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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)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(zhǎng)季開(kāi)始日期(Starting of growing season,SOS)、生長(zhǎng)季峰值期(Peak of growing season, POS)、生長(zhǎng)季結(jié)束日期(End of growing season,EOS)和生長(zhǎng)季長(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期比生長(zhǎng)季開(kāi)始日期的變化對(duì)植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)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(guó)東部溫帶落葉林中,生長(zhǎng)季開(kāi)始日期每提前一天,凈碳吸收增加4.48 gC·m-2,生長(zhǎng)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(shuō)明生長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)狀況,直觀反映植被長(zhǎng)勢(shì)好壞[7],通過(guò)監(jiān)測(cè)植被長(zhǎng)勢(shì)動(dòng)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(zhǎng)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(duì)植被生長(zhǎng)的影響,而夏季植被的生長(zhǎng)或退化可能對(duì)生長(zhǎng)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(guó)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(guó)溫帶地區(qū)夏季(6月—8月)植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的影響,同時(shí),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(zhǎng)季結(jié)束日期對(duì)氣象因子的響應(yīng)。研究結(jié)果為更好的理解中國(guó)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)。
本文以中國(guó)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(rùn)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(duì)NDVI時(shí)間序列的影響,我們提取植被多年平均NDVI>0.1的像元[10]。
本研究將利用美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)全球監(jiān)測(cè)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(lái)反映中國(guó)溫帶植被夏季生長(zhǎng)及識(shí)別生長(zhǎng)季結(jié)束日期。數(shù)據(jù)來(lái)自于http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/,覆蓋時(shí)間為1982—2015年。GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集的時(shí)間和空間分辨率分別為15 d和8 km[11],在此,對(duì)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(shí)間序列數(shù)據(jù)。
中國(guó)植被區(qū)劃圖來(lái)源于中國(guó)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(wàn)植被區(qū)劃數(shù)據(jù)。中國(guó)植被區(qū)劃圖將全國(guó)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(guò)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(zhǎng)的季節(jié)變化不明顯和難以識(shí)別生長(zhǎng)季結(jié)束日期[1],在此不予分析。
氣象數(shù)據(jù)為中國(guó)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(shí)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]。
1.3.1生長(zhǎng)季結(jié)束日期提取方法
利用時(shí)間諧波序列分析法(Harmonic analysis of NDVI time series,HANTS)[14]和累計(jì)NDVI的Logistic 曲線曲率極值法[15]提取植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期。HANTS通過(guò)對(duì)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(duì)NDVI數(shù)據(jù)的干擾。在此基礎(chǔ)上,逐像元計(jì)算每年24景NDVI數(shù)據(jù)的累計(jì)值,再對(duì)累計(jì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行四參數(shù)Logistic曲線擬合(公式(1))和計(jì)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(duì)應(yīng)的日期定義為生長(zhǎng)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(shí)間t對(duì)應(yīng)的累計(jì)NDVI值;d是背景NDVI,c+d為累計(jì)NDVI的最大值,a和b是擬合參數(shù)。
1.3.2Theil-Sen median趨勢(shì)分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)
本文采用Theil-Sen median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)法計(jì)算植被夏季NDVI和生長(zhǎng)季結(jié)束日期的變化趨勢(shì)[16]。Theil-Sen median方法是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法,可以減少時(shí)間序列數(shù)據(jù)中異常值對(duì)趨勢(shì)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≤i
Mann-Kendall檢驗(yàn)用來(lái)判斷趨勢(shì)的顯著性與否,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,計(jì)算方便,無(wú)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(jì)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(shí)間序列的長(zhǎng)度;sgn表示符號(hào)函數(shù)。本文以α=0.05置信水平判斷變化趨勢(shì)的顯著性,將檢驗(yàn)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(jì)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(shí)數(shù))與生長(zhǎng)季結(jié)束日期之間的相關(guān)系數(shù)。
(9)
1982—2015年間,中國(guó)溫帶植被夏季平均NDVI值具有很大的空間差異(圖2a)。整體來(lái)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(rùn)和分布著廣闊的森林植被,其夏季NDVI值高達(dá)0.80以上。
過(guò)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(shì)的區(qū)域零散分布在東北大、小興安嶺及長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì),在第231~354 d之間波動(dòng)(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(zhǎng)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(shì)(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(zhǎng)白山一帶、華北平原的南部及青藏高原的東南地區(qū)生長(zhǎng)季結(jié)束日期出現(xiàn)較晚,為第283~313 d,且生長(zhǎng)季結(jié)束日期呈現(xiàn)出推遲的趨勢(shì),顯著推遲的面積約占研究區(qū)15.18 %(圖2d)。
審圖號(hào):GS(2021)4818號(hào)
圖3反映了中國(guó)溫帶地區(qū)夏季植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的影響。從圖可看出,夏季平均NDVI與生長(zhǎng)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(shuō)明,在這些區(qū)域夏季植被長(zhǎng)勢(shì)好,可能將生長(zhǎng)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(zhǎng)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?yàn)?.0 %。這說(shuō)明,在這些地區(qū)隨著夏季NDVI值的增加,生長(zhǎng)季結(jié)束日期可能會(huì)推遲。這些地區(qū)多為濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū),分布著森林和農(nóng)田。
審圖號(hào):GS(2021)4818號(hào)
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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)區(qū)間。
P=0.051)等草地植被夏季NDVI與生長(zhǎng)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(zhǎng)勢(shì)越旺盛,生長(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期可能平均提前3.17、7.23、5.51 d。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的提前作用明顯大于森林植被夏季長(zhǎng)勢(shì)對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的推遲作用。
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(duì)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(guó)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(shì),東北地區(qū)反之(圖2b),這與高江波等[19]觀測(cè)到的趨勢(shì)結(jié)果基本一致。生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)NDVI曲率極值法,得到1983—2015年中國(guó)溫帶地區(qū)的生長(zhǎng)季結(jié)束日期主要在第220~310 d之間波動(dòng)。本研究與先前的研究結(jié)果大體相似,生長(zhǎng)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(shí)別方法、植被類型、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度的不同而略有差異。
Zani等[21]基于歐洲溫帶樹(shù)木的實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致葉片衰老提前而將生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前。與Zani等的結(jié)果一致,在中國(guó)溫帶草原和荒漠草原稀疏植被夏季NDVI的增加將生長(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期提前。Buerman等[6]的研究表明,春季植被生長(zhǎng)季開(kāi)始日期的提前將通過(guò)增加蒸散發(fā)而抑制植被生長(zhǎng)。Li等[22]的研究認(rèn)為,夏季植被的生長(zhǎng)導(dǎo)致青藏高原高寒植被生長(zhǎng)季結(jié)束日期提前,這種植被活動(dòng)可能是通過(guò)調(diào)節(jié)水分供應(yīng)來(lái)影響生長(zhǎng)季結(jié)束日期。這說(shuō)明,草地植被夏季長(zhǎng)勢(shì)對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的影響可能通過(guò)水分消耗來(lái)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(zhǎng)。但與此相反,中國(guó)溫帶森林植被夏季NDVI的增加將推遲生長(zhǎng)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(duì)充足的濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū),夏季植被長(zhǎng)勢(shì)的提高(NDVI的增加)可能對(duì)秋季長(zhǎng)勢(shì)(秋季NDVI)產(chǎn)生滯后效應(yīng)(而不是干旱脅迫),從而將生長(zhǎng)季結(jié)束日期推遲。但森林植被夏季生長(zhǎng)對(duì)其生長(zhǎng)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(lái)深入研究[21,24]。
氣象因子(氣溫、降水、日照時(shí)數(shù))作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子,對(duì)植被生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期與夏秋季氣溫和日照時(shí)數(shù)主要呈正相關(guān)。這說(shuō)明這兩個(gè)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(zhǎng)季結(jié)束日期[25];同時(shí),日照時(shí)數(shù)的增多可能意味著光合作用時(shí)間長(zhǎng)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(zhǎng)季的結(jié)束日期[26]。與此相反,森林植被生長(zhǎng)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(duì)充足的地區(qū),降水量的增加將增加云量來(lái)降低溫度和日照時(shí)數(shù)等,從而將生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)使植被“渴死”而提前生長(zhǎng)季結(jié)束日期。草地植被分布區(qū)生長(zhǎng)季結(jié)束日期與夏季日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān),而與秋季日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān),可能由于日照時(shí)數(shù)的增多使植物光合能力增強(qiáng),推遲生長(zhǎng)季結(jié)束日期[25]。但過(guò)量的太陽(yáng)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(zhǎng)季結(jié)束日期提前[27]。需要指出的是,增溫對(duì)溫帶草地、高寒草地植被生長(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期將產(chǎn)生提前作用(圖5f,圖6f)。
注:每個(gè)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(guó)溫帶地區(qū)不同植被類型秋季氣象因子和生長(zhǎng)季結(jié)束日期相關(guān)系數(shù)的頻次分布
1982—2015年中國(guó)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(shì)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(zhǎng)季結(jié)束日期集中在第231~313 d之間波動(dòng),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(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期主要集中在第276~313 d之間。
夏季植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)勢(shì)對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的影響,同時(shí),氣象因子也對(duì)生長(zhǎng)季結(jié)束日期的變化產(chǎn)生重要影響。此外,生長(zhǎng)季開(kāi)始日期、峰值期、人類活動(dòng)等對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)季結(jié)束日期及其控制因素,需要更多的研究和實(shí)驗(yàn)。