基于MODIS數(shù)據(jù)的青藏高原植被物候變化趨勢(shì)研究(2000年～2010年)

劉雙俞，張麗，王翠珍，閆敏，周宇，鹿琳琳

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.湘潭市國土資源測(cè)繪院，湖南 湘潭 411100；3.美國南卡羅來納大學(xué)，哥倫比亞 S.C.29208)

1 引 言

青藏高原是全球變化的敏感區(qū)域，其植物區(qū)系也還比較年輕，在高原特殊的地理環(huán)境下，物種脆弱敏感，由于氣候變化的不確定性，高原的生物多樣性受到威脅[1]。隨著全球變暖，許多植物和動(dòng)物通過改變自身的生長活動(dòng)(如植物的萌發(fā)、開花、結(jié)果、凋謝和某些動(dòng)物的遷徙、冬眠等)來適應(yīng)全球大氣、水分、土壤等成分的變化。植被物候與氣候存在緊密關(guān)聯(lián)，探索植物物候與氣候變化的關(guān)系，對(duì)于大尺度生長季節(jié)動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化響應(yīng)與反饋的模擬與預(yù)測(cè)研究有至關(guān)重要的意義，對(duì)采取措施改善青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要的指導(dǎo)意義，也可以為發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)提供決策支持[2]。

借助遙感方法可以克服傳統(tǒng)定點(diǎn)物候觀測(cè)代表區(qū)域有限的缺點(diǎn)[2-4]，可進(jìn)行地區(qū)、國家、大洲，甚至全球尺度的物候監(jiān)測(cè)[5]?；谶b感影像序列的植被物候研究的關(guān)鍵技術(shù)為物候參數(shù)的提取，即根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的植被指數(shù)數(shù)據(jù)提取物候信息。根據(jù)物候參數(shù)分析植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)，可以有效監(jiān)測(cè)氣候變化[6-8]。

本文基于8天合成的MODIS反射率產(chǎn)品(空間分辨率500m)提取青藏高原地區(qū)2000年～2010年的植被物候參數(shù)，即生長季開始時(shí)間、生長季結(jié)束時(shí)間和生長季長度，并根據(jù)這3個(gè)物候參數(shù)分析青藏高原植被的物候變化趨勢(shì)，分析青藏高原植被物候與氣候因子的相關(guān)性。

2 研究區(qū)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

青藏高原(Tibetan Plateau)跨距25°N～40°N，74°E～104°E，總面積2500000km2，約占中國陸地總面積的1/4，其地理位置及青藏高原的植被分布如圖1所示。青藏高原氣候獨(dú)特，氣溫低、日溫差大、年溫差小，并且高原地勢(shì)高，大氣密度很小，氣壓很低，含氧量少，日照長、輻射強(qiáng)，干濕季分明，干季多大風(fēng)[9]。在青藏高原地區(qū)，植被類型豐富，草地資源也異常豐富，占全國草地總面積的1/3。從構(gòu)成自然景觀外貌的植被來說，高原廣泛分布著高寒灌叢草甸、高寒草原、高寒荒漠以及高寒草甸植被等類型。研究植被物候的變化趨勢(shì)，對(duì)區(qū)域尺度上的可持續(xù)發(fā)展提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。本文的研究重點(diǎn)是青藏高原的草地物候，主要集中于該區(qū)的荒漠草、草原草、草甸草3種草地類型，根據(jù)青藏高原1∶100萬植被覆蓋圖，這3種草地類型占整個(gè)青藏高原面積的63%左右，超過總面積的一半。

圖1 青藏高原植被分布圖(根據(jù)1∶100萬中國植被圖集[10]修改)

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)主要包括2000年～2010年8天合成的MODIS反射率產(chǎn)品(MOD09A1)和2000年～2010年由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括研究區(qū)行政邊界與青藏高原地區(qū)1∶100萬植被覆蓋圖，通過地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲得。

遙感數(shù)據(jù)源MODIS二級(jí)產(chǎn)品MOD09A1考慮了高觀測(cè)覆蓋、低視角、無云或削弱云的陰影及氣溶膠濃度的影響等，但由于這些不利因素不能嚴(yán)格剔除，因此需先對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 物候參數(shù)反演

物候參數(shù)的提取主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、NDVI數(shù)據(jù)平滑、物候參數(shù)反演、物候參數(shù)提取4個(gè)步驟。本文分析2000年～2010年植被的物候期，首先按時(shí)間序列準(zhǔn)備用來提取物候參數(shù)的實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)，然后針對(duì)青藏高原植被NDVI時(shí)間序列曲線，分別采用Savizky-Golay函數(shù)法(S-G函數(shù)法)、Asymmetric Gaussian函數(shù)法(A-G函數(shù)法)、Logistic函數(shù)法方法重構(gòu)NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，如圖2所示。由圖2可看出A-G方法數(shù)據(jù)質(zhì)量保持較好，這是因?yàn)锳-G方法受噪聲影響較小，也能較好地保留數(shù)據(jù)真實(shí)值，從而減小由于噪聲而造成研究結(jié)果的不確定性，因此本文最終使用A-G方法(式(1))進(jìn)行NDVI數(shù)據(jù)的平滑。

目前，根據(jù)NDVI時(shí)間序列反演物候參數(shù)的方法大體上可以分為斜率法和閾值法兩大類[11-13]。斜率法就是根據(jù)NDVI時(shí)間序列的曲線斜率來確定植被的生長季開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。斜率最大時(shí)界定為植被生長開始時(shí)間，斜率最小值時(shí)為植被生長結(jié)束時(shí)間。但當(dāng)外界條件影響植被生長狀況時(shí)，對(duì)植被NDVI曲線斜率有影響，不能根據(jù)斜率來判斷植被的生長期，所以斜率法并不適合物候參數(shù)的提取，尤其是長時(shí)間序列物候參數(shù)的提取。而閾值法就是根據(jù)NDVI時(shí)間序列中各個(gè)生長季內(nèi)的NDVI值，在最大值和最小值之間確定一組閾值，在一個(gè)生長季內(nèi)NDVI值上升過程中達(dá)到某對(duì)應(yīng)閾值的時(shí)刻被確定為生長季開始時(shí)間，NDVI值下降過程中達(dá)到某對(duì)應(yīng)閾值的時(shí)刻確定為植被生長結(jié)束時(shí)間。由于青藏高原植被以相對(duì)單一的高山草原為主，生長曲線比較對(duì)稱，本文采用閾值法對(duì)該區(qū)域植被物候參數(shù)進(jìn)行研究，且此方法在該地區(qū)已得到廣泛的應(yīng)用[14-15]。由于研究區(qū)域范圍較大，本研究針對(duì)試驗(yàn)區(qū)域多個(gè)樣點(diǎn)的NDVI閾值進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，選取植被NDVI值開始顯著變化的時(shí)刻為生長季開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，最終確定對(duì)應(yīng)的NDVI閾值為0.3。

圖2 3種擬合方法比較

非對(duì)稱性高斯函數(shù)擬合法(A-G)基本公式為[16]：

(1)

其中，x1是相對(duì)于獨(dú)立時(shí)間變量t的最大值或最小值，x2、x3確定右邊函數(shù)的寬度和平整度，x4、x5確定的是左邊函數(shù)的寬度和平整度。

4 結(jié)果分析

4.1 植被物候的空間差異

青藏高原地域廣闊，地形復(fù)雜，氣候條件也不同，從空間上講，不同區(qū)域內(nèi)植被的物候期也有差異。圖3反映2000年～2010年青藏高原植被返青期，即生長季開始時(shí)間的多年平均狀況。由圖3可知植被的返青季開始時(shí)間從4月下旬開始，一直持續(xù)到6月份，大部分集中于5月中旬和6月上旬之間。整個(gè)區(qū)域內(nèi)從東南到西北逐漸推遲，最遲的集中在西藏自治區(qū)的西部地區(qū)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)草原草和草甸草交錯(cuò)分布，植被的返青期推遲到6月上中旬，這驗(yàn)證了宋春橋[14]結(jié)論。

青藏高原生長季結(jié)束時(shí)間(圖4)的整體差異不如生長季開始時(shí)間明顯。青海省和西藏自治區(qū)內(nèi)植被的生長結(jié)束時(shí)間相對(duì)集中，部分植被在10月份開始枯黃，沒有明顯的空間遞變規(guī)律。四川省的東北部植被生長季結(jié)束時(shí)間在10月下旬，這可能是因?yàn)樗拇ㄅ璧匚鞅辈拷邓勘容^多，水分條件充足，植被生長旺盛，生長季結(jié)束時(shí)間晚。

圖3 青藏高原植被生長季開始時(shí)間多年平均值(2000年～2010年)

圖4 青藏高原植被生長季結(jié)束時(shí)間多年平均值(2000年～2010年)

青藏高原植被生長季長度(圖5)綜合了青藏高原植被生長季開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的空間分布規(guī)律。青藏高原的地勢(shì)總體上西高東低，植被的生長季長度自東南向西北逐漸縮短，甘肅省和四川省交界區(qū)域內(nèi)植被生長季持續(xù)時(shí)間最長，超過5個(gè)半月。青海省內(nèi)東部區(qū)域生長季長度為5個(gè)月，也有從東南到西北逐漸縮短的趨勢(shì)。在西藏自治區(qū)內(nèi)植被生長季長度普遍較短，大約在4個(gè)月左右，但是在納木錯(cuò)湖和色林錯(cuò)湖周圍水分充足的地區(qū)，草甸草原帶的生長季相對(duì)來說明顯要長。

圖5 青藏高原植被生長季持續(xù)時(shí)間多年平均值(2000年～2010年)

4.2 植被物候參數(shù)的年際變化

本文采用線性擬合法計(jì)算植被物候期的變化趨勢(shì)，根據(jù)計(jì)算的2000年～2010年間青藏高原植被的生長季開始時(shí)間、生長季結(jié)束時(shí)間和生長季持續(xù)時(shí)間的年際變化，分析青藏高原植被的物候變化趨勢(shì)。圖6表示青藏高原植被2000年～2010年生長季開始的年際變化。整個(gè)青藏高原地區(qū)從東到西隨著海拔升高，生長季開始時(shí)間逐漸推遲。生長季開始時(shí)間提前區(qū)域主要集中在青藏高原中部，大部分在青海省境內(nèi)，可能是由于降雨增加和氣溫升高的共同作用導(dǎo)致植被生長有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。圖7表示青藏高原植被2000年～2010年生長季結(jié)束時(shí)間的年際變化。變化區(qū)域主要集中在西藏、青海省境內(nèi)，變化的時(shí)間范圍較短，多為1天～5天。此外，生長季結(jié)束時(shí)間提前區(qū)域的主要植被是高山草甸草，推遲區(qū)域的植被類型主要是高山草原草，這說明高寒草地物候期在此研究時(shí)間段內(nèi)變化更大。

圖6 2000年～2010年青藏高原植被生長季開始時(shí)間年際變化

圖7 2000年～2010年青藏高原植被生長季結(jié)束時(shí)間年際變化

圖8 2000年～2010年青藏高原植被生長季持續(xù)時(shí)間年際變化

圖8表示青藏高原植被生長季長度在2000年～2010年的年際變化。受生長季開始和結(jié)束時(shí)間變化的綜合影響，變化區(qū)域主要集中在青藏高原中西部地區(qū)的西藏、青海省境內(nèi)，從變化趨勢(shì)看，生長季長度顯著延長和縮短的區(qū)域所占全區(qū)域的比例很少，變化天數(shù)主要集中在1天～5天，占整個(gè)青藏高原面積的33.5%左右。

表1是生長季開始時(shí)間、生長季結(jié)束時(shí)間和生長季長度3個(gè)指標(biāo)年際變化的不同變化程度所占青藏高原總體面積的百分比。由表可得，超過一半的區(qū)域是保持生長季開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和生長季長度不變的。綜合來看，3個(gè)物候參數(shù)年際變化天數(shù)超過20天的區(qū)域很少，占整個(gè)青藏高原面積的1%以下，提前5天～20天的占了4%左右，推遲或提前1天～5天的區(qū)域面積大，是物候期變化的主體。由于地域差異，青藏高原植被生長開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間提前或推遲程度不同，植被的生長季開始時(shí)間提前和推遲的區(qū)域面積相當(dāng)，生長季長度不同程度延長的區(qū)域面積都明顯大于生長季縮短區(qū)域，青藏高原植被的整體生長季長度是延長的。

4.3 植被物候變化對(duì)氣候的響應(yīng)

溫度和降水是植被生長的主要影響因子，氣溫和降水的變化直接影響植被的生長狀況，隨著時(shí)間的積累，逐漸體現(xiàn)在植被的物候期變化。本文選取青藏高原地區(qū)2000年～2010年不同站點(diǎn)的逐月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，得出生長季開始時(shí)間和生長季結(jié)束時(shí)間變化區(qū)域內(nèi)氣溫和降水的季節(jié)變化，季節(jié)劃分情況是冬季12月～2月，春季3月～5月，夏季6月～8月，秋季9月～11月。根據(jù)這11年內(nèi)的氣溫和降水變化情況與植被物候期進(jìn)行相關(guān)性分析，說明植被物候期變化對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)情況。

表1 物候參數(shù)年際變化面積統(tǒng)計(jì)

青藏高原青海、西藏兩省的植被物候期變化明顯，青藏高原大部分地區(qū)植被的返青開始時(shí)間集中在5月份，生長結(jié)束時(shí)間集中在9月底、10月初，上年10月到當(dāng)年4月份的氣溫和降水則是為植被生長準(zhǔn)備條件。冬春季氣溫、降水對(duì)植被生長影響較大，氣溫升高，能較早達(dá)到植被生長所需的有效積溫，冰川、積雪等融化速度也加快，補(bǔ)充地下水、補(bǔ)給湖泊水，降水量適當(dāng)增加，保證植被生長水量充足，都有利于植被返青期提前，而夏、秋季節(jié)的氣溫降水量變化對(duì)植被生長結(jié)束時(shí)間影響較大。生長季開始時(shí)間和生長季結(jié)束時(shí)間變化顯著的氣象站點(diǎn)分別如表2、表3所示。

表2 生長季開始時(shí)間變化顯著站點(diǎn)的物候和氣象參數(shù)相關(guān)性

本文根據(jù)2000年～2010年青藏高原的月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)季節(jié)的氣溫和降水變化及其與物候參數(shù)的相關(guān)性。由表2可以看出，8個(gè)站點(diǎn)中有5個(gè)的生長季開始時(shí)間與冬季氣溫的相關(guān)性要高于春季氣溫，說明在這些地區(qū)冬季氣溫對(duì)植被生長季開始時(shí)間的影響要高于春季氣溫。而春季降水量變化對(duì)植被的影響比較明顯，基本上都成負(fù)相關(guān)，即春季降水量增加，植被開始生長物候期提前。

由表3可以看出，除改則、拉孜、囊謙站點(diǎn)外，其他站點(diǎn)夏季氣溫與植被生長季結(jié)束時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，夏季氣溫升高，在一定程度上使植被的新陳代謝活動(dòng)加快，可能使植被提前進(jìn)入生長衰退期，植被結(jié)束生長的時(shí)間提前。但是夏季降水量與植被生長季結(jié)束時(shí)間呈正相關(guān)，夏季降水增多，植被生長結(jié)束時(shí)間晚。秋季氣溫和降水量都與植被生長結(jié)束時(shí)間呈正相關(guān)，秋季氣溫高，降水量充足，也是植物生長的好時(shí)節(jié)，可以認(rèn)為是植物生長的第二個(gè)季節(jié)，可以延長植被的生長期，所以秋季氣溫升高，降水增加使植被的枯黃期推遲。

表3 生長季結(jié)束時(shí)間變化顯著站點(diǎn)的物候和氣象參數(shù)相關(guān)性

氣溫和降水對(duì)植被生長的影響并不是相互獨(dú)立，而是相互制約的。氣溫升高也會(huì)加劇高原地區(qū)的干旱，荒漠化也更嚴(yán)重，使得水分條件對(duì)植被的生長更為重要。雖然氣溫升高，草地生長期提前，但也需要有充足的水分條件作保證。如青海省2008年，盡管夏季氣溫偏高，但是降水時(shí)空分布不均，在植被生長旺盛期又出現(xiàn)階段性旱情，大部分地區(qū)牧草長勢(shì)較差[17]。此外，在枯黃期，低溫干燥的天氣也對(duì)牧草生長造成極大負(fù)面影響，使牧草提前進(jìn)入枯黃期，生長季結(jié)束時(shí)間會(huì)提前。由于地域差異性，在不同的氣候區(qū)由于日照時(shí)間、多風(fēng)或人類自身的活動(dòng)等其他因素的綜合影響，氣溫和降水影響植被生長的主導(dǎo)地位也不同。

5 結(jié)束語

本文以青藏高原為研究對(duì)象，根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)集8天合成的MODIS反射率產(chǎn)品數(shù)據(jù)集計(jì)算NDVI，提取青藏高原植被的主要物候指標(biāo)：生長季開始時(shí)間、生長季結(jié)束時(shí)間和生長季長度，對(duì)青藏高原的草地物候變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候因子(氣溫和降水)變化的響應(yīng)情況做了相應(yīng)的研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)整個(gè)青藏高原地區(qū)從東到西隨著海拔升高生長季開始時(shí)間逐漸變晚，植被的返青期從4月下旬開始，大部分地區(qū)的返青開始時(shí)間集中在5月～6月份。青藏高原生長季結(jié)束期在空間上的差異整體不顯著，從9月中旬開始結(jié)束生長，尤其是青海省和西藏自治區(qū)內(nèi)植被的生長結(jié)束時(shí)間相對(duì)集中，部分區(qū)域在10月份開始結(jié)束生長。

(2)由于地域差異，青藏高原植被生長開始和結(jié)束時(shí)間提前或推遲程度不同，青藏高原植被的整體生長季長度是延長的，但延長幅度不大。

(3)氣溫和降水共同影響植被的生長，而植被對(duì)不同季節(jié)的氣溫和降水的響應(yīng)情況有所不同。冬季氣溫適當(dāng)增加，使植被生長開始時(shí)間提前，且冬季氣溫對(duì)植被生長的影響要高于春季氣溫；夏季氣溫升高，使植被提前進(jìn)入生長衰退期；秋季氣溫升高，降水增加使植被的枯黃期推遲。

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