼齡林隨處可見(jiàn)；而巴山冷杉卻出現(xiàn)大面積退化甚至死亡現(xiàn)象,尤其是在其上限區(qū)域更為嚴(yán)重。那么,山地高海拔區(qū)變暖更為顯著的原因是什么？有關(guān)機(jī)理仍有待進(jìn)一步深入探究。

5.2 結(jié)論

(1)近18年來(lái),秦嶺山地植被物候變化表現(xiàn)出明顯的地形和氣候的地域分異規(guī)律。全區(qū)GSS主要發(fā)生于70—130DOY,平均為107.0DOY,北坡較南坡約早6.2d；GSE主要發(fā)生于270—310DOY,平均為292.3DOY,南坡較北坡約晚5.8d。全區(qū)GSL主要集中在150—210d,平均為185.3d,南北坡GSL平均長(zhǎng)度基本相同,但時(shí)長(zhǎng)范圍相差較大,北坡約114.6—249.7d,南坡約91.4—231.0d,北坡較南坡約長(zhǎng)18.7—23.2d。

(2)近18年來(lái),秦嶺山地植被物候變化趨勢(shì)存在明顯的空間差異,尤以高海拔區(qū)的變化最為顯著,物候始期對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度顯著大于末期,且南北坡的變化不僅存在區(qū)域差異且存在季節(jié)差異。GSS全區(qū)以提前趨勢(shì)為主,83.29%的區(qū)域提前,平均速率為-3.7d/10a,提前主要集中在0—5d/10a(44.46%)及5—10d/10a(28.60%),南坡的提前趨勢(shì)較北坡顯著；GSE全區(qū)變化趨勢(shì)不明顯,50.17%的區(qū)域推遲,49.83%的區(qū)域提前,北坡的推遲趨勢(shì)較南坡顯著；GSL全區(qū)以延長(zhǎng)趨勢(shì)為主,65.34%的區(qū)域延長(zhǎng),平均速率為3.7d/10a,延長(zhǎng)在0—5d/10a(19.28%)、5—10d/10a(20.71%)及10—15d/10a(14.12%)均有分布,北坡的延長(zhǎng)趨勢(shì)較南坡顯著。

(3)GSS、GSS及GSS隨海拔升高呈規(guī)律性變化,表現(xiàn)出顯著的海拔敏感性,南北坡三者隨海拔上升的變化幅度呈現(xiàn)明顯的差異。隨著海拔升高,GSS逐漸推遲,GSE逐漸提前,GSL逐漸縮短。在海拔≤600m盆地平原區(qū),三者隨海拔變化的波動(dòng)幅度較大,規(guī)律不明顯,在海拔≥2700m高海拔區(qū),三者隨海拔升高變化的波動(dòng)幅度相對(duì)更為劇烈。海拔每上升100m,北坡GSS推遲1.76d,GSE提前0.25d,GSL縮短2.01d；南坡GSS推遲1.50d,GSE提前0.44d,GSL縮短1.94d。

(4)GSS、GSE及GSL在南北坡植被垂直帶上的變化存在明顯的差異,尤以≤600m植被帶上及高山灌叢草甸帶上的差異最為明顯,且三者在高山灌叢草甸帶發(fā)生時(shí)間及時(shí)長(zhǎng)南坡與北坡發(fā)生轉(zhuǎn)換。GSS落葉闊葉林帶與高山灌叢草甸帶北坡較南坡分別平均早4.2d、3.5d,而針闊混交林帶與針葉林帶北坡較南坡分別平均晚6.0d、1.6d。GSE落葉闊葉林帶、針闊混交林帶、針葉林帶南坡較北坡依次分別平均晚4.7d、4d、1.2d,而高山灌叢草甸帶北坡較南坡平均晚2.9d；GSL落葉闊葉林帶、針闊混交林帶、針葉林帶南坡較北坡依次分別平均長(zhǎng)0.4d、10.0d、2.8d,而高山灌叢草甸帶北坡較南坡平均長(zhǎng)6.4d。