張仁平,郭靖,馮琦勝,梁天剛*
(1.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所,新疆 烏魯木齊 830046; 2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730020;3.新疆林業(yè)科學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000)
植被物候現(xiàn)象可以直觀地反映植被年際與季節(jié)環(huán)境條件,不僅能有效地表達(dá)植物生長(zhǎng)發(fā)育的季節(jié)特征,而且能直觀表達(dá)植物群落和物種的生理學(xué)和形態(tài)學(xué)特征[1]。植被物候變化雖然是循序漸進(jìn)的過程,但對(duì)環(huán)境的影響卻極為深遠(yuǎn),其會(huì)影響到植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、全球的氣候和碳循環(huán)[2]。同時(shí),草地牧草返青期和枯黃期的變化,會(huì)明顯影響當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)的發(fā)展[3]。
隨著全球變化研究的不斷深入,植被物候已成為氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究熱點(diǎn)。遙感數(shù)據(jù)可以大范圍、長(zhǎng)時(shí)間和空間連續(xù)地反映植被物候特征。近年來,越來越多的國內(nèi)外學(xué)者選擇遙感數(shù)據(jù)作為估算陸地植物物候變化的手段[4-5],并且已取得了豐碩的成果[6-9]。自20世紀(jì)80年代以來,北半球植物生長(zhǎng)季開始日期呈提前趨勢(shì),結(jié)束日期呈推遲趨勢(shì)[10-12];在國內(nèi),利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)植物物候分析結(jié)果也和北半球植物變化趨勢(shì)基本一致[13-14]。然而也有研究表明,北半球一些地區(qū)的植物生長(zhǎng)季開始日期自20世紀(jì)90年代呈推遲趨勢(shì)[15]。
目前,基于遙感數(shù)據(jù)提取物候信息的主要方法有:閾值法、滑動(dòng)平均法、最大斜率法、倒數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)公式等方法[16-19]。這些數(shù)學(xué)模型和方法都有各自的優(yōu)劣,如Reed等[11]基于AVHRR-NDVI的數(shù)據(jù)采用中值濾波法提取美國的植被物候信息,雖然大大地消除了云對(duì)物候信息的影響,但是損失了植被最大綠度的信息。Chen等[20]利用SG濾波法對(duì)中國區(qū)域的SPOT-VGT數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,提取了高質(zhì)量的物候信息數(shù)據(jù)。Zhang等[21]利用Logistic函數(shù)對(duì)美國東北地區(qū)的MODIS-EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,由于這種方法不必界定植物物候閾值,可以普遍適用于大范圍的物候監(jiān)測(cè),美國NASA根據(jù)這種算法形成物候產(chǎn)品(MCD12Q2),已被廣泛用來研究全球地面的季節(jié)性物候?qū)W和年際變化[22-23]。
新疆地區(qū)具有獨(dú)特的自然地理環(huán)境,屬于典型的干旱和半干旱地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱,草地面積位居我國第三位,對(duì)氣候變化的影響極為敏感。過去幾十年,新疆地區(qū)正處于劇烈升溫階段,且明顯高于全球的增溫水平[24-25]。已有研究表明,新疆地區(qū)物候正發(fā)生顯著變化[26],但對(duì)新疆草地物候變化的研究仍處于相對(duì)薄弱狀態(tài)。因此,準(zhǔn)確掌握新疆地區(qū)草地植被物候信息,分析草地植被物候的變化趨勢(shì)對(duì)保護(hù)和合理利用當(dāng)?shù)夭莸刭Y源具有重要的意義。
新疆維吾爾自治區(qū)位于我國西北部,地理位置介于34°22′-49°33′ N,73°22′-96°21′ E,總面積為166×104km2,約占國土總面積的1/6(圖1)。新疆地處歐亞大陸腹地,四面高山環(huán)抱,北有阿爾泰山,南有昆侖山系,中有橫亙?nèi)车奶焐剑江h(huán)抱中為廣袤的準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地,“三山夾兩盆”構(gòu)成了新疆獨(dú)特的地理環(huán)境特征。新疆屬于典型的溫帶大陸干旱性氣候,光熱資源充足,年日照時(shí)數(shù)達(dá)2550~3500 h,年平均氣溫9~12 ℃,無霜期長(zhǎng)達(dá)180~220 d,降水量稀少,北疆年降水為100~200 mm,南疆在100 mm以下。而蒸發(fā)量則相反,北疆為1500~2300 mm,南疆為2100~3400 mm。由于特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響,新疆生態(tài)環(huán)境極為脆弱,植物種類稀少,覆蓋度低,類型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。新疆草地總面積居我國第三位,約57.26萬km2,可利用草地面積約48萬km2,占新疆國土面積的34.4%,新疆草地面積是耕地面積的15倍,是森林面積的22倍,占全區(qū)綠色植被面積的86%。
物候數(shù)據(jù)來源于美國NASA的MODIS土地覆蓋動(dòng)態(tài)產(chǎn)品(MCD12Q2),通過網(wǎng)站(https://wist.echo.nasa.gov/)獲得2001-2014年MCD12Q2產(chǎn)品,空間分辨率為500 m,每年6幅影像。MCD12Q2產(chǎn)品利用每年8 d增強(qiáng)性植被指數(shù)(enhanced vegetation index,EVI)生成,EVI通過地表反射率(nadir bidirectional reflectance distribution function-adjusted reflectance)數(shù)據(jù)計(jì)算,空間分辨率為500 m,由于EVI數(shù)據(jù)比歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)(normalized difference vegetation index,NDVI)提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍,因此選擇EVI生成土地覆蓋動(dòng)態(tài)產(chǎn)品。
圖1 研究區(qū)草地類型及地面返青觀測(cè)站點(diǎn)空間分布Fig.1 Location of grassland types and grassland ground spring phenology observation sites
MCD12Q2產(chǎn)品已被廣泛用來研究全球地面的季節(jié)性物候?qū)W和年際變化[22],陸地覆蓋動(dòng)態(tài)產(chǎn)品是基于Zhang等[21]的算法(Logistic函數(shù)擬合法),該算法不需要預(yù)先定義閾值并進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑,在一定程度上減少了主觀因素的影響。根據(jù)MCD12Q2產(chǎn)品提供的周期,是基于MODIS時(shí)間序列數(shù)據(jù)的EVI曲率變化率過渡數(shù)據(jù):返青為EVI增長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)日期,特指季節(jié)開始的日期(start of the growing season,SOG);枯黃為EVI最小的節(jié)點(diǎn)日期,特指季節(jié)結(jié)束的日期(end of the growing season,EOG);生長(zhǎng)季長(zhǎng)度指季節(jié)結(jié)束日期與季節(jié)開始日期的差值(length of the growing season,LOG)。
利用MRT(MODIS ReProjection Tools)軟件對(duì)MCD12Q2產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換,把HDF格式轉(zhuǎn)換為Geotiff格式,投影轉(zhuǎn)換為WGS84。
在2012-2014年2-5月期間,每隔5~7 d對(duì)采樣點(diǎn)完成一次觀測(cè),共獲取123個(gè)樣地,每個(gè)樣地大小為500 m×500 m,每個(gè)樣地里面設(shè)置5~8個(gè)樣方,當(dāng)50%的樣地里草地返青時(shí)即認(rèn)為該樣地返青[1]。采用皮爾森相關(guān)系數(shù)(R),平均誤差(Bias)和均方根誤差(root mean square error,RMSE)對(duì)MCD12Q2物候產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證。
Theil-Sen Median 趨勢(shì)分析和Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)方法結(jié)合起來,已成為分析長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化的重要方法之一,并且已逐漸應(yīng)用到植被長(zhǎng)時(shí)間序列分析中[27-29]。其中,Theil-Sen Median趨勢(shì)分析可以減少數(shù)據(jù)異常值的影響,是一種可靠的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法[30-31]。
圖2 MCD12Q2物候產(chǎn)品反演與地面觀測(cè)的返青期對(duì)比與驗(yàn)證Fig.2 The comparison and verification between phenology observed in the ground stations and phenology based on MCD12Q2 retrieval
圖2給出了3年(2012-2014年)123個(gè)MCD12 Q2識(shí)別的返青與地面物候觀測(cè)值的精度評(píng)價(jià)結(jié)果??梢钥闯?,2012-2014年地面實(shí)測(cè)點(diǎn)返青期主要集中在每年的第68~122天,而MCD12Q2物候產(chǎn)品的返青期主要集中在第57~128天。遙感識(shí)別的返青期與地面觀測(cè)值的R=0.76,顯著性水平P<0.05,Bias=-2.84 d,RMSE值為16.44 d?;贛CD12Q2物候產(chǎn)品的返青期驗(yàn)證結(jié)果表明,遙感識(shí)別比地面監(jiān)測(cè)的物候期提前,MCD12Q2物候產(chǎn)品基本可以反映新疆草地的返青期。
分析新疆草地植被各物候參數(shù)2001-2014年平均值的空間分布特征(圖3),可以看出新疆草地各物候參數(shù)明顯呈區(qū)域性和垂向差異,由低山區(qū)到高山區(qū),SOG逐漸推遲。SOG主要出現(xiàn)在第90~170天的區(qū)域占新疆草地的74.1%,SOG最早的區(qū)域主要位于準(zhǔn)噶爾盆地、伊犁河谷和塔里木盆地,在一些海拔較高的區(qū)域,如阿爾泰山、天山以及昆侖山區(qū)域,SOG晚于第170天。在北疆地區(qū)的EOG較早,大部分區(qū)域草地的EOG早于第290天,南疆地區(qū)的EOG較遲,也表現(xiàn)出海拔上的差異,草地EOG出現(xiàn)在第250~300天的區(qū)域占新疆草地面積的89.9%。LOG明顯表現(xiàn)出海拔上的差異,在阿爾泰山和天山以及昆侖山草地的LOG較長(zhǎng),塔里木盆地周邊區(qū)域的LOG較短,草地LOG出現(xiàn)在100~200 d的區(qū)域占83.3%。分析草地物候標(biāo)準(zhǔn)差可知,北疆草地SOG、EOG和LOG的標(biāo)準(zhǔn)差較南疆草地的小,而山區(qū)草地較平原草地的小。
新疆草地物候與海拔關(guān)系密切(圖4)。SOG隨海拔的升高而推遲,EOG隨海拔的升高具有提前的趨勢(shì),LOG與EOG的分布規(guī)律基本一致。海拔每升高1000 m,SOG推遲13 d,EOG提前7 d,LOG縮短20 d。從圖中可以看出,在海拔1500 m以下區(qū)域,SOG和LOG隨海拔變化的規(guī)律不明顯,波動(dòng)比較大;在海拔3000 m以下區(qū)域,EOG隨海拔變化的規(guī)律不明顯,在海拔4500 m以上,EOG隨海拔變化的關(guān)系特別密切。此外,新疆不同草地類型的物候明顯不同(圖5),新疆不同草地類型的SOG在第100~136天,EOG在第256~291天,LOG為122~190 d。其中:溫性荒漠類、溫性荒漠草原類、低地草甸類和溫性草原化荒漠類的SOG較早,在第100~103天;溫性草原類、溫性草甸草原類和山地草甸類的SOG次之,在第107~116天;高寒草原類、高寒草甸類和高寒荒漠類的SOG最晚,在第127~136天。高寒荒漠類的EOG最早(第256天),低地草甸的EOG最遲(第291天)。高寒荒漠類和高寒草甸類的LOG較短,為122~129 d;而溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類和溫性荒漠草原類的為173~177 d,低地草甸類的LOG最長(zhǎng),為190 d。
圖3 2001-2014年新疆草地物候多年均值和標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布Fig.3 Spatial pattern of mean and standard deviations of Xinjiang grassland phenology during 2001-2014
2.3.1物候區(qū)域尺度上的年際變化 為了從整體上把握新疆草地物候提前和延遲的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),結(jié)合Theil-Sen趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法,借助于Matlab2012a軟件進(jìn)行新疆草地物候逐像元分析并繪制研究區(qū)像元尺度上的Theil-Sen分布圖和Mann-Kendall中值檢驗(yàn)圖(圖6)。結(jié)果表明,新疆草地SOG提前的面積比例(57.5%)大于推遲的(42.5%),其中SOG顯著提前的區(qū)域占研究區(qū)總面積的4.6%,SOG提前但不顯著的區(qū)域占52.9%;SOG顯著推遲的區(qū)域占2.6%,推遲但不顯著的區(qū)域占39.9%。SOG提前的區(qū)域主要分布在阿爾泰山中山帶和伊犁河谷中山帶,SOG推遲的區(qū)域零星分布在準(zhǔn)噶爾盆地邊緣地帶以及天山北坡的區(qū)域。EOG提前的面積比例(47.8%)略小于推遲的(52.2%),其中顯著提前的區(qū)域占2.6%,提前但不顯著的區(qū)域占45.2%;EOG顯著推遲的區(qū)域占研究區(qū)總面積的2.9%,推遲但不顯著的區(qū)域占49.3%。草地枯黃期提前的區(qū)域零星分布在伊犁河谷中山帶以及準(zhǔn)噶爾盆地。新疆草地生長(zhǎng)季長(zhǎng)度延長(zhǎng)的面積比例(52.3%)略大于縮短的(47.7%),其中LOG顯著延長(zhǎng)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的3.4%,延長(zhǎng)但不顯著的區(qū)域占48.9%;顯著縮短的區(qū)域占3.1%,縮短但不顯著的區(qū)域占44.6%。
圖4 2001-2014年新疆草地物候年平均值與海拔的關(guān)系Fig.4 The relations between grassland phenology and altitude of the Xinjiang during 2001-2014
2.3.2物候年際變化在草地類型的分異特征 圖7反映了新疆主要草地類型的物候變化速率。新疆大部分草地類型返青期呈提前趨勢(shì),平均提前速率為0.11 d·yr-1,其中溫性草甸草原類和山地草甸類的返青提前得最早,分別達(dá)0.56和0.53 d·yr-1,而溫性草原化荒漠類和溫性荒漠類的返青期呈推遲趨勢(shì),分別達(dá)0.02和0.04 d·yr-1。絕大多數(shù)草地類型的枯黃期呈推遲趨勢(shì),平均推遲速率為0.14 d·yr-1,低地草甸類的枯黃推遲趨勢(shì)最明顯,達(dá)0.70 d·yr-1,溫性草甸草原類枯黃期呈提前趨勢(shì),達(dá)0.22 d·yr-1。所有草地類型的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈延長(zhǎng)趨勢(shì),平均延長(zhǎng)速率為0.25 d·yr-1,低地草甸類的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度延長(zhǎng)最長(zhǎng),達(dá)0.75 d·yr-1。
圖5 2001-2014年間新疆不同草地類型物候年平均值Fig.5 Phenological mean values of different grassland types in Xinjiang during 2001-2014 1:溫性草甸草原類Temperate meadow steppe;2:溫性草原類Temperate steppe;3:溫性荒漠草原類Temperate desert steppe;4:高寒草原類Alpine steppe;5:溫性草原化荒漠類Temperate steppe desert;6:溫性荒漠類Temperate desert;7:高寒荒漠類Alpine desert;8:低地草甸類Lowland meadow;9:山地草甸類Mountain meadow;10:高寒草甸類Alpine meadow;11:所有類型All.下同 The same below.
圖6 2001-2014年新疆地區(qū)草地植被物候變化特征Fig.6 Spatial distribution on inter-annual variation of phenology in the Xinjiang during 2001-2014
北半球溫帶是全球氣候變化最顯著的區(qū)域之一,研究該區(qū)域的植被物候特征,對(duì)深入認(rèn)識(shí)氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響具有典型性。目前已有許多學(xué)者利用不同遙感數(shù)據(jù)對(duì)北半球的植物物候進(jìn)行了研究。Zeng等[32]利用MODIS數(shù)據(jù)分析表明,北半球植被返青期在2000-2010年呈提前趨勢(shì),枯黃期呈推遲趨勢(shì)。Kaufmann等[33]利用AVHRR數(shù)據(jù)分析了歐亞大陸40°-70°地區(qū)植被物候變化特征,得出返青期呈提前趨勢(shì),枯黃期有推遲趨勢(shì),本研究得出的植被返青期提前,枯黃期推遲的結(jié)論與此一致。就生長(zhǎng)季變化的幅度而言,Delbart等[34]利用1982-2004年AVHRR和SPOT-VGT數(shù)據(jù)分析歐亞大陸北緯50°-72° N植被物候的變化,結(jié)果也顯示返青期提前。已有的研究結(jié)果得出SOG提前幅度在0.28~9.00 d·10 yr-1,EOG推遲幅度在0.6~14.0 d·10 yr-1[33-34]。本研究得出返青期提前0.11 d·yr-1,枯黃期推遲為0.14 d·yr-1,這跟前人的研究結(jié)果基本一致。不同的研究結(jié)果得出物候變化幅度不同,可能與研究區(qū)域、時(shí)間以及遙感數(shù)據(jù)不同有關(guān)。
IPCC第五次(2013年)評(píng)估報(bào)告指出,近30年全球氣溫持續(xù)增高[35],而氣候變化會(huì)導(dǎo)致陸地植被改變[36]。近年來,新疆的氣溫在冬季呈降低趨勢(shì),而在春季、夏季和秋季呈增加趨勢(shì),冬季溫度的降低有利于植被的返青,由于植物的返青必須經(jīng)過一定的低溫過程,在溫度最低的時(shí)期,溫度越低,越有利于植物的返青[37]。像大多數(shù)溫帶和寒冷地區(qū)的植物,新疆草地在冬季經(jīng)歷一個(gè)休眠的過程,這可以避免霜凍對(duì)植物敏感生長(zhǎng)組織的傷害。然而,春季的高溫會(huì)加速熱量的積累,這有助于草地返青的提前,植被的枯黃期與溫度關(guān)系也很大,夏季和秋季的高溫會(huì)推遲草地枯黃期的到來[38-40]。降水也對(duì)植物物候期產(chǎn)生一定程度的影響,但不同植被類型物候期對(duì)降水的響應(yīng)明顯不同[37]。
圖7 2001-2014年間新疆草地生長(zhǎng)季物候變化趨勢(shì)Fig.7 Trend of grassland phenology in Xinjiang during 2001-2014 years
到目前為止,植被物候的遙感分析主要采用AVHRR,MODIS和SPOT等遙感數(shù)據(jù),由于每種數(shù)據(jù)波段寬度、空間分辨率、傳感器、最大值合成等不同,都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果存在一定的差異,而且在大氣校正方面:AHVRR數(shù)據(jù)不僅考慮云污染及水汽的影響,同時(shí)考慮了火山氣溶膠散射的影響,而MODIS和SPOT數(shù)據(jù)在此基礎(chǔ)上還考慮了氣體的吸收,例如,MODIS數(shù)據(jù)還考慮了臭氧吸收,SPOT數(shù)據(jù)不僅考慮了臭氧吸收,還考慮了水蒸氣和其他氣體的吸收。Fontana等[41]利用AVHRR、SPOT和MODIS數(shù)據(jù)對(duì)高寒草地物候做了分析,表明SPOT和MODIS數(shù)據(jù)要優(yōu)于AVHRR數(shù)據(jù)。Zhang等[21]對(duì)MODIS-EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了季節(jié)性擬合,提取了植物物候變化趨勢(shì),這在一定程度上降低了噪聲水平。
目前,由于遙感數(shù)據(jù)的分辨率較低,且受遙感數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和物候識(shí)別方法影響,使得基于遙感數(shù)據(jù)獲取的植物物候期的可靠性評(píng)價(jià)尤為必要。目前,大部分研究采用地面觀測(cè)的物候數(shù)據(jù)對(duì)遙感識(shí)別的物候數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。例如,F(xiàn)isher等[42]利用地面物候觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證,量化評(píng)價(jià)了兩種尺度下的植物物候遙感監(jiān)測(cè)精度,發(fā)現(xiàn)植物物候遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的均值可以反映精細(xì)尺度到粗尺度的統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換。Yu等[39]利用NOAA AVHRR NDVI數(shù)據(jù)研究1982-2006年青藏高原植被春季物候時(shí),采用均方根誤差與平均絕對(duì)誤差(mean absolute error,MAE)評(píng)價(jià)了地面觀測(cè)數(shù)據(jù)與遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的誤差。Chen等[1]利用AVHRR NDVI數(shù)據(jù)研究1982-1993年中國溫帶的植被生長(zhǎng)季開始日期和結(jié)束日期時(shí),采用中國科學(xué)院的地面數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究通過2012-2014年的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)MCD12Q2產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證,這可以讓更多的學(xué)者掌握MCD12Q2物候產(chǎn)品的相關(guān)信息。
本研究基于2001-2014年的MCD12Q2時(shí)間序列影像,分析了新疆草地物候SOG、EOG和LOG關(guān)鍵物候參數(shù)的空間分布格局,同時(shí),結(jié)合Theil-Sen Median 趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法,分析了該地區(qū)草地物候在近年來的時(shí)空變化狀況。
新疆草地物候多年均值由低海拔到高海拔呈明顯的區(qū)域性差異。隨著海拔的不斷升高,SOG逐漸推遲,EOG逐漸提前,LOG逐漸縮短,海拔每升高1000 m,SOG推遲13 d,EOG提前7 d,LOG縮短20 d。此外,不同草地類型的物候明顯不一致。新疆不同草地類型的平均SOG在第100~136天,平均EOG在第256~291天,其中高寒荒漠類的EOG最早(第256天),平均LOG為122~190 d。
2001-2014年間,新疆草地SOG整體上呈提前趨勢(shì),提前的面積比例(59.5%)大于推遲的(40.5%),提前速率為0.11 d·yr-1。EOG呈推遲趨勢(shì),推遲的面積比例(52.7%)略大于提前的(47.3%),推遲速率為0.14 d·yr-1。LOG呈延長(zhǎng)趨勢(shì),延長(zhǎng)的面積比例(52.9%)略大于縮短的(47.1%),延長(zhǎng)速率為0.25 d·yr-1。