錫林郭勒盟不同類(lèi)型植被的生長(zhǎng)季變化

遲登凱，王 宏，李曉兵，許凱凱，喻 峰

(1.地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875；2.國(guó)土資源部信息中心，北京 100812)

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錫林郭勒盟不同類(lèi)型植被的生長(zhǎng)季變化

遲登凱1，王 宏1，李曉兵1，許凱凱1，喻 峰2

(1.地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875；2.國(guó)土資源部信息中心，北京 100812)

利用分辨率為1km×1km1989-2008年長(zhǎng)時(shí)間序列NOAA/AVHRRNDVI衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及錫林郭勒盟植被類(lèi)型圖，對(duì)時(shí)間序列影像進(jìn)行Savitzky-Golay濾波后，提取了8種植被類(lèi)型多年的歸一化植被指數(shù)(NDVI)時(shí)序曲線(xiàn)，對(duì)NDVI時(shí)序曲線(xiàn)進(jìn)行S-G濾波后，采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)閾值法分別估測(cè)各植被類(lèi)型每年生長(zhǎng)季的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間及長(zhǎng)度并進(jìn)行線(xiàn)性擬合，討論其變化情況。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了溫帶叢生禾草典型草原遙感估測(cè)物候期的精確度。研究結(jié)果表明，各種植被類(lèi)型生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間變化情況差別較大，除溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林分別有4和1d·20a-1的輕微延遲以外，其它6種植被的生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間均有不同程度的提前趨勢(shì)，不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間呈現(xiàn)出了差別較小的延遲趨勢(shì)，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度均延長(zhǎng)，生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間對(duì)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的影響更大；估測(cè)的溫帶叢生禾草典型草原返青期與觀(guān)測(cè)值變化趨勢(shì)非常接近，分別提前了9和7d·20a-1，而兩者的黃枯期則出現(xiàn)了相反的變化趨勢(shì)。估測(cè)值與觀(guān)測(cè)值的均方根誤差(RMSE)分別是，生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間16.59d，結(jié)束時(shí)間14.40d。

NOAA/AVHRR；NDVI；遙感監(jiān)測(cè)；Savitzky-Golay濾波；動(dòng)態(tài)閾值法

植被生長(zhǎng)季是重要的生態(tài)信息，是全球氣候變化研究的重要問(wèn)題。植被生長(zhǎng)季的多年變化趨勢(shì)是進(jìn)行植被監(jiān)測(cè)、生態(tài)系統(tǒng)管理、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、合理制定休牧放牧政策的重要依據(jù)[1]。有研究表明，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間序列植被生長(zhǎng)季的年際變化特征是理解和模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的重要手段，同時(shí)也可以提供關(guān)于生物氣候區(qū)域空間分布的轉(zhuǎn)變以及大尺度循環(huán)模式或者土地利用的變異信息[2]。將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)物候資料相結(jié)合，利用長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取地表植被生長(zhǎng)季變化情況已廣泛用于植被生長(zhǎng)季的預(yù)報(bào)[3]?；谶b感方法監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)季主要包括時(shí)間序列重構(gòu)和物候期識(shí)別兩大技術(shù)方法。Savitzky-Golay濾波(S-G濾波)方法[4-5]僅需設(shè)定兩個(gè)參數(shù)，能有效去除偏離正常生長(zhǎng)趨勢(shì)線(xiàn)的部分噪聲，且更有利于保持峰值的數(shù)據(jù)。在以中國(guó)為研究區(qū)的研究中，有研究得出S-G濾波法在歸一植被指數(shù)(NDVI)曲線(xiàn)重構(gòu)上優(yōu)于BISE法和傅里葉變換法[6]。遙感物候期的識(shí)別基于數(shù)據(jù)重建方法進(jìn)行，目前動(dòng)態(tài)閾值法已經(jīng)較好地應(yīng)用于全球許多區(qū)域，如利用25%的閾值監(jiān)測(cè)北半球高緯度的芬諾斯坎底亞半島的植被生長(zhǎng)季變化[7]，利用20%的閾值研究了非洲大陸撒哈拉和蘇丹區(qū)域的植被生長(zhǎng)季變化特征[8]，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用類(lèi)似閾值在內(nèi)蒙古[9]、青藏高原[3,10-12]、浙江[5]等地進(jìn)行了植被生長(zhǎng)季變化研究。和其它方法相比，動(dòng)態(tài)閾值法考慮了NDVI季節(jié)變化幅度，實(shí)現(xiàn)了閾值的動(dòng)態(tài)設(shè)定，從而在一定程度上消除了土壤背景值和其它因素的影響。

在可見(jiàn)光/近紅外、短波紅外和熱紅外時(shí)間系列數(shù)據(jù)中，NOAA/AVHRR形成了最長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)集[13]，由于其序列數(shù)據(jù)比較完整，常被用于大尺度植被的生長(zhǎng)季監(jiān)測(cè)。而目前應(yīng)用NOAA/AVHRRNDVI數(shù)據(jù)集的研究多采用較低空間分辨率(8km×8km)的影像，不利于提高研究精度。本研究采用分辨率為1km×1km的NOAA/AVHRR衛(wèi)星NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率是旬，時(shí)間跨度為1989年1月―2008年12月。

近年來(lái)，對(duì)于植被生長(zhǎng)季的研究大多集中在大區(qū)域混合植被，忽略了不同植被類(lèi)型對(duì)于氣候響應(yīng)的差異，因此本研究根據(jù)錫林郭勒盟的植被類(lèi)型圖[14]，將研究區(qū)的植被劃分成溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸草原，溫帶叢生禾草典型草原，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸，溫帶禾草、苔草及雜類(lèi)草沼澤化草甸，溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸，溫帶落葉闊葉林，溫帶落葉小葉疏林，溫帶落葉灌叢8種類(lèi)型，基于S-G濾波方法重建NDVI時(shí)間序列，采用動(dòng)態(tài)閾值法識(shí)別各植被類(lèi)型生長(zhǎng)季開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間并分別研究其多年變化情況，這對(duì)于了解不同植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制有重要的意義。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

錫林郭勒盟是內(nèi)蒙古自治區(qū)所轄盟，位于中國(guó)的正北方，內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，駐地錫林浩特市。地處115°13′-117°06′E、43°02′-44°52′N(xiāo)(圖1)。年平均氣溫0～3 ℃，平均降水量295mm，由東南向西北遞減。年平均相對(duì)濕度在60%以下，蒸發(fā)量為1 500～2 700mm，由東向西遞增。年日照時(shí)數(shù)為2 800～3 200h，日照率64%～73%，無(wú)霜期110～130d。海拔為800～1 800m，地形以高平原為主體，兼有多種地貌，地勢(shì)南高北低，東、南部多低山丘陵，盆地錯(cuò)落其間，為大興安嶺向西和陰山山脈向東延伸的余脈。錫林郭勒草原總面積為19.2萬(wàn)km2，占全盟總面積的97.8%；其中可利用草地面積17.6萬(wàn)km2，占全盟草原面積的90%。這里水多、林多、牧草豐茂，是理想的四季放牧草地。

圖1　研究區(qū)分布圖Fig.1　Map of study area

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所采用的數(shù)據(jù)是長(zhǎng)序列NOAA/AVHRR衛(wèi)星NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)氣象局(http://satellite.nsmc.org.cn)，圖像分辨率是1km×1km，時(shí)間分辨率是旬，時(shí)間跨度為1989年1月―2008年12月。1991、1994、1995、2002年的數(shù)據(jù)缺失，所以不做研究，2000、2001年僅有1月-7月份的數(shù)據(jù)，所以?xún)H利用前7個(gè)月的NDVI序列估算生長(zhǎng)季開(kāi)始日期，生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間不做估算。每旬的NDVI數(shù)據(jù)是通過(guò)國(guó)際通用的可以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等的部分干擾的最大合成(MVC)方法獲得[15]。植被資料是1∶1 000 000的錫林郭勒盟植被類(lèi)型圖[14]。植被返青期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于錫林浩特牧業(yè)氣象站以及在相關(guān)論文中查找到的數(shù)據(jù)[16]。

1.3NDVI時(shí)間序列影像重構(gòu)

本研究選擇Savitzky-Golay濾波方法，采用交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言(IDL)對(duì)NDVI時(shí)間序列影像進(jìn)行平滑。

(1)

式中:X是未平滑的NDVI值，Y是平滑后的NDVI值，Ci是第i個(gè)NDVI值的權(quán)重系數(shù)，N是濾波卷積算子的NDVI值個(gè)數(shù)，其值大小等于平滑窗口的大小2m+1，j是在未平滑數(shù)據(jù)表中的序數(shù)。濾波算子包括2m+1個(gè)NDVI值，m值等于平滑窗口寬度的一半。應(yīng)用Savitzky-Golay濾波方法需要確定兩個(gè)參數(shù)的值，即m和平滑多項(xiàng)式的次數(shù)。m越大，曲線(xiàn)越平滑；平滑多項(xiàng)式的次數(shù)越小，曲線(xiàn)越平滑，但會(huì)保留異常值[17]。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)m=4，平滑多項(xiàng)式次數(shù)為2時(shí)，平滑效果最好。

1.4生長(zhǎng)季識(shí)別

本研究采用IDL語(yǔ)言，選擇改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)閾值法進(jìn)行生長(zhǎng)季識(shí)別。動(dòng)態(tài)閾值法即分別將當(dāng)年NDVI曲線(xiàn)上升階段和下降階段振幅的一定比例處NDVI值對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為植被生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束的時(shí)間，其原理如圖2所示。本研究設(shè)置了10%～50%、間隔為10%的5個(gè)閾值，通過(guò)大量試驗(yàn)，最終得出當(dāng)閾值均定為20%時(shí)，識(shí)別出的各種植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間比較穩(wěn)定且與現(xiàn)有觀(guān)測(cè)值的差距最小。

圖2　動(dòng)態(tài)閾值法原理圖Fig.2　Principle figure of dynamic threshold method

NDVIt= (NDVImax-NDVImin)×0.2+NDVImin

(2)

式中:NDVIt為生長(zhǎng)季開(kāi)始(結(jié)束)時(shí)間對(duì)應(yīng)的NDVI值，NDVImax為當(dāng)年NDVI曲線(xiàn)的最大值，NDVImin為當(dāng)年NDVI曲線(xiàn)的上升(下降)階段的最小值。

為提高物候期識(shí)別的精度，本研究基于動(dòng)態(tài)閾值法進(jìn)行了改進(jìn)。通常，植被開(kāi)始生長(zhǎng)以后，生長(zhǎng)迅速加快，因此基于20%的閾值識(shí)別出生長(zhǎng)季開(kāi)始日期，之后一旬內(nèi)NDVI值的增量與之前一旬內(nèi)NDVI的增量進(jìn)行比較，若之后增長(zhǎng)的NDVI值更大，則保留識(shí)別出的生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間。反之，說(shuō)明植被還沒(méi)有進(jìn)入穩(wěn)定的生長(zhǎng)，將閾值每次提高2%重新進(jìn)行生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間的識(shí)別，直至滿(mǎn)足條件。同樣，植被結(jié)束生長(zhǎng)以后，NDVI值的變化逐漸減緩，因此，基于20%的閾值識(shí)別出生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間，之后一旬內(nèi)NDVI值的減少量與之前一旬內(nèi)NDVI值的減少量進(jìn)行比較，若之后降低的NDVI值更小，則保留識(shí)別出的生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間。反之按照同樣的方法重新識(shí)別生長(zhǎng)季結(jié)束日期，直至滿(mǎn)足條件。改進(jìn)的動(dòng)態(tài)閾值法結(jié)合了植被的生長(zhǎng)特性，提高了物候期識(shí)別的精度。

1.5數(shù)據(jù)分析

本研究采用一次線(xiàn)性方程來(lái)定量描述植被生長(zhǎng)季的多年變化趨勢(shì)，即以年份(t)為時(shí)間因子，植被生長(zhǎng)季開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間(x)為模擬對(duì)象，建立x與t之間的線(xiàn)性回歸方程：x(t)=at+b，a、b為待定系數(shù)，其中a為傾向值，若a>0，表示生長(zhǎng)季開(kāi)始/結(jié)束的時(shí)間呈延遲趨勢(shì)；若a<0，表示生長(zhǎng)季開(kāi)始/結(jié)束的時(shí)間呈提前趨勢(shì)。a×20稱(chēng)為傾向率，單位為d·20a-1。

1.6遙感估測(cè)生長(zhǎng)季精度驗(yàn)證

均方根誤差(RMSE)是觀(guān)測(cè)值與真值偏差的平方和與觀(guān)測(cè)次數(shù)n比值的平方根，它能反映觀(guān)測(cè)值和真值之間的偏差。計(jì)算公式如下：

(3)

式中:Xobs,i是實(shí)際觀(guān)測(cè)的生長(zhǎng)季開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間，Xmodel,i是遙感監(jiān)測(cè)的植被生長(zhǎng)季開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間，n為年數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1NDVI時(shí)序曲線(xiàn)重構(gòu)

利用Savitzky-Golay濾波方法分別對(duì)8種植被類(lèi)型1989―2008年的NDVI時(shí)間序列曲線(xiàn)進(jìn)行重構(gòu)，其中溫帶叢生禾草典型草原重構(gòu)前后的NDVI曲線(xiàn)如圖3所示，可以看出，對(duì)于原始數(shù)據(jù)存在噪聲的年份，S-G濾波方法能在保持曲線(xiàn)原有特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行較好地平滑。

2.2遙感估測(cè)生長(zhǎng)季精度驗(yàn)證

本研究采用RMSE對(duì)遙感估測(cè)的生長(zhǎng)季進(jìn)行精度驗(yàn)證。在8種植被類(lèi)型中，溫帶叢生禾草典型草原的面積最大且連片分布，因此，選擇錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原的建群種羊草(Leymus chinensis)的觀(guān)測(cè)物候期來(lái)驗(yàn)證估測(cè)值的精度，觀(guān)測(cè)值來(lái)自錫林浩特牧業(yè)氣象站以及在文獻(xiàn)[16]中查找到的數(shù)據(jù)，觀(guān)測(cè)值以及動(dòng)態(tài)閾值法監(jiān)測(cè)到的溫帶叢生禾草典型草原的物候期對(duì)比如圖4所示?？梢钥闯?，實(shí)際觀(guān)測(cè)的羊草返青期除1989和2000年以外均在4月份，其中，1992年羊草在4月上旬返青，1993、1997、1998、2003、2004、2007、2008年羊草在4月中旬返青，其余年份在4月下旬返青。這16年中，動(dòng)態(tài)閾值法估測(cè)的溫帶叢生禾草典型草原的返青期有5年比觀(guān)測(cè)的返青期提前，其余11年均晚于觀(guān)測(cè)值。估測(cè)的返青期最早年份是1997年，最早返青期是第100天，最晚是2008年，最晚返青期是第140天；觀(guān)測(cè)的返青期最早是1992年，最早返青期是第98天，最晚是1989年，最晚返青期是第134天。估測(cè)值與觀(guān)測(cè)值的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)出提前，估測(cè)值平均提前了9d·20a-1，觀(guān)測(cè)值平均提前了7d·20a-1，變化趨勢(shì)幾乎一致。

實(shí)際觀(guān)測(cè)的羊草黃枯期均集中在10月份，其中，2004年在10月上旬進(jìn)入黃枯期，1999、2003、2007年在10月中旬進(jìn)入黃枯期，其余年份在10下旬進(jìn)入黃枯期。這14年中，動(dòng)態(tài)閾值法估測(cè)的溫帶叢生禾草典型草原的黃枯期有3年比觀(guān)測(cè)的黃枯期提前，其余11年均晚于觀(guān)測(cè)值。估測(cè)的黃枯期最早年份是2003年，最早黃枯期是第278天，最晚是2005年，最晚黃枯期是第325天；觀(guān)測(cè)的黃枯期最早是2007年，最早黃枯期是第281天，最晚是1993年，最晚黃枯期是第301天。估測(cè)值與觀(guān)測(cè)值的變化趨勢(shì)并不一致，估測(cè)值延遲了6d·20a-1，觀(guān)測(cè)值提前了4d·20a-1。

圖3　錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原濾波前后NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3　Comparison of NDVI time-series data of temperate needlegrass arid steppe in Xilingol League between before and after filtering

圖4　錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原羊草物候期的估測(cè)值與觀(guān)測(cè)值對(duì)比Fig.4　Comparison of estimating and surveying values of Leymus chinensis in temperate needlegrass arid steppe in Xilingol League

注：k1為觀(guān)測(cè)值的變化斜率，k2為估測(cè)值的變化斜率。

Note: k1,slopeofchangeofsurveyingvalues; k2,slopeofchangeofestimatingvalues.

對(duì)動(dòng)態(tài)閾值法的估測(cè)值與實(shí)際觀(guān)測(cè)值求差(表1)，可以看出，1997、2003、2004、2005、2006和2007年估測(cè)的返青期較準(zhǔn)確，2004年溫帶叢生禾草典型草原的返青期與觀(guān)測(cè)值相差最少，為1d；1992和2008年估測(cè)的返青期與觀(guān)測(cè)值相差較大，估測(cè)結(jié)果不是很好，2008年相差最多，為35d。通過(guò)計(jì)算，得出動(dòng)態(tài)閾值方法估測(cè)的溫帶叢生禾草典型草原的返青期與觀(guān)測(cè)值的均方根誤差為16.59(<20d)。

1989、1992、1997、1999、2007年估測(cè)的黃枯期較準(zhǔn)確，1989年溫帶叢生禾草典型草原的黃枯期與觀(guān)測(cè)值相差最少，為4d；2004和2005年估測(cè)的黃枯期與觀(guān)測(cè)值相差較大，估測(cè)結(jié)果不是很好，2005年相差最多，為30d。通過(guò)計(jì)算，得出動(dòng)態(tài)閾值方法估測(cè)的溫帶叢生禾草典型草原的黃枯期與觀(guān)測(cè)值的均方根誤差為14.40(<20d)。

2.3生長(zhǎng)季的遙感識(shí)別及其變化趨勢(shì)

由于NDVI影像是經(jīng)最大值合成的以旬為單位的影像，為保證生長(zhǎng)季監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究將每旬計(jì)算得出的NDVI均值作為旬末一天的數(shù)據(jù)。對(duì)8種植被類(lèi)型多年的NDVI曲線(xiàn)，分別計(jì)算每條曲線(xiàn)上升階段和下降階段振幅的20%處對(duì)應(yīng)的NDVI值，在Origin9.0中提取出對(duì)應(yīng)的天數(shù)，以此來(lái)確定不同植被類(lèi)型各年的生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間并對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性擬合(圖5)?？梢钥闯?，雖然各種植被生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間不同，但是大都集中在每年的4月上旬到5月下旬之間(第90天-第150天)，生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間差異較明顯。各種植被類(lèi)型生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間變化情況差異較大，1989―2008年，除溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林分別有4和1d·20a-1的輕微延遲以外，其它6種植被的生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間均有不同程度的提前趨勢(shì)：溫帶叢生禾草典型草原提前了9d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸草原提前了17d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸提前了28d·20a-1，溫帶禾草、苔草及雜類(lèi)草沼澤化草甸提前了16d·20a-1，溫帶落葉闊葉灌叢提前了1d·20a-1，溫帶落葉闊葉林提前了10d·20a-1。各類(lèi)型植被的生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間大部分集中在第280天～第330天，其中溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸的黃枯期較早。從植被生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間的年際變化特征來(lái)看，1989-2008年，所有植被類(lèi)型均呈延遲趨勢(shì)：溫帶叢生禾草典型草原延遲了6d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸草原延遲了29d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸延遲了25d·20a-1，溫帶禾草、苔草及雜類(lèi)草沼澤化草甸延遲了27d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸延遲了26d·20a-1，溫帶落葉闊葉灌叢延遲了16d·20a-1，溫帶落葉闊葉林延遲了23d·20a-1，溫帶落葉小葉疏林延遲了24d·20a-1。

表1　錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原羊草物候期的估測(cè)值與觀(guān)測(cè)值的差值Table 1　Difference between estimating and observing values of Leymus chinensis intemperate needlegrass arid steppe in Xilingol League

圖5　不同植被類(lèi)型物候期及其年際變化Fig.5　The phonological phase of vegetation and its variability of different vegetation types

注：k1為生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間的變化斜率，k2為生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間的變化斜率。

Note： k1,slopeofchangeofbeginningofgrowingseason; k2,slopeofchangeofendofgrowingseason.

2.4生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的遙感識(shí)別及其變化趨勢(shì)

8種植被類(lèi)型每年的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度及其變化趨勢(shì)如圖6所示，各種植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度均呈現(xiàn)出不同程度的延長(zhǎng)：溫帶叢生禾草典型草原延長(zhǎng)了15d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸草原延長(zhǎng)了48d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸延長(zhǎng)了54d·20a-1，溫帶禾草、苔草及雜類(lèi)草沼澤化草甸延長(zhǎng)了45d·20a-1，溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸延長(zhǎng)了23d·20a-1，溫帶落葉闊葉灌叢延長(zhǎng)了19d·20a-1，溫帶落葉闊葉林延長(zhǎng)了35d·20a-1，溫帶落葉小葉疏林延長(zhǎng)了25d·20a-1。草甸的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化最明顯，草原和灌叢的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化較緩慢。

圖6　不同植物類(lèi)型生長(zhǎng)季長(zhǎng)度及其年際變化Fig.6　The length of growing season and its variability of different vegetation types

注：k分別為相應(yīng)類(lèi)型草原生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化的斜率。

Note: kshowlengthofgrowingseasonineightvegetations.

2.5各植被類(lèi)型多年平均生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間及長(zhǎng)度

各植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間為第106～127天，其中溫帶落葉小葉疏林最早，為第106天，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸最晚，為第127天，最早和最晚相差21d(表2)。各植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季結(jié)束日期為第292～312天，其中溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸最早，為第292天，溫帶落葉小葉疏林最晚，為第312天，最早和最晚相差20d。由于溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸的返青期最晚而黃枯期最早，因此其生長(zhǎng)季長(zhǎng)度最短，僅為第167天，與生長(zhǎng)季長(zhǎng)度最長(zhǎng)的溫帶落葉小葉疏林相差41d。

表2　各類(lèi)型植被平均生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度Table 2　The average date of beginning, end of growing season and average length of growing season

注：A，溫帶叢生禾草典型草原；B，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸草原；C，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸；D，溫帶禾草、雜類(lèi)草沼澤化草甸；E，溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸；F，溫帶落葉闊葉灌叢；G，溫帶落葉闊葉林；H，溫帶落葉小葉疏林。

Note:A,Temperateneedlegrassaridsteppe;B,Temperategrass-forbmeadowsteppe;C,Temperategrassandforbmeadow;D,Temperategrass,carexandforbswampmeadow;E,Temperategrassandforbholophyticmeadow;F,Temperatebroadleafdeciduousscrub;G,Temperatebroadleafdeciduousforest;H,Temperateleafletdeciduousforest.

3　討論與結(jié)論

本研究基于分辨率1km×1km的長(zhǎng)序列NOAA/AVHRR衛(wèi)星NDVI數(shù)據(jù)，估測(cè)了1989―2008年錫林郭勒盟8種植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間及長(zhǎng)度并研究了其多年變化情況。

各種植被類(lèi)型生長(zhǎng)季開(kāi)始日期變化情況差別較大，除溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林分別有4和1d·20a-1的輕微延遲以外，其它6種植被均有不同程度的提前趨勢(shì)，與王宏等[18-19]的結(jié)論一致。這是由于在氣候變暖的大背景下，錫林郭勒盟植被的生長(zhǎng)季也受到了氣候變暖的影響，溫度的升高導(dǎo)致春季植被生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間的提前。但是，不同類(lèi)型植被提前的程度不同，這是由于8種植被所處的經(jīng)緯度、海拔、氣候條件各不相同，對(duì)各種氣候因子的響應(yīng)程度也不完全相同，另外各種植被覆蓋類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)種生理特性的差異也是造成生長(zhǎng)季開(kāi)始日期變化差異的另一原因。盡管氣溫以升溫為主，但是不排除某些地區(qū)氣溫波動(dòng)變化引起植被生長(zhǎng)季開(kāi)始日期的推遲現(xiàn)象。溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林在錫盟地區(qū)分布面積較小且并非均勻連片分布，受局部生態(tài)條件的影響較大，因此其生長(zhǎng)季開(kāi)始日期的變化趨勢(shì)并未同其它植被類(lèi)型一樣出現(xiàn)提前趨勢(shì)。1989年和1997年春季降水和氣溫條件較好，植被生長(zhǎng)季均開(kāi)始的較早。在生長(zhǎng)季開(kāi)始日期提前的趨勢(shì)下，2008年各種類(lèi)型植被的生長(zhǎng)季開(kāi)始日期均出現(xiàn)了較大幅度的延后，這是由于2008年干旱較為嚴(yán)重，但是有研究指出，內(nèi)蒙古草地牧草返青期與4月份降水量呈顯著負(fù)相關(guān)[20]，這也可以看出氣溫并非影響植被返青的唯一因子。

各種植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間均呈現(xiàn)出延遲趨勢(shì)，這與Zhou等[21]的研究結(jié)論一致。除溫帶禾草典型草原和溫帶落葉灌叢，其余類(lèi)型植被均有相似程度的延遲，可見(jiàn)不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間的變化并未出現(xiàn)較大幅度的差異。從生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間的變化中可以看出，2000年以前，植被生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間處于波動(dòng)中輕微延后，而2000年以后延后的幅度較大。同樣2008年植被的生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間出現(xiàn)了較為反常的提前。一方面由于2008年干旱，而降水量越多生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間越晚，另一方面，夏秋環(huán)境變暖加速了植物的生長(zhǎng)發(fā)育，植物成熟過(guò)程提早即生長(zhǎng)季提前結(jié)束。

各種植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季均呈現(xiàn)出延長(zhǎng)趨勢(shì)，草甸的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化最明顯，草原和灌叢的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化較緩慢。雖然溫帶禾草、雜類(lèi)草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林的生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間均出現(xiàn)了延遲趨勢(shì)，但是生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間推遲的更明顯，因此生長(zhǎng)季呈延長(zhǎng)趨勢(shì)?？傮w而言，近20年，生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間的變化遠(yuǎn)較開(kāi)始時(shí)間顯著，研究區(qū)大部分植被類(lèi)型生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間提前，但是其提前幅度較小，而同種植被類(lèi)型生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間的變化幅度則明顯大于開(kāi)始時(shí)間(溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸除外)，使得生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化更多地受生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間變化幅度的影響。這一結(jié)論與研究?jī)?nèi)蒙古草原灌叢物候變化時(shí)得出的結(jié)論一致[9]。對(duì)藏北高原植被物候時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的研究指出，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的時(shí)空變化特征主要受返青期提前的影響[9]。這說(shuō)明，生長(zhǎng)季的時(shí)空變化特征雖然由植被生長(zhǎng)季開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間共同決定，但是二者的作用孰大孰小并沒(méi)有定論，還要視研究區(qū)的具體情況而定。

通過(guò)計(jì)算各植被類(lèi)型多年生長(zhǎng)季開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的平均值發(fā)現(xiàn)：生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間在第106～127天，其中溫帶落葉小葉疏林最早，為第106天，溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸最晚，為第127天，最早和最晚相差21d。各植被類(lèi)型的生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間在第292～312天，其中溫帶禾草、雜類(lèi)草草甸最早，為第292天，溫帶落葉小葉疏林最晚，為第312天，最早和最晚相差20d。在錫林郭勒盟地區(qū)當(dāng)植被的生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間較早時(shí)，其結(jié)束時(shí)間較晚，這導(dǎo)致植被的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的差異情況與生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間較為一致。

對(duì)遙感估測(cè)的溫帶叢生禾草典型草原的物候期進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明，估測(cè)返青期表現(xiàn)出了與觀(guān)測(cè)值相似的提前趨勢(shì)，而黃枯期則出現(xiàn)了相反的變化趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象的原因是：溫帶叢生禾草典型草原分布廣泛，而黃枯期的實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為少數(shù)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的平均值，對(duì)于較大范圍的本研究來(lái)說(shuō)并沒(méi)有很好的適用性。

此外，部分年份估測(cè)精度較好，而某些年份卻出現(xiàn)了較大的偏差。造成以上現(xiàn)象的原因主要有：實(shí)際觀(guān)測(cè)站點(diǎn)的選擇多在禁牧地區(qū)，而遙感監(jiān)測(cè)的范圍還包括放牧地區(qū)，過(guò)度放牧導(dǎo)致的草地退化和封育草地不合理的管理方式等造成的草地地表能量平衡的變化，最終會(huì)反作用于植被物候；兩種返青期自身特點(diǎn)并不相同，觀(guān)測(cè)的返青期是植物的生理階段特征，代表植被物種開(kāi)始返青，進(jìn)入生長(zhǎng)階段，是植被物種對(duì)氣候條件的響應(yīng)；而遙感返青期是反映植被群落生長(zhǎng)的NDVI曲線(xiàn)顯著增強(qiáng)的時(shí)刻，是植被群落開(kāi)始迅速生長(zhǎng)的時(shí)刻，二者所代表的尺度不同，植被物種返青期是植株個(gè)體和物種尺度，而遙感返青期是群落尺度。但植被物種返青期和遙感返青期的均方根誤差在精度的可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明二者之間存在一定聯(lián)系。因此，從這兩者的聯(lián)系出發(fā)，分析實(shí)際觀(guān)測(cè)和遙感估測(cè)下植物物候之間的聯(lián)系，為解決物候在地理學(xué)中由于尺度不同帶來(lái)的度量差異的研究提供參考，是以后研究的重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯 王芳)

ThevariabilityofgrowingseasonofdifferentvegetationtypesinXilingolLeague

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(1.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourcesEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.Informationcenterofministryoflandandresources,Beijing100812,China)

Withthehelpofthetime-seriesdataofNOAA/AVHRRNDVIat1-kilometerresolutionfrom1989to2008,andthevegetationchartofXilingolLeague,thispaper< class="emphasis_italic">abstracted

edtheNDVItime-seriescurvesofeighttypesofvegetationafterfilteringthetime-seriesimageswiththeSavitzky-Golaymethod.AfterfilteringtheNDVItime-seriescurveswiththeS-Gmethod,thepaperestimatedtheannualbeginning,enddateandlengthofgrowingseasonofvariousvegetationusingtheimproveddynamicthresholdmethod,andperformedthelinearfitting.Finally,theaccuracyofestimatedphenophasesandlengthofgrowingseasonoftemperateneedlegrassaridsteppewasverifiedaccordingtosurveyedgroudobservations.Theresultsindicatedthattherewassignificantdifferenceamongallvegetationtypesinbeginningofgrowingseason.Sixvegetationtypesshowedadvancedtrendofchangeinvariousdegree,whiletemperategrassandforbholophyticmeadowandtemperateleafletdeciduouswoodlandshoweddelayedtrendabout4and1d·20a-1，respectively.Theendofgrowingseasonofallkindsofvegetationshoweddelayedtrendinsimilardegreeandthelengthofgrowingseasonofallkindsofvegetationextended.Theendofgrowingseasonhasgreaterimpactonthelengthofgrowingseason.Bothsurveyedandestimatedvaluesappearedsimilartrendofchangewhichwere9and7d·20a-1inadvance,whileendofgrowingseasonappearedconverse.TheRMSEbetweensurveyedandestimatedvalueswas16.59dforthebginningofgrowingand14.40dforwiltingdate,respectively.

NOAA/AVHRR;NDVI;remotesensingmonitoring;Savitzky-Golayfiltering;dynamicthresholdmethod

WangHongE-mail:wanghong@bnu.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0628

2015-11-10接受日期：2016-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471350);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB138803);國(guó)家創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(41321001)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(IRT_15R06)；地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目

遲登凱(1993-)，女，山東青島人，在讀碩士生，主要從事生態(tài)遙感研究。E-mail:201521190035@mail.bnu.edu.cn

王宏(1979-)，男，陜西咸陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事生態(tài)遙感研究。E-mail:wanghong@bnu.edu.cn

Q945.3;S127

A

1001-0629(2016)9-1825-10*

遲登凱,王宏,李曉兵,許凱凱,喻峰.錫林郭勒盟不同類(lèi)型植被的生長(zhǎng)季變化.草業(yè)科學(xué),2016,33(9)：1825-1834.

ChiDK,WangH,LiXB,XuKK,YuF.ThevariabilityofgrowingseasonofdifferentvegetationtypesinXilingolLeague.PrataculturalScience，2016,33(9)：1825-1834.