2001—2016年内蒙古植被物候变化及其对生产力的影响

乌日汗， 红 雨*， 包 刚

(1. 内蒙古师范大学生命科学与技术学院， 内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学地理科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010022；3.内蒙古师范大学内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010022)

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第五、六次综合评估报告指出，自上世纪开始全球温度显著上升[1]，气候变暖成为陆地生态系统发生改变的主要原因之一。据上世纪80年代以来的卫星观测研究表明，随着气候变暖北半球温带至寒带植被物候、结构和生产力发生显著的变化[2-4]。例如，在上世纪末的20年(主要在1982—1999间)北半球植被覆盖度、生产力经历了显著的增加趋势[4-6]，可能是由春季气候变暖导致的返青期提前、秋季变暖导致的枯黄期推迟和植被在其季节变化中的振幅加大等所致[3,7- 8]。其中，返青期的提前和枯黄期的推迟将延长植被生长季的长度，增加植被光合作用的日数，从而增加植被生产力的累积[9]。这些研究结论也得到了地面观测和模型模拟研究的支持[10]。但近年，随着观测时间尺度的不断延长(1982至今)，植被生产力在不同的生态系统、不同的观测时间段内未能随着气温的持续升高而增加，而在全球不同区域呈不同程度的下降或保持平稳趋势[11]。这表明由气候变暖导致的植被物候变化(返青期、枯黄期及其导致的生长季的长短变化)及其对生产力的影响研究仍存在较大的不确定，在不同区域尺度上(如不同生态区、高原、国家和流域等尺度)需进一步的研究和探讨。特别是在全球气候变暖大背景下，开展区域尺度植被物候及其对生产力的影响研究，对揭示植被生产力改变的主要原因、缓解和适应气候变化等方面具有理论和实际意义。

内蒙古自治区位于中国北方边疆，生态环境脆弱，属于典型的温带干旱半干旱生态系统，是全球气候变化最为敏感的区域之一[12]。内蒙古东西和南北直线距离分别约2 400 km和1 700 km，受降雨梯度的影响由东北向西南分布着森林、草原和荒漠生态系统[12-13]，为气候变化背景下温带植被物候及其生产力的影响研究提供了较理想的场所和生态系统类型。研究表明，包括内蒙古在内的干旱半干旱区近百年来陆地表面增温最为显著的地区之一[14]，其植被物候、生产力变化趋势及调控因子复杂多样[15]，物候变化对植被生产力的影响方式和过程仍然存在较大的不确定性[16]。鉴于此，本研究利用2001—2016年中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS) 归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI) 数据，利用累积NDVI的Logistic曲线曲率极值法提取植被返青期、枯黄期和生长季长度等3种物候参数，并分析三者对植被生产力(NDVI)的影响研究。NDVI作为植被生产力的典型指标[17]，在区域至全球尺度的植被生产力、物候、生物量、覆盖度、作物估产和长势监测研究中得到非常广泛的应用[6-7,11,18]，为植被物候变化及其对生产力影响研究提供了最重要的数据源和方法手段。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区是中国北部高原地区，位于97°12′ E～126°04′ E和37°22′ N～53°23′ N之间，总面积约为1.18×106km2。气候以温带大陆性季风气候为主，降水量具有从东北向西南递减的特征，在东北地区年降水量达到300～400 mm，在西南部戈壁荒漠区最少，一般低于100 mm。气温空间分布特征与降水量相反，即在东北地区年均气温最低，而西南最高，约在—1.6～8.4℃之间波动。平均海拔约为1 000 m。生态系统类型从东北向西南依次为森林、草原和荒漠生态系统(图1)[12]。

1.2 数据来源与预处理

本研究所使用的NDVI数据为MODIS-MOD13A2产品，空间分辨率和时间分辨率分别为1 000 m和16天。在MRT工具的支持下，对每年每期6景MODIS NDVI数据(分别为h25v03，h25v04，h25v05，h26v03，h26v04和h26v05)进行图像镶嵌和投影变换等预处理，并利用内蒙古行政界线裁剪获得覆盖全内蒙古的2001—2016年逐年NDVI时间序列数据。考虑到16天最大值合成(Maximum Value of composite,MVC)[19]的NDVI数据中仍存在部分云或其它环境条件的影响，在时间序列曲线中经常出现锯齿状波动，不能符合植被生长的季节变化规律等实际，本研究采用Savitzky-Golay(S-G)滤波法[20]，对原NDVI数据进行逐像元的平滑和重构处理，降低原MVC方法无法去除的云和环境噪声，以恢复时间序列数据的季节变化规律(图2)。通过对原始数据和平滑后的数据进行比较和反复试验，最终在此将S-G方法的滑动窗口大小设置为7，拟合多项式的阶数设置为4。考虑到内蒙古西南部荒漠生态区的沙漠和戈壁荒漠区的植被覆盖极为稀疏，其NDVI值受土壤背景的影响较大，不能反映植被的季节变化规律等现象，在此将多年生长季平均NDVI值小于0.15的地区视为无植被区，将其从研究区移除[5]，最终71.5%的地区进入研究。

图1 内蒙古生态系统类型及其空间分布格局Fig.1 Spatial distribution of ecosystem types in Inner Mongolia

图2 NDVI数据平滑前后数据对比(以2001年第551行862列像元为例)Fig.2 Comparison between before and after smoothingNDVI data (using the pixel in column 862 and in line 551in 2001 as an example)

1.3 研究方法

1.3.1累积NDVI的Logistic曲线曲率极值法 利用Hou等[21]提出的累积NDVI的Logistic曲线曲率极值法，在像元尺度上识别研究区植被物候的三个主要参数—返青期，枯黄期和生长季长度。此方法是Zhang等[22]提出的年内NDVI的Logistic拟合法的改进，但与Zhang等的方法不同是该方法先对年内NDVI进行累积NDVI的计算(图3a)，然后利用Logistic函数对累积NDVI进行拟合(式1)并计算曲率(式2-3)，将最大曲率值和最小曲率值对应的时间分别定义为返青期和枯黄期，两者差值定义为生长季长度(图3b)。前人研究[23]和研究组前期分析[24]表明，与Zhang等[22]的结果相比，累积NDVI的Logistic曲线曲率极值法较适合于包括内蒙古在内的中国温带生态系统和蒙古高原植被物候的时空变化分析。

(1)

(2)

z=ea+bt

(3)

式中，y(t)为儒略日t对应的Logistic拟合的累计NDVI值，d是背景NDVI，c+d为累计NDVI的最大值，a和b是拟合参数。

1.3.2植被生产力与物候参数的变化趋势及相关分析 为展示植被生产力和物候变化趋势的空间格局，对逐年NDVI、返青期、枯黄期和植被生长季长度与年份之间进行线性回归分析，以斜率表示各指标的变化趋势(式4)[25]，

(4)

(5)

图3 累积NDVI的Logistic拟合曲线曲率极值法示意图Fig.3 Illustration of cumulative NDVI based Logistic curve model

2 结果分析

2.1 NDVI和植被物候空间分布格局

图4为内蒙古地区2001—2016年生长季平均NDVI和物候空间分布格局。由从图4a可知，受降水和生态类型空间分布的影响(图1)[12]，内蒙古植被生产力由东北向西南逐渐降低，在东北部森林生态区植被生产力最高，其多年平均NDVI值为0.53，其次为中部草原生态区，平均NDVI为0.36，而生产力最低像元主要分布在西南部荒漠生态区，其平均NDVI值约为0.21。从全区NDVI空间统计看(表1)，NDVI值介于0.15～0.25的面积约占研究区总面积的16.8%，0.25～0.35的占比为19.9%，0.35～0.45为13.6%，0.45～0.55为7.9%，0.55～0.65为13.0%，大于0.65的面积为0.53%。这说明，内蒙古高生产水平的植被类型占比较少，全区植被生产力总体上相对较低。从16年平均植被返青期空间分布格局看(图4b)，研究区返青期较早的地区主要分布在东北部森林生态区、中部草原生态区的东南部和西南部荒漠生态区地区，而大多草原生态区，尤其是锡林郭勒草原东部和呼伦贝尔草原地区的返青期相对较晚。森林、草原和荒漠生态区的平均返青期日数分别为第120，128和119天。枯黄期的空间分布格局与返青期的空间分布格局总体上呈相反(图4c)，即草原生态区(锡林郭勒草原和呼伦贝尔草原)的枯黄期比森林和荒漠生态区要早些，平均值分别为第269天、275和276天。生长季长度的空间格局(图4d)主要受返青期和枯黄期空间格局的影响。总体上，在返青期相对要早和枯黄期要晚的森林生态区和荒漠生态区平均植被生长季长度最长，分别为155，157天，而草地生态区的平均生长季长度为141天。

图4 内蒙古2001—2016生长季平均NDVI(4—10月)(a)、返青期(b)、枯黄期(c)和生长季长度(d)的空间分布Fig.4 Spatial distribution of growing season NDVI (a),start of growing season (b),end of growing season (c) and Lengthof growing season (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

表1 2001-2016年内蒙古生长季平均NDVI值统计结果Table 1 the statistics of growing season mean NDVI in Inner Mongolia during 2001-2016

NDVI值 NDVI value 0.15～0.250.25～0.350.35～0.450.45～0.550.55～0.65> 0.65面积比重 Area specific gravity 16.8%19.9%13.6%7.9%13.0%0.5%

2.2 NDVI和植被物候变化趋势的空间格局

图5为内蒙古地区2001—2016年生长季平均NDVI和物候变化趋势的空间格局。从NDVI变化趋势看，过去16年间内蒙古植被生产力主要以增加为主，即NDVI呈增加趋势的面积为91.6%，其中显著增加趋势的面积为47.5%，主要分布在森林生态区和荒漠生态区的东南部，即鄂尔多斯高原南部等地区(图5a)。以锡林郭勒草原和呼伦贝尔草原为代表的草原生态区的生产力尽管呈上升趋势，但其趋势不显著。2001-2016年间植被生产力呈下降趋势的面积仅为8.4%，零星分布在草原生态区南部和内蒙古主要粮食产区——河套灌溉区，但并不显著。

从植被返青期变化趋势的空间格局看，约占研究区58.7%的地区呈提前趋势(图5b)，主要分布在森林生态区、草原生态区的东部和西南部、荒漠生态区的大多地区。其中显著提前趋势的面积仅为6.0%，主要集中在草原生态区东北部地区。返青期呈推迟趋势的面积约为41.3%，主要分布在草原生态区中部和荒漠生态区的西北区域，但并不显著。需要指出的是，内蒙古粮食主产区—河套灌溉区的植被返青期呈显著的推迟趋势。在过去16年间，内蒙古植被枯黄期主要以提前为主(73.8%)，其中草原生态区尤为突出(图5c)。而呈推迟趋势的地区主要分布在森林生态区北部和荒漠生态区的南部的鄂尔多斯高原地区(26.2%)。与返青期相似，河套灌溉区的植被枯黄期也呈显著的推迟趋势，说明该地区农业活动在过去16年间整体推迟的现象。从植被生长季长短的变化趋势看，生长季延长趋势的地区主要分布在森林生态区的北部、荒漠生态区的西南部和草原生态区东北和西南地区。而生长季缩短趋势的趋势分布于草原生态区和森林生态区东部地区(图5d)。

图5 内蒙古2001—2016生长季NDVI (a)，返青期(b)，枯黄期(c)和生长季长度(d)的变化趋势Fig.5 Changing trends of growing season NDVI (a),start of growing season (b),end of growing season (c) and Length of growing season (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

2.3 植被物候对生长季NDVI的影响

研究区绝大多数地区的返青期与NDVI之间呈正相关(72.5%)(图6a)，主要分布在草原生态系统、荒漠生态系统及森林生态系统的南部地区。其中，在草原生态系统和荒漠生态系统交界处两者的相关尤为明显，呈显著的正相关(29.9%)。研究区东北部森林生态系统和草原生态系统的交界处，返青期与NDVI之间呈负相关(27.5%)，但只有5.7%的地区为显著负相关。枯黄期与NDVI之间呈正相关和负相关的面积分别为44.8%和55.2%，但都不显著(图6b)。总体上，呈正相关的地区分布在位于研究区东北地区的草原生态系统和森林生态系统交界处、西南部荒漠生态区南部和草原生态区中部小区域。由图6c可知，生长季长度和NDVI之间主要以负相关为主(72.7%)，主要分布在除东北部草原生态区和森林生态区交界处以外的大多地区。

图6 2001—2016年内蒙古植被返青期(a)，枯黄期(b)，生长季长度(c)与生长季平均NDVI的相关关系Fig.6 The correlation between vegetation start of growing season (a),end of growing season(b),length of growing season(c) and average NDVI of growing season in Inner Mongolia during 2001—2016

3 讨论

本文在对MODIS NDVI数据进行S-G滤波[27]的基础上，利用年内累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法[21,24]提取内蒙古植被2001—2016年返青期、枯黄期和生长季长度等3种物候参数，并进行了其对植被生产力(NDVI)的影响研究。Wu等[23]和包刚等[24]的研究表明，累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法在中国温带植被和蒙古高原地区具有较好的物候识别效果，其识别精度优于Zhang等[22]提出的年内NDVI(非累计NDVI)的Logistic拟合方法。本文识别的内蒙古植被返青期主要集中在第100～145天，在空间分布上西南部荒漠生态区和东北森林生态区比中部草原生态区要早些，返青期的分布范围和空间分部特征与Wu等[23]和包刚等[24]的研究结果基本一致。这一定程度上说明，累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法能够反映研究区植被物候分布的实际情况，可用于进一步的物候变化及其对植被生产力的影响研究。

内蒙古荒漠生态区植被返青期较早的原因可能与西南部地区的温度比中部高[26]有关，西南部荒漠生态区相对较高的温度使得返青期(除河套灌溉区)比中部草原生态区提前发生。尽管森林生态区分布在气温较低的地区[12]，但多为兴安落叶松、樟子松林，木本植物因其根系深入，能获得充足的水分，随着温度的逐渐升高其返青期可能比中部草原要早些[24]。枯黄期的分布大致与返青期相反，即位于温度相对高的荒漠生态区枯黄期明显比草原生态区晚。森林生态区枯黄期也比草原生态区要晚，其原因可能与这些地区分布着樟子松林等常绿森林植被有关，另一个原因可能与草原秋季打草和过度放牧有关，两者均将枯黄期提前。例如，有研究表明，内蒙古打草场主要分布在锡林郭勒草原东部(东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗)和呼伦贝尔草原(尤其陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗)地区[29]，在空间上与枯黄期较早的地区基本一致。另外，常年不合理的打草也可能将导致第二年返青期的推迟。不合理的打草(如种子未完全成熟前的打草)或多年连续打草可能将降低牧草种子产量，进而导致第二年的植被返青推迟和生产力的下降，这可能也是锡林郭勒草原东部和呼伦贝尔草原植被返青期较晚的另一个原因(图4b)。但目前在这方面的研究较少，有必要利用多源数据(地面观测和遥感数据)和生态系统模型来进一步探讨。除此之外，草原植被对气候变化，尤其降水的变化更加敏感，干旱等自然灾害的发生将草原枯黄期明显早于森林生态系统。植被生长季长短的变化趋势(图5d)主要受返青期和枯黄期的影响，即在植被返青期呈提前和枯黄期呈推迟趋势的地区，植被生长季长度主要以延长为主，而在返青期呈推迟和枯黄期呈提前趋势的地区生长季长度主要以缩短为主。在两者同时提前或同时推迟趋势的地区的生长季长度变化相对复杂，主要受两者变化幅度的大小。由空间分布格局的对比(图5bcd)可知在研究时段内枯黄期对生长季变化的影响比返青期的影响要大些。

植被生产力(NDVI)的空间分布主要受气温、降水和植被类型的空间分布的影响[18]。在水分条件充足的森林生态区生产力最高，其次为中部草原生态系统，而荒漠生态区的植被生产力最低，与穆少杰等[12]的研究结果一致。

基于NDVI的植被生产力研究表明，北半球中高纬度大多地区的植被生产力以上世纪90年代为转折点，呈先增加后下降的变化趋势[30-33]。与这些大区域尺度的研究结果不一致，内蒙古植被生产力在2001—2016年呈持续的增加趋势。其中，森林生态区和荒漠生态区的南部(鄂尔多斯高原)植被生产力的增加趋势尤为显著(图5a)，区域不同程度的气温、降水变化以及生态保护、植被回复工程等的共同影响可能导致其空间异质性[36-37]。在观测时间段内，尽管内蒙古物候变化表现出较高的空间差异，但未观测到大范围的显著提前或推迟区域(图5bcd)。

研究表明，由春季温度升高导致的返青期提前和秋季温度升高导致的枯黄期推迟将增加植被光合作用时间长度而增加植被生产力的累积[9-10,34]。3个物候参数与NDVI的相关分析结果(图6)，与前人在北半球和洲际尺度观测的研究结果不一致[2,35]，在内蒙古地区的植被返青期提前或枯黄期推迟并不一定增加植被生产力。这种现象在草原生态系统和荒漠生态系统更加明显。例如，在研究区草原和荒漠生态区，返青期与生长季平均NDVI之间呈正相关(图6a)，在某种意义上表明返青期的推迟将增加植被生产力，而不是提前将增加生产力。与此类似，在草原和荒漠生态区枯黄期和NDVI呈不显著的负相关(图6b)，表明在这些区域枯黄期的推迟可能降低植被生长季生产力。受返青期和枯黄期的影响(图6c)，在上述两个生态区植被生长季长度与NDVI呈负相关，说明生长季长度的延长并不一定增加植被生产力。与前人研究结果一致[9,35]，处于水分条件相对充足的研究区东北地区的森林生态区及其邻近地区植被生长季与NDVI呈正相关，说明生长季的延长将增加这些地区的植被生产力。

由于在草原生态区和荒漠生态区生长季的延长并不一定增加植被年平均生产力，我们在季节尺度上进一步分析了物候3个参数对生产力的影响过程(图7)。从图7a可看出，研究区绝大多地区(70.0%)的返青期与春季NDVI呈负相关，其中11.1%为显著负相关，说明返青期的提前将增加春季植被生产力。与春季不同，返青期与夏季和秋季植被NDVI的相关关系主要以正相关为主(分别为82.1%和87.6%的地区)(图7bc)，说明返青期的提前对该两个季节植被生产力产生负面作用。需要说明的是返青期与夏季NDVI相关关系的空间分布格局(图7b)与返青期与生长季NDVI相关关系的空间格局(图6a)高度一致。这可能与夏季植被生产力在年生产力中的所占比重较大有关，即植被年生产力的波动主要由夏季气候变化引起的夏季植被生产力变化有关，而与春秋季物候变化的关系不大。与返青期相似，枯黄期的变化主要对秋季植被生产力产生影响(图7d)，即研究区85.8%的地区的枯黄期与秋季NDVI之间呈正相关，说明枯黄期的推迟将增加秋季植被生产力。尽管本文初步反映了2001-2016年内蒙古植被物候和生产力变化趋势及其相关关系，但研究方法以遥感和相关分析方法为主，缺乏地面多年连续观测和生态系统模型模拟的研究。另外，植被生产力的变化除受物候变化影响外，还受气候、放牧、开垦、自然灾害(干旱、火灾和病虫害等)等多种因子的综合影响，有必要在今后工作中开展基于生态学模型的不同因素对生产力变化的贡献率，并与今后发布的遥感数据结合将观测尺度延长，降低16年观测尺度中存在的不确定性。

图7 2001—2016年内蒙古植被(a)返青期与春季NDVI，(b)返青期与夏季NDVI，(c)返青期与秋季NDVI和(d)枯黄期与秋季NDVI的相关关系Fig.7 The correlation between vegetation start of growing season and spring NDVI (a),start of growing season and summer NDVI (b), start of growing season and autumn NDVI (c)，end of growing season and autumn NDVI (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

4 结论

内蒙古植被生产力(NDVI)由东北向西南逐渐降低，与其降水和植被类型的空间格局高度一致。在观测时间段内研究区植被生产力(NDVI)主要以增加为主，其中森林生态区和荒漠生态区的植被生产力主要呈显著增加的趋势(P<0.05)。从物候参数的变化趋势看，返青期和枯黄期提前趋势的面积略大于推迟趋势的面积，但变化趋势呈显著的面积比重较低。物候参数与植被生产力的相关分析表明，返青期、枯黄期、生长季的变化趋势并不一定能决定所有生态系统的植被年生产力的变化趋势。但从季节尺度上的相关分析可看出，返青期的提前(或推迟)将增加(或减少)春季植被生产力，而枯黄期的推迟(或提前)将增加(或减少)秋季植被生产力。