2000-2012年山西省不同植被類型物候變化及其對氣候變化的響應

仝莉棉, 曾 彪, 王 鑫

(蘭州大學 資源環境學院, 蘭州 730000)

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2000-2012年山西省不同植被類型物候變化及其對氣候變化的響應

仝莉棉, 曾 彪, 王 鑫

(蘭州大學 資源環境學院, 蘭州 730000)

利用非對稱高斯函數重建山西省2000—2012年MODIS-NDVI時間序列影像，通過動態閾值法提取植被生長季始期(SOG)、生長季末期(EOG)、生長季長度(LOG)信息，研究不同植被類型物候的時空變化及其與氣候因子(氣溫、降水、日照時數)的相關關系。結果表明：(1) 13 a來，山西省不同植被類型物候的年際變化均表現出SOG提前、EOG推遲、LOG延長的趨勢。(2) 山西植被物候存在明顯的空間差異。植被平均物候由南向北表現為SOG逐漸推遲，EOG逐漸提前，LOG逐漸縮短。從變化趨勢看，研究區大部分地區表現出植被SOG提前、EOG推遲、LOG延長的趨勢。其中，SOG提前、EOG推遲、LOG延長的地區主要分布在昕水河以北的黃河干流、汾河上游、桑干河、滹沱河等地區；而SOG推遲、EOG提前、LOG縮短的地區主要分布在管涔山、恒山、五臺山、呂梁山、太岳山南部等地區。(3) 降水和日照時數可能是影響該區植被物候的主要因素，不同植被類型物候對氣候變化的響應不同。春季降水增多和3月平均日照時間變短可能是植被(針葉林除外)SOG提前的主要原因，9月降水量增多和平均日照時間變短可能是植被(針葉林和草甸除外)EOG推遲的主要原因。

MODIS-NDVI; 物候; 時空特征; 氣候變化

植被作為陸地生態系統的重要組成部分，與大氣、土壤等進行著物質循環、能量轉換和信息傳遞，能夠反映其所在生態系統的總體環境狀況[1-4]。植被物候是指植被生長、發育、榮枯變化的周期性現象，物候變化影響到植被生產力、陸地生態系統碳儲備及碳循環過程[5-7]，受到人們的廣泛關注。對植被物候的研究，有利于理解植被生長與環境變化的相互作用過程及其表現形式。目前，許多學者通過利用物候站點觀測資料、遙感監測數據、物候模型以及三者相結合的方式研究植被物候變化[8-9]，其中針對不同植被類型物候變化的研究已取得了重要成果[7,10-11]。Junhu Dai等利用物候觀測站點資料研究了中國四類樹種的展葉期、葉變色期的變化特征，發現植被平均展葉期提前速率為1.1 d/10 a，而葉變色期平均推遲速率為0.93 d/10 a[12]。Xuehui Hou等發現10 a間中國北方草地的生長季開始時間提前了3.1 d，而生長季結束時間推遲了1.3 d[13]。Jun Du等研究中國北方半干旱區針葉林物候與氣候變化的關系，發現最低溫度是該區針葉林生長季開始與結束的主控因子[14]。

山西省境內地形條件復雜，水熱組合方式多樣，植被類型豐富。不同植被類型自身的生理結構和生長所需的環境條件不同，使得不同植被類型物候特征及其對氣候變化的響應存在差異。本文將山西省境內7種植被類型(針葉林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸、一年一熟作物)作為研究對象，利用MODIS-NDVI數據分析2000—2012年不同植被類型物候的時空變化特征及其與氣候變化的關系，為全球變暖背景下，區域尺度上植被對氣候變化的響應研究提供依據。

1　數據來源與研究方法

1.1研究區概況

山西省位于110°14′—114°33′E，34°34′—40°43′N，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為4～14℃，年降水量為400～600 mm，從東南向西北由半濕潤區過渡到半干旱區。山西省地處黃土高原的東部，位于我國第二級階梯，地形復雜，東為太行山，西為呂梁山，中部有一系列盆地，由北至南分別為大同盆地、太原盆地、臨汾盆地、運城盆地。在復雜的地貌特征、水熱組合條件下，形成以溫帶植被為主的豐富多樣的植被類型。按植被大類劃分，主要有針葉林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸、栽培植被。栽培植被包括一年一熟作物和兩年三熟作物，由于兩年三熟作物分布區實行多種農作物輪作的耕作制度，其農作物的生長周期和一年一熟作物以及自然植被差異較大，因此，本文對栽培植被中的兩年三熟作物暫不考慮。

1.2數據來源及處理

植被類型數據源自中國科學院編制的1∶100萬中國植被類型圖，根據植被大類將山西省植被劃分為針葉林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸及一年一熟作物7種植被類型。

NDVI數據采用美國國家宇航局(NASA)提供的2000—2012年MOD13植被指數產品，時間和空間分辨率分別為16 d和250 m，該數據經過輻射校正、大氣校正、幾何精度糾正，并通過最大值合成法有效地減弱了云、大氣、太陽高度角等對數據精確度的影響。將遙感數據進行格式轉換、重投影、拼接、裁剪，并用非對稱高斯擬合算法對時間序列影像進行擬合，對擬合后的時間序列數據提取物候信息。

氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網，采用山西省1999—2012年氣象資料完整的17個氣象站點的逐月平均氣溫、降水量及日照時數資料，并將其計算合成不同開始時間、不同時間間隔的氣象數據?？紤]到植被物候變化受當時和前期的氣候條件影響，將每年前一年12月和當年1—11月的氣溫、降水及日照時數數據作為一個生長年數據。

1.3研究方法

采用動態閾值法對擬合后的NDVI時間序列數據提取植被生長季始期(start of growth season，SOG)、生長季末期(end of growth season，EOG)、生長季長度(length of growth season，LOG)信息，該方法有較強的靈活性、適應性，應用非常廣泛[15-17]。J?nsson和Eklundh建議將生長季開始與結束時的閾值設置為20%[18]。因此，本文定義當NDVI增長(下降)的幅度與年內最大振幅的比達到20%時所對應的時刻為SOG(EOG)。

一元線性回歸趨勢分析能夠模擬出每個柵格的變化趨勢，進而反映區域植被物候期變化的空間分布特征[19]，通過Matlab計算山西省植被SOG，EOG，LOG的變化趨勢。公式如下：

式中：slope——物候變化的斜率；n——研究時段的年數；Dphe——植被物候(SOG，EOG，LOG)發生的時間。計算SOG，EOG的變化率時，若slope>0，表示在研究時段內SOG，EOG呈推遲趨勢，反之為提前趨勢；計算LOG的變化率時，slope>0，表示LOG呈延長趨勢，反之為縮短趨勢。

用相關分析方法來揭示不同植被物候與氣候因子(氣溫、降水、日照時數)之間相互關系的密切程度，通過相關系數的計算與檢驗來完成。

2　結果與分析

2.1植被物候的年際變化

通過計算山西省不同植被類型13a平均SOG出現的時間，發現針葉林平均SOG出現最早，為第(120±6)天(從1月1日開始計算，下同)；一年一熟作物平均SOG出現最晚，為第(147±18)天。由此可知山西植被平均SOG出現在4月下旬至5月下旬。

分析2000—2012年山西省不同植被類型SOG的年際變化情況(圖1)，可以發現山西省7種植被SOG表現出不同程度的提前趨勢。其中，一年一熟作物SOG顯著提前(p=0.016)，其他植被類型SOG提前趨勢不顯著。按提前速率大小，一年一熟作物>草原>草叢>灌叢>草甸>闊葉林>針葉林。

通過計算不同植被類型13a平均EOG出現的時間，發現草甸平均EOG出現最早，為第(315±6)天；草叢平均EOG出現最晚，為第(326±5)天。由此可知山西植被平均EOG集中出現在11月。

分析2000—2012年不同植被類型EOG的年際變化情況(圖2)，可以發現13a來山西省七種植被類型EOG均表現為不顯著的推遲趨勢。按推遲速率大小，一年一熟作物>草甸>闊葉林>草原>草叢>針葉林>灌叢。

通過計算不同植被類型13a平均LOG持續時間，發現一年一熟作物平均LOG最短，為167d；針葉林平均LOG最長，為204d。由此可知山西植被平均LOG持續時間為5～7個月。

圖1　2000-2012年不同植被類型SOG的年際變化

圖2　2000-2012年不同植被類型EOG的年際變化

圖3　2000-2012年不同植被類型LOG的年際變化

分析2000—2012年不同植被類型LOG的年際變化情況(圖3)，發現13a來山西省7種植被類型LOG均呈不同程度的延長趨勢。其中，一年一熟作物和草叢LOG顯著延長(p=0.007，p=0.052)，其他植被類型LOG延長趨勢不顯著。按延長速率大小，一年一熟作物>草原>草叢>灌叢>闊葉林>草甸>針葉林。植被LOG是EOG與SOG相減之后的天數，其變化也由EOG與SOG的變化引起。山西省不同植被類型LOG延長是植被SOG提前和EOG推遲共同作用的結果。

2.2植被物候的空間變化

2000—2012年山西省植被平均物候的空間分布狀況附圖1所示，山西省由南向北植被平均物候空間變化表現為：SOG逐漸推遲，EOG逐漸提前，LOG逐漸縮短。在山西南部的中條山、呂梁山南端等地區，植被平均SOG出現較早，EOG出現較晚，LOG較長；而山西北部的大同盆地、忻定盆地等地區植被平均SOG出現較晚，EOG出現較早，LOG較短。

附圖2表示2000—2012年山西省植被物候變化趨勢的空間分布狀況。由附圖2可知，13a來山西植被SOG變化表現出明顯的南北差異。研究區北部植被SOG以提前為主，南部以推遲為主。植被SOG提前的地區占研究區面積的72.8%，主要分布在昕水河以北的黃河干流、汾河上游、濁漳河北緣、滹沱河、桑干河等地區。植被SOG推遲的地區占研究區面積的27.2%，主要分布在管涔山、呂梁山南部、太岳山、中條山等地區。

由附圖2可知，13a來山西植被EOG提前和推遲的地區在不同緯度分布較為均勻，大部分地區表現出推遲趨勢。植被EOG推遲的地區占研究區面積的63.1%，主要分布在昕水河以北的黃河干流、汾河上游、桑干河、滹沱河、沁河等地區。植被EOG提前的地區占研究區面積的36.9%，主要分布在管涔山、恒山、五臺山、呂梁山、太岳山南部等地區。

由附圖2可知，13a來山西植被LOG變化也表現出明顯的南北差異，研究區北部植被LOG主要呈延長趨勢，南部呈縮短趨勢。植被LOG延長地區占研究區面積的71.8%，主要分布在昕水河以北的黃河干流、汾河上游、桑干河、滹沱河等地區。植被LOG縮短的地區占研究區面積的28.2%，主要分布在管涔山、恒山、五臺山、呂梁山南部、太岳山、中條山等地區。

2.3不同植被類型物候對氣候變化的響應

分析2000—2012年山西省年平均氣溫、年降水量和年平均日照時數的年際變化情況(圖4)可知，13a來，山西省年平均氣溫呈不顯著的下降趨勢，下降速率為0.04℃/a；年降水量呈不顯著的增加趨勢，增加速率為2.76mm/a；年平均日照時數呈不顯著的減少趨勢，減少速率為1.19h/a。

過去的研究表明，溫度、水分、光照是影響植被物候發生時間的重要因素[20-21]，本文對不同植被類型SOG和可能會對其變化產生影響的前一年12月至當年5月及其不同間隔組合的平均氣溫、降水量、平均日照時數的相關系數進行計算，并列出最相關的月份(表1)。由表1可知，針葉林SOG和4月氣溫呈顯著負相關，可能是由于針葉林生長在寒冷地區，4月氣溫較高可以較早達到其生長發育的熱量條件要求，有利于針葉林SOG提前。闊葉林SOG和春季(3—5月)降水呈顯著負相關，可能是由于落葉闊葉林以葉落休眠的方式度過嚴冬，隨著春季氣溫回升，土壤水分需要達到一定條件才能誘導樹木展葉，春季較多的降水使得土壤水分增多，促使植被提前返青。灌叢、草原、草叢、草甸和一年一熟作物SOG均和春季降水呈顯著負相關，和3月日照時數呈顯著正相關，說明春季降水增多和3月日照時間減少有利于促進植被SOG提前。這可能是由于春季降水增多，土壤中的水分含量增加，同時，日照時間減少可以減弱地表蒸發，減少土壤水分的消耗，從而保持較好的土壤水分條件，有利于植被SOG提前。這與陳效逑等和張峰等對內蒙古草本植物物候對氣候變化的響應研究結果一致[22-23]。另外，一年一熟作物SOG變化除了受氣候變化外，還可能受到人類活動的影響，已有研究結果表明，化肥的施用和城市化等也會引起植被SOG提前[24-25]。

本文對不同植被類型EOG和可能會對其變化產生影響的6—11月及其不同間隔組合的平均氣溫、降水量、平均日照時數的相關系數進行計算，并列出最相關的月份(表2)。由表2可知，針葉林、草原、草叢和一年一熟作物EOG與降水均呈顯著正相關，與日照時數均呈顯著負相關，說明降水越多、日照越短有利于這些植被EOG推遲?？赡苁怯捎谳^多的降水為植被后期的生長提供較好的水分條件，使得其生長結束日期推遲；同時，日照時間直接影響著植被光合作用的時間，每種植物長期生活在一定日照格局的環境中，形成了其特定的臨界光周期。由于植被經歷一個完整的生命周期所需要的光照時間基本穩定，日照時間減少使得生長期延長，植被EOG推遲。該結果和國志興等研究東北地區不同植被類型植被和氣候變化的關系得出草原、草叢和農田生長季結束日期提前受降水減少影響顯著的結果一致[26]。而草甸EOG分別和9月降水、10月日照時數呈顯著正相關，可能是由于不同植被類型的生存條件及對周圍環境中物質、能量的有效利用方式不同，使得草甸EOG對日照時間的響應和草原、草叢等植被類型存在差異。灌叢EOG和9月降水呈顯著正相關，說明灌叢EOG對降水響應敏感，9月降水增加有利于灌叢EOG推遲。同時，闊葉林EOG和8月氣溫呈顯著負相關，與8—9月降水呈顯著正相關，說明8月氣溫越低、8—9月降水越多有利于闊葉林EOG推遲，這可能是由于植被從展葉到落葉需要一定的積溫[22]，8月氣溫相對較低可以使達到植物所需積溫的時間相對變長，植被EOG推遲；降水增多在一定程度上可以緩減高溫對植被的傷害，并為植被生長發育提供充足的水分，較好的水分條件有利于植被EOG推遲。

由以上分析可知，針葉林SOG對氣溫響應敏感，而EOG對降水和日照時數響應敏感；闊葉林SOG對降水響應敏感，而EOG對氣溫和降水響應均敏感；灌叢SOG對降水和日照時數響應敏感，而EOG僅對降水響應敏感；草原、草叢、草甸和一年一熟作物SOG，EOG均對降水和日照時數響應敏感。同一植被類型的不同物候期對氣候因子的響應不同，不同植被類型物候對同一氣候因子的響應時間段和響應程度也不同。春季降水增多和3月平均日照時間變短可能是植被(針葉林除外)SOG提前的主要原因，9月降水增多和平均日照時間變短可能是植被(針葉林和草甸除外)EOG推遲的主要原因。

圖4　2000-2012年山西省氣候年際變化

植被類型氣溫相關時間段相關系數降水相關時間段相關系數日照時數相關時間段相關系數針葉林4月-0.482*3—5月-0.413月0.381闊葉林4月-0.4373—5月-0.57**3月0.377灌叢4月-0.3443—5月-0.588**3月0.546*草原5月0.3823—5月-0.736***3月0.524*草叢5月0.3573—5月-0.756***3月0.561**草甸4月-0.3663—5月-0.499*3月0.493*一年一熟作物5月0.3813—5月-0.825***3月0.624**

注：*代表0.1置信度水平，**代表0.05置信度水平，***代表0.01置信度水平。下表同。

表2　不同植被類型EOG與氣候因子的相關性

3　結 論

(1) 山西省植被SOG呈不同程度的提前趨勢，按提前速率大小，一年一熟作物>草原>草叢>灌叢>草甸>闊葉林>針葉林；植被EOG均表現為不顯著的推遲趨勢，按推遲速率大小，草甸>闊葉林>草原>草叢>針葉林>灌叢。

(2) 植被LOG呈不同程度的延長趨勢，顯著延長的植被類型有一年一熟作物和草叢，其他植被類型LOG延長不顯著，從延長速率看，一年一熟作物>草原>草叢>灌叢>草甸>闊葉林>針葉林。

(3) 山西省植被物候存在明顯的空間差異。植被平均物候由南向北表現為：SOG逐漸推遲，EOG逐漸提前，LOG逐漸縮短。其中，SOG提前、EOG推遲、LOG延長的地區主要分布在昕水河以北的黃河干流、汾河上游、桑干河、滹沱河等地區；而SOG推遲、EOG提前、LOG縮短的地區主要分布在管涔山、恒山、五臺山、呂梁山、太岳山南部等山區。

(4) 13 a來，降水和日照時數對山西植被物候的影響較大，而氣溫的影響較小，不同植被類型物候對氣候變化的響應不同。春季降水增多和3月平均日照時間變短可能是植被(針葉林除外)SOG提前的主要原因，9月降水增多和平均日照時間變短可能是植被(針葉林和草甸除外)EOG推遲的主要原因。

本文研究的時間長度為13 a，為提高結論的可靠性，仍需繼續進行長時間的監測分析。同時山西地區植被物候的實測數據較少，通過遙感數據提取的物候信息結果的精度有待進一步驗證。

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Phenological Variation of Different Vegetation Types and Its Response to Climate Changes in Shanxi Province from 2000 to 2012

TONG Limian, ZENG Biao, WANG Xin

(College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

We reconstructed time-series MODIS-NDVI data of Shanxi Province from 2000 to 2012 by asymmetric Gaussian function and extracted SOG, EOG and LOG of vegetation by dynamic threshold method. We analyzed spatiotemporal variation of different kinds of vegetation phenology and investigated the correlation between vegetation phenology and climate factors (temperature, precipitation and sunshine duration). The result showed that: (1) SOG of vegetation presented the advancing trend, EOG of vegetation showed the delady trend, and LOG of vegetation showed the prolonging trend at various degrees during 13 years in Shanxi Province; (2) the spatial variation of vegetation phenology was obviously different, average phenology of vegetation from south to north in Shanxi Province showed that SOG of vegetation was gradually postponed, EOG of vegetation was gradually advanced and LOG of vegetation was gradually shortened, based on the variation trend, SOG of vegetation showed the advancing trend, EOG of vegetation showed the delayed trend, and LOG of vegetation showed the prolonging trend in most research areas; the region in which SOG of vegetation was advancing, EOG of vegetation was postponing and LOG of vegetation was prolonging mainly distributed in mainstream of Yellow River in the north of Xinshui River, upstream of Fenhe River, Sanggan River and Hutuo River; in contrast, the region in which SOG of vegetation was postponing, EOG of vegetation was advancing and LOG of vegetation was shortening mainly distributed in Guancen Mountain, Hengshan Mountain, Wutai Mountain, Lüliang mountain and the south of Taiyue Mountain; (3) we found that variations of different vegetation phenology events probably were controlled by precipitation and sunshine duration, the response of vegetation phenology to climate change differed among vegetation types; increasing precipitation in spring and shortening sunshine duration in March probably were main reasons for SOG advancing of vegetation besides conifers, and the increasing precipitation and shortening sunshine duration in September probably were main reasons for EOG postponement besides conifers and meadow.

MODIS-NDVI; phenology; spatiotemporal features; climate change

2015-08-25

2015-09-21

國家基礎科學人才培養基金項目(J1210065);蘭州大學地理學基地科研訓練及科研能力提高項目

仝莉棉(1992—),女,山西晉城人,碩士研究生,研究方向為全球變化與區域響應。E-mail:tonglm14@lzu.edu.cn

曾彪(1979—),男,湖北京山人,副教授,主要從事全球變化與區域響應研究。E-mail:zengb@lzu.edu.cn

Q948.11;TP79

A

1005-3409(2016)02-0194-07