基于MODIS時(shí)序數(shù)據(jù)北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候時(shí)空變化及其對(duì)氣候響應(yīng)分析

張艷可 ，王金亮 *，農(nóng)蘭萍 ，程峰 ，張?jiān)品?/p>

1. 云南師范大學(xué)地理學(xué)部，云南 昆明 650500；2. 云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；3. 云南省地理空間信息技術(shù)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500；4. 云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500

植被物候是指植物受氣候和其它因子影響而形成的以年為周期重復(fù)出現(xiàn)的自然變化現(xiàn)象，包括發(fā)芽、抽枝、展葉、開(kāi)花、結(jié)果、落葉和休眠等（竺可楨等，19991-4；鄭景云等，2002；王連喜等，2010）。它不僅指示植被的節(jié)律變化，也能反映植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)，是全球變化的“積分儀”和景觀生態(tài)環(huán)境變化的綜合“指示器”（Li et al.，2003）。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，1880—2012年全球地表平均溫度上升0.85 ℃，全球變暖毋庸置疑（賈文雄等，2016）。氣候環(huán)境改變會(huì)直接影響植被物候變化，植被物候變化又會(huì)直接影響著陸地碳、養(yǎng)分動(dòng)態(tài)平衡和生物多樣性格局，而后反過(guò)來(lái)向氣候系統(tǒng)反饋（Wang et al.，2017）。

傳統(tǒng)物候?qū)W通過(guò)人力定時(shí)定點(diǎn)觀察記錄植被生長(zhǎng)變化信息，精度高，但觀測(cè)面積小。隨著遙感技術(shù)發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)為地面定點(diǎn)觀測(cè)提供了數(shù)據(jù)補(bǔ)充和支持，使得物候觀測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到面的空間轉(zhuǎn)換（White et al.，1997；Jan et al.，2010；李曉東等，2017），借助遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行植被物候監(jiān)測(cè)也成為新的研究方式，但它與傳統(tǒng)意義上的物候觀測(cè)有所不同，它主要獲取的是植被物候變化的關(guān)鍵信息，如生長(zhǎng)季始期、生長(zhǎng)季末期、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度。遙感物候監(jiān)測(cè)確切來(lái)說(shuō)該方法是借助遙感影像數(shù)據(jù)中的植被指數(shù)變化來(lái)確定出物候期，目前用到的植被指數(shù)主要有NDVI和EVI兩種，它們都能反映植被的生長(zhǎng)變化情況，EVI指數(shù)是在NDVI指數(shù)的基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的增強(qiáng)型植被指數(shù)，它解決了NDVI植被指數(shù)中存在的易飽和的問(wèn)題，同時(shí)改進(jìn)了算法和合成方法，減少了異常值的影響（李文梅等，2010）。因此研究選取MODIS EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行物候監(jiān)測(cè)研究。

全球變暖背景下已有不同學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)源對(duì)不同地區(qū)的物候信息進(jìn)行觀測(cè)分析（李明等，2011；浮媛媛等，2016；張曉東等，2018）。在全球物候變化研究中，1982—1999年間（Tucker et al.，2001）全球 35°N以上地區(qū)的植被生長(zhǎng)季有明顯的延長(zhǎng)趨勢(shì)；1982—2009年間（叢楠等，2016）北半球歐洲、亞洲、北美地區(qū)呈現(xiàn)植被春季萌發(fā)期提前趨勢(shì)，歐亞大陸提前速率為 (0.22±0.04) d·a-1，顯著高于北美大陸的變化速率 (0.03±0.02) d·a-1，且該變化主要受氣溫因子的影響。在我國(guó)植被物候變化研究中，東北地區(qū)（俎佳星等，2016）1982—2006年不同植被類(lèi)型春季物候均表現(xiàn)出先提前后推遲的現(xiàn)象，秋季則較為復(fù)雜，其中春季物候主要受溫度影響，秋季則主要受降水控制。陜西省（韓紅珠等，2018）2001—2016年植被 SOS變化趨勢(shì)為波動(dòng)提前（-0.79 d·a-1），生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間變化趨勢(shì)為波動(dòng)推遲（0.5 d·a-1），生長(zhǎng)季長(zhǎng)度變化呈波動(dòng)延長(zhǎng)趨勢(shì)（1.29 d·a-1）。青藏高原（常清等，2014）高寒草地在2003—2012近10 a來(lái)隨著春季溫度提高，總體呈現(xiàn)生長(zhǎng)季開(kāi)始期提前的趨勢(shì)（-0.248 d·a-1）。2001—2016年秦嶺地區(qū)（李登科等，2020）植被物候呈現(xiàn)SOS提前（0.61 d·(10 a)-1）、EOS推遲（3.1 d·(10 a)-1）、LOS 延長(zhǎng)（3.7 d·(10 a)-1）的變化特征，3月份氣溫升高會(huì)抑制植被生長(zhǎng)期到來(lái)、9月氣溫升高會(huì)延遲生長(zhǎng)結(jié)束期到來(lái)。但 2001—2016年新疆地區(qū)（何寶忠等，2018）植被物候卻出現(xiàn)了SOS推遲趨勢(shì)（1.9 d·(10 a)-1），EOS呈提前趨勢(shì)（3.66 d·(10 a)-1），LOS 縮短趨勢(shì)（5.6 d·(10 a)-1），且 SOS主要受春季氣溫、前一年冬季降水量和日照時(shí)數(shù)的影響，EOS主要受夏季和秋季降水量影響。由以上研究可以看出，植被物候變化存在明顯的區(qū)域性差異，不同地區(qū)、不同時(shí)間段變化趨勢(shì)不同，各地區(qū)主導(dǎo)變化的氣候因子也各不相同。因此深入研究區(qū)域尺度植被物候變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)對(duì)于理解一地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)和氣候—生物圈的相互作用有顯著意義（李登科等，2020）。

我國(guó)對(duì)植被物候變化的研究明顯集中在中東部地區(qū)以及北部地區(qū)，極少對(duì)西南部云貴高原做研究。云南省地處中國(guó)西南邊疆，青藏高原的東部，南部有北回歸線穿過(guò)，北回歸線是北半球熱帶和溫帶的分界線，地理位置特殊。研究以北回歸線在云南省穿過(guò)的縣域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用長(zhǎng)時(shí)間序列（2001—2019年）MODIS EVI植被指數(shù)提取北回歸線（云南段）地區(qū)主要物候值信息，包括生長(zhǎng)季始期（SOS）、生長(zhǎng)季末期（EOS）、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度（LOS），分析研究區(qū)整體和不同植被類(lèi)型的物候值變化，并結(jié)合氣溫、降水資料分析不同植被生長(zhǎng)階段對(duì)水熱因子的響應(yīng)，揭示氣候變化對(duì)該區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況的影響，以期為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

北回歸線又名夏至線，位于23°26′21″N，是太陽(yáng)在北半球能夠直射到離赤道最遠(yuǎn)的位置。研究以北回歸線在云南省穿過(guò)的縣市作為研究區(qū)（簡(jiǎn)稱北回歸線（云南段））（圖1），該地區(qū)跨越的經(jīng)緯度為22°48′54″—24°10′44″N，98°48′40″—106°11′39″E，總面積達(dá)57129.27 km2，緯度低，經(jīng)度跨度廣。受來(lái)自印度洋西南季風(fēng)的影響，氣候主要為高原亞熱帶季風(fēng)氣候。地處云貴高原，垂直氣候明顯，從低海拔到高海拔，形成了不同的自然景觀。特殊的地理位置和海拔高度形成了獨(dú)具特色的植被生長(zhǎng)情況，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行物候研究可深入不同自然環(huán)境下植被物候值變化狀況。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Sketch map of the research area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

MODIS數(shù)據(jù)：來(lái)源于美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）官網(wǎng)（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）。幅號(hào)為 H27、V06；（1）2001—2019年增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）——MOD13Q1數(shù)據(jù)集，19 a間共437期遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m，時(shí)間分辨率 16 d；該數(shù)據(jù)產(chǎn)品已采用最大合成法進(jìn)行糾正，并已經(jīng)過(guò)了幾何糾正和大氣校正。同時(shí)為保證數(shù)據(jù)精度，剔除研究區(qū)內(nèi)所有EVI值小于0的區(qū)域。（2）2001—2018年MODIS Terra+Aqua3級(jí)土地覆蓋類(lèi)型產(chǎn)品——MCD12Q1數(shù)據(jù)集，空間分辨率為 500 m，為使其和EVI數(shù)據(jù)分辨率一致，將其重采樣為250 m，文中分類(lèi)方案采用國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）的全球植被分類(lèi)方案。研究區(qū)包括的植被類(lèi)型主要有7種：分別為常綠針葉林、常綠闊葉林、混交林、木本熱帶稀疏草原、熱帶稀樹(shù)草原、草原、耕地。（3）2001—2019年地表溫度（LST）數(shù)據(jù)——MOD11A2數(shù)據(jù)集，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為8 d，先利用最大值合成法將每年46期數(shù)據(jù)合成為12期月均數(shù)據(jù)。研究區(qū)山地地區(qū)LST值在每年6、7月存在異常值，其余月份正常，由于6、7月氣溫差異不大，為提高數(shù)據(jù)精度，將這兩個(gè)月數(shù)據(jù)利用最大值合成法合成為一個(gè)月的數(shù)據(jù)參與相關(guān)性分析。

降水?dāng)?shù)據(jù)包括兩種，（1）TRMM數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）的Goddard 數(shù)據(jù)分發(fā)中心（https://www.nasa.gov/connect/apps.html）提供，為T(mén)RMM 3B43月降雨數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間范圍為 2001—2019 年 1—12月，利用地理加權(quán)回歸模型建立 TRMM 原始數(shù)據(jù)和NDVI的關(guān)系，并將TRMM 3B43降尺度為1 km，為適用于后續(xù)分析，將其重采樣為和EVI數(shù)據(jù)相同的250 m空間分辨率。該數(shù)據(jù)用于分析19 a間降水和物候參數(shù)的空間相關(guān)性。（2）氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)：選取耿馬、臨滄、瀾滄、思茅、元江、硯山 6個(gè)站點(diǎn) 2001—2019年的月均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn//），該數(shù)據(jù)用于計(jì)算氣候因子在19 a內(nèi)的變化狀況。

2 研究方法

2.1 時(shí)間序列重構(gòu)方法

MODIS數(shù)據(jù)受傳感器性能、天氣等隨機(jī)因素的干擾會(huì)存在一些噪聲（劉亞，2017），需要對(duì)其進(jìn)行噪聲平滑處理。目前常用的去除時(shí)間序列中噪聲的方法有S-G（Savitzky-Golay）濾波法、非對(duì)稱高斯函數(shù) A-G（Asymmetrical-Gaussian）濾波、D-L（Double-Logistic）曲線擬合等。結(jié)合前人研究（王乾坤等，2015），并利用3種方法分別進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)S-G濾波法對(duì)北回歸線（云南段）地區(qū)時(shí)序數(shù)據(jù)重構(gòu)的保真性最好（圖2），提取的物候值最符合當(dāng)?shù)貙?shí)際物候期。S-G濾波法是1964年由Savitzky和Golay提出的一種最小二乘卷積擬合平滑濾波方法，公式為：

圖2 EVI數(shù)據(jù)平滑前后數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 2 Comparision between before and after smoothing EVI data

式中，Y為原始的EVI值，Y*為濾波擬合后的EVI值，j為數(shù)據(jù)序列的第j個(gè)點(diǎn)，Ci為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的濾波系數(shù)。N為滑動(dòng)窗口的寬度即2 m+1（Chen et al.，2004；侯學(xué)會(huì)等，2013）。

2.2 物候期確定

2.2.1 物候期確定方法

基于植被指數(shù)時(shí)序曲線提取遙感物候的方法有閾值法、導(dǎo)數(shù)法、最大斜率法、模型擬合法等（Chen et al.，2004）?？紤]到研究區(qū)地形復(fù)雜、經(jīng)度跨度大，采用動(dòng)態(tài)閾值法進(jìn)行物候參數(shù)提取。該方法是Jonsson和Eklundh（2002）提出的物候參數(shù)值提取方法，閾值確定采用一種動(dòng)態(tài)的比值形式而不是某一確定值（張延兵等，2015），以植被指數(shù)生長(zhǎng)曲線左右振幅的 20%為植被生長(zhǎng)的起始期和結(jié)束期，兩點(diǎn)之間的時(shí)間長(zhǎng)度為生長(zhǎng)季長(zhǎng)度。研究在宏觀上把握植被物候期及時(shí)間變化趨勢(shì)，所以僅考慮一年只有一個(gè)生長(zhǎng)期的情況（對(duì)于有兩個(gè)生長(zhǎng)期的地區(qū)，提取該地區(qū)植被生長(zhǎng)期中EVI值最大的一個(gè)生長(zhǎng)期）。文中的日期采用儒略日計(jì)算法，即將每年的1月1日記為第一天（韓紅珠等，2018）。物候值計(jì)算公式如下：

式（2）中，EVI(SOS)表示植被生長(zhǎng)季開(kāi)始期閾值，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（3）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20%時(shí)，提取出SOS和EOS值。兩者在水平方向上的時(shí)間差即為EVI(LOS)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度值。

2.2.2 植被物候提取結(jié)果精度驗(yàn)證

由于研究區(qū)域內(nèi)沒(méi)有物候觀測(cè)點(diǎn)，借助農(nóng)作物觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取北回歸線（云南段）縣區(qū)中5個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)（耿馬、臨滄、思茅、蒙自、文山）的農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育數(shù)據(jù)，選取一季稻的返青時(shí)間為對(duì)比時(shí)間，計(jì)算各個(gè)站點(diǎn) 2001—2008年一季稻返青期的平均值，以及對(duì)應(yīng)縣區(qū)栽培植被遙感物候值的平均值，此處栽培植被參考GlobeLand 30數(shù)據(jù)的劃分，將兩結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。耿馬、臨滄、思茅、蒙自、文山的實(shí)測(cè)值分別 138、137、113、136、143 d，遙感估算值為 144、144、112、112、144 d，兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性指數(shù)為0.693（P＜0.05）。5個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和遙感估算值相差的平均絕對(duì)值為2.2 d?？紤]到遙感影像的時(shí)間分辨率（16 d），這一誤差在可接受的范圍內(nèi)。

2.3 一元線性回歸分析

一元線性回歸分析可以模擬每個(gè)柵格的物候要素時(shí)間上的變化趨勢(shì)，文中采用回歸方程的斜率來(lái)反映北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候值的變化特征，計(jì)算公式為：

式（5）中，yi為植被物候在第i年對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)季始期、生長(zhǎng)季末期和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度，ymean為該物候值的多年均值，ti為對(duì)應(yīng)年數(shù)，tmean為年數(shù)的平均值，k為趨勢(shì)線的斜率。若k＞0，說(shuō)明物候期的變化趨勢(shì)是延長(zhǎng)或延遲，若k＜0，則說(shuō)明物候期的變化趨勢(shì)是提前或縮短。

2.4 植被物候期與水熱因子關(guān)系分析

利用Pearson相關(guān)系數(shù)來(lái)分析北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候的生長(zhǎng)季開(kāi)始期、結(jié)束期和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度與氣溫、降水的相關(guān)性，計(jì)算公式為：

式（6）中，x為氣溫或降水，y為植被物候值，n為數(shù)據(jù)組數(shù)，i為序列數(shù)，相關(guān)系數(shù)r取值在-1—1之間，當(dāng)r＞0表示x和y為正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)r＜0表示x和y為負(fù)相關(guān)關(guān)系，絕對(duì)值越大表示相關(guān)性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 多年平均物候空間分布

從 2001—2019年植被生長(zhǎng)季始期空間分布來(lái)看（圖3a），SOS大部分集中分布在80—112 d，但區(qū)域差異明顯。植被生長(zhǎng)最早開(kāi)始地區(qū)為東部富寧、麻粟坡、西疇縣地區(qū)和西部山麓迎風(fēng)坡（西南坡）地區(qū)，約在48—96 d；其次為西部河谷地區(qū)，在105—138 d，中東部壩區(qū)（硯山、蒙自、建水、石屏）植被生長(zhǎng)開(kāi)始期約在105—150 d。由此可見(jiàn)生長(zhǎng)季開(kāi)始期受海拔和地勢(shì)起伏制約明顯，在地勢(shì)起伏小且海拔較低的地區(qū)，水熱充足且蒸發(fā)弱，植被SOS最早，反之則較晚。除此之外，研究區(qū)SOS還存在一特殊現(xiàn)象，山地地區(qū) SOS開(kāi)始于秋季（192—240 d），這明顯不符合一般情況，原因在于研究區(qū)山地地區(qū)植被EVI值在夏季存在“逆季”現(xiàn)象，7月EVI值為一年中最低，夏季植被覆蓋要低于秋冬季節(jié)，這與云南瀾滄江流域（李立科，2011）的研究結(jié)果和云南西雙版納（趙桔超等，2019）的研究結(jié)果一致。

圖3 北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候參數(shù)分布圖Fig. 3 Phenological parameters of the tropic of cancer (Yunnan section)

從 2001—2019年植被生長(zhǎng)結(jié)束期空間分布來(lái)看（圖3b），EOS大部分集中在337至次年17 d，結(jié)束最晚的西部河谷地區(qū)約在次年的17—51 d，其次為東部低海拔地區(qū)（富寧、麻粟坡、西疇），約在353至次年17 d，稍早的中東部壩區(qū)（硯山、蒙自、建水、石屏）約在320—353 d，由此可見(jiàn)，除山地地區(qū)，其余地區(qū) EOS雖存在一定差異，但差異不大，基本都在12月至次年1月。EOS同樣也受海拔和地勢(shì)起伏的制約，河谷地區(qū)在冬季存在一定積溫作用，結(jié)束最晚，東部地區(qū)次之，中東部壩區(qū)地勢(shì)平坦，植被類(lèi)型多為農(nóng)作物，植被結(jié)束生長(zhǎng)稍早。山地地區(qū)EOS出現(xiàn)在5—6月左右（112—192 d），原因在于在5—6月降水還未到達(dá)，山地海拔高，升溫快，氣溫升高加劇干旱，導(dǎo)致植被嚴(yán)重缺水，抑制植被生長(zhǎng)。

植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度大部分集中在224—272 d（圖3c）。LOS最長(zhǎng)的出現(xiàn)在山地迎風(fēng)坡（西南坡）地區(qū)和東部低海拔區(qū)，約為273—305 d，其次為河谷地區(qū)，約為257—273 d，山地背風(fēng)坡地區(qū)為200—220 d左右，中東部壩區(qū)植被類(lèi)型主要為耕地作物，生長(zhǎng)期最短，約為161—209 d。由此可見(jiàn)植被生長(zhǎng)受水熱因子影響明顯，在降水較多的迎風(fēng)坡和積溫較好的低海拔和河谷地區(qū)植被生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，背風(fēng)坡和高海拔地區(qū)降水量少、蒸發(fā)強(qiáng)且積溫效果較差，植被生長(zhǎng)長(zhǎng)度較短。

3.2 不同植被類(lèi)型物候空間分布特征

從表1來(lái)看，在主要的3種植被類(lèi)型中，森林植被開(kāi)始生長(zhǎng)最早、結(jié)束最早、長(zhǎng)度最長(zhǎng)；草原植被較森林植被開(kāi)始生長(zhǎng)較晚，但結(jié)束生長(zhǎng)最晚，生長(zhǎng)期長(zhǎng)度比耕地植被長(zhǎng)，比森林植被短；耕地植被開(kāi)始生長(zhǎng)最晚，生長(zhǎng)期也最短。不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)物候值差異主要和分布地區(qū)有關(guān)，3種森林類(lèi)型的植被包括常綠針葉林、闊葉林、混交林分別分布在山頂?shù)貐^(qū)、山腰地區(qū)和山麓地區(qū)，從山頂?shù)缴铰?，海拔越高，植被夏季“逆季”現(xiàn)象越明顯，跨年生長(zhǎng)現(xiàn)象越明顯。3種森林植被物候值特點(diǎn)為：植被存在跨年生長(zhǎng)，海拔越高，物候值跨年現(xiàn)象越明顯，植被開(kāi)始生長(zhǎng)越早，結(jié)束越早、生長(zhǎng)期越長(zhǎng)。3種草原類(lèi)型包括木本熱帶稀樹(shù)草原、熱帶稀樹(shù)草原、草原分別分布西部河谷和東部低海拔區(qū)（富寧縣東部）、中東高原山地和壩子地區(qū)、壩子地區(qū)。草原類(lèi)型的植被主要分布在中東高原區(qū)，地勢(shì)相對(duì)平坦，3種草原植被類(lèi)型的特點(diǎn)為：海拔越低，植被開(kāi)始生長(zhǎng)越早、結(jié)束越晚、生長(zhǎng)期越長(zhǎng)。耕地和草原物候值類(lèi)型相似，兩者在空間分布在也相鄰，都主要分布在壩子地區(qū)，耕地受人為因素影響較大，所以與自然植被相比開(kāi)始較晚、結(jié)束較早、生長(zhǎng)期較短。

表1 不同植被類(lèi)型物候期和所占比Table 1 Phenological period and their proportions of different vegetation types

3.3 物候年際變化特征

3.3.1 物候年際變化總特征

圖4所示為計(jì)算得到的2001—2019年北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候年際變化特征。SOS具有提前趨勢(shì)，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（R2=0.51，P=0.001＜0.05），平均提早 1.14 d·(10 a)-1。這一趨勢(shì)與全球 SOS物候值變化趨勢(shì)一致，但比全球1981—2003 年的-3 d·(10 a)-1（Julien et al.，2009）、北半球 2000—2008 年間的-（4±0.8）d·(10 a)-1（Jeong et al.，2011）的幅度小。EOS呈推遲趨勢(shì)，平均推遲了 0.07 d·(10 a)-1，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（R2=0.01，P=0.756＞0.05）。變化幅度也比全球1981—2003 年間的 0.45 d·(10 a)-1（Julien et al.，2009）和北半球 2000—2008年間的 2.3 d·(10 a)-1?。↗eong et al.，2011）。研究區(qū)LOS在19 a中為延長(zhǎng)趨勢(shì)，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（R2=0.47，P=0.001＜0.05），平均延長(zhǎng) 1.09 d·(10 a)-1，這一趨勢(shì)與全球及北半球地區(qū)LOS延長(zhǎng)趨勢(shì)一致（Julien et al.，2009；Jeong et al.，2011）。

圖4 2001—2019年北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候年際變化趨勢(shì)Fig. 4 Interannual phenological change trend of vegetation in the tropic of cancer (Yunnan section) region from 2001 to 2019

3.3.2 物候年際變化趨勢(shì)空間分布

根據(jù)年變化率k和相關(guān)系數(shù)r值的大小，將北回歸線（云南段）地區(qū)19 a的遙感物候年際變化趨勢(shì)分為3種情況：（1）當(dāng)k＜0且r＜0.3時(shí)，顯著提前；（2）當(dāng)k＞0 且r＜0.3 時(shí)，顯著推遲；（3）當(dāng)r＞0.3時(shí)，無(wú)顯著變化。從圖5a來(lái)看，北回歸線（云南段）地區(qū)SOS顯著提前地區(qū)占比為49.13%，集中在研究區(qū)西部山地地區(qū)。顯著推遲地區(qū)占比為22.88%，主要分布在西部河谷地區(qū)和背風(fēng)坡山麓地帶。無(wú)顯著變化地區(qū)主要分布在較為平坦的河谷平原和中東高原壩子地區(qū)，占比為27.99%。EOS變化趨勢(shì)比SOS變化稍弱（圖5b），有45.35%地區(qū)的EOS無(wú)顯著變化，無(wú)顯著變化區(qū)分布在東部低海拔地區(qū)、河谷平原和中東高原壩區(qū)。顯著提前的地區(qū)減至39.61 %，分布在海拔較高的山地地區(qū)。顯著推遲的地區(qū)減至15.04%，主要分布在西部山地地區(qū)。植被LOS有近一半的區(qū)域變化趨勢(shì)為延長(zhǎng)（圖5c），占比為41.47%，58.42%的區(qū)域無(wú)顯著變化，顯著縮短區(qū)域僅占0.12%；顯著增加的區(qū)域主要分布在海拔較高地區(qū)，無(wú)顯著變化的分布在低海拔地區(qū)、河谷平原和壩區(qū)。

圖5 北回歸線（云南段）地區(qū)2001—2019年植被物候年際變化顯著水平Fig. 5 The significant level of interannual phenological change of vegetation in the tropic of cancer (Yunnan section) from 2001 to 2019

3.3.3 物候年際變化速率空間分布

研究區(qū)大多數(shù)區(qū)域植被SOS變化速率在-4—2 d·(10 a)-1，占全區(qū)89.9%（圖6a）。其中變化速率在-4—0 d·(10 a)-1之間的區(qū)域占30.47%，分布在西部山區(qū)；0—2 d·(10 a)-1之間的區(qū)域占比為8.3%，分布在西部河谷和山麓地區(qū)；變化速率為0的占比最大，為51.1%，分布在低海拔區(qū)、河谷地區(qū)和壩子地區(qū)。變化速率小于-5 d·(10 a)-1的區(qū)域占比為6.09%，主要分布在西部高山地區(qū)的迎風(fēng)坡地帶；變化速率大于2 d·(10 a)-1的區(qū)域占比為4.01%，主要分布在海拔稍高的西部山腰地區(qū)。

圖6 北回歸線（云南段）地區(qū)2001—2019年植被物候年際變化速率Fig. 6 The rate of interannual phenological change of vegetation in the tropic of cancer (Yunnan section) from 2001 to 2019

植被EOS變化速率與SOS相比明顯變?nèi)酰▓D6b），變化速率在-1—1 d·(10 a)-1之間的占比為92.22%，分布在除西部山地之外的各個(gè)地區(qū)，變化速率小于-1 d·(10 a)-1的占比僅為5.02%，分布在迎風(fēng)坡山腰和山頂?shù)貐^(qū)；變化速率大于1 d·(10 a)-1的占比為2.76%，分布在西部山腰地區(qū)。

植被 LOS變化速率主要分布在-1—0 d·(10 a)-1，該區(qū)間占研究區(qū)面積的99.80%（圖6c），其中變化速率為-1 d·(10 a)-1的占比為50.24%，主要分布在山腰和稍有起伏的河谷地區(qū)，變化速率為 0 d·(10 a)-1的占比為49.56%，分布在研究區(qū)平坦的河谷、壩子、起伏較小的山地和東部低海拔區(qū)。

3.3.4 不同植被類(lèi)型物候值時(shí)間變化趨勢(shì)

從SOS變化來(lái)看（圖7），除了草地和耕地2種植被類(lèi)型為SOS推遲，其余地區(qū)均為SOS提前。變化最大的是分布在西部山地的常綠闊葉林，變化絕對(duì)值從大到小依次為常綠闊葉林 (-1.68 d·(10 a)-1)＞混交林 (-1.04 d·(10 a)-1)＞木本熱帶稀樹(shù)草原 (-0.79 d·(10 a)-1)＞草原 (0.48 d·(10 a)-1)＞熱帶稀樹(shù)草原(-0.42 d·(10 a)-1)＞耕地 (0.41 d·(10 a)-1)＞常綠針葉林(0.05 d·(10 a)-1)。從EOS變化來(lái)看（圖7），3種森林植被表現(xiàn)為EOS提前，3種草原植被和耕地植被表現(xiàn)為 EOS推遲，變化率從大到小依次為耕地 (1.25 d·(10 a)-1)＞草原 (1.22 d·(10 a)-1)＞常綠闊葉林 (-1.03 d·(10 a)-1)＞常綠針葉林 (-0.74 d·(10 a)-1)＞木本熱帶稀樹(shù)草原 (0.47 d·(10 a)-1)＞熱帶稀樹(shù)草原 (0.46 d·(10 a)-1)。從LOS變化來(lái)看（圖7），所有植被類(lèi)型均表現(xiàn)出生長(zhǎng)期長(zhǎng)度延長(zhǎng)的趨勢(shì)，草地植被的LOS變化略大于森林植被。變化率從大到小依次為木本熱帶稀樹(shù)草原 (1.28 d·(10 a)-1)＞熱帶稀樹(shù)草原 (0.89 d·(10 a)-1)＞耕地 (0.84 d·(10 a)-1)＞混交林 (0.83 d·(10 a)-1)＞草原 (0.74 d·(10 a)-1)＞常綠闊葉林 (0.66 d·(10 a)-1)＞常綠針葉林 (0.12 d·(10 a)-1)。

圖7 2001—2019年不同植被類(lèi)型物候值變化趨勢(shì)Fig. 7 Phenological change trends of different vegetation types from 2001 to 2019

3.4 植被物候期對(duì)水熱因子的響應(yīng)

3.4.1 植被物候期對(duì)年際氣候因子變化的響應(yīng)

從圖8可知，19 a間北回歸線（云南段）地區(qū)氣溫呈波動(dòng)式上升；降水量呈波動(dòng)下降。從氣溫變化來(lái)看，2004、2008、2011年出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的物候值變化情況為 2004年的 SOS較上一年出現(xiàn)略微提前趨勢(shì)，EOS和 LOS變化不大，2008年表現(xiàn)出的SOS提前、EOS推遲、LOS延長(zhǎng)，2011年為SOS提前、EOS基本無(wú)變化、LOS延長(zhǎng)?？梢?jiàn)年氣溫變化對(duì)物候值存在響應(yīng)關(guān)系，且與植被生長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，即年均溫升高會(huì)抑制植被生長(zhǎng)。從降水來(lái)看，2003、2012年出現(xiàn)了明顯的明顯下降趨勢(shì)，2007、2013年出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的物候值變化為2003年SOS推遲、EOS推遲、LOS略微縮短；2012年SOS推遲、EOS提前、LOS縮短；2007年SOS略微提前、EOS推遲、LOS延長(zhǎng)；2013年為SOS提前、EOS略微提前、LOS延長(zhǎng)。年降水量變化對(duì)物候值也存在一定響應(yīng)關(guān)系，且與植被生長(zhǎng)呈正相關(guān)，即降水量增多會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng)。

從圖8來(lái)看，近19 a內(nèi)，月降水量除了2月、5—6月、10月呈減少趨勢(shì)外，其余月份均呈增加趨勢(shì)，其中5月減少最多，1月和7月增加最多，雨季來(lái)臨有推遲趨勢(shì)，在多數(shù)植被開(kāi)始生長(zhǎng)的 3—4月，降水呈增加趨勢(shì)，有助于植被生長(zhǎng)。月氣溫除了1—4月呈降低趨勢(shì)外，其余月份呈增加趨勢(shì)，其中增溫最明顯的在5月，這一變化不利于山地地區(qū)的植被在夏初的生長(zhǎng)，而 1—4月的氣溫降低有助于河谷、壩子、東部低海拔區(qū)的植被生長(zhǎng)。

3.4.2 植被物候值對(duì)單一氣候因子的響應(yīng)

由于北回歸線（云南段）地區(qū)河谷、壩子、東部低海拔區(qū)和山地地區(qū)的物候值存在明顯差異，分別計(jì)算河谷、壩子、東部低海拔區(qū)的SOS值與上年10—12月和翌年1—5月氣溫和降水的相關(guān)性、山地SOS值與5—9月氣候因子的相關(guān)性（圖9，文中僅展示部分月份）。在降水方面，河谷、壩子、東部低海拔區(qū)10—11月、翌年4—5月的降水和SOS呈正相關(guān)，12月至翌年3月呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)平均最大值出現(xiàn)在 2月，該月負(fù)相關(guān)區(qū)域占比為61.83%，正相關(guān)區(qū)域占比38.17%，兩者為負(fù)相關(guān)表明降水越多，SOS來(lái)臨越早，即降水對(duì)植被的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。山地地區(qū)5—9月降水和SOS均呈正相關(guān)，即降水越多，山地SOS來(lái)臨越晚，這與山地植被在6—7月的EVI值下降有關(guān)，降水多時(shí)山地植被生長(zhǎng)狀況好，EOS來(lái)臨晚，SOS也會(huì)隨之推遲。在氣溫方面，河谷、壩子、東部低海拔區(qū)10月至翌年5月氣溫與SOS均呈正相關(guān)，平均最大值出現(xiàn)在4月，該月正相關(guān)地區(qū)占比為94.96 %，負(fù)相關(guān)地區(qū)僅占5.03%，表明氣溫升高會(huì)抑制植被生長(zhǎng)，延遲生長(zhǎng)期到來(lái)。山地地區(qū)5月和9月氣溫和SOS呈正相關(guān)，6—8月呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)平均最大值出現(xiàn)在5月，其中負(fù)相關(guān)地區(qū)占比為22.21%，正相關(guān)地區(qū)占77.79%，即春末夏初氣溫升高會(huì)抑制植被生長(zhǎng)，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)季始期的推遲。

圖8 2001—2019主要物候參數(shù)和氣候因子的年變化及其月變化Fig. 8 Changes in the annual main phenological parameters and climatic factors and the monthly values from 2001 to 2019

圖9 北回歸線（云南段）地區(qū)植被SOS與各月氣象因子的相關(guān)系數(shù)空間分布Fig. 9 Spatial distribution of correlation coefficients between SOS and each month climatic factors on in the tropic of cancer (Yunnan section)

河谷、壩子、東部低海拔區(qū)EOS集中在冬季，山地地區(qū)EOS集中在夏初，分別計(jì)算9月至翌年1月、1—5月EOS與水熱因子的相關(guān)性（圖10）。在降水方面，河谷、壩子、東部低海拔區(qū)9—11月降水與EOS呈正相關(guān)，12月至翌年1月呈負(fù)相關(guān)，其中相關(guān)性最大的出現(xiàn)在9月，該月正相關(guān)地區(qū)占比為59.56 %，負(fù)相關(guān)地區(qū)占40.44%，11月正相關(guān)地區(qū)達(dá)到61.20%，負(fù)相關(guān)地區(qū)為38.80%，表明降水增多會(huì)延緩植被生長(zhǎng)結(jié)束期的到來(lái)，降水對(duì)植被生長(zhǎng)仍起促進(jìn)作用。山地地區(qū)1—3月份降水與EOS呈負(fù)相關(guān)，4—5月呈正相關(guān)，平均最大值出現(xiàn)在5月份，該月正相關(guān)地區(qū)占比為57.35%，負(fù)相關(guān)地區(qū)占42.65%，表明5月份降水增多會(huì)延遲植被生長(zhǎng)結(jié)束期的到來(lái)，對(duì)植被生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。在氣溫方面，河谷、壩子、東部低海拔區(qū)9—11月氣溫和EOS呈正相關(guān)，12月至翌年1月呈負(fù)相關(guān)，其中相關(guān)性系數(shù)平均最大值出現(xiàn)在9月，該月正相關(guān)地區(qū)占比為75.76%，負(fù)相關(guān)地區(qū)占比為24.23%，這一階段氣溫呈下降趨勢(shì)，表明秋冬季適當(dāng)增溫有利于植被生長(zhǎng)。山地地區(qū)1—5月氣溫和EOS均呈正相關(guān)，平均最大值出現(xiàn)在 4月，該月正相關(guān)地區(qū)占比為75.80%，負(fù)相關(guān)地區(qū)占比為24.20%，表明4月氣溫升高仍對(duì)山地地區(qū)植被生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。

圖10 北回歸線（云南段）地區(qū)植被EOS與各月氣象因子的相關(guān)系數(shù)空間分布Fig. 10 Spatial distribution of correlation coefficients between EOS and each month climatic factors on in the tropic of cancer (Yunnan section)

4 討論

4.1 植被物候空間分布特殊性

西部山地物候參數(shù)與河谷、壩子、東部低平原區(qū)明顯不同，圖11a、b分別為研究區(qū)整體和山地地區(qū)年內(nèi)EVI的變化趨勢(shì)圖，可以看出山地EVI值在夏季最低，出現(xiàn)“逆季”現(xiàn)象。原因可能主要在于：研究區(qū)本身緯度低，年均溫基本在 10 ℃以上，山地與其他地區(qū)相比，海拔高，光照強(qiáng)，在夏季氣溫升高時(shí)，蒸發(fā)量比低海拔區(qū)更強(qiáng)，植被生長(zhǎng)由于干旱缺水就會(huì)出現(xiàn)“逆季”現(xiàn)象。秋冬季節(jié)，山地地區(qū)接受的熱量比河谷等地區(qū)更多，氣溫更加適合植被生長(zhǎng)。而氣溫升高對(duì)植被生長(zhǎng)季始期起抑制作用的原因可能主要在于，（1）研究區(qū)干濕季分明，降雨主要集中在5—11月，其余時(shí)間氣溫增長(zhǎng)不但不會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng)，反而會(huì)加劇干旱，抑制植被生長(zhǎng)。（2）適當(dāng)增溫可以滿足植被生長(zhǎng)所需熱量供應(yīng)，但溫度過(guò)高會(huì)改變植物群落的小氣候環(huán)境，直接或間接地影響植被的生物量生產(chǎn)，對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生抑制作用（Fu et al.，2013；Zhang et al.，2013）。

圖11 植被EVI值年內(nèi)變化曲線Fig. 11 Curve of EVI value of vegetation during the year

4.2 植被物候時(shí)間變化趨勢(shì)分析

研究區(qū)植被生長(zhǎng)始期提前、末期推遲，生長(zhǎng)期延長(zhǎng)普遍出現(xiàn)在海拔較高地區(qū)，反之則出現(xiàn)在海拔較低、地勢(shì)較平坦的地區(qū)，這與氣候變暖具有一定關(guān)系，高海拔區(qū)的植被主要是自然草地和森林植被，物候期變化主要受氣候變化的影響。而低海拔區(qū)的植被多數(shù)是農(nóng)作物或者人工林等，氣候變暖會(huì)使得播種期推遲、成熟期提前、生育期縮短。因此從時(shí)間變化的空間分布來(lái)看，SOS推遲趨勢(shì)出現(xiàn)在河谷地區(qū)，提前趨勢(shì)出現(xiàn)在山地；EOS提前趨勢(shì)出現(xiàn)在河谷地區(qū)，推遲趨勢(shì)的出現(xiàn)在山地；LOS延長(zhǎng)趨勢(shì)的出現(xiàn)在山地，無(wú)顯著變化的出現(xiàn)在河谷、壩子、東部低海拔區(qū)。

5 結(jié)論

研究基于2001—2019年的MODIS EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)，探討了北回歸線（云南段）地區(qū)近20年的植被生長(zhǎng)季始期、生長(zhǎng)季末期、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度3個(gè)物候值的空間分布狀況、時(shí)間變化特征以及年際和年內(nèi)尺度下植被生長(zhǎng)對(duì)水熱因子的響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

（1）北回歸線（云南段）地區(qū)海拔和地勢(shì)起伏在物候地域分異中作用顯著，植被物候存在明顯的垂直地帶性分布特征。山地地區(qū)與河谷地區(qū)、低海拔區(qū)、壩子地區(qū)的植被物候值明顯不同。山地地區(qū)的植被SOS在192—240 d，EOS在次年144—192 d，LOS在272—304 d；河谷地區(qū)、低海拔區(qū)、壩子地區(qū)的植被SOS在80—112 d，EOS在337至次年17 d，LOS 在 224—256 d。

（2）19 a間北回歸線（云南段）地區(qū)植被物候年際變化的總體特征呈現(xiàn) SOS具有顯著提前趨勢(shì)（R2=0.51，P=0.001＜0.05），平均提前 1.14 d·(10 a)-1；EOS具有推遲趨勢(shì)（R2=0.01，P=0.756＞0.05），平均推遲0.07 d·(10 a)-1；LOS年際變化具有顯著延長(zhǎng)趨勢(shì)（R2=0.47，P=0.001＜0.05），平均延長(zhǎng) 1.07 d·(10 a)-1。

（3）不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)狀況和變化趨勢(shì)有一定區(qū)別，SOS、EOS、LOS在19 a間變化最大的分別是常綠闊葉林（-1.68 d·(10 a)-1）、耕地（1.25 d·(10 a)-1）、木本熱帶稀樹(shù)草原（1.28 d·(10 a)-1）。

（4）水熱組合對(duì)植被生長(zhǎng)影響顯著，植被SOS總體與降水呈負(fù)相關(guān)、與氣溫呈正相關(guān)，EOS與氣溫和降水均呈正相關(guān)。2月降水（負(fù)相關(guān)）和4月氣溫（正相關(guān)）對(duì)河谷、壩子、東部低海拔地區(qū)SOS影響最顯著；6月降水（正相關(guān)）和5月氣溫（正相關(guān)）對(duì)山地地區(qū)SOS影響最顯著。9月的降水和氣溫（正相關(guān)）對(duì)河谷、壩子、東部低海拔地區(qū)的EOS影響最顯著，5月降水（正相關(guān)）和4月氣溫（正相關(guān)）對(duì)山地地區(qū)EOS影響最顯著。

目前的MOD13Q1物候產(chǎn)品與其他遙感物候監(jiān)測(cè)產(chǎn)品類(lèi)似，也存在著數(shù)據(jù)分辨率不高、噪聲干擾、結(jié)果驗(yàn)證不充分等問(wèn)題（范德芹等，2016；張曉萱等，2019），但盡管存在一些限制，基于大范圍、長(zhǎng)時(shí)序的遙感數(shù)據(jù)仍可從宏觀上把控研究區(qū)的植被物候的空間分布和時(shí)間變化情況，提供關(guān)于植被物候的有價(jià)值的空間連續(xù)的信息。未來(lái)植被物候分析的發(fā)展需要從遙感數(shù)據(jù)源質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法、識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證及物候預(yù)測(cè)等幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究。