1982—2013年內(nèi)蒙古地區(qū)植被物候?qū)Ω珊底兓捻憫?yīng)

黃文琳,張 強(qiáng),孔冬冬,顧西輝,孫 鵬,胡 畔

1 中山大學(xué)水資源與科學(xué)系,廣州 510275 2 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京 100875 4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,武漢 430074 5 安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,蕪湖 241003

植物物候是指植物受氣候和其他環(huán)境因子影響而出現(xiàn)的以年為周期的自然現(xiàn)象,是植物長(zhǎng)期適應(yīng)季節(jié)性變化環(huán)境而形成的生長(zhǎng)發(fā)育節(jié)律[1],其中氣候是最重要、最活躍的環(huán)境因子[2],并且不同種類植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)具有差異性[3]。目前國(guó)內(nèi)外在植被物候的時(shí)空變化規(guī)律、物候變化和氣候變化(氣溫、降水、光照)的相互關(guān)系以及植物響應(yīng)氣候變化的研究等方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展[4],如Tan等研究表明氣候變化(如趨勢(shì)、波動(dòng)和極端事件)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響是多樣的[5]。內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)的植被物候及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的監(jiān)測(cè)有一定的研究成果,以物候期變化研究及氣候因子對(duì)物候的響應(yīng)為主,如郭靈輝等[6]對(duì)內(nèi)蒙古不同植被類型區(qū)生長(zhǎng)季的變化研究,發(fā)現(xiàn)草原區(qū)生長(zhǎng)季延長(zhǎng),以生長(zhǎng)季初日提前為主;如吳瑞芬等[7]利用站點(diǎn)數(shù)據(jù),分析內(nèi)蒙古典型草本植物春季物候變化及其對(duì)氣候變暖的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代以來植物始花期變化為提前趨勢(shì)。

目前,國(guó)內(nèi)外眾多成果都表明,植被受干旱的影響。如Zhao等利用標(biāo)準(zhǔn)化的降水蒸散指數(shù)(SPEI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)研究發(fā)現(xiàn)了青藏高原植被生產(chǎn)力對(duì)不同時(shí)間尺度干旱有不同程度的響應(yīng)[8];嚴(yán)建武等在植被指數(shù)對(duì)旱災(zāi)的響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)植被指數(shù) NDVI與干旱指數(shù)有密切的相關(guān)性[9];Ji等利用NDVI與SPI的相關(guān)性來探討植被指數(shù) NDVI對(duì)干旱的響應(yīng),NDVI和SPI之間的相關(guān)性在月份間顯著不同,3個(gè)月SPI與NDVI具有最好的相關(guān)性[10]。并且干旱對(duì)草原植被的影響具有敏感性[11],Gu等研究發(fā)現(xiàn)歸一化植被指數(shù)與草地干旱有強(qiáng)的相關(guān)性,NDVI能靈敏地響應(yīng)草地干旱[12]。然而,目前國(guó)內(nèi)外探討干旱對(duì)作物物候期影響的研究較少,多為站點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究,尺度小,牟成香等[13]基于站點(diǎn)降雨和物候觀測(cè)數(shù)據(jù),利用方差分析、T-測(cè)對(duì)青藏高原高寒草甸植物開花物候?qū)O端干旱的響應(yīng)進(jìn)行了探討,結(jié)果表明植物開花物候?qū)O端干旱顯著提前半花期,生長(zhǎng)季旺期極端干旱顯著縮短花期持續(xù)時(shí)間等等。中國(guó)正在經(jīng)歷一個(gè)明顯的氣候變化趨勢(shì),干旱和半干旱地區(qū)的中國(guó)北部地區(qū)變得溫暖濕潤(rùn)[14],內(nèi)蒙古地區(qū)干旱逐漸減輕,1976年發(fā)生突變[15]。內(nèi)蒙古自治區(qū)位處中國(guó)干旱半干旱區(qū),植被容易受到自然災(zāi)害,特別是干旱的影響。盡管前人做了大量的關(guān)于植被指標(biāo)NDVI與氣候變化關(guān)系的研究,但目前對(duì)內(nèi)蒙古植被物候?qū)Ω珊档捻憫?yīng)尚未開展調(diào)查。內(nèi)蒙古以蒙古高原為主體,其主要植被類型為草原,是中國(guó)最重要的天然牧場(chǎng)。內(nèi)蒙古的物候?qū)Ω珊档捻憫?yīng)研究對(duì)內(nèi)蒙古畜牧業(yè)發(fā)展和內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)都具有重要意義。本文根據(jù)植被類型劃分不同的子植被分區(qū)進(jìn)行研究,突破了前人對(duì)物候研究的分區(qū)界限,旨在揭示子植被分區(qū)的植被物候?qū)Ω珊档捻憫?yīng)規(guī)律,為子植被分區(qū)的植被保護(hù)和區(qū)域內(nèi)畜牧業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供了科學(xué)的依據(jù)。

根據(jù)1∶100萬植被區(qū)劃,把內(nèi)蒙古劃分為8個(gè)植被分區(qū)：寒溫帶針葉林區(qū)、溫帶北部草甸草原區(qū)、溫帶北部典型草原區(qū)、溫帶北部荒漠草原區(qū)、溫帶南部荒漠草原區(qū)、溫帶南部典型草原區(qū)、溫帶南部草甸草原區(qū)、溫帶半灌木,灌木荒漠區(qū)(圖中用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ 表示),對(duì)子植被分區(qū)的物候在不同尺度SPEI下的變化情況進(jìn)行分析。植被物候參數(shù)即物候期,為方便計(jì)算將物候日期轉(zhuǎn)換為日序Day Of Year(簡(jiǎn)稱DOY),即當(dāng)年的第幾天。

1 數(shù)據(jù)

1.1 SPEI標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,簡(jiǎn)稱SPEI),結(jié)合了帕默爾干旱指標(biāo)(Palmer Drought Severity Index,簡(jiǎn)稱PDSI)與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,簡(jiǎn)稱SPI)的優(yōu)點(diǎn),既考慮了水分與熱量平衡過程,又能反映地表水分的虧缺量及其積累過程[16]。

(1)應(yīng)用Thornthwaite方法計(jì)算逐月的潛在蒸發(fā)量：

式中,K為根據(jù)緯度計(jì)算的修正系數(shù);T為月平均氣溫;I為年總加熱指數(shù);m是由I決定的系數(shù)。

(2)計(jì)算逐月降水與潛在蒸散的差值：

Di=Pi-PETi

式中,Pi為月降水量,PETi為月潛在蒸散量。

(3) 采用三參數(shù)的Log-logistic分布對(duì)Di進(jìn)行擬合,并求出累計(jì)函數(shù)：

式中,α為尺度參數(shù),β為形狀參數(shù),γ為origin參數(shù),f(x)為概率密度函數(shù),F(x)為概率分布函數(shù)。

(4)對(duì)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)處理,得到相應(yīng)SPEI：

式中,當(dāng)P≤ 0.5時(shí),P=F(x);當(dāng)P>0.5 時(shí),P= 1-F(x);其他參數(shù)分別為C0= 2.515 517,C1= 0.802 853,C2= 0.010 328,d1= 1.432 788,d2= 0.189 269,d3= 0.001 308。從計(jì)算公式物理意義來講,SPEI指數(shù)基于降水和蒸散發(fā)的差額, 既保留了PDSI對(duì)溫度敏感的特點(diǎn),又具有多尺度的特點(diǎn)[16]。SPEI是能敏感響應(yīng)干旱的指標(biāo),能夠?qū)Σ煌臻g的旱澇進(jìn)行比較且穩(wěn)定性好,該指數(shù)廣泛應(yīng)用于全球變暖背景下的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估,前人研究證實(shí)SPEI適用于監(jiān)測(cè)內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱[15-16]。本文使用的SPEI標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)是由全球SPEI數(shù)據(jù)庫(kù)(SPEIbase)提供1982—2013年、空間分辨率為0.5度、多時(shí)間尺度干旱狀況的長(zhǎng)時(shí)間的SPEI標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)數(shù)據(jù)集(包括1、3、6、9和12個(gè)月尺度的SPEI,分別用SPEI- 1,SPEI- 3,SPEI- 6,SPEI- 9,SPEI- 12表示,http：//digital.csic.es/handle/10261/128892)。

1.2 NDVI數(shù)據(jù)

本文采用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,簡(jiǎn)稱NDVI)提取植被物候指數(shù)。NDVI已廣泛應(yīng)用于檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)過程,相關(guān)研究也證明NDVI與植被初級(jí)生產(chǎn)力、葉面覆蓋、生物量等[17]具有很好的相關(guān)性。本文使用的NDVI數(shù)據(jù)是由全球監(jiān)測(cè)與模型組利用NOAA系列衛(wèi)星合成分辨率為1/12°的半月NDVI第三代數(shù)據(jù)集NDVI3g(時(shí)間跨度為1982年1月—2013年12月,http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/)。

本文為了防止荒漠或常年積雪柵格單元干擾整個(gè)區(qū)域的植被物候的計(jì)算統(tǒng)計(jì),截除植被較為稀疏的荒漠和NDVI季節(jié)性變化不明顯的柵格區(qū)域[18],選擇植被活動(dòng)較為活躍區(qū)域進(jìn)行探討,選取出來的植被活動(dòng)較為活躍的區(qū)域稱為植被活躍區(qū),具體分布如圖1所示。

1.3 農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況資料數(shù)據(jù)

采用國(guó)家氣象局氣候中心提供的內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)氣站觀測(cè)的物候數(shù)據(jù)作為研究區(qū)的站點(diǎn)物候數(shù)據(jù)。物候站點(diǎn)選取滿足以下兩個(gè)條件：1)站點(diǎn)主要作物為內(nèi)蒙古的主要作物—牧草;2)站點(diǎn)牧草物候數(shù)據(jù)的記錄年限大于10年。根據(jù)選擇條件篩選出了分布均勻的7個(gè)物候站點(diǎn),具體分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)及物候站點(diǎn)空間位置示意圖Fig.1 The locations of the study region and the observatory stations for vegetation phenology

2 研究方法

2.1 相關(guān)分析

研究區(qū)域的每個(gè)格點(diǎn)有12個(gè)NDVI(1—12月,由半月尺度NDVI做月平均處理得到)序列,分別計(jì)算與1、3、6、9和12個(gè)月時(shí)間尺度SPEI指標(biāo)的相關(guān)系數(shù),這樣對(duì)于每個(gè)格點(diǎn)將有60個(gè)相關(guān)系數(shù)值[9]。自然界植物現(xiàn)象同環(huán)境而周期性變化[19],環(huán)境變化在一定程度上能反映植物變化。本文使用最大相關(guān)系數(shù)來檢驗(yàn)不同時(shí)間尺度的干旱反映植被變化的敏感程度[20]。每年1—12月份的月均NDVI分別與1、3、6、9和12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI求相關(guān)系數(shù),這60個(gè)相關(guān)系數(shù)中最大值定義為年最大相關(guān)系數(shù)Rmax：

Ri,j=cor(NDVIi(DATA),SPEIj),Rmax=max (Ri,j)

(1)

式中,cor代表皮爾遜相關(guān)函數(shù),i代表月份(1,2,…,12),DATA代表植被參數(shù)SOS、EOS、LOS,j代表時(shí)間尺度(1、3、6、9和12月)。本文公式1最大相關(guān)系數(shù)Rmax用于分析計(jì)算像元上NDVI與不同尺度SPEI敏感程度(植被參數(shù)SOS、EOS、LOS與干旱指數(shù)SPEI敏感程度)。

2.2 NDVI平滑處理及物候提取

圖2 S-G濾波效果圖Fig.2 Fitting effect of S-G

為了減少云和大氣對(duì)NDVI的干擾,要先對(duì)NDVI時(shí)間序列進(jìn)行平滑處理,以去除由云污染和大氣變化引起的噪聲,使其能更好地描述植物活動(dòng)動(dòng)態(tài)變化。本文選用的是Timesat 軟件中Savitzky-Golay filtering(S-G)濾波函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[7],S-G濾波函數(shù)處理NDVI數(shù)據(jù)的具體效果如圖2。

采用NDVI動(dòng)態(tài)閾值法(TRS)來提取物候：

式中,NDVIratio第一次超過閾值的日期定義為生長(zhǎng)季開始日期;NDVIratio第一次低于閾值的日期定義為生長(zhǎng)季結(jié)束日期[21- 22]。根據(jù)內(nèi)蒙古植被活躍區(qū)的1982—2013年植被指數(shù)NDVI變化曲線,利用閾值法,提取了研究區(qū)各個(gè)象元點(diǎn)的物候信息,指標(biāo)包括生長(zhǎng)季開始(SOS)、生長(zhǎng)季結(jié)束(EOS)、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度(LOS)。

2.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

目前有許多可用于趨勢(shì)檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)方法,這些統(tǒng)計(jì)方法在趨勢(shì)檢測(cè)上各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)[19]。Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)主要用來評(píng)估水文氣象要素時(shí)間序列的趨勢(shì),因適用范圍廣、結(jié)論客觀、定量化程度高而得到廣泛應(yīng)用[23]。

3 研究結(jié)果

3.1 SPEI與植被指數(shù)NDVI相關(guān)性分布特征

年最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的干旱時(shí)間尺度反映了植被變化對(duì)相應(yīng)時(shí)間尺度干旱響應(yīng)的敏感性[24]。當(dāng)r≥0.449通過0.01的顯著性水平檢驗(yàn),當(dāng)r≥0.349通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn),從圖3可以看出整個(gè)區(qū)域大部分像元上的SPEI與植被指數(shù)NDVI呈顯著正相關(guān),85.61%像元的SPEI與植被指數(shù)NDVI相關(guān)性通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。說明1、3、6、9和12個(gè)月等5個(gè)尺度的SPEI能敏感地反映了植被變化對(duì)相應(yīng)時(shí)間尺度干旱的響應(yīng),NDVI與SPEI有很強(qiáng)的相關(guān)性。從圖3年最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)干旱時(shí)間尺度分布情況可以看出,年最大相關(guān)系數(shù)所對(duì)應(yīng)為3個(gè)月尺度的SPEI的像元最多,主要集中分布在子植被分區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ,說明這5個(gè)時(shí)間尺度的干旱中SPEI- 3最能敏感地反映了植被變化。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化的降水蒸散指數(shù)(SPEI)與歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)最大相關(guān)系數(shù)分布圖及對(duì)應(yīng)SPEI的時(shí)間尺度Fig.3 Spatial patterns of maximum correlation coefficient between standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) and normalized difference vegetation index (NDVI) and the time scales of SPEI

3.2 物候指數(shù)提取與驗(yàn)證

3.2.1物候指數(shù)分布特征與站點(diǎn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證物候指標(biāo)生長(zhǎng)季起始(SOS),生長(zhǎng)季結(jié)束(EOS)和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度(LOS)的提取精度,利用地面站點(diǎn)觀測(cè)的物候資料作為基礎(chǔ),調(diào)整Timesat軟件提取物候指標(biāo)的參數(shù),以保證物候指標(biāo)提取的可靠性。

(1)地面物候數(shù)據(jù)觀測(cè)分析

由于地面物候觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度不一,單個(gè)地面物候站點(diǎn)的觀測(cè)植被種類多樣,其物候期不一。本文選擇了研究區(qū)內(nèi)7個(gè)主要作物類型為牧草、觀測(cè)時(shí)間超過十年(并且觀測(cè)時(shí)間在1982—2013年之間)的地面觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,作為內(nèi)蒙古植被活躍區(qū)物候指標(biāo)提取參數(shù)調(diào)整的基礎(chǔ)。根據(jù)牧草的物候參數(shù)出苗與枯黃可以大致推算出物候的生長(zhǎng)期長(zhǎng)度,算出這7個(gè)地面物候觀測(cè)站點(diǎn)的多年平均物候期,如表1為研究區(qū)內(nèi)7個(gè)地面觀測(cè)站觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的多年平均物候特征,從表1可見,出苗期平均介于第88.2—124.1天,枯黃期介于第229.9—307.9天。不同植被區(qū)劃的植被類型物候期差異較大。

表1 站點(diǎn)的多年平均物候期

DOY：一年中的第幾天,Day of year;Ⅰ：寒溫帶針葉林區(qū),The coniferous forest areas in cold temperate regions;Ⅱ：溫帶北部草甸草原區(qū),The meadow steppe areas in northern temperate regions;Ⅲ：溫帶北部典型草原區(qū),The typical grassland areas in the northern temperate regions;Ⅳ：溫帶北部荒漠草原區(qū),The desert steppe areas in northern temperate regions;Ⅴ: 溫帶南部荒漠草原區(qū),The desert steppe areas in southern temperate regions;Ⅵ：溫帶南部典型草原區(qū),The typical grassland areas in the southern temperate regions;Ⅶ：溫帶南部草甸草原區(qū),The meadow steppe areas in southern temperate regions;Ⅷ：溫帶半灌木,灌木荒漠區(qū),The semi-shrub, shrub desert areas in temperate

(2)物候指標(biāo)分布特征

本文利用Timesat物候分析軟件,設(shè)置了不同的NDVI閾值(包括NDVIratio分別為0.2、0.3、0.4、0.5),分別提取了物候參數(shù)SOS、EOS和LOS。最終根據(jù)表1地面物候觀測(cè)站點(diǎn)的多年平均物候期統(tǒng)計(jì)資料,選擇了NDVIratio等于0.5時(shí),所提取的物候參數(shù)作為本文反演的物候參數(shù)。

從整個(gè)研究區(qū)域的多年平均物候參數(shù)空間分布格局看,圖4可知,遙感反演出來的物候參數(shù)SOS、EOS和LOS主要分布范圍分別為第120—160天、第275—295和120—170天,各植被分區(qū)之間的物候參數(shù)也具有較大的差異,在寒溫帶針葉林區(qū),SOS主要分布在第120—135天之間,而在溫帶北部典型草原區(qū)和溫帶南部草甸草原區(qū),SOS主要分布在第135—160天之間,這兩個(gè)子植被區(qū)的SOS平均相差20天;在寒溫帶針葉林區(qū),EOS主要分布在第275—285天之間,而在溫帶北部荒漠草原區(qū),EOS主要分布在第285—295天之間;在溫帶北部荒漠草原區(qū),LOS主要分布150—170天之間,而在溫帶南部草甸草原區(qū),主要分布在120—155天。各植被區(qū)之間物候參數(shù)范圍存在差異,同一植被類型區(qū)物候參數(shù)較集中,大部分參數(shù)范圍都在30天之內(nèi)。反演出來的物候參數(shù)分布與安佑志,畢超等人的研究成果一致[25-26]。

圖4 1982—2013年物候指數(shù)生長(zhǎng)季開始(SOS)、生長(zhǎng)季結(jié)束(EOS)、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度(LOS)分布圖Fig.4 The distribution of phenology metrics during 1982—2013 includes the starting of the growing season (SOS) 、the ending of the growing season (EOS) and the length of the growing season (LOS) DOY: 一年中的第幾天Day of year

(3)物候指標(biāo)驗(yàn)證

表2的地面觀測(cè)LOS由表1計(jì)算而來(地面觀測(cè)LOS=枯黃期-出苗期)。因?yàn)榈孛嬗^測(cè)的物候期是從植物個(gè)體尺度觀測(cè)的,而遙感監(jiān)測(cè)的物候期是在群落甚至生態(tài)系統(tǒng)尺度監(jiān)測(cè)的[27],監(jiān)測(cè)方法的不同可能導(dǎo)致遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果較地面觀測(cè)結(jié)果有延遲。監(jiān)測(cè)方法的延遲性對(duì)于生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的影響較小,(原因是生長(zhǎng)期長(zhǎng)度=生長(zhǎng)季結(jié)束-生長(zhǎng)季開始,延遲有所抵消),本文選擇生長(zhǎng)季長(zhǎng)度進(jìn)行驗(yàn)證。并且出苗期和枯黃期的NDVIratio都不一定剛好為0.5,也會(huì)導(dǎo)致反演出來的物候期與站點(diǎn)物候期有所差異。所以只要反演出來的物候期與站點(diǎn)物候期差在30天內(nèi),認(rèn)為在反演物候參數(shù)與實(shí)際物候期吻合的。表2所示,在驗(yàn)證期內(nèi)7個(gè)地面觀測(cè)站所統(tǒng)計(jì)得到多年平均LOS數(shù)據(jù),基本上與所在的植被區(qū)域基于遙感反演的LOS主要范圍相一致。反演出來的參數(shù)分布特征與前人的研究成果相一致[25-26]。表明基于遙感提取的物候參數(shù)的準(zhǔn)確性較高,與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果較為接近。說明本研究中基于遙感反演提取的物候參數(shù)具有較高的可靠性,提取的物候參數(shù)能夠反映區(qū)域物候的基本特征[25]。

3.2.2SPEI與物候指數(shù)的年最大相關(guān)系數(shù)顯著水平

從圖5可以看出,整個(gè)區(qū)域大部分像元上的干旱指標(biāo)對(duì)于物候變化的影響具有敏感性。物候指標(biāo)SOS、EOS、LOS與SPEI年最大相關(guān)系數(shù)的相關(guān)性通過了0.05顯著性檢驗(yàn)的像元分別達(dá)到了36.64%、45.72%、58.55%,物候指標(biāo)SOS、EOS、LOS與SPEI年最大相關(guān)系數(shù)的相關(guān)性通過了0.1顯著性檢驗(yàn)的像元分別達(dá)到了56.25%、67.16%、77.13%(圖6)。說明植被物候與干旱指標(biāo)SPEI有很強(qiáng)的相關(guān)性。

表2 站點(diǎn)物候參數(shù)與反演物候參數(shù)的對(duì)比表

LOS：生長(zhǎng)季長(zhǎng)度,The length of the growing season

圖5 SPEI與物候參數(shù)最大相關(guān)系數(shù)相關(guān)顯著水平分布圖Fig.5 Spatial patterns of maximum correlation coefficient between SPEI and phenology metrics

圖6 SPEI與物候參數(shù)最大相關(guān)系數(shù)顯著水平直方圖 Fig.6 Histogram of the significant level of maximum correlation coefficient between SPEI and phenology metrics

3.3 變化趨勢(shì)空間分布特征

本文基于一元線性回歸法,對(duì)SPEI、SOS、EOS和LOS計(jì)算了32年來其變化趨勢(shì)率,并進(jìn)行了95%和90%的顯著性檢驗(yàn)。

3.3.1SPEI變化趨勢(shì)空間分布特征

圖7可知整個(gè)研究區(qū)域大部分的像元SPEI(這里使用的是具有年際特征的SPEI- 12)呈下降趨勢(shì)。以溫帶半灌木,灌木荒漠區(qū)、溫帶南部荒漠草原區(qū)、溫帶北部荒漠草原區(qū)等為主的內(nèi)蒙古西部地區(qū)的部分柵格單元上的SPEI呈上升趨勢(shì),但只有半灌木,灌木荒漠地區(qū)的部分柵格單元上升趨勢(shì)通過了0.05的顯著性水平;寒溫帶針葉林區(qū)、溫帶北部草甸草原區(qū)、溫帶北部典型草原區(qū)、溫帶南部典型草原區(qū)和溫帶南部草甸草原區(qū)均呈下降趨勢(shì),尤其溫帶北部草甸草原區(qū)的絕大部分柵格單元的下降趨勢(shì)通過了0.05的顯著性水平。

圖7 SPEI變化趨勢(shì)及顯著水平Fig.7 The variation trend of SPEI and significant level

3.3.2物候變化趨勢(shì)空間分布特征

植被物候變化趨勢(shì)存在明顯的空間變化規(guī)律,整個(gè)研究區(qū)大部分的地區(qū)SOS變化率介于-0.6—0.8d/a(圖8),SOS呈提前趨勢(shì),從變化的面積來看,SOS呈顯著提前趨勢(shì)的面積占總面積的20.49%,SOS顯著延后趨勢(shì)的面積占13.01%,呈提前但不顯著的面積占總面積的43.30%,呈延后趨勢(shì),但不顯著的面積占總面積的23.20%(圖8)。整個(gè)研究區(qū)大部分的地區(qū)EOS變化率介于-0.4—0.4d/a,說明整個(gè)研究區(qū)多數(shù)地區(qū)的EOS變化趨勢(shì)不明顯(圖8)。子植被分區(qū)地區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ,多呈提前的趨勢(shì);子植被分區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ 地區(qū)多呈延后的趨勢(shì)。從變化的面積來看,EOS呈顯著提前趨勢(shì)的面積占總面積的13.10%,呈顯著延后的面積占29.70%,呈提前但不顯著的面積占總面積的27.13%,呈延后趨勢(shì),但不顯著的面積占總面積的29.82%(圖8)。整個(gè)研究區(qū)大部分的地區(qū)LOS變化率介于-0.8—0.6d/a(圖8)。子植被分區(qū)Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ 地區(qū)的LOS多呈縮短的趨勢(shì);子植被分區(qū)Ⅰ、Ⅱ 地區(qū)LOS多呈延長(zhǎng)的趨勢(shì);子植被分區(qū)Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ等區(qū)域的LOS變化趨勢(shì)相對(duì)比較復(fù)雜,縮短或延長(zhǎng)的趨勢(shì)都不明顯。從變化的面積來看,LOS呈顯著提前趨勢(shì)的面積占總面積的13.09%,呈顯著延后的面積占31.90%,呈提前但不顯著的面積占總面積的24.08%,呈延后趨勢(shì),但不顯著的面積占總面積的30.85%(圖8)。整體來說,但內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)SOS多呈提前趨勢(shì),EOS多延后趨勢(shì),LOS多呈延長(zhǎng)趨勢(shì)。這與韓芳,安佑志,張戈麗等人,荒漠植被區(qū)SOS、EOS多呈提前趨勢(shì)和LOS多呈縮短趨勢(shì)[19,26,28], SOS延遲地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古中部和新疆南部部分地區(qū)[7]和內(nèi)蒙古草原的SOS多呈提前趨勢(shì),EOS多延后趨勢(shì),LOS多呈延長(zhǎng)趨勢(shì)[26-28]有相同的結(jié)論。

圖8 物候指標(biāo)的Slope與趨勢(shì)顯著水平分布圖Fig.8 The variation trend of phenology metrics′ slope and significant level

3.4 物候指數(shù)對(duì)干旱強(qiáng)度的響應(yīng)

以各柵格單元?dú)v年每月季節(jié)性的SPEI- 3(≤ -1)之和構(gòu)建研究區(qū)年內(nèi)干旱強(qiáng)度時(shí)間序列,同時(shí)由于植被分區(qū)不同,每個(gè)區(qū)域內(nèi)的柵格單元數(shù)量也不同,該方法算出的干旱強(qiáng)度各個(gè)區(qū)域不具可比性,故將該指數(shù)除以該區(qū)域的總柵格數(shù)[29]。斜率越小(干旱強(qiáng)度指數(shù)越小),表明干旱強(qiáng)度增強(qiáng)。

3.4.1不同植被類型的物候與當(dāng)年干旱強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)性分析

不同植被類型下的SOS、EOS和LOS與不同季節(jié)和年干旱強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)性有正也有負(fù),并且多不顯著(圖9)。除了子植被分區(qū)Ⅷ年干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS呈正相關(guān),其他子植被分區(qū)年干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS均呈負(fù)相關(guān)。除了子植被分區(qū)Ⅳ、Ⅴ和Ⅷ的年干旱強(qiáng)度指數(shù)與EOS呈正相關(guān),其他子植被分區(qū)年干旱強(qiáng)度指數(shù)與EOS均呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于整個(gè)研究區(qū),研究區(qū)當(dāng)年的春夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)對(duì)不同植被類型的SOS具有普遍的負(fù)影響作用,即干旱減弱,促進(jìn)生長(zhǎng)季開始提前;當(dāng)年的秋季干旱對(duì)不同植被類型的EOS具有普遍的負(fù)影響作用?；哪参飬^(qū)Ⅳ、Ⅴ和Ⅷ的物候與干旱均呈不顯著正相關(guān),干旱影響荒漠植物枯黃的機(jī)制與草原不同。

不同的植被區(qū)物候?qū)τ诩竟?jié)干旱強(qiáng)度指數(shù)的響應(yīng)存在差異,春夏季干旱對(duì)SOS和秋季干旱對(duì)EOS的影響比較統(tǒng)一,其他的季節(jié)對(duì)物候參數(shù)的影響正負(fù)比例平衡,并且多呈不顯著相關(guān)。子植被分區(qū)Ⅷ的夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS呈顯著正相關(guān),其他子植被分區(qū)夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS均呈負(fù)相關(guān),尤其在植被分區(qū)Ⅰ、Ⅵ,夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS呈顯著負(fù)相關(guān);各子植被分區(qū)春季干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS均呈不顯著負(fù)相關(guān);子植被分區(qū)Ⅴ的秋季干旱強(qiáng)度指數(shù)與EOS呈不顯著正相關(guān),其他子植被分區(qū)的秋季干旱強(qiáng)度指數(shù)與EOS均呈不顯著負(fù)相關(guān)。此外,在溫帶北部草甸草原區(qū),冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS呈顯著負(fù)相關(guān),經(jīng)查資料驗(yàn)證是上一年的干旱對(duì)當(dāng)年SOS有顯著負(fù)影響[25],所以冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)序列與SOS序列呈顯著負(fù)相關(guān);在溫帶北部典型草原區(qū),夏、冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)與EOS呈顯著負(fù)相關(guān);在溫帶南部荒漠草原區(qū),夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)對(duì)EOS呈顯著正相關(guān)。

圖9 干旱強(qiáng)度與物候相關(guān)分析 Fig.9 Correlation analysis between drought intensity and phenology metrics

3.4.2不同植被類型分區(qū)的物候與干旱強(qiáng)度指數(shù)的變化趨勢(shì)

不同植被分區(qū)的干旱強(qiáng)度指數(shù)和物候指數(shù)都具有不同的變化特征,對(duì)各個(gè)季節(jié)平均和年均的SPEI(有這里使用最能敏感地反映了植被變化的SPEI- 3)、SOS、EOS和LOS進(jìn)行趨勢(shì)分析,選擇0.1、0.05作為顯著性水平。研究不同植被分區(qū)干旱強(qiáng)度指數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì),及在該干旱強(qiáng)度指數(shù)變化下平均物候指數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)特征。圖10可知,各植被分區(qū)的干旱強(qiáng)度指數(shù)和物候的變化趨勢(shì)并不統(tǒng)一,大多分區(qū)的干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)不明顯,變化在-0.1—0.1(/10a)占55%,并且大多數(shù)干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)未通過顯著性檢驗(yàn)。大多分區(qū)的物候參數(shù)變化趨勢(shì)差異較大,變化在大于 2d/10a 占37.5%,并且有將近一半的變化趨勢(shì)通過顯著性檢驗(yàn),尤其EOS除了溫帶南部荒漠草原區(qū),其余的植被類型區(qū)都通過了顯著性檢驗(yàn)。在寒溫帶針葉林區(qū),EOS呈顯著(2.04/10a)延后趨勢(shì),LOS呈顯著(3.35/10a)延長(zhǎng)趨勢(shì)。在溫帶北部草甸草原區(qū),EOS呈顯著(1.2/10a)延后趨勢(shì),LOS顯著(2.2/10a)延長(zhǎng)趨勢(shì)。在溫帶北部典型草原區(qū),EOS呈顯著(-0.82/10a)提前趨勢(shì)。在溫帶北部荒漠草原區(qū),EOS呈顯著(-2.89/10a)提前趨勢(shì)。在溫帶南部荒漠草原區(qū)。在溫帶南部典型草原區(qū),EOS呈顯著(1.1/10a)延后趨勢(shì)。在溫帶南部草甸草原區(qū),EOS呈顯著(1.0/10a)延后趨勢(shì)。在溫帶半灌木,灌木荒漠區(qū),SOS呈顯著提前趨勢(shì),EOS呈顯著提前趨勢(shì)。

不同植被區(qū)的同一季節(jié)的干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)也不一致。除了溫帶南部典型草原區(qū)以外,各個(gè)植被區(qū)的夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)均呈下降不顯著降趨勢(shì),說明大部分地區(qū)夏季的呈不顯著干旱增強(qiáng)。春、秋、冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)有正也有負(fù),且大多不顯著,干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)通過顯著性檢驗(yàn)的均為上升趨勢(shì)。寒溫帶針葉林區(qū)的春季干旱強(qiáng)度指數(shù)、溫帶北部草甸草原區(qū)的春和冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)、溫帶北部典型草原區(qū)的冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)、溫帶南部草甸草原區(qū)的冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)和溫帶半灌木,灌木荒漠區(qū)的秋季干旱強(qiáng)度指數(shù)均呈顯著上升趨勢(shì),上升趨勢(shì)分別為(0.1/10a、0.24/10a、0.18/10a、0.33/10a、0.31/10a、0.42/10a)。

圖10 干旱強(qiáng)度和物候指數(shù)的M-K趨勢(shì)特征Fig.10 The M-K trend of drought intensity and phenology metrics

3.4.3物候?qū)Ω珊祻?qiáng)度指數(shù)變化的響應(yīng)程度分析

只有當(dāng)干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)、物候參數(shù)變化趨勢(shì)都呈顯著性趨勢(shì),并且其兩者相關(guān)性通過顯著性物候檢驗(yàn)時(shí),我們才認(rèn)為該物候參數(shù)對(duì)干旱強(qiáng)度指數(shù)的響應(yīng)通過了顯著性檢驗(yàn),響應(yīng)程度為物候參數(shù)變化趨勢(shì)與干旱強(qiáng)度指數(shù)變化趨勢(shì)的比值。反之,呈不顯著響應(yīng)。

結(jié)合不同植被類型的物候與干旱強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果(圖9)和物候與干旱強(qiáng)度指數(shù)的變化趨勢(shì)(圖10),可知研究區(qū)內(nèi)的各子植被區(qū)的季節(jié)干旱強(qiáng)度指數(shù)和物候參數(shù)SOS、EOS多呈不顯著變化趨勢(shì)。分析可知植被區(qū)的物候參數(shù)生長(zhǎng)季開始(SOS)與生長(zhǎng)季結(jié)束(EOS)對(duì)季節(jié)干旱強(qiáng)度指數(shù)響應(yīng)具有較大差異性,響應(yīng)程度集中在-10d/0.1—10d/0.1。如在寒溫帶針葉林區(qū),夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)與SOS呈顯著負(fù)相關(guān),SOS呈不顯著(-1.15/10a)提前趨勢(shì),夏季干旱強(qiáng)度指數(shù)分別呈不顯著-0.01/10a下降趨勢(shì),響應(yīng)程度為-11.5d/0.1,該響應(yīng)程度并未通過顯著性檢驗(yàn);而在溫帶南部草甸草原區(qū),SOS對(duì)夏季干旱的響應(yīng)程度為-0.45d/0.1,該響應(yīng)程度并未通過檢驗(yàn)。并且植被區(qū)的物候參數(shù)生長(zhǎng)季開始(SOS)與生長(zhǎng)季結(jié)束(EOS)對(duì)季節(jié)干旱強(qiáng)度指數(shù)響應(yīng)多呈不顯著響應(yīng),只有部分呈顯著響應(yīng)。在溫帶北部典型草原區(qū),冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)與EOS呈顯著負(fù)相關(guān),冬季干旱呈顯著0.33/10a上升趨勢(shì),EOS呈顯著-0.82d提前趨勢(shì),EOS對(duì)冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)的負(fù)影響程度為-0.25d/0.1,并通過了顯著性檢驗(yàn),說明冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)每增大0.1,會(huì)促進(jìn)EOS提前0.25d。

4 討論

1)保證物候提取的精度是保證研究成果可信度的重要前提。本文物候提取方法的驗(yàn)證有兩步：1)先用具有代表性的站點(diǎn)物候,代表作物類型肯定不是子植被分區(qū)唯一作物類型,但子植被分區(qū)內(nèi)的作物類型肯定以代表作物為主,只要提取后的大部分像元的物候參數(shù)落在了代表類型物候的彈性區(qū)間30天內(nèi),都認(rèn)為提取的物候有可信度。只做該步驟的驗(yàn)證會(huì)存在缺陷,并不能直接確定NDVIratio為0.5時(shí)提取的物候精度最高,只能驗(yàn)證NDVIratio為0.5時(shí)提取的物候參數(shù)可用驗(yàn)證方法,有待提高;2)本文又用前人提取該研究區(qū)物候的成果來驗(yàn)證NDVIratio為0.5時(shí)提取的物候參數(shù),發(fā)現(xiàn)NDVIratio為0.5時(shí)提取的物候參數(shù)與前人提取物候參數(shù)一致,再次證實(shí)了NDVIratio為0.5提取的物候的可信度較高。地面站點(diǎn)觀測(cè)物候數(shù)據(jù)相對(duì)遙感反演的物候參數(shù)精度較高,希望以后的研究,可以從物候提取的方法上有所改進(jìn),并能把遙感反演物候數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)有效結(jié)合,而不僅用于驗(yàn)證反演的物候參數(shù)。

2)本研究中選擇時(shí)間尺度的步驟是一個(gè)典型的研究課題。植被指數(shù)NDVI具有顯著的季節(jié)性變化,植被物候也遵循季節(jié)變化規(guī)律,此外,季節(jié)性的SPEI與物候的相關(guān)性最大。選擇季節(jié)性的干旱指標(biāo)SPEI,并分析植被物候在的季節(jié)性變化SPEI上的響應(yīng)情況是合理的。但是同植被對(duì)氣候因素的響應(yīng)存在時(shí)間滯后一樣,NDVI對(duì)氣象干旱指數(shù)也存在滯后效應(yīng)。植被變化不僅受到現(xiàn)下氣候條件普遍的影響,也由以前的氣候條件造成累積效應(yīng)。本文根據(jù)最大相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)不同時(shí)間尺度的干旱反映植被變化的敏感程度,得到的最能反映植被變化的干旱尺度為季節(jié)尺度,該方法可靠,結(jié)論符合實(shí)際可用。研究發(fā)現(xiàn)3個(gè)月尺度的干旱對(duì)植被影響最大,推測(cè)因?yàn)橹脖粚?duì)干旱的響應(yīng)具有時(shí)間滯后性。然而,本文并沒有具體去分析滯后效應(yīng),不能定量得描述滯后效應(yīng)的大小。在以后的研究中,不同類型植被的物候?qū)庀蟾珊抵笖?shù)的滯后效應(yīng)大小,及物候在不同時(shí)間尺度干旱變化下的響應(yīng)情況,都是非常值得探討和分析的問題。

3)本文發(fā)現(xiàn)除了荒漠草原區(qū)外,內(nèi)蒙古地區(qū)大部分像元年干旱與SOS、EOS均呈正相關(guān),干旱加強(qiáng),SOS和EOS都會(huì)延后。前人的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)蒙古地區(qū)降水的減少是當(dāng)?shù)刂脖晃锖騍OS延后和EOS提前主要原因,并且氣溫升高會(huì)導(dǎo)致SOS延后、EOS延后[7,25,30- 32]。從物理意義討論本文研究結(jié)論與前人成果的異同,本文使用SPEI指數(shù)是基于降水和蒸散發(fā)(根據(jù)Thornthwaite方法基于氣溫計(jì)算所得)的差額累計(jì)擬合而來,SPEI的大小與降水呈正相關(guān),與氣溫呈負(fù)相關(guān)。降水減少,氣溫升高,SPEI指數(shù)減少,干旱加強(qiáng),SOS會(huì)延后,這與前人研究降水、氣溫對(duì)SOS的結(jié)論一致。降水減少,氣溫升高,SPEI指數(shù)減少,干旱加強(qiáng),EOS的延后,與前人研究氣溫對(duì)EOS的影響結(jié)論一致,但并不符合前人研究降水對(duì)EOS的影響結(jié)論。推測(cè)可能是干旱指標(biāo)SPEI對(duì)氣溫敏感導(dǎo)致的,認(rèn)為干旱對(duì)EOS的影響以氣溫對(duì)EOS的影響為主。

5 結(jié)論

本文根據(jù)NDVI3g時(shí)序數(shù)據(jù),利用Timesat物候分析軟件提取了各個(gè)柵格單元多種植被物候參數(shù)。并根據(jù)1∶100萬植被區(qū)劃,把內(nèi)蒙古劃分為8個(gè)植被分區(qū),分析了內(nèi)蒙古各子植被區(qū)植被物候的時(shí)空變化及其對(duì)干旱的響應(yīng)規(guī)律。得出以下結(jié)論：

1)在1982年至2013年,內(nèi)蒙古植被受到不同時(shí)間尺度下干旱的高度控制。植被變化與氣象干旱指標(biāo)SPEI有很強(qiáng)的相關(guān)性,像元比例85.61%呈顯著正相關(guān),但是不同植被分區(qū)間存在一定的差異性。除了寒溫帶針葉林區(qū)和溫帶草甸草原區(qū)的NDVI對(duì)與SPEI- 6和SPEI- 12響應(yīng)敏感,其他區(qū)域?qū)PEI- 3均響應(yīng)敏感,尤其在內(nèi)蒙古中部區(qū)域。為后面研究?jī)?nèi)蒙古植被與干旱關(guān)系而選取干旱指標(biāo)的時(shí)間尺度時(shí),提供了科學(xué)的依據(jù)。

2)研究區(qū)遙感反演的多年平均物候參數(shù)SOS、EOS和LOS主要分布范圍分別為第120—160天、第275—295天和120—170天,并且各物候參數(shù)都具有明顯的空間差異,SOS表現(xiàn)為內(nèi)蒙古的東南區(qū)SOS時(shí)間較晚,寒溫帶針葉林、溫帶北部草甸草原區(qū)和溫帶半灌木,灌木荒漠植被區(qū)SOS的較早;EOS表現(xiàn)為內(nèi)蒙古東北區(qū)EOS時(shí)間較早,西南區(qū)EOS的較晚;LOS表現(xiàn)為內(nèi)蒙古南部多年平均LOS較短,北部的多年平均LOS較長(zhǎng)。

3)對(duì)于整個(gè)研究區(qū)SOS多呈提前趨勢(shì),像元比例為63.79%,EOS多呈延后趨勢(shì),像元比例為59.77%,LOS多呈延長(zhǎng)趨勢(shì),像元比例為62.83%。植被物候變化趨勢(shì)存在明顯的空間變化規(guī)律,荒漠草原區(qū)SOS、EOS多呈提前趨勢(shì),LOS呈縮短趨勢(shì);研究區(qū)北部寒溫帶針葉林和溫帶草甸草原區(qū) SOS 呈提前趨勢(shì)、EOS 多呈延后趨勢(shì),LOS 呈延長(zhǎng)趨勢(shì);研究區(qū)南部的溫帶南部典型草原區(qū)和溫帶南部草甸草原區(qū) SOS 多呈延遲趨勢(shì)、EOS 多呈延后趨勢(shì),LOS呈延長(zhǎng)趨勢(shì)。

4)研究區(qū)同年春夏季干旱減弱,促進(jìn)SOS提前;同年秋季干旱減弱,促EOS提前;同年春夏季干旱減弱LOS延長(zhǎng),推測(cè)LOS延長(zhǎng)主要由SOS提前導(dǎo)致的。根據(jù)當(dāng)年春季的干旱程度可以推斷植被生長(zhǎng)季開始的變化情況,當(dāng)年秋季的干旱程度可以推斷植被生長(zhǎng)季結(jié)束的變化情況,這對(duì)內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展和保護(hù)具有重要意義。

5)研究區(qū)域內(nèi)不同類型植被分區(qū)對(duì)干旱強(qiáng)度指數(shù)的響應(yīng)不同,響應(yīng)程度集中在-10d/0.1—10d/0.1,并且多呈不顯著響應(yīng),只有部分呈顯著響應(yīng)。在溫帶北部典型草原區(qū),EOS對(duì)冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)的負(fù)影響程度為-0.25d/0.1,并通過了顯著性檢驗(yàn),說明冬季干旱強(qiáng)度指數(shù)每增大0.1,干旱減弱,會(huì)促進(jìn)EOS提前0.25d。本文按植被類型分區(qū),研究不同植被類型的子植被分區(qū)對(duì)干旱的響應(yīng)情況,突破了前人對(duì)物候研究的分區(qū)界限,對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同植被類型的保護(hù)提供了科學(xué)的依據(jù)。