中國(guó)東部?jī)墒熘妻r(nóng)田NDVI不對(duì)稱年際變化趨勢(shì)及其潛在氣候成因

張慧嫻　陳鐵喜　江曉東　施婷婷　王國(guó)杰

摘要：一年兩熟制是我國(guó)東部農(nóng)業(yè)區(qū)主要的耕作形式和增產(chǎn)方式。利用長(zhǎng)序列遙感歸一化植被指數(shù)（NDVI），研究我國(guó)東部?jī)墒熘妻r(nóng)田1982—2015年間植被變化趨勢(shì)。研究區(qū)域?yàn)?1°～39°N范圍內(nèi)的東部5省區(qū)，包括河北省、河南省、山東省、江蘇省以及安徽省。NDVI的多年季節(jié)平均顯示，1年中有2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在5月與8月，對(duì)應(yīng)兩季作物各自生長(zhǎng)的峰期。在1982—2015年，研究區(qū)NDVI呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，增速為1.703×10-3/年。根據(jù)兩熟制種植期，定義6—10月的夏秋作物期和11月至次年5月的冬春種植期。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NDVI的年際增長(zhǎng)主要由冬春作物期貢獻(xiàn)，其增長(zhǎng)率為2.436×10-3/年，并且遠(yuǎn)大于夏秋作物期0.676×10-3/年的變率。結(jié)合該地區(qū)的氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在2個(gè)作物期，降水并未出現(xiàn)顯著變化，而溫度都呈現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)。其中冬春作物期溫度增速大于夏秋作物期，分別為0.042 ℃/年和0.029 ℃/年。由于冬春作物期平均溫度相對(duì)較低，同時(shí)增溫速率更高，因此，增溫對(duì)植被生長(zhǎng)的促進(jìn)作用在該時(shí)期更強(qiáng)，從而造成了NDVI的不對(duì)稱變化。

關(guān)鍵詞：雙季種植制度;農(nóng)田;NDVI;植被變化

中圖分類號(hào)： S127;S162.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）08-0242-06

植被監(jiān)測(cè)是生態(tài)環(huán)境研究的重點(diǎn)之一，同時(shí)植被在陸氣相互作用中扮演著重要角色，是能量交換、水文循環(huán)、碳循環(huán)等過程中的主要組成部分[1-2]。植被變化受到氣候系統(tǒng)與人類活動(dòng)等諸多要素影響，其中主要影響氣候要素的有水分、溫度和光照[3]，同時(shí)受到大氣中CO2濃度增加帶來的施肥效應(yīng)[4]、氮循環(huán)的養(yǎng)分作用[5]以及土地利用變化[6]等的影響。因此，如何有效識(shí)別植被動(dòng)態(tài)變化的研究也是地球系統(tǒng)研究的重要發(fā)展方向之一[7-8]。

農(nóng)田是陸地植被重要的組成部分，約占全球非冰凍陸地總面積的12%。隨著對(duì)糧食需求的進(jìn)一步增加，農(nóng)田的面積處于整體上不斷增加的狀態(tài)[9]。Zeng等發(fā)現(xiàn)，由于農(nóng)田面積擴(kuò)大和農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)作物的生長(zhǎng)是大氣CO2季節(jié)性變化幅度增加的主要原因之一[10]。傅強(qiáng)等結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件，建立了一個(gè)符合該區(qū)域持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，提高糧食產(chǎn)量的同時(shí)也可對(duì)大氣的CO2濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，成為強(qiáng)有力的碳匯[11-12]。因此，對(duì)農(nóng)田植被過程描述的細(xì)化，是降低植被模式不確定性的有效潛在手段之一[13]。

多熟制種植制度是全球作物種植制度的重要特征，提高了全球作物產(chǎn)量。隨著全球變暖，中緯度地區(qū)中更多區(qū)域的氣候條件會(huì)滿足多熟制種植制度的環(huán)境需求，例如氣溫升高使農(nóng)作物生長(zhǎng)季加長(zhǎng)。我國(guó)是世界上多熟制面積最大、歷史最悠久的國(guó)家之一。Duan等發(fā)現(xiàn)1961—2010年我國(guó)雙季稻種植的氣候適宜面積增加[14]。賴純佳等發(fā)現(xiàn)麥-稻兩熟制氣候適宜性對(duì)全球變暖有明顯的響應(yīng)[15]。Liu等研究顯示，我國(guó)潛在復(fù)種指數(shù)在1960—2010年增加7%～13%[16]，雖然三熟制適宜區(qū)有所增加，但實(shí)際上雙季種植制度是我國(guó)多熟制種植制度中的主要存在類型。兩熟制種植面積的增大，提高了作物產(chǎn)量，同時(shí)植被的生長(zhǎng)狀態(tài)也有相應(yīng)的改變。實(shí)際上農(nóng)田的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，作物的種植與收割會(huì)使農(nóng)田植被情況在這2個(gè)時(shí)段下出現(xiàn)急劇的變化。在雙季種植制度下，2種作物種植季節(jié)將1年的生長(zhǎng)季分成了2段生長(zhǎng)季，并且在這一年的植被生長(zhǎng)期間預(yù)計(jì)有2個(gè)植被的高峰期，這一物候特征與自然植被的物候情況有很大的不同[17]。

自20世紀(jì)70年代末以來，遙感技術(shù)已成為持續(xù)監(jiān)測(cè)區(qū)域和全球尺度范圍內(nèi)的植被狀況的必要手段。目前，有許多植被指數(shù)可用于度量地表的植被狀況，歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）是應(yīng)用最廣泛的遙感植被指標(biāo)[18]。過去的研究表明1982—2006年全球植被生長(zhǎng)季NDVI總體呈上升趨勢(shì)[19]，同時(shí)1982—1999年間我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的NDVI都呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)[20]。然而復(fù)種農(nóng)田地區(qū)由于輪作期間的收割與播種等活動(dòng)，造成其與單季種植和自然植被在物候上具有巨大差異，一般采用生長(zhǎng)季等分類并不能體現(xiàn)該區(qū)域的特點(diǎn)。該現(xiàn)象前人研究較少，例如Chen等作為探索，僅研究淮河流域NDVI在2個(gè)作物期的年際變化問題[21]。而我國(guó)兩熟制農(nóng)田分布十分廣泛，但針對(duì)2個(gè)作物期的植被變化研究仍然較少。因此，進(jìn)行該方面的研究，將有利于進(jìn)一步深化探討植被對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

圖1為我國(guó)東部主要兩熟制農(nóng)業(yè)區(qū)。我國(guó)氣候適宜兩熟制種植的區(qū)域分布廣泛，并且隨著全球變暖有擴(kuò)大的趨勢(shì)[16]。而在實(shí)際耕作中采用雙季種植的地區(qū)相對(duì)集中，本研究范圍選取的依據(jù)主要參考Yan等的研究成果[22]，提供了我國(guó)基于遙感觀測(cè)提取的實(shí)際復(fù)種分布情況。研究區(qū)域主要包括31°～39°N范圍內(nèi)的東部5個(gè)省區(qū)，包括河北省、河南省、山東省、江蘇省以及安徽省。該區(qū)域是我國(guó)兩熟制農(nóng)田所占比重最大、分布較為連續(xù)的農(nóng)業(yè)區(qū)。另外一處是我國(guó)的四川平原[22]，但面積遠(yuǎn)小于本研究所選區(qū)域。

該區(qū)域是我國(guó)典型的夏季風(fēng)區(qū)，在研究期間，即1982—2015年間，該地區(qū)年平均降水量為831 mm，并且季節(jié)分布不均。降水集中在夏季的6—8月，占年總量一半以上，約為53%。降水最大值出現(xiàn)在7月份，約為184 mm。研究區(qū)在1982—2015年間年平均溫度為14.3 ℃，其中7月溫度最高，約為26.8 ℃，1月溫度最低，約為0.2 ℃。

研究區(qū)農(nóng)田分布廣泛，非農(nóng)田地區(qū)主要集中在城市、湖泊和部分山區(qū)。參考前人研究成果[21]，筆者使用了GlobCover-2009的土地利用分布數(shù)據(jù)[23]進(jìn)行農(nóng)田分布提取。該地區(qū)的秋播作物以冬小麥為主，部分地區(qū)有油菜種植。夏播作物主要為玉米、棉花和水稻等。因此，按照作物生長(zhǎng)習(xí)性，主要輪作季節(jié)發(fā)生在6月以及10—11月份。因此，1年按照2季種植期，即6—10月定為夏播作物生長(zhǎng)期，11月至次年5月定為秋播作物生長(zhǎng)期。為了體現(xiàn)兩熟作物生長(zhǎng)期所在季節(jié)，將2個(gè)時(shí)期分別稱為夏秋作物期和冬春作物期[18]。

1.2數(shù)據(jù)獲取及利用

本研究采用NDVI來研究植被狀態(tài)。NDVI是（RNIR-Rred）/（RNIR+Rred）的歸一化比率，其中RNIR和Rred分別表示近紅外和紅色光譜波段的反射率。采用的是GIMSS（global inventory modeling and mapping studies）組最新的NDVI3g版本[24]。該數(shù)據(jù)覆蓋期間為1982—2015年，時(shí)間分辨率為半月，空間分辨率為1/12°。NDVI選取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的部分（Flag=1，2，3），其余部分采用三維插值方法進(jìn)行插值[25]。

本研究降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)來自中國(guó)氣象局，于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)下載（http：//data.cma.cn/）。該數(shù)據(jù)空間分辨率為0.5°，時(shí)間分辨率為逐月數(shù)據(jù)。線性趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法，P<0.1 視為趨勢(shì)顯著。

2結(jié)果與分析

2.11982—2015年研究區(qū)NDVI、降水量和氣溫均值的空間分布

圖2顯示了研究區(qū)植被、降水以及溫度在1982—2015年間多年平均狀況的空間分布形態(tài)。由圖2可知，夏秋作物期NDVI數(shù)值要普遍大于冬春作物期。NDVI的高值集中在河南、山東西北部以及江蘇東部等地，數(shù)值上大于0.5。而冬春作物期NDVI值往往在0.4以下。夏秋作物期的熱量及降水條件也明顯優(yōu)于冬春作物期。而降水的空間分布呈現(xiàn)較為明顯的南高北低形態(tài)，南部降水可達(dá)北部的2倍左右。溫度在全年以及冬春種植期也呈現(xiàn)出南高北低的形態(tài)，河北與山東地區(qū)的溫度相對(duì)較低。但是在夏秋作物期，溫度在研究區(qū)整體分布較為均一，其中泰山地區(qū)與山東半島地區(qū)溫度相對(duì)較低。

2.2NDVI、降水量和氣溫多年平均季節(jié)特征

兩熟制農(nóng)業(yè)區(qū)由于秋播作物收獲與夏播作物種植發(fā)生在夏季，會(huì)造成農(nóng)田NDVI即使在氣候條件下的生長(zhǎng)旺季也會(huì)出現(xiàn)典型的下降現(xiàn)象。而2個(gè)作物期，作物生長(zhǎng)旺季的NDVI會(huì)大于收割和播種期，從而會(huì)產(chǎn)生典型的NDVI雙峰結(jié)構(gòu)。由圖3可知，NDVI在1982—2015年間的季節(jié)平均狀況。NDVI呈現(xiàn)典型的雙峰結(jié)構(gòu)，并對(duì)應(yīng)于2個(gè)作物期。在逐半月尺度上，峰值出現(xiàn)在5月上半月和8月上半月。相應(yīng)的，在月尺度上，峰值分別出現(xiàn)在5月和8月。此時(shí)正值作物的孕穗期與開花期，作物生長(zhǎng)旺盛，葉面積指數(shù)（LAI）達(dá)到最大。6月是一個(gè)典型的谷值，與秋播作物收獲期和夏播作物種植期相對(duì)應(yīng)，與實(shí)際農(nóng)業(yè)活動(dòng)一致。11月至次年1月是另一個(gè)估值，這主要是秋播作物種植以及冬季溫度低，秋播作物生長(zhǎng)量小[CM（25]造成的。 結(jié)合氣候分析可以發(fā)現(xiàn)， ?溫度和降水在6月也僅僅低于7月和8月。因此，該地區(qū)農(nóng)田物候與自然水熱條件的季節(jié)特征并不一致，主要是雙季輪作導(dǎo)致的。同時(shí)也表明，雙季輪作是該地區(qū)的主要種植形式。降水與氣溫呈現(xiàn)單峰季節(jié)特征，而降水和溫度的峰值都出現(xiàn)在7月。

2.3研究區(qū)NDVI、降水和氣溫年際變化特征

筆者進(jìn)一步研究了兩熟制農(nóng)業(yè)區(qū)的植被多年變化趨勢(shì)，NDVI、降水和溫度的年際變化曲線如圖4所示，表1總結(jié)了它們的年際變率。NDVI在1982—2015年呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)，變率為1.703×10-3/年。而這種增加趨勢(shì)主要由冬春作物期貢獻(xiàn)。冬春作物期，NDVI年際增率為2.436×10-3/年，遠(yuǎn)大于夏秋作物期的0.676×10-3/年，前者是后者的3.6倍。降水在年均和2個(gè)作物期都沒有呈現(xiàn)出顯著變化，但是具有較大的年際變率。氣溫在年均和2個(gè)作物期都出現(xiàn)了顯著性增加。氣溫增長(zhǎng)主要出現(xiàn)在冬春作物期，為 0.042 ℃/年。其相比夏秋作物期的0.029 ℃/年高 44.8%。同時(shí)由于冬春季節(jié)，平均溫度本身就比夏秋作物期要明顯偏低，因此，冬春季節(jié)氣溫增幅的比重相對(duì)更高。

為了研究季節(jié)變化的細(xì)節(jié)，筆者進(jìn)一步研究了逐月的變化趨勢(shì)。由圖5可知，NDVI在各月均呈現(xiàn)了上升趨勢(shì)。然而在2個(gè)作物期，它的變化趨勢(shì)差異很大。NDVI在7月和8月變率最小并且不顯著。NDVI增長(zhǎng)最快的月份出現(xiàn)在3月與4月，正是冬春作物期農(nóng)作物生長(zhǎng)最為旺盛的月份。冬春作物期所有月份NDVI都顯著增長(zhǎng)。在夏秋作物期，NDVI顯著性增長(zhǎng)出現(xiàn)在6月、9月和10月。而降水在各月的變率分布并無顯著性規(guī)律，增加與減少的月份基本均等，僅僅在10月份呈現(xiàn)最大的下降速率。在氣溫方面，各月都呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。增溫最大的月份是3月。全年中呈現(xiàn)顯著性增加的有7個(gè)月。因此，整體形態(tài)上，溫度與NDVI變率在各月的分布形態(tài)較為相似，而降水量與NDVI、溫度變率不同。

圖6為NDVI、降水量與溫度變化趨勢(shì)的空間分布形態(tài)。由圖6可知，NDVI在年際變化與冬春作物期呈現(xiàn)了較為一致的上升趨勢(shì)。各地區(qū)的上升強(qiáng)度有較大差異，其中增加最快的區(qū)域位于河北南部、河南和安徽的大部分地區(qū)。然而在夏秋作物期，NDVI在研究區(qū)同時(shí)存在上升地區(qū)和下降地區(qū)，盡管整體上NDVI在夏秋作物期也呈現(xiàn)較小的上升趨勢(shì)（圖4）。其中，NDVI下降區(qū)域主要出現(xiàn)在河南、河北西南部以及江蘇東南部等地區(qū);而上升區(qū)域主要位于河北東南部、山東大部分地區(qū)以及安徽中部地區(qū)。因此，NDVI在夏秋作物期的變化形態(tài)與冬春作物期和年平均差異較大。降水與區(qū)域平均結(jié)果類似，除了個(gè)別各點(diǎn)外基本上沒有顯著性變化。只有位于山東的少數(shù)地區(qū)出現(xiàn)了顯著增加。而溫度在研究區(qū)呈現(xiàn)了整體的顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中年平均分布上，增溫較高的區(qū)域出現(xiàn)在東南地區(qū);在冬春作物期，增長(zhǎng)率較高的地區(qū)出現(xiàn)在山東中部和江蘇南部;而在夏秋作物期，增溫較高的區(qū)域出現(xiàn)在研究區(qū)的東南部。

3討論與結(jié)論

本研究的研究區(qū)域是我國(guó)最大的一片分布較為集中和連續(xù)的兩熟制農(nóng)業(yè)區(qū)[22]。本研究探討了該區(qū)域在1982—2015年間的植被變化趨勢(shì)，特別關(guān)注兩熟作物的2個(gè)生長(zhǎng)期。Chen等的研究?jī)H關(guān)注了淮河流域，本研究與之相比，采用了更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，并且在研究范圍上更具一般性，因此結(jié)果更具有代表性[21]。

農(nóng)作物地區(qū)的植被與自然植被相比，最大的特點(diǎn)是物候的差異，受到耕種、收割以及品種選擇等諸多要素的作用。以本研究的兩熟制農(nóng)田為例，6月作為輪作轉(zhuǎn)換期，冬春作物的收割和夏秋作物的播種主要集中發(fā)生在該月份，導(dǎo)致該月NDVI出現(xiàn)谷值。而該月份的水熱自然條件卻是十分的豐富，這就造成了一般采用的自然生長(zhǎng)期并不能有效地分析出兩熟制農(nóng)田植被的特征。因此，在研究這類地區(qū)的植被變化情況時(shí)，必須針對(duì)作物期進(jìn)行重新劃分季節(jié)，而非簡(jiǎn)單實(shí)用一般意義的生長(zhǎng)期。

約束植被生長(zhǎng)的氣候要素主要包括溫度、降水和光照[3]，以及其他一系列要素，包括CO2的施肥效應(yīng)、氮循環(huán)的養(yǎng)分效應(yīng)等。人類活動(dòng)尤其是土地利用變化也會(huì)對(duì)植被產(chǎn)生直接的影響。本研究?jī)H就溫度與降水2個(gè)氣候要素進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，理論上溫度的變化可以產(chǎn)生前述所發(fā)現(xiàn)的NDVI在2個(gè)作物期的差異性年際變化趨勢(shì)。如果需要進(jìn)一步分離其他要素的貢獻(xiàn)，一種比較可行的方案是使用動(dòng)態(tài)植被模式（DGVM），通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬，在不同情境下，查看各類要素對(duì)植被變化的貢獻(xiàn)比重。而從分析的角度，研究眾多要素的貢獻(xiàn)具有一定的困難。同時(shí)，本研究所發(fā)現(xiàn)的溫度變化差異，在理論上能夠?qū)DVI的非對(duì)稱變化趨勢(shì)進(jìn)行解釋。

總結(jié)本研究?jī)?nèi)容與結(jié)果，在我國(guó)東部主要的雙季種植農(nóng)田地區(qū)，NDVI在1982—2015年間呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，變率為1.703×10-3/年。年際變化增長(zhǎng)主要由冬春作物期貢獻(xiàn)，增長(zhǎng)率為2.436×10-3/年。這一增長(zhǎng)率是夏秋作物期增長(zhǎng)率0.676×10-3/年的3.6倍。因此，在1982—2015年間，NDVI在研究區(qū)兩熟制的2個(gè)作物期，呈現(xiàn)出非對(duì)稱變化。理論上，氣溫可能是造成這種非對(duì)稱年際變率的氣候要素。

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