新疆草原植被物候現(xiàn)象分析

張向向，王采娥，肖向華，森巴提·葉爾木拉提，凱撒·米吉提

（1.新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，烏魯木齊 830049；2.干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830049）

草原是我國(guó)重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是發(fā)展草原畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，不僅在自然資源、生態(tài)環(huán)境及野生動(dòng)植物的保護(hù)中作用明顯，還在減緩氣候變化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，對(duì)維護(hù)邊疆穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)平衡、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和歷史人文積淀等方面具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性作用[2]。草原植被物候是指在自然界中植物由于受到氣候變化和外界環(huán)境條件的季節(jié)性變化的影響，而出現(xiàn)的一系列周期性的自然現(xiàn)象，例如發(fā)芽、展葉、開(kāi)花、結(jié)果、枯黃和葉落等生長(zhǎng)發(fā)育節(jié)律[3，4]。草原植被物候在草原生態(tài)系統(tǒng)中扮演者重要角色[5]，對(duì)農(nóng)牧業(yè)的生產(chǎn)生活、草原生態(tài)保護(hù)及恢復(fù)等方面發(fā)揮重要作用[4]，同時(shí)在大氣能量交換和碳水循環(huán)過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用，被譽(yù)為區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的最佳指示器[6]。草原植被物候現(xiàn)象主要包括返青期、生長(zhǎng)期和枯黃期。草原春季返青期是指每年春季環(huán)境因子溫度和水分條件適宜時(shí)，草原植被群落開(kāi)始萌發(fā)并普遍開(kāi)始變綠、生長(zhǎng)的過(guò)程[7]，對(duì)后期植被的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要的影響[8]。夏季生長(zhǎng)期是指夏天氣溫適宜的條件下，植被進(jìn)行快速大量生長(zhǎng)的階段。秋季枯黃期是指秋季氣溫下降，植物葉片枝丫開(kāi)始枯黃凋落，植物生長(zhǎng)期進(jìn)入休眠狀態(tài)，植株或草原景觀由綠變黃的過(guò)程，枯黃期作為植被物候的重要指標(biāo)之一，它的動(dòng)態(tài)變化能夠顯著影響植被生長(zhǎng)季的長(zhǎng)度和陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[9]。

草原物候期監(jiān)測(cè)是定量評(píng)價(jià)植被長(zhǎng)勢(shì)、生態(tài)狀況的重要手段，對(duì)草原即時(shí)性變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，定期獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，真實(shí)、準(zhǔn)確掌握草原植被返青期、生長(zhǎng)期和枯黃期的植被變化規(guī)律，從而綜合評(píng)價(jià)草原資源植被變化格局，對(duì)草原生態(tài)修復(fù)治理、科學(xué)管理草原、平衡畜牧業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境的變化提供科學(xué)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

據(jù)第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查草原數(shù)據(jù)成果顯示新疆有草原5 022.39 萬(wàn)hm2，其中，南疆草原面積2 172.52 萬(wàn)hm2，北疆草原面積2 849.87 萬(wàn)hm2，分別占草原總面積的43.26%和56.74%；新疆天然草地5 008.44萬(wàn)hm2，占草原總面積的99.72%。新疆氣候主要受“三山夾兩盆”的地形結(jié)構(gòu)影響，使草原既有水平地帶性分布，也有獨(dú)特的垂直地帶性分布。新疆草原面積遼闊，類(lèi)型多樣，主要有溫性草甸草原類(lèi)、溫性草原類(lèi)、溫性荒漠草原類(lèi)、溫性草原化荒漠類(lèi)、溫性荒漠類(lèi)、高寒草甸類(lèi)、高寒草原類(lèi)、高寒荒漠類(lèi)、山地草甸類(lèi)、低地草甸類(lèi)等11個(gè)大類(lèi)，包含有25亞類(lèi)、131草地組、687草地型。根據(jù)多年來(lái)對(duì)全疆14 個(gè)地州11 個(gè)草原大類(lèi)的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全疆天然草原從3 月中旬逐漸開(kāi)始返青，至四月底返青基本結(jié)束，8月中旬逐漸開(kāi)始枯黃，至十月底枯黃基本結(jié)束。

1.2 研究方法

對(duì)全疆14個(gè)地州市開(kāi)展草原植被物候期監(jiān)測(cè)工作。

返青期監(jiān)測(cè)：每年3月初到4月底開(kāi)展返青期監(jiān)測(cè)，返青固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)為72個(gè)，同時(shí)不同地州（縣、市）可根據(jù)草地類(lèi)和環(huán)境條件進(jìn)行增設(shè)調(diào)查樣點(diǎn)，保證每一草原類(lèi)均有監(jiān)測(cè)樣地；生長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)：每年7 月初到8 月底開(kāi)展生長(zhǎng)盛期監(jiān)測(cè)，在原有樣地的基礎(chǔ)上，下一年進(jìn)行調(diào)整和增設(shè)，使每一草原類(lèi)型均設(shè)有點(diǎn)位，從而保證采樣的典型性、代表性和一致性，2022 年共完成監(jiān)測(cè)樣地2 450 個(gè)；枯黃期監(jiān)測(cè)：8月底到10月底開(kāi)展枯黃期監(jiān)測(cè)，共完成枯黃期長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)樣地45個(gè)。

返青期和枯黃期植被群落調(diào)查：每個(gè)樣地至少隨機(jī)設(shè)置3 個(gè)1 m×1 m 的草本層小樣方或1 個(gè)10 m×10 m 的灌木層或高大草本樣方，測(cè)定樣方內(nèi)返青/枯黃植物蓋度和總蓋度，計(jì)算返青/枯黃百分率。識(shí)別返青或枯黃牧草的主要種類(lèi)，觀察返青/枯黃和生長(zhǎng)/凋落狀態(tài)；測(cè)定樣方內(nèi)的植被群落的高度、蓋度，判斷天然草原進(jìn)入返青/枯黃的時(shí)間、返青/枯黃程度及生態(tài)狀況，準(zhǔn)確客觀掌握返青期/枯黃期天然草原植被蓋度、高度、返青率/枯黃率等指標(biāo)，為科學(xué)評(píng)價(jià)草原生態(tài)狀況、利用方式以及相關(guān)政策成效，為指導(dǎo)草原保護(hù)建設(shè)提供重要依據(jù)。

監(jiān)測(cè)樣方布設(shè)：以樣地中心點(diǎn)為圓心，40 m 為半徑設(shè)置面積為0.5 hm2的圓形樣地。在3 條樣線(xiàn)端點(diǎn)處分別設(shè)置3個(gè)2 m×2 m 觀測(cè)小樣方，樣方對(duì)角線(xiàn)與樣線(xiàn)重合。在觀測(cè)小樣方周?chē)? m 范圍內(nèi)，典型選取3 個(gè)最能代表觀測(cè)小樣方狀況的1 m×1 m 測(cè)產(chǎn)小樣方，但不得與樣線(xiàn)和觀測(cè)小樣方重疊。以樣地中心點(diǎn)正西方向1 m 作為東南角點(diǎn)，設(shè)置1 個(gè)10 m×10 m（當(dāng)灌木冠幅較小且分布均勻時(shí)，可縮小至5 m×5 m）的大樣方，布設(shè)示意圖，如圖1 所示（落入細(xì)碎圖斑中的樣地，圓形樣地半徑可縮小至20 m，樣線(xiàn)長(zhǎng)度相應(yīng)調(diào)整為20 m，觀測(cè)小樣方、測(cè)產(chǎn)小樣方和灌木大樣方的布設(shè)方法同上）。

圖1 草原植被群落生長(zhǎng)期調(diào)查樣地布設(shè)圖示

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2019、SPSS 22.0、ArcGIS和ENVI處理相關(guān)數(shù)據(jù)。首先下載MODIS數(shù)據(jù)16-days，空間分辨率為250 m×250 m 的影像，對(duì)同一區(qū)域不同時(shí)相的影像進(jìn)行重投影、鑲嵌和加投影等預(yù)處理，采用WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)，Albers 投影方式，運(yùn)用ENVI軟件中的波段運(yùn)算對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和輸出結(jié)果。草原返青情況通過(guò)地面長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得，選擇具有代表性且數(shù)據(jù)具有連貫性和完整性的五種草地類(lèi)（溫性荒漠類(lèi)、溫性草原類(lèi)、山地草甸類(lèi)、高寒草原類(lèi)和低地草甸類(lèi)）的返青率來(lái)表征全疆草原返青情況，生長(zhǎng)期和枯黃期植被長(zhǎng)勢(shì)情況通過(guò)遙感影像反映，其能夠宏觀掌握全疆草原生長(zhǎng)期變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 草原植被返青情況

全疆春季氣溫偏高，冰雪融化，土壤墑情有利于草原植物萌發(fā)。全疆草原植被自3月5日起開(kāi)始陸續(xù)返青，至4月28日返青結(jié)束，返青持續(xù)時(shí)間54 d。

由表1可知，不同草原類(lèi)進(jìn)入返青期時(shí)間不同，溫性荒漠類(lèi)、溫性草原類(lèi)、山地草甸類(lèi)、高寒草原類(lèi)和低地草甸類(lèi)進(jìn)入返青的時(shí)間分別是3月5日、3月15日、3月20日、3月25日和3月20日，從返青期開(kāi)始到結(jié)束分別歷時(shí)31 d、26 d、31 d、31 d和26 d，返青期總體較上一年提前5 d。

表1 2022年各草原類(lèi)返青率與上一年對(duì)比

2.2 草原植被生長(zhǎng)情況

2022 年全疆草原植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021 年。從分布區(qū)域看，伊犁河谷、天山南坡西段（克州）、阿爾泰山南麓、阿爾金山植被長(zhǎng)勢(shì)好于2021年同期；而準(zhǔn)噶爾盆地西部、天山北坡中段、天山東段等區(qū)域植被長(zhǎng)勢(shì)要差于2021年同期；其它區(qū)域草原植被長(zhǎng)勢(shì)與2021年同期持平。

5月份全疆草原植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021年同期。從分布區(qū)域看，準(zhǔn)噶爾盆地東北部、伊犁河谷、天山南坡中段植被長(zhǎng)勢(shì)好于2021 年同期；準(zhǔn)噶爾盆地北部、天山北坡中段、昆侖山東段（民豐縣）植被長(zhǎng)勢(shì)差于2021年同期；其它區(qū)域草原植被長(zhǎng)勢(shì)與2021年同期持平。

6 月份全疆草原植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021 年同期。從分布區(qū)域看，阿爾泰山山前沖積扇及傾斜平原、伊犁河谷、天山南坡中段（和靜縣）和西段、昆侖山西部、阿爾金山植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021 年同期；天山北坡中段、東天山南坡部分地區(qū)、昆侖山中段部分地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)差于2021 年同期；其它區(qū)域草原植被長(zhǎng)勢(shì)與2021年同期持平。

7月份全疆草原植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021年同期。從分布區(qū)域看，天山北坡西部（博州）、伊犁河谷、天山南坡中段（和靜縣）、天山南坡西段（克州）植被長(zhǎng)勢(shì)好于2021 年同期；準(zhǔn)噶爾盆地西部（托里縣）、天山北坡中段、天山東段、昆侖山中段部分地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)差于2021 年同期；其它區(qū)域草原植被長(zhǎng)勢(shì)與2021年同期持平。

8月份全疆草原植被長(zhǎng)勢(shì)略差于2021年同期。從分布區(qū)域看，伊犁河谷、天山南坡西段、阿爾金山植被長(zhǎng)勢(shì)好于2021 年同期；準(zhǔn)噶爾盆地西北部、天山北坡中段、天山東段植被長(zhǎng)勢(shì)差于2021 年同期；其它區(qū)域草原植被長(zhǎng)勢(shì)與2021年同期持平。

2.3 草原植被枯黃情況

全疆草原植被自8月中旬陸續(xù)進(jìn)入枯黃期，持續(xù)到10月下旬大部分地區(qū)枯黃結(jié)束。在空間分布上，阿爾泰山南麓、天山西段、帕米爾高原等山區(qū)草原植被枯黃比其它區(qū)域早，準(zhǔn)噶爾盆地東北部、天山北坡中段及東段部分區(qū)域、阿爾金山北部平原區(qū)枯黃期相對(duì)較晚。至9 月30 日，全疆56.7%的草原植被已枯黃。與2021年同期相比，17.2%草原植被早于2021年進(jìn)入枯黃期，其主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地西部、天山北坡中段部分地區(qū)和東天山，68.6%草原植被進(jìn)入枯黃期，與2021 年一致，其余14.2%草原植被枯黃有所推遲。

3 討 論

降雨量與溫度會(huì)影響返青期推遲或提前，植物返青不僅受水分條件的影響，還受熱量條件的影響。如果當(dāng)年氣溫條件較好，降水較豐富，植物返青較早；反之，當(dāng)氣溫偏低，降水較少的時(shí)候，植物返青可能推遲[10]。全疆春季氣溫偏高，降水較少，日照充足，冰雪融化，光水熱條件利于草原植物萌發(fā)，2022年新疆草原植被返青較往年提前5 d，雖然降水較少，但由于春季溫度較高，能夠加速冰雪融化和土壤解凍，從而為植物萌發(fā)提供大量的水分條件和土壤條件，所以春季溫度的高低對(duì)返青期的推遲或提前具有關(guān)鍵性作用[11]?？傮w上來(lái)說(shuō)，草原植被長(zhǎng)勢(shì)狀況與溫度、降水量和降雪量等環(huán)境因子有關(guān)，氣候仍然是主導(dǎo)因素。2022 年草原植被返青期提前，夏季植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021 年，其中北疆、南疆大部分植被長(zhǎng)勢(shì)好于2021 年同期，由于受到干旱及降水等氣候因素的影響，東疆大部分植被長(zhǎng)勢(shì)差于2021 年同期。全疆草原植被自8 月中旬陸續(xù)進(jìn)入枯黃期，持續(xù)到10 月下旬大部分地區(qū)枯黃結(jié)束，主要是受到氣溫影響，秋季北疆大部分地區(qū)平均氣溫略偏低，南疆盆地和東疆大部分地區(qū)略偏高，降水偏少，其中南疆盆地基本無(wú)降水。

本研究運(yùn)用遙感影像將2022 年與2021 年同期植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行比較分析，反演結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，但存在部分地區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感影像對(duì)比圖不一致現(xiàn)象，結(jié)合2022 年氣象數(shù)據(jù)顯示，部分地區(qū)干旱少雨，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示植被長(zhǎng)勢(shì)較差，但從遙感影像看，植被長(zhǎng)勢(shì)與上一年同期相比，仍呈現(xiàn)出較好的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種不一致的原因主要是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能通過(guò)部分點(diǎn)位計(jì)算得出，不能夠宏觀掌握和了解植被長(zhǎng)勢(shì)，而且樣地上植被高度和蓋度也可能受到放牧影響，同時(shí)也受到草原禁牧區(qū)和草畜平衡區(qū)的影響，所以判斷植被長(zhǎng)勢(shì)的好壞，不能僅從一個(gè)樣地來(lái)分析判斷，需要結(jié)合近幾年的數(shù)據(jù)綜合分析判斷。本文借助遙感手段，結(jié)合MODIS 數(shù)據(jù)，對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，基本上與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明運(yùn)用新興技術(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)是一種簡(jiǎn)易可行的方法。

通過(guò)年度草原調(diào)查監(jiān)測(cè)工作，能夠了解和掌握全疆草原植被動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，摸清草原底數(shù)和變化，也能夠反映草原生態(tài)保護(hù)和草原生態(tài)恢復(fù)效果。建議完善草原生態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制，提升草原監(jiān)測(cè)綜合力量，制定統(tǒng)一、規(guī)范、科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法和評(píng)價(jià)方法，提高監(jiān)測(cè)方法的適用性和科學(xué)性，不斷更新監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，加大無(wú)人機(jī)、高清遙感、數(shù)學(xué)模型等技術(shù)在監(jiān)測(cè)中的使用和研究，從單一到多元，逐步實(shí)現(xiàn)全方位、立體化的綜合監(jiān)測(cè)，為草原保護(hù)建設(shè)和管理工作提供技術(shù)支撐與基礎(chǔ)服務(wù)。

4 結(jié) 論

本研究將實(shí)地調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感影像相結(jié)合，對(duì)天然草原全年長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行預(yù)判和宏觀掌握，能夠有效估測(cè)和及時(shí)掌握天然草原植被返青期、生長(zhǎng)期和枯黃期長(zhǎng)勢(shì)狀況和生態(tài)狀況。2022 年草原植被返青期較2021 年提前5 d，夏季植被長(zhǎng)勢(shì)略好于2021 年，其中北疆、南疆大部分地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)好于2021 年同期，東疆大部分地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)差于2021 年同期。自8 月中旬陸續(xù)進(jìn)入枯黃期，持續(xù)到10 月下旬大部分地區(qū)枯黃結(jié)束。開(kāi)展年度性草原監(jiān)測(cè)工作，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地掌握植被長(zhǎng)勢(shì)的空間分布格局，建立健全植被生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和草原資源與生態(tài)評(píng)價(jià)體系，有助于科學(xué)管理草原，有效制定草原生態(tài)保護(hù)和修復(fù)政策，合理安排禁牧、休牧和輪牧區(qū)域，對(duì)建立草畜平衡調(diào)節(jié)機(jī)制具有關(guān)鍵性作用。