新疆地區草地植被物候時空變化

張仁平，郭靖，馮琦勝，梁天剛*

(1.綠洲生態教育部重點實驗室,新疆大學干旱生態環境研究所，新疆 烏魯木齊 830046； 2.蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室,蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020；3.新疆林業科學院，新疆 烏魯木齊 830000)

植被物候現象可以直觀地反映植被年際與季節環境條件，不僅能有效地表達植物生長發育的季節特征，而且能直觀表達植物群落和物種的生理學和形態學特征[1]。植被物候變化雖然是循序漸進的過程，但對環境的影響卻極為深遠，其會影響到植被凈初級生產力、全球的氣候和碳循環[2]。同時，草地牧草返青期和枯黃期的變化，會明顯影響當地草地畜牧業的發展[3]。

隨著全球變化研究的不斷深入，植被物候已成為氣候變化對陸地生態系統影響的研究熱點。遙感數據可以大范圍、長時間和空間連續地反映植被物候特征。近年來，越來越多的國內外學者選擇遙感數據作為估算陸地植物物候變化的手段[4-5]，并且已取得了豐碩的成果[6-9]。自20世紀80年代以來，北半球植物生長季開始日期呈提前趨勢，結束日期呈推遲趨勢[10-12]；在國內，利用遙感數據對植物物候分析結果也和北半球植物變化趨勢基本一致[13-14]。然而也有研究表明，北半球一些地區的植物生長季開始日期自20世紀90年代呈推遲趨勢[15]。

目前，基于遙感數據提取物候信息的主要方法有：閾值法、滑動平均法、最大斜率法、倒數法、經驗公式等方法[16-19]。這些數學模型和方法都有各自的優劣，如Reed等[11]基于AVHRR-NDVI的數據采用中值濾波法提取美國的植被物候信息，雖然大大地消除了云對物候信息的影響，但是損失了植被最大綠度的信息。Chen等[20]利用SG濾波法對中國區域的SPOT-VGT數據進行平滑處理，提取了高質量的物候信息數據。Zhang等[21]利用Logistic函數對美國東北地區的MODIS-EVI時間序列數據進行擬合，由于這種方法不必界定植物物候閾值，可以普遍適用于大范圍的物候監測，美國NASA根據這種算法形成物候產品(MCD12Q2)，已被廣泛用來研究全球地面的季節性物候學和年際變化[22-23]。

新疆地區具有獨特的自然地理環境，屬于典型的干旱和半干旱地區，生態系統極為脆弱，草地面積位居我國第三位，對氣候變化的影響極為敏感。過去幾十年，新疆地區正處于劇烈升溫階段，且明顯高于全球的增溫水平[24-25]。已有研究表明，新疆地區物候正發生顯著變化[26]，但對新疆草地物候變化的研究仍處于相對薄弱狀態。因此，準確掌握新疆地區草地植被物候信息，分析草地植被物候的變化趨勢對保護和合理利用當地草地資源具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于我國西北部，地理位置介于34°22′-49°33′ N，73°22′-96°21′ E，總面積為166×104km2，約占國土總面積的1/6(圖1)。新疆地處歐亞大陸腹地，四面高山環抱，北有阿爾泰山，南有昆侖山系，中有橫亙全境的天山，三山環抱中為廣袤的準噶爾和塔里木盆地，“三山夾兩盆”構成了新疆獨特的地理環境特征。新疆屬于典型的溫帶大陸干旱性氣候，光熱資源充足，年日照時數達2550～3500 h，年平均氣溫9～12 ℃，無霜期長達180～220 d，降水量稀少，北疆年降水為100～200 mm，南疆在100 mm以下。而蒸發量則相反，北疆為1500～2300 mm，南疆為2100～3400 mm。由于特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響，新疆生態環境極為脆弱，植物種類稀少，覆蓋度低，類型結構簡單。新疆草地總面積居我國第三位，約57.26萬km2，可利用草地面積約48萬km2，占新疆國土面積的34.4%，新疆草地面積是耕地面積的15倍，是森林面積的22倍，占全區綠色植被面積的86%。

1.2 物候數據來源

物候數據來源于美國NASA的MODIS土地覆蓋動態產品(MCD12Q2)，通過網站(https://wist.echo.nasa.gov/)獲得2001-2014年MCD12Q2產品，空間分辨率為500 m，每年6幅影像。MCD12Q2產品利用每年8 d增強性植被指數(enhanced vegetation index，EVI)生成，EVI通過地表反射率(nadir bidirectional reflectance distribution function-adjusted reflectance)數據計算，空間分辨率為500 m，由于EVI數據比歸一化植被指數數據(normalized difference vegetation index，NDVI)提供了更大的動態范圍，因此選擇EVI生成土地覆蓋動態產品。

圖1 研究區草地類型及地面返青觀測站點空間分布Fig.1 Location of grassland types and grassland ground spring phenology observation sites

MCD12Q2產品已被廣泛用來研究全球地面的季節性物候學和年際變化[22]，陸地覆蓋動態產品是基于Zhang等[21]的算法(Logistic函數擬合法)，該算法不需要預先定義閾值并進行數據平滑，在一定程度上減少了主觀因素的影響。根據MCD12Q2產品提供的周期，是基于MODIS時間序列數據的EVI曲率變化率過渡數據：返青為EVI增長的節點日期，特指季節開始的日期(start of the growing season，SOG)；枯黃為EVI最小的節點日期，特指季節結束的日期(end of the growing season，EOG)；生長季長度指季節結束日期與季節開始日期的差值(length of the growing season，LOG)。

利用MRT(MODIS ReProjection Tools)軟件對MCD12Q2產品數據進行格式轉換和投影轉換，把HDF格式轉換為Geotiff格式，投影轉換為WGS84。

1.3 精度驗證

在2012-2014年2-5月期間，每隔5～7 d對采樣點完成一次觀測，共獲取123個樣地，每個樣地大小為500 m×500 m，每個樣地里面設置5～8個樣方，當50%的樣地里草地返青時即認為該樣地返青[1]。采用皮爾森相關系數(R)，平均誤差(Bias)和均方根誤差(root mean square error，RMSE)對MCD12Q2物候產品進行精度驗證。

1.4 空間趨勢分析

Theil-Sen Median 趨勢分析和Mann-Kendall(MK)檢驗方法結合起來，已成為分析長時間序列數據趨勢變化的重要方法之一，并且已逐漸應用到植被長時間序列分析中[27-29]。其中，Theil-Sen Median趨勢分析可以減少數據異常值的影響，是一種可靠的非參數統計的趨勢計算方法[30-31]。

2 結果與分析

2.1 產品驗證

圖2 MCD12Q2物候產品反演與地面觀測的返青期對比與驗證Fig.2 The comparison and verification between phenology observed in the ground stations and phenology based on MCD12Q2 retrieval

圖2給出了3年(2012-2014年)123個MCD12 Q2識別的返青與地面物候觀測值的精度評價結果。可以看出，2012-2014年地面實測點返青期主要集中在每年的第68～122天，而MCD12Q2物候產品的返青期主要集中在第57～128天。遙感識別的返青期與地面觀測值的R=0.76，顯著性水平P<0.05，Bias=-2.84 d，RMSE值為16.44 d。基于MCD12Q2物候產品的返青期驗證結果表明，遙感識別比地面監測的物候期提前，MCD12Q2物候產品基本可以反映新疆草地的返青期。

2.2 物候多年平均值的空間分布特征

分析新疆草地植被各物候參數2001-2014年平均值的空間分布特征(圖3)，可以看出新疆草地各物候參數明顯呈區域性和垂向差異，由低山區到高山區，SOG逐漸推遲。SOG主要出現在第90～170天的區域占新疆草地的74.1%，SOG最早的區域主要位于準噶爾盆地、伊犁河谷和塔里木盆地，在一些海拔較高的區域，如阿爾泰山、天山以及昆侖山區域，SOG晚于第170天。在北疆地區的EOG較早，大部分區域草地的EOG早于第290天，南疆地區的EOG較遲，也表現出海拔上的差異，草地EOG出現在第250～300天的區域占新疆草地面積的89.9%。LOG明顯表現出海拔上的差異，在阿爾泰山和天山以及昆侖山草地的LOG較長，塔里木盆地周邊區域的LOG較短，草地LOG出現在100～200 d的區域占83.3%。分析草地物候標準差可知，北疆草地SOG、EOG和LOG的標準差較南疆草地的小，而山區草地較平原草地的小。

新疆草地物候與海拔關系密切(圖4)。SOG隨海拔的升高而推遲，EOG隨海拔的升高具有提前的趨勢，LOG與EOG的分布規律基本一致。海拔每升高1000 m，SOG推遲13 d，EOG提前7 d，LOG縮短20 d。從圖中可以看出，在海拔1500 m以下區域，SOG和LOG隨海拔變化的規律不明顯，波動比較大；在海拔3000 m以下區域，EOG隨海拔變化的規律不明顯，在海拔4500 m以上，EOG隨海拔變化的關系特別密切。此外，新疆不同草地類型的物候明顯不同(圖5)，新疆不同草地類型的SOG在第100～136天，EOG在第256～291天，LOG為122～190 d。其中：溫性荒漠類、溫性荒漠草原類、低地草甸類和溫性草原化荒漠類的SOG較早，在第100～103天；溫性草原類、溫性草甸草原類和山地草甸類的SOG次之，在第107～116天；高寒草原類、高寒草甸類和高寒荒漠類的SOG最晚，在第127～136天。高寒荒漠類的EOG最早(第256天)，低地草甸的EOG最遲(第291天)。高寒荒漠類和高寒草甸類的LOG較短，為122～129 d；而溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類和溫性荒漠草原類的為173～177 d，低地草甸類的LOG最長，為190 d。

圖3 2001-2014年新疆草地物候多年均值和標準差的空間分布Fig.3 Spatial pattern of mean and standard deviations of Xinjiang grassland phenology during 2001-2014

2.3 物候的年際變化特征分析

2.3.1物候區域尺度上的年際變化 為了從整體上把握新疆草地物候提前和延遲的動態變化趨勢，結合Theil-Sen趨勢分析和Mann-Kendall檢驗方法，借助于Matlab2012a軟件進行新疆草地物候逐像元分析并繪制研究區像元尺度上的Theil-Sen分布圖和Mann-Kendall中值檢驗圖(圖6)。結果表明，新疆草地SOG提前的面積比例(57.5%)大于推遲的(42.5%)，其中SOG顯著提前的區域占研究區總面積的4.6%，SOG提前但不顯著的區域占52.9%；SOG顯著推遲的區域占2.6%，推遲但不顯著的區域占39.9%。SOG提前的區域主要分布在阿爾泰山中山帶和伊犁河谷中山帶，SOG推遲的區域零星分布在準噶爾盆地邊緣地帶以及天山北坡的區域。EOG提前的面積比例(47.8%)略小于推遲的(52.2%)，其中顯著提前的區域占2.6%，提前但不顯著的區域占45.2%；EOG顯著推遲的區域占研究區總面積的2.9%，推遲但不顯著的區域占49.3%。草地枯黃期提前的區域零星分布在伊犁河谷中山帶以及準噶爾盆地。新疆草地生長季長度延長的面積比例(52.3%)略大于縮短的(47.7%)，其中LOG顯著延長的區域占研究區總面積的3.4%，延長但不顯著的區域占48.9%；顯著縮短的區域占3.1%，縮短但不顯著的區域占44.6%。

圖4 2001-2014年新疆草地物候年平均值與海拔的關系Fig.4 The relations between grassland phenology and altitude of the Xinjiang during 2001-2014

2.3.2物候年際變化在草地類型的分異特征 圖7反映了新疆主要草地類型的物候變化速率。新疆大部分草地類型返青期呈提前趨勢，平均提前速率為0.11 d·yr-1，其中溫性草甸草原類和山地草甸類的返青提前得最早，分別達0.56和0.53 d·yr-1，而溫性草原化荒漠類和溫性荒漠類的返青期呈推遲趨勢，分別達0.02和0.04 d·yr-1。絕大多數草地類型的枯黃期呈推遲趨勢，平均推遲速率為0.14 d·yr-1，低地草甸類的枯黃推遲趨勢最明顯，達0.70 d·yr-1，溫性草甸草原類枯黃期呈提前趨勢，達0.22 d·yr-1。所有草地類型的生長季長度呈延長趨勢，平均延長速率為0.25 d·yr-1，低地草甸類的生長季長度延長最長，達0.75 d·yr-1。

圖5 2001-2014年間新疆不同草地類型物候年平均值Fig.5 Phenological mean values of different grassland types in Xinjiang during 2001-2014 1：溫性草甸草原類Temperate meadow steppe；2：溫性草原類Temperate steppe；3：溫性荒漠草原類Temperate desert steppe；4:高寒草原類Alpine steppe；5:溫性草原化荒漠類Temperate steppe desert；6:溫性荒漠類Temperate desert；7:高寒荒漠類Alpine desert；8:低地草甸類Lowland meadow；9:山地草甸類Mountain meadow；10:高寒草甸類Alpine meadow；11:所有類型All.下同 The same below.

圖6 2001-2014年新疆地區草地植被物候變化特征Fig.6 Spatial distribution on inter-annual variation of phenology in the Xinjiang during 2001-2014

3 討論

北半球溫帶是全球氣候變化最顯著的區域之一，研究該區域的植被物候特征，對深入認識氣候變化對陸地生態系統的影響具有典型性。目前已有許多學者利用不同遙感數據對北半球的植物物候進行了研究。Zeng等[32]利用MODIS數據分析表明，北半球植被返青期在2000-2010年呈提前趨勢，枯黃期呈推遲趨勢。Kaufmann等[33]利用AVHRR數據分析了歐亞大陸40°-70°地區植被物候變化特征，得出返青期呈提前趨勢，枯黃期有推遲趨勢，本研究得出的植被返青期提前，枯黃期推遲的結論與此一致。就生長季變化的幅度而言，Delbart等[34]利用1982-2004年AVHRR和SPOT-VGT數據分析歐亞大陸北緯50°-72° N植被物候的變化，結果也顯示返青期提前。已有的研究結果得出SOG提前幅度在0.28～9.00 d·10 yr-1，EOG推遲幅度在0.6～14.0 d·10 yr-1[33-34]。本研究得出返青期提前0.11 d·yr-1，枯黃期推遲為0.14 d·yr-1，這跟前人的研究結果基本一致。不同的研究結果得出物候變化幅度不同，可能與研究區域、時間以及遙感數據不同有關。

IPCC第五次(2013年)評估報告指出，近30年全球氣溫持續增高[35]，而氣候變化會導致陸地植被改變[36]。近年來，新疆的氣溫在冬季呈降低趨勢，而在春季、夏季和秋季呈增加趨勢，冬季溫度的降低有利于植被的返青，由于植物的返青必須經過一定的低溫過程，在溫度最低的時期，溫度越低，越有利于植物的返青[37]。像大多數溫帶和寒冷地區的植物，新疆草地在冬季經歷一個休眠的過程，這可以避免霜凍對植物敏感生長組織的傷害。然而，春季的高溫會加速熱量的積累，這有助于草地返青的提前，植被的枯黃期與溫度關系也很大，夏季和秋季的高溫會推遲草地枯黃期的到來[38-40]。降水也對植物物候期產生一定程度的影響，但不同植被類型物候期對降水的響應明顯不同[37]。

圖7 2001-2014年間新疆草地生長季物候變化趨勢Fig.7 Trend of grassland phenology in Xinjiang during 2001-2014 years

到目前為止，植被物候的遙感分析主要采用AVHRR，MODIS和SPOT等遙感數據，由于每種數據波段寬度、空間分辨率、傳感器、最大值合成等不同，都會導致結果存在一定的差異，而且在大氣校正方面：AHVRR數據不僅考慮云污染及水汽的影響，同時考慮了火山氣溶膠散射的影響，而MODIS和SPOT數據在此基礎上還考慮了氣體的吸收，例如，MODIS數據還考慮了臭氧吸收，SPOT數據不僅考慮了臭氧吸收，還考慮了水蒸氣和其他氣體的吸收。Fontana等[41]利用AVHRR、SPOT和MODIS數據對高寒草地物候做了分析，表明SPOT和MODIS數據要優于AVHRR數據。Zhang等[21]對MODIS-EVI時間序列數據進行了季節性擬合，提取了植物物候變化趨勢，這在一定程度上降低了噪聲水平。

目前，由于遙感數據的分辨率較低，且受遙感數據本身的質量、數據預處理方法和物候識別方法影響，使得基于遙感數據獲取的植物物候期的可靠性評價尤為必要。目前，大部分研究采用地面觀測的物候數據對遙感識別的物候數據進行驗證。例如，Fisher等[42]利用地面物候觀測進行驗證，量化評價了兩種尺度下的植物物候遙感監測精度，發現植物物候遙感監測結果的均值可以反映精細尺度到粗尺度的統計轉換。Yu等[39]利用NOAA AVHRR NDVI數據研究1982-2006年青藏高原植被春季物候時，采用均方根誤差與平均絕對誤差(mean absolute error，MAE)評價了地面觀測數據與遙感監測結果之間的誤差。Chen等[1]利用AVHRR NDVI數據研究1982-1993年中國溫帶的植被生長季開始日期和結束日期時，采用中國科學院的地面數據進行了驗證。本研究通過2012-2014年的物候觀測數據對MCD12Q2產品進行了驗證，這可以讓更多的學者掌握MCD12Q2物候產品的相關信息。

4 結論

本研究基于2001-2014年的MCD12Q2時間序列影像，分析了新疆草地物候SOG、EOG和LOG關鍵物候參數的空間分布格局，同時，結合Theil-Sen Median 趨勢分析和Mann-Kendall檢驗方法，分析了該地區草地物候在近年來的時空變化狀況。

新疆草地物候多年均值由低海拔到高海拔呈明顯的區域性差異。隨著海拔的不斷升高，SOG逐漸推遲，EOG逐漸提前，LOG逐漸縮短，海拔每升高1000 m，SOG推遲13 d，EOG提前7 d，LOG縮短20 d。此外，不同草地類型的物候明顯不一致。新疆不同草地類型的平均SOG在第100～136天,平均EOG在第256～291天，其中高寒荒漠類的EOG最早(第256天)，平均LOG為122～190 d。

2001-2014年間，新疆草地SOG整體上呈提前趨勢，提前的面積比例(59.5%)大于推遲的(40.5%)，提前速率為0.11 d·yr-1。EOG呈推遲趨勢，推遲的面積比例(52.7%)略大于提前的(47.3%)，推遲速率為0.14 d·yr-1。LOG呈延長趨勢，延長的面積比例(52.9%)略大于縮短的(47.1%)，延長速率為0.25 d·yr-1。