辽蒙农牧交错带植被物候变化遥感监测

刘翀+张靖+鲍雅静+李政海+徐媛+吕娜+郑谭

摘 要：植被物候信号能够反映温度和降水等变化对植被生长的影响，对理解植物和环境间的相互作用关系、植物的适应机制和生存策略，应对全球变化具有重要的科学意义。研究区为辽宁朝阳、阜新，内蒙古赤峰、通辽，采用非对称高斯函数对2000—2015年研究区MODIS MOD13Q1 NDVI数据重建，提取辽蒙交界地区植被的物候信息——返青期和枯黄期。结果表明，辽蒙农牧交错带植被返青期在16年间表现为明显提前的趋势，赤峰市和朝阳市植被返青期整体呈显著提前，通辽市和阜新市植被返青期呈微弱提前；研究区内植被枯黄期发生变化区域较少，仅赤峰市和通辽市呈微弱延后趋势。

关键词：物候；遥感；NDVI；返青期；枯黄期

中图分类号：S127 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.01.008

Abstract：Vegetation phenological signals could reflect the effects of temperature and precipitation on vegetation growth. It was of great scientific significance to understand the interaction between plants and environment， the adaptation mechanism and survival strategy of plants and the global change. In this study， the study area was reconstructed from MODIS MOD13Q1 NDVI in the study area of Chaoyang and Fuxin of Liaoning， Chifeng and Tongliao of Inner Mongolia， and the asymmetric Gaussian function was used to reconstruct the MODIS MOD13Q1 NDVI data from 2000 to 2015. The results showed that the vegetation turning greening period in the agriculture and animal husbandryin Liaoning and Inner Mongolia zone showed a tendency to advance in 16 years， and the vegetation return period in Chifeng City and Chaoyang City was significantly ahead of that. The vegetation in Tongliao and Fuxin area were weaker in advance. The area with vegetation change in the study area was less， only Chifeng and Tongliao area showed a slight delay trend.

Key words：phenology； remote sensing； NDVI； green period； yellow period

植被是联系土壤、大气和水分的自然“纽带”，在全球变化的研究中起着“指示器”的作用[1]。随着全球变化日益成为人们关注的焦点问题，植被的物候信号能够反映出温度和降水等变化[2]，因此，研究植被物候特征对环境条件变化的响应，对理解植物和环境间的相互作用关系、植物的适应机制和生存策略，以及应对全球变化都具有重要的科学意义[3]。物候监测方法多通过定位监测，以人工方式逐日记录某种或多種植物/植被的发芽、开花、展叶、红叶、落叶等信息。但对于较大尺度的地理单元，如流域、省级区域，传统方法存在着耗时、费力等诸多问题。所幸，随着遥感技术的发展，特别是遥感物候学的出现，使监测大范围的植被物候状况及其动态变化变得快捷、方便。

植被指数（如NDVI、EVI等）常常用于遥感物候监测[4]。Chen等[5]和Studer等[6]对一些小规模的物候遥感地面验证工作进行了有益的探索和尝试，使物候学研究有了新的进展；王宏等[4]用NOAA/AVHRRNDVI时间序列影像拟合锡林郭勒典型草原1982—1999年的物候期发现，拟合的返青期变化趋势比观测值提前约12 d，但缺少枯黄期数据，对于生长季空间变化评价有局限性；郭剑等[7]使用SPOT Vegetation数据基于动态阈值法提取锡林郭勒盟草原返青期信息，发现其呈现由南向北推迟的空间格局，其提出的遥感监测和地面验证相结合的新方法精确度可达68%。也有人利用遥感监测植被指数来分析植被物候变化，进而给出植被物候变化的可能原因。高娃等[8]提取了2003—2007年锡林郭勒草原春季植被状况，发现历年植被长势和产草量的波动与降水量、热量的动态变化格局基本一致；游松财等[9]拟合重建了2001—2010年的MODIS EVI时间序列影像，利用动态阈值法提取了藏北高原植被的物候参数，发现植被物候受地形影响较大，随海拔的升高，植物生长季EVI降低、物候返青期推迟、生长季长度减小。常兆丰等[10]为了解荒漠地区的植物物候对气候变暖的响应，对甘肃民勒荒漠区18种乔木34 a的物候观测资料进行分析，发现当地春季气温升高是物候期大幅度提前的重要原因[11]。

以上物候研究多集中在西部干旱区、北部荒漠和北方典型草原，而对于农牧交错带，特别是内蒙古和辽宁的农牧交错带，应用遥感物候学的方法提取植被物候却鲜有报道。事实上，农牧交错带是遏制荒漠化、沙化东移和南下的生态屏障，其蕴含巨大的生产潜力，但同时该区生态环境极其脆弱，社会经济发展也相对落后。笔者以辽蒙农牧交错带为研究区，使用非对称高斯函数滤波对2000—2015年 MODIS MOD13Q1 NDVI数据进行重建，提取该地区植被的物候信息，分析引起该地区植被返青期变化的可能原因，以期增加对植被物候与气候变化之间相关关系的认识，增强我国对气候变化的应对能力，更为农牧业生产的实施提供可靠科学依据。endprint

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究区域位于东经118°10～123°40，北纬40°45～44°50，涉及地区有赤峰、通辽、朝阳、阜新4个地级市，一个多世纪以来，该地区土地利用方式发生多次变化，生态环境几经变迁，形成目前颇具代表性的农牧交错带。该地区处于暖温带半干早半湿润气候区，干旱多风，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥；年均降雨量316～526 mm，年际变动大，降水中的60%～65%集中在夏季，≥10 ℃年积温3 030～3 970°C；无霜期144～200 d；年日照时数2 823～2 944 h。

1.2 数据来源

研究所用数据为MODIS MOD13Q1NDVI16d最大值合成产品（下载地址：https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），空间分辨率250 m，时间跨度为2000—2015年。该系列数据预处理，如格式转换、拼接、重投影和裁剪等均在ArcGIS 10.3中完成。

所用气象资料来源于中国气象数据网（下载地址：http：//data.cma.cn/），收集研究区内2000—2015年地面气候资料数据集后处理为>10 ℃年积温和年降水量资料，数据整理在Access 2013中通过SQL语言完成。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI时间序列重构 虽然MOD13Q1数据经过最大化合成方法和云检测算法，消除了传感器观测角度和大气因素的影响，但仍有一些奇异值（显示为突然降低或针状峰值），影响返青期提取的精度，需要对NDVI数据进行滤波和重构消除奇异值的影响。本研究使用非对称高斯函数进行（Asymmetric Gaussian）NDVI数据滤波，该方法可以从局部拟合到全局拟合，再次构建的曲线可以更好地说明NDVI数据的复杂和细小的变化[12]。

2 结果与分析

2.1 研究区16年返青期、枯黄期变化

对2000年和2015年的NDVI进行滤波、重构和物候提取处理后，以2016年返青期和枯黄期数据减去2000年相应的数据得到图1。结果表明：（1）辽蒙农牧交错区整体呈现返青期提前。其中：辽宁省朝阳市植被返青期提前面积比例最高（84.92%），27.17%的区域年均提前0～1 d，26.42%的区域每年提前1～2 d，31.34%的区域每年提前大于2 d；内蒙古赤峰市返青面积比例为80.1%，16.15%每年平均提前0～1 d，15.52%每年提前1～2 d，48.43%每年提前2 d以上。而沿着辽蒙行政界线发现，越偏东北地区返青期延后面积比例越大。阜新市返青期延后面積比例为46.4%；通辽市返青期延后面积比例为47.82%，且集中在通辽市中部。

（2）研究区枯黄期提前面积整体在80%以上，辽宁地区甚至提前面积高达98%以上。阜新市枯黄期提前面积比例最大，达到98.71%，11.18%的面积平均每年提前0～1 d，45.05%的面积每年提前1～2 d，42.48%的面积每年提前2 d以上；朝阳市提前面积比例为98.6%和9.45%的区域平均每年提前0～1 d，44.29%的区域每年提前1～2 d，44.86%的区域每年提前2 d以上；而赤峰和通辽枯黄期提前面积比例略低，分别为84.21%和82.79%。

2.2 研究区16年返青期与枯黄期变化趋势分析

通过对2000—2015年16年的研究区植被物候进行趋势变化分析（图2），研究发现：（1）16年间研究区大部分植被返青期提前明显。赤峰市返青期提前面积比例为61.29%，其中23.85%通过极显著水平检验；朝阳市返青期提前面积比例为59.70%，其中19.00%的区域通过极显著水平检验。沿辽蒙边界线向东北区域的通辽市和阜新市返青提前面积比例略低，分别为31.01%和34.43%。对于研究区返青期的延后变化，通辽市和阜新市所占比例较大，通辽市1.44%的区域为极显著检验的延后，而在阜新市这一比例为2.01%，但通辽市和阜新市返青期无统计学上显著变化的面积比例也最高，分别为61.02%和59.03%。

（2）16年间研究区的植被枯黄期发生变化区域较少，提前区域集中研究区的东部、东南部区域，延后区域则集中在北部和西北地区。其中阜新市植被枯黄期提前面积比例相对最大，为26.03%，极显著检验水平的面积比例为4.29%；其他3市植被枯黄期提前面积比例较少，赤峰、通辽、朝阳分别为8.56%，8.16%，8.09%，通过0.01显著水平极显著检验的面积比例分别为0.72%，0.66%和0.31%。内蒙古地区枯黄期延后较明显，通辽市植被返青期延后面积比例为15.38%，其中1.9%为极显著延后，其次赤峰9.96%地区枯黄期延后，极显著延后的区域占1%。而辽宁地区枯黄期延后现象均不明显，即研究区偏南地区枯黄期提前相对显著，偏北地区延后显著。

3 讨 论

气候变化可能是影响辽蒙农牧交错带植被物候变化的因素之一。选取研究区2000—2015年降水和气温数据得到图3。

大量的研究表明，气候变化改变了植物物候期，呈现出春季提前，秋后推迟或略有推迟的现象，从而导致多数植物生长季的延长[14]。

内蒙古地区的年积温和年降水量均值整体低于辽宁地区。赤峰市年积温是研究区的最低值，为3 422 ℃，朝阳市最高，为3 747 ℃。年降水量，赤峰最低355 mm、阜新最高459 mm。研究区的逐年积温和降水，整体分别呈下降和上升趋势，而且分别在2010年和2012年降水量最高，同时在2010年积温出现最低值。其中：赤峰市积温波动较平稳，而降水上升趋势显著；通辽市积温整体下降较平稳，降水上升趋势较显著；朝阳市积温波动大且下降趋势显著，降水整体呈上升趋势且平缓；阜新市积温下降趋势显著，降水上升趋势相对显著。endprint

在本研究中，赤峰市年平均降水量和积温均为4个地区最低水平，但是其返青期提前和枯黄期所占面积仅次于朝阳地区，远远高于阜新市和通辽市，而阜新市和通辽市的年平均降水量和积温均很高。梅晓红等[15]研究发现，对植被返青而言，最有效的降水应在植被休眠的冬季或尚未萌动期，返青初期的降水对牧草可能意味着冷空气的来袭，将抑制或延迟牧草返青。陈效逑[11]研究也发现，内蒙古羊草在10—11月降水越多，羊草返青时所获得的土壤水分就越充足，返青就越早，反之越晚的结果趋同。所以，赤峰市和朝阳市年降水低，但是其植被返青期面积远远大于通辽和朝阳，有可能是这两个地区在植被休眠时的降水较充足。因此，了解地区每个季节的降水情况对植被物候期的研究也具有重要意义。

植被物候期与经度地带性之间也具有一定的关系[16]。研究区植被返青期提前的区域表现为赤峰和朝阳所占面积远远大于通辽和阜新，总体表现为当经度向东时，返青期提前面积越来越小。韩超等[17]发现，物候季节的类型有很强的区域性，物候春季向东每1个经度推迟约0.4 d，这与本文的研究结果存在相似之处。

事实上，土地利用也是影响辽蒙农牧交错带植被物候变化的因素之一。研究发现，在16年间研究区的植被枯黄期发生变化区域较少，提前区域集中在研究区的东部、东南部区域（赤峰市和朝阳市），延后区域则集中在北部和西北地区（通辽市和赤峰市西北部）。对于赤峰市和朝阳市，这两个地区的土地利用主要以农业为主，枯黄期提前很大程度上与农作物收获有关；通辽市和赤峰市西北部主要的土地利用为天然草地，随着气候变暖，表现出植被枯黄期延长的状态。

4 结 论

（1）2000—2015年辽蒙农牧交错带植被返青期表现为明显提前的趋势，且具有区域差异性。赤峰市和朝阳市整体呈显著提前趋势，平均每年提前2 d以上的面积占比分别为48.43%和31.34%；通辽市和阜新市呈现微弱提前趋势，平均每年提前0～1 d的面积占比相对较高，分别为20.34%和27.57%。

（2）2000—2015年辽蒙农牧交错带植被枯黄期发生变化区域较少。赤峰市西部和通辽市北部呈微弱延后趋势，平均每年延后0～1 d。

参考文献：

[1]王小平，郭铌，杨嘉.黄河上游玛曲县气候变化对植被的影响研究[J].西北植物学报，2007，27（4）：776-783.

[2]徐岩岩，张佳华，YANG L M.基于MODIS-EVI数据和Symlet11小波识别东北地区水稻主要物候期[J].生态学报， 2012，32（7）：2091-2098.

[3]叶鑫，周华坤，刘国华，等.高寒矮生嵩草草甸主要植物物候特征对养分和水分添加的响应[J].植物生态学报，2014， 38（2）：147-158.

[4]王宏，李晓兵，余弘婧.基于NOAA/AVHRR NDVI监测中国北方典型草原的生长季及变化[J].植物生态学报，2006， 30（3）：365-374.

[5]CHEN X，XU C，TAN Z.An analysis of relationships among plant community phenology and seasonal metrics of Normalized Difference Vegetation Index in the northern part of the monsoon region of China[J].International journal of biometeorology， 2001，45（4）：170-177.

[6]STUDER S，STCKLI R，APPENZELLER C，et al.A comparative study of satellite and ground-based phenology[J].International journal of biometeorology，2007，51（5）：405-414.

[7]郭剑，陈实，徐斌，等.基于SPOT-VGT数据的锡林郭勒盟草原返青期遥感监测[J].地理研究，2017，36（1）：37-48.

[8]高娃.草原返青期遥感监测分析[J].草地学报，2009，17（2）：227-233.

[9]游松财，宋春桥，柯灵红，等.基于MODIS植被指数的藏北高原植被物候空间分布特征[J].生态学杂志，2011，30（7）：1513-1520.

[10]常兆丰，韩福贵，仲生年.甘肃民勒荒漠区18种乔木物候与气温变化的关系[J].植物生态学报，2009，33（2）：311-319.

[11]陈效逑，李倞.内蒙古草原羊草物候与气象因子的关系[J].生态学报，2009，29（10）：5280-5290.

[12]ZHANG X Y，FRIEDL M A，SCHAAF C B，et al.Monitoring vegetation phenology using MODIS[J].Remote sensing of environment，2003，84（3）：471-475.

[13]YU H，LUEDELING E，XU J.Winter and spring warming result in delayed spring phenology on the Tibetan Plateau[J].Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，2010，107（51）：22151-22156.

[14]宋春橋，游松财，柯灵红，等.藏北高原典型植被样区物候变化及其对气候变化的响应[J].生态学报，2012，32（4）：1045-1055.

[15]梅晓红，吴春焕，何文革，等.巴州主要代表区域监测草地2016年返青期及返青特点[J].湖北畜牧兽医，2017，38（1）：8-10.

[16]邱丽氚，王尚义.用群系指标研究山西植被地带性[J].太原师范学院学报（自然科学版），2014（2）： 70-75，87.

[17]韩超，丁德平，李讯.中国物候季节时空分布规律研究[C]//中国气象学会2008年会议论文集， 北京：中国气象学会，2008.endprint