1982—2015年中国温带地区夏季植被长势对生长季结束日期的影响*
2022-04-07赵丽蓉
赵丽蓉，包 刚,2，*
(1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022； 2.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，呼和浩特 010022)
植被物候是指植被受周围环境影响而形成的以年为周期的自然现象[1]。近年来随着遥感技术的广泛应用使得区域乃至全球尺度的植被物候，如植被生长季开始日期(Starting of growing season，SOS)、生长季峰值期(Peak of growing season， POS)、生长季结束日期(End of growing season，EOS)和生长季长度(Length of growing season，LOS)变化等的研究得到了广泛关注和快速发展。Zhu等[2]的研究表明，生长季结束日期比生长季开始日期的变化对植被生长季长度的影响更大。除此之外，Piao等[3]的研究还发现，在北部生态系统中，春季气候变暖导致CO2吸收的增加可能被秋季气候变暖导致的呼吸作用增强而损失的CO2所抵消作用。Keenan等[4]的研究表明，在美国东部温带落叶林中，生长季开始日期每提前一天，净碳吸收增加4.48 gC·m-2，生长季结束日期每推迟一天，净碳吸收将增加9.84 gC·m-2。这说明生长季结束日期在控制生态系统碳水循环中扮演着至关关键的作用。
植被是反映陆地生态环境的重要指标之一[5]。其中，归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)是监测区域乃至全球生态环境的最佳指示因子[6]，能定量表征植被生长状况，直观反映植被长势好坏[7]，通过监测植被长势动态变化，能够有效反映区域生态系统环境功能和变化。气象因子是影响植物生长发育的重要环境因素。大多数研究集中于气象因子对植被生长的影响，而夏季植被的生长或退化可能对生长季结束日期将产生重要影响，尤其在不同的植被类型上需要更深入的研究。除此之外，中国温带地区水热条件不同，是全球气候变化较敏感的区域，植被具有明显的季节变化。鉴于此，本研究利用1982—2015年第三代GIMMS NDVI数据，研究中国温带地区夏季(6月—8月)植被长势对生长季结束日期的影响，同时，结合夏季(6月—8月)、秋季(9月—10月)气象数据研究生长季结束日期对气象因子的响应。研究结果为更好的理解中国温带物候信息及更好的保护生态系统提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本文以中国温带作为研究区域，范围在26 °N—54 °N，73 °E—136 °E之间。研究区的东部为温带季风气候，包括华北平原、黄土高原、东北平原，西北地区远离海洋、气候干燥、降水稀少，为温带大陆性气候，青藏高原海拔较高，形成典型的高原气候[8]。植被包括东部湿润地区的森林，西北干旱地区的荒漠、草原和青藏高原高寒植被等[9]，区域内植被具有明显的季节性变化。此外，为了减少裸露土壤和稀疏植被对NDVI时间序列的影响，我们提取植被多年平均NDVI>0.1的像元[10]。
1.2 数据来源与预处理
本研究将利用美国国家航空航天局(NASA)全球监测与模型组(Global inventor modeling and mapping studies，GIMMS)归一化植被指数(Normalized difference vegetation index，NDVI)来反映中国温带植被夏季生长及识别生长季结束日期。数据来自于http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/，覆盖时间为1982—2015年。GIMMS NDVI数据集的时间和空间分辨率分别为15 d和8 km[11]，在此，对全球尺度的NDVI数据进行研究区范围内的掩膜处理，获得每年包括24幅影像的逐年(1982—2015年)NDVI时间序列数据。
中国植被区划图来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)的1∶100万植被区划数据。中国植被区划图将全国划分为寒温带针叶林，暖温带落叶阔叶林，针阔混交林，温带草原，青藏高原高寒植被，温带荒漠，亚热带常绿阔叶林，热带季风雨林、雨林8大植被区[12]。通过将研究区分类合并预处理，再重采样转变成与NDVI空间分辨率一致的栅格数据。由于亚热带常绿阔叶林、热带季风雨林植被生长的季节变化不明显和难以识别生长季结束日期[1]，在此不予分析。
气象数据为中国气象数据共享网(http://data.cma.cn/)提供的研究区1982—2015年每年夏季(6月—8月)、秋季(9—10月)的月平均气温、月总降水量及日照时数数据。利用克里金(Kriging)插值方法插值得到与NDVI数据具有相同空间分辨率的栅格气象数据集[13]。
1.3 研究方法
1.3.1生长季结束日期提取方法
利用时间谐波序列分析法(Harmonic analysis of NDVI time series，HANTS)[14]和累计NDVI的Logistic 曲线曲率极值法[15]提取植被生长季结束日期。HANTS通过对NDVI数据进行平滑处理，以进一步减小云和大气等对NDVI数据的干扰。在此基础上，逐像元计算每年24景NDVI数据的累计值，再对累计NDVI数据进行四参数Logistic曲线拟合(公式(1))和计算(公式(2)和公式(3))Logistic 拟合曲线的曲率K，最终根据曲率极值法，将最小曲率值对应的日期定义为生长季结束日期(图1)。
(1)
(2)
z=ea+bt
(3)
式中，t为儒略日/d，y(t)为与时间t对应的累计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。
1.3.2Theil-Sen median趋势分析与Mann-Kendall检验
本文采用Theil-Sen median趋势分析和Mann-Kendall检验法计算植被夏季NDVI和生长季结束日期的变化趋势[16]。Theil-Sen median方法是一种稳健的非参数统计的趋势计算方法，可以减少时间序列数据中异常值对趋势分析结果的影响[17]，其表达式为:
(4)
式中，Xi和Xj为样本数据值(1982≤i
Mann-Kendall检验用来判断趋势的显著性与否，其结构简单，计算方便，无需样本服从一定的分布，也不受少数异常值的影响[18]。以下式计算:
(5)
式中，
(6)
(7)
(8)
式中，Xi、Xj分别表示像元i年和j年的像元值；n表示时间序列的长度；sgn表示符号函数。本文以α=0.05置信水平判断变化趋势的显著性，将检验结果Zc分为显著变化(|Zc|>1.96)和不显著变化(|Zc|<1.96)。
1.3.3相关分析法采用相关分析法公式(9)，逐像元计算夏季(6月—8月平均值)NDVI和夏季(6月—8月)、秋季(9月—10月)气象因子(温度、降水、日照时数)与生长季结束日期之间的相关系数。
(9)
2 结果与分析
2.1 夏季NDVI和生长季结束日期的空间分布及变化趋势
1982—2015年间，中国温带植被夏季平均NDVI值具有很大的空间差异(图2a)。整体来看，NDVI主要介于0.05～0.91之间。夏季NDVI低值区主要分布在内蒙古中西部、青藏高原中西部和新疆地区，值一般低于0.24，主要与这些地区的植被类型为戈壁荒漠稀疏植被、荒漠草原、草原以及青藏高原高寒草地有关，与森林相比其植被覆盖度低下，生态系统较为脆弱。NDVI高值区主要分布在东北地区、华北平原及青藏高原东部地区，值总体高于0.50。尤其大小兴安岭地区和吉林、辽宁东部，由于气候条件湿润和分布着广阔的森林植被，其夏季NDVI值高达0.80以上。
过去34 a间，研究区夏季植被NDVI增加的区域约占总面积的65.56 %，其中，夏季NDVI显著增加的面积约占30.11% ，主要分布在东北平原、黄土高原及新疆天山地区(图2b)；夏季平均NDVI呈显著减小趋势的区域零散分布在东北大、小兴安岭及长白山一带、华北平原南部及青藏高原东南少数地区。
多年平均生长季结束日期的空间分布与NDVI基本一致，总体由自西北向东南推迟的趋势，在第231～354 d之间波动(图2c)。夏季NDVI值较低的新疆天山以北地区、青藏高原北部、内蒙古中西部及东北平原的生长季结束日期出现较早，总体介于第231～276 d之间，且呈现出提前的趋势(图2d)。而在研究区的东部和南部地区，即夏季NDVI值较高的东北大小兴安岭及长白山一带、华北平原的南部及青藏高原的东南地区生长季结束日期出现较晚，为第283～313 d，且生长季结束日期呈现出推迟的趋势，显著推迟的面积约占研究区15.18 %(图2d)。
审图号：GS(2021)4818号
2.2 夏季植被长势对生长季结束日期的影响
图3反映了中国温带地区夏季植被长势对生长季结束日期的影响。从图可看出，夏季平均NDVI与生长季结束日期呈负相关的地区主要分布在新疆天山以南地区、青藏高原地区及内蒙古地区等以草地为主的区域，占研究区64.9 %，其中显著负相关的像元为20.7 %(图4b，P<0.05)。这说明，在这些区域夏季植被长势好，可能将生长季结束日期提前。与此相反，在研究区东北部和东南部、新疆天山以北地区，夏季平均NDVI与生长季结束日期呈正相关，占研究区35.1 %，其中显著正相关的区域为7.0 %。这说明，在这些地区随着夏季NDVI值的增加，生长季结束日期可能会推迟。这些地区多为湿润半湿润地区，分布着森林和农田。
审图号：GS(2021)4818号
2.3 不同植被类型夏季长势对生长季结束日期的影响
从图4可以看出，所有森林植被类型寒温带针叶林(R=0.40，P=0.019)、暖温带落叶阔叶林(R=0.20，P=0.248)、混交林(R=0.16，P=0.363)的夏季NDVI与生长季结束日期均呈正相关关系(图4a-图4c)，即森林植被夏季NDVI值的增加可能将生长季结束日期推迟。与此相反，温带草原(R=-0.43，P=0.011)、青藏高原高寒草地(R=-0.30，P=0.087)及温带荒漠稀疏植被(R=-0.34，
注：虚线代表95%预测区间。
P=0.051)等草地植被夏季NDVI与生长季结束日期呈负相关关系(图4d-图4f)，表明夏季植被长势越旺盛，生长季结束日期可能将提前。从斜率看，夏季NDVI值平均增加0.1，温带草原、青藏高原高寒植被、温带荒漠稀疏植被的生长季结束日期可能平均提前3.17、7.23、5.51 d。经过草地和森林植被比较后也可以发现，草地植被夏季生长对生长季结束日期的提前作用明显大于森林植被夏季长势对生长季结束日期的推迟作用。
3 讨论
夏季NDVI的空间分布格局(图2a)与其分布区的植被类型和气候条件的空间格局基本一致，即降水相对充足的东北地区和华北平原NDVI比西北内陆干旱半干旱地区的NDVI要大[8]。中国新疆天山地区、黄土高原地区植被夏季NDVI呈显著增加趋势，东北地区反之(图2b)，这与高江波等[19]观测到的趋势结果基本一致。生长季结束日期的空间格局与NDVI总体一致，在西北地区植被秋季生长结束日期要东北和华北地区要早。Wu等[20]则基于SPOT NDVI数据，使用累计NDVI曲率极值法，得到1983—2015年中国温带地区的生长季结束日期主要在第220～310 d之间波动。本研究与先前的研究结果大体相似，生长季结束日期集中出现在231～313 d之间(图2c)，但由于所使用的遥感数据、物候识别方法、植被类型、观测时间长度的不同而略有差异。
Zani等[21]基于欧洲温带树木的实验、长期观察和建模分析，发现春季和夏季生产力的提高会导致叶片衰老提前而将生长季结束日期提前。与Zani等的结果一致，在中国温带草原和荒漠草原稀疏植被夏季NDVI的增加将生长季结束日期提前(图3a，图3d-图3f)，其原因可能是草原植被主要分布在干旱半干旱气候区，夏季植被NDVI的增加可能将增加土壤水分的蒸散发，从而导致植被干旱胁迫而将植被生长季结束日期提前。Buerman等[6]的研究表明，春季植被生长季开始日期的提前将通过增加蒸散发而抑制植被生长。Li等[22]的研究认为，夏季植被的生长导致青藏高原高寒植被生长季结束日期提前，这种植被活动可能是通过调节水分供应来影响生长季结束日期。这说明，草地植被夏季长势对生长季结束日期的影响可能通过水分消耗来产生。如，Tang等[23]研究也表明在水资源有限的地区，温度的升高将加剧植被水分压力，影响其后期生长。但与此相反，中国温带森林植被夏季NDVI的增加将推迟生长季结束日期(图3a，图4a-图4c)，其原因可能是森林主要分布在降水相对充足的湿润半湿润地区，夏季植被长势的提高(NDVI的增加)可能对秋季长势(秋季NDVI)产生滞后效应(而不是干旱胁迫)，从而将生长季结束日期推迟。但森林植被夏季生长对其生长季结束日期的影响机理有必要进一步深入，有必要在不同区域尺度和不同方法手段来深入研究[21,24]。
气象因子(气温、降水、日照时数)作为植物生长发育的重要环境因子，对植被生长季结束日期也产生重要作用。因此，我们进一步分析了夏季(图5)、秋季(图6)气象因子与生长季结束日期的相关性。从图可以看出，寒温带针叶林(图5a，图6a)、暖温带阔叶林(图5b，图6b)和混交林(图5c，图6c)等森林植被类型植被生长季结束日期与夏秋季气温和日照时数主要呈正相关。这说明这两个季节温度的升高将增强植被光和酶的活性和光合作用强度，从而减缓秋季叶片衰老的速度，推迟生长季结束日期[25]；同时，日照时数的增多可能意味着光合作用时间长度和光合有效辐射的增加，导致森林植被光合能力的提高和叶绿素含量的增加而推迟生长季的结束日期[26]。与此相反，森林植被生长季结束日期与降水主要以负相关为主，这可能因森林植被主要分布在降水相对充足的地区，降水量的增加将增加云量来降低温度和日照时数等，从而将生长季结束日提前[1]。而在水分条件较匮乏的草原(图5d，图6d)、青藏高原高寒植被(图5e,图6e)和荒漠生态系统(图5f,图6f)分布区，夏季降水量的增加将推迟其生长季结束日期。相反，夏季降水量的减小将增加草地植被干旱胁迫，通过使植被“渴死”而提前生长季结束日期。草地植被分布区生长季结束日期与夏季日照时数呈负相关，而与秋季日照时数呈正相关，可能由于日照时数的增多使植物光合能力增强，推迟生长季结束日期[25]。但过量的太阳辐射，将进一步加快土壤、植物的蒸散发，加剧干旱胁迫，致使生长季结束日期提前[27]。需要指出的是，增温对温带草地、高寒草地植被生长季结束日期呈推迟作用(图5d-图5e，图6d-图4e)，而荒漠草原植被生长季结束日期将产生提前作用(图5f，图6f)。
注：每个图的(P)和(N)分别代表正相关和负相关的百分比。下同。
图6 中国温带地区不同植被类型秋季气象因子和生长季结束日期相关系数的频次分布
4 结论
1982—2015年中国温带地区夏季NDVI值主要介于0.05～0.91之间，总体以增加趋势为主，各变化比例为不显著增加(35.449%)>显著增加(30.114%)>不显著减小(25.903%)>显著减小(8.534%)。生长季结束日期集中在第231～313 d之间波动，且由西北向东南推迟。其中，NDVI低值区主要分布在内蒙古中西部、青藏高原中西部和新疆地区，且生长季结束日期主要集中在第231～276 d之间，NDVI高值区主要分布在东北地区、华北地区及青藏高原的东部等地区，生长季结束日期主要集中在第276～313 d之间。
夏季植被长势对生长季结束日期的影响存在很大的空间异质性，夏季NDVI与生长季结束日期呈负相关的区域占总面积的64.9%，显著负相关达20.7%，主要分布在新疆天山以南地区、青藏高原地区及内蒙古地区；而呈正相关关系的面积占全区35.1%，主要分布研究区的东北部和东南部、新疆天山以北地区及青藏高原中部少数地区。在不同植被类型上，寒温带针叶林、暖温带落叶阔叶林、混交林的夏季NDVI与生长季结束日期均呈正相关，而在温带草原、青藏高原高寒植被、温带荒漠上则相反。
植被生长季结束日期的变化受多种因素的共同调节和控制，本研究初步分析了夏季植被长势对生长季结束日期的影响，同时，气象因子也对生长季结束日期的变化产生重要影响。此外，生长季开始日期、峰值期、人类活动等对生长季结束日期的影响有待进一步研究。因此，为了更好的理解生长季结束日期及其控制因素，需要更多的研究和实验。
