近15年黃土高原植被物候時(shí)空變化特征分析

李 強(qiáng)，張 翀，任志遠(yuǎn)

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近15年黃土高原植被物候時(shí)空變化特征分析

李 強(qiáng)1,2，張 翀3，任志遠(yuǎn)1

（1陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710119；2陜西學(xué)前師范學(xué)院環(huán)境與資源管理系，西安 710100；3寶雞文理學(xué)院陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與 機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西寶雞 721013）

【目的】黃土高原處于從濕潤(rùn)向干旱過渡、從森林向草原過渡、從農(nóng)業(yè)向牧業(yè)過渡的地區(qū)，是中國(guó)氣候變化與農(nóng)業(yè)發(fā)展的敏感地帶，針對(duì)此區(qū)域的地表植被覆蓋物候特征研究，對(duì)于該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)具有重要的指示意義。通過分析不同時(shí)間序列、不同海拔高度與水熱條件下植被物候趨勢(shì)的差異，以期為黃土高原當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供有用的理論支撐與決策依據(jù)?！痉椒ā炕?998—2012年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)，并結(jié)合諧波分析法、線性趨勢(shì)等方法對(duì)黃土高原各年植被物候特征值進(jìn)行了確定，并分析了物候的變化趨勢(shì)?！窘Y(jié)果】（1）1998—2012年，生長(zhǎng)季始期平均每年提前0.9 d。生長(zhǎng)季末期平均每年推遲約0.8 d。在生長(zhǎng)季始期提前和末期推遲的作用下，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度平均每年延長(zhǎng)1.7 d。（2）黃土高原水熱組合直接影響植被物候的空間差異性，植被生長(zhǎng)的限制性氣溫為9℃，限制性降水分別為475 mm與540 mm，限制性海拔為1 750 m。（3）植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度趨勢(shì)與海拔和氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)分別為0.0591和0.0139，與降水的空間偏相關(guān)系數(shù)為-0.0174，三要素與生長(zhǎng)季始期趨勢(shì)的相關(guān)程度較與生長(zhǎng)季末期趨勢(shì)強(qiáng)?！窘Y(jié)論】黃土高原植被物候特征趨勢(shì)明顯且穩(wěn)定的區(qū)域主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)。西北部干旱區(qū)荒漠草原區(qū)，物候變化主要受氣溫控制。半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)與草原區(qū)，物候變化主要受到降水量控制。汾渭盆地農(nóng)業(yè)區(qū)，物候變化受水熱共同作用。水熱的差異對(duì)秦巴山地闊葉林區(qū)植被物候的影響不明顯。海拔對(duì)黃土高原植被物候變化趨勢(shì)上的影響不明顯。生長(zhǎng)季長(zhǎng)度趨勢(shì)在生長(zhǎng)季始期和生長(zhǎng)季末期的共同作用下隨海拔和氣溫的增加的延長(zhǎng)趨勢(shì)增強(qiáng)，隨降水增加的縮短趨勢(shì)增強(qiáng)。同種植被物候趨勢(shì)隨海拔、降水、氣溫的變化特征具有一致性，生長(zhǎng)季始期的變化特征對(duì)于植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化影響較生長(zhǎng)季末期強(qiáng)。

植被覆蓋；生長(zhǎng)季；諧波分析；傅里葉插值；黃土高原

0 引言

【研究意義】黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱，水旱災(zāi)害、氣象災(zāi)害以及水土流失等農(nóng)業(yè)災(zāi)害比較頻繁和嚴(yán)重。植被作為陸地生態(tài)圈的重要組成，是氣候系統(tǒng)的重要元素[1]，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境與自然災(zāi)害有重要影響，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)具有重要意義[2]。在這樣的背景下，掌握研究區(qū)地表植被覆蓋度年際間的變化規(guī)律與空間差異性特征，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過程、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)際意義[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）由紅波段與近紅外波段的反射率計(jì)算而來[4]，和植物的生產(chǎn)力密切相關(guān)[5]，并且NDVI趨勢(shì)可以用來衡量植被覆蓋的改善與退化[6]。NDVI趨勢(shì)被用在很多測(cè)算中，包括農(nóng)業(yè)發(fā)展的生態(tài)響應(yīng)[7]、物候變化[8]、作物狀況[9]、耕地利用[10]以及土壤肥力變化[11]。一系列研究表明在全球，特別是北半球，存在生長(zhǎng)季的開始時(shí)刻提前以及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度增大的趨勢(shì)[12]，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度增大與氣溫的上升會(huì)加快地表水分蒸發(fā)，增加干旱脅迫與林火發(fā)生的可能[13]，并增加了固碳強(qiáng)度[14]，進(jìn)而大范圍長(zhǎng)時(shí)間地影響作物生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)發(fā)展。目前，許多學(xué)者對(duì)黃土高原植被物候變化特征進(jìn)行了分析，謝寶妮等[15]分析認(rèn)為黃土高原植被物候主要受氣溫影響，冬季和前年秋季氣溫上升是春季物候提前的主要驅(qū)動(dòng)因子。韋振鋒等[16]認(rèn)為陜甘寧多年物候同時(shí)與緯度和降水有關(guān)。張晗等[17]研究認(rèn)為隨著緯度的升高陜西省植被返青期逐步推遲，枯黃期逐步提前?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人的研究均側(cè)重于單一要素對(duì)植被物候特征的影響，而植被生長(zhǎng)并不是單個(gè)要素作用的結(jié)果，需要綜合分析多種因素的影響。本研究基于1998—2012年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)，并結(jié)合GIS空間分析方法，將植被物候變化的生態(tài)過程與空間格局相耦合，對(duì)黃土高原近15年植被物候特征值進(jìn)行了確定，并嘗試分析其時(shí)空差異性，進(jìn)而深入探討海拔、氣溫和降水3種因素分別對(duì)植被物候時(shí)空變化的影響機(jī)制?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用時(shí)間序列諧波分析法和線性趨勢(shì)等方法對(duì)黃土高原植被生長(zhǎng)季時(shí)刻進(jìn)行了確定，計(jì)算了黃土高原生長(zhǎng)季長(zhǎng)度及其趨勢(shì)，并進(jìn)一步解釋不同海拔高度與水熱條件下植被物候趨勢(shì)的差異。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原西起祁連山支脈烏鞘嶺，東迄太行山，北到長(zhǎng)城，南抵秦嶺。橫跨青、甘、寧、內(nèi)蒙古、陜、晉、豫7省區(qū)，面積約63萬km2，約占全國(guó)陸地總面積的8%。是東南濕潤(rùn)季風(fēng)氣候向西北內(nèi)陸干旱氣候過渡、暖溫帶落闊葉林向典型草原和荒漠草原過渡的過渡地帶。受溫帶大陸性氣候的控制，氣溫、降水量季相分明；從東南向西北，氣候依次為半濕潤(rùn)氣候、半干旱氣候和干旱氣候；土壤依次為褐土、壚土、黃綿土和灰鈣土；植被依次出現(xiàn)森林草原、典型草原和荒漠草原。本區(qū)水土流失十分嚴(yán)重，是黃河泥沙的主要來源區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括黃土高原1998—2012年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)、131個(gè)臺(tái)站1998—2012年的年降水資料和年平均氣溫資料以及DEM數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)是由比利時(shí)佛萊芒技術(shù)研究所（Flemish Institute for Technological Research，Vito）VEGETATION影像處理中心（VEGETATION processing Centre，CTIV）負(fù)責(zé)預(yù)處理并提供免費(fèi)下載，空間分辨率為1 000 m；降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)均來自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金法將其插值到空間上得到15年的年降水和年均溫柵格數(shù)據(jù)，插值柵格分辨率為1 000 m；數(shù)字高程模型為GDEMV2 30M分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model，DEM），來源于地理空間云數(shù)據(jù)。

1.3 時(shí)間序列的諧波分析與物候特征提取

時(shí)間序列諧波分析法（harmonic analysis of time series，HANTS）是平滑和濾波兩種方法的綜合，它能夠充分利用遙感圖像存在時(shí)間性和空間性的特點(diǎn)，將其空間上的分布規(guī)律和時(shí)間上的變化規(guī)律聯(lián)系起來。首先，應(yīng)用HANTS方法對(duì)原始的NDVI旬?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行逐年平滑處理，然后利用傅里葉插值將平滑后的逐年NDVI旬?dāng)?shù)據(jù)插值成逐年NDVI天數(shù)據(jù)。

對(duì)平滑后的逐年NDVI天數(shù)據(jù)，計(jì)算植被生長(zhǎng)季的逐年始期、末期與長(zhǎng)度，以及多年平均始期、末期與長(zhǎng)度。文中采用較為常用的最大比率法[18-19]，最大比率即為植被覆蓋最大變化速率。首先，計(jì)算逐年NDVI天數(shù)據(jù)相鄰時(shí)間點(diǎn)上的差分值（NDVI-NDVI，其中），差分可以反映出相鄰時(shí)間點(diǎn)的比率，利用差分值的最大值對(duì)應(yīng)天數(shù)確定為生長(zhǎng)季始期（start of growing season，SOG），最小值對(duì)應(yīng)天數(shù)確定為生長(zhǎng)季末期（end of growing season，EOG），EOG和SOG的之差為生長(zhǎng)季長(zhǎng)度（length of growing season，LOG）（圖1）。

圖1 NDVI 天數(shù)據(jù)最大相對(duì)變化值來確定物候特征

1.4 分析方法

文中采用Theil-Sen趨勢(shì)對(duì)植被物候時(shí)空特征進(jìn)行趨勢(shì)分析，Theil-Sen趨勢(shì)既不受異常值影響，也不用服從一定的分布，結(jié)果更為科學(xué)、可信[20]，以剔除異常年份對(duì)物候特征造成的影響。計(jì)算公式如下：

其中，為趨勢(shì)，x，x為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，t，t為時(shí)間序列對(duì)應(yīng)的年份。

由于植被物候時(shí)空分布是多種因素作用的結(jié)果，文中分析了高程、降水和氣溫的影響，所以文中將3種要素進(jìn)行等間距劃分，并分別統(tǒng)計(jì)出每種間隔內(nèi)植被物候特征的均值，以反映不同高程帶、降水帶和氣溫帶上的時(shí)空變化差異。

2 結(jié)果

2.1 多年平均物候特征

2.1.1 多年平均物候空間分布 黃土高原植被物候多年均值空間分布見圖2。由黃土高原東南向西北方向，SOG逐漸推遲，EOG逐漸提前，LOG逐漸縮短，反映出氣候影響下的空間分異規(guī)律。黃土高原東南部，SOG主要集中在80—120 d之間，而在關(guān)中平原、汾河谷地與黃淮平原，SOG早于80 d，西北部則晚于150 d；黃土高原東南部，EOG主要晚于310 d，也表現(xiàn)出海拔上的差異，黃土高原西北部主要分布在280—300 d，后套平原、寧夏平原以及青海境內(nèi)在260—270 d，晉中北、鄂爾多斯高原中部、隴中高原以北等山地區(qū)以及前套平原在270—280 d；黃土高原東南部，LOG主要大于210 d，而在西北部的平原區(qū)以及青海境內(nèi)則小于120 d。

2.1.2 多年平均物候的氣候分異特征 黃土高原植被物候與降水量關(guān)系十分密切（圖3-(a-c)）。降水量每增加100 mm，SOG提前13 d，EOG推遲3 d，LOG增大16 d。降水量在200—475 mm，物候隨降水量變化不明顯；降水量高于475 mm以上區(qū)域，物候隨降水量變化的波動(dòng)性增強(qiáng)，尤其是EOG；降水量在475—670 mm，隨降水量增大，SOG提前最為明顯，而EOG波動(dòng)性推遲，LOG波動(dòng)性增大；降水量在670 mm以上的區(qū)域，SOG開始推遲，EOG先推遲再提前，LOG減小。降水量在670 mm以上的區(qū)域主要分布在黃土高原東南部，植被覆蓋較高，且人口密集，主要分布為種植作物，植被物候與降水量的關(guān)系不明顯可能受人類活動(dòng)影響導(dǎo)致，比如一年兩熟作物的種植導(dǎo)致物候特征提取精度降低。

圖3-(d-f)反映出，黃土高原氣溫與降水量相比，隨著氣溫的升高，EOG推遲以及LOG增大強(qiáng)度均高于隨降水量變化強(qiáng)度，而SOG相對(duì)較小。黃土高原氣溫每升高2℃，SOG提前12 d，EOG推遲9 d，LOG增大21 d?？梢钥闯鲈跉鉁氐陀?℃的地區(qū)，物候隨氣溫變化不明顯。隨著氣溫升高，EOG推遲明顯，其次是LOG的增大，而氣溫在6—9℃之間SOG甚至表現(xiàn)為推遲，高于9℃，SOG明顯提前，LOG增大明顯。

圖3 黃土高原植被物候多年均值與水熱之間的關(guān)系

圖4顯示的是每1 mm降水量帶，每0.1℃氣溫帶上物候多年均值變化。可以看出降水量在475 mm與540 mm處，以及氣溫在9℃處，SOG、EOG和LOG存在明顯變化。在降水量小于475 mm的區(qū)域，隨著降水量的增加，物候變化不明顯；隨著氣溫的升高，SOG逐漸推遲，EOG逐漸推遲，LOG變化不明顯。主要是因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，降水量在小于475 mm的范圍內(nèi)變化，植被生長(zhǎng)不明顯，而氣溫的上升會(huì)加快地表水分蒸發(fā)，從而抑制生長(zhǎng)初期植被生長(zhǎng)并延緩了生長(zhǎng)末期時(shí)間。降水量在475—540 mm之間的區(qū)域，當(dāng)氣溫低于9℃，物候變化不明顯；當(dāng)氣溫高于9℃，SOG逐漸提前，EOG逐漸推遲，LOG逐漸增大。該區(qū)域降水量大于475 mm，滿足植被生長(zhǎng)需求，并且氣溫高于9℃時(shí)，便會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng)。在降水量大于540 mm的區(qū)域，隨著降水量的增加，除降水量在640—690 mm之間的區(qū)域SOG有所提前外，SOG變化不明顯，EOG與LOG波動(dòng)性較強(qiáng)，規(guī)律性較差；隨著氣溫的變化，SOG變化不明顯，EOG與LOG也呈較強(qiáng)波動(dòng)性，主要是由于該地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季末期受人類活動(dòng)（收割與耕種等）影響造成的。但是在降水量大于700 mm的地區(qū)，EOG與LOG隨著氣溫的變化不明顯，隨降水量變化波動(dòng)性加強(qiáng)，該區(qū)域主要集中在秦嶺山地區(qū)，植被覆蓋高，土壤含水量豐富，降水量和氣溫的變化對(duì)植被生長(zhǎng)作用不明顯。

2.1.3 多年平均物候的海拔分異特征 圖5中海拔每升高1 000 m，SOG推遲13 d，EOG提前9 d，LOG縮短23 d。在海拔1 750 m以下地區(qū)，物候隨海拔變化波動(dòng)比較強(qiáng)，隨著海拔升高，SOG主要變現(xiàn)為推遲，EOG變化不明顯，LOG主要表現(xiàn)為減小；在海拔1 750 m以上地區(qū)，隨海拔升高，SOG不斷推遲，EOG在1 750—2 350 m區(qū)域明顯提前，大于2 350 m則變化不明顯，LOG不斷減小。海拔大于1 750 m的地區(qū)主要分布在隴中高原與青海境內(nèi)，另外晉北山地區(qū)也有分布，這些地區(qū)海拔高，氣溫低，并且降水量相對(duì)較少，主要以自然植被為主；而海拔小于1 750 m的地區(qū)地形復(fù)雜，降水與氣溫空間差異較大，且容易受到人類活動(dòng)影響。1 750 m為黃土高原植被生長(zhǎng)隨海拔明顯分異的界限，高于1 750m，植被生長(zhǎng)相對(duì)緩慢，低于1 750 m則植被生長(zhǎng)長(zhǎng)度延長(zhǎng)。

2.2 物候年際變化特征

2.2.1 物候區(qū)域尺度上的年際變化 黃土高原植被LOG變化趨勢(shì)最為明顯，其次為SOG，而EOG趨勢(shì)最弱。SOG呈提前趨勢(shì)，平均每年平均提前0.9 d。EOG呈推遲趨勢(shì)，但趨勢(shì)相對(duì)較弱，平均每年推遲約0.8 d。LOG變化趨勢(shì)較強(qiáng)，呈上升趨勢(shì)，平均每年的變化幅度為1.7 d。SOG趨勢(shì)高于全球的0.3 d·a-1、歐亞大陸的0.33 d·a-1、北半球的0.31 d·a-1、中國(guó)的0.79 d·a-1，以及北半球的0.02 d·a-1。EOG的推遲趨勢(shì)均高于全球的0.05 d·a-1、歐亞大陸的0.61 d·a-1、北半球的0.23 d·a-1和中國(guó)的0.37 d·a-1，以及北半球的 0.25 d·a-1。LOG的增加趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球的0.38 d·a-1，高于北半球的0.56 d·a-1、歐亞大陸的1.33 d·a-1和中國(guó)的1.16 d·a-1，以及北半球的0.28 d·a-1[21-25]。

2.2.2 物候年際變化的空間分布特征 采用Sen趨勢(shì)計(jì)算了黃土高原植被物候年際趨勢(shì)空間差異，如圖6所示。73.71% 的區(qū)域SOG呈提前趨勢(shì)，26.29% 的區(qū)域有推遲趨勢(shì)，其中提前的區(qū)域占24.27%，主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)，其次隴中高原以西也有分布。

38.73%的區(qū)域EOG具有提前趨勢(shì)，61.27%的區(qū)域具有推遲趨勢(shì)，其中提前的區(qū)域約為4.34%，推遲的區(qū)域約為16.27%。從圖6-b可以看出，大部分地區(qū)EOG呈推遲趨勢(shì)，推遲趨勢(shì)集中在0—2.0 d·a-1，推遲的區(qū)域主要分布于高原西北部邊緣和南部。

從LOG變化來看，80.77%的區(qū)域具有增長(zhǎng)趨勢(shì)，19.23%的區(qū)域具有縮短趨勢(shì)，其中增長(zhǎng)的區(qū)域約為30.06%，縮短的區(qū)域約為4.38%，增長(zhǎng)與縮短的空間分布與SOG提前與推遲的分布極為相似，說明黃土高原生長(zhǎng)季長(zhǎng)度主要由SOG的變化引起。

圖5 黃土高原植被物候多年均值與海拔之間的關(guān)系

圖6 黃土高原植被物候變化趨勢(shì)的空間分布

2.2.3 生長(zhǎng)季物候年際變化的海拔分異特征 從SOG 來看（圖7），850—4 000 m的地區(qū)呈提前趨勢(shì)；小于850 m的區(qū)域呈推遲趨勢(shì)；大于4 000 m的區(qū)域，表現(xiàn)為推遲趨勢(shì)，但顯著性隨海拔升高逐漸減小。從EOG來看，低于2 500 m的地區(qū)，呈推遲趨勢(shì)，顯著性隨海拔減小，但在1 350—2 500 m顯著性逐漸回升；高于2 500 m的地區(qū)，呈提前趨勢(shì)，但是顯著性隨海拔升高在逐漸減小。LOG主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，顯著性隨海拔升高整體上是減小的，在小于850 m或大于4 000 m的地區(qū)表現(xiàn)為縮短趨勢(shì)。

黃土高原海拔小于850 m的地區(qū)為汾渭盆地農(nóng)業(yè)區(qū)，占總面積的11.41%；海拔在850—2 500 m之間的區(qū)域，植被物候變化趨勢(shì)相對(duì)最為明顯，占總面積的82.93%；海拔在2 500—4 000 m之間包括祁連山森林與高寒草原區(qū)以及江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原區(qū)，面積占5.34%；大于4 000 m的區(qū)域占0.33%。所以海拔對(duì)黃土高原植被物候變化趨勢(shì)上的影響相對(duì)于水熱條件不明顯。

2.2.4 生長(zhǎng)季物候年際趨勢(shì)的水熱條件的分異特征 從SOG與降水量的關(guān)系來看（圖8），隨降水量變化SOG基本上呈提前趨勢(shì)，在260—560 mm的區(qū)域，隨降水量的增大，提前幅度有所減小，由1.3 d·a-1減小到0.4 d·a-1，但是顯著性在升高；560—720 mm的地區(qū)，推遲趨勢(shì)明顯；大于720 mm的地區(qū)，提前幅度增強(qiáng)，由0增加到1.0 d·a-1，而顯著水平先減后增。從EOG 來看，絕大部分研究區(qū)呈推遲趨勢(shì)，僅在630 m左右呈提前趨勢(shì)；推遲幅度隨降水量增大在緩慢升高，顯著水平先增后減。LOG主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在350—560 mm地區(qū)上增長(zhǎng)，在600—660 mm的地區(qū)表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

從SOG與氣溫的關(guān)系來看（圖9），氣溫在小于8℃地區(qū)上提前幅度緩慢增大，8—12℃區(qū)域上呈提前趨勢(shì)。從EOG來看，氣溫在大于5℃地區(qū)上，隨氣溫升高表現(xiàn)為推遲趨勢(shì)，趨勢(shì)幅度與顯著性均在波動(dòng)性增加。LOG主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在小于10℃地區(qū)上，增長(zhǎng)幅度與顯著性隨氣溫升高波動(dòng)性增大，而在大于10℃地區(qū)上，幅度與顯著性在不斷減小。

圖7 黃土高原植被物候年際變化特征在海拔上的分異特征（a：SOG；b：EOG；c：LOG）

圖8 黃土高原植被物候年際變化特征在降水上的分異特征（a：SOG；b：EOG；c：LOG）

圖9 黃土高原植被物候年際變化特征在氣溫上的分異特征（a：SOG；b：EOG；c：LOG）

2.3 植被物候年際趨勢(shì)的海拔、水熱空間分異特征

由于植被物候年際趨勢(shì)受到降水、氣溫、海拔的綜合影響，上述分異特征中無法剔除其他兩種要素的影響，所以對(duì)像元某一鄰域內(nèi)的所有柵格進(jìn)行偏相關(guān)分析，其中鄰域內(nèi)所有柵格的物候特征年際趨勢(shì)作為因變量，領(lǐng)域內(nèi)三要素作為自變量，剔除其他兩種要素得到物候趨勢(shì)與某一要素的偏相關(guān)系數(shù)，以反映植被物候在3種影響因素上的空間分異特征（圖10—12）。

圖10 黃土高原植被SOG與海拔、降水、氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)

圖11 黃土高原植被EOG與海拔、降水、氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)

圖12 黃土高原植被LOG與海拔、降水、氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)

整體上，黃土高原植被物候年際趨勢(shì)隨DEM、降水和氣溫表現(xiàn)出明顯的空間分異特征。其中SOG隨著海拔增加呈提前趨勢(shì)，隨降水量增加呈推遲趨勢(shì)，隨氣溫增加呈提前趨勢(shì)；EOG趨勢(shì)空間分異特征正好與SOG相反；LOG在SOG和EOG的共同作用下隨DEM和氣溫的增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，隨降水增加呈縮短趨勢(shì)（表1）。

表1 黃土高原植被物候趨勢(shì)與影響因素的空間偏相關(guān)系數(shù)

空間上，植被物候趨勢(shì)隨DEM的空間分異特征明顯，隨降水和氣溫的變化主要體現(xiàn)在較小區(qū)域范圍，大范圍上差異性不明顯（圖10—12），植被類型的空間差異性產(chǎn)生的影響不容忽視。因此，利用植被類型對(duì)空間偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并基于空間偏相關(guān)系數(shù)利用K-means法對(duì)各個(gè)植被類型進(jìn)行聚類，如表2所示。

從聚類結(jié)果可以看出，鹽地落葉灌叢、荒漠化草原、強(qiáng)旱生小灌木-半灌木-灌木與沙生植被歸屬為第1類，該類植被SOG隨DEM增加呈提前趨勢(shì)，EOG隨DEM增加呈推遲趨勢(shì)，LOG隨DEM增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，溫室氣體的增加以及全球變暖會(huì)致使各地區(qū)植被物候始期提前和末期推遲，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，隨著氣溫的升高，高海拔植被感溫效果較為明顯，因此各種植被物候趨勢(shì)隨海拔變化具有較強(qiáng)的一致性；其中，鹽地落葉灌叢、荒漠化草原與沙生植被SOG隨降水增加呈提前趨勢(shì)，強(qiáng)旱生灌木SOG卻隨降水增加呈推遲趨勢(shì)；各個(gè)植被的EOG趨勢(shì)與降水量的空間相關(guān)性較SOG趨勢(shì)與降水量的相關(guān)性強(qiáng)烈，僅沙生植被EOG隨降水量增加呈推遲趨勢(shì)，因此其LOG隨降水增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，其他3種植被EOG均在降水量增加下不斷提前，從而導(dǎo)致其LOG趨勢(shì)隨降水增加而縮短；該類植被LOG隨氣溫上升呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，其中荒漠化草原、強(qiáng)旱生灌木與沙生植被主要是SOG隨氣溫上升的提前趨勢(shì)引起的，而鹽地落葉灌叢是由EOG隨氣溫上升的推遲趨勢(shì)引起的。

竹林、強(qiáng)旱生雜類草與沼澤植被各自成一類。竹林對(duì)水熱條件要求均較高，其SOG隨DEM與降水的增加均呈提前趨勢(shì)，EOG均呈推遲趨勢(shì)，從而竹林LOG隨DEM與降水的增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)；氣溫的上升雖然使EOG推遲趨勢(shì)增強(qiáng)，但由于SOG的推遲更甚，所以竹林LOG隨氣溫上升呈縮短趨勢(shì)；強(qiáng)旱生雜類草LOG隨DEM增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，由SOG的提前趨勢(shì)引起，LOG隨降水和氣溫的增加呈縮短趨勢(shì)，均由EOG的提前趨勢(shì)引起；沼澤植被LOG隨降水增加呈縮短趨勢(shì)，主要由EOG提前趨勢(shì)引起，LOG均隨DEM和氣溫增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，由SOG提前與EOG推遲共同決定。

寒溫性針葉林、高寒灌叢、高寒草原與（亞）高山草甸物候變化特征類似。除過（亞）高山草甸L(zhǎng)OG隨氣溫升高呈延長(zhǎng)趨勢(shì)外，其他植被LOG均隨DEM、降水與氣溫增加呈縮短趨勢(shì)，主要是由于SOG的推遲趨勢(shì)和EOG的提前趨勢(shì)共同作用的結(jié)果。

其他植被類型雖被聚為一類，但是其物候隨三因素的空間變化特征差異性較大，經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行重新聚類，聚為7類，說明這些植被類型物候變化趨勢(shì)受三因素影響的空間差異性較大。其中，落葉闊葉林與溫性落葉灌叢物候趨勢(shì)特征相似，其LOG均隨DEM增加呈縮短趨勢(shì)，主要由于SOG推遲趨勢(shì)導(dǎo)致；LOG均隨氣溫上升呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，由SOG的提前引起；LOG受降水影響特征不一致。雜木林、草叢與草本栽培植被物候隨三要素變化特征高度一致，其LOG隨DEM與氣溫增加均呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，是SOG提前趨勢(shì)與EOG推遲趨勢(shì)共同作用的結(jié)果；LOG隨降水增加呈縮短趨勢(shì)，主要為SOG推遲趨勢(shì)造成的，另外還有EOG提前趨勢(shì)的作用。典型草原與河-湖灘地草甸L(zhǎng)OG均隨三要素的增加呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，且SOG與EOG均隨三要素呈提前趨勢(shì)，而SOG提前趨勢(shì)更強(qiáng)。綜上，植被物候趨勢(shì)隨DEM、降水、氣溫的變化表現(xiàn)出明顯的自然分帶特征，SOG的變化特征對(duì)于植被LOG變化影響較EOG強(qiáng)烈。

表2 黃土高原各個(gè)植被類型物候趨勢(shì)與影響因素的空間偏相關(guān)系數(shù)及其聚類結(jié)果

SOG-DEM為不同植被類型SOG與DEM空間偏相關(guān)系數(shù)的均值，其他以此類推；聚類結(jié)果中1、2等表示大類，31、32等表示第3類重聚類的結(jié)果，個(gè)位數(shù)為重聚類類別

SOG-DEM is the spatial mean coefficient of partial correlation of SOG & DEM in different vegetation types, and so on. 1, 2, etc are big class. 31, 32, etc are re-cluster results, where single digits are re-cluster classes

3 討論

黃土高原植被物候特征變化穩(wěn)定且趨勢(shì)明顯的區(qū)域主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)，表現(xiàn)為生長(zhǎng)季長(zhǎng)度增長(zhǎng)。該地區(qū)屬半干旱地區(qū)，降水量相對(duì)較少，加之全球處于升溫階段，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的增加必然會(huì)加劇土壤水分的減小，近15年來，該區(qū)域生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的增長(zhǎng)主要是由人類活動(dòng)的影響造成的，三北防護(hù)林建設(shè)以及退耕還林還草政策的實(shí)施，人工林草的種植在很大程度上改變了地表覆蓋類型，并增加了該地區(qū)植被覆蓋，從而改變了黃土高原植被的物候特征。

目前，植被物候?qū)夂?、地形等要素的響?yīng)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究[15, 26-27]。然而在許多影響因素中存在著信息的冗余，影響因素之間相互影響、相互依存、互為因果，且植被物候是多種因素綜合作用的結(jié)果，所以如何剔除其他影響因素的影響，分析植被物候與某因素之間的關(guān)系至關(guān)重要。本文選擇鄰域計(jì)算方法，在鄰域內(nèi)利用偏相關(guān)系數(shù)表達(dá)植被物候趨勢(shì)與某因素的相關(guān)程度，既剔除了其他因素影響，也保證了結(jié)果是基于像元計(jì)算的，并統(tǒng)計(jì)出不同植被類型的偏相關(guān)系數(shù)，基于空間偏相關(guān)系數(shù)利用K-means法對(duì)各個(gè)植被類型進(jìn)行聚類，發(fā)現(xiàn)植被物候趨勢(shì)隨DEM、降水、氣溫的變化表現(xiàn)出明顯的自然分帶特征，而同一地域不同植被物候變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制差異性較大，因此不同類型植被物候變化的驅(qū)動(dòng)力分析值得關(guān)注。同時(shí)還需關(guān)注年內(nèi)各因子對(duì)植被物候的影響。

另外，本文僅分析了黃土高原植被物候趨勢(shì)在水熱條件與海拔高度上的分異特征，并沒有分析這種趨勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)制，而不同地域物候的變化應(yīng)該主要受當(dāng)?shù)貧夂蛞氐淖兓绊懀热?，降水量滿足植被生長(zhǎng)的區(qū)域，如果氣溫處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，則可能導(dǎo)致生長(zhǎng)季始期的提前與末期的推遲，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的增長(zhǎng)。由于篇幅限制，本文未做更進(jìn)一步探討，筆者在以后的研究中將對(duì)這方面進(jìn)行更深層次的分析。

4 結(jié)論

黃土高原植被物候多年均值由東南向西北，生長(zhǎng)季始期（SOG）逐漸推遲，生長(zhǎng)季末期（EOG）逐漸提前，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度（LOG）逐漸縮短，反映出氣候的空間分異規(guī)律。1998—2012年間SOG呈提前趨勢(shì)，平均每年提前0.9d，EOG平均每年推遲約0.8d，LOG在SOG和EOG共同作用下變化率達(dá)1.7 d·a-1。黃土高原生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化主要由SOG的變化引起，物候特征變化趨勢(shì)明顯且穩(wěn)定的區(qū)域主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)，其次隴中高原以西也有分布。

黃土高原植被物候年際趨勢(shì)隨DEM、降水和氣溫表現(xiàn)出明顯的空間分異特征。其中SOG趨勢(shì)隨海拔增加的提前趨勢(shì)增強(qiáng)，隨降水量增加的推遲趨勢(shì)增強(qiáng)，隨氣溫增加的提前趨勢(shì)增強(qiáng)；EOG趨勢(shì)空間分異特征正好與SOG相反；LOG在SOG和EOG的共同作用下隨DEM和氣溫的增加的延長(zhǎng)趨勢(shì)增強(qiáng)，隨降水增加的縮短趨勢(shì)增強(qiáng)。同種植被物候趨勢(shì)隨DEM、降水、氣溫的變化特征具有一致性，SOG的變化特征對(duì)于植被LOG變化影響較EOG強(qiáng)烈。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Analysis of Temporal and Spatial Variation of Vegetation Phenology in the Loess Plateau

LI Qiang1,2, ZHANG Chong3, REN Zhi-yuan1

(1Tourism and Environment College of Shaanxi Normal University, Xi’an 710119;2Department of Environment and Resource Management, Shaanxi Xueqian Normal University, Xi’an 710100;3Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Modeling, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, Shaanxi)

【Objective】The Loess plateau is in the transitional region from wetness to dryness, from forest to grassland, from farming to animal husbandry, being the sensitive zone in climate change and agricultural development in China, the research on phenological feature of surface vegetation coverage in the region is of directive significance to agricultural production, environmental protection and ecological construction. Analysis of difference in phenological trends of vegetation in different time series and altitudes and hydrothermal conditions shall offer theoretical support and decision basis for current agricultural ecological environment improvement and sustainable development on loess plateau.【Method】Phenological feature values of vegetation on Loess Plateau every year were determined and phenological change trend was analyzed based on NDVI of ten-day values of SPOT VEGETATION from 1998 to 2012 and combined with harmonic analysis method and linear trend method.【Result】(1) From 1998 to 2012, the start of growing season advanced by 0.9 d on average every year and the end of growing season delayed by about 0.8 d on average every year, the length of growing season every year extended by 1.7 d on average under the joint action of advance at the start of growing season and delay at the end of growing season. (2) Hydrothermal condition on Loess Plateau has an immediate impact on phenological difference, the restrictive temperature for vegetation growth is 9℃，with the restrictive precipitation of 475 mm and 540 mm, respectively and restrictive altitude of 1 750 m. (3) The spatial partial correlation coefficients between the length trend of growing season of vegetation and altitude and air temperature are 0.0591and 0.0139 respectively, the spatial partial correlation coefficients between the length trend of growing season of vegetation and precipitation is -0.0174, therefore, the degree of correlation between three factors and the trend at the start of growing season is higher than that at the end of growing season.【Conclusion】The zones showing a significant and stable trend of phenological feature of vegetation on loess plateau are primarily distributed on plateau in the north of Shaanxi and Beishan in the middle of Shanxi. The phenological change in arid area and desert and grassland area in northwest is mainly subject to control by air temperature. The phenological change in semi-arid area and farming and grassland areas is mainly subject to control by precipitation. The phenological change in agricultural area in Fenwei Basin is subject to hydrothermal condition. Difference in hydrothermal condition has an insignificant impact on vegetation phenology in broad leaved forest zone. Altitude has an insignificant impact on change trend of vegetation phenology on loess plateau. The extension trend of growing season is on the increase with the increase of altitude and air temperature under the joint action of the start and end of growing reason, the shortening trend of growing season is on the increase with the increase of precipitation, the change characteristics of the same type of vegetations in terms of phenological trend based on the change of altitude, precipitation and air temperature are consistent, the change characteristics at the start of growing season have a greater influence on length change of growing season compared with that at the end of growing season.

vegetation coverage; growth season; harmonic analysis; Fourier interpolation; loess plateau

2015-11-20；接受日期：2016-09-30

國(guó)家自然基金青年科學(xué)基金（41301618）、陜西省2015年度科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（陜西省青年科技新星項(xiàng)目2015KJXX-45）、2015年度陜西省博士后科研項(xiàng)目二等資助

李強(qiáng)，E-mail：liqiangis@163.com。通信作者任志遠(yuǎn)，E-mail：renzhy@snnu.edu.cn