内蒙古植被生长峰值期时空动态变化及其对气候因子的响应

海慧敏，包刚，2

（1.内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.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）

植被是区域生态环境变化的重要指标［1］，在陆地表面-大气能量交互中起着重要的作用［2］，已成为全球气候变化领域最重要的研究内容之一［3］。物候是指植物受气候或其他环境因子的影响而出现的自然现象［4］，是气候变化最敏感的指标，其动态变化对陆地生态系统碳循环产生深远影响［5］。返青期和枯黄期是植被生长开始和结束时期的最重要的两个物候指标，其变化直接决定植被生长季的长短和年生产力的多少［6］。20 世纪70 年代以来，遥感技术与方法的不断发展及广泛应用，区域尺度返青期和枯黄期及其与气候变化的关系研究得到广泛的关注和重视［7］。研究表明，1982—2010 年中国温带地区植被返青期较早，平均提前了（1.3±0.6）天/10 年，降水是植被春季物候对温度变化反应的关键性调节因素［8］。Liu 等［9］研究表明，温度和枯黄期之间呈正相关性。通过验证森林植物群落枯黄期和气候环境的相关性，发现除常绿针叶林外，枯黄期与季前期的日照呈正相关，对干燥的草地，季前期的降水更为主要。区域尺度生长峰值期指植被生长季节最大植被指数（NDVI）出现的日期［10］。由于温带生态系统植被生长峰值期一般出现在生长最旺季即夏季，其变化对年植被生产力的影响可能比返青期和枯黄期更加重要和深远［11］。

植被生长峰值期的变化与气候变化的相关性，逐渐成为研究全球变化对陆地生态影响的重要因素。如Park 等［12］基于NASA 地面卫星MODIS GPP 数据的研究发现，2000—2016 年，北半球因气候变暖，自然植被生长峰值期提前了（1.66±0.3）天/10 年。Xu 等［13］的研究也表明，由于气候变暖和植被生长度日（growing degree days，GDD）的增加，1982—2012 年间北半球温带阔叶林、温带草原和农田植被生长峰值期分别提前了1.6、1.1 和1.5 天/10 年。Gonsamo 等［14］的结果进一步表明，1982—2015 年间，北半球＞30°地区的植被生长峰值期提前了1.2 天/10 年，提前趋势明显增加植被生长峰值和CO2的吸收能力。在中国国家尺度，Yang 等［15］发现，2000—2016 年中国温带草地植被生长峰值期呈提前趋势（-0.68/天，P＜0.05），而高寒草地生长峰值期呈推迟趋势（0.29/天，P=0.158）。Wang 等［5］在全国尺度的研究指出，1982—2015 年间大多植被类型的生长峰值期呈提前趋势，但落叶针叶林生长峰值期呈推迟趋势。相较于返青期和枯黄期的研究，植被生长峰值期，尤其温带干旱半干旱地区植被生长峰值期及其驱动机制未得到足够的重视和深入研究，有必要进一步深入探讨。内蒙古自治区是我国北部边疆的主要生态屏障，属典型的干旱半干旱气候，生态环境较脆弱［16］，植被类型沿东北向西南依次为森林、草原和荒漠，为干旱半干旱区植被生长峰值期及其驱动机制研究提供了较理想区域。

鉴于此，本研究基于1982—2015 年全球检测与模型研究组（GIMMS）第三代NDVI 数据和2016—2019 年分辨率成像光谱仪（MODIS）NDVI 数据，采用一元六次多项式函数识别内蒙古植被生长峰值期，并与研究区38 年月平均气温和月总降水量数据结合，分析其植被生长峰值期及其与温度和降水之间的关系，旨在揭示改变干旱半干旱生态系统植被生长峰值期变化的主要驱动因子。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区（以下简称内蒙古）地处欧亚大陆内部（37°24'～53°23'N，97°12'～126°04'E），全区总面积约118.3 万km2，占中国土地面积的12.3%，是中国第三大省区［20］。内蒙古地势南高北低，属高原型地貌区，平均海拔高度约为1 000 m。气候以温带大陆性季风气候为主，年平均降水量在150～400 mm 之间，降水多集中在5—10 月，最大年蒸发量超过2 500 mm［17］。其地带性气候由西向东湿润度逐渐增加，季节特征表现为春季干旱多风，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。

1.2 数据来源及其预处理

1.2.1 NDVI 时间序列数据集 采用两种遥感数据，1982—2015 年的GIMMS NDVI 数据来自美国航空航天局（NASA）（http：//ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.vl），15天最大值合成的NOAA/AVHRR NDVI 数据集，空间分辨率0.083 3°。该数据集对云、太阳高度角、仪器视场角、气溶胶等影响进行校正和相关处理，以最大限度确保遥感数据获取质量［18］。2016—2019 年MODIS NDVI 数据来源于美国Terra 卫星MOD13C1 植被指数产品数据集（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），时间和空间分辨率分别为16 天和0.05°（约5.6 km）。通过对MOD13C1 数据进行投影变换、裁剪、重采样等预处理，生成与GIMMS NDVI 数据分辨率一致的影像数据，并对两种数据重叠年份进行一致性检验，且回归系数达到0.94（P＜0.01），表明两种数据具有一致性。考虑到戈壁荒漠地区的植被稀少，且其季节变化规律不明显，因此本研究将多年平均NDVI 小于0.08 的像元剔除，认定为“无植被区”［19］。

1.2.2 生态区划数据 生态区边界数据来源于穆少杰等［20］采用的世界野生动物基金会的Terrestrial Ecoregions 数据。Terrestrial Ecoregions 数据将全球划分为825 个生态区，其中内蒙古地区有13 个生态区。根据内蒙古的气候特征和植被分布特征，将13 个生态区合并为森林生态区、草原生态区和荒漠生态区（图1）。

图1 研究区植被生态区划图Fig.1 Vegetation type map of study area

1.2.3 气象数据 气象数据来源于内蒙古气象局提供的地面监测月值气象数据集，包括48 个气象台站1982—2019 年月平均气温和总降水量数据。通过对遥感识别的物候数据发现，由于内蒙古植被生长峰值期在8 月结束［15］。因此，本研究考虑了季前和生长季月平均温度和月总降水数据。根据气象站点经纬度信息，在ArcGIS 10.6 软件的支持下，对气象要素进行克里金空间插值处理，获取与NDVI 分辨率一致，投影相同的格网化气象数据，并以此数据为基础，分析植被生长峰值期对气象因子的响应。

1.3 研究方法

1.3.1 植被生长峰值期的识别 利用一元六次多项式拟合方法［21］，识别植被生长峰值期。将1 月至12 月每半月的NDVI 数据与所对应的日期进行多项式拟合，公式 为y=ax6+a1x5+a2x4+a3x3+a4x2+a5x+a6，式中x为从1 月1 日起开始的日期，范围为1～365。由此获得年度NDVI 曲线，并在获得拟合曲线中获取最大NDVI值，且计算出与最大NDVI 值对应的日期作为植被生长的峰值期（图2）。

图2 NDVI 与日期拟合示意图Fig.2 Schematic diagram of NDVI and date fitting

1.3.2 趋势分析 采用一元线性回归法在区域尺度和像元尺度上计算内蒙古植被生长峰值期的变化趋势，用斜率来表示变化趋势的大小，斜率大于0 表示植被峰值期呈推迟趋势，斜率小于0 表示植被生长峰值期呈提前趋势。公式为yi=kti+b(i=1，2，…，38)，yi表示逐像元植被生长峰值期，ti表示yi所对应的年份，k和b分别为斜率和截距。

1.3.3 相关分析 为分析植被生长峰值期对气候变化的响应，选取每年1—7 月的平均温度和月总降水量序列数据与植被峰值期之间进行相关分析，以相关系数R来计算导致植被生长峰值期发生变化的主要因子。

2 结果与分析

2.1 植被生长峰值期的空间分布特征

1982—2019 年内蒙古植被平均生长峰值期的空间分布格局如图3 所示。由图3 可见，内蒙古大部分地区（89.9%）植被生长峰值期主要介于第200—230 天（即7 月中旬至8 月下旬），平均植被生长峰值期为第215 天。森林生态区的植被生长峰值期较早，平均为第209 天，由北向南逐渐推迟。草原生态区的植被生长峰值期主要分布在第210—225 天，平均为第215 天。荒漠生态区的植被生长峰值期要晚于草原生态区，平均为第218 天，其中荒漠生态区的西部植被生长峰值期要早于第200 天。

图3 内蒙古植被生长峰值期的空间分布Fig.3 Spatial distribution of peak vegetation growth periods in Inner Mongolia

2.2 植被生长峰值期的变化趋势分析

内蒙古植被生长峰值期变化趋势的空间分布特征如图4 所示。内蒙古植被生长峰值期的变化比较明显，30.5% 像元的植被生长峰值期变化斜率小于0，表明同一像元内的植被生长峰值期提前，提前趋势较大的地区主要分布森林生态区（0.2 天/年）和零星分布在荒漠生态区西部（0.6 天/年）。剩余69.5% 像元的植被生长峰值期变化斜率大于0，表明同一像元内的植被生长峰值期延后，主要分布在草原生态区东部和荒漠生态区，其中荒漠生态区植被生长峰值期推迟幅度要大于草原生态区。

图4 内蒙古植被生长峰值期的趋势分布Fig.4 Trend distribution of peak vegetation growth period in Inner Mongolia

年际植被生长峰值期构成的时间序列可以直观地反映在较长时间内的变化趋势。如图5 所示，内蒙古植被生长峰值期主要波动在第205—225 天，呈显著推迟趋势，推迟速率为0.12 天/年，最早和最晚的植被生长峰值期分别出现在1991 年和2016 年。从不同生态区的植被生长峰值期来看，森林生态区、草原生态区和荒漠生态区的变化趋势相同，即呈推迟趋势，其中荒漠生态区呈显著推迟趋势，推迟速率为0.23 天/年。森林生态区的植被生长峰值期主要波动在第204—214 天。草原生态区的植被生长峰值期要晚于森林生态区，主要波动在第208—221 天。

图5 1982—2019 年内蒙古植被生长峰值期年际变化Fig.5 Interannual variation of peak vegetation growth period in Inner Mongolia from 1982 to 2019

2.3 内蒙古植被生长峰值期对气象因子的响应

植被生长峰值期与生长季平均温度呈负相关的面积约占总面积的46.2%（图6a），主要分布森林生态区与荒漠生态区，其中呈显著负相关（5.7%）的区域分布在荒漠生态区西南部。呈正相关的面积约为53.8%，草原生态区的植被生长峰值期与生长季平均温度主要呈正相关，呈显著正相关（10.2%）的区域主要分布在草原生态区的东部和西南部，零星分布于荒漠生态区的东南部。与降水的相关性空间分布图可以看出（图6b），内蒙古大部分植被生长峰值期与降水呈正相关（59.7%），呈显著正相关（12.7%）的区域主要零星分布与荒漠生态区。呈负相关（40.3%）的区域主要分布在森林生态区和草原生态区东部，其中森林生态区主要呈显著负相关（10.5%）。

图6 内蒙古植被生长峰值期与生长季温度（a）和降水（b）的相关关系Fig.6 Correlation between peak vegetation growth period and temperature（a）and precipitation（b）in growing season in Inner Mongolia

由1982—2019 年内蒙古植被生长峰值期与季前1-7 月平均气温和月总降水的相关关系可以看出（图7），内蒙古植被生长峰值期与季前1-3 个月的降水呈正相关，与季前4-7 个月的降水呈负相关，相关性不显著，且相关性较低。与季前1-7 月的平均温度呈正相关，且与季前4-5 月的平均温度在P＜0.05水平下显著正相关。

图7 内蒙古生长植被生长峰值期与季前气温和降水的相关关系Fig.7 Correlation between peak growth period of growing vegetation and pre-season temperature and precipitation in Inner Mongolia

2.4 内蒙古不同生态区植被生长峰值期对气候的响应

内蒙古不同生态区植被生长峰值期与温度和降水的相关关系如图8 所示。内蒙古不同生态区植被生长峰值期与生长季平均温度和总降水的相关性见图8a。森林生态区与荒漠生态区与生长季降水呈显著相关（P＜0.01），草原生态区与温度和降水呈不显著正相关。森林生态区与季前温度和降水的相关性可知（图8b），森林生态区与季前2 月的温度呈显著正相关（P＜0.05），与季前1—7 月降水呈显著负相关。草原生态区与季前1—7 月的温度呈不显著正相关，与季前2—7 月降水呈不显著负相关（图8c）。荒漠生态区与季前2—6 月的温度呈正相关。与季前1 个月，季前3—7 月降水呈显著正相关（P＜0.05）（图8d）。

图8 内蒙古不同生态区植被生长峰值期与温度和降水的相关关系Fig.8 Correlation between peak periods of vegetation growth and temperature and precipitation in different ecological zones in Inner Mongolia

3 讨论

本文利用1982—2015 年GIMMS NDVI 和2016—2019 年MODIS NDVI 时间序列数据，并结合一元六次多项式函数拟合法识别内蒙古植被生长峰值期，发现内蒙古大部分植被在夏季达到生长峰值期，通常在7 月至8 月之间。这与先前的研究一致，即大多数生态系统的光合作用峰值发生在最高温度附近［22］。峰值时段的时间格局可能对了解植被活动对气候变化的响应更为重要，1982—2019 年，内蒙古植被生长峰值期以推迟趋势为主，推迟速率为0.12 天/年，推迟面积约占总面积的69.5%。内蒙古东北部森林生态区植被生长峰值期相对较早，如东北部森林生态区植被生长峰值期较早可能与该地区的水分条件充实有关，因为该地区离太平洋相对较近［23］。草原生态区植被生长峰值期明显晚于森林生态区，这可能与森林生态区植被对气候变化更加敏感有关，即随着温度的增加和降水量的增多，其生长峰值期比草原更早发生。荒漠生态区植被生长峰值期比草原生态区晚些，可能与其分布区的平均温度比草原分布区的温度高，且降水少有关。从不同生态区的趋势分析看，荒漠生态区植被生长峰值期的推迟趋势最大（0.23 天/年），尤其西部地区的推迟趋势达0.6 天/年。草原生态区植被生长峰值期的推迟趋势最小（0.01 天/年）。

气候条件是影响植被生长峰值期变化的直接因素。本研究分析了生长季温度降水和季前温度降水对内蒙古植被生长峰值期的影响。植被生长峰值期与生长季平均温度呈负相关区域主要分布在森林生态区与荒漠生态区，说明随着生长季温度的升高植被生长峰值期将会提前；原因很可能是由于大多数植物随着当地和全球变暖，开始提前增长［24］，因此导致NDVI 较早的达到最大值，从而提前生长峰值期。此外，还有可能是温度的升高会导致夏季干旱，由此导致植物生长峰值期提前，以避免潜在的损害，提升植物对环境的自适应性［13］。草原生态区的植被生长峰值期与生长季平均温度呈正相关，表明生长季温度的升高导致植被生长峰值期推迟。森林和草原生态区东部与生长季降水主要呈负相关，即随着生长季降水的增加植被生长峰值期将提前，说明在整个生长季内降水的增加可能通过云量、降低温度和辐射等来抑制分布于相对湿润和寒冷地区的植被生长［25］，从而使植被生长峰值期提前。荒漠生态区与草原生态区大部分地区随着生长季降水的增加将会推迟植被生长峰值期，降水的增多，有利于保持土壤水分条件，使植被长得旺盛，从而推迟植被生长峰值期。1982—2019 年间，植被生长峰值期与季前温度呈正相关，说明季前温度的升高将推迟植被生长峰值期，原因可能是，较高的温度可能导致植被失水并造成夏季干旱，因此导致植被生长峰值期推迟。季前降水量对植被生长峰值期的影响并没温度明显，但季前1—3 月降水的增加将推迟植被生长峰值期，可能更多的降水可以提供水分，从而有利于植被的生长［11］，因此导致生长峰值期推迟。

4 结论

1982—2019 年，内蒙古植被生长峰值期主要集中在7 月中旬至8 月下旬，由东北向西南逐渐推迟，具有显著推迟趋势（0.12 天/年）。不同生态区的空间上有明显异质性。植被生长峰值期与气象因子的相关分析表明，内蒙古植被生长峰值期与温度呈正相关关系，与季前1—3 月降水呈正相关，与季前4—7 月降水呈负相关系。森林和荒漠生态区植被生长峰值期受降水的影响大，而草原生态区受温度的影响大。本研究初步分析了1982—2019 年内蒙古植被生长峰值期变化及其对气候变化的响应，仍缺乏基于地面观测数据的生长峰值期的验证。同时，人为因素等干扰对植被生长峰值期的研究也有待进一步深入。