內(nèi)蒙古植被生長峰值期時空動態(tài)變化及其對氣候因子的響應(yīng)

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（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

植被是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)［1］，在陸地表面-大氣能量交互中起著重要的作用［2］，已成為全球氣候變化領(lǐng)域最重要的研究內(nèi)容之一［3］。物候是指植物受氣候或其他環(huán)境因子的影響而出現(xiàn)的自然現(xiàn)象［4］，是氣候變化最敏感的指標(biāo)，其動態(tài)變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［5］。返青期和枯黃期是植被生長開始和結(jié)束時期的最重要的兩個物候指標(biāo)，其變化直接決定植被生長季的長短和年生產(chǎn)力的多少［6］。20 世紀(jì)70 年代以來，遙感技術(shù)與方法的不斷發(fā)展及廣泛應(yīng)用，區(qū)域尺度返青期和枯黃期及其與氣候變化的關(guān)系研究得到廣泛的關(guān)注和重視［7］。研究表明，1982—2010 年中國溫帶地區(qū)植被返青期較早，平均提前了（1.3±0.6）天/10 年，降水是植被春季物候?qū)囟茸兓磻?yīng)的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因素［8］。Liu 等［9］研究表明，溫度和枯黃期之間呈正相關(guān)性。通過驗(yàn)證森林植物群落枯黃期和氣候環(huán)境的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)除常綠針葉林外，枯黃期與季前期的日照呈正相關(guān)，對干燥的草地，季前期的降水更為主要。區(qū)域尺度生長峰值期指植被生長季節(jié)最大植被指數(shù)（NDVI）出現(xiàn)的日期［10］。由于溫帶生態(tài)系統(tǒng)植被生長峰值期一般出現(xiàn)在生長最旺季即夏季，其變化對年植被生產(chǎn)力的影響可能比返青期和枯黃期更加重要和深遠(yuǎn)［11］。

植被生長峰值期的變化與氣候變化的相關(guān)性，逐漸成為研究全球變化對陸地生態(tài)影響的重要因素。如Park 等［12］基于NASA 地面衛(wèi)星MODIS GPP 數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，2000—2016 年，北半球因氣候變暖，自然植被生長峰值期提前了（1.66±0.3）天/10 年。Xu 等［13］的研究也表明，由于氣候變暖和植被生長度日（growing degree days，GDD）的增加，1982—2012 年間北半球溫帶闊葉林、溫帶草原和農(nóng)田植被生長峰值期分別提前了1.6、1.1 和1.5 天/10 年。Gonsamo 等［14］的結(jié)果進(jìn)一步表明，1982—2015 年間，北半球＞30°地區(qū)的植被生長峰值期提前了1.2 天/10 年，提前趨勢明顯增加植被生長峰值和CO2的吸收能力。在中國國家尺度，Yang 等［15］發(fā)現(xiàn)，2000—2016 年中國溫帶草地植被生長峰值期呈提前趨勢（-0.68/天，P＜0.05），而高寒草地生長峰值期呈推遲趨勢（0.29/天，P=0.158）。Wang 等［5］在全國尺度的研究指出，1982—2015 年間大多植被類型的生長峰值期呈提前趨勢，但落葉針葉林生長峰值期呈推遲趨勢。相較于返青期和枯黃期的研究，植被生長峰值期，尤其溫帶干旱半干旱地區(qū)植被生長峰值期及其驅(qū)動機(jī)制未得到足夠的重視和深入研究，有必要進(jìn)一步深入探討。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國北部邊疆的主要生態(tài)屏障，屬典型的干旱半干旱氣候，生態(tài)環(huán)境較脆弱［16］，植被類型沿東北向西南依次為森林、草原和荒漠，為干旱半干旱區(qū)植被生長峰值期及其驅(qū)動機(jī)制研究提供了較理想?yún)^(qū)域。

鑒于此，本研究基于1982—2015 年全球檢測與模型研究組（GIMMS）第三代NDVI 數(shù)據(jù)和2016—2019 年分辨率成像光譜儀（MODIS）NDVI 數(shù)據(jù)，采用一元六次多項(xiàng)式函數(shù)識別內(nèi)蒙古植被生長峰值期，并與研究區(qū)38 年月平均氣溫和月總降水量數(shù)據(jù)結(jié)合，分析其植被生長峰值期及其與溫度和降水之間的關(guān)系，旨在揭示改變干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)植被生長峰值期變化的主要驅(qū)動因子。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)（以下簡稱內(nèi)蒙古）地處歐亞大陸內(nèi)部（37°24'～53°23'N，97°12'～126°04'E），全區(qū)總面積約118.3 萬km2，占中國土地面積的12.3%，是中國第三大省區(qū)［20］。內(nèi)蒙古地勢南高北低，屬高原型地貌區(qū)，平均海拔高度約為1 000 m。氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎昶骄邓吭?50～400 mm 之間，降水多集中在5—10 月，最大年蒸發(fā)量超過2 500 mm［17］。其地帶性氣候由西向東濕潤度逐漸增加，季節(jié)特征表現(xiàn)為春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。

1.2 數(shù)據(jù)來源及其預(yù)處理

1.2.1 NDVI 時間序列數(shù)據(jù)集 采用兩種遙感數(shù)據(jù)，1982—2015 年的GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)來自美國航空航天局（NASA）（http：//ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.vl），15天最大值合成的NOAA/AVHRR NDVI 數(shù)據(jù)集，空間分辨率0.083 3°。該數(shù)據(jù)集對云、太陽高度角、儀器視場角、氣溶膠等影響進(jìn)行校正和相關(guān)處理，以最大限度確保遙感數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量［18］。2016—2019 年MODIS NDVI 數(shù)據(jù)來源于美國Terra 衛(wèi)星MOD13C1 植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），時間和空間分辨率分別為16 天和0.05°（約5.6 km）。通過對MOD13C1 數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換、裁剪、重采樣等預(yù)處理，生成與GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)分辨率一致的影像數(shù)據(jù)，并對兩種數(shù)據(jù)重疊年份進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，且回歸系數(shù)達(dá)到0.94（P＜0.01），表明兩種數(shù)據(jù)具有一致性?？紤]到戈壁荒漠地區(qū)的植被稀少，且其季節(jié)變化規(guī)律不明顯，因此本研究將多年平均NDVI 小于0.08 的像元剔除，認(rèn)定為“無植被區(qū)”［19］。

1.2.2 生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù) 生態(tài)區(qū)邊界數(shù)據(jù)來源于穆少杰等［20］采用的世界野生動物基金會的Terrestrial Ecoregions 數(shù)據(jù)。Terrestrial Ecoregions 數(shù)據(jù)將全球劃分為825 個生態(tài)區(qū)，其中內(nèi)蒙古地區(qū)有13 個生態(tài)區(qū)。根據(jù)內(nèi)蒙古的氣候特征和植被分布特征，將13 個生態(tài)區(qū)合并為森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)（圖1）。

圖1 研究區(qū)植被生態(tài)區(qū)劃圖Fig.1 Vegetation type map of study area

1.2.3 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古氣象局提供的地面監(jiān)測月值氣象數(shù)據(jù)集，包括48 個氣象臺站1982—2019 年月平均氣溫和總降水量數(shù)據(jù)。通過對遙感識別的物候數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)蒙古植被生長峰值期在8 月結(jié)束［15］。因此，本研究考慮了季前和生長季月平均溫度和月總降水?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度信息，在ArcGIS 10.6 軟件的支持下，對氣象要素進(jìn)行克里金空間插值處理，獲取與NDVI 分辨率一致，投影相同的格網(wǎng)化氣象數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析植被生長峰值期對氣象因子的響應(yīng)。

1.3 研究方法

1.3.1 植被生長峰值期的識別 利用一元六次多項(xiàng)式擬合方法［21］，識別植被生長峰值期。將1 月至12 月每半月的NDVI 數(shù)據(jù)與所對應(yīng)的日期進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，公式 為y=ax6+a1x5+a2x4+a3x3+a4x2+a5x+a6，式中x為從1 月1 日起開始的日期，范圍為1～365。由此獲得年度NDVI 曲線，并在獲得擬合曲線中獲取最大NDVI值，且計(jì)算出與最大NDVI 值對應(yīng)的日期作為植被生長的峰值期（圖2）。

圖2 NDVI 與日期擬合示意圖Fig.2 Schematic diagram of NDVI and date fitting

1.3.2 趨勢分析 采用一元線性回歸法在區(qū)域尺度和像元尺度上計(jì)算內(nèi)蒙古植被生長峰值期的變化趨勢，用斜率來表示變化趨勢的大小，斜率大于0 表示植被峰值期呈推遲趨勢，斜率小于0 表示植被生長峰值期呈提前趨勢。公式為yi=kti+b(i=1，2，…，38)，yi表示逐像元植被生長峰值期，ti表示yi所對應(yīng)的年份，k和b分別為斜率和截距。

1.3.3 相關(guān)分析 為分析植被生長峰值期對氣候變化的響應(yīng)，選取每年1—7 月的平均溫度和月總降水量序列數(shù)據(jù)與植被峰值期之間進(jìn)行相關(guān)分析，以相關(guān)系數(shù)R來計(jì)算導(dǎo)致植被生長峰值期發(fā)生變化的主要因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生長峰值期的空間分布特征

1982—2019 年內(nèi)蒙古植被平均生長峰值期的空間分布格局如圖3 所示。由圖3 可見，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)（89.9%）植被生長峰值期主要介于第200—230 天（即7 月中旬至8 月下旬），平均植被生長峰值期為第215 天。森林生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期較早，平均為第209 天，由北向南逐漸推遲。草原生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期主要分布在第210—225 天，平均為第215 天?；哪鷳B(tài)區(qū)的植被生長峰值期要晚于草原生態(tài)區(qū)，平均為第218 天，其中荒漠生態(tài)區(qū)的西部植被生長峰值期要早于第200 天。

圖3 內(nèi)蒙古植被生長峰值期的空間分布Fig.3 Spatial distribution of peak vegetation growth periods in Inner Mongolia

2.2 植被生長峰值期的變化趨勢分析

內(nèi)蒙古植被生長峰值期變化趨勢的空間分布特征如圖4 所示。內(nèi)蒙古植被生長峰值期的變化比較明顯，30.5% 像元的植被生長峰值期變化斜率小于0，表明同一像元內(nèi)的植被生長峰值期提前，提前趨勢較大的地區(qū)主要分布森林生態(tài)區(qū)（0.2 天/年）和零星分布在荒漠生態(tài)區(qū)西部（0.6 天/年）。剩余69.5% 像元的植被生長峰值期變化斜率大于0，表明同一像元內(nèi)的植被生長峰值期延后，主要分布在草原生態(tài)區(qū)東部和荒漠生態(tài)區(qū)，其中荒漠生態(tài)區(qū)植被生長峰值期推遲幅度要大于草原生態(tài)區(qū)。

圖4 內(nèi)蒙古植被生長峰值期的趨勢分布Fig.4 Trend distribution of peak vegetation growth period in Inner Mongolia

年際植被生長峰值期構(gòu)成的時間序列可以直觀地反映在較長時間內(nèi)的變化趨勢。如圖5 所示，內(nèi)蒙古植被生長峰值期主要波動在第205—225 天，呈顯著推遲趨勢，推遲速率為0.12 天/年，最早和最晚的植被生長峰值期分別出現(xiàn)在1991 年和2016 年。從不同生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期來看，森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的變化趨勢相同，即呈推遲趨勢，其中荒漠生態(tài)區(qū)呈顯著推遲趨勢，推遲速率為0.23 天/年。森林生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期主要波動在第204—214 天。草原生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期要晚于森林生態(tài)區(qū)，主要波動在第208—221 天。

圖5 1982—2019 年內(nèi)蒙古植被生長峰值期年際變化Fig.5 Interannual variation of peak vegetation growth period in Inner Mongolia from 1982 to 2019

2.3 內(nèi)蒙古植被生長峰值期對氣象因子的響應(yīng)

植被生長峰值期與生長季平均溫度呈負(fù)相關(guān)的面積約占總面積的46.2%（圖6a），主要分布森林生態(tài)區(qū)與荒漠生態(tài)區(qū)，其中呈顯著負(fù)相關(guān)（5.7%）的區(qū)域分布在荒漠生態(tài)區(qū)西南部。呈正相關(guān)的面積約為53.8%，草原生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期與生長季平均溫度主要呈正相關(guān)，呈顯著正相關(guān)（10.2%）的區(qū)域主要分布在草原生態(tài)區(qū)的東部和西南部，零星分布于荒漠生態(tài)區(qū)的東南部。與降水的相關(guān)性空間分布圖可以看出（圖6b），內(nèi)蒙古大部分植被生長峰值期與降水呈正相關(guān)（59.7%），呈顯著正相關(guān)（12.7%）的區(qū)域主要零星分布與荒漠生態(tài)區(qū)。呈負(fù)相關(guān)（40.3%）的區(qū)域主要分布在森林生態(tài)區(qū)和草原生態(tài)區(qū)東部，其中森林生態(tài)區(qū)主要呈顯著負(fù)相關(guān)（10.5%）。

圖6 內(nèi)蒙古植被生長峰值期與生長季溫度（a）和降水（b）的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between peak vegetation growth period and temperature（a）and precipitation（b）in growing season in Inner Mongolia

由1982—2019 年內(nèi)蒙古植被生長峰值期與季前1-7 月平均氣溫和月總降水的相關(guān)關(guān)系可以看出（圖7），內(nèi)蒙古植被生長峰值期與季前1-3 個月的降水呈正相關(guān)，與季前4-7 個月的降水呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不顯著，且相關(guān)性較低。與季前1-7 月的平均溫度呈正相關(guān)，且與季前4-5 月的平均溫度在P＜0.05水平下顯著正相關(guān)。

圖7 內(nèi)蒙古生長植被生長峰值期與季前氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between peak growth period of growing vegetation and pre-season temperature and precipitation in Inner Mongolia

2.4 內(nèi)蒙古不同生態(tài)區(qū)植被生長峰值期對氣候的響應(yīng)

內(nèi)蒙古不同生態(tài)區(qū)植被生長峰值期與溫度和降水的相關(guān)關(guān)系如圖8 所示。內(nèi)蒙古不同生態(tài)區(qū)植被生長峰值期與生長季平均溫度和總降水的相關(guān)性見圖8a。森林生態(tài)區(qū)與荒漠生態(tài)區(qū)與生長季降水呈顯著相關(guān)（P＜0.01），草原生態(tài)區(qū)與溫度和降水呈不顯著正相關(guān)。森林生態(tài)區(qū)與季前溫度和降水的相關(guān)性可知（圖8b），森林生態(tài)區(qū)與季前2 月的溫度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與季前1—7 月降水呈顯著負(fù)相關(guān)。草原生態(tài)區(qū)與季前1—7 月的溫度呈不顯著正相關(guān)，與季前2—7 月降水呈不顯著負(fù)相關(guān)（圖8c）?；哪鷳B(tài)區(qū)與季前2—6 月的溫度呈正相關(guān)。與季前1 個月，季前3—7 月降水呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（圖8d）。

圖8 內(nèi)蒙古不同生態(tài)區(qū)植被生長峰值期與溫度和降水的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Correlation between peak periods of vegetation growth and temperature and precipitation in different ecological zones in Inner Mongolia

3 討論

本文利用1982—2015 年GIMMS NDVI 和2016—2019 年MODIS NDVI 時間序列數(shù)據(jù)，并結(jié)合一元六次多項(xiàng)式函數(shù)擬合法識別內(nèi)蒙古植被生長峰值期，發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古大部分植被在夏季達(dá)到生長峰值期，通常在7 月至8 月之間。這與先前的研究一致，即大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的光合作用峰值發(fā)生在最高溫度附近［22］。峰值時段的時間格局可能對了解植被活動對氣候變化的響應(yīng)更為重要，1982—2019 年，內(nèi)蒙古植被生長峰值期以推遲趨勢為主，推遲速率為0.12 天/年，推遲面積約占總面積的69.5%。內(nèi)蒙古東北部森林生態(tài)區(qū)植被生長峰值期相對較早，如東北部森林生態(tài)區(qū)植被生長峰值期較早可能與該地區(qū)的水分條件充實(shí)有關(guān)，因?yàn)樵摰貐^(qū)離太平洋相對較近［23］。草原生態(tài)區(qū)植被生長峰值期明顯晚于森林生態(tài)區(qū)，這可能與森林生態(tài)區(qū)植被對氣候變化更加敏感有關(guān)，即隨著溫度的增加和降水量的增多，其生長峰值期比草原更早發(fā)生。荒漠生態(tài)區(qū)植被生長峰值期比草原生態(tài)區(qū)晚些，可能與其分布區(qū)的平均溫度比草原分布區(qū)的溫度高，且降水少有關(guān)。從不同生態(tài)區(qū)的趨勢分析看，荒漠生態(tài)區(qū)植被生長峰值期的推遲趨勢最大（0.23 天/年），尤其西部地區(qū)的推遲趨勢達(dá)0.6 天/年。草原生態(tài)區(qū)植被生長峰值期的推遲趨勢最?。?.01 天/年）。

氣候條件是影響植被生長峰值期變化的直接因素。本研究分析了生長季溫度降水和季前溫度降水對內(nèi)蒙古植被生長峰值期的影響。植被生長峰值期與生長季平均溫度呈負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在森林生態(tài)區(qū)與荒漠生態(tài)區(qū)，說明隨著生長季溫度的升高植被生長峰值期將會提前；原因很可能是由于大多數(shù)植物隨著當(dāng)?shù)睾腿蜃兣?，開始提前增長［24］，因此導(dǎo)致NDVI 較早的達(dá)到最大值，從而提前生長峰值期。此外，還有可能是溫度的升高會導(dǎo)致夏季干旱，由此導(dǎo)致植物生長峰值期提前，以避免潛在的損害，提升植物對環(huán)境的自適應(yīng)性［13］。草原生態(tài)區(qū)的植被生長峰值期與生長季平均溫度呈正相關(guān)，表明生長季溫度的升高導(dǎo)致植被生長峰值期推遲。森林和草原生態(tài)區(qū)東部與生長季降水主要呈負(fù)相關(guān)，即隨著生長季降水的增加植被生長峰值期將提前，說明在整個生長季內(nèi)降水的增加可能通過云量、降低溫度和輻射等來抑制分布于相對濕潤和寒冷地區(qū)的植被生長［25］，從而使植被生長峰值期提前?；哪鷳B(tài)區(qū)與草原生態(tài)區(qū)大部分地區(qū)隨著生長季降水的增加將會推遲植被生長峰值期，降水的增多，有利于保持土壤水分條件，使植被長得旺盛，從而推遲植被生長峰值期。1982—2019 年間，植被生長峰值期與季前溫度呈正相關(guān)，說明季前溫度的升高將推遲植被生長峰值期，原因可能是，較高的溫度可能導(dǎo)致植被失水并造成夏季干旱，因此導(dǎo)致植被生長峰值期推遲。季前降水量對植被生長峰值期的影響并沒溫度明顯，但季前1—3 月降水的增加將推遲植被生長峰值期，可能更多的降水可以提供水分，從而有利于植被的生長［11］，因此導(dǎo)致生長峰值期推遲。

4 結(jié)論

1982—2019 年，內(nèi)蒙古植被生長峰值期主要集中在7 月中旬至8 月下旬，由東北向西南逐漸推遲，具有顯著推遲趨勢（0.12 天/年）。不同生態(tài)區(qū)的空間上有明顯異質(zhì)性。植被生長峰值期與氣象因子的相關(guān)分析表明，內(nèi)蒙古植被生長峰值期與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，與季前1—3 月降水呈正相關(guān)，與季前4—7 月降水呈負(fù)相關(guān)系。森林和荒漠生態(tài)區(qū)植被生長峰值期受降水的影響大，而草原生態(tài)區(qū)受溫度的影響大。本研究初步分析了1982—2019 年內(nèi)蒙古植被生長峰值期變化及其對氣候變化的響應(yīng)，仍缺乏基于地面觀測數(shù)據(jù)的生長峰值期的驗(yàn)證。同時，人為因素等干擾對植被生長峰值期的研究也有待進(jìn)一步深入。