吕梁山地区常绿植被物候的提取和分布差异

王贝贝,周淑琴,荆耀栋,宋晓静

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030800)

植被生长受周围环境影响而产生规律性的更替现象称为植被物候[1-2]。近年来，全球性环境问题日益突出，植被物候的变化可以作为全球环境变化的强有力证据[3-4]。特别在山地地区，海拔垂直变化引起的气候差异明显，地形多变，常绿植被物候对周围环境指示效果更明显，提取和研究常绿植被物候的分布能为全球变化和常绿植被的其他研究提供参考。目前，植被物候提取的方法有基于地面观测、基于遥感观测、基于气象经验模型观测。基于遥感植被指数的物候提取方法解决了成本高、速度慢和人为因素影响大的问题而被广泛使用。乌日汗等[5]利用遥感数据对内蒙古地区生长季进行了研究，认为NDVI可以比较稳定地提取植被生长季的开始和结束日期。各类研究能通过阈值法[6]、曲线拟合法[5]、滑动平均法[7]、斜率最大值法[8]准确提取植被物候。在植被物候分布和空间差异上，有研究表明：黄土高原地区植被物候与经纬度关系密切[9]，山地植被物候随海拔而发生显著的变化[10]。

吕梁山地区处于黄土高原中段，水土流失严重，常绿植被作为吕梁山地生态系统的重要成分，对该地区生态恢复重建、群落小气候改善、碳汇有积极作用。以往研究者对吕梁山植被研究主要是针对单座山体或单一区域，缺乏整体完整的研究，并且在吕梁山地区的植被物候研究尚属空缺。本研究利用2016～2019年MODIS NDVI数据[11]，从吕梁山整体去提取常绿植被，并分析常绿植被的在空间、地形上的分布差异，为具体类型植被物候提取、吕梁山地区生态修复和常绿植被碳汇研究提供基础。

1 研究区概况

吕梁山位于山西省境内西侧，黄土高原东部，地理位置处于E 110°28′～112°44′、N 35°40′～39°33′之间。吕梁山脉主脊两侧为天然林区，西侧为水土流失和风沙区，东侧为山区与盆地的过渡带。海拔最高2794 m，海拔最低545 m，大部分地区海拔1100～1800 m。研究区属半干旱温带大陆性季风气候，从南到北水热条件空间变化较大，年均气温8 ℃，年降水量600 mm，降雨主要分布在夏季。吕梁山地区林地分布最多、面积最大，总面积为65.62万hm2，占全省林地总面积的17.95%。主要植被有华北落叶松、油松、云杉、白杄和青杄林林地，这些植被由北向南呈长条状、不规则地分布在管涔山、关帝山、云中山脉主脊两侧。其中常绿植被主要有油松、白皮松、云杉、白杄和青杄林。

图1 研究区的概况和地形

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2016～2019年MODIS NDVI数据来源于美国国家航空航天局(NASA)提供的MOD13A1数据集，分辨率为500 m、16 d，该数据集为产品数据，经过了辐射定标和大气校正。通过MRT工具从原始数据中得到NDVI数据，再通过研究区裁剪得到2016～2019年时间序列的NDVI影像。

DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)V2版本的ASTER GDEM，将其重采样为500 m，经研究区裁剪后得到吕梁山地区500 m DEM数据，利用Arcgis软件提取出坡度、坡向等地形信息。吕梁山地区研究边界是结合吕梁山海拔、地形和周围县界在Arcgis软件中提取到的。

2.2 研究方法

2.2.1 常绿林植被的识别方法 通过土地利用分类的方法提取到吕梁山地区林地的分布，结合NDVI值及其变化进一步将常绿林地与其他林地区分开来，最终提取到吕梁山地区常绿林的空间分布。12月、1月份常绿植被NDVI明显高于其他植被，通过设定分类阈值提取到常绿林分布，并在谷歌地球上检验提取结果的准确性。

2.2.2 常绿林植被的物候提取方法 本文选用TIMESAT软件的Savitzky-Golay滤波和动态阈值法，提取吕梁山地区常绿植被的物候期。MODIS NDVI数据通过最大值合成消除了云、雾的干扰[12-13]，但仍存在一些锯齿、异常点和局部突变(图2)，通过S-G滤波对NDVI影像的平滑处理，既能去除异常信息，又能较好地保存数据的真实性[14]。在NDVI时间序列的变化过程中通过动态设定阈值，提取植被的生长季开始日期(the start of the growing season，SOS)和生长季结束日期(the end of the growing season，EOS)[15-16]，动态阈值法可以根据不同植被种类、不同土壤类型动态的选取阈值，消除不同土壤、地形、植被类型对植被物候提取的影响。

图2 单个像元的NDVI曲线滤波和物候提取

植被物候期的计算按儒略日计算，1月1日为第1天，以此类推，当年12月31日为第355天(366 d)。本文将常绿植被的生长季开始日期阈值设为20%，生长季结束日期设为50%，生长季长度(the longth of the growing season，LOS)为生长季结束日期和生长季开始日期的差值。具体计算方法见式(1)。

NDVIlim=(NDVImax-NDVImin)×K

(1)

式(1)中NDVImax为生长季内最大NDVI值，NDVImin为最小NDVI值，K值为设定的阈值。NDVIlim对应的时间为物候期，左边为生长季开始日期，右边为生长季结束日期(图2)。

2.2.3 趋势分析方法 常绿植被物候在地形和空间上的差异呈现规律性变化，采用一元线性回归趋势法分析，具体见式(2)。

(2)

式(2)中，Gslope为物候的变化趋势；当Gslope>0时，物候呈推迟趋势；当Gslope<0时，物候呈提前趋势。j为研究划分的等级或研究长度。k为等级变量，Gk表示第k级植被生长季开始或结束日期。

3 结果与分析

3.1 常绿植被的识别和验证

常绿植被在冬季与其他植被有明显的特征，它的绿度明显大于其他植被，在NDVI上表现为明显大于其他植被。通过这一特征可以提取到常绿植被的研究边界，考虑到植被边界可能随着时间发生改变，为了排除常绿植被转化为其他植被的干扰，笔者分别对2016～2019年的影像提取边界，交集运算得到稳定的常绿植被边界(图3)。吕梁山地区常绿植被为8118.54 km2，占总面积的19.3%。主要分布在海拔较高的地方，管涔山北段、南段，云中山南段，研究区以南地区。

吕梁山地区常绿植被由于常绿植被多分布在原始森林地方，实地验证难以实现，通过谷歌地球，利用冬季时段的影像观察植被是否为绿色植被。另可通过NDVI变化交叉验证，常绿植被所在的区域NDVI变化趋势处于-0.0001～0.0009的范围内，变化基本稳定，符合常绿植被特征。

图3 吕梁山地区常绿植被物候期的空间分布

3.2 吕梁山地区常绿植被物候的空间差异

3.2.1 常绿植被物候的空间分布 吕梁山地区常绿植被生长季开始日期在第95～130天之间，平均为第105.4天，关帝山以南的地区生长季开始日期明显早于关帝山以北，南部火焰山附近植被生长开始最早，管涔山和关帝山主峰附近植被生长开始最晚。生长季结束日期在第280～320天之间，平均为第301.2 天，关帝山和管涔山主峰植被的生长季结束日期明显晚于其他地区。生长季长度160～230 d，平均约为195.7 d。关帝山以南生长季长度明显长于关帝山以北地区。

从研究区常绿植被物候期的空间分布看，由南向北，生长季开始日期逐渐延长、生长季结束日期逐渐推迟、生长季长度逐渐缩短。研究区植被物候同纬度关系密切，吕梁山地区为狭长的南北分布，东西范围较小，常绿植被物候在经度上的变化并不明显。通过图3可以初步得出植被物候期的分布与纬度、海拔关系密切。

3.2.2 常绿植被物候与纬度的关系 研究区为南北延伸的狭长山地，东西跨度较小、差异不明显，植被物候分布在经度上的差异暂不讨论，只研究物候期在纬度上的分布差异。为了定性研究植被物候期在纬度上的差异，结合研究区实际跨越的纬度范围，将研究区从北向南分按间隔43.1 km(0.388°)为10条块分析(图4)。结果表明：纬度由南向北升高，常绿植被生长季开始日期显著推迟(R2=0.9265，P<0.001)，从最南端的第97.6天推迟到北端的第116.7天，共推迟19.1 d，纬度每增高1°，生长季开始日期推迟4.9 d。生长季结束日期显著提前(R2=0.8656，P<0.01)，从第305.1天提前到第296天，共提前9.1 d，纬度每升高1°，生长季结束日期提前2.3 d。生长季长度显著缩短(R2=0.9620，P<0.001)，从第207.5天缩短到第179天，共缩短28.5 d，纬度每升高1°，生长季长度缩短7.3 d。

图4 常绿植被物候在纬度上的变化趋势

吕梁山地区南北跨度较大，各区域受到的太阳辐射热量不同，不同纬度的植被获得的光照、温度存在差异。研究区气温呈自南向北、自低丘陵向高山呈递减之势。纬度越高，植被获得的光、热越少，反之，植被获得的光和热越充足。植被物候在纬度上的变化主要受气温的驱动影响。

3.3 吕梁山地区常绿植被物候的地形差异

3.3.1 常绿植被物候与海拔的关系 吕梁山地区海拔高低相差2250 m，差异较大，不同海拔上物候期差异较大。前面研究得到，植被物候分布与海拔存在密切关系，为了具体研究常绿植被物候在不同海拔的空间分布，将海拔以200 m为间隔，划分为<900、900～1100、1100～1300、1300～1500、…、2300～2500、>2500共10个等级。将海拔分别与生长季开始日期、生长季结束日期和生长季长度进行趋势分析，结果表明(图5)：海拔<2500 m时，随着海拔升高，常绿植被生长季开始日期显著推迟，生长季结束日期显著提前，生长季长度显著缩短。海拔升高，植被开始生长的积温不足，开始日期推迟，气温下降，植被停止生长，提前休眠。海拔>2500 m时，常绿植被生长季开始日期开始提前，生长季结束日期开始推迟，生长季长度开始延长。这些植被主要在管涔山附近，在2500 m海拔以上分布最多的为云杉，温度的改变对耐寒植被物候影响变小，并且此地区为研究区北部降雨量最多地区，物候期逆趋势改变更多与降水和植被性质有关。综上所述，可得出气温是不同海拔下植被物候期分布存在差异的主要原因。

图5 常绿植被物候在海拔上的变化趋势

3.3.2 常绿植被物候与坡度的关系 为了研究不同坡度上常绿植被物候的分布和差异，将研究区按2°间隔划分为Ⅰ(<2°)、Ⅱ(2～4°)、Ⅲ(4～6°)、Ⅳ(6～8°)、Ⅴ(8～10°)、Ⅵ(10～12°)、Ⅶ(12～14°)、Ⅷ(14～16°)、Ⅸ(>16°)共9级(图6)。常绿植被生长季开始日期总体上随坡度的增加而显著推迟(R2=0.9065，P<0.01)，推迟速率为0.30，生长季结束日期总体上显著提前(R2=0.7267，P<0.01)，提前速率为0.39，生长季长度总体上呈显著缩短趋势(R2=0.8996，P<0.01)，缩短速率为0.59。常绿植被的生长季开始日期在坡度<6°时相对稳定，之后变化加快，生长季结束日期在<10°时相对稳定，之后变化加快。常绿植被的物候分布在10°以下相对稳定，当坡度达到10°以后，坡度增大，水土流失加剧，土壤养分流失，发生地质灾害的可能性加大，植被生长条件变得恶劣。

3.3.3 常绿植被物候和坡向的关系 不同坡向接受的光照和热量不同，导致不同坡向的温度存在差异[17-18]。本文将坡度划分为9个坡向，各坡向的常绿植被物候期如表1所示。常绿植被生长季开始日期开始最早的是东坡向，平均开始日期为第104.3天，最晚的是平面无坡向区域，开始日期为第106.9天，最早与最晚相差2.6 d。生长季结束日期结束最早的是平面无坡向，结束日期为第298.4天，结束最晚的是南坡向，结束日期为第302天，最早与最晚相差3.6 d。生长季长度最短的是平面无坡向为191.5 d，最长的是东坡向为196.7，两者相差5.2 d。研究区阳坡气温条件优于阴坡，水分状况比阴坡差。阴坡土壤的水分蒸发慢，水土保持好，常绿乔木多生长在阴坡,灌木林多生长在阳坡。植被生长季开始日期跟气温、降水、植被类型关系密切。同一时间，阳坡接受太阳辐射能多于阴坡，温度状况比阴坡好，阳坡生长季结束日期晚于阴坡。

表1 常绿植被物候在不同坡向上的差异

图6 常绿植被物候在坡度上的变化趋势

4 讨论与结论

目前，吕梁山地区的植被研究多是以管涔山、关帝山等个别山脉作为研究对象，本文则是系统整体地去研究整个吕梁山地区。而吕梁山植被物候提取的相关研究较少，本文以常绿植被为例，介绍了常绿植被识别、植被物候提取、常绿植被物候的分布差异。本文选用NDVI阈值分割方法，提取到的常绿植被范围已经通过验证，将来可以结合更高分辨率的数据以提高分类精度。NDVI时间序列曲线重构的方法众多，运用较多的是S-G滤波，不仅能去除曲线的突变和尖峰，而且数据保真性较好。物候提取方法不同，结果稍有差异，本研究通过动态阈值法提取的物候结果与同类型研究结果基本相似。

本研究利用MODIS NDVI数据，通过S-G滤波和动态阈值法提取了吕梁山常绿植被物候，并运用趋势分析法定量分析了植被物候在空间和地形的差异。结果表明：(1)梁山地区常绿植被生长季开始日期在第95～130天之间，生长季结束日期在第280～320天之间，生长季长度在160～230 d之间。(2)研究区常绿植被物候与纬度关系密切，随着纬度由南向北升高，生长季开始日期显著推迟(R2=0.9265，P<0.001)，生长季结束日期显著提前(R2=0.8656，P<0.01)，生长季长度显著缩短(R2=0.9620，P<0.001)。(3)常绿植被物候在地形上的差异明显，海拔升高，生长季开始日期显著推迟，生长季结束日期显著提前，生长季长度显著缩短；坡度变大，生长季开始日期显著推迟，生长季结束日期显著提前，生长季长度显著缩短；各坡向的物候差异明显，生长季开始日期最大相差2.6 d。生长季结束日期最大相差3.6 d,生长季长度最大相差5.2 d。