季節性氣候對不同草地植被物候變化的影響

覃嘉佳，張繼紅，張勇，王維東

(1.江西生物科技職業學院，南昌 330200；2.江西省林業科學院，南昌 330013；3.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；4.黃河水利委員會上游水文水資源局，蘭州 730030)

0 引言

植被物候是植被長期適應氣候和自然環境等而發生的周期性變化[1]，在反映植被與非生物環境之間的相互影響、陸地生態系統短期內的變化動態方面具有重要意義[2-3]。近年來，因極端氣候事件頻繁發生和發生的強度增大，使植被物候事件發生了一系列變化[4-7]，這勢必影響整個生態系統的平衡[8-10]。因此，在氣候變化速度快的時代，如何在大尺度上精確監測植被物候進而調整植物生長的年周期以適應氣候變化對個體生存至關重要。

目前，已有大量研究證明全球變暖促進了植被春季物候，發現1982—2011年美國、中國和歐洲植被生長季始期(start of growing season，SOS)每10年分別提前0.9 d、4.2 d和4.7 d[11-12]。然而，氣候持續變暖并沒有導致植物物候持續或穩定的發展。在對植被物候研究中，董曉宇等[13]發現2000—2017年內蒙古荒漠草原SOS呈顯著提前趨勢、生長季末期(end of growing season，EOS)為提前趨勢、生長季長度(length of growing season，LOS)為顯著延長趨勢；但黃文琳等[14]研究1982—2013年內蒙古植被物候發現，SOS呈提前、EOS推遲、LOS延長的變化趨勢；苗百嶺等[15]對內蒙古草地物候研究發現典型草原SOS平均提前了4.01 d、EOS推遲了10.35 d、LOS延長了14.36 d。不同學者對內蒙古植被物候研究存在差異，有研究指出是由于內蒙古地區經度跨度大、地形復雜、氣候變化和植被類型多樣、不同地區干旱程度差異等造成[16-18]。其中，李夏子等[19]研究發現在年均氣溫升高明顯、氣候逐漸暖干化的背景下，錫林高勒大部分牧草SOS顯著提前、EOS不顯著提前，但在烏審召堿茅的SOS明顯推遲、EOS顯著或極顯著延后，究其原因主要是因為錫林高勒地區牧草枯黃前1—2月氣溫顯著升高而降水減少所致。在物候與氣候變化響應研究中發現，氣溫是影響物候變化最主要的因素，在一定溫度范圍內，溫度升高可以促進植物生長發育進程，但不同草地植被類型對氣溫和降水響應機制不完全相同[20-22]。目前研究集中在內蒙古植被物候動態方面，但關于物候變化及成因仍存在較大爭議，仍需時刻關注草地物候變化。

因此，本文基于2001—2020年的NDVI數據輔以動態閾值法提取了內蒙古草地SOS、EOS和LOS，并對物候時空動態、持續趨勢及對氣候和海拔梯度的響應進行研究，以期為評價氣候變化背景下草地植被動態和對氣候變化響應提供科學依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區

內蒙古地處中國北部邊疆(33°24′ N～53°23′ N，97°12′ E～126°4′ E)，總面積達1.18×106km2，地形由東北向西南斜伸，呈狹長狀。境內多數為高原型地貌區，海拔在1 000 m以上。區域所處緯度較高，距海較遠，邊沿有山脈阻隔，很多地區干旱成為影響草地生長的主要因素。大部分區域屬于溫帶大陸性干旱氣候，少部分屬于溫帶季風氣候。降水量少而不勻，夏季短促炎熱，秋季氣溫劇降，冬季漫長嚴寒[23]。植被類型主要以草地為主[24]。

1.2 數據來源

1)遙感數據。采用美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提供的2001—2020年MOD13Q1的NDVI數據，時空分辨率為250 m、16 d。該數據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。因此，研究通過S-G濾波法對NDVI進行去噪[25-26]。

2)草地類型數據。源于《中國1∶100萬草地資源圖》，首先基于全國草地分布區的2 000多個縣內進行野外實地調查的數據進行草地資源圖編制，后輔以航片、衛片編制縣級1∶5萬或1∶10萬草地類型圖、草地等級圖、草地利用現狀圖，最終按國家統一編制規范和制圖綜合原則，編制成了國家級1∶100萬草地資源圖。

3)氣象數據。基于中國氣象數據網提供的2001—2020 年的日數據(圖1)，將12、1、2月份定義為冬季，3、4、5月份定義為春季，6、7、8月份定義為夏季，9、10、11月份定義為秋季。采用ANUSPLINE軟件插值得到空間尺度數據，分辨率為250 m。最后選用計算中未使用的氣象站點，隨機選取127個數據對插值結果進行精度驗證，結果表明：氣溫插值數據與實測值的相關系數在0.906以上(占91.3%)，均方根誤差為0.000 17；降水與插值結果的相關系數在0.899以上，均方根誤差為0.000 2。插值精度在整體上滿足研究的需求。

1.3 研究方法

1)物候提取方法。目前，提取物候的常用方法有動態閾值法、最大比率法和導數法等。結合內蒙古實際情況和NDVI時空特征，采用Jonsson等[27]提出的動態閾值法，基于NDVI數據得到像元尺度的草地關鍵物候期(SOS、EOS和LOS)，計算方法如式(1)所示。

(1)

式中：NDVIratio首次高于預先定義的NDVI值的日期為生長季開始點，首次低于預定定義的NDVI值的日期為生長季結束點。不同物候期的閾值根據本研究區的實測物候數據與前人研究結果，通過反復實驗確定。本文中，NDVI最高值與最低值作為輸入，將1～180 d內NDVIratio首次高于0.5對應的NDVI時間點定義為生長季開始日期，180～365 d內NDVIratio低于0.5對應的NDVI時間點定義為生長季結束日期，生長季結束日期與開始日期的差值為生長季長度。

2)物候趨勢分析。采用Sen趨勢法[28]分析2001—2020年內蒙古草地物候變化趨勢。Sen趨勢分析法受到異常數據的影響較小，且對測量誤差和離群數據的敏感度較低。

3)偏相關分析。采用偏相關分析研究草地SOS、EOS和LOS與季節性氣象的相關性，相關系數的計算如式(2)所示。

(2)

式中：x、y和z分別為草地物候數據、季節性氣溫和累計降水量；rxy表示草地物候與季節性氣溫的相關系數；rxz表示草地物候與累計降水量的相關系數；ryz表示累計降水量與氣溫的相關系數；rxy·z為將氣溫固定后草地物候與累計降水量的偏相關系數。

2 結果分析

2.1 物候空間格局

草叢SOS較其他幾種草地類型遲，集中在130～150 d；而草原化荒漠SOS較其他幾種草地類型早，基本集中在70～80 d；其他幾種草地類型的SOS集中在80～130 d。草叢的EOS較早，集中分布在260～280 d，時間分布范圍較小；草原化荒漠EOS時間最遲，基本在290 d之后；沼澤草地EOS集中270～290 d，較草原、草甸和灌草叢的EOS早。草叢LOS持續時間最短，集中在130～170 d；草原LOS持續時間最長，集中在150～230 d。其他幾種草地類型LOS持續時間范圍較廣，在150～210 d所占比例均較多(圖1)。

圖1 內蒙古不同草地類型物候統計圖

2.2 物候年際變化

從物候變化趨勢發現(圖2)，71.3%的SOS整體呈現提前趨勢，28.7%的草地SOS呈現推遲趨勢，分布在呼倫湖和內蒙古高原以北地區。草叢SOS開始時間最遲，在140～160 d上下波動；草原化荒漠開始時間最早，集中在80～110 d，SOS以0.99 d/a的速率持續增加；其他幾種草地類型SOS集中在100～130 d。69.98%像元的EOS呈現推遲趨勢，30.02%像元的EOS為提前趨勢，提前速率在0～1.5 d/a。草原化荒漠EOS最晚，集中在295～315 d，以0.595 d/a的速率提前；草叢EOS時間最早，基本在265～285 d，以0.177 d/a的速率不顯著推遲；草原以0.244 5 d/a的速率推遲；草叢、灌草叢和草甸的曲線走勢較為一致，EOS均集中在280～295 d。49.69%像元的LOS為縮短趨勢，集中在0～2.0 d/a，分布在阿拉善沙漠地區。50.31%像元的LOS呈延長趨勢，速率集中在0～2.0 d/a。草叢LOS最短，集中在110～130 d，以0.479的速率延長；草原化荒漠LOS持續時間最長，集中在170～210 d，以2.021 d/a的速率縮短；草原、草甸、沼澤草地和灌草叢LOS均以延長趨勢為主。

注：Ⅰ(變化速率<-2.0)；Ⅱ(-2.0≤變化速率<-1.5)；Ⅲ(-1.5≤變化速率<-1.0)；Ⅳ(-1.0≤變化速率<-0.5)；Ⅴ(-0.5≤變化速率<0.0)；Ⅵ(0.0≤變化速率<0.5)；Ⅶ(0.5≤變化速率<1.0)；Ⅷ(1.0≤變化速率<1.5)；Ⅸ(1.5≤變化速率<2.0)；Ⅹ(變化速率>2.0)。圖2 物候變化趨勢空間分布及不同草地類型物候年際變化圖

2.3 草地植被物候隨海拔梯度的變化特征

考慮到極高海拔區域可能受到雪等不確定因素對遙感物候反演的干擾，以100 m為間隔，分析海拔為500～2 500 m區域內物候分布及年際變化趨勢(圖3)，發現：海拔低于1 000 m時，SOS隨海拔持續升高而提前，海拔每上升100 m，SOS以4.08 d的速率提前；海拔在1 000～2 500 m時，SOS隨海拔持續升高而推遲，海拔每上升100 m，SOS以1.381 d的速率推遲。從不同海拔梯度上SOS變化速率看，海拔小于1 100 m和海拔大于2 100 m的區域，SOS主要以提前趨勢為主，趨勢隨著海拔上升而逐漸減弱；海拔大于2 200 m時，SOS以推遲趨勢為主，隨著海拔升高，提前趨勢呈線性上升。EOS隨海拔變化也呈現出一定變化規律。海拔介于500～2 500 m時，EOS隨海拔持續上升而顯著提前，海拔每上升100 m,EOS以0.585 d的速率提前；EOS變化速率隨海拔

圖3 物候期與海拔的關系

上升而下降，即隨海拔梯度上升，EOS的提前速率在逐漸增大。LOS整體表現為隨海拔上升，以0.126 d速率持續延長；在整個海拔區域內，LOS的變化速率均為正值，即LOS在持續延長，但隨著海拔的升高，LOS的變化速率以0.021的速率持續減小，及LOS延長的速率減小。

2.4 物候對季節性氣候變化的響應

對植被物候和降水、氣溫逐像元分析發現(圖4)，SOS與春季氣溫和夏季降水表現出顯著正相關性，表明SOS受春季溫度和夏季降水的影響顯著推遲，主要為草原和草叢覆蓋區域。植被SOS對夏、秋、冬三季氣溫呈顯著負相關性，與春、秋、冬三季降水也呈顯著負相關性，表明SOS受夏、秋和冬季氣溫和春、秋和冬季降水的影響顯著提前。EOS對春、夏、秋的降水以不顯著負相關性為主，表明EOS隨季節性降水量的減少而顯著提前。EOS對四季溫度表現出顯著負相關性，尤其在大興安嶺以東、內蒙古高原的負相關性尤為突出，EOS對溫度呈相關性的區域主要集中在阿拉善高原。冬季氣溫對大興安嶺以北的草地植被物候起到明顯的提前作用。春季氣溫與LOS以負相關為主，占總面積的86.13%，與夏季氣溫以不顯著負相關為主。秋季氣溫與LOS正負相關參半，冬季氣溫與LOS以負相關為主。LOS與夏季降水為顯著負相關關系，即春、夏、冬降水越多，LOS顯著縮短。

圖4 物候與氣溫和降水偏相關系數圖

3 討論

草地植被物候變化是一個周期性、持續性的動態過程，物候變化的制約因素眾多，且各因素之間也存在一定的制約關系。有研究表明，隨海拔上升，升溫速率會逐漸增加，從而造成了不同海拔梯度高山植被的多樣性和植被生長速率的差異。本文研究發現，在不同的海拔梯度上，草地SOS、EOS和LOS表現出有規律的變化趨勢，海拔在1 000～2 500 m時，SOS隨海拔持續升高而推遲，海拔每上升100 m，SOS以1.38 d的速率推遲。整體來看，SOS隨海拔的上升而逐漸推遲，且在不同的海拔梯度上，SOS的變化速率表現出明顯的差異。草地EOS在不同海拔梯度上，均表現為隨海拔上升而推遲，但推遲速率存在明顯差異。LOS隨海拔上升以0.126的速率持續延長。研究發現，氣溫和降水是影響植被物候變化的重要影響因素，海拔每上升100 m，氣溫隨之下降0.65 ℃，且高海拔地區升溫速率大于低海拔地區[29]。本文研究也發現，草地植被SOS對各季節氣溫的響應較植被SOS對各季節降水的響應明顯。植被SOS與春季氣溫和夏季降水在海拔較高的內蒙古高原和呼倫湖地區表現出顯著正相關性，與春、秋、冬三季降水也表現為顯著的負相關性，尤其在大興安嶺地區的負相關性最為顯著。草地植被EOS對春、夏、秋季節的降水和四季氣溫以不顯著負相關性為主，表明降水增多、溫度升高會導致植被EOS提前，尤其在大興安嶺以東、內蒙古高原的負相關性尤為突出。在同一緯度帶的氣溫和降水的空間差異性也進一步說明內蒙古不同海拔梯度上的草地植被物候存在一定的空間差異性，在海拔較低的東部地區，草地SOS呈現出顯著的提前趨勢，而在海拔較高的中部地區，草地SOS表現出一定的推遲趨勢。究其原因可能是氣溫升高和降水量變化對植被綜合作用的結果。本文主要目的是揭示內蒙古草地植被物候動態和不同草地植被物候隨海拔梯度變化的分異性，然而內蒙古草地植被類型豐富，垂直地帶性顯著，且不同草地類型、不同開花功能群的植物對氣溫和降水的變化響應不完全相同。研究發現，早花功能群植物對降溫的敏感性較高，中花功能群植物對增溫敏感性高于降溫，不同物種物候期對環境因子的響應也不完全相同[30]。

4 結束語

本文分析了2001—2020年內蒙古不同草地類型物候變化特征和對季節性氣候因素的響應，發現內蒙古地區草地物候受到明顯的海拔梯度效應。草地SOS隨海拔升高而推遲，EOS提前，LOS延長。此外，夏、秋、冬季的氣溫升高和春、秋、冬季的降水增多可以使草地SOS提前，四季溫度升高和春、夏、秋及的降水增多會導致草地EOS提前。這項研究表明，在內蒙古地區，草地的物候時間對季節降水和氣溫的變化的響應較為敏感，未來將最容易受到季節性氣候的影響。因此，后期的研究應該在氣候因子的基礎上進一步分析極端氣候、干旱、蒸散發等因素對不同草地物候的影響。