趙麗蓉，包 剛,2，*

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點實驗室，呼和浩特 010022)

植被物候是指植被受周圍環(huán)境影響而形成的以年為周期的自然現(xiàn)象[1]。近年來隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得區(qū)域乃至全球尺度的植被物候，如植被生長季開始日期(Starting of growing season，SOS)、生長季峰值期(Peak of growing season， POS)、生長季結(jié)束日期(End of growing season，EOS)和生長季長度(Length of growing season，LOS)變化等的研究得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。Zhu等[2]的研究表明，生長季結(jié)束日期比生長季開始日期的變化對植被生長季長度的影響更大。除此之外，Piao等[3]的研究還發(fā)現(xiàn)，在北部生態(tài)系統(tǒng)中，春季氣候變暖導(dǎo)致CO2吸收的增加可能被秋季氣候變暖導(dǎo)致的呼吸作用增強(qiáng)而損失的CO2所抵消作用。Keenan等[4]的研究表明，在美國東部溫帶落葉林中，生長季開始日期每提前一天，凈碳吸收增加4.48 gC·m-2，生長季結(jié)束日期每推遲一天，凈碳吸收將增加9.84 gC·m-2。這說明生長季結(jié)束日期在控制生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)中扮演著至關(guān)關(guān)鍵的作用。

植被是反映陸地生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一[5]。其中，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)是監(jiān)測區(qū)域乃至全球生態(tài)環(huán)境的最佳指示因子[6]，能定量表征植被生長狀況，直觀反映植被長勢好壞[7]，通過監(jiān)測植被長勢動態(tài)變化，能夠有效反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境功能和變化。氣象因子是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素。大多數(shù)研究集中于氣象因子對植被生長的影響，而夏季植被的生長或退化可能對生長季結(jié)束日期將產(chǎn)生重要影響，尤其在不同的植被類型上需要更深入的研究。除此之外，中國溫帶地區(qū)水熱條件不同，是全球氣候變化較敏感的區(qū)域，植被具有明顯的季節(jié)變化。鑒于此，本研究利用1982—2015年第三代GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，研究中國溫帶地區(qū)夏季(6月—8月)植被長勢對生長季結(jié)束日期的影響，同時，結(jié)合夏季(6月—8月)、秋季(9月—10月)氣象數(shù)據(jù)研究生長季結(jié)束日期對氣象因子的響應(yīng)。研究結(jié)果為更好的理解中國溫帶物候信息及更好的保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以中國溫帶作為研究區(qū)域，范圍在26 °N—54 °N，73 °E—136 °E之間。研究區(qū)的東部為溫帶季風(fēng)氣候，包括華北平原、黃土高原、東北平原，西北地區(qū)遠(yuǎn)離海洋、氣候干燥、降水稀少，為溫帶大陸性氣候，青藏高原海拔較高，形成典型的高原氣候[8]。植被包括東部濕潤地區(qū)的森林，西北干旱地區(qū)的荒漠、草原和青藏高原高寒植被等[9]，區(qū)域內(nèi)植被具有明顯的季節(jié)性變化。此外，為了減少裸露土壤和稀疏植被對NDVI時間序列的影響，我們提取植被多年平均NDVI>0.1的像元[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究將利用美國國家航空航天局(NASA)全球監(jiān)測與模型組(Global inventor modeling and mapping studies，GIMMS)歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)來反映中國溫帶植被夏季生長及識別生長季結(jié)束日期。數(shù)據(jù)來自于http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/，覆蓋時間為1982—2015年。GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集的時間和空間分辨率分別為15 d和8 km[11]，在此，對全球尺度的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)范圍內(nèi)的掩膜處理，獲得每年包括24幅影像的逐年(1982—2015年)NDVI時間序列數(shù)據(jù)。

中國植被區(qū)劃圖來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)的1∶100萬植被區(qū)劃數(shù)據(jù)。中國植被區(qū)劃圖將全國劃分為寒溫帶針葉林，暖溫帶落葉闊葉林，針闊混交林，溫帶草原，青藏高原高寒植被，溫帶荒漠，亞熱帶常綠闊葉林，熱帶季風(fēng)雨林、雨林8大植被區(qū)[12]。通過將研究區(qū)分類合并預(yù)處理，再重采樣轉(zhuǎn)變成與NDVI空間分辨率一致的柵格數(shù)據(jù)。由于亞熱帶常綠闊葉林、熱帶季風(fēng)雨林植被生長的季節(jié)變化不明顯和難以識別生長季結(jié)束日期[1]，在此不予分析。

氣象數(shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的研究區(qū)1982—2015年每年夏季(6月—8月)、秋季(9—10月)的月平均氣溫、月總降水量及日照時數(shù)數(shù)據(jù)。利用克里金(Kriging)插值方法插值得到與NDVI數(shù)據(jù)具有相同空間分辨率的柵格氣象數(shù)據(jù)集[13]。

1.3 研究方法

1.3.1生長季結(jié)束日期提取方法

利用時間諧波序列分析法(Harmonic analysis of NDVI time series，HANTS)[14]和累計NDVI的Logistic 曲線曲率極值法[15]提取植被生長季結(jié)束日期。HANTS通過對NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以進(jìn)一步減小云和大氣等對NDVI數(shù)據(jù)的干擾。在此基礎(chǔ)上，逐像元計算每年24景NDVI數(shù)據(jù)的累計值，再對累計NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行四參數(shù)Logistic曲線擬合(公式(1))和計算(公式(2)和公式(3))Logistic 擬合曲線的曲率K，最終根據(jù)曲率極值法，將最小曲率值對應(yīng)的日期定義為生長季結(jié)束日期(圖1)。

(1)

(2)

z=ea+bt

(3)

式中，t為儒略日/d，y(t)為與時間t對應(yīng)的累計NDVI值；d是背景NDVI，c+d為累計NDVI的最大值，a和b是擬合參數(shù)。

1.3.2Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗

本文采用Theil-Sen median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗法計算植被夏季NDVI和生長季結(jié)束日期的變化趨勢[16]。Theil-Sen median方法是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計的趨勢計算方法，可以減少時間序列數(shù)據(jù)中異常值對趨勢分析結(jié)果的影響[17]，其表達(dá)式為:

(4)

式中，Xi和Xj為樣本數(shù)據(jù)值(1982≤i0時，反映夏季NDVI和生長季結(jié)束日期分別呈現(xiàn)增加和推遲的趨勢，反之則為下降和提前趨勢。

Mann-Kendall檢驗用來判斷趨勢的顯著性與否，其結(jié)構(gòu)簡單，計算方便，無需樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的影響[18]。以下式計算:

(5)

式中，

(6)

(7)

(8)

式中，Xi、Xj分別表示像元i年和j年的像元值；n表示時間序列的長度；sgn表示符號函數(shù)。本文以α=0.05置信水平判斷變化趨勢的顯著性，將檢驗結(jié)果Zc分為顯著變化(|Zc|>1.96)和不顯著變化(|Zc|<1.96)。

1.3.3相關(guān)分析法采用相關(guān)分析法公式(9)，逐像元計算夏季(6月—8月平均值)NDVI和夏季(6月—8月)、秋季(9月—10月)氣象因子(溫度、降水、日照時數(shù))與生長季結(jié)束日期之間的相關(guān)系數(shù)。

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季NDVI和生長季結(jié)束日期的空間分布及變化趨勢

1982—2015年間，中國溫帶植被夏季平均NDVI值具有很大的空間差異(圖2a)。整體來看，NDVI主要介于0.05～0.91之間。夏季NDVI低值區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古中西部、青藏高原中西部和新疆地區(qū)，值一般低于0.24，主要與這些地區(qū)的植被類型為戈壁荒漠稀疏植被、荒漠草原、草原以及青藏高原高寒草地有關(guān)，與森林相比其植被覆蓋度低下，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。NDVI高值區(qū)主要分布在東北地區(qū)、華北平原及青藏高原東部地區(qū)，值總體高于0.50。尤其大小興安嶺地區(qū)和吉林、遼寧東部，由于氣候條件濕潤和分布著廣闊的森林植被，其夏季NDVI值高達(dá)0.80以上。

過去34 a間，研究區(qū)夏季植被NDVI增加的區(qū)域約占總面積的65.56 %，其中，夏季NDVI顯著增加的面積約占30.11% ，主要分布在東北平原、黃土高原及新疆天山地區(qū)(圖2b)；夏季平均NDVI呈顯著減小趨勢的區(qū)域零散分布在東北大、小興安嶺及長白山一帶、華北平原南部及青藏高原東南少數(shù)地區(qū)。

多年平均生長季結(jié)束日期的空間分布與NDVI基本一致，總體由自西北向東南推遲的趨勢，在第231～354 d之間波動(圖2c)。夏季NDVI值較低的新疆天山以北地區(qū)、青藏高原北部、內(nèi)蒙古中西部及東北平原的生長季結(jié)束日期出現(xiàn)較早，總體介于第231～276 d之間，且呈現(xiàn)出提前的趨勢(圖2d)。而在研究區(qū)的東部和南部地區(qū)，即夏季NDVI值較高的東北大小興安嶺及長白山一帶、華北平原的南部及青藏高原的東南地區(qū)生長季結(jié)束日期出現(xiàn)較晚，為第283～313 d，且生長季結(jié)束日期呈現(xiàn)出推遲的趨勢，顯著推遲的面積約占研究區(qū)15.18 %(圖2d)。

審圖號：GS(2021)4818號

2.2 夏季植被長勢對生長季結(jié)束日期的影響

圖3反映了中國溫帶地區(qū)夏季植被長勢對生長季結(jié)束日期的影響。從圖可看出，夏季平均NDVI與生長季結(jié)束日期呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)主要分布在新疆天山以南地區(qū)、青藏高原地區(qū)及內(nèi)蒙古地區(qū)等以草地為主的區(qū)域，占研究區(qū)64.9 %，其中顯著負(fù)相關(guān)的像元為20.7 %(圖4b，P<0.05)。這說明，在這些區(qū)域夏季植被長勢好，可能將生長季結(jié)束日期提前。與此相反，在研究區(qū)東北部和東南部、新疆天山以北地區(qū)，夏季平均NDVI與生長季結(jié)束日期呈正相關(guān)，占研究區(qū)35.1 %，其中顯著正相關(guān)的區(qū)域為7.0 %。這說明，在這些地區(qū)隨著夏季NDVI值的增加，生長季結(jié)束日期可能會推遲。這些地區(qū)多為濕潤半濕潤地區(qū)，分布著森林和農(nóng)田。

審圖號：GS(2021)4818號

2.3 不同植被類型夏季長勢對生長季結(jié)束日期的影響

從圖4可以看出，所有森林植被類型寒溫帶針葉林(R=0.40，P=0.019)、暖溫帶落葉闊葉林(R=0.20，P=0.248)、混交林(R=0.16，P=0.363)的夏季NDVI與生長季結(jié)束日期均呈正相關(guān)關(guān)系(圖4a-圖4c)，即森林植被夏季NDVI值的增加可能將生長季結(jié)束日期推遲。與此相反，溫帶草原(R=-0.43，P=0.011)、青藏高原高寒草地(R=-0.30，P=0.087)及溫帶荒漠稀疏植被(R=-0.34，

注：虛線代表95%預(yù)測區(qū)間。

P=0.051)等草地植被夏季NDVI與生長季結(jié)束日期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4d-圖4f)，表明夏季植被長勢越旺盛，生長季結(jié)束日期可能將提前。從斜率看，夏季NDVI值平均增加0.1，溫帶草原、青藏高原高寒植被、溫帶荒漠稀疏植被的生長季結(jié)束日期可能平均提前3.17、7.23、5.51 d。經(jīng)過草地和森林植被比較后也可以發(fā)現(xiàn)，草地植被夏季生長對生長季結(jié)束日期的提前作用明顯大于森林植被夏季長勢對生長季結(jié)束日期的推遲作用。

3 討論

夏季NDVI的空間分布格局(圖2a)與其分布區(qū)的植被類型和氣候條件的空間格局基本一致，即降水相對充足的東北地區(qū)和華北平原NDVI比西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)的NDVI要大[8]。中國新疆天山地區(qū)、黃土高原地區(qū)植被夏季NDVI呈顯著增加趨勢，東北地區(qū)反之(圖2b)，這與高江波等[19]觀測到的趨勢結(jié)果基本一致。生長季結(jié)束日期的空間格局與NDVI總體一致，在西北地區(qū)植被秋季生長結(jié)束日期要東北和華北地區(qū)要早。Wu等[20]則基于SPOT NDVI數(shù)據(jù)，使用累計NDVI曲率極值法，得到1983—2015年中國溫帶地區(qū)的生長季結(jié)束日期主要在第220～310 d之間波動。本研究與先前的研究結(jié)果大體相似，生長季結(jié)束日期集中出現(xiàn)在231～313 d之間(圖2c)，但由于所使用的遙感數(shù)據(jù)、物候識別方法、植被類型、觀測時間長度的不同而略有差異。

Zani等[21]基于歐洲溫帶樹木的實驗、長期觀察和建模分析，發(fā)現(xiàn)春季和夏季生產(chǎn)力的提高會導(dǎo)致葉片衰老提前而將生長季結(jié)束日期提前。與Zani等的結(jié)果一致，在中國溫帶草原和荒漠草原稀疏植被夏季NDVI的增加將生長季結(jié)束日期提前(圖3a，圖3d-圖3f)，其原因可能是草原植被主要分布在干旱半干旱氣候區(qū)，夏季植被NDVI的增加可能將增加土壤水分的蒸散發(fā)，從而導(dǎo)致植被干旱脅迫而將植被生長季結(jié)束日期提前。Buerman等[6]的研究表明，春季植被生長季開始日期的提前將通過增加蒸散發(fā)而抑制植被生長。Li等[22]的研究認(rèn)為，夏季植被的生長導(dǎo)致青藏高原高寒植被生長季結(jié)束日期提前，這種植被活動可能是通過調(diào)節(jié)水分供應(yīng)來影響生長季結(jié)束日期。這說明，草地植被夏季長勢對生長季結(jié)束日期的影響可能通過水分消耗來產(chǎn)生。如，Tang等[23]研究也表明在水資源有限的地區(qū)，溫度的升高將加劇植被水分壓力，影響其后期生長。但與此相反，中國溫帶森林植被夏季NDVI的增加將推遲生長季結(jié)束日期(圖3a，圖4a-圖4c)，其原因可能是森林主要分布在降水相對充足的濕潤半濕潤地區(qū)，夏季植被長勢的提高(NDVI的增加)可能對秋季長勢(秋季NDVI)產(chǎn)生滯后效應(yīng)(而不是干旱脅迫)，從而將生長季結(jié)束日期推遲。但森林植被夏季生長對其生長季結(jié)束日期的影響機(jī)理有必要進(jìn)一步深入，有必要在不同區(qū)域尺度和不同方法手段來深入研究[21,24]。

氣象因子(氣溫、降水、日照時數(shù))作為植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，對植被生長季結(jié)束日期也產(chǎn)生重要作用。因此，我們進(jìn)一步分析了夏季(圖5)、秋季(圖6)氣象因子與生長季結(jié)束日期的相關(guān)性。從圖可以看出，寒溫帶針葉林(圖5a，圖6a)、暖溫帶闊葉林(圖5b，圖6b)和混交林(圖5c，圖6c)等森林植被類型植被生長季結(jié)束日期與夏秋季氣溫和日照時數(shù)主要呈正相關(guān)。這說明這兩個季節(jié)溫度的升高將增強(qiáng)植被光和酶的活性和光合作用強(qiáng)度，從而減緩秋季葉片衰老的速度，推遲生長季結(jié)束日期[25]；同時，日照時數(shù)的增多可能意味著光合作用時間長度和光合有效輻射的增加，導(dǎo)致森林植被光合能力的提高和葉綠素含量的增加而推遲生長季的結(jié)束日期[26]。與此相反，森林植被生長季結(jié)束日期與降水主要以負(fù)相關(guān)為主，這可能因森林植被主要分布在降水相對充足的地區(qū)，降水量的增加將增加云量來降低溫度和日照時數(shù)等，從而將生長季結(jié)束日提前[1]。而在水分條件較匱乏的草原(圖5d，圖6d)、青藏高原高寒植被(圖5e,圖6e)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)(圖5f,圖6f)分布區(qū)，夏季降水量的增加將推遲其生長季結(jié)束日期。相反，夏季降水量的減小將增加草地植被干旱脅迫，通過使植被“渴死”而提前生長季結(jié)束日期。草地植被分布區(qū)生長季結(jié)束日期與夏季日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而與秋季日照時數(shù)呈正相關(guān)，可能由于日照時數(shù)的增多使植物光合能力增強(qiáng)，推遲生長季結(jié)束日期[25]。但過量的太陽輻射，將進(jìn)一步加快土壤、植物的蒸散發(fā)，加劇干旱脅迫，致使生長季結(jié)束日期提前[27]。需要指出的是，增溫對溫帶草地、高寒草地植被生長季結(jié)束日期呈推遲作用(圖5d-圖5e，圖6d-圖4e)，而荒漠草原植被生長季結(jié)束日期將產(chǎn)生提前作用(圖5f，圖6f)。

注：每個圖的(P)和(N)分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的百分比。下同。

圖6 中國溫帶地區(qū)不同植被類型秋季氣象因子和生長季結(jié)束日期相關(guān)系數(shù)的頻次分布

4 結(jié)論

1982—2015年中國溫帶地區(qū)夏季NDVI值主要介于0.05～0.91之間，總體以增加趨勢為主，各變化比例為不顯著增加(35.449%)>顯著增加(30.114%)>不顯著減小(25.903%)>顯著減小(8.534%)。生長季結(jié)束日期集中在第231～313 d之間波動，且由西北向東南推遲。其中，NDVI低值區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古中西部、青藏高原中西部和新疆地區(qū)，且生長季結(jié)束日期主要集中在第231～276 d之間，NDVI高值區(qū)主要分布在東北地區(qū)、華北地區(qū)及青藏高原的東部等地區(qū)，生長季結(jié)束日期主要集中在第276～313 d之間。

夏季植被長勢對生長季結(jié)束日期的影響存在很大的空間異質(zhì)性，夏季NDVI與生長季結(jié)束日期呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占總面積的64.9%，顯著負(fù)相關(guān)達(dá)20.7%，主要分布在新疆天山以南地區(qū)、青藏高原地區(qū)及內(nèi)蒙古地區(qū)；而呈正相關(guān)關(guān)系的面積占全區(qū)35.1%，主要分布研究區(qū)的東北部和東南部、新疆天山以北地區(qū)及青藏高原中部少數(shù)地區(qū)。在不同植被類型上，寒溫帶針葉林、暖溫帶落葉闊葉林、混交林的夏季NDVI與生長季結(jié)束日期均呈正相關(guān)，而在溫帶草原、青藏高原高寒植被、溫帶荒漠上則相反。

植被生長季結(jié)束日期的變化受多種因素的共同調(diào)節(jié)和控制，本研究初步分析了夏季植被長勢對生長季結(jié)束日期的影響，同時，氣象因子也對生長季結(jié)束日期的變化產(chǎn)生重要影響。此外，生長季開始日期、峰值期、人類活動等對生長季結(jié)束日期的影響有待進(jìn)一步研究。因此，為了更好的理解生長季結(jié)束日期及其控制因素，需要更多的研究和實驗。