近20年蒙古國植被春季返青期時空變化特征

秦福瑩，那音太

（1.內(nèi)蒙古財經(jīng)大學 資源與環(huán)境經(jīng)濟學院；2.內(nèi)蒙古財經(jīng)大學 規(guī)劃與地理信息系統(tǒng)實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

蒙古國是中國“一帶一路”倡議的參與國家和合作伙伴，是“中蒙俄經(jīng)濟走廊”和“草原之路”沿線的重要國家[1]。在氣候變化背景下，蒙古國氣溫普遍上升，降水總體上減少趨勢，氣溫和降水變化及其組合狀態(tài)的變化對植被活動的影響顯著[2]。植被物候作為生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化響應的直接體現(xiàn)方式，日益受到學界關(guān)注[3]。蒙古國地廣人?。ㄈ丝诿芏葹?人/km2），一直保持游牧生活方式，人類對生態(tài)系統(tǒng)的影響較小，相對更能夠直接客觀反映氣候變化對植被物候的影響[4]。因此該區(qū)域植被物候的變化可以指示環(huán)境變化對植被生理活動的影響[5]。

近些年來，許多學者對內(nèi)蒙古、中蒙邊境、整個蒙古高原地區(qū)的植被物候動態(tài)進行了研究[6-10]，專門針對蒙古國植被物候特征的研究相對較少。少有的研究，例如Mei（2021）研究指出蒙古國西北部山區(qū)植被春季物候具有海拔依賴性的特征[11]。邵亞婷等（2022）研究指出近19年蒙古國植被返青期總體呈微弱推遲趨勢[12]。然而，蒙古國幅員遼闊，受水熱因子的影響，整體上呈現(xiàn)由北向南，從森林景觀到典型草地景觀和荒漠草地景觀，再到裸地景觀的分布格局，具有明顯的緯向遞變規(guī)律。由于不同的自然分區(qū)有著自身獨特的氣候和生態(tài)特征[13]，有必要結(jié)合自然區(qū)劃的氣候生態(tài)特征研究植被春季返青期空間細節(jié)上的變化特征。因此，本文基于蒙古國自然區(qū)劃分析不同區(qū)域植被返青期的變化趨勢差異，研究結(jié)果對于指導當?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化及生態(tài)保護利用等具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)

蒙古國位于亞洲大陸中部（41°N~52°N、87°E~120°E），北部與俄羅斯接壤，而東部、南部與西部與中國接壤，國土總面積156.65萬km2。蒙古國深居內(nèi)陸，遠離海洋，氣候上屬于溫帶干旱半干旱氣候，冬季寒冷漫長，夏季很短，降水集中在夏季[14]。地勢西高東低，地形整體上從西北的阿爾泰山脈向東南的平原和洼地傾斜，平均海拔1580m，如圖1所示。根據(jù)海拔高度、氣溫、降水的不同，自然區(qū)劃上整體上由北向南具有明顯的緯向遞變規(guī)律，依次為高山區(qū)、高山苔原區(qū)、森林草原區(qū)、草原區(qū)、戈壁區(qū)和荒漠區(qū)。

圖1 蒙古國地形分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用美國國家航空航天局提供的2001-2019年MOD13Q1的NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250m，時間分辨率為16d。該數(shù)據(jù)雖在一定程度上抑制了傳感器觀測角、太陽高度角、云等影響，但仍存在異常值[15]。本文采用S-G濾波法對NDVI時間序列進行平滑處理。

1.3 物候提取方法

提取物候的常用方法有動態(tài)閾值法、最大比率法和導數(shù)法等。結(jié)合研究區(qū)實際情況和NDVI時空特征[16]，使用TIMESAT3.2自帶的動態(tài)閾值法提取像元尺度的植被返青期，動態(tài)閾值法的計算方法如式（1）所示。

式中：NDVUratio首次高于預先定義的NDVI值的日期為生長季開始點。返青期的閾值根據(jù)本研究區(qū)的實測物候數(shù)據(jù)與前人研究結(jié)果[17,18]，在大量實驗基礎(chǔ)上，最終將閾值設(shè)置為20%來提取植被返青期物候參數(shù)信息。本文去除了19年平均NDVI值小于0.1的非植被區(qū)域[19]，并結(jié)合已有的研究區(qū)土地覆蓋分類數(shù)據(jù)產(chǎn)品，將所有非植被覆蓋區(qū)域進行掩膜處理，得到研究區(qū)植被覆蓋區(qū)域，提取返青期物候信息。

1.4 趨勢分析法

采用Sen趨勢法分析2001-2019年研究區(qū)植被返青期變化趨勢。Sen趨勢分析法受到異常數(shù)據(jù)的影響較小，且對測量誤差和離群數(shù)據(jù)的敏感度較低[20]。其變化趨勢的大小用Sen’s斜率表示，計算如下：

若斜率＞0，表示呈上升趨勢；若斜率＜0，表示呈下降趨勢。

1.5 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，變量可以不具有正態(tài)分布特征，因此適用于水文變量的趨勢檢驗[21]。假定X1，X2，…，Xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，M-K法定義了統(tǒng)計量S：

其中：

式中，Xj，Xi分別為j，i年的相應測量值，且j＞i。

式中，Z為一個正態(tài)分布的統(tǒng)計量，Var（s）為方差。在給定的α置信水平上，如果│Z│≥Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。

2 結(jié)果分析

2.1 蒙古國植被春季返青期的基本特征

圖2為2001—2019年蒙古國植被返青期空間分布?？傮w上，蒙古國植被返青期空間差異顯著，西北部和中北部地區(qū)森林植被返青期最早，第100d～120d，東北部和中部植被返青期約第130～150d之間，中部草原和干草原植被返青期最晚，第160～170d。從不同自然區(qū)劃植被返青期來看，山區(qū)苔原和森林草原返青期均值為第124d和第126d，高山區(qū)植被返青期均值為第130d，草甸草原、草原、干草原植被返青期均值分別為第135d、第134d、第134d。

圖2 2001-2019年蒙古國植被春季返青期空間分布

研究區(qū)不同自然區(qū)劃植被多年平均返青期的范圍介于第124d~135d之間，即主要集中在3月底至4月上中旬。從不同自然區(qū)劃中不同等級返青期像元所占百分比可看，高山區(qū)、高山苔原區(qū)、森林草原區(qū)和草甸草原區(qū)植被返青期集中在第120~130d，草原區(qū)和干草原區(qū)植被返青期集中在第130~140d。

圖3 研究區(qū)不同自然區(qū)劃類型植被返青期統(tǒng)計圖

2.2 蒙古國植被春季返青期時空變化特征

圖4顯示了2001-2019年研究區(qū)植被春季返青期變化趨勢的空間分布特征。可看出，研究區(qū)北部高山區(qū)森林植被、苔原植被和森林草原植被返青期提前趨勢明顯，東部和中部廣大的草原區(qū)植被返青期普遍推遲趨勢，尤其是東部蘇赫巴托爾省、東方省中部地區(qū)典型草原和干草原植被返青期推遲趨勢顯著。

圖4 蒙古國植被返青期年際變化趨勢空間分布

圖5顯示了2001-2019年間研究區(qū)不同自然區(qū)劃植被返青期變化趨勢。從圖中可看出，不同自然區(qū)劃植被返青期年際波動特征明顯，其中高山區(qū)、山區(qū)苔原和森林草原區(qū)返青期呈提前趨勢，每10年分別提前4.7d、7.1d和2.7d，而草甸草原、草原和干草原植被返青期呈推遲趨勢，每10年分別推遲3.4d、4.4d和6.1d。

圖5 2001-2019年蒙古國不同自然區(qū)劃植被返青期年際變化趨勢

3 結(jié)論

1.蒙古國不同自然區(qū)劃植被多年平均返青期的范圍介于第124~135d之間，主要集中在3月底至4月上中旬，高山區(qū)植被、高山苔原、森林草原和草甸草原的返青期集中在第120~130d，草原和干草原返青期集中在第130~140d。

2.不同自然區(qū)劃植被返青期年際波動特征明顯，其中高山區(qū)、山區(qū)苔原和森林草原區(qū)返青期呈提前趨勢，每10年分別提前4.7d、7.1d和2.7d，而草甸草原、草原和干草原植被返青期呈推遲趨勢，每10年分別推遲3.4d、4.4d和6.1d。

4 討論

已有研究指出近19年蒙古國植被返青期總體呈微弱推遲趨勢[12]，本研究發(fā)現(xiàn)蒙古國不同自然區(qū)劃植被返青期年際變化趨勢有所差異，其中北部高山區(qū)森林植被、苔原植被和森林草原植被返青期提前趨勢明顯，這些地區(qū)水分條件相對較好，氣溫的升高會促進返青期的提前[6,22]。東部和中部廣大的草原區(qū)植被返青期普遍推遲趨勢，這些地區(qū)植被生長的控制因子為水分條件，在氣溫上升，降水變化不明顯的情況下，受氣溫上升趨勢的影響，地表蒸發(fā)散加速，植被可利用的水分減少，從而可能抑制草地植被的返青[23,24]。本文主要分析蒙古國植被春季返青期的時空變化特征，下一步將深入分析研究區(qū)植被關(guān)鍵物候期對氣候和人為因素的響應特征。