伊犁河谷植被物候變化特征及其對氣候變化的響應

關鍵詞：植被物候;氣候變化;響應;伊犁河谷

植被物候是植被在環境因子的影響下產生的一種周期性自然現象，植被物候期反映了植物自身不斷適應環境變化而形成的生長發育規律[1]。IPCC《氣候變化與土地》特別報告[2]指出，全球氣溫已比工業化水平前高出大約1℃。為了適應全球氣候變暖的環境變化，植被物候期也將產生改變，植被對氣候變化敏感的響應，使之成為全球氣候變化的重要指示器[3]。同時，植被物候不僅反映了植被生長的動態變化，也能揭示生態系統對全球變化的響應過程。在全球氣候變化的背景下，植被物候變化逐漸成為當前地理學研究熱點[4-5]。因此，研究植被物候的變化特征，并分析物候與氣候變化的響應關系，有助于明晰植被的變化規律和區域間差異性，加深對植被-氣候關系的了解。

傳統的物候觀測方法僅針對某個或多物種所進行的定點觀測，雖然數據精確度高，但無法進行大尺度的物候觀測[6-7]?；谶b感技術監測植被物候的研究已經趨向成熟，MODISNDVI等遙感產品為物候研究提供了時間序列長、覆蓋面積廣、空間連續性強的數據，使物候研究能夠從不同的時空尺度定量分析植被的生長發育規律及其變化特征，為缺少地面觀測的區域提供了數據支持和補充，植被物候研究也從單個植株擴展到了整個植被生態系統[8-10]?；诖耍絹碓蕉嗟膶W者開展了植被物候研究并得到了相應的成果。受全球氣候變化影響，不同區域植被物候由于受到自然環境的影響，在空間上呈現出不同程度的差異。氣候變化在垂直方向以及沿緯度方向都顯著影響著植被生長季始、末期[11-12]。鄧晨暉等[13]研究發現，秦嶺山地北坡生長季始期較早而南坡較晚，南坡生長季末期比北坡晚，通過結合海拔梯度分析發現，在海拔2700m 以上的區域，生長季始期、生長季末期及長度均隨著海拔升高波動幅度增強;邵周玲等[14]研究發現，米倉山植被物候沿海拔梯度的分布存在明顯分界線，2000m 以下區域，植被物候隨海拔升高而顯著推遲或縮短，2000m 以上區域物候變化則較為平緩，植被生長季始期提前主要受3月氣溫和4月降水的影響，生長季末期提前受10月降水的影響;Piao等[15-16]發現，我國溫帶植被生長季始期提早是因為溫度不斷升高;何寶忠等[17]研究發現，新疆植被生長季始期呈現由南向北逐漸提前的緯向特征，并且隨著海拔升高，生長季末期提前，生長季長度縮短，生長季始期受春季氣溫和上一年冬季降水影響顯著，生長季末期受夏秋季降水影響顯著。因此，在區域尺度上，植被物候變化趨勢隨海拔分布狀況以及受氣候變化影響還存在較大差異性和不確定性。

目前，國內學者利用遙感數據重點針對我國北方[18]、中東部[19-20]、內蒙古[21]等大范圍區域植被物候變化進行了研究，但隨著氣候的不斷變化，小流域范圍內長時間序列的植被物候變化研究亦不容忽視。新疆伊犁河谷是我國西部地區重要的生態屏障[22]。作為典型的山地-綠洲生態系統，伊犁河谷內部植被分布不均且差異較大，存在低海拔區域耕地人為擴張較大，森林草甸顯著退化等問題，植被的天然生境狀況不容樂觀。同時，“三山夾兩谷”的復雜地貌輪廓、內部較大的海拔差異以及受西風帶影響，使大西洋、巴爾喀什湖等溫暖潮濕的氣流易進入此地[23]，伊犁河谷對氣候變化的響應極其敏感，使之成為了研究植被物候與氣候變化響應機制的理想場所。因此，本文利用2001—2021年MODISNDVI和氣候數據，結合S-G濾波法和動態閾值法，提取伊犁河谷植被物候生長季始期、生長季末期及生長季長度，揭示伊犁河谷植被物候變化趨勢，并對不同植被類型、不同海拔梯度的植被物候進行分析，同時結合氣象數據分析植被物候對氣候變化的響應，為伊犁河谷生態環境建設、防災抗旱、天然植被的保護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷（80°09'～84°56″E，42°14'～44°50″N）位于中國天山山脈西部，三面環山，地處亞歐大陸腹地，河谷內部海拔落差較大，分為中部低海拔平原區和邊緣高海拔山地，包含伊寧市、可克達拉市、霍爾果斯市、伊寧縣、察布查爾錫伯自治縣（文中簡稱察縣）、霍城縣、鞏留縣、新源縣、昭蘇縣、尼勒克縣，全域總面積約5.5×104km2。河谷內氣候溫和濕潤，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.4℃，年降水量417.6mm。受春季西風氣流影響，水汽遇冷，在山前地帶形成豐富的降水，迎風坡可達到600～800350mm，因此伊犁河谷是新疆最濕潤的地區。伊犁河谷也是亞歐大陸干旱地帶的一塊“濕島”，土地肥沃，水源充足，草原遼闊，森林面積180萬公頃，森林覆蓋率16%，享有\"塞外江南\"之美譽。

1.2 數據來源及預處理

1.2.1 NDVI數據 本文利用歸一化差值植被指數（Normalizationdifferencevegetationindex，NDVI）提取植被物候。MODISNDVI數據來源于美國國家航空航天局（NASA）提供的MOD13Q1數據集，時間跨度為2001年1月—2021年12月，空間分辨率為250m，時間分辨率為16d，共483幅影像。對數據進行掩膜、裁剪等預處理，并重采樣至1km。

1.2.2 氣象數據 為了評估植被物候對氣候的響應，采用國家青藏高原科學數據中心[24-25]提供的中國逐月平均氣溫、降水數據集，空間分辨率為1km，時間跨度為2001年1月—2021年12月，共252期數據。利用掩膜提取與NDVI范圍相同的數據集。

1.2.3 高程數據 本文采用地理空間數據云（http：//www.Gscloud.cn）提供的ASTERGDEM30m 分辨率高程數據，對數據進行掩膜、裁剪等預處理，并重采樣至1km。

1.2.4 植被類型數據 本文采用的植被類型圖為中國科學院資源環境科學與數據中心（hattp：www.resdc.cn）提供的《1∶1000000中國植被集》，經掩膜提取及重分類，獲得伊犁河谷植被類型分布圖。

1.3 研究方法

1.3.1 植被物候提取方法 首先，選擇值域在5%～95%區間的NDVI數據，利用S—G（Savitzky—Golay）濾波法對伊犁河谷2001—2021 年MODISNDVI數據平滑降噪處理。再利用TIMESAT[26]軟件中動態閾值法提取伊犁河谷植被物候參數，將NDVI增長或下降到當年NDVI振幅一定比例的時間定義為生長季始期或生長季末期，在此將該比例設為20%[19，27]。依據這種方法逐像元提取伊犁河谷2001—2021 年植被物候參數，即生長季始期（Startofthegrowingseason，SOS）和生長季末期（Endofthegrowingseason，EOS），生長季末期與生長季始期之差即為生長季長度（Lengthofgrowingseason，LOS）。采用儒略日[28]對伊犁河谷植被物候期進行換算，即植被各物候表示為距當年1月1日的實際日數。

1.3.2 植被物候時空變化 Theil—Sen Media趨勢分析計算長時間序列伊犁河谷物候參數SOS、EOS和LOS的變化趨勢[29]，Mann—Kendall統計檢驗廣泛應用于長時間序列的數據檢驗中，具有能夠排除較多的異常值干擾并且無需檢驗數據的分布等特點[30]。Sen趨勢分析和M—K 檢驗在MATLAB中運算。本文利用Sen趨勢分析對伊犁河谷植被生長季始期、末期和生長季長度進行劃分（T—Sen）。當T—Sengt;0，表明植被物候期呈推遲或延長趨勢;反之T—Senlt;0，表明植被物候期呈提前或縮短趨勢。同時，結合M—K 顯著性檢驗（99%，95%置信區間），將伊犁河谷植被物候年際變化趨勢劃分為以下等級：極顯著提前或縮短（T—senlt;0，Plt;0.01）;極顯著推遲或延長（T—sengt;0，P lt;0.01）;顯著提前或縮短（T—senlt;0，0.010.05）;不顯著提前或縮短（T—senlt;0，Pgt;0.05）;不顯著推遲或延長（T—sengt;0，Pgt;0.05）;無變化（T—sen=0，Pgt;0.05）

1.3.3 植被物候對氣候變化的響應 本文利用MATLAB對伊犁河谷植被物候參數與季前和年均氣溫、降水進行偏相關分析。多元相關分析中，簡單的相關分析無法真實反映各變量之間的相互關系，偏相關能夠在排除其余變量的影響下計算兩個變量間的相互關系。公式如下：

式中，Rxy，z 為自變量z （降水或氣溫）固定后因變量x （物候）與自變量y （降水或氣溫）的偏相關系數。

2 結果與分析

2.1 伊犁河谷植被多年平均物候期

為研究伊犁河谷植被物候的空間變化格局，計算了2001—2021年植被SOS、EOS以及LOS的多年平均值（圖2）。結果表明，伊犁河谷植被SOS集中在45～113d，平均為70.6d。其中，可克達拉市、伊寧市、霍爾果斯市南部、伊寧縣南部、察縣北部、鞏留縣東北部、尼勒克縣西南部和新源縣西北部、特克斯縣北部等地部分河谷低海拔區域植被SOS開始較早，集中于63d（3月初）之前;昭蘇縣大部分、特克斯縣南部、新源縣東南部、尼勒克縣東北部、伊寧縣東北部等中等海拔區域植被SOS集中于63～85d（三月）;河谷邊緣高海拔區域植被SOS開始較晚，集中在85d（三月底）之后。由此看出，伊犁河谷多年平均植被SOS呈現出由中部低海拔地區向邊緣高海拔山地逐漸推遲的趨勢。從（圖2b）可以看出，伊犁河谷植被EOS 集中于290～335d，平均為319.8d。其中，低海拔地區植被EOS較晚，集中于320d之后;尼勒克縣、新源縣東部、特克斯縣南部及昭蘇縣等邊緣高海拔山地植被EOS較早，表現為290～320d之間。就植被LOS而言，全區域植被LOS集中于186～279d，平均為244.4d。呈現出由邊緣高海拔山地向中心低海拔平原逐漸延長的規律（圖2c）。表現為植被LOS大于252d主要集中在部分低海拔地區;邊緣高海拔山地植被LOS基本小于222d。

伊犁河谷植被物候期與海拔密切相關，在DEM中隨機選取13883個樣點，使這些樣點均勻的分布在伊犁河谷不同高程上，提取每個樣點對應的海拔、對應像元的SOS、EOS、LOS值，通過線性擬合得到伊犁河谷植被物候期隨海拔分布的規律（圖3）。結果表明，伊犁河谷植被SOS隨著海拔升高而推遲，根據線性回歸結果可知，海拔每上升100m，SOS約推遲1.9d;EOS與LOS呈現相同趨勢，隨著海拔每升高100m，EOS提前大約1d，LOS縮短2.9d。

2.2 伊犁河谷植被物候期年際變化

利用Sen趨勢分析在逐像元尺度上分析伊犁河谷2001—2021 年植被物候變化趨勢，同時結合Mann—Kendall方法對結果進行顯著性檢驗。結果表明，植被SOS大部分像元（79.91%）呈現提前趨勢（表1），其中，極顯著提前、顯著提前的區域分別占0.32%，3.77%，主要分布在尼勒克縣，新源縣東北部、昭蘇縣，特克斯縣中部以及察縣南部高海拔山地（圖4a）。植被SOS推遲的區域共占7.82%，其中極顯著推遲占0.47%，顯著推遲占0.58%，主要集中在察縣北部、鞏留縣東北部、伊寧縣南部等區域。植被EOS主要呈推遲趨勢（81.64%），其中極顯著推遲、顯著推遲分別占0.78%，7.28%，集中分布在昭蘇縣、特克斯縣、鞏留縣南部、新源縣、尼勒克縣東部、察縣南部等高海拔山地，在低海拔區域如可克達拉、伊寧市內也有零星分布（圖4b），植被EOS極顯著和顯著提前的區域共占0.13%，主要分布在察縣、鞏留縣北部等地。植被LOS呈極顯著、顯著延長的區域分別占0.95%，3.40%，主要集中在察縣、昭蘇縣、特克斯縣、鞏留縣南部、新源縣東部、尼勒克縣等地的高海拔山地;極顯著、顯著縮短的區域占2.81%，2.28%，主要集中在可克達拉市、察縣、鞏留縣北部等地（圖4c）。

2.3 伊犁河谷不同植被類型的物候變化趨勢

為進一步探究不同植被類型的植被物候期沿海拔分布的規律，將伊犁河谷地區海拔以1000m為間隔，劃分為（lt;1000，1000～2000，2000～3000，3000～4000，gt;4000m）五個垂直梯度。根據伊犁河谷植被的垂直分布，分析主要植被類型中的SOS、EOS及LOS在垂直梯度上的物候特征（表2）。伊犁河谷地區植被主要分布在1000～4000m，占總面積的69.84%，1000m以下占3.49%，4000m以上占0.55%。伊犁河谷主要的植被類型為草甸和草原，分別占總面積的36.86%和19.50%，其次是高山植被和針葉林，分別占總面積的8.58%和7.44%。

不同植被類型在各海拔梯度帶上的物候期統計結果如表3所示。不同植被SOS均呈現隨著海拔升高而推遲的現象，但不同植被的變化趨勢略有差異。在lt;1000m 的海拔梯度上，伊犁河谷主要植被類型為草原和草甸，其中草原SOS比草甸早，且隨著海拔上升SOS推遲天數不斷增大，從lt;1000m（48.5d）到3000～4000m（110d）的梯度帶上共推遲了61.5d。在1000～2000m 的海拔梯度上闊葉林SOS最晚，相較于針葉林、灌叢、草原、草甸和高山植被，植被生長季始期分別晚2.2，6.1，8.8，1，8.2d。在1000～4000m 之間的區域，隨著海拔的升高，不同植被SOS間的差距有所減小。在gt;4000m 處草甸SOS早于高山植被。

隨著海拔梯度的上升，各植被類型EOS均呈提前趨勢，闊葉林在1000～3000m 的海拔梯度上提前7.6d，提前天數最少;草原在lt;1000～4000m的梯度上提前天數最多，共34.8d。整體而言，在1000～4000m植被主要分布的區域中，隨著海拔升高，植被EOS提前程度增大。不同海拔梯度間植被EOS間差異逐漸增大，極差分別為6.6，6.4，9.7，12.4，29.2d。

隨著海拔升高，各植被類型間LOS呈縮短趨勢，且縮短天數在17.9～49.2d，說明在高、低海拔間，植被LOS相差30d以上。其中針葉林、闊葉林、灌叢、草原、草甸及高山植被在lt;1000～4000m 之間LOS均呈現隨著海拔升高，縮短程度擴大，而在4000 m 以上的區域草甸和高山植被，相比3000～4000m 區域，SOS開始較早，EOS結束較晚，LOS相對較長。這可能與4000m 以上高海拔山區受人類活動干擾小，對植被的破壞程度低，水熱條件適宜草甸和高山植被生長。

2.4 伊犁河谷植被物候對氣候因子的響應

2.4.1 生長季始期對氣溫、降水的響應 從植被SOS與上一年12月至當年3月平均氣溫和降水的偏相關分析中可以看出（圖5）。對于氣溫而言，植被SOS與1月平均氣溫主要為負相關，這表明隨著氣溫升高，植被SOS將會提前，而與2月平均氣溫主要為正相關，上一年12月的氣溫與植被SOS正負相關性在空間分布上較為均勻。對于降水而言，1月、2 月降水量大多在伊寧縣北部、尼勒克縣、新源縣、鞏留縣、特克斯縣及察縣南部與植被SOS為正相關，在察縣、鞏留縣北部及新源縣西部等部分區域與SOS為負相關，說明對于高海拔山地而言，隨著降水量增加，植被SOS將提前;對于低海拔平原則相反。上一年12月的降水量與植被SOS正負相關性在空間分布上較為均勻。伊犁河谷植被SOS與2、3月平均氣溫偏相關系數顯著的像元為10.87%，31.49%;與1、2月平均降水偏相關系數顯著的像元為27.13%，28.71%，說明伊犁河谷植被SOS主要受2，3月氣溫及1，2月降水影響。

2.4.2 生長季末期對氣溫、降水的響應 植被EOS對氣溫和降水響應不同（圖6）。對于氣溫而言，植被EOS與7月及8月平均氣溫主要為正相關，其中植被EOS與8月平均氣溫呈正相關，溫度升高，植被EOS推遲;而與9月、10月氣溫多為負相關。對于降水而言，植被EOS與7月、10月平均降水主要為正相關，其中，植被EOS與10月平均降水呈正相關，說明降水量增加，植被EOS推遲;與9月降水主要為負相關，6月、8月平均降水與植被EOS的正負相關性在空間分布上較為均勻。從顯著性水平來說，伊犁河谷植被EOS與8月平均氣溫偏相關系數顯著性達58.55%;與7月、10月平均降水偏相關系數顯著性為4.58%，6.74%，說明伊犁河谷大部分地區植被EOS主要受8月平均氣溫影響，此外，7月、10月平均降水對部分地區具有顯著影響。

3 討論

研究河谷地區植被物候變化能夠加強對植被生長動態的了解，有利于揭示河谷地區植被物候對氣候變化的響應。過去21年中，伊犁河谷植被SOS集中在45～113d，平均為70.6d，中部平原地區植被SOS早于85d，邊緣山地植被SOS開始于100d左右（85～113d），這一結果與何寶忠等[17]對新疆植被物候時空變化的結果一致。河谷內平原地區可克達拉市、伊寧市、霍爾果斯市南部、伊寧縣南部、察縣北部、鞏留縣東北部、尼勒克縣西南部和新源縣西北部、特克斯縣北部等地水熱條件較邊緣高海拔區域好，春季回暖較快可能是使平原地區植被SOS較早的原因。與姚榮鵬等[31]對中國西北地區植被物候的研究及李岳峰等[32]對新疆天山雪嶺云杉植被物候變化的研究結果相似的是伊犁河谷植被EOS集中于290～335d，平均為319.8d。但伊犁河谷植被EOS要晚于中國北方[33]植被EOS，可能是因為相比南方及沿海地區，我國北方深居內陸，受氣溫、降水等氣候條件限制明顯，而伊犁河谷因其“三山夾兩谷”獨特的地理位置削弱了來自北冰洋的寒潮、塔克拉瑪干沙漠的熱氣流以及蒙古-西伯利亞反氣旋的影響，同時向西開口的獨特地勢，有利于巴爾喀什河及里海的暖濕氣流進入[34]，給植被帶來了溫暖濕潤的生長環境。本文與以往植被物候相關研究進行對比發現，本文結果與前人[17，32]包含伊犁河谷地區的物候研究結果較為一致，說明所提取出用于分析伊犁河谷植被物候變化特征的參數是合理可行的，但目前，基于遙感數據對物候的研究存在數據、方法及研究區范圍等不同，導致研究間對比存在一定的差異，因此未來需要建立物候觀測網加強地面物候觀測和遙感數據的整合。

伊犁河谷植被物候的差異主要由植被類型、海拔、氣候等因素綜合形成。不同植被具有不同的生長習性，使物候有較大差異。然而，物候在垂直梯度上具有顯著差異是因為海拔梯度形成了不同的水熱條件。同時，全球氣候變化，中緯度地區溫度上升，都有可能造成植被生長季始期提前[35]。當前，已有研究表明，新疆地區植被SOS，EOS，LOS隨著海拔升高呈現推遲、提前、提前的趨勢[17]。整體而言，伊犁河谷植被物候期與新疆整體物候研究保持一致。但本文發現伊犁河谷4000m 以上草甸和高山植被的物候期與3000～4000m 相比，植被SOS提前、EOS推遲，LOS延長。原因可能是高海拔山地受人類活動影響較小;同時，高海拔地區降水量豐富，給予植被生長期充足的水量。此外，4000m 以上具有充足的光照，也是影響植被物候的重要因子。

植被物候的變化是具有持續性和周期性的動態過程，影響其變化的因子眾多[36]，其中溫度、降水是較為重要的兩個影響因素[37]。隨著溫度升高，SOS會呈現提前的現象[38-40]。伊犁河谷植被SOS與2月、3 月平均氣溫偏相關系數顯著的像元為10.87%，31.49%，溫度升高能夠為植被發芽提供充足的熱量使SOS提前[41]，并且當溫度升高時促使土壤有機質分解速率加快，土壤養分更易礦化被植物吸收，促進植被生長[42]。同時本文也發現隨著氣溫升高，植被SOS亦呈推遲現象，Piao等[43]認為氣候持續變暖可能不會形成更早的SOS，這是由于更溫暖的冬季植被休眠期時接收到的低溫累積量減少，會造成植被對積溫需求的增加，使植被SOS推遲。伊犁河谷部分高海拔山地植被SOS與1月、2月平均降水偏相關系數顯著的像元為27.13%，28.71%，說明在部分高海拔山地，降水的增加能夠使植被擁有充足的水分和濕潤的生長環境，提高生長速率，促進SOS提前[44]。

Piao等[15]發現，干旱半干旱區域植被以旱生植物為主，溫度與降水會同時影響植被生長，在熱量充足時，降水對生長季末期的影響尤為重要[45]，因為降水能夠緩解水分脅迫，使生長季末期推遲[46-47]。本文發現9月降水與生長季末期呈負相關，即降水增加導致部分區域植被EOS提前，這可能是因為土壤濕度增加影響了植被光合速率和加速羥基化作用，促使植被快速完成生長，進而導致EOS 提前[48]。由于不同植被的生理特征具有差異性，該地區物候對氣候響應變化更加復雜，因此在未來的研究中需要關注植被個體的物候變化特征以及對氣候變化的響應。同時，本文在研究植被物候與氣候變化間關系時，僅選取氣溫、降水兩種因素研究植被物候的響應，但除了溫度、降水對植被物候變化具有影響之外，其余例如海拔梯度、太陽輻射、CO2 濃度、光照等[49-51]地形、環境因子對植被物候的影響也是未來研究的重點。

4 結論

伊犁河谷植被SOS，EOS，LOS 主要集中在45～113d，290～335d，186～279d;SOS呈現出由中部低海拔平原區向邊緣高海拔山地逐漸推遲的規律，EOS與LOS呈現出由中部低海拔平原向邊緣高海拔山地逐漸提前和縮短的規律。近21a來，伊犁河谷植被SOS呈提前趨勢的面積占79.91%;植被EOS呈推遲的面積占81.64%;植被LOS呈延長和縮短的面積分別為31.89%，26.39%。整體而言，伊犁河谷不同植被SOS隨海拔升高呈推遲趨勢，其中草原推遲天數最多;植被EOS隨海拔升高呈提前趨勢，草原提前天數最多，闊葉林推遲天數最少;隨著海拔升高，植被LOS呈縮短趨勢。伊犁河谷植被物候對氣候變化響應關系表現為，3月平均氣溫升高使植被SOS顯著提前;8月平均氣溫升高使植被EOS顯著推遲。