基于MODIS数据的青藏高原植被物候变化趋势研究(2000年～2010年)

刘双俞，张丽，王翠珍，闫敏，周宇，鹿琳琳

(1.中国科学院遥感与数字地球研究所 数字地球重点实验室，北京 100094；2.湘潭市国土资源测绘院，湖南 湘潭 411100；3.美国南卡罗来纳大学，哥伦比亚 S.C.29208)

1 引 言

青藏高原是全球变化的敏感区域，其植物区系也还比较年轻，在高原特殊的地理环境下，物种脆弱敏感，由于气候变化的不确定性，高原的生物多样性受到威胁[1]。随着全球变暖，许多植物和动物通过改变自身的生长活动(如植物的萌发、开花、结果、凋谢和某些动物的迁徙、冬眠等)来适应全球大气、水分、土壤等成分的变化。植被物候与气候存在紧密关联，探索植物物候与气候变化的关系，对于大尺度生长季节动态及其对气候变化响应与反馈的模拟与预测研究有至关重要的意义，对采取措施改善青藏高原地区的生态环境具有重要的指导意义，也可以为发展地方经济提供决策支持[2]。

借助遥感方法可以克服传统定点物候观测代表区域有限的缺点[2-4]，可进行地区、国家、大洲，甚至全球尺度的物候监测[5]。基于遥感影像序列的植被物候研究的关键技术为物候参数的提取，即根据不同数据源的植被指数数据提取物候信息。根据物候参数分析植被对气候变化的响应，可以有效监测气候变化[6-8]。

本文基于8天合成的MODIS反射率产品(空间分辨率500m)提取青藏高原地区2000年～2010年的植被物候参数，即生长季开始时间、生长季结束时间和生长季长度，并根据这3个物候参数分析青藏高原植被的物候变化趋势，分析青藏高原植被物候与气候因子的相关性。

2 研究区及实验数据

2.1 研究区概况

青藏高原(Tibetan Plateau)跨距25°N～40°N，74°E～104°E，总面积2500000km2，约占中国陆地总面积的1/4，其地理位置及青藏高原的植被分布如图1所示。青藏高原气候独特，气温低、日温差大、年温差小，并且高原地势高，大气密度很小，气压很低，含氧量少，日照长、辐射强，干湿季分明，干季多大风[9]。在青藏高原地区，植被类型丰富，草地资源也异常丰富，占全国草地总面积的1/3。从构成自然景观外貌的植被来说，高原广泛分布着高寒灌丛草甸、高寒草原、高寒荒漠以及高寒草甸植被等类型。研究植被物候的变化趋势，对区域尺度上的可持续发展提供一定的指导依据。本文的研究重点是青藏高原的草地物候，主要集中于该区的荒漠草、草原草、草甸草3种草地类型，根据青藏高原1∶100万植被覆盖图，这3种草地类型占整个青藏高原面积的63%左右，超过总面积的一半。

图1 青藏高原植被分布图(根据1∶100万中国植被图集[10]修改)

2.2 实验数据

本文使用的数据主要包括2000年～2010年8天合成的MODIS反射率产品(MOD09A1)和2000年～2010年由中国气象科学数据共享服务网提供的月平均气温和月降水量数据。基础地理信息数据包括研究区行政边界与青藏高原地区1∶100万植被覆盖图，通过地球系统科学数据共享网获得。

遥感数据源MODIS二级产品MOD09A1考虑了高观测覆盖、低视角、无云或削弱云的阴影及气溶胶浓度的影响等，但由于这些不利因素不能严格剔除，因此需先对NDVI数据进行降噪处理，改善数据质量。

3 物候参数反演

物候参数的提取主要分为数据准备、NDVI数据平滑、物候参数反演、物候参数提取4个步骤。本文分析2000年～2010年植被的物候期，首先按时间序列准备用来提取物候参数的实验区数据，然后针对青藏高原植被NDVI时间序列曲线，分别采用Savizky-Golay函数法(S-G函数法)、Asymmetric Gaussian函数法(A-G函数法)、Logistic函数法方法重构NDVI时间序列数据，如图2所示。由图2可看出A-G方法数据质量保持较好，这是因为A-G方法受噪声影响较小，也能较好地保留数据真实值，从而减小由于噪声而造成研究结果的不确定性，因此本文最终使用A-G方法(式(1))进行NDVI数据的平滑。

目前，根据NDVI时间序列反演物候参数的方法大体上可以分为斜率法和阈值法两大类[11-13]。斜率法就是根据NDVI时间序列的曲线斜率来确定植被的生长季开始时间和结束时间。斜率最大时界定为植被生长开始时间，斜率最小值时为植被生长结束时间。但当外界条件影响植被生长状况时，对植被NDVI曲线斜率有影响，不能根据斜率来判断植被的生长期，所以斜率法并不适合物候参数的提取，尤其是长时间序列物候参数的提取。而阈值法就是根据NDVI时间序列中各个生长季内的NDVI值，在最大值和最小值之间确定一组阈值，在一个生长季内NDVI值上升过程中达到某对应阈值的时刻被确定为生长季开始时间，NDVI值下降过程中达到某对应阈值的时刻确定为植被生长结束时间。由于青藏高原植被以相对单一的高山草原为主，生长曲线比较对称，本文采用阈值法对该区域植被物候参数进行研究，且此方法在该地区已得到广泛的应用[14-15]。由于研究区域范围较大，本研究针对试验区域多个样点的NDVI阈值进行反复试验，选取植被NDVI值开始显著变化的时刻为生长季开始时间和结束时间，最终确定对应的NDVI阈值为0.3。

图2 3种拟合方法比较

非对称性高斯函数拟合法(A-G)基本公式为[16]：

(1)

其中，x1是相对于独立时间变量t的最大值或最小值，x2、x3确定右边函数的宽度和平整度，x4、x5确定的是左边函数的宽度和平整度。

4 结果分析

4.1 植被物候的空间差异

青藏高原地域广阔，地形复杂，气候条件也不同，从空间上讲，不同区域内植被的物候期也有差异。图3反映2000年～2010年青藏高原植被返青期，即生长季开始时间的多年平均状况。由图3可知植被的返青季开始时间从4月下旬开始，一直持续到6月份，大部分集中于5月中旬和6月上旬之间。整个区域内从东南到西北逐渐推迟，最迟的集中在西藏自治区的西部地区，这个区域内草原草和草甸草交错分布，植被的返青期推迟到6月上中旬，这验证了宋春桥[14]结论。

青藏高原生长季结束时间(图4)的整体差异不如生长季开始时间明显。青海省和西藏自治区内植被的生长结束时间相对集中，部分植被在10月份开始枯黄，没有明显的空间递变规律。四川省的东北部植被生长季结束时间在10月下旬，这可能是因为四川盆地西北部降水量比较多，水分条件充足，植被生长旺盛，生长季结束时间晚。

图3 青藏高原植被生长季开始时间多年平均值(2000年～2010年)

图4 青藏高原植被生长季结束时间多年平均值(2000年～2010年)

青藏高原植被生长季长度(图5)综合了青藏高原植被生长季开始时间和结束时间的空间分布规律。青藏高原的地势总体上西高东低，植被的生长季长度自东南向西北逐渐缩短，甘肃省和四川省交界区域内植被生长季持续时间最长，超过5个半月。青海省内东部区域生长季长度为5个月，也有从东南到西北逐渐缩短的趋势。在西藏自治区内植被生长季长度普遍较短，大约在4个月左右，但是在纳木错湖和色林错湖周围水分充足的地区，草甸草原带的生长季相对来说明显要长。

图5 青藏高原植被生长季持续时间多年平均值(2000年～2010年)

4.2 植被物候参数的年际变化

本文采用线性拟合法计算植被物候期的变化趋势，根据计算的2000年～2010年间青藏高原植被的生长季开始时间、生长季结束时间和生长季持续时间的年际变化，分析青藏高原植被的物候变化趋势。图6表示青藏高原植被2000年～2010年生长季开始的年际变化。整个青藏高原地区从东到西随着海拔升高，生长季开始时间逐渐推迟。生长季开始时间提前区域主要集中在青藏高原中部，大部分在青海省境内，可能是由于降雨增加和气温升高的共同作用导致植被生长有好转趋势。图7表示青藏高原植被2000年～2010年生长季结束时间的年际变化。变化区域主要集中在西藏、青海省境内，变化的时间范围较短，多为1天～5天。此外，生长季结束时间提前区域的主要植被是高山草甸草，推迟区域的植被类型主要是高山草原草，这说明高寒草地物候期在此研究时间段内变化更大。

图6 2000年～2010年青藏高原植被生长季开始时间年际变化

图7 2000年～2010年青藏高原植被生长季结束时间年际变化

图8 2000年～2010年青藏高原植被生长季持续时间年际变化

图8表示青藏高原植被生长季长度在2000年～2010年的年际变化。受生长季开始和结束时间变化的综合影响，变化区域主要集中在青藏高原中西部地区的西藏、青海省境内，从变化趋势看，生长季长度显著延长和缩短的区域所占全区域的比例很少，变化天数主要集中在1天～5天，占整个青藏高原面积的33.5%左右。

表1是生长季开始时间、生长季结束时间和生长季长度3个指标年际变化的不同变化程度所占青藏高原总体面积的百分比。由表可得，超过一半的区域是保持生长季开始时间、结束时间和生长季长度不变的。综合来看，3个物候参数年际变化天数超过20天的区域很少，占整个青藏高原面积的1%以下，提前5天～20天的占了4%左右，推迟或提前1天～5天的区域面积大，是物候期变化的主体。由于地域差异，青藏高原植被生长开始时间和结束时间提前或推迟程度不同，植被的生长季开始时间提前和推迟的区域面积相当，生长季长度不同程度延长的区域面积都明显大于生长季缩短区域，青藏高原植被的整体生长季长度是延长的。

4.3 植被物候变化对气候的响应

温度和降水是植被生长的主要影响因子，气温和降水的变化直接影响植被的生长状况，随着时间的积累，逐渐体现在植被的物候期变化。本文选取青藏高原地区2000年～2010年不同站点的逐月气温和降水数据，得出生长季开始时间和生长季结束时间变化区域内气温和降水的季节变化，季节划分情况是冬季12月～2月，春季3月～5月，夏季6月～8月，秋季9月～11月。根据这11年内的气温和降水变化情况与植被物候期进行相关性分析，说明植被物候期变化对气温和降水的响应情况。

表1 物候参数年际变化面积统计

青藏高原青海、西藏两省的植被物候期变化明显，青藏高原大部分地区植被的返青开始时间集中在5月份，生长结束时间集中在9月底、10月初，上年10月到当年4月份的气温和降水则是为植被生长准备条件。冬春季气温、降水对植被生长影响较大，气温升高，能较早达到植被生长所需的有效积温，冰川、积雪等融化速度也加快，补充地下水、补给湖泊水，降水量适当增加，保证植被生长水量充足，都有利于植被返青期提前，而夏、秋季节的气温降水量变化对植被生长结束时间影响较大。生长季开始时间和生长季结束时间变化显著的气象站点分别如表2、表3所示。

表2 生长季开始时间变化显著站点的物候和气象参数相关性

本文根据2000年～2010年青藏高原的月气温和降水数据计算各个季节的气温和降水变化及其与物候参数的相关性。由表2可以看出，8个站点中有5个的生长季开始时间与冬季气温的相关性要高于春季气温，说明在这些地区冬季气温对植被生长季开始时间的影响要高于春季气温。而春季降水量变化对植被的影响比较明显，基本上都成负相关，即春季降水量增加，植被开始生长物候期提前。

由表3可以看出，除改则、拉孜、囊谦站点外，其他站点夏季气温与植被生长季结束时间呈负相关，夏季气温升高，在一定程度上使植被的新陈代谢活动加快，可能使植被提前进入生长衰退期，植被结束生长的时间提前。但是夏季降水量与植被生长季结束时间呈正相关，夏季降水增多，植被生长结束时间晚。秋季气温和降水量都与植被生长结束时间呈正相关，秋季气温高，降水量充足，也是植物生长的好时节，可以认为是植物生长的第二个季节，可以延长植被的生长期，所以秋季气温升高，降水增加使植被的枯黄期推迟。

表3 生长季结束时间变化显著站点的物候和气象参数相关性

气温和降水对植被生长的影响并不是相互独立，而是相互制约的。气温升高也会加剧高原地区的干旱，荒漠化也更严重，使得水分条件对植被的生长更为重要。虽然气温升高，草地生长期提前，但也需要有充足的水分条件作保证。如青海省2008年，尽管夏季气温偏高，但是降水时空分布不均，在植被生长旺盛期又出现阶段性旱情，大部分地区牧草长势较差[17]。此外，在枯黄期，低温干燥的天气也对牧草生长造成极大负面影响，使牧草提前进入枯黄期，生长季结束时间会提前。由于地域差异性，在不同的气候区由于日照时间、多风或人类自身的活动等其他因素的综合影响，气温和降水影响植被生长的主导地位也不同。

5 结束语

本文以青藏高原为研究对象，根据MODIS数据集8天合成的MODIS反射率产品数据集计算NDVI，提取青藏高原植被的主要物候指标：生长季开始时间、生长季结束时间和生长季长度，对青藏高原的草地物候变化趋势及其对气候因子(气温和降水)变化的响应情况做了相应的研究，得出主要结论如下：

(1)整个青藏高原地区从东到西随着海拔升高生长季开始时间逐渐变晚，植被的返青期从4月下旬开始，大部分地区的返青开始时间集中在5月～6月份。青藏高原生长季结束期在空间上的差异整体不显著，从9月中旬开始结束生长，尤其是青海省和西藏自治区内植被的生长结束时间相对集中，部分区域在10月份开始结束生长。

(2)由于地域差异，青藏高原植被生长开始和结束时间提前或推迟程度不同，青藏高原植被的整体生长季长度是延长的，但延长幅度不大。

(3)气温和降水共同影响植被的生长，而植被对不同季节的气温和降水的响应情况有所不同。冬季气温适当增加，使植被生长开始时间提前，且冬季气温对植被生长的影响要高于春季气温；夏季气温升高，使植被提前进入生长衰退期；秋季气温升高，降水增加使植被的枯黄期推迟。

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