近20年蒙古国植被春季返青期时空变化特征

秦福莹，那音太

（1.内蒙古财经大学 资源与环境经济学院；2.内蒙古财经大学 规划与地理信息系统实验室，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

蒙古国是中国“一带一路”倡议的参与国家和合作伙伴，是“中蒙俄经济走廊”和“草原之路”沿线的重要国家[1]。在气候变化背景下，蒙古国气温普遍上升，降水总体上减少趋势，气温和降水变化及其组合状态的变化对植被活动的影响显著[2]。植被物候作为生态系统对环境变化响应的直接体现方式，日益受到学界关注[3]。蒙古国地广人稀（人口密度为2人/km2），一直保持游牧生活方式，人类对生态系统的影响较小，相对更能够直接客观反映气候变化对植被物候的影响[4]。因此该区域植被物候的变化可以指示环境变化对植被生理活动的影响[5]。

近些年来，许多学者对内蒙古、中蒙边境、整个蒙古高原地区的植被物候动态进行了研究[6-10]，专门针对蒙古国植被物候特征的研究相对较少。少有的研究，例如Mei（2021）研究指出蒙古国西北部山区植被春季物候具有海拔依赖性的特征[11]。邵亚婷等（2022）研究指出近19年蒙古国植被返青期总体呈微弱推迟趋势[12]。然而，蒙古国幅员辽阔，受水热因子的影响，整体上呈现由北向南，从森林景观到典型草地景观和荒漠草地景观，再到裸地景观的分布格局，具有明显的纬向递变规律。由于不同的自然分区有着自身独特的气候和生态特征[13]，有必要结合自然区划的气候生态特征研究植被春季返青期空间细节上的变化特征。因此，本文基于蒙古国自然区划分析不同区域植被返青期的变化趋势差异，研究结果对于指导当地的农牧业生产、监测生态环境变化及生态保护利用等具有重要意义。

1 数据与研究方法

1.1 研究区

蒙古国位于亚洲大陆中部（41°N~52°N、87°E~120°E），北部与俄罗斯接壤，而东部、南部与西部与中国接壤，国土总面积156.65万km2。蒙古国深居内陆，远离海洋，气候上属于温带干旱半干旱气候，冬季寒冷漫长，夏季很短，降水集中在夏季[14]。地势西高东低，地形整体上从西北的阿尔泰山脉向东南的平原和洼地倾斜，平均海拔1580m，如图1所示。根据海拔高度、气温、降水的不同，自然区划上整体上由北向南具有明显的纬向递变规律，依次为高山区、高山苔原区、森林草原区、草原区、戈壁区和荒漠区。

图1 蒙古国地形分布

1.2 数据来源

本文采用美国国家航空航天局提供的2001-2019年MOD13Q1的NDVI数据，空间分辨率为250m，时间分辨率为16d。该数据虽在一定程度上抑制了传感器观测角、太阳高度角、云等影响，但仍存在异常值[15]。本文采用S-G滤波法对NDVI时间序列进行平滑处理。

1.3 物候提取方法

提取物候的常用方法有动态阈值法、最大比率法和导数法等。结合研究区实际情况和NDVI时空特征[16]，使用TIMESAT3.2自带的动态阈值法提取像元尺度的植被返青期，动态阈值法的计算方法如式（1）所示。

式中：NDVUratio首次高于预先定义的NDVI值的日期为生长季开始点。返青期的阈值根据本研究区的实测物候数据与前人研究结果[17,18]，在大量实验基础上，最终将阈值设置为20%来提取植被返青期物候参数信息。本文去除了19年平均NDVI值小于0.1的非植被区域[19]，并结合已有的研究区土地覆盖分类数据产品，将所有非植被覆盖区域进行掩膜处理，得到研究区植被覆盖区域，提取返青期物候信息。

1.4 趋势分析法

采用Sen趋势法分析2001-2019年研究区植被返青期变化趋势。Sen趋势分析法受到异常数据的影响较小，且对测量误差和离群数据的敏感度较低[20]。其变化趋势的大小用Sen’s斜率表示，计算如下：

若斜率＞0，表示呈上升趋势；若斜率＜0，表示呈下降趋势。

1.5 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，变量可以不具有正态分布特征，因此适用于水文变量的趋势检验[21]。假定X1，X2，…，Xn为时间序列变量，n为时间序列的长度，M-K法定义了统计量S：

其中：

式中，Xj，Xi分别为j，i年的相应测量值，且j＞i。

式中，Z为一个正态分布的统计量，Var（s）为方差。在给定的α置信水平上，如果│Z│≥Z1-α/2，则拒绝原假设，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。

2 结果分析

2.1 蒙古国植被春季返青期的基本特征

图2为2001—2019年蒙古国植被返青期空间分布。总体上，蒙古国植被返青期空间差异显著，西北部和中北部地区森林植被返青期最早，第100d～120d，东北部和中部植被返青期约第130～150d之间，中部草原和干草原植被返青期最晚，第160～170d。从不同自然区划植被返青期来看，山区苔原和森林草原返青期均值为第124d和第126d，高山区植被返青期均值为第130d，草甸草原、草原、干草原植被返青期均值分别为第135d、第134d、第134d。

图2 2001-2019年蒙古国植被春季返青期空间分布

研究区不同自然区划植被多年平均返青期的范围介于第124d~135d之间，即主要集中在3月底至4月上中旬。从不同自然区划中不同等级返青期像元所占百分比可看，高山区、高山苔原区、森林草原区和草甸草原区植被返青期集中在第120~130d，草原区和干草原区植被返青期集中在第130~140d。

图3 研究区不同自然区划类型植被返青期统计图

2.2 蒙古国植被春季返青期时空变化特征

图4显示了2001-2019年研究区植被春季返青期变化趋势的空间分布特征。可看出，研究区北部高山区森林植被、苔原植被和森林草原植被返青期提前趋势明显，东部和中部广大的草原区植被返青期普遍推迟趋势，尤其是东部苏赫巴托尔省、东方省中部地区典型草原和干草原植被返青期推迟趋势显著。

图4 蒙古国植被返青期年际变化趋势空间分布

图5显示了2001-2019年间研究区不同自然区划植被返青期变化趋势。从图中可看出，不同自然区划植被返青期年际波动特征明显，其中高山区、山区苔原和森林草原区返青期呈提前趋势，每10年分别提前4.7d、7.1d和2.7d，而草甸草原、草原和干草原植被返青期呈推迟趋势，每10年分别推迟3.4d、4.4d和6.1d。

图5 2001-2019年蒙古国不同自然区划植被返青期年际变化趋势

3 结论

1.蒙古国不同自然区划植被多年平均返青期的范围介于第124~135d之间，主要集中在3月底至4月上中旬，高山区植被、高山苔原、森林草原和草甸草原的返青期集中在第120~130d，草原和干草原返青期集中在第130~140d。

2.不同自然区划植被返青期年际波动特征明显，其中高山区、山区苔原和森林草原区返青期呈提前趋势，每10年分别提前4.7d、7.1d和2.7d，而草甸草原、草原和干草原植被返青期呈推迟趋势，每10年分别推迟3.4d、4.4d和6.1d。

4 讨论

已有研究指出近19年蒙古国植被返青期总体呈微弱推迟趋势[12]，本研究发现蒙古国不同自然区划植被返青期年际变化趋势有所差异，其中北部高山区森林植被、苔原植被和森林草原植被返青期提前趋势明显，这些地区水分条件相对较好，气温的升高会促进返青期的提前[6,22]。东部和中部广大的草原区植被返青期普遍推迟趋势，这些地区植被生长的控制因子为水分条件，在气温上升，降水变化不明显的情况下，受气温上升趋势的影响，地表蒸发散加速，植被可利用的水分减少，从而可能抑制草地植被的返青[23,24]。本文主要分析蒙古国植被春季返青期的时空变化特征，下一步将深入分析研究区植被关键物候期对气候和人为因素的响应特征。