蒙古國(guó)冬春季氣候非對(duì)稱變暖及其對(duì)植被返青期和春季NDVI 的影響

張港棟， 包 剛， 黃曉君， 元志輝， 溫都日娜

（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)蒙古師范大學(xué)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）

植被物候是植被動(dòng)態(tài)的重要指示器，在植被活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)功能中扮演著不可替代的角色［1］。植被物候不僅可以記錄植被生長(zhǎng)環(huán)境中氣候上微小變化，還可反映植被生長(zhǎng)前氣候條件對(duì)其帶來的綜合影響［2］。植被返青期（Start of growing season，SOS）是春季植被生長(zhǎng)的開始日期，是最重要的植被物候指標(biāo)之一，對(duì)植被后期生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響［3］；歸一化植被指數(shù)（Normal difference vegetation index，NDVI）對(duì)地表植被覆蓋狀況具有敏感的反映能力，是表征植被活動(dòng)和生產(chǎn)力變化情況的常用指標(biāo)［4］。植被返青期和NDVI作為氣候變暖的2個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)氣溫的變化尤為敏感［5］。晝夜非對(duì)稱變暖，特別是不同季節(jié)的晝夜非對(duì)稱變暖對(duì)植被返青期和NDVI 產(chǎn)生一定影響，從而影響植被后期生長(zhǎng)發(fā)育［6］。因此，在季節(jié)尺度上了解植被物候和植被生產(chǎn)活動(dòng)變化及其主要原因可為深刻理解生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

在全球氣候持續(xù)變暖的條件下［7］，氣候變化與植被動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系成為全球變化研究領(lǐng)域的重點(diǎn)話題之一［8-9］。研究發(fā)現(xiàn)，全球氣候變暖普遍存在晝夜氣溫變化速率不一致和季節(jié)增溫速率不一致的特征［4,10］。近年來，越來越多的學(xué)者基于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)以及氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)在大中區(qū)域尺度上開展不同季節(jié)晝夜非對(duì)稱變暖對(duì)植被動(dòng)態(tài)變化的影響研究。例如，Tan 等［11］在季節(jié)尺度上分析北半球植被光合活性與晝夜氣溫變化的相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在春夏兩季，夜間增溫促進(jìn)植被NDVI 產(chǎn)生，而秋季夜間氣溫上升對(duì)絕大多數(shù)地區(qū)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響；在炎熱的夏季，白天增溫對(duì)干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)不利，但在春季白天增溫卻有利于提高寒帶地區(qū)的植被NDVI。在寒冷的青藏高原地區(qū)，Shen等［12］發(fā)現(xiàn)夜間增溫與返青期變化二者之間的相關(guān)性更強(qiáng)，這可能是因?yàn)檩^高的夜間氣溫可以減輕霜凍損害。與寒冷的青藏高原相比，蒙古國(guó)地處蒙古高原，位于亞洲中部，與中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，海拔遠(yuǎn)低于青藏高原，氣候更加溫暖和干燥，分布著廣泛的草地，生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化極為敏感和脆弱［13］，其生態(tài)系統(tǒng)變化對(duì)我國(guó)生態(tài)安全具有重要影響。研究該地區(qū)植被返青期和春季NDVI 對(duì)晝夜非對(duì)稱變暖的季節(jié)性響應(yīng)，為了理解我國(guó)邊疆及鄰國(guó)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的總體發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)我國(guó)生態(tài)安全和風(fēng)險(xiǎn)防范方面提供重要的參考信息［14］，也對(duì)我國(guó)邊疆和周邊國(guó)家地區(qū)未來生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警等方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文利用2001—2020 年蒙古國(guó)60 個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)、NDVI 和增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced vegetation index，EVI），在分析蒙古國(guó)最高氣溫和最低氣溫時(shí)空變化的基礎(chǔ)上，研究其在冬季和春季對(duì)植被返青期和春季NDVI 的不同影響及差異，對(duì)進(jìn)一步厘清草地植被物候?qū)^(qū)域氣候變化的季節(jié)性響應(yīng)和中國(guó)“三北”地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面提供科學(xué)依據(jù)和空間信息。

1 研究區(qū)概況

蒙古國(guó)地處亞洲大陸中部（41°35′～52°09′N，87°44′～119°56′E 之間），屬蒙古高原主體的內(nèi)陸國(guó)家（圖1）。北起薩彥嶺與俄羅斯南部接壤，而東部、西部和南部則與中國(guó)接壤，其國(guó)土總面積約為1.56×106km2。地勢(shì)西部高東部低，西北部多高山，東部和中部則是廣闊的丘陵草原，平均海拔約1.58×103m［15］。氣候類型主要以典型的大陸性干旱半干旱氣候?yàn)橹鳎竞涓稍锴衣L(zhǎng)，夏季短促而炎熱［16］，氣溫日較差大，年平均降水量在90～230 mm之間［17］。根據(jù)其獨(dú)特的地理位置，蒙古國(guó)植被類型由北向南依次分布為森林、草甸草地、典型草地、荒漠草地［18］。

圖1 蒙古國(guó)地理位置及氣象站空間分布Fig.1 Geographical location and spatial distribution of meteorological stations in Mongolia

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究使用由NASA 免費(fèi)提供的MOD13C1 產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)是2001—2020 年時(shí)間分辨率為16 d、空間分辨率為5.6 km（約0.05°）的NDVI 和EVI 數(shù)據(jù)［19］。為降低原始數(shù)據(jù)中存在的云、太陽高度角和大氣條件等影響，利用諧波時(shí)序分析方法［20］，對(duì)每年合成的23 景NDVI（EVI）數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑重構(gòu)。因研究區(qū)多數(shù)植被未在冬季生長(zhǎng)或受積雪影響，每年選取23景影像中的第7～14 景（即生長(zhǎng)季）之間的NDVI 和EVI數(shù)據(jù)提取物候［21］，采用最大值合成法構(gòu)建蒙古國(guó)春季NDVI 數(shù)據(jù)集，同氣象因子進(jìn)行偏相關(guān)分析［22］，并將多年EVI值小于0.06的區(qū)域規(guī)定為“無植被區(qū)”而不做分析［23］。

氣象數(shù)據(jù)是由蒙古國(guó)科學(xué)院與地質(zhì)研究生態(tài)所提供的60 個(gè)氣象站2001—2020 年月最高氣溫（白天氣溫）、月最低氣溫（夜間氣溫）和月降水量數(shù)據(jù)。在ArcGIS 10.8環(huán)境下，利用克里金插值法對(duì)60個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)插值成像元、投影和NDVI（EVI）數(shù)據(jù)一致的柵格圖像。綜合相關(guān)研究，將上一年12月至當(dāng)年2月、3—5月分別定義為冬季和春季，并通過對(duì)數(shù)據(jù)合并、掩膜和裁剪整理成蒙古國(guó)冬季和春季最高氣溫、最低氣溫、降水量和冬春季氣溫日較差的柵格圖像［24］。

2.2 研究方法

2.2.1 累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法對(duì)平滑重構(gòu)后的NDVI 數(shù)據(jù)采用Hou 等［25］提出的累積NDVI 的Logistic 曲線曲率極值法，在像元尺度上識(shí)別物候。首先對(duì)多年累積NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic函數(shù)擬合（公式1），其次利用（公式2、公式3）計(jì)算曲率（K），最后將曲率最大值所對(duì)應(yīng)的天數(shù)作為生長(zhǎng)季開始日期，即SOS。

式中：K為曲線曲率；α為單位切線向量的角度；s為模擬曲線的單位長(zhǎng)度；z為參數(shù)。

2.2.2 動(dòng)態(tài)閾值法研究利用動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)EVI 數(shù)據(jù)提取物候，由Piao 等［26］提出的一元六次多項(xiàng)式擬合EVI年變化率和多年平均季節(jié)變化率來確定返青期閾值，進(jìn)一步反演返青的日期。用4 個(gè)步驟進(jìn)行像元尺度的計(jì)算：（1）計(jì)算多年平均EVI 和EVIratio（公式4）；（2）選取多年平均EVI中EVIt和EVIt+1的中值作為返青期的閾值，對(duì)應(yīng)多年平均EVI 前半年最大比率［27］；（3）采用一元六次多項(xiàng)式對(duì)EVI 曲線進(jìn)行擬合（公式5）；（4）將每年的返青期作為擬合EVI曲線第一次達(dá)到返青閾值的日期。該閾值的確定與Piao 等［26］使用NDVIt和NDVIt+1定為返青期閾值的方法不同，其對(duì)應(yīng)與氣溫相關(guān)NDVI 比率的最大值和最小值。

式中：EVIt+1為多年平均EVI 原始第t+1 期；EVIt為多年平均EVI原始第t期；b為儒略日；m為多項(xiàng)式次數(shù)，本文中m=6；a為擬合系數(shù)。

2.3 趨勢(shì)分析和相關(guān)分析法

2.3.1 一元線性趨勢(shì)分析在像元尺度上采用一元線性回歸法對(duì)2001—2020 年蒙古國(guó)冬春季最高氣溫、最低氣溫及氣溫日較差進(jìn)行分析，以線性回歸系數(shù)表示其變化趨勢(shì)，回歸系數(shù)為正則表示趨勢(shì)上升，反之則表示趨勢(shì)下降。通過t檢驗(yàn)確定線性回歸系數(shù)的顯著性，其中：P＜0.05 表示回歸系數(shù)顯著，P＜0.01表示回歸系數(shù)極顯著［4］。逐像元計(jì)算冬春季最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差的變化速率，分析蒙古國(guó)地區(qū)冬春兩季晝夜氣溫變化的時(shí)空格局。

2.3.2 偏相關(guān)分析法利用二階偏相關(guān)分析法，控制其他變量的干擾，研究冬春季晝夜變暖的非對(duì)稱性對(duì)植被返青期和春季NDVI 的影響。偏相關(guān)分析指當(dāng)2個(gè)變量同時(shí)與第3個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第3個(gè)變量的影響剔除，只分析另外2 個(gè)變量之間相關(guān)程度的過程［28］。

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：r為相關(guān)系數(shù)；n為年份；xi為第i年平均最高（低）氣溫或氣溫日較差；yi為返青期；xˉ為多年平均最高（低）氣溫或氣溫日較差平均值；yˉ為多年返青期平均值；x、y為進(jìn)行偏相關(guān)計(jì)算的因素；a、b為控制變量；rxy·a、rxb·a、ryb·a為一階偏相關(guān)系數(shù)；rx·a為a與x的一階偏相關(guān)系數(shù)；ry·a為a與y的一階偏相關(guān)系數(shù)；rxy·ab為二階偏相關(guān)系數(shù)。采用t檢驗(yàn)對(duì)偏相關(guān)系數(shù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，其中：P＜0.05 表示顯著相關(guān)，P＜0.01表示極顯著相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬春季晝夜氣溫及溫差變化的時(shí)空格局

3.1.1 冬春季最高氣溫變化冬季最高氣溫變化速率的空間分布（圖2a）顯示，約有92.49%的區(qū)域最高氣溫呈上升趨勢(shì)，顯著上升的面積僅占總研究區(qū)的0.19%（P＜0.05），主要集中分布在戈壁阿爾泰東部地區(qū)。最高氣溫呈下降趨勢(shì)的面積較少，占研究區(qū)面積的7.51%，主要分布在烏布蘇東北部、庫蘇古爾西部和扎布汗北部，皆未通過顯著性檢驗(yàn)。春季最高氣溫變化速率的空間分布（圖2b）顯示，最高氣溫在蒙古國(guó)全域均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中，極顯著上升的區(qū)域占整個(gè)蒙古國(guó)面積的比值高達(dá)36.38%（P＜0.01），主要位于巴彥烏勒蓋南部、扎布汗西部、科布多絕大部分、戈壁阿爾泰東南部、巴彥洪戈?duì)栁髂喜?、南戈壁東部、中戈壁東部、東戈壁全省、肯特絕大部分、色楞格東部及其中央東北部。從季節(jié)性最高氣溫非對(duì)稱變暖隨時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn)（圖2c～d），其在冬春季的變暖速率分別是0.07 ℃·a-1、0.15 ℃·a-1（P＜0.05，R2=0.33），均呈上升趨勢(shì)。從冬春季最高氣溫變化速率發(fā)現(xiàn)，春季最高氣溫的變暖速率是冬季最高氣溫變暖速率的2.14 倍，顯然，春季白天的變暖速率快于冬季?？偟膩碚f，冬春季最高氣溫表現(xiàn)出非對(duì)稱變暖現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象存在明顯的季節(jié)性差異。

圖2 蒙古國(guó)冬春季最高氣溫時(shí)空變化趨勢(shì)Fig.2 Spatio-temporal variation trends of the highest temperature in winter and spring in Mongolia

3.1.2 冬春季最低氣溫變化冬季最低氣溫變化速率的空間分布（圖3a）顯示，約有54.62%的地區(qū)最低氣溫呈下降趨勢(shì)，通過顯著性檢驗(yàn)的面積占蒙古國(guó)的0.37%（P＜0.05），主要分布在扎布汗地區(qū)。最低氣溫呈上升趨勢(shì)的面積約占總面積的45.38%，且均未通過顯著性檢驗(yàn)。春季最低氣溫變化速率的空間分布（圖3b）顯示，約占研究區(qū)84.66%的區(qū)域最低氣溫表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，通過顯著性檢驗(yàn)的地區(qū)僅占總研究區(qū)的0.09%（P＜0.05），其零星分布在巴彥洪戈?duì)柋辈康貐^(qū)。約15.34%的區(qū)域最低氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要位于戈壁阿爾泰東南部、南戈壁西部和東部、巴彥洪戈?duì)柲喜考捌鋿|戈壁西南部，且均未通過顯著性檢驗(yàn)。從冬春季最低氣溫非對(duì)稱變化隨時(shí)間的推移發(fā)現(xiàn)（圖3c～d），其在冬春季的變化速率分別是-0.01 ℃·a-1、0.04 ℃·a-1。顯然，春季夜間增溫速度大于冬季，且春季的變暖速度是冬季的4.00倍，季節(jié)性夜間增溫呈現(xiàn)出非對(duì)稱特征。

圖3 蒙古國(guó)冬春季最低氣溫時(shí)空變化趨勢(shì)Fig.3 Spatio-temporal variation trends of the lowest temperature in winter and spring in Mongolia

3.1.3 冬春季氣溫日較差變化冬春季氣溫日較差變化速率的空間分布顯示，冬季氣溫日較差主要表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，占研究區(qū)的96.86%，其中，約占研究區(qū)20.77%（P＜0.05）的地區(qū)通過顯著性檢驗(yàn)，主要分布在色楞格北部、肯特北部、東方西部、扎布汗西北部、巴彥洪戈?duì)栔胁俊⒛细瓯谖鞅辈亢蜄|部、前杭愛南部及其東戈壁西南部。冬季氣溫日較差呈下降趨勢(shì)的地區(qū)集中分布在東方東部和蘇赫巴托爾東部地區(qū)，僅占研究區(qū)面積的3.14%，且均未通過顯著性檢驗(yàn)（圖4a）。約98.29%的區(qū)域春季氣溫日較差表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其中，表現(xiàn)為極顯著上升的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的65.66%（P＜0.05），該地區(qū)主要分布在巴彥烏勒蓋南部、科布多、戈壁阿爾泰、巴彥洪戈?duì)柲喜?、前杭愛、南戈壁、中戈壁、中央絕大部分、色楞格、肯特、東戈壁、蘇巴赫托爾東部以及東方東部區(qū)域。春季氣溫日較差呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的區(qū)域僅占研究區(qū)的1.71%，零星分布于庫蘇古爾北部和東方東部地區(qū)，且均未通過顯著性檢驗(yàn)（圖4b）。從季節(jié)性氣溫日較差非對(duì)稱變暖隨時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn)，冬春季氣溫日較差的變化速率分別是0.08 ℃·a-1（圖4c）、0.11 ℃·a-1（P＜0.05，R2=0.52）（圖4d），且春季日較差呈現(xiàn)顯著的增溫趨勢(shì)。總的來說，氣溫日較差在冬春季均表現(xiàn)出非對(duì)稱變化特征，且這種變化特征存在明顯的季節(jié)性差異。

圖4 蒙古國(guó)冬春季氣溫日較差時(shí)空變化趨勢(shì)Fig.4 Spatio-temporal variation trends of diurnal temperature range in winter and spring in Mongolia

3.2 冬春季氣候變暖對(duì)植被返青期的影響

為了解蒙古國(guó)春季植被返青期對(duì)冬春季最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差的響應(yīng)特征，通過對(duì)2001—2020 年春季植被返青期與冬春季最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差進(jìn)行偏相關(guān)分析，得到蒙古國(guó)冬季和春季最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差的偏相關(guān)系數(shù)及其顯著性空間分布圖。

3.2.1 最高氣溫對(duì)返青期的影響從春季植被返青期與冬春季最高氣溫相關(guān)性空間分布發(fā)現(xiàn)，返青期與冬季最高氣溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)面積的55.48%，其中約6.19%（P＜0.05）的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)，主要分布在巴彥洪戈?duì)柋辈?、中央東部、蘇赫巴托爾東南部及東方西北地區(qū)；返青期同冬季最高氣溫呈正相關(guān)的地區(qū)較少，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域僅占總面積的4.85%（P＜0.05），主要分布在后杭愛和布爾干地區(qū)（圖5a）。返青期與春季最高氣溫呈負(fù)相關(guān)的面積比例為53.60%，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占蒙古國(guó)的7.82%（P＜0.05），主要分布在巴彥洪戈?duì)柋辈?、庫蘇古爾東部、布爾干北部及中央西北地區(qū)等；返青期與春季最高氣溫呈顯著正相關(guān)的區(qū)域占蒙古國(guó)面積的比值約為5.81%（P＜0.05），主要集中分布在前杭愛和東方東北地區(qū)（圖5b）。研究發(fā)現(xiàn)，返青期與冬季最高氣溫呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積略高于與春季最高氣溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積。這表明冬季最高氣溫升高即冬季白天變暖比春季最高氣溫升高對(duì)返青期的影響范圍更廣。

圖5 蒙古國(guó)植被返青期與冬春季最高氣溫的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distributions of the partial correlation coefficients between the highest temperature in winter and spring and the start of growing season in Mongolia

3.2.2 最低氣溫對(duì)返青期的影響從春季植被返青期與冬春季最低氣溫的相關(guān)性空間分布發(fā)現(xiàn)，返青期與冬季最低氣溫呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)面積比例為59.51%，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占總面積的比值為10.28%（P＜0.05），且集中分布在前杭愛、布爾干、庫蘇古爾西南部、扎布汗東北部及巴彥烏勒蓋等地區(qū)；返青期同冬季最低氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域僅占蒙古國(guó)總面積的3.35%（P＜0.05），其零星分布于巴彥洪戈?duì)柋辈?、蘇赫巴托爾東南部及東方西北地區(qū)（圖6a）。返青期與春季最低氣溫呈負(fù)相關(guān)的面積比值為64.00%，其中通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占蒙古國(guó)面積的比值為10.49%（P＜0.05），主要分布在前杭愛、后杭愛、扎布汗西東部、庫蘇古爾南部、布爾干南部、色楞格絕大部分和東方東北地區(qū)；其與春季最低氣溫呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要零星分布在巴彥洪戈?duì)柋辈亢桶蛷趵丈w西北地區(qū)（圖6b），面積僅占蒙古國(guó)總面積的2.23%（P＜0.05）。返青期與冬季最低氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積略低于與春季最低氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積。因此認(rèn)為，春季最低氣溫升高即春季夜間變暖比冬季最低氣溫升高對(duì)植被返青期的作用更加顯著，且范圍更廣。

圖6 蒙古國(guó)植被返青期與冬春季最低氣溫的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.6 Spatial distributions of the partial correlation coefficients between the lowest temperature in winter and spring and the start of growing season in Mongolia

3.2.3 氣溫日較差對(duì)返青期的影響從春季植被返青期與冬春季氣溫日較差的相關(guān)性空間分布發(fā)現(xiàn)，返青期與冬季氣溫日較差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的面積占蒙古國(guó)的58.42%，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域約為6.55%（P＜0.05），主要分布在巴彥洪戈?duì)柋辈?、中戈壁北部、東戈壁東北部、蘇赫巴托爾及東方西北地區(qū)。約41.58%的區(qū)域返青期與冬季氣溫日較差呈正相關(guān)，其中約占研究區(qū)4.14%（P＜0.05）的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)，主要分布在前杭愛西部、布爾干南部和巴彥烏勒蓋地區(qū)（圖7a）。返青期同春季氣溫日較差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的區(qū)域占蒙古國(guó)面積的51.04%，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域約占研究區(qū)的5.76%（P＜0.05），主要位于布爾干北部、巴彥烏勒蓋西部、巴彥洪戈?duì)柋辈亢蛶焯K古爾中東地區(qū)；返青期同春季氣溫日較差呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的面積比例僅5.20%，主要零星分布在前杭愛、后杭愛北部以及色楞格西南地區(qū)（圖7b）。由此可見，冬季氣溫日較差增大比春季氣溫日較差增大對(duì)植被返青期產(chǎn)生作用強(qiáng)，且面積更加廣泛，其原因可能與冬春季最高氣溫和最低氣溫的變化有關(guān)。

圖7 蒙古國(guó)植被返青期與冬春季氣溫日較差的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.7 Spatial distributions of the partial correlation coefficients between diurnal temperature range in winter and spring and the start of growing season in Mongolia

3.3 冬春季氣候變暖對(duì)春季植被NDVI的影響

為進(jìn)一步了解蒙古國(guó)春季植被NDVI 與冬春季最高氣溫、最低氣溫和晝夜日較差相關(guān)關(guān)系的空間格局，基于像元尺度上進(jìn)行偏相關(guān)計(jì)算，得到蒙古國(guó)春季植被NDVI 與冬春季最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差的偏相關(guān)系數(shù)及其顯著性空間分布圖。

3.3.1 最高氣溫對(duì)植被指數(shù)的影響春季植被NDVI 與冬春季最高氣溫相關(guān)性空間分布顯示，約54.62%的地區(qū)NDVI 與冬季最高氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占蒙古國(guó)面積的8.62%（P＜0.05），主要分布于扎布汗西北部、庫蘇古爾東北部、布爾干南部、中央西部、色楞格西南部、肯特南部以及中隔壁東北地區(qū)。其與冬季最高氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域較少，僅占研究區(qū)總面積的3.65%（P＜0.05），主要零星分布在東戈壁中東部、蘇赫巴托爾南部和庫蘇古爾中部地區(qū)（圖8a）。約57.11%的區(qū)域NDVI 與春季最高氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域面積比例為12.16%（P＜0.05），主要集中分布在扎布汗北部、庫蘇古爾西南部、后杭愛中部、巴彥洪戈?duì)柋辈?、前杭愛中部、布爾干中部、色楞格、中央和中戈壁絕大部分地區(qū)。NDVI 與春季最高氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域僅占蒙古國(guó)面積的5.66%（P＜0.05），主要零星分布在巴彥烏勒蓋和蘇巴赫托爾地區(qū)（圖8b）?？傮w上，NDVI與春季最高氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的區(qū)域高于NDVI 與冬季最高氣溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域。這表明，植被NDVI 對(duì)春季白天變暖的響應(yīng)更加顯著，且受白天氣溫變化影響的范圍更廣。

圖8 蒙古國(guó)植被NDVI與冬春季最高氣溫的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distributions of the partial correlation coefficients between the highest temperature in winter and spring and NDVI in Mongolia

3.3.2 最低氣溫對(duì)植被指數(shù)的影響春季植被NDVI 與冬春季最低氣溫相關(guān)性空間分布顯示，約64.14%的區(qū)域NDVI 與冬季最低氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)，呈顯著正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)的比值為11.82%（P＜0.05），主要分布在巴彥烏勒蓋南部、扎布汗西北部、庫蘇古爾東北部、布爾干絕大部、色楞格西南部、中央西部、中戈壁東北部、肯特西部以及東方東北地區(qū)。其與冬季最低氣溫呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域集中分布在東戈壁中東地區(qū)，且僅占研究區(qū)總面積的2.09%（P＜0.05）（圖9a）。約72.51%的區(qū)域NDVI 同春季最低氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)，其中呈顯著正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)的比值高達(dá)29.56%（P＜0.05），主要位于扎布汗北部、庫蘇古爾、后杭愛、巴彥洪戈?duì)柋辈?、前杭愛中部、布爾干、色楞格、中央、中戈壁、肯特西北部和東方北部地區(qū)。NDVI 與春季最低氣溫呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域僅占研究區(qū)面積的2.62%（P＜0.05），且集中分布在蘇赫巴托爾地區(qū)（圖9b）。整體上，NDVI 與春季最低氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)的區(qū)域遠(yuǎn)高于NDVI 與冬季最低氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域。這表明，春季夜間變暖對(duì)植被NDVI 的影響更加顯著且范圍更廣。

圖9 蒙古國(guó)植被NDVI與冬春季最低氣溫的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.9 Spatial distributions of the partial correlation coefficients between the lowest temperature in winter and spring and NDVI in Mongolia

3.3.3 氣溫日較差對(duì)植被指數(shù)的影響春季植被NDVI 與冬春季氣溫日較差相關(guān)性空間分布顯示，約56.35%的區(qū)域NDVI與冬季氣溫日較差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占蒙古國(guó)面積的7.70%（P＜0.05），主要分布于扎布汗西北部、庫蘇古爾東北部、布爾干南部、中央西部、色楞格西南部、肯特西南地區(qū)。NDVI 與冬季氣溫日較差呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域僅占蒙古國(guó)面積的3.05%（P＜0.05），主要集中分布在東戈壁中東地區(qū)（圖10a）。約61.70%的區(qū)域NDVI 與春季氣溫日較差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占比為11.7%（P＜0.05），主要位于扎布汗北部、庫蘇古爾西南部、巴彥洪戈?duì)柋辈?、前杭愛中部、布爾干中部、色楞格、中央和中戈壁絕大部分地區(qū)。NDVI 與春季氣溫日較差呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域主要集中在巴彥烏勒蓋和蘇巴赫托爾地區(qū)，且僅占研究區(qū)面積的5.36%（P＜0.05）（圖10b）。由此可見，春季氣溫日較差比冬季氣溫日較差對(duì)植被NDVI 的影響強(qiáng)烈，且春季氣溫日較差的影響范圍更廣。

圖10 蒙古國(guó)植被NDVI與冬春季氣溫日較差的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.10 Spatial distributions of the partial correlation coefficients between diurnal temperature range in winter and spring and NDVI in Mongolia

4 討論

近20 a 來，蒙古國(guó)冬春季晝夜氣溫都呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，季節(jié)性晝夜氣溫變化存在非對(duì)稱特征，且在空間分布上差異較為明顯。這種非對(duì)稱的季節(jié)性晝夜氣溫變化更加增加了其對(duì)植被返青期和NDVI 影響的復(fù)雜性。本研究發(fā)現(xiàn)，蒙古國(guó)植被返青期在冬春兩季對(duì)晝夜氣溫變化的響應(yīng)存在明顯差異。在冬季，植被返青期主要與白天氣溫表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，絕大部分地區(qū)冬季白天氣溫上升，植被返青期提前，可能由于蒙古國(guó)的一些植被在經(jīng)歷寒冷的冬天后需要一定的熱量積累才能開始準(zhǔn)備春季的生長(zhǎng)［29］，可能冬季白天氣溫上升更容易滿足返青期季前的熱需求而白天氣溫升高間接影響植被綠化之前的熱需求，進(jìn)而對(duì)植被的春季展葉和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生有利影響。與冬季不同的是，植被返青期主要與春季夜間氣溫表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，植被NDVI 與春季夜間氣溫表現(xiàn)為正相關(guān)。絕大部分地區(qū)春季夜間氣溫上升，植被返青期提前，NDVI 增加。原因可能是低溫會(huì)直接損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)［30］，且低溫下的凍土水分會(huì)限制研究區(qū)植物根系的吸水［31］。在冬春季干旱的蒙古國(guó)，土壤水分的有效性很大程度上依賴春季融解，而春季融解受土壤氣溫的制約。因此，春季夜間氣溫的上升有助于打破這些限制，降低霜凍風(fēng)險(xiǎn)［32］，提升植被抵抗干旱的能力［33］，從而為植被提前展葉和生產(chǎn)力的提高帶來積極影響。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，冬季氣溫日較差對(duì)植被返青期主要起提前作用，春季氣溫日較差對(duì)植被NDVI 主要起減少作用。通過分析冬春季氣溫日較差與白天氣溫和夜間氣溫的相關(guān)關(guān)系表明，與冬春季夜間氣溫相比，兩季氣溫日較差的變化均受白天氣溫的影響相對(duì)更大。因此，認(rèn)為在植被綠化之前，冬季白天增溫比夜間增溫更容易達(dá)到春季植被生長(zhǎng)所需熱量的閾值氣溫［29］，從而提前植被返青期。而春季白天增溫則會(huì)通過增加蒸發(fā)量來降低土壤的有效水分［12］，對(duì)植被NDVI產(chǎn)生不利影響。

植被春季物候的動(dòng)態(tài)變化及其生產(chǎn)活動(dòng)受諸多因素影響，氣候變化是影響植被物候變化的主要因子。對(duì)于植被春季返青，氣溫主要影響其熱量的積累、休眠的解除和葉片展開的速度。本文重點(diǎn)討論了冬春兩季白天氣溫、夜間氣溫和氣溫日較差對(duì)植被返青期和春季NDVI 的影響。由于數(shù)據(jù)的可獲取性，未能將云量、風(fēng)速、日照時(shí)間等氣候因子和人為因素作為控制變量考慮，且未能分析降水對(duì)植被物候和植被指數(shù)帶來的可能影響；此外，本研究主要反映了大區(qū)域尺度植被對(duì)氣溫的響應(yīng)特征，而在物種尺度上存在一定的不確定性。因此，在未來的研究中，需要綜合各種因素多種方法相互補(bǔ)充以進(jìn)一步厘清不同植被物候和春季NDVI 對(duì)季節(jié)性晝夜變暖在水分條件下的響應(yīng)機(jī)制。

5 結(jié)論

（1）2001—2020年蒙古國(guó)晝夜氣溫及其氣溫日較差在冬春季呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，變化速率存在較大差異，春季最高氣溫和最低氣溫的變暖速率分別是冬季變暖速率的2.14 倍和4.00 倍，春季氣溫日較差的變化速率是冬季的1.38 倍，并在冬春季均表現(xiàn)出非對(duì)稱變化特征。

（2）蒙古國(guó)地區(qū)氣候變暖對(duì)植被返青期的影響在季節(jié)上表現(xiàn)出明顯差異?？傮w上，植被返青期與冬春季氣候變暖均主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，但白天和夜間變暖對(duì)返青期的影響非對(duì)稱。在冬季，返青期的變化與最高氣溫的相關(guān)性更強(qiáng)，而在春季則更受最低氣溫的控制。相比于春季氣溫日較差，更多地區(qū)的植被返青期對(duì)冬季氣溫日較差的響應(yīng)更加明顯，且多表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。

（3）蒙古國(guó)春季植被NDVI 對(duì)氣候變暖的非對(duì)稱響應(yīng)主要與春季白天和夜間的氣溫變化相關(guān)。其與春季最高氣溫主要以負(fù)相關(guān)為主，而與春季最低氣溫則主要表現(xiàn)為正相關(guān)。相比于冬季氣溫日較差，春季氣溫日較差與植被NDVI 通過顯著性檢驗(yàn)的比例更高，且主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。