中國(guó)東北城鄉(xiāng)植被物候時(shí)空變化及其對(duì)地表溫度的響應(yīng)

胡召玲,戴 慧,侯 飛,李二珠

江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院, 徐州 221116

植被物候是指植被受環(huán)境因子和人類活動(dòng)影響出現(xiàn)的以年為周期的自然現(xiàn)象,是植被長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境季節(jié)性變化的結(jié)果[1-2]。全球氣候變化、地域差異及人類活動(dòng)都會(huì)影響植被關(guān)鍵物候期。因此,植被物候是陸地生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的重要測(cè)度指標(biāo),它不僅是探索植被生長(zhǎng)周期及其與氣候變化響應(yīng)之間的一個(gè)重要參數(shù)、環(huán)境變化的指示器[3- 5],也是研究諸如能量交換、動(dòng)物棲息地、糧食短缺等生態(tài)過(guò)程的重要指標(biāo)[6]。

遙感技術(shù)使得受自然環(huán)境制約無(wú)法到達(dá)地區(qū)可以進(jìn)行植被物候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),也使得物候觀測(cè)對(duì)象從植被個(gè)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹脖簧鷳B(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)向面的空間尺度轉(zhuǎn)換[1]。近年來(lái)中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)歸一化差值植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index, NDVI)和增強(qiáng)植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于植被物候參數(shù)指標(biāo)的提取[7-9]。已有研究表明：植被的生長(zhǎng)發(fā)育與溫度間的關(guān)系密切,物候期持續(xù)的時(shí)期與活動(dòng)積溫有顯著的相關(guān)性[10-12]。在某些地區(qū)植被物候?qū)鉁氐拿舾谐潭雀哂诮邓?植物的春季物候與春季溫度呈顯著負(fù)相關(guān)[13-14]。目前,對(duì)植被物候時(shí)空變化方面的研究多集中于一些典型生態(tài)區(qū)域[15-19],而對(duì)城區(qū)及其周邊鄉(xiāng)村的植被物候差異研究相對(duì)較少。隨著城市化進(jìn)程的加劇,城市熱島所引起的局地小氣候改變,不僅會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局、過(guò)程及功能產(chǎn)生影響,也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖晃锖蚱诋a(chǎn)生影響[20- 21]。植被物候沿城鄉(xiāng)梯度的變化反映城市化過(guò)程對(duì)局地水熱條件的調(diào)節(jié)作用[22]。此外,在城市環(huán)境下,由于關(guān)系到公眾健康如人們對(duì)某些植物花粉的過(guò)敏性反應(yīng),因此,研究植被物候具有更重要的意義[23]。

中國(guó)東北地區(qū)自南向北跨中溫帶與寒溫帶,是對(duì)氣候變化最敏感的區(qū)域之一[24],該區(qū)域植被物候動(dòng)態(tài)變化對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)具有重要的指示作用。本文選擇中國(guó)東北地區(qū)的沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、哈爾濱3個(gè)省會(huì)大城市及其周邊的鄉(xiāng)村為研究單元,利用2009—2016年MODIS EVI數(shù)據(jù),計(jì)算像元尺度上的植被關(guān)鍵物候期參數(shù)指標(biāo),即生長(zhǎng)季開始時(shí)間(Start of Growing Season, SOS)和生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間(End of Growing Season, EOS),研究年均城鄉(xiāng)植被物候期的空間分布特征與差異、各研究單元平均植被物候期及城鄉(xiāng)植被物候期隨時(shí)間的變化趨勢(shì)、年均地表溫度(Land Surface Temperature, LST)與SOS、EOS的相關(guān)關(guān)系。本研究對(duì)于監(jiān)測(cè)和保護(hù)東北地區(qū)生態(tài)環(huán)境、建設(shè)生態(tài)文明城市、指示農(nóng)時(shí)以及預(yù)測(cè)氣候變化趨勢(shì)等方面都具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以2009—2016年長(zhǎng)時(shí)間序列的MODIS EVI和LST數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源。MODIS數(shù)據(jù)集來(lái)源于MOD13A1和MYD13A1產(chǎn)品,空間分辨率為500 m,平均每8天掃描一次。數(shù)據(jù)集中包含2種植被指數(shù)數(shù)據(jù),即MODIS NDVI和MODIS EVI數(shù)據(jù),EVI作為改進(jìn)的植被指數(shù)數(shù)據(jù),已經(jīng)經(jīng)過(guò)大氣校正和土壤背景校正,相對(duì)于NDVI而言,其動(dòng)態(tài)取值范圍較大。該數(shù)據(jù)集全年共46景,研究區(qū)域包括編號(hào)為H26V04、H26V05、H27V04和H27V05的四景分幅影像,全部時(shí)間段內(nèi)共計(jì)1472景數(shù)據(jù)。

MODIS的MOD11A2地表溫度產(chǎn)品是3級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為1000 m,主要提供每8天的LST數(shù)據(jù),產(chǎn)品包括白天LST、夜晚LST、各LST的晴天數(shù)量、質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)、觀測(cè)日期、視角、波段31與32反射率。選用8天的平均周期能有效去除由于觀測(cè)角度差異帶來(lái)的誤差,且缺值情況較日數(shù)據(jù)少,其反演得到的地表溫度精度的絕對(duì)誤差在±1K左右,能夠滿足本研究的需求。本文的LST影像數(shù)據(jù)共計(jì)1472景。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先對(duì)H26V04、H26V05、H27V04和H27V05四景分幅影像進(jìn)行影像拼接,獲得整個(gè)研究區(qū)的影像。然后,查詢谷歌地圖獲得這3個(gè)城市的邊界,計(jì)算出每個(gè)城市的城區(qū)面積,設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1000 m×1000 m。根據(jù)各個(gè)城市的中心點(diǎn)坐標(biāo)確定城市中心位置,沿此中心上下左右各自平移相同數(shù)目的網(wǎng)格,使得裁剪出的影像中心城區(qū)面積與其周邊面積大致相等,進(jìn)而分別對(duì)各個(gè)研究單元范圍進(jìn)行裁剪。

由于本文所采用的原始影像的時(shí)間分辨率為8天,采用線性插值的方法補(bǔ)充在時(shí)間上缺失的數(shù)據(jù)。盡管MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)前期預(yù)處理,但是處理后的影像仍然會(huì)受到電子噪聲干擾等的影響,導(dǎo)致EVI數(shù)據(jù)曲線局部具有尖銳的信號(hào)值,這些噪聲數(shù)據(jù)均屬于無(wú)效數(shù)據(jù),對(duì)于植被物候指標(biāo)的提取會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,不利于時(shí)間序列分析。為消除這些噪聲信號(hào),本文選取demy小波作為小波基對(duì)EVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,濾除噪聲數(shù)據(jù)后重建平滑的EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 動(dòng)態(tài)閾值法提取植被關(guān)鍵物候期指標(biāo)

閾值法通過(guò)對(duì)植被指數(shù)設(shè)定閾值條件來(lái)確定植被生長(zhǎng)季的關(guān)鍵物候期指標(biāo)SOS和EOS,采用儒略日計(jì)數(shù)方法,將SOS和EOS出現(xiàn)的日期轉(zhuǎn)化為距1月1日的儒略日序數(shù)。而動(dòng)態(tài)閾值法則是由于植被指數(shù)在植被各階段生長(zhǎng)過(guò)程中的變化強(qiáng)度不同,從而可以設(shè)定不同的閾值來(lái)提取植被的關(guān)鍵物候指標(biāo),該方法可以根據(jù)研究區(qū)植被不同的生理特點(diǎn),在不計(jì)地表的覆蓋類型和人為活動(dòng)的影響程度下,形象地描述植被的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。由于研究區(qū)所包括的3個(gè)大城市的生態(tài)環(huán)境存在差異,故選擇動(dòng)態(tài)閾值法提取SOS和EOS值。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,參考相關(guān)文獻(xiàn)[17,22]及與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)相比,將提取SOS的植被閾值設(shè)定在植被生長(zhǎng)過(guò)程的25%左右,提取EOS的植被閾值設(shè)定在植被衰敗過(guò)程的25%左右,其計(jì)算公式如下：

EVI(SOS)=(EVImax-EVImin1)×25%

(1)

EVI(EOS)=(EVImax-EVImin2)×25%

(2)

式(1)中EVI(SOS)表示提取SOS的植被指數(shù)閾值,EVImax表示植被指數(shù)最大值,EVImin1表示EVI曲線上升階段植被指數(shù)最小值；式(2)中EVI(EOS)表示提取EOS的植被指數(shù)閾值,EVImin2表示EVI曲線下降階段植被指數(shù)最小值,當(dāng)動(dòng)態(tài)閾值達(dá)到最大與最小EVI差值的25%時(shí),提取出SOS和EOS值。

2.2 趨勢(shì)分析法

采用一元線性回歸法擬合線性函數(shù)用以表示植被物候指標(biāo)的時(shí)序變化趨勢(shì),其公式為：

y=kx+b

(3)

其中,

(4)

式(3)中自變量x表示年份,即為2009—2016年的計(jì)數(shù),因變量y表示SOS和EOS,n表示年份數(shù)。k為研究時(shí)段內(nèi)某一個(gè)像元SOS和EOS的變化趨勢(shì),若k>0時(shí),表明植被物候期具有上升趨勢(shì),即植物物候期時(shí)間推遲；若k<0時(shí),表明該植被物候期具有下降趨勢(shì),即植被物候期具有提前趨勢(shì)。

3 結(jié)果分析

3.1 植被關(guān)鍵物候期的空間分布特征

根據(jù)濾波重建后的EVI指數(shù)時(shí)間序列數(shù)據(jù),由動(dòng)態(tài)閾值法計(jì)算出2009—2016年間各個(gè)城市植被物候的年均生長(zhǎng)日期SOS和結(jié)束日期EOS,獲得各城市植被關(guān)鍵物候期空間分布圖(圖1)。

圖1 各城市植被關(guān)鍵物候期空間分布圖Fig.1 Spatial distribution maps of vegetation phenology in major citiesSOS:生長(zhǎng)季開始時(shí)間Start of growing season; EOS:生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間End of growing season

由圖1可見,雖然各研究單元的植被關(guān)鍵物候期分布形態(tài)有所不同,但SOS和EOS的空間分布均呈現(xiàn)出相似的分布特征,每個(gè)城市SOS取較小值所在的區(qū)域與EOS取較大值所在的區(qū)域相一致,而SOS較大時(shí),EOS較小。植被物候指標(biāo)的空間分布與所處位置屬于城區(qū)還是鄉(xiāng)村具有高度的一致性,距離城區(qū)中心越近,其SOS越早,EOS越晚,變化也越明顯。2009—2016年間這3個(gè)城市的年均SOS形成一個(gè)以城區(qū)為中心的早期中心,并呈現(xiàn)出由城區(qū)向鄉(xiāng)村SOS逐漸延后的變化特征；年均EOS形成一個(gè)以城區(qū)為中心的晚期中心,同時(shí)呈現(xiàn)出由城區(qū)向鄉(xiāng)村逐漸提前的變化特征。這種變化特征表明植被物候的梯度分布和下墊面覆蓋類型密切相關(guān)。

從圖1中還可以看出,各大城市的植被關(guān)鍵物候期空間分布存在明顯的城鄉(xiāng)差異,城區(qū)的SOS均早于鄉(xiāng)村,城區(qū)的EOS均比鄉(xiāng)村晚。對(duì)每個(gè)城市的植被物候參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到年均城鄉(xiāng)植被物候參數(shù)指標(biāo)(表1)。從表1中可以看出,城區(qū)SOS大多集中在第99—112天左右,鄉(xiāng)村的SOS主要集中在第125—135天左右,城區(qū)和鄉(xiāng)村大致相差20 d的時(shí)間；城區(qū)EOS主要集中在第293—300天左右,鄉(xiāng)村EOS主要集中在第284—286天左右,城區(qū)的EOS大致比鄉(xiāng)村推遲14 d左右,城區(qū)植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度(Length of Growing Season, LGS)比鄉(xiāng)村長(zhǎng)32—44 d。長(zhǎng)春市城區(qū)的SOS值最小,沈陽(yáng)市鄉(xiāng)村的SOS值最小,表明其植被生長(zhǎng)季開始得最早。

表1 年均城鄉(xiāng)植被物候參數(shù)指標(biāo)

3.2 植被關(guān)鍵物候期的時(shí)間變化分析

計(jì)算出每一年份各研究單元城區(qū)及其周邊鄉(xiāng)村整體的SOS平均值和EOS平均值后,以年份為自變量,SOS平均值、EOS平均值為因變量分別進(jìn)行一元線性回歸,獲得植被物候指標(biāo)的整體年際變化趨勢(shì)圖(圖2)。從圖2中可以看出,各個(gè)城市的SOS均呈提前趨勢(shì)。2012年哈爾濱和長(zhǎng)春的SOS值均是一個(gè)峰值,即生長(zhǎng)季開始得最晚,通過(guò)查閱氣象資料,可知受西伯利亞強(qiáng)冷空氣影響,這兩個(gè)城市所在區(qū)域出現(xiàn)寒潮、暴雪、低溫等極端天氣現(xiàn)象,導(dǎo)致植被延遲生長(zhǎng)。2012年是這兩個(gè)城市8年中最冷的一年,SOS恰好印證了這一氣候現(xiàn)象。相比其他年份而言,沈陽(yáng)2012年的SOS取值也較大,表明其在一定程度上也受到寒潮的影響。哈爾濱EOS呈延遲趨勢(shì),而長(zhǎng)春和沈陽(yáng)則表現(xiàn)為提前結(jié)束的趨勢(shì),哈爾濱和長(zhǎng)春的EOS在2011年達(dá)到這8年中的最低值。這些現(xiàn)象說(shuō)明了各大城市植被物候年際變化與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件密不可分,由于各城市植被物候受區(qū)域氣候差異的影響,從而表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

圖2 2009—2016年整體SOS和EOS的年際變化圖Fig.2 The annual change of overall SOS and EOS from 2009 to 2016

計(jì)算出每一年份3個(gè)研究單元即各城市的城區(qū)及其周邊鄉(xiāng)村植被物候參數(shù)SOS、EOS平均值,利用趨勢(shì)分析法獲得2009—2016年間城鄉(xiāng)物候年際變化曲線圖(圖3)。

圖3 2009—2016年城區(qū)和鄉(xiāng)村SOS和EOS的年際變化Fig.3 The annual change of SOS and EOS in urban and rural areas from 2009 to 2016

從圖3中可以看出,所有城市城區(qū)的SOS值都比鄉(xiāng)村的小,表明其植被物候期早,并且城鄉(xiāng)的SOS年際變化都呈下降趨勢(shì),植被物候表現(xiàn)為一致提前。城區(qū)SOS的年際變化速率均大于鄉(xiāng)村的變化速率。這3個(gè)城市的城區(qū)和鄉(xiāng)村在2014年的SOS取值均較小,說(shuō)明這一年的春天是研究時(shí)段內(nèi)較暖的一年。這是由于2014年?yáng)|北地區(qū)受到中強(qiáng)度厄爾尼諾的影響,春天普遍溫暖,從而促使植被提早進(jìn)入生長(zhǎng)。盡管所有城市城區(qū)的EOS都比鄉(xiāng)村晚,但是同一城市的城鄉(xiāng)EOS的年際變化趨勢(shì)表現(xiàn)并不一致。這一現(xiàn)象說(shuō)明,城鄉(xiāng)EOS年際變化不僅與當(dāng)?shù)貧夂驐l件有關(guān),還可能與各城市不同地理位置的植被種類有關(guān),不同的植被種類,其生長(zhǎng)結(jié)束期也不相同。

3.3 地表溫度與植被物候的響應(yīng)關(guān)系

為了研究地表溫度與植被物候指標(biāo)之間的關(guān)系,根據(jù)各研究單元每個(gè)網(wǎng)格的年均LST、年均SOS和EOS,分別計(jì)算出LST與SOS、LST與EOS相關(guān)系數(shù)r如表2所示。r反映了年均地表溫度對(duì)植被物候指標(biāo)的響應(yīng)程度,r為正值時(shí),表示植被物候期推遲,其值越接近于1,推遲越顯著；r為負(fù)值時(shí),表示植被物候期提前,其絕對(duì)值越接近于1,則表明植被物候期提前愈明顯。

從表2可以看出,植被的SOS與LST呈顯著負(fù)相關(guān),即一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的城市的平均溫度越高,植被物候期的起始時(shí)間越早。不同城市年均地表溫度與SOS的相關(guān)系數(shù)不同,表明年均地表溫度對(duì)SOS的響應(yīng)程度不同,由高到低依次為哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)。EOS與LST呈高度正相關(guān),即植被物候同期的地表溫度越高,植被物候結(jié)束時(shí)間越晚。年均地表溫度對(duì)EOS的響應(yīng)程度由高到低依次為長(zhǎng)春、哈爾濱、沈陽(yáng)。不同城市的年均地表溫度對(duì)SOS和EOS的響應(yīng)程度并不相同,這與各城市所在的區(qū)域氣候有關(guān)。

表2 LST與SOS、EOS的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

(1)各研究單元SOS與EOS的空間分布均呈現(xiàn)出相似的分布特征。植被物候空間分布與城區(qū)和鄉(xiāng)村的分布具有高度的一致性。植被物候參數(shù)指標(biāo)空間分布存在明顯的城鄉(xiāng)差異,城區(qū)的SOS均早于鄉(xiāng)村,EOS則晚于鄉(xiāng)村。每一個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置,距離城區(qū)中心越近,其SOS值越小,EOS值越大,表明植被生長(zhǎng)季開始日期早結(jié)束日期晚,整個(gè)植被物候生長(zhǎng)期時(shí)間變長(zhǎng)。各研究單元植被物候指標(biāo)的年際變化具有一定的相似性,即SOS隨時(shí)間均呈現(xiàn)出提前趨勢(shì),且城區(qū)和鄉(xiāng)村的SOS年際變化趨勢(shì)保持一致,變化速率各不相同。

(2)2012年哈爾濱和沈陽(yáng)的SOS值均是研究時(shí)段內(nèi)的最大值,從植被物候期反映來(lái)看,該年是一個(gè)最冷年,這與當(dāng)年的氣候現(xiàn)象相吻合,由于受寒潮影響,出現(xiàn)暴雪,低溫等極端天氣,導(dǎo)致植被相比較于其他年份延遲生長(zhǎng)。

(3)各研究單元年均地表溫度與對(duì)應(yīng)的植被關(guān)鍵物候期均有顯著的相關(guān)性,SOS與LST呈顯著負(fù)相關(guān),即與植被物候同期的平均溫度越高,植被物候期的起始時(shí)間越早。EOS與LST呈高度正相關(guān),即與植被物候同期的地表溫度越高,植被物候期結(jié)束時(shí)間晚,因此,東北地區(qū)植被物候?qū)囟茸兓捻憫?yīng)更為顯著、更具代表性。不同城市的年均地表溫度與植被關(guān)鍵物候期的相關(guān)性并不相同,這主要是受到全球氣候變化、區(qū)域氣候變化及城市熱島效應(yīng)共同影響作用的結(jié)果。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所張學(xué)珍副研究員提供部分研究數(shù)據(jù)。