青海省草地物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

姜忠峰，孫藝涵，趙勝男，何 文，李正建,4①

(1.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250100;4.黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003)

植物物候是指植被受氣候和其他環(huán)境因子的影響而出現(xiàn)的以年為周期的自然現(xiàn)象[1]，是反映植被物候非生物環(huán)境之間相互作用的周期性規(guī)律，其發(fā)生時(shí)間可以反映陸地生態(tài)系統(tǒng)的短期變化特征[1-3]。作為對(duì)氣候變化較為敏感的草地生態(tài)系統(tǒng)，過去40 a氣候變暖導(dǎo)致草地生長季始期(start of growing season, SOS)發(fā)生顯著變化，嚴(yán)重影響了植物的生產(chǎn)力、物種分布和陸地碳水循環(huán)[4-7]，平均氣候和極端氣候事件的發(fā)生是調(diào)節(jié)草地生態(tài)系統(tǒng)SOS變化的主要因素[8-9]。

目前普遍認(rèn)為全球變暖促進(jìn)了植被春季物候期提前，包括溫帶和寒冷地區(qū)的森林和草原[6-7]。1982—2011年美國、中國和歐洲植被的SOS平均每10 a分別提前0.90、4.20和4.70 d[6,10]。然而，氣候持續(xù)變暖并沒有導(dǎo)致植物物候持續(xù)或穩(wěn)定發(fā)展。倪露等[11]發(fā)現(xiàn)1986—2015年全國草地SOS、生長季末期(end of growing season, EOS)、生長季長度(length of growing season，LOS)變化不顯著，SOS以0.37 d·a-1的速率提前，EOS以0.43 d·a-1的速率推遲，LOS呈不明顯縮短趨勢，但空間差異性較大；陳海蓮等[12]發(fā)現(xiàn)青海省車前草的萌芽期呈提前趨勢，平均每10 a提前1.80 d，枯黃期呈極顯著推遲趨勢，平均每10 a推遲16.30 d；但李廣泳等[13]基于實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)青海湖流域草地物候進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2001—2012年草地返青期呈推遲趨勢，枯黃期變化趨勢不明顯，LOS呈縮短趨勢；而秦格霞等[14]對(duì)1983—2015年西北地區(qū)草地物候的研究發(fā)現(xiàn)，33 a間草地SOS總體表現(xiàn)為提前趨勢，EOS為推遲趨勢，LOS呈延長趨勢。不同學(xué)者對(duì)草地物候期的研究存在差異，有研究指出氣候變暖的同時(shí)，降水時(shí)空分布格局、土壤蒸散發(fā)也發(fā)生了較大變化[15-20]。氣溫變暖雖然極大地改變了春季物候時(shí)間，但不同地區(qū)、不同草地類型對(duì)氣候的響應(yīng)程度不同。如氣候變暖促進(jìn)了寒冷草原的春季物候，尤其是西藏等高緯度地區(qū)；而在季節(jié)性干旱的草地分布區(qū)，春季物候反而隨著氣候變暖進(jìn)展緩慢甚至延遲。這主要是因?yàn)楹洳莸氐拇杭疚锖蚴軠囟鹊恼{(diào)節(jié)，而干燥草地受水分的調(diào)節(jié)[21-25]。氣溫是影響物候變化最主要的因素，在一定范圍內(nèi)溫度升高可以促進(jìn)植物生長發(fā)育，溫度每升高1 ℃，SOS提前約1.12 d，但不同草地植被類型對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)機(jī)制不完全相同[14,17,20,26]。青藏高原大部分地區(qū)溫度是影響植被生長期的主要因素，但在干旱區(qū)SOS對(duì)降水比對(duì)溫度敏感[17]。作為我國以畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)為主的重要地區(qū)，青海省近年來因氣候變暖導(dǎo)致的極端低溫事件減少，極端高溫與降水事件逐漸增加，草原植被退化、植被物候變化、草地地上生物量變化等成為嚴(yán)重影響青海省草原和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素[27-29]。目前雖已有對(duì)青海省草地物候的研究[24-25,29-31]，但關(guān)于物候的變化及成因仍存在較大的爭議，且物候監(jiān)測是草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的一項(xiàng)長期性、經(jīng)常性的重要任務(wù)，需要時(shí)刻關(guān)注。

筆者基于2001—2020年1 km分辨率的NDVI數(shù)據(jù)，輔以動(dòng)態(tài)閾值法，提取了青海省草地物候期，并利用Sen斜率估計(jì)法對(duì)青海省草地物候的時(shí)空變化特征、變化趨勢及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行分析，以期揭示青海省草地物候的時(shí)空變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)與建設(shè)提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

青海省地處中國西北內(nèi)陸(31°36′～39°19′ N，89°35′～103°04′ E)，北部和東部同甘肅相接，西北部與新疆相鄰，南部和西南部與西藏毗連，東南部與四川接壤。地勢總體呈西高東低，南北高中部低的態(tài)勢，平均海拔超過4 000 m，東部為青藏高原向黃土高原過渡地帶。地貌復(fù)雜多樣，東部多山，西部為高原和盆地，兼具青藏高原、內(nèi)陸干旱盆地和黃土高原3種地形地貌，屬高原大陸性氣候區(qū)。但其深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，日照時(shí)間長、輻射強(qiáng)，氣溫日較差大、年較差小，降水量少而不均，年平均氣溫為-5.1～9.0 ℃，1月最冷，7月最熱。全省年太陽輻射總量僅次于西藏高原，日照時(shí)數(shù)為2 336～3 341 h，太陽能資源豐富。青海省草地類型豐富，主要草地類型為山地草甸、高寒草甸、高寒草原和溫帶草原。因其特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響，加之不合理的人為開墾利用，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，水土流失十分嚴(yán)重，是該區(qū)域主要的生態(tài)環(huán)境問題之一[27-29](圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

(1)遙感數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)源于美國航天局(NASA)2001—2020年的MOD13A1，是空間分辨率為1 km、時(shí)間分辨率為16 d、經(jīng)過幾何校正和大氣校正的標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過最大值合成雖然在一定程度上能抑制傳感器觀測角、太陽高度角、云等的影響，但仍然存在一定的異常值。用S-G濾波方法對(duì)NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，并采用國際上通用的將0.05的NDVI年均值作為排除異常值的閾值，將年均NDVI小于0.05的像元排除。

(2)物候驗(yàn)證數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)源于國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥rs.cern.ac.cn/order/myDataOrders)提供的海北站的物候觀測，記錄有草地萌芽期、開花期、結(jié)實(shí)期和枯黃期。因地面觀測的物候期是從植物個(gè)體尺度觀測的，為增加驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可比性，剔除記錄時(shí)間與其他數(shù)據(jù)相差30 d以上的記錄[5,11,14]，并將地面觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)的萌芽期和枯黃期定義為草地植被SOS和EOS，最后計(jì)算儒略日，以保持和遙感監(jiān)測結(jié)果一致。

(3)草地類型數(shù)據(jù)：參照中國1∶100萬草地資源圖，首先根據(jù)全國草地分布區(qū)進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查，后輔以航、衛(wèi)片編制縣級(jí)草地類型圖、草地等級(jí)圖和草地利用現(xiàn)狀圖，最終按照國家統(tǒng)一編制規(guī)范和制圖原則，編制成國家級(jí)1∶100萬草地資源圖[32]。

(4)氣象數(shù)據(jù)：采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/data/cdcindex)提供的日數(shù)據(jù)，包括日氣溫、降水、日最高/最低氣溫和降水，時(shí)間跨度為2001—2020 年，并使用ANUSPLINE方法插值得到柵格尺度分辨率為1 000 m的空間尺度數(shù)據(jù)。將12月—翌年2月定義為冬季，3—5月定義為春季，6—8月定義為夏季，9—11月定義為秋季。根據(jù)氣候變化及極端氣候事件專家組的推薦，選擇日最低氣溫最小值(TNN)、日最低氣溫最大值(TNX)、日最高氣溫最小值(TXN)、日最高氣溫最大值(TXX)、最大1 d降雨量(RX1)、最大5 d降雨量(RX5)作為極端氣候指標(biāo)，各指標(biāo)計(jì)算過程均在MATLAB中完成。

1.3 研究方法

1.3.1物候信息的提取方法

物候提取方法常用的有閾值法、滑動(dòng)平均法、最大比率法、導(dǎo)數(shù)法和函數(shù)擬合法等[2,8,18-22]。考慮到研究區(qū)范圍和NDVI變化特征，采用JONSSON等[33]提出的動(dòng)態(tài)閾值法，基于TIMESAT 3.3平臺(tái)，在像元尺度上設(shè)定不同的NDVI閾值來獲得每個(gè)像元草地植被的SOS、EOS和LOS，閾值設(shè)定根據(jù)實(shí)測物候數(shù)據(jù)，并與前人的研究結(jié)果[5,11,14]進(jìn)行分析對(duì)比，通過反復(fù)試驗(yàn)，最后確定物候SOS和EOS提取閾值為20%和40%。

1.3.2物候變化趨勢的分析

采用非參數(shù)趨勢度Sen趨勢分析法[32]分析2001—2020年青海省草地物候變化趨勢，并基于Mann-Kendall(M-K)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法[27]對(duì)趨勢的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，幾乎不受測量誤差和離群數(shù)據(jù)的干擾[34]。

β=Median [(Xi-Xj)/(i-j)] 。

(1)

式(1)中，β為植被物候變化趨勢；Median為取中值函數(shù)；i、j(2000≤i0時(shí)，物候呈推遲趨勢。

1.3.3物候與氣溫、降水和極端氣候關(guān)系的分析

采用相關(guān)分析法研究草地生長季長度與氣溫、降水和極端氣候的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式[34]為

(2)

1.3.4隨機(jī)森林算法

利用隨機(jī)森林回歸模型對(duì)氣候指標(biāo)影響植被物候的程度進(jìn)行排序。隨機(jī)森林(RF)是Breiman在2001年提出的一種集成學(xué)習(xí)算法，它將多個(gè)決策樹結(jié)合起來，以提高單個(gè)樹的回歸或分類數(shù)性能。決策樹表示一組從根到葉的分層約束[35]。在構(gòu)造單個(gè)決策樹時(shí)，從N個(gè)自變量(M

2 結(jié)果與分析

2.1 植被物候數(shù)據(jù)驗(yàn)證

將海北站物候觀測數(shù)據(jù)作為真值，采用決定系數(shù)(r)、均方根誤差(RMSE)、平均誤差(Bias)對(duì)遙感監(jiān)測的物候期進(jìn)行精度驗(yàn)證。海北站附近觀測的SOS集中在90～110 d，而遙感監(jiān)測的SOS集中在90～115 d，兩者的r=0.68(P<0.05),Bias=0.41,RMSE=4.97 d，誤差小于5 d的站點(diǎn)占全部驗(yàn)證站點(diǎn)數(shù)的70%。海北站觀測的草地EOS集中在275～310 d，遙感監(jiān)測的EOS集中在270～310 d，兩者的r=0.72，Bias=0.40，RMSE=4.83 d(圖2)。結(jié)果表明，除個(gè)別觀測點(diǎn)外，遙感監(jiān)測的草地物候期與地面實(shí)測值之間的誤差小于5 d，考慮到遙感影像的時(shí)間分辨率，該誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

Bias為平均誤差，RMSE為均方根誤差。

2.2 植被物候時(shí)空格局的變化

從圖3～4可知，青海省草地返青期存在明顯的空間差異性，隨海拔升高，SOS呈推遲態(tài)勢，EOS呈提前趨勢，LOS呈不規(guī)律變化。

圖3 2001—2020年青海省草地生長季始期(SOS)、生長季末期(EOS)和生長季長度(LOS)均值的空間分布

草地SOS：79.32%集中在110～150 d，即四月中旬到五月下旬。SOS極端最早值(<90 d)主要分布在柴達(dá)木盆地，植被分區(qū)類型為溫帶灌木、半灌木(Ⅰ區(qū)域)；SOS極端最晚值(>150 d)主要分布在可可西里和唐古拉山脈西部地區(qū)，植被分區(qū)類型主要為高寒草原地帶(Ⅱ區(qū)域)和高寒草甸地帶(Ⅲ區(qū)域)。從不同草地類型來看，SOS的集中區(qū)間差異較小。山地草甸的SOS較其他幾種草地類型早，17.66%面積的SOS小于80 d，66.46%面積的SOS集中在80～150 d；溫性草原、灌草叢和荒漠的SOS集中在120～150 d的像元占比分別為64.36%、70.09%和52.19%；高寒草原的SOS集中在130～160 d的像元占比為63.76%；高寒草甸的SOS集中在110～140 d，較高寒草原約早20 d。

草地EOS: 除柴達(dá)木盆地區(qū)域在250 d之前，其他地區(qū)集中分布在260～290 d。EOS開始最早(<250 d)的區(qū)域主要在柴達(dá)木盆地內(nèi)，開始最晚(>300 d)的區(qū)域集中在柴達(dá)木盆地周圍。Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ區(qū)域的EOS集中在260～280 d，Ⅵ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)域內(nèi)的草地EOS集中在270～300 d。不同草地類型EOS集中分布差異較大。山地草甸和荒漠的EOS集中在250～310 d，所占面積比例約為12%；溫性草原和灌草叢EOS集中在270～290 d；高寒草原和高寒草甸EOS集中在260～280 d。

圖4 2001—2020年青海省不同草地類型(SOS)、生長季末期(EOS)和生長季長度(LOS)統(tǒng)計(jì)

草地LOS：集中在130～180 d，存在明顯的空間差異性。LOS持續(xù)時(shí)間最長的區(qū)域集中在柴達(dá)木盆地，持續(xù)時(shí)間最短區(qū)域集中在可可西里、唐古拉山脈和青海湖周圍。不同草地類型的LOS差異較大。其中，山地草甸和荒漠LOS持續(xù)時(shí)間較其他幾種草地類型長，集中在160～180 d；溫性草原、灌草叢、高寒草原和高寒草甸LOS集中在130～170 d。結(jié)合SOS、EOS的空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)LOS的空間變化規(guī)律與SOS較為一致。

2.3 植被物候期的年際變化分析

分析近20 a青海省草地物候變化趨勢(圖5～6)發(fā)現(xiàn)，88.3%的草地SOS呈顯著提前趨勢(通過顯著性檢驗(yàn)的占66.21%，α=0.05)。

圖5 2001—2020年青海省草地(SOS)、生長季末期(EOS)和生長季長度(LOS)變化趨勢的空間分布

其中柴達(dá)木盆地的SOS提前趨勢最不明顯，以0～0.5 d·a-1的速率提前，其他地區(qū)的SOS提前較明顯(0.5～1.5 d·a-1)；11.8%的SOS呈推遲趨勢，零星分布在布哈河流域周圍。從不同草地類型的年際變化趨勢來看，高寒草原的提前速率最大，以0.61 d·a-1的速率持續(xù)提前，其次為高寒草甸(0.60 d·a-1)，最小的為荒漠(0.06 d·a-1)。

青海省82.36%的草地EOS呈推遲趨勢(通過顯著性檢驗(yàn)的占77.13%，α=0.05)，推遲速率最大的區(qū)域集中在柴達(dá)木盆地周圍及附近的河流境內(nèi)，EOS呈提前趨勢的區(qū)域集中在柴達(dá)木盆地，提前速率集中在0～0.5 d·a-1。從不同草地類型的年際變化曲線來看，EOS的變化較為平穩(wěn)，其中提前趨勢最明顯的為荒漠，平均提前速率為0.36 d·a-1，其次為高寒草甸(0.34 d·a-1)，最小的為灌草叢(0.09 d·a-1)。

青海省草地LOS的像元90.3%表現(xiàn)為延長趨勢(通過顯著性檢驗(yàn)的占83.25%，α=0.05)，延長速率集中在0～1.5 d·a-1。LOS呈提前趨勢的區(qū)域主要集中在柴達(dá)木盆地和昆侖山脈東北坡，延長速率為0.5～1.5 d·a-1。從青海省草地物候年際變化來講，溫性草原和高寒草原的LOS呈縮短趨勢，平均縮短速率為0.26和0.22 d·a-1，其他幾種草地類型的LOS均以不顯著的延長趨勢為主。

圖6 2001—2020年青海省不同草地類型的(SOS)、生長季末期(EOS)和生長季長度(LOS)變化曲線

2.4 物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

采用相關(guān)分析法對(duì)青海省草地SOS與季節(jié)性氣溫(MAT)、降水(MAP)和TNN、TNX、TXN、TXX、RX1、RX5的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),草地SOS與MAP主要呈負(fù)相關(guān)性，尤其在昆侖山脈、巴顏喀拉山和青海湖流域的負(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.3以上，但在柴達(dá)木盆地和可可西里山脈西部表現(xiàn)為正相關(guān)(圖7)。SOS與氣溫主要以正相關(guān)為主，相關(guān)系數(shù)集中在0～0.5，尤其在祁連山脈西部、巴顏喀拉山脈地區(qū)和青海湖周圍地區(qū)正相關(guān)性較高，但在青海省南部的阿尼瑪卿地區(qū)表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)。草地SOS與TNN、TNX、TXN、TXX均以負(fù)相關(guān)性為主，零星分布在柴達(dá)木盆地以東的哈拉湖周圍、昆侖山脈和阿尼瑪卿地區(qū)。SOS與TX1以正相關(guān)為主，呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)集中在海拔高寒草原、高寒草甸和青海湖周圍，其他地區(qū)均以正相關(guān)為主。SOS與TX5以負(fù)相關(guān)為主，尤其在海拔較高的昆侖山脈、巴顏喀拉山脈、祁連山西部和青海湖周圍地區(qū)負(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.5以上。

草地SOS與春季氣溫表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性，SOS在該地區(qū)受春季溫度的影響顯著推遲，且主要草地類型為高寒草原和高寒草甸；SOS對(duì)夏、秋、冬3季的氣溫表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，尤其海拔較高的昆侖山脈、巴顏喀拉山脈和祁連山脈地區(qū)的正相關(guān)性較高；與4季的降水存在顯著的空間差異性，在海拔較高的中部和西部地區(qū)以負(fù)相關(guān)為主，在海拔較低且較為干旱的柴達(dá)木盆地表現(xiàn)為正相關(guān)。

草地EOS與降水以正相關(guān)為主，尤其在唐古拉山脈和龍羊峽水庫以南地區(qū)的正相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.3以上，但在昆侖山脈地區(qū)表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8)。EOS與氣溫以負(fù)相關(guān)為主，相關(guān)系數(shù)集中在0～0.5，尤其在昆侖山脈、巴顏喀拉山脈和青海湖周圍的正相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)集中在0.1以上。

MAP—季節(jié)性降水，MAT—季節(jié)性降溫，TNN—日最低氣溫最小值，TNX—日最低氣溫最大值，TXN—日最高氣溫最小值，TXX—日最高氣溫最大值，RX1—最大1 d降雨量，RX5—最大5 d降雨量。

MAP—季節(jié)性降水，MAT—季節(jié)性降溫，TNN—日最低氣溫最小值，TNX—日最低氣溫最大值，TXN—日最高氣溫最小值，TXX—日最高氣溫最大值，RX1—最大1 d降雨量，RX5—最大5 d降雨量。

EOS與TNN、TNX、TXN、RX1和RX5均以負(fù)相關(guān)為主，集中分布在為昆侖山脈和祁連山以西地區(qū)。EOS與TXX以負(fù)相關(guān)為主，在青海省的西南部地區(qū)以正相關(guān)為主，正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.3以上。

草地EOS與秋季氣溫表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性，表明EOS在該地區(qū)受春季溫度的影響顯著推遲，與春、夏、冬3季的氣溫相關(guān)性不顯著，負(fù)相關(guān)主要集中在昆侖山脈以南地區(qū)，正相關(guān)主要集中在昆侖山脈以北地區(qū)；EOS與春、夏、秋、冬季降水存在顯著的空間差異性，但總體表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 物候變化的趨勢

分析近20 a青海省不同草地類型的物候變化結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2001—2020年青海省草地SOS大部分區(qū)域呈顯著提前趨勢，EOS以不顯著的推遲趨勢為主，但在較為干旱的地區(qū)推遲速率最大；LOS整體表現(xiàn)為延長趨勢(表1)。這一結(jié)論與LIU等[2]提出的在越來越溫暖的氣候條件下，青藏高原植被SOS呈提前趨勢、LOS呈延長趨勢為主一致。先前基于長期遙感數(shù)據(jù)的研究[36-39]沒有發(fā)現(xiàn)青藏高原草地EOS發(fā)生了顯著的變化，青海省草地EOS除較為干旱的地推遲趨勢較為明顯外，其他地區(qū)的變化不明顯。但一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，近50 a來青藏高原經(jīng)歷著長期快速的氣候變化，氣候變暖促進(jìn)了高寒植被SOS提前，春季生物量增加，但生長季中期水分虧缺，加速了EOS的提前[40]；這一結(jié)論與很多學(xué)者的研究結(jié)果[41-43]一致；但與孟凡棟等[42]、周玉科等[30]以及筆者的研究結(jié)果不一致。不同學(xué)者對(duì)草地物候期的研究存在差異，一方面可能是因?yàn)檠芯康臅r(shí)間段不同，另一方面可能是因?yàn)闅夂蜃兣耐瑫r(shí)，降水時(shí)空分布格局、土壤蒸散發(fā)也發(fā)生了較大變化。氣溫變暖雖然極大地改變了春季物候時(shí)間，但不同地區(qū)、不同草地類型對(duì)氣候的響應(yīng)程度不同[15-20]。如氣候變暖促進(jìn)了寒冷草原的春季物候，尤其是高緯度地區(qū)，而在季節(jié)性干旱的草地分布區(qū)，春季物候反而隨著氣候變暖而進(jìn)展緩慢甚至延遲，這主要是因?yàn)楹洳莸氐拇杭疚锖蛑饕軠囟鹊恼{(diào)節(jié)，而干燥草地主要受水分的調(diào)節(jié)[11-15]。

表1 不同氣候指標(biāo)的變化趨勢

3.2 氣候?qū)ξ锖虻挠绊?/h3>

草地物候變化是一個(gè)周期性、持續(xù)性的動(dòng)態(tài)過程，物候變化的制約因素眾多，且各因素之間也存在一定的制約關(guān)系[13]。其中，氣溫和降水被認(rèn)為是影響草地物候的重要?dú)庀笠蜃覽18-21]，但與平均氣候變化相比較而言，極端氣候事件具有突發(fā)性、不可預(yù)測性和破壞性大等特點(diǎn)，因此可能會(huì)嚴(yán)重影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和功能，從而影響植被的生長周期和生產(chǎn)力[44]。目前對(duì)于青海省極端氣候影響草地物候的研究尚鮮見報(bào)道。筆者研究發(fā)現(xiàn)草地SOS與年均降水、春季氣溫、TNN、TNX、TXN、TXX、TX5以負(fù)相關(guān)為主，在海拔較高的中部和西部地區(qū)與降水以負(fù)相關(guān)為主，在海拔較低且較為干旱的柴達(dá)木盆地表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。年均降水減少、春季溫度升高、極端氣候指標(biāo)(TNN、TNX、TXN、TXX)增加和TX5的減少會(huì)導(dǎo)致草地SOS提前。草地SOS與年均氣溫、TX1均表現(xiàn)為不顯著的正相關(guān)關(guān)系。年均氣溫、TX1增加、夏冬氣溫增加和秋季氣溫降低使草地SOS呈不顯著的推遲趨勢。該結(jié)論也進(jìn)一步證實(shí)植被休眠和春季再生需要冷冬和暖春，年前冬季溫度升高會(huì)加長植被休眠時(shí)間，使植被SOS推遲[45]，當(dāng)年春季溫度升高會(huì)增加植被發(fā)芽和葉片擴(kuò)張的熱量，是植被SOS提前的表現(xiàn)[46]。并且有研究也發(fā)現(xiàn)，溫度升高會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，促使土壤中的養(yǎng)分更容易礦化，從而有利于植被進(jìn)入物候期[47]。雖然也有研究發(fā)現(xiàn)，春季溫度的升高會(huì)使得較為干旱地區(qū)的植被生長受到土壤水分脅迫的影響，從而導(dǎo)致植被生長受限，物候期被推遲[48]，但這取決于溫度、太陽輻射、降水和土壤類型等因子對(duì)植被物候的共同作用。

草地EOS與年均降水、TXX、秋季氣溫為不顯著的正相關(guān)關(guān)系，與年均氣溫、TNN、TNX、TXN、RX1和RX5為不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，年均降水量、TXX增加和秋季氣溫升高會(huì)使草地EOS推遲，而年均氣溫升高會(huì)導(dǎo)致草地EOS提前，在干旱和半干旱地區(qū)的植被主要以旱生和強(qiáng)旱生類型為主。在生長階段，降水對(duì)EOS的影響顯著大于溫度，主要是因?yàn)榻邓軌蚓徑馔寥浪值拿{迫，使草地不會(huì)提前進(jìn)入枯黃期[49]。

而青海省的草地主要位于干旱地區(qū)，夏季草地生長嚴(yán)重受到干旱的脅迫，而進(jìn)入秋季之后，溫度迅速降低，草地生長季較短。LIU等[36]研究認(rèn)為，植被在秋季需水量減少、溫度增高，增加光合酶活性，減緩葉綠素的降解。因此，不同季節(jié)溫度升高也是植被EOS推遲的重要因子。

為進(jìn)一步揭示青海省草地物候?qū)夂蜃兓拿舾行?，基于隨機(jī)森林分析了不同氣候因子對(duì)青海省草地物候重要性(圖9)。對(duì)于草地SOS，冬_MAP、RX5、TNX、TXN和春_MAT對(duì)草地的SOS影響較大。對(duì)于草地EOS，受到TNX、夏_MAP、TXN、秋_MAP和年_MAP的影響較大。

春_MAT—春季氣溫；夏_MAT—夏季氣溫；秋_MAT—秋季氣溫；冬_MAT—冬季氣溫；年_MAT—年均氣溫；春_MAP—春季累計(jì)降水；夏_MAP—夏季累計(jì)降水；秋_MAP—秋季累計(jì)降水；冬_MAP—冬季累計(jì)降水；年_MAP—年累計(jì)降水；TNN—日最低氣溫最小值；TNX—日最低氣溫最大值；TXN—日最高氣溫最小值；TXX—日最高氣溫最大值；DTR—?dú)鉁厝蛰^差；RX1—最大1 d降雨量；RX5—最大5 d降雨量。

3.3 遙感提取的物候驗(yàn)證

李廣泳等[13]研究發(fā)現(xiàn)，青海省植被EOS集中在240～300 d，筆者的研究結(jié)果與其有較大差異，但與DENG[50]、孔冬冬[20]的物候期平均分布較為一致。原因可能是前者使用的是EVI數(shù)據(jù)，而筆者和其他研究者使用的均為NDVI數(shù)據(jù)，導(dǎo)致提取的物候數(shù)據(jù)存在較大差異(表2)。此外，研究也利用地面實(shí)測的物候數(shù)據(jù)與遙感識(shí)別的物候監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)誤差在可接受的范圍之內(nèi)。這些結(jié)果表明，利用MOD13Q1物候資料可以獲得青藏高原草地植被的SOS和EOS。

表2 物候監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證

春_MAT為春季氣溫；夏_MAT為夏季氣溫；秋_MAT為秋季氣溫；冬_MAT為冬季氣溫；年_MAT為年均氣溫；春_MAP為春季累計(jì)降水；夏_MAP為夏季累計(jì)降水；秋_MAP為秋季累計(jì)降水；冬_MAP為冬季累計(jì)降水；年_MAP為年累計(jì)降水；TNN為日最低氣溫最小值；TNX為日最低氣溫最大值；TXN為日最高氣溫最小值；TXX為日最高氣溫最大值；RX1為最大1 d降雨量；RX5為最大5 d降雨量。草地類型Ⅰ～Ⅵ參見圖1。

3.4 局限性和未來研究方向

青海省草地植被類型豐富，垂直地帶性顯著，且不同草地類型、不同開花功能群的植物對(duì)氣候變化的敏感程度不同，如SHERRY等[51]研究發(fā)現(xiàn)，早花功能群植物對(duì)降溫的敏感性較高；WANG等[52]研究發(fā)現(xiàn)，中花功能群植物對(duì)增溫敏感性高于降溫，不同物種物候期對(duì)環(huán)境因子響應(yīng)也不完全相同，即使在相同的水熱條件下，特別是高寒地帶，不同植物的萌動(dòng)發(fā)芽和物候特征亦不相同。雖然筆者基于較高分辨率的遙感數(shù)據(jù)對(duì)青海省不同草地類型對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了一些有益的探索，但未能關(guān)注草地個(gè)體特性受氣候變化的影響差異，也未能考慮到降水時(shí)間、土壤持水量等因素對(duì)草地物候的影響。

4 結(jié)論

基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)及站點(diǎn)插值的氣象數(shù)據(jù)，分析了2001—2020年青海省草地物候的時(shí)空格局和變化趨勢，探討了氣候因子對(duì)物候的影響。結(jié)果表明：

(1)青海省草地SOS集中在110～150 d，大部分區(qū)域的SOS以0～1.5 d·a-1的速率提前，其中山地草甸的<溫性草原、灌草叢和荒漠<高寒草甸<高寒草原。EOS集中在260～290 d，大部分區(qū)域表現(xiàn)為推遲趨勢。LOS為130～180 d，大部分區(qū)域表現(xiàn)為延長趨勢。

(2)青海省草地物候總體表現(xiàn)為隨海拔升高，SOS逐漸推遲，EOS緩慢推遲、LOS不規(guī)律變化的態(tài)勢。

(3)青海省草地SOS主要受到冬_MAP、RX5、TNX、TXX和春_MAT的影響。其中，年_MAP減少、春_MAT升高、氣溫的極端氣候指標(biāo)(TNN、TNX、TXN、TXX)增加和TX5的減少會(huì)使導(dǎo)致草地SOS提前。年_MAT的增加、TX1的增加、夏_MAT、冬_MAT的增加和秋_MAT的降低使草地SOS呈不顯著的推遲趨勢

(4)青海省草地EOS主要受TXX、夏_MAP、TNX、秋_MAP和年_MAP的影響較大。其中，年_MAP的增多、TXX增加和秋季氣溫的升高會(huì)使草地EOS推遲，而年_MAT的升高會(huì)導(dǎo)致草地EOS提前。