呂梁山地區(qū)常綠植被物候的提取和分布差異

王貝貝,周淑琴,荊耀棟,宋曉靜

(山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030800)

植被生長受周圍環(huán)境影響而產(chǎn)生規(guī)律性的更替現(xiàn)象稱為植被物候[1-2]。近年來，全球性環(huán)境問題日益突出，植被物候的變化可以作為全球環(huán)境變化的強有力證據(jù)[3-4]。特別在山地地區(qū)，海拔垂直變化引起的氣候差異明顯，地形多變，常綠植被物候對周圍環(huán)境指示效果更明顯，提取和研究常綠植被物候的分布能為全球變化和常綠植被的其他研究提供參考。目前，植被物候提取的方法有基于地面觀測、基于遙感觀測、基于氣象經(jīng)驗模型觀測?；谶b感植被指數(shù)的物候提取方法解決了成本高、速度慢和人為因素影響大的問題而被廣泛使用。烏日汗等[5]利用遙感數(shù)據(jù)對內蒙古地區(qū)生長季進行了研究，認為NDVI可以比較穩(wěn)定地提取植被生長季的開始和結束日期。各類研究能通過閾值法[6]、曲線擬合法[5]、滑動平均法[7]、斜率最大值法[8]準確提取植被物候。在植被物候分布和空間差異上，有研究表明：黃土高原地區(qū)植被物候與經(jīng)緯度關系密切[9]，山地植被物候隨海拔而發(fā)生顯著的變化[10]。

呂梁山地區(qū)處于黃土高原中段，水土流失嚴重，常綠植被作為呂梁山地生態(tài)系統(tǒng)的重要成分，對該地區(qū)生態(tài)恢復重建、群落小氣候改善、碳匯有積極作用。以往研究者對呂梁山植被研究主要是針對單座山體或單一區(qū)域，缺乏整體完整的研究，并且在呂梁山地區(qū)的植被物候研究尚屬空缺。本研究利用2016～2019年MODIS NDVI數(shù)據(jù)[11]，從呂梁山整體去提取常綠植被，并分析常綠植被的在空間、地形上的分布差異，為具體類型植被物候提取、呂梁山地區(qū)生態(tài)修復和常綠植被碳匯研究提供基礎。

1 研究區(qū)概況

呂梁山位于山西省境內西側，黃土高原東部，地理位置處于E 110°28′～112°44′、N 35°40′～39°33′之間。呂梁山脈主脊兩側為天然林區(qū)，西側為水土流失和風沙區(qū)，東側為山區(qū)與盆地的過渡帶。海拔最高2794 m，海拔最低545 m，大部分地區(qū)海拔1100～1800 m。研究區(qū)屬半干旱溫帶大陸性季風氣候，從南到北水熱條件空間變化較大，年均氣溫8 ℃，年降水量600 mm，降雨主要分布在夏季。呂梁山地區(qū)林地分布最多、面積最大，總面積為65.62萬hm2，占全省林地總面積的17.95%。主要植被有華北落葉松、油松、云杉、白杄和青杄林林地，這些植被由北向南呈長條狀、不規(guī)則地分布在管涔山、關帝山、云中山脈主脊兩側。其中常綠植被主要有油松、白皮松、云杉、白杄和青杄林。

圖1 研究區(qū)的概況和地形

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2016～2019年MODIS NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)提供的MOD13A1數(shù)據(jù)集，分辨率為500 m、16 d，該數(shù)據(jù)集為產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過了輻射定標和大氣校正。通過MRT工具從原始數(shù)據(jù)中得到NDVI數(shù)據(jù)，再通過研究區(qū)裁剪得到2016～2019年時間序列的NDVI影像。

DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)V2版本的ASTER GDEM，將其重采樣為500 m，經(jīng)研究區(qū)裁剪后得到呂梁山地區(qū)500 m DEM數(shù)據(jù)，利用Arcgis軟件提取出坡度、坡向等地形信息。呂梁山地區(qū)研究邊界是結合呂梁山海拔、地形和周圍縣界在Arcgis軟件中提取到的。

2.2 研究方法

2.2.1 常綠林植被的識別方法 通過土地利用分類的方法提取到呂梁山地區(qū)林地的分布，結合NDVI值及其變化進一步將常綠林地與其他林地區(qū)分開來，最終提取到呂梁山地區(qū)常綠林的空間分布。12月、1月份常綠植被NDVI明顯高于其他植被，通過設定分類閾值提取到常綠林分布，并在谷歌地球上檢驗提取結果的準確性。

2.2.2 常綠林植被的物候提取方法 本文選用TIMESAT軟件的Savitzky-Golay濾波和動態(tài)閾值法，提取呂梁山地區(qū)常綠植被的物候期。MODIS NDVI數(shù)據(jù)通過最大值合成消除了云、霧的干擾[12-13]，但仍存在一些鋸齒、異常點和局部突變(圖2)，通過S-G濾波對NDVI影像的平滑處理，既能去除異常信息，又能較好地保存數(shù)據(jù)的真實性[14]。在NDVI時間序列的變化過程中通過動態(tài)設定閾值，提取植被的生長季開始日期(the start of the growing season，SOS)和生長季結束日期(the end of the growing season，EOS)[15-16]，動態(tài)閾值法可以根據(jù)不同植被種類、不同土壤類型動態(tài)的選取閾值，消除不同土壤、地形、植被類型對植被物候提取的影響。

圖2 單個像元的NDVI曲線濾波和物候提取

植被物候期的計算按儒略日計算，1月1日為第1天，以此類推，當年12月31日為第355天(366 d)。本文將常綠植被的生長季開始日期閾值設為20%，生長季結束日期設為50%，生長季長度(the longth of the growing season，LOS)為生長季結束日期和生長季開始日期的差值。具體計算方法見式(1)。

NDVIlim=(NDVImax-NDVImin)×K

(1)

式(1)中NDVImax為生長季內最大NDVI值，NDVImin為最小NDVI值，K值為設定的閾值。NDVIlim對應的時間為物候期，左邊為生長季開始日期，右邊為生長季結束日期(圖2)。

2.2.3 趨勢分析方法 常綠植被物候在地形和空間上的差異呈現(xiàn)規(guī)律性變化，采用一元線性回歸趨勢法分析，具體見式(2)。

(2)

式(2)中，Gslope為物候的變化趨勢；當Gslope>0時，物候呈推遲趨勢；當Gslope<0時，物候呈提前趨勢。j為研究劃分的等級或研究長度。k為等級變量，Gk表示第k級植被生長季開始或結束日期。

3 結果與分析

3.1 常綠植被的識別和驗證

常綠植被在冬季與其他植被有明顯的特征，它的綠度明顯大于其他植被，在NDVI上表現(xiàn)為明顯大于其他植被。通過這一特征可以提取到常綠植被的研究邊界，考慮到植被邊界可能隨著時間發(fā)生改變，為了排除常綠植被轉化為其他植被的干擾，筆者分別對2016～2019年的影像提取邊界，交集運算得到穩(wěn)定的常綠植被邊界(圖3)。呂梁山地區(qū)常綠植被為8118.54 km2，占總面積的19.3%。主要分布在海拔較高的地方，管涔山北段、南段，云中山南段，研究區(qū)以南地區(qū)。

呂梁山地區(qū)常綠植被由于常綠植被多分布在原始森林地方，實地驗證難以實現(xiàn)，通過谷歌地球，利用冬季時段的影像觀察植被是否為綠色植被。另可通過NDVI變化交叉驗證，常綠植被所在的區(qū)域NDVI變化趨勢處于-0.0001～0.0009的范圍內，變化基本穩(wěn)定，符合常綠植被特征。

圖3 呂梁山地區(qū)常綠植被物候期的空間分布

3.2 呂梁山地區(qū)常綠植被物候的空間差異

3.2.1 常綠植被物候的空間分布 呂梁山地區(qū)常綠植被生長季開始日期在第95～130天之間，平均為第105.4天，關帝山以南的地區(qū)生長季開始日期明顯早于關帝山以北，南部火焰山附近植被生長開始最早，管涔山和關帝山主峰附近植被生長開始最晚。生長季結束日期在第280～320天之間，平均為第301.2 天，關帝山和管涔山主峰植被的生長季結束日期明顯晚于其他地區(qū)。生長季長度160～230 d，平均約為195.7 d。關帝山以南生長季長度明顯長于關帝山以北地區(qū)。

從研究區(qū)常綠植被物候期的空間分布看，由南向北，生長季開始日期逐漸延長、生長季結束日期逐漸推遲、生長季長度逐漸縮短。研究區(qū)植被物候同緯度關系密切，呂梁山地區(qū)為狹長的南北分布，東西范圍較小，常綠植被物候在經(jīng)度上的變化并不明顯。通過圖3可以初步得出植被物候期的分布與緯度、海拔關系密切。

3.2.2 常綠植被物候與緯度的關系 研究區(qū)為南北延伸的狹長山地，東西跨度較小、差異不明顯，植被物候分布在經(jīng)度上的差異暫不討論，只研究物候期在緯度上的分布差異。為了定性研究植被物候期在緯度上的差異，結合研究區(qū)實際跨越的緯度范圍，將研究區(qū)從北向南分按間隔43.1 km(0.388°)為10條塊分析(圖4)。結果表明：緯度由南向北升高，常綠植被生長季開始日期顯著推遲(R2=0.9265，P<0.001)，從最南端的第97.6天推遲到北端的第116.7天，共推遲19.1 d，緯度每增高1°，生長季開始日期推遲4.9 d。生長季結束日期顯著提前(R2=0.8656，P<0.01)，從第305.1天提前到第296天，共提前9.1 d，緯度每升高1°，生長季結束日期提前2.3 d。生長季長度顯著縮短(R2=0.9620，P<0.001)，從第207.5天縮短到第179天，共縮短28.5 d，緯度每升高1°，生長季長度縮短7.3 d。

圖4 常綠植被物候在緯度上的變化趨勢

呂梁山地區(qū)南北跨度較大，各區(qū)域受到的太陽輻射熱量不同，不同緯度的植被獲得的光照、溫度存在差異。研究區(qū)氣溫呈自南向北、自低丘陵向高山呈遞減之勢。緯度越高，植被獲得的光、熱越少，反之，植被獲得的光和熱越充足。植被物候在緯度上的變化主要受氣溫的驅動影響。

3.3 呂梁山地區(qū)常綠植被物候的地形差異

3.3.1 常綠植被物候與海拔的關系 呂梁山地區(qū)海拔高低相差2250 m，差異較大，不同海拔上物候期差異較大。前面研究得到，植被物候分布與海拔存在密切關系，為了具體研究常綠植被物候在不同海拔的空間分布，將海拔以200 m為間隔，劃分為<900、900～1100、1100～1300、1300～1500、…、2300～2500、>2500共10個等級。將海拔分別與生長季開始日期、生長季結束日期和生長季長度進行趨勢分析，結果表明(圖5)：海拔<2500 m時，隨著海拔升高，常綠植被生長季開始日期顯著推遲，生長季結束日期顯著提前，生長季長度顯著縮短。海拔升高，植被開始生長的積溫不足，開始日期推遲，氣溫下降，植被停止生長，提前休眠。海拔>2500 m時，常綠植被生長季開始日期開始提前，生長季結束日期開始推遲，生長季長度開始延長。這些植被主要在管涔山附近，在2500 m海拔以上分布最多的為云杉，溫度的改變對耐寒植被物候影響變小，并且此地區(qū)為研究區(qū)北部降雨量最多地區(qū)，物候期逆趨勢改變更多與降水和植被性質有關。綜上所述，可得出氣溫是不同海拔下植被物候期分布存在差異的主要原因。

圖5 常綠植被物候在海拔上的變化趨勢

3.3.2 常綠植被物候與坡度的關系 為了研究不同坡度上常綠植被物候的分布和差異，將研究區(qū)按2°間隔劃分為Ⅰ(<2°)、Ⅱ(2～4°)、Ⅲ(4～6°)、Ⅳ(6～8°)、Ⅴ(8～10°)、Ⅵ(10～12°)、Ⅶ(12～14°)、Ⅷ(14～16°)、Ⅸ(>16°)共9級(圖6)。常綠植被生長季開始日期總體上隨坡度的增加而顯著推遲(R2=0.9065，P<0.01)，推遲速率為0.30，生長季結束日期總體上顯著提前(R2=0.7267，P<0.01)，提前速率為0.39，生長季長度總體上呈顯著縮短趨勢(R2=0.8996，P<0.01)，縮短速率為0.59。常綠植被的生長季開始日期在坡度<6°時相對穩(wěn)定，之后變化加快，生長季結束日期在<10°時相對穩(wěn)定，之后變化加快。常綠植被的物候分布在10°以下相對穩(wěn)定，當坡度達到10°以后，坡度增大，水土流失加劇，土壤養(yǎng)分流失，發(fā)生地質災害的可能性加大，植被生長條件變得惡劣。

3.3.3 常綠植被物候和坡向的關系 不同坡向接受的光照和熱量不同，導致不同坡向的溫度存在差異[17-18]。本文將坡度劃分為9個坡向，各坡向的常綠植被物候期如表1所示。常綠植被生長季開始日期開始最早的是東坡向，平均開始日期為第104.3天，最晚的是平面無坡向區(qū)域，開始日期為第106.9天，最早與最晚相差2.6 d。生長季結束日期結束最早的是平面無坡向，結束日期為第298.4天，結束最晚的是南坡向，結束日期為第302天，最早與最晚相差3.6 d。生長季長度最短的是平面無坡向為191.5 d，最長的是東坡向為196.7，兩者相差5.2 d。研究區(qū)陽坡氣溫條件優(yōu)于陰坡，水分狀況比陰坡差。陰坡土壤的水分蒸發(fā)慢，水土保持好，常綠喬木多生長在陰坡,灌木林多生長在陽坡。植被生長季開始日期跟氣溫、降水、植被類型關系密切。同一時間，陽坡接受太陽輻射能多于陰坡，溫度狀況比陰坡好，陽坡生長季結束日期晚于陰坡。

表1 常綠植被物候在不同坡向上的差異

圖6 常綠植被物候在坡度上的變化趨勢

4 討論與結論

目前，呂梁山地區(qū)的植被研究多是以管涔山、關帝山等個別山脈作為研究對象，本文則是系統(tǒng)整體地去研究整個呂梁山地區(qū)。而呂梁山植被物候提取的相關研究較少，本文以常綠植被為例，介紹了常綠植被識別、植被物候提取、常綠植被物候的分布差異。本文選用NDVI閾值分割方法，提取到的常綠植被范圍已經(jīng)通過驗證，將來可以結合更高分辨率的數(shù)據(jù)以提高分類精度。NDVI時間序列曲線重構的方法眾多，運用較多的是S-G濾波，不僅能去除曲線的突變和尖峰，而且數(shù)據(jù)保真性較好。物候提取方法不同，結果稍有差異，本研究通過動態(tài)閾值法提取的物候結果與同類型研究結果基本相似。

本研究利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)，通過S-G濾波和動態(tài)閾值法提取了呂梁山常綠植被物候，并運用趨勢分析法定量分析了植被物候在空間和地形的差異。結果表明：(1)梁山地區(qū)常綠植被生長季開始日期在第95～130天之間，生長季結束日期在第280～320天之間，生長季長度在160～230 d之間。(2)研究區(qū)常綠植被物候與緯度關系密切，隨著緯度由南向北升高，生長季開始日期顯著推遲(R2=0.9265，P<0.001)，生長季結束日期顯著提前(R2=0.8656，P<0.01)，生長季長度顯著縮短(R2=0.9620，P<0.001)。(3)常綠植被物候在地形上的差異明顯，海拔升高，生長季開始日期顯著推遲，生長季結束日期顯著提前，生長季長度顯著縮短；坡度變大，生長季開始日期顯著推遲，生長季結束日期顯著提前，生長季長度顯著縮短；各坡向的物候差異明顯，生長季開始日期最大相差2.6 d。生長季結束日期最大相差3.6 d,生長季長度最大相差5.2 d。