基于MCD12Q2的秦嶺植被物候時(shí)空變化及對(duì)氣候的響應(yīng)

李登科，王釗

陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心，陜西 西安 710016

植被物候是植被群落受氣候變化和其他環(huán)境因素的影響而以年為周期重復(fù)出現(xiàn)的生物學(xué)現(xiàn)象（孔冬冬等，2017），它可以直接反映環(huán)境條件的年際和季節(jié)變化，既可以有效地表達(dá)植物生長(zhǎng)發(fā)育的季節(jié)特征，又能直觀地表達(dá)植物群落、物種的生理和形態(tài)特征（Chen et al.，2005；Morisette et al.，2009）。全球氣候變化引起的植被物候變化直接影響著陸地碳、養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)平衡和生物多樣性格局，并向氣候系統(tǒng)反饋（Wang et al.，2017）。

傳統(tǒng)的物候觀測(cè)方法采用野外目視觀測(cè)法（崔耀平等，2018；王力等，2018），是針對(duì)某一個(gè)或多個(gè)物種進(jìn)行的單株、定點(diǎn)觀測(cè)，雖然具有客觀和準(zhǔn)確的特點(diǎn)但難以進(jìn)行大尺度的物候時(shí)空分析（陳效逑等，2009）。遙感植被物候基于衛(wèi)星遙感植被指數(shù)時(shí)間序列的變化曲線計(jì)算而得到的區(qū)域植被物候，主要是生長(zhǎng)季始期和末期（左璐等，2018；周玉科，2019）。NOAA NDVI、SPOT VEGETATION 和MODIS NDVI等植被遙感產(chǎn)品的發(fā)布，提供了多時(shí)相、覆蓋范圍廣、空間連續(xù)、時(shí)間序列長(zhǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在不同的時(shí)間和空間尺度上能夠定量反映植物的季節(jié)生長(zhǎng)和發(fā)育及其年際間的年際變化特征，為地面定點(diǎn)觀測(cè)提供補(bǔ)充和支持，使物候觀測(cè)對(duì)象從植株個(gè)體提升到植被生態(tài)系統(tǒng)層面，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到面的空間轉(zhuǎn)換（White et al.，1997；Jan et al.，2010；李曉東等，2017）。

越來(lái)越多的學(xué)者基于不同遙感數(shù)據(jù)源深入研究植被物候變化。研究結(jié)果表明，北半球荒漠草原過(guò)渡帶在 1998年之前植被物候期變化地區(qū)間差異較大，而在1998—2012年之后生長(zhǎng)季開始期推后、生長(zhǎng)季結(jié)束期提前，植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度明顯縮短（候靜等，2017）。1982—1999年中國(guó)溫帶植被春季物候提前，秋季物候推遲，生長(zhǎng)季延長(zhǎng)（Piao et al.，2006）。1982—2015年青藏高原高寒草地植被物候返青期和枯黃期的年際變化整體上呈提前的趨勢(shì)，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（馬曉芳等，2016；黃文潔等，2019）。1982—2006年?yáng)|北地區(qū)植被春季物候都表現(xiàn)出先提前后推遲的現(xiàn)象，秋季物候的變化則比較復(fù)雜，植被春季植被物候主要受溫度影響，秋季物候主要受降水控制（俎佳星等，2016）；但在2001—2010年，東北地區(qū)森林植被的生長(zhǎng)季始期和末期均沒有明顯變化（侯學(xué)會(huì)等，2014）。1999—2010年，西北植被物候東部始期提前，末期推遲，生長(zhǎng)季變長(zhǎng)；西部物候變化特征則與東部相反（楊光等，2015）。黃土高原1982—2011年間春季物候顯著提前、秋季物候顯著推遲，植被物候主要受氣溫影響，降雨的變化也會(huì)對(duì)物候產(chǎn)生一定影響（謝寶妮等，2015；趙珍等，2015；仝莉棉等，2016）。內(nèi)蒙古地區(qū) 1982—2013年物候變化主要特征是生長(zhǎng)季開始呈提前趨勢(shì)，結(jié)束呈延后趨勢(shì)，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈延長(zhǎng)趨勢(shì)（包剛等，2017；黃文琳等，2019；郭劍等，2017；王靜璞等，2015；范德芹等，2016a）。由以上研究可以看出，植被物候變化區(qū)域性差異較大，同一地區(qū)不同時(shí)段變化趨勢(shì)不同，主導(dǎo)變化的氣候因子也各不相同。因此精確研究區(qū)域尺度物候變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)對(duì)于理解陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部碳循環(huán)和氣候-生物圈的相互作用有著深遠(yuǎn)意義。

秦嶺山脈位于中緯度地區(qū)，是中國(guó)南北自然環(huán)境的分界線，也是中國(guó)濕潤(rùn)與半濕潤(rùn)氣候、暖溫帶和亞熱帶的生態(tài)過(guò)渡帶。秦嶺作為中國(guó)具有獨(dú)特意義的地域單元，生態(tài)敏感而脆弱。對(duì)秦嶺地區(qū)的物候變化已有一些研究，鄧晨暉等（2017）分析了1964—2015年17種包含喬木、灌木及藤本樹種的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，52 a來(lái)秦嶺地區(qū)物候始期普遍呈提前趨勢(shì)，物候末期普遍呈推遲趨勢(shì)，物候生長(zhǎng)期普遍延長(zhǎng)。夏浩銘等（2015）、馬新萍等（2015）的研究時(shí)段都是2001—2010年，郭少壯等（2019）的研究時(shí)段是2000—2015年，但只提取了秦嶺太白紅杉林的物候參數(shù)，這些研究或時(shí)段較早或只涉及特定植被。本文基于2001—2016年500 m分辨率的MCD12Q2數(shù)據(jù)，提取秦嶺地區(qū)植被物候期，包括生長(zhǎng)季始期（Greenup）、生長(zhǎng)季末期（Dormancy）和生長(zhǎng)期長(zhǎng)度（生長(zhǎng)始期與生長(zhǎng)末期的間隔天數(shù)），結(jié)合地面氣溫、降水資料，分析秦嶺地區(qū)植被物候變化情況與主要?dú)夂蛞蜃拥年P(guān)系，揭示氣候變化對(duì)該區(qū)域植被變化的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以陜西省境內(nèi)的秦嶺腹地區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象（圖1），大致位于105°30′—110°05′E，32°40′—34°35′N之間，西起嘉陵江，東與伏牛山相接。秦嶺主峰太白山海拔3767 m。整個(gè)山體西高東低，北仰南傾，兩坡不對(duì)稱，北坡陡峻，南坡較緩。受大陸性氣候和季風(fēng)性氣候的雙重影響，北方的寒流可直達(dá)北坡，而東南暖濕氣流沿河谷易入南坡，使秦嶺山脈南北坡在水熱條件上形成明顯的差異。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)29個(gè)氣象站資料計(jì)算，2001—2016年年平均氣溫為10.7—11.9 ℃，年降水量為606.8—1046.8 mm，年平均氣溫和降水量均具有不顯著的升高和增加趨勢(shì)（P＜0.05）。秦嶺自下而上分布著常綠闊葉林（僅分布在南坡）、山地落葉闊葉林、山地針闊混交林、山地針葉林以及亞高山、高山草甸等山地植被。秦嶺山脈南臨漢水，北臨渭河，成為中國(guó)長(zhǎng)江與黃河兩大水系的分水嶺。同時(shí)也是重要的水源涵養(yǎng)地，發(fā)育著眾多的河流。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Sketch map of the research area

物候數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)NASA的MODIS地覆蓋動(dòng)態(tài)產(chǎn)品MCD12Q2（Collection 6），時(shí)段為2001—2016年，空間分辨率為 500 m。下載地址為：https://lpdaac.usgs.gov/。MCD12Q2以 MODIS EVI為數(shù)據(jù)源，先對(duì)EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消減云、氣溶膠、雪和觀測(cè)角度等影響，然后用滑動(dòng)窗口（連續(xù)5個(gè)時(shí)相EVI值）來(lái)判斷持續(xù)升高和降低區(qū)間，當(dāng)所在區(qū)間的極大值和振幅滿足給定閾值條件后，判斷該升高和降低區(qū)間為一個(gè)生長(zhǎng)周期過(guò)程。對(duì)于每一個(gè)生長(zhǎng)周期，采用分段Logistic函數(shù)擬合，并利用其曲率值變化的極值點(diǎn)，確定生長(zhǎng)始期、EVI持續(xù)增加的中點(diǎn)、成熟期、峰值、末期、EVI持續(xù)降低中點(diǎn)和生長(zhǎng)末期。一年當(dāng)中最多記錄兩個(gè)生長(zhǎng)周期（Josh et al.，2019）。在分析時(shí)提取了2001—2016年逐年生長(zhǎng)始期和末期數(shù)據(jù)集，進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換、裁剪，并計(jì)算了生長(zhǎng)期長(zhǎng)度。

MCD12Q2產(chǎn)品已在全球范圍用來(lái)研究植被物候變化，說(shuō)明該產(chǎn)品具有一定的適用性。Gangly et al.（2010）通過(guò)與北美地區(qū)兩個(gè)森林站點(diǎn)的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明MCD12Q2物候產(chǎn)品能監(jiān)測(cè)植被的展葉和落葉過(guò)程。Peng et al.（2017）利用美國(guó)國(guó)家物候網(wǎng)絡(luò)和Ameriflux觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)春季物候產(chǎn)品進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，認(rèn)為利用 MCD12Q2適合提取2001年以來(lái)的近期植被物候時(shí)空變化特征。王聰?shù)龋?017）利用黑河流域地面物候觀測(cè)資料對(duì)遙感物候產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明MCD12Q2物候產(chǎn)品數(shù)據(jù)與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性很高（R2均高于 0.88，P＜0.001）。張仁平等（2018）研究證明 MCD12Q2物候產(chǎn)品基本可以反映新疆草地的生長(zhǎng)始期?，?shù)啬醽喬岬龋?018）利用MCD12Q2（Collection 5）分析了新疆博斯騰湖流域植被物候時(shí)空變化。

數(shù)字高程數(shù)據(jù)采用 ASTER GDEM。ASTER GDEM是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）聯(lián)合研制并免費(fèi)面向公眾分發(fā)該數(shù)據(jù)產(chǎn)品，基于“先進(jìn)星載熱發(fā)射和反輻射計(jì)（ASTER）”數(shù)據(jù)計(jì)算生成，是目前唯一覆蓋全球陸地表面的高分辨率高程影像數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m），2015年1月6日正式發(fā)布V2產(chǎn)品。本文數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn）。經(jīng)對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)了投影轉(zhuǎn)換、重采樣等處理，最后形成空間分辨率500 m的高程數(shù)據(jù)。

氣象資料來(lái)源于陜西省氣象信息中心。氣溫、降水資料柵格化分別采用“回歸+殘差I(lǐng)DW（Inverse Distance Weighting）”、OK（Ordinary Kriging）法（石志華等，2015），在地理信息系統(tǒng)ARCGIS、統(tǒng)計(jì)分析軟件DPS的支持下分別對(duì)陜西省2001—2016年逐年月平均氣溫和降水進(jìn)行了柵格化處理，生成500 m×500 m的柵格數(shù)據(jù)，與陜西省界疊加裁剪得到陜西省月平均氣溫和降水量分布圖。

2.2 研究方法

本文的變化趨勢(shì)分析和相關(guān)分析是在 ERDAS IMAGINE遙感圖像處理系統(tǒng)的支持下，進(jìn)行空間建模運(yùn)算得到結(jié)果，然后在ARCGIS地理信息系統(tǒng)中進(jìn)行圖像制作。

2.2.1 變化趨勢(shì)分析

為定量化描述植被物候期的變化趨勢(shì)，采用一元線性回歸分析法逐像元計(jì)算 2001—2016年生長(zhǎng)始期、末期、生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的趨勢(shì)斜率S，公式為：

式中，i為年序號(hào)，n=16，PP為物候期參數(shù)。S代表 16年來(lái)植被物候參數(shù)的變化趨勢(shì)和強(qiáng)度，S＞0代表該像元16年間物候期推遲（生長(zhǎng)期長(zhǎng)度延長(zhǎng)），反之則表示提前（生長(zhǎng)期長(zhǎng)度縮短）。顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)采用相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行，以P＜0.05和 P＜0.01為顯著相關(guān)和極顯著相關(guān)的判別標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果將變化趨勢(shì)分為6個(gè)等級(jí)：物候期極顯著推遲或生長(zhǎng)期長(zhǎng)度極顯著延長(zhǎng)（P＜0.01，S＞0），物候期顯著推遲或生長(zhǎng)期長(zhǎng)度顯著延長(zhǎng)（0.01＜P＜0.05，S＞0），物候期不顯著推遲或生長(zhǎng)期長(zhǎng)度不顯著延長(zhǎng)（P＞0.05）；物候期極顯著提前或生長(zhǎng)期長(zhǎng)度極顯著縮短（P＜0.01，S＜0）），物候期顯著提前或生長(zhǎng)期長(zhǎng)度顯著縮短（0.01＜P＜0.05，S＜0），物候期不顯著提前或生長(zhǎng)期長(zhǎng)度不顯著縮短（P＞0.05，S＜0）。

2.2.2 相關(guān)分析

基于象元的植被物候參數(shù)與影響因子的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

式中，PPi為第i年的物候參數(shù)；TPi為第i年的氣候因子；分別為變量物候參數(shù)、氣候因子的均值；r為物候參數(shù)與影響因子的相關(guān)系數(shù)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)表可知，當(dāng)n=16時(shí)，r為極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)的值域分別為[0.6055, 1]和[0.4821,0.6055)，r為相關(guān)不顯著的值域在（-0.4821,0.4821）之間，r為顯著負(fù)相關(guān)、極顯著負(fù)相關(guān)的值域分別為(-0.6055, -0.4821]和[-1, -0.6055]。

3 結(jié)果與分析

3.1 多年平均物候空間分布

圖2 2001—2016年秦嶺平均植被生長(zhǎng)始期空間分布Fig. 2 Spatial distribution of average greenup in 2001-2016

從 2001—2016年植被物候始期空間分布（圖2）可以看出，秦嶺地區(qū)植被物候始期表現(xiàn)出由南向北逐漸延遲的緯向分布特征。在漢江兩岸低海拔淺山丘陵區(qū)物候始期比較早，早于第80天（3月下旬以后）。城固縣、石泉縣、漢陰縣、安康市北部，勉縣、洋縣中部，留壩縣、丹鳳縣南部，略陽(yáng)縣、旬陽(yáng)縣、商南縣物候始期在第80—90天之間（3月下旬）。勉縣、洋縣北部，鳳縣、佛坪縣、寧陜縣、柞水縣、商州區(qū)、洛南縣大部物候始期出現(xiàn)在第90—110天之間（4月上、中旬）。秦嶺脊線附近高海拔區(qū)域的物候始期較晚，晚于第110天（4月中旬以后）。生長(zhǎng)季始期均值主要集中分布在第80—110天（3月下旬至4月中旬），占研究區(qū)總面積的81.9%；始期均值小于80 d和大于110 d的區(qū)域面積分別占研究區(qū)總面積的10.9%和6.5%。

秦嶺地區(qū)物候始期與末期分布情況大體相反，即呈現(xiàn)出始期越早的地區(qū)末期越推遲；但漢中盆地和安康月河川道與之相反，呈現(xiàn)出始期早、末期也早，這是由于這兩個(gè)區(qū)域主要土地利用是農(nóng)田，越冬未停止生長(zhǎng)，但農(nóng)作物成熟期早于周圍森林、草地枯黃期。生長(zhǎng)季末期均值主要集中分布在第300—320天（10月下旬至11月中旬），占研究區(qū)總面積的70.1%；末期均值小于300 d（早于10月下旬）和大于320 d（晚于11月中旬）的區(qū)域面積分別占研究區(qū)總面積的12.3%和16.9%（圖3）。

秦嶺地區(qū)植被生長(zhǎng)期長(zhǎng)度也呈現(xiàn)由南向北逐漸縮短的緯向分布規(guī)律。漢江谷地大于240 d，秦嶺脊線附近小于200 d，其他區(qū)域介于200—240 d之間（圖 4）。占研究區(qū) 72.1%的區(qū)域生長(zhǎng)期長(zhǎng)度在200—240 d之間，生長(zhǎng)期長(zhǎng)度＜200 d和＞240 d的區(qū)域分別占15.6%和12.3%。

3.2 物候年際變化

3.2.1 物候年際變化的總特征

圖5所示為計(jì)算得到的2001—2016年秦嶺地區(qū)植被物候年際變化特征?？梢钥闯觯L(zhǎng)始期具有提前趨勢(shì)，但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P＞0.05），平均提早0.61 d·(10 a)-1；16年平均始期為第93天（4月3日），變化范圍為第88—100天（3月28日—4月10日）。圖6反映了生長(zhǎng)末期年際變化趨勢(shì)，表明生長(zhǎng)末期具有顯著的推遲趨勢(shì)（P＜0.05），平均推遲3.1 d·(10 a)-1；16年平均末期為第 311天（4月 3日），變化范圍為第305—315天（11月1—11日）。研究期內(nèi)生長(zhǎng)期長(zhǎng)度年際變化具有延長(zhǎng)趨勢(shì)，平均延長(zhǎng)3.7 d·(10 a)-1；16年平均生長(zhǎng)期長(zhǎng)度為217 d，波動(dòng)范圍為207—223 d（圖7）。

圖3 2001—2016年秦嶺平均植被生長(zhǎng)末期空間分布Fig. 3 Spatial distribution of average dormancy in 2001-2016

圖4 2001—2016年秦嶺平均植被生長(zhǎng)期長(zhǎng)度空間分布Fig. 4 Spatial distribution of average growth length in 2001-2016

圖5 生長(zhǎng)始期年際變化Fig. 5 Interannual variation of greenup

圖6 生長(zhǎng)末期年際變化Fig. 6 Interannual variation of dormancy

3.2.2 物候年際變化趨勢(shì)空間分布

秦嶺地區(qū)大部生長(zhǎng)始期變化不顯著，顯著提早的區(qū)域主要分布在海拔較高的秦嶺西北部的鳳縣、留壩縣和太白縣，顯著推遲的區(qū)域主要分布在海拔較低洛南縣洛河流域和商州區(qū)丹江流域，漢江流域也有分布（圖8）。占研究區(qū)面積62.3%的區(qū)域生長(zhǎng)始期具有提早趨勢(shì)，具有延遲趨勢(shì)的區(qū)域占37.0%；顯著提早、推遲（P＜0.05）的植被面積分別占4.1%和4.4%。

圖7 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度年際變化Fig. 7 Interannual variation of growth length

秦嶺地區(qū)生長(zhǎng)末期變化趨勢(shì)與始期明顯不同，提早的區(qū)域減少至 21.3%，推遲的區(qū)域增加至78.0%。顯著推遲的區(qū)域占27.1%，主要分布在秦嶺北部海拔較高的區(qū)域；顯著提早的區(qū)域占比仍較少，僅為1.3%，顯著提前的區(qū)域主要分布在農(nóng)業(yè)用地較多的漢中盆地（圖9）。

秦嶺地區(qū)大部生長(zhǎng)期長(zhǎng)度變化具有延長(zhǎng)趨勢(shì)，占研究區(qū)面積的 84.1%，具有縮短趨勢(shì)的區(qū)域占15.7%。顯著增加的區(qū)域占21.2%，顯著縮短的區(qū)域僅占1.4%；顯著增加的區(qū)域主要分布在海拔較高的區(qū)域，顯著縮短的區(qū)域主要分布江河谷地（圖10）。

3.2.3 物候年際變化速率分布

秦嶺地區(qū)大多數(shù)區(qū)域生長(zhǎng)始期變化速率在-5—5 d·(10 a)-1之間，占全區(qū)82.3%。其中，變化速率在-5—0 d·(10 a)-1之間的區(qū)域占48.3%，主要分布在秦嶺地區(qū)北部；0—5 d·(10 a)-1之間的區(qū)域占34.0%，主要分布在秦嶺地區(qū)南部和東部。生長(zhǎng)始期變化速率＜-5 d·(10 a)-1的區(qū)域占9.6%，主要分布在秦嶺西北的鳳縣、太白縣和留壩縣；變化速率＞5 d·(10 a)-1的區(qū)域占7.3%，主要分布在漢江、丹江和洛河流域（圖11）。

圖8 生長(zhǎng)始期年際變化趨勢(shì)Fig. 8 Change trend of Greenup

圖9 生長(zhǎng)末期年際變化趨勢(shì)Fig. 9 Change trend of dormancy

圖10 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度年際變化趨勢(shì)Fig. 10 Change trend of growth length

占秦嶺地區(qū)面積90.8%的區(qū)域生長(zhǎng)末期變化速率分布在-5—10 d·(10 a)-1之間。其中，變化速率在-5—0 d·(10 a)-1的區(qū)域占14.9%，分散在整個(gè)研究區(qū)域；0—10 d·(10 a)-1的區(qū)域75.9%，分布廣泛。生長(zhǎng)末期變化速率＜-5 d·(10 a)-1占3.8%，主要分布在漢江流域勉縣至西鄉(xiāng)段；變化速率＞10 d·(10 a)-1的區(qū)域占4.7%，主要分布在秦嶺東部的漢濱區(qū)、旬陽(yáng)縣、洛南縣和商州區(qū)（圖12）。

圖11 生長(zhǎng)始期變化速率（rg）Fig. 11 Change rate (rg) of greenup

圖12 生長(zhǎng)末期變化速率（rd）Fig. 12 Change rate (rd) of dormancy

秦嶺地區(qū)生長(zhǎng)期長(zhǎng)度變化速率主要分布在-5—10 d·(10 a)-1區(qū)間，該區(qū)間占研究區(qū)面積的81.2%。其中，變化速率在-5—0 d·(10 a)-1的區(qū)域占14.6%，主要分布在秦嶺地區(qū)南部和東部；0—10 d·(10 a)-1占66.6%，主要分布在秦嶺地區(qū)中北部。生長(zhǎng)期長(zhǎng)度變化速率＜-5 d·(10 a)-1占7.6%，主要分布在漢江流域勉縣至洋縣段、洛河和丹江流域谷地；變化速率＞10 d·(10 a)-1的區(qū)域占11.2%，主要分布在秦嶺北部中高海拔區(qū)域（圖13）。

3.3 植被物候與海拔高度的關(guān)系

圖13 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度變化速率（rgl）Fig. 13 Change rate (rgl) of growth length

圖14 生長(zhǎng)始期與海拔高度的關(guān)系Fig. 14 Relationship between greenup and altitude

由不同海拔高度的生長(zhǎng)始期的平均值變化圖（圖 14）可以看出，生長(zhǎng)始期隨著海拔高度升高而線性推遲。海拔高度在700 m上下時(shí)生長(zhǎng)始期在第80天前后，海拔高度到達(dá)2500 m時(shí)生長(zhǎng)始期推遲到第110天左右，海拔每升高1000 m生長(zhǎng)始期推遲18 d。

生長(zhǎng)末期隨海拔高度的變化有所不同，在700 m以下時(shí)隨海拔高度的升高生長(zhǎng)末期迅速推遲，海拔高度超過(guò)700 m以后隨海拔高度的升高生長(zhǎng)末期呈現(xiàn)線性提早（圖15），海拔每升高1000 m生長(zhǎng)末期提前11 d左右。這種變化趨勢(shì)的原因是，農(nóng)作物大都種植在海拔700 m以下，其成熟期隨海拔高度上升逐漸推遲，而在700 m以上植被類型主要為森林和草地，它們的生長(zhǎng)末期隨海拔高度的升高逐漸提前。

圖15 生長(zhǎng)末期與海拔高度的關(guān)系Fig. 15 Relationship between dormancy and altitude

不同海拔梯度，植被物候末期的變化趨勢(shì)不同。海拔高度＜700 m的區(qū)域，生育期長(zhǎng)度為230 d左右；海拔高度在700—2300 m，生育期長(zhǎng)度隨著海拔高度上升迅速縮短，由280 d縮短至180 d；海拔高度＞2300 m的區(qū)域，生育期長(zhǎng)度為180 d左右。海拔每升高1000 m生長(zhǎng)期長(zhǎng)度縮短28 d左右（圖16）。

3.4 物候與氣候的關(guān)系

圖16 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與海拔高度的關(guān)系Fig. 16 Relationship between growth length and altitude

氣候因素尤其是氣溫和降水量是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的重要因素。為了找到影響植被物候期的關(guān)鍵時(shí)段和因子，對(duì)秦嶺地區(qū) 16年平均生長(zhǎng)始期、末期和各月氣溫、降水量進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，生長(zhǎng)始期與3月氣溫之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），生長(zhǎng)末期與9月氣溫之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。說(shuō)明研究區(qū)影響生長(zhǎng)始期的主要時(shí)段和因子是3月氣溫，3月氣溫每增加1 ℃生長(zhǎng)始期提前2.1 d（圖17）；影響生長(zhǎng)末期的主要時(shí)段和因子是9月氣溫，9月氣溫每增加1 ℃生長(zhǎng)始期推遲1.5 d（圖18）。

圖17 生長(zhǎng)始期與3月溫度的關(guān)系Fig. 17 Relationship between greenup and temperature in March

圖18 生長(zhǎng)末期與9月溫度的關(guān)系Fig. 18 Relationship between dormancy and temperature in September

逐像元計(jì)算生長(zhǎng)始期與3月溫度的相關(guān)系數(shù)，由圖19可知，占研究區(qū)95.6%的區(qū)域呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，3.5%的區(qū)域呈現(xiàn)不顯著正相關(guān)，顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域僅占0.1%。說(shuō)明秦嶺地區(qū)大部分區(qū)域呈現(xiàn)隨3月氣溫升高生長(zhǎng)始期具不顯著的提早趨勢(shì)。

生長(zhǎng)末期與9月溫度的相關(guān)系數(shù)顯著性分布與之相反，無(wú)顯著正相關(guān)的區(qū)域占多數(shù)（75.9%），無(wú)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占比較少（23.3%），主要分布在江河谷地（圖 20）。說(shuō)明秦嶺地區(qū)大部分區(qū)域生長(zhǎng)末期呈現(xiàn)隨9月氣溫升高具不顯著推遲的趨勢(shì)。

4 討論

夏浩銘等（2015）利用8 d合成的MOD09A1 EVI提取 2001—2010年秦嶺地區(qū)森林物候，得到樹木的生長(zhǎng)始期、末期分別出現(xiàn)在第81—120天、第270—311天之間，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度集中在150—230 d，生長(zhǎng)始期、末期較本研究早，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度較本研究短，這是因?yàn)樯炙幍暮０胃叨容^高所致。馬新萍等（2015）采用10 d合成的MODIS NDVI提取2001—2010年秦嶺地區(qū)植被物候參數(shù)，郭少壯等（2019）利用2000—2015年10 d合成的MODIS EVI提取秦嶺太白紅杉林物候參數(shù)，研究時(shí)段或研究對(duì)象有所不同，結(jié)果數(shù)值有所差異，但變化趨勢(shì)與本研究相同。鄧晨暉等（2017）分析了1964—2015年17種包含喬木、灌木及藤本樹種的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，52年來(lái)秦嶺地區(qū)物候始期普遍呈提前趨勢(shì)，提前速率 1.2 d·(10 a)-1，物候末期普遍呈推遲趨勢(shì)，推遲速率 3.5 d·(10 a)-1，物候生長(zhǎng)期普遍延長(zhǎng)。該研究結(jié)論與本文得出的植被物候變化趨勢(shì)和變化值基本相同，也就是說(shuō)觀測(cè)數(shù)據(jù)證明MCD12Q2物候產(chǎn)品在秦嶺地區(qū)的適用性，而且遙感物候產(chǎn)品在描述物候變化的地理分布上更具有優(yōu)勢(shì)。

目前的MCD12Q2物候產(chǎn)品與其他遙感物候監(jiān)測(cè)方法類似，也面臨著數(shù)據(jù)分辨率不高、噪聲干擾因素較多、物候期識(shí)別方法普適性較低、物候研究結(jié)果驗(yàn)證不充分等諸多問(wèn)題（范德芹等，2016b；張曉萱等，2019），盡管存在一些限制，MCD12Q2仍然可以提供關(guān)于植被物候的有價(jià)值和空間連續(xù)的信息。未來(lái)需要從遙感數(shù)據(jù)源的質(zhì)量提升及數(shù)據(jù)來(lái)源拓展、數(shù)據(jù)處理及分析、物候識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證及物候預(yù)測(cè)等幾個(gè)方面開展深入研究。

圖19 生長(zhǎng)始期與3月溫度的相關(guān)系數(shù)空間分布Fig. 19 Spatial distribution of correlation coefficient between greenup and temperature in March

圖20 生長(zhǎng)末期與9月溫度的相關(guān)系數(shù)空間分布Fig. 20 Spatial distribution of correlation coefficient between dormancy and temperature in September

植被生長(zhǎng)始期提前、末期推遲、生長(zhǎng)期延長(zhǎng)普遍出現(xiàn)在海拔較高區(qū)域，反之則主要出現(xiàn)在海拔較低區(qū)域，這與氣候變暖具有一定關(guān)系。海拔較高區(qū)域的植被是自然植被草地和森林，主要受氣溫升高的影響，會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)始期提前、末期推遲、生長(zhǎng)期延長(zhǎng)的現(xiàn)象，而海拔較低區(qū)域的植被主要是農(nóng)作物，氣候變暖會(huì)使播期推遲、成熟期提前和生育期縮短。

5 結(jié)論

本文基于 2001—2016年連續(xù) 16年的MCD12Q2數(shù)據(jù)和氣候資料、利用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)秦嶺地區(qū)植被物候變化規(guī)律及對(duì)氣候的響應(yīng)進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）秦嶺地區(qū)植被物候始期、末期、生長(zhǎng)期長(zhǎng)度大體呈現(xiàn)由南到北的緯向分異規(guī)律。生長(zhǎng)季始期主要分布在第 80—110天（3月下旬至4月中旬），生長(zhǎng)季末期均值集中分布在第 300—320天（10月下旬至11月中旬），生長(zhǎng)期長(zhǎng)度絕大部分在200—240 d之間。

（2）16 a間秦嶺地區(qū)植被物候年際變化的總體特征呈現(xiàn)生長(zhǎng)始期具有提前趨勢(shì)（P＞0.05），平均提早 0.61 d·(10 a)-1；生長(zhǎng)末期具有顯著的推遲趨勢(shì)（P＜0.05），平均推遲3.1 d·(10 a)-1；生長(zhǎng)期長(zhǎng)度年際變化具有延長(zhǎng)趨勢(shì)（P＞0.05），平均延長(zhǎng) 3.7 d·(10 a)-1。

（3）秦嶺地區(qū)植被物候期與海拔關(guān)系密切。生長(zhǎng)始期隨海拔高度呈現(xiàn)上升線性提前，海拔每升高1000 m，生長(zhǎng)始期推遲18 d左右。

（4）秦嶺地區(qū)植被生長(zhǎng)始期與3月氣溫之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），3月氣溫每增加1 ℃生長(zhǎng)始期提前2.1 d；生長(zhǎng)末期與9月氣溫之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），9月氣溫每增加1 ℃生長(zhǎng)始期推遲1.5 d。