克里雅河流域植被物候时空变化及影响因素

张文奇, 李 丹, 师庆东, 郭玉川, 比拉力·依 明, 李 浩

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830046;2.绿洲生态教育部重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046; 3.西安石油大学 石油工程学院, 陕西 西安 710065)

陆地植被通常被认为对气候有着显著的响应[1-2]，它驱动了大气和地表之间的能量和质量交换，在水文和生物地球化学循环中起着重要的作用。而植被物候经常被视为生态晴雨表，它的本质是植被生命周期事件对环境因素变化的适应状况，它为理解和测量气候变化对生态系统过程的影响提供了一种有价值的手段[3-4]。单个植物或物种在田间水平上的生命周期事件如(芽的萌发、开花和叶的衰老)被称为植被物候学[5]，研究植被物候变化规律，可以为农作物的选种引种、农时预报以及气候情况的预测起到理论上的支持和指导价值。

传统的地面植被物候期观测方法收集工作繁重，时间空间范围有限，而遥感卫星长时间序列的连续观测具有范围广、时间跨度长、工作量小等优点，已成为一种被广泛认可的工具用以监测区域乃至全球大规模植被物候。基于遥感植被指数(Ⅵ)，如归一化植被指数(NDVI)来建立长时间序列的地表物候时间序列数据，通过利用地表物质的光谱反射率特性和时间特性提取一些关键指标来描述植被生长期的开始和结束(返青期和枯黄期)。Jahan Kariyeva等[6]利用AVHRR卫星获得的8 km，16 d合成最大NDVI数据(1981-2008)，以中亚地区为研究区，对每年计算的物候响应变量与多种环境因子进行建模分析，他认为山地景观物候主要受海拔影响，草原景观物候响应受温度年际变化的影响，沙漠景观的物候响应表现出最大的时间变异性，似乎受土壤碳含量、温度变化及冬季降水模式等多方面影响。Jessica Walker等[7]使用500 m的modis数据与landsat影像分析了美国亚利桑那州黄松(Pinusponderosa)森林物候模式对场地特征和气候条件的响应，认为在干旱年，海拔较低和草本植被比例较高的像素对降水条件变化的动态响应更大。玛地尼亚提·地里夏提等[8]对2001—2014年博斯腾湖流域植被物候信息进行了时空变化及驱动力分析，认为物候始期自南向北逐渐推迟、而末期逐渐提前，物候的空间分布特征与该区海拔高度的分布保持了较好的一致性，且该研究区物候期受人类影响较为明显。

克里雅河流域位于新疆的塔里木盆地南缘，典型的大陆性暖温带极端气候，同时包含了山地、人工/天然绿洲、荒漠等多种景观。目前，整个地区存在有明显的资源不协调的情况，该地区的农业活动都基本聚集在中游，下游主要以畜牧业为主，在农业和畜牧业多年影响下的干旱区绿洲植被物候变化情况如何？对于该地区植被物候期的变化研究仍处于空白，缺乏干旱区内陆河流域植被在长时间遥感尺度上物候反演结果的讨论分析。为此，本研究以MODIS反射率影像为原材料，对克里雅河流域植被生长期始期、末期、长度等指标进行提取和时空变化分析，初步讨论该地区植被物候期时空变化规律及其与气候因子的联系，为该地区气候变化背景下流域植被的演变过程研究提供一定的参考和指导意义。

1 研究区概况

克里雅河流域地处亚欧大陆中心，塔克拉玛干沙漠南缘，主要分布在于田县境内。克里雅河流域总面积大约为3.95×104km2，南北长约466 km，东西宽30～120 km[9]。该地区常年多风沙浮尘，四季分明，昼夜温差大，降水稀少，蒸发量大，流域径流补给主要依靠冰雪融水。发源于昆仑山北坡的克里雅河由经过各山川河谷的水最后在北坡普鲁村汇流而成[10]，在穿过于田绿洲后克里雅河深入塔克拉玛干沙漠，据相关文献记载历史上克里雅河曾经穿过塔克拉玛干沙漠流入塔里木河[11]，受到断流影响后在深入沙漠250 km处形成了达理雅博依绿洲[12-13]。研究区土地覆盖类型为稀疏灌丛、草地、耕地、城市、冰川、裸地和低植被覆盖地。

2 数据与方法

2.1 数据来源

(1) 遥感数据。本文使用的原始遥感数据为Terra/Aqua卫星的MOD09Q1产品，该数据来源于美国NASA LP DACC(Land Process Distributed Active Archive Center)。MOD09Q1提供了MODIS波段1(红光)，2(近红外)地表反射率数据，分辨率为250 m。它是MOD09GQ的三级合成产品。每个MOD09Q1像素都包含了在8 d内最佳的L2G观测结果，这是根据高观测覆盖范围、低视角、无云和云影、气溶胶负荷而选择的。现有关于遥感物候提取的研究中大部分采用16 d合成的植被指数产品，一般而言，越高的时间分辨率提取的物候参数越精确[14]。由于数据只包含两个波段，所以植被指数计算选择已被广泛使用的归一化植被指数(NDVI)，计算公式如下：

(1)

式中：nir为近红外波段； red为红光波段。

在美国NASA官网上下载了2000—2015年共730景MOD09Q1数据(数据从2000年第49 d开始)，使用MRT.MODIS影像处理工具批量投影转换，NDVI的计算、研究区裁剪以及异常值批处理通过python调用Arcpy及GDAL模块实现。

(2) 气象数据。气象数据来自国家气象科学数据中心http:∥data.cma.cn/site/index.html，选取于田县气象站点2000—2015年月均温度、降水量数据集。

2.2 研究方法

2.2.1 长时间序列植被指数重建方法 通过前期的数据预处理得到了研究区2000—2015年NDVI数据集，将所有年份中图像的像元按照相同的行列号串联起来，就得到了一条连续时间段内的NDVI曲线[15]。但因为受到太阳角度、观测角度、传感器灵敏性、地物双向性反射以及气溶胶的影响[16]，得到的曲线会是一条锯齿状且受某些不可抗力影响而导致的数据大幅度变动，因此需要使用滤波器或曲线拟合法实现长时间序列植被数据的重建[17]。本文基于timesat 3.3软件[18]使用Double Logistic(DL)曲线拟合法对2000—2015年计算后的8 d一景NDVI数据集进行拟合。如图1所示，DL曲线具有在开始处缓慢增长，到某一范围迅速增长，在极限时又缓慢增长的特性，这种特性符合大多数植被的生长情况，在缺乏有效观测数据的情况下，也能大致模拟出植被整个生长季的生长特征[19]。

2.2.2 植被物候信息提取方法 根据植被指数序列数据确定植被的返青期、枯黄期常用的方法包括阈值法、曲线曲率法等。其中，阈值法是2002年由学者Jonsson和Eklunda提出来的，它的关键是阈值的确定，根据拟合好的植被指数曲线，当植被生长曲线上的时间早于该阈值对应的时间时，认为植被未开始生长；当植被的生长曲线晚于该阈值时，则判定植被已经开始生长[20]。动态阈值法是此方法的进一步加强的方法，该方法采用的阈值不是某个具体的植被指数值，而是一种动态比值形式，以给定像元Ⅵ值增长、减少时期振幅的百分比为阈值，当大于或小于该阈值时认为此像元内植被开始或结束生长。对于阈值的选择，Jonsson和Eklundh在提出这一方法时建议将植被物候生长的开始期和结束期的阈值比例设置为20%[20]，考虑到干旱区的植被像元变化幅度小，最终选择30%作为本文的动态阈值条件(见图1)。

图1 NDVI数据集DL曲线拟合结果

2.2.3 趋势分析 时间上以年份为变化因子，采用一元线性方程定量描述植被返青期、枯黄期、温度、降水量的自回归变化趋势。

空间上对2000—2015年克里雅河流域植被物候期逐像元采用最小二乘法线性拟合得到相应的一元线性回归方程，方程里的斜率(slope)说明了植被物候期多年的变化，公式如下:

(2)

式中：n为累积年数,本文为16；Pi为第i年的生长季始期或末期; slope为一元线性回归方程的斜率,是n年连续年份的趋势；slope>0说明植被物候期在n年间的变化趋势是推迟的,反之则是提前的。

斜率趋势分析后以F检验对物候期变化程度进行显著性判断，此过程在Matlab2016 b软件中编程实现。

2.2.4 偏最小二乘回归 偏最小二乘回归(PLS)是由Wold S和Albanno C等人在1984年最先提出的[21]，作为一种新型的多元统计方法，偏最小二乘法实现了在一个算法下，同时做到回归建模(多元线性回归)、数据结构简化(主成分分析)以及两组变量之间的相关性分析(典型相关分析)。不同于传统的简单相关性分析，偏最小二乘回归特别适合变量数量多于样本数量、自变量值中有多重共线性的情况[22]。

本文通过SPSS的PLS扩展包实现偏最小二乘回归分析，选取输出结果中的标准化回归系数(MC)以及变量重要值(VIP)进行分析讨论，其中MC的正负表示自变量对因变量是正面影响还是负面影响，VIP值代表变量对因变量的解释重要性，一般认为大于0.8才有决定意义[21]。气候的变化不一定立刻改变植被的物候特征，已有研究认为植被的物候期对气候变化的响应具有滞后效应[23]，因此自变量本文选择当地植被返青期前5个月即当年1—5月的月平均气温和月降水量，植被枯黄期影响因素选择当年的7—11月的月平均气温和月降水量。通过这种分析方法探讨近16 a来克里雅河流域植被物候期与气候因子的关系。

3 结果与分析

3.1 2000-2015年克里雅河流域植被物候参数空间分布特征

由2000—2015年关键物候期空间分布特征(见图2)可以看出，克里雅河流域由南向北植被生长期始期逐渐推迟，这显然与该地区的海拔的分布格局具有一致性。整个流域的植被生长季始期主要在第60—180 d之间，全区16 a的平均值为130 d。其中上游地区昆仑山北坡植被带生长季开始时间主要在第140—160 d之间；中游为于田绿洲，物候始期主要在80—140 d之间；下游为达理雅布依绿洲，物候始期在120—140 d之间。上游地区的高海拔使得它的温度回升速率没有中下游快，植被的种子萌发、叶片展叶期来的更晚；中游于田绿洲地区物候期明显分为两极，造成这种情况的原因主要是部分区域为农作物，剩下的区域为人工景观植被和自然植被，整个克里雅河流域的人口基本都集中在于田绿洲，这也影响到了于田绿洲正常的物候期。

图2 2000-2015年克里雅河流域植被物候参数空间分布

克里雅河流域的生长期末期以及生长期长度主要在第180—322 d及70—250 d之间，16 a平均值分别为261 d和137 d。从图2中生长期末期和长度来看，中游于田绿洲的物候末期要比上下游来的都晚，且生长期持续时间更久。上游地区的植被生长期持续时间最短。

3.2 植被物候时间变化分析

利用GIS软件按流域上、中、下游分区提取2000—2015年植被物候始期(返青期)、末期(枯黄期)均值，用线性回归方程对其进行趋势分析，结果见图3。

图3 2000-2015年克里雅河流域植被物候始期及末期时间变化

由图3中可以看出整个流域16 a来物候始期呈现提前的趋势速率为-1.3 d/10 a，其中上游地区和下游地区都表现为小幅度推迟趋势，中游呈现大幅度提前趋势，变化速率为-3.2 d/10 a。流域物候末期呈现出推迟趋势，变化速率为1.1 d/10 a。上游和中游地区为推迟趋势，其中中游变化速率最大，变化速率为6.7 d/10 a，上游植被枯黄期波动较为明显，2007年后在295 d到173 d之间波动。下游的植被枯黄期变化和上中游呈相反趋势，在2011—2014年逐年大幅度提前，到2015年才有所回升。由图3中不同分区物候末期数据点分布来看，中游植被进入枯黄期的时间最晚，然后为上游，下游植被结束生长最早。

3.3 植被物候空间变化趋势分析

为了从整体上观测克里雅河流域植被关键物候参数的提前和推迟动态变化趋势，利用Matlab 2016b软件对研究区多年的物候信息进行逐像元的回归分析和显著性检验得到物候其关键参数变化趋势和F检验空间分布特征(见图4)。

图4 2000-2015年克里雅河流域植被物候参数空间变化趋势及显著性检验

结果表明，整个流域52.4%的区域物候始期呈现提前趋势，47.6%的区域表现为推迟趋势。返青期变化显著提前的区域所占面积为11%，不显著提前的区域占41.4%，4.8%和42.8%的区域呈现显著、不显著推迟。提前的区域主要集中在绿洲中部，分布较为密集，推迟的区域主要在上游和下游零星分布；枯黄期推迟面积占59.4%大于提前面积(40.6%)，其中显著推迟的面积为5.1%，不显著推迟面积占54.3%，显著提前区域占1.4%，不显著提前区域为39.2%。

推迟区域集中在绿洲上游和中游区域，上下游部分表现为提前趋势；克里雅河流域植被生长季长度增加的区域(64.7%)大于减少的区域(35.3%)，其中显著增加的面积占6.3%，不显著增加的面积占58.4%，2.2%的区域植被生长季长度显著减少，33.1%的区域呈不显著减少。整个流域上中游都成片的呈现生长期长度增加趋势，减少趋势区域零星分布，下游增加和减少区域均匀分布。

3.4 流域植被物候对气象因子的响应

图5为于田县气象站2000—2015年温度、降水情况，研究区年平均温度、降水量呈上升趋势，年升温幅度为0.11 ℃/10 a，年降水量增加幅度为2.45 mm/10 a。虽然16 a来整体呈现上升趋势但数据分布表现为不规则波动状态，多年平均温度均值为12.37 ℃，2012年最低为11.52 ℃，2015年温度达到最高值13.09 ℃。多年平均降水量为57.95 mm，2010年降水量达到最高186.9 mm，2009年降水量最低仅为23.5 mm。2000—2015年月均温(c)7月温度达到25.02 ℃，此处为峰值向两侧递减。多年月降水量6月降水量达到最高，然后向两极递减，在9月出现降水量小幅度回升现象。

图5 于田县年均温度(a)、降水量(b)、多年月均气温(c)及降水量(d)变化

由PLS回归分析可知(见图6—7)，克里雅河流域植被返青期与2，4月和5月的温度成负相关关系，与1，3月温度成正相关，1—4月的温度对其有显著的相关关系。说明1月的温度上升对植被返青期有推迟作用，4月的温度上升对植被返青期有促进作用，其中4月的温度与植被返青期VIP值最大，说明植被返青期主要受4月温度的影响。从降水来看，除了3月与植被返青期呈正相关，其他月份都为负相关，且只有5月降水月植被返青期的提前有显著的相关关系，说明5月的降水对植被返青期有促进作用，返青期主要受5月降水的影响。

图6 研究区植被返青期与温度及降水偏最小二乘回归系数(MC)及重要值(VIP)

图7 研究区植被枯黄期与温度及降水偏最小二乘回归系数(MC)及重要值(VIP)

图7为2000—2015年研究区植被枯黄期与月均温度和降水量(7—11月)PLS回归结果。图7表明，7，9月和11月温度与当年植被枯黄期存在显著相关关系，其中7月温度上升对植被物候末期的延长存在负相关，9—10月温度上升对物候末期延长起到正相关作用，9月VIP值最大，说明植被枯黄期主要受9月温度的影响。就降水量而言，7，8，11月对当年物候末期延长存在显著相关关系，7月为负相关，相关系数较低，8，11月为正相关，这两个月降水的增加会对当年该地区物候起到推迟的作用，其中8月VIP值最大，植被枯黄期主要受8月降水的影响。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

在全球变暖的大背景下，植被物候期的变化特征一直受诸多学者关注，研究植被物候在空间时间及气候驱动下的变化情况可以为气候或植被生长趋势起到预测作用。Jeong等[24]通过对1982—2008年卫星测得的归一化植被指数，分析了北半球温带植被生长季节的长期变化，发现半球尺度上物候始期呈提前趋势，物候末期呈推迟趋势，这与本文研究区结果相似。

对克里雅河流域的分析结果来看，上游、部分中游区域、下游保持了一种随海拔降低植被返青期、枯黄期提前的趋势。而中游大部分区域异常于上下游，植物生长季开始时间早于下游，生长季结束时间晚于上游，显然这是在人类活动影响下发生的。在祖拜代·木依布拉等[9]对该地区土地利用变化的研究中，克里雅河中游地区近20 a以来，耕地在绿洲内占据优势，耕地面积增加了6.44%，而草地和湿地面积减少了16.69%和4.38%。中游大面积农作物的种植是中游物候信息异于上下游的主要原因，农作物的生长环境区别于当地的干旱区植被，它们的生长状况除了受当地温度的影响，还看人为引水灌溉的时间、灌溉量与灌溉面积等，同时中游对克里雅河水量拦截也会给下游的植被带来负面影响，缺少相应的洪水漫灌可能让下游的植被叶片开始发育时间较晚。

气候变化对植被的影响体现在种子萌发、呼吸作用和光合作用等多个方面，他们的时间长度变化影响到大气—植被季节性碳循环格局[25]。在PLS分析结果里，4月的温度和5月降水量的增加会对植被返青期起到提前的作用，这符合春季温度和降水量对种子萌发、植被光合作用提前的规律。而1月温度对植物返青期起到推迟作用，1月属于该地区低温月，植物需要经历一定的休眠过程，避免霜冻对植物组织的破坏，1月的高温会延长植物休眠期，进而延长植被返青期[26-27]。与植被枯黄期的分析中秋季的温度和降水有利于植物生长季的延长，而7月的温度起到了提前结束生长季的作用。在西北干旱区7月植被处在生长季的峰值，如此强烈的蒸散发在水资源短缺的地方很难做到平衡。根据师庆东等人的调查，1 a中克里雅河只有少数月份才能流入下游的达理雅博依绿洲[12]，其他月份大部分河道都处于干涸状态，受水分胁迫的植被在高温下产生强烈的蒸散作用就会出现枯萎的情况，从而在影像上反应为植物绿度提前消失，物候末期提前。

遥感影像记录了不同地物类型的反射率，描述了像元尺度上植被信息的变化和分布特征，这也使得不同数据类型得出的物候信息也不相同，受传感器、分辨率、以及成像角度等多方面影响。目前较为常见的遥感物候分析数据主要包括MODIS，AVHRR，SPOT等数据。本文研究区域相对较小，在选择遥感影像数据类型时选用空间时间分辨率兼具的MOD09Q1地表反射率数据，同时也发现了很多不足。克里雅河流域植被类型多为荒漠植物，存在大部分区域植被稀疏，绿度不高，遥感影像较难捕捉到植被稀疏地区的变化情况等问题，在数据拟合时忽略了这种变化不敏感地区(见图8)。

图8 植被稀疏像元NDVI拟合曲线

因此植物物候信息都集中在成规模的绿洲内，越靠近绿洲边缘物候信息越混乱，容易出现今年的物候信息出现在下一年的情况。而在上游山区植被物候信息分布点较为杂乱，且差异性较大，一是这里的植被分布不集中，二是MOD09Q1产品在这里存在很多的噪音点，反射率值异常于其他地区。在选择气象数据时，由于研究区位于新疆南部且多为荒漠区，公开数据的气象站点只有一个，研究区外的气象点距离远且分布不均匀，不能构成插值的必要条件。将于田县气象站点数据作为整个流域的气象均值来进行分析，可能在代表整个地区的气象条件上较为薄弱。本文提出的结果及不足之处对该地区后续的相关研究提供了重要的参考价值，以期进一步加强和改进对干旱区植被物候变化遥感反演结果。

4.2 结 论

本文基于2000—2015年连续16 a的MOD09Q1地表反射率数据制作了时间分辨率为8 d的NDVI序列影像，利用MATLAB软件、一元线性回归方程以及偏最小二乘回归对克里雅河流域植被物候变化规律进行了分析讨论，得到如下结论：

(1) 2000—2015年，研究区植被生长季开始时间主要在第60—180 d之间，平均为第130 d；生长期结束时间在第180—322 d，平均值在第261 d；生长期持续时间70～250 d，平均持续137 d；中游于田绿洲的植被物候期开始时间最早，结束时间最晚，生长期持续时间最长。

(2) 流域物候的年际时间和空间变化上，植被生长期始期整体呈提前趋势，变化率为-1.3 d/10 a；生长期末期呈推迟趋势，变化速率为1.1 d/10 a；流域52.4%的区域物候始期呈现提前趋势，47.6%的区域表现为推迟趋势；生长期末期推迟面积占59.4%大于提前面积(40.6%)；64.7%的区域生长期长度为增加趋势。

(3) 由PLS回归分析可知：克里雅河流域物候始期主要受4月温度以及5月降水的影响，春季气温和降水量的升高会促进植被返青期的提前，但1月的温度上升会对植被返青期起到推迟的作用；物候末期主要受9月温度以及8月降水的影响，秋季气温和降水量的升高会对物候末期起到推迟作用。