內蒙古植被生長峰值期時空動態變化及其對氣候因子的響應

?；勖?，包剛，2

（1.內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

植被是區域生態環境變化的重要指標［1］，在陸地表面-大氣能量交互中起著重要的作用［2］，已成為全球氣候變化領域最重要的研究內容之一［3］。物候是指植物受氣候或其他環境因子的影響而出現的自然現象［4］，是氣候變化最敏感的指標，其動態變化對陸地生態系統碳循環產生深遠影響［5］。返青期和枯黃期是植被生長開始和結束時期的最重要的兩個物候指標，其變化直接決定植被生長季的長短和年生產力的多少［6］。20 世紀70 年代以來，遙感技術與方法的不斷發展及廣泛應用，區域尺度返青期和枯黃期及其與氣候變化的關系研究得到廣泛的關注和重視［7］。研究表明，1982—2010 年中國溫帶地區植被返青期較早，平均提前了（1.3±0.6）天/10 年，降水是植被春季物候對溫度變化反應的關鍵性調節因素［8］。Liu 等［9］研究表明，溫度和枯黃期之間呈正相關性。通過驗證森林植物群落枯黃期和氣候環境的相關性，發現除常綠針葉林外，枯黃期與季前期的日照呈正相關，對干燥的草地，季前期的降水更為主要。區域尺度生長峰值期指植被生長季節最大植被指數（NDVI）出現的日期［10］。由于溫帶生態系統植被生長峰值期一般出現在生長最旺季即夏季，其變化對年植被生產力的影響可能比返青期和枯黃期更加重要和深遠［11］。

植被生長峰值期的變化與氣候變化的相關性，逐漸成為研究全球變化對陸地生態影響的重要因素。如Park 等［12］基于NASA 地面衛星MODIS GPP 數據的研究發現，2000—2016 年，北半球因氣候變暖，自然植被生長峰值期提前了（1.66±0.3）天/10 年。Xu 等［13］的研究也表明，由于氣候變暖和植被生長度日（growing degree days，GDD）的增加，1982—2012 年間北半球溫帶闊葉林、溫帶草原和農田植被生長峰值期分別提前了1.6、1.1 和1.5 天/10 年。Gonsamo 等［14］的結果進一步表明，1982—2015 年間，北半球＞30°地區的植被生長峰值期提前了1.2 天/10 年，提前趨勢明顯增加植被生長峰值和CO2的吸收能力。在中國國家尺度，Yang 等［15］發現，2000—2016 年中國溫帶草地植被生長峰值期呈提前趨勢（-0.68/天，P＜0.05），而高寒草地生長峰值期呈推遲趨勢（0.29/天，P=0.158）。Wang 等［5］在全國尺度的研究指出，1982—2015 年間大多植被類型的生長峰值期呈提前趨勢，但落葉針葉林生長峰值期呈推遲趨勢。相較于返青期和枯黃期的研究，植被生長峰值期，尤其溫帶干旱半干旱地區植被生長峰值期及其驅動機制未得到足夠的重視和深入研究，有必要進一步深入探討。內蒙古自治區是我國北部邊疆的主要生態屏障，屬典型的干旱半干旱氣候，生態環境較脆弱［16］，植被類型沿東北向西南依次為森林、草原和荒漠，為干旱半干旱區植被生長峰值期及其驅動機制研究提供了較理想區域。

鑒于此，本研究基于1982—2015 年全球檢測與模型研究組（GIMMS）第三代NDVI 數據和2016—2019 年分辨率成像光譜儀（MODIS）NDVI 數據，采用一元六次多項式函數識別內蒙古植被生長峰值期，并與研究區38 年月平均氣溫和月總降水量數據結合，分析其植被生長峰值期及其與溫度和降水之間的關系，旨在揭示改變干旱半干旱生態系統植被生長峰值期變化的主要驅動因子。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區（以下簡稱內蒙古）地處歐亞大陸內部（37°24'～53°23'N，97°12'～126°04'E），全區總面積約118.3 萬km2，占中國土地面積的12.3%，是中國第三大省區［20］。內蒙古地勢南高北低，屬高原型地貌區，平均海拔高度約為1 000 m。氣候以溫帶大陸性季風氣候為主，年平均降水量在150～400 mm 之間，降水多集中在5—10 月，最大年蒸發量超過2 500 mm［17］。其地帶性氣候由西向東濕潤度逐漸增加，季節特征表現為春季干旱多風，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。

1.2 數據來源及其預處理

1.2.1 NDVI 時間序列數據集 采用兩種遙感數據，1982—2015 年的GIMMS NDVI 數據來自美國航空航天局（NASA）（http：//ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.vl），15天最大值合成的NOAA/AVHRR NDVI 數據集，空間分辨率0.083 3°。該數據集對云、太陽高度角、儀器視場角、氣溶膠等影響進行校正和相關處理，以最大限度確保遙感數據獲取質量［18］。2016—2019 年MODIS NDVI 數據來源于美國Terra 衛星MOD13C1 植被指數產品數據集（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），時間和空間分辨率分別為16 天和0.05°（約5.6 km）。通過對MOD13C1 數據進行投影變換、裁剪、重采樣等預處理，生成與GIMMS NDVI 數據分辨率一致的影像數據，并對兩種數據重疊年份進行一致性檢驗，且回歸系數達到0.94（P＜0.01），表明兩種數據具有一致性?？紤]到戈壁荒漠地區的植被稀少，且其季節變化規律不明顯，因此本研究將多年平均NDVI 小于0.08 的像元剔除，認定為“無植被區”［19］。

1.2.2 生態區劃數據 生態區邊界數據來源于穆少杰等［20］采用的世界野生動物基金會的Terrestrial Ecoregions 數據。Terrestrial Ecoregions 數據將全球劃分為825 個生態區，其中內蒙古地區有13 個生態區。根據內蒙古的氣候特征和植被分布特征，將13 個生態區合并為森林生態區、草原生態區和荒漠生態區（圖1）。

圖1 研究區植被生態區劃圖Fig.1 Vegetation type map of study area

1.2.3 氣象數據 氣象數據來源于內蒙古氣象局提供的地面監測月值氣象數據集，包括48 個氣象臺站1982—2019 年月平均氣溫和總降水量數據。通過對遙感識別的物候數據發現，由于內蒙古植被生長峰值期在8 月結束［15］。因此，本研究考慮了季前和生長季月平均溫度和月總降水數據。根據氣象站點經緯度信息，在ArcGIS 10.6 軟件的支持下，對氣象要素進行克里金空間插值處理，獲取與NDVI 分辨率一致，投影相同的格網化氣象數據，并以此數據為基礎，分析植被生長峰值期對氣象因子的響應。

1.3 研究方法

1.3.1 植被生長峰值期的識別 利用一元六次多項式擬合方法［21］，識別植被生長峰值期。將1 月至12 月每半月的NDVI 數據與所對應的日期進行多項式擬合，公式 為y=ax6+a1x5+a2x4+a3x3+a4x2+a5x+a6，式中x為從1 月1 日起開始的日期，范圍為1～365。由此獲得年度NDVI 曲線，并在獲得擬合曲線中獲取最大NDVI值，且計算出與最大NDVI 值對應的日期作為植被生長的峰值期（圖2）。

圖2 NDVI 與日期擬合示意圖Fig.2 Schematic diagram of NDVI and date fitting

1.3.2 趨勢分析 采用一元線性回歸法在區域尺度和像元尺度上計算內蒙古植被生長峰值期的變化趨勢，用斜率來表示變化趨勢的大小，斜率大于0 表示植被峰值期呈推遲趨勢，斜率小于0 表示植被生長峰值期呈提前趨勢。公式為yi=kti+b(i=1，2，…，38)，yi表示逐像元植被生長峰值期，ti表示yi所對應的年份，k和b分別為斜率和截距。

1.3.3 相關分析 為分析植被生長峰值期對氣候變化的響應，選取每年1—7 月的平均溫度和月總降水量序列數據與植被峰值期之間進行相關分析，以相關系數R來計算導致植被生長峰值期發生變化的主要因子。

2 結果與分析

2.1 植被生長峰值期的空間分布特征

1982—2019 年內蒙古植被平均生長峰值期的空間分布格局如圖3 所示。由圖3 可見，內蒙古大部分地區（89.9%）植被生長峰值期主要介于第200—230 天（即7 月中旬至8 月下旬），平均植被生長峰值期為第215 天。森林生態區的植被生長峰值期較早，平均為第209 天，由北向南逐漸推遲。草原生態區的植被生長峰值期主要分布在第210—225 天，平均為第215 天?；哪鷳B區的植被生長峰值期要晚于草原生態區，平均為第218 天，其中荒漠生態區的西部植被生長峰值期要早于第200 天。

圖3 內蒙古植被生長峰值期的空間分布Fig.3 Spatial distribution of peak vegetation growth periods in Inner Mongolia

2.2 植被生長峰值期的變化趨勢分析

內蒙古植被生長峰值期變化趨勢的空間分布特征如圖4 所示。內蒙古植被生長峰值期的變化比較明顯，30.5% 像元的植被生長峰值期變化斜率小于0，表明同一像元內的植被生長峰值期提前，提前趨勢較大的地區主要分布森林生態區（0.2 天/年）和零星分布在荒漠生態區西部（0.6 天/年）。剩余69.5% 像元的植被生長峰值期變化斜率大于0，表明同一像元內的植被生長峰值期延后，主要分布在草原生態區東部和荒漠生態區，其中荒漠生態區植被生長峰值期推遲幅度要大于草原生態區。

圖4 內蒙古植被生長峰值期的趨勢分布Fig.4 Trend distribution of peak vegetation growth period in Inner Mongolia

年際植被生長峰值期構成的時間序列可以直觀地反映在較長時間內的變化趨勢。如圖5 所示，內蒙古植被生長峰值期主要波動在第205—225 天，呈顯著推遲趨勢，推遲速率為0.12 天/年，最早和最晚的植被生長峰值期分別出現在1991 年和2016 年。從不同生態區的植被生長峰值期來看，森林生態區、草原生態區和荒漠生態區的變化趨勢相同，即呈推遲趨勢，其中荒漠生態區呈顯著推遲趨勢，推遲速率為0.23 天/年。森林生態區的植被生長峰值期主要波動在第204—214 天。草原生態區的植被生長峰值期要晚于森林生態區，主要波動在第208—221 天。

圖5 1982—2019 年內蒙古植被生長峰值期年際變化Fig.5 Interannual variation of peak vegetation growth period in Inner Mongolia from 1982 to 2019

2.3 內蒙古植被生長峰值期對氣象因子的響應

植被生長峰值期與生長季平均溫度呈負相關的面積約占總面積的46.2%（圖6a），主要分布森林生態區與荒漠生態區，其中呈顯著負相關（5.7%）的區域分布在荒漠生態區西南部。呈正相關的面積約為53.8%，草原生態區的植被生長峰值期與生長季平均溫度主要呈正相關，呈顯著正相關（10.2%）的區域主要分布在草原生態區的東部和西南部，零星分布于荒漠生態區的東南部。與降水的相關性空間分布圖可以看出（圖6b），內蒙古大部分植被生長峰值期與降水呈正相關（59.7%），呈顯著正相關（12.7%）的區域主要零星分布與荒漠生態區。呈負相關（40.3%）的區域主要分布在森林生態區和草原生態區東部，其中森林生態區主要呈顯著負相關（10.5%）。

圖6 內蒙古植被生長峰值期與生長季溫度（a）和降水（b）的相關關系Fig.6 Correlation between peak vegetation growth period and temperature（a）and precipitation（b）in growing season in Inner Mongolia

由1982—2019 年內蒙古植被生長峰值期與季前1-7 月平均氣溫和月總降水的相關關系可以看出（圖7），內蒙古植被生長峰值期與季前1-3 個月的降水呈正相關，與季前4-7 個月的降水呈負相關，相關性不顯著，且相關性較低。與季前1-7 月的平均溫度呈正相關，且與季前4-5 月的平均溫度在P＜0.05水平下顯著正相關。

圖7 內蒙古生長植被生長峰值期與季前氣溫和降水的相關關系Fig.7 Correlation between peak growth period of growing vegetation and pre-season temperature and precipitation in Inner Mongolia

2.4 內蒙古不同生態區植被生長峰值期對氣候的響應

內蒙古不同生態區植被生長峰值期與溫度和降水的相關關系如圖8 所示。內蒙古不同生態區植被生長峰值期與生長季平均溫度和總降水的相關性見圖8a。森林生態區與荒漠生態區與生長季降水呈顯著相關（P＜0.01），草原生態區與溫度和降水呈不顯著正相關。森林生態區與季前溫度和降水的相關性可知（圖8b），森林生態區與季前2 月的溫度呈顯著正相關（P＜0.05），與季前1—7 月降水呈顯著負相關。草原生態區與季前1—7 月的溫度呈不顯著正相關，與季前2—7 月降水呈不顯著負相關（圖8c）?；哪鷳B區與季前2—6 月的溫度呈正相關。與季前1 個月，季前3—7 月降水呈顯著正相關（P＜0.05）（圖8d）。

圖8 內蒙古不同生態區植被生長峰值期與溫度和降水的相關關系Fig.8 Correlation between peak periods of vegetation growth and temperature and precipitation in different ecological zones in Inner Mongolia

3 討論

本文利用1982—2015 年GIMMS NDVI 和2016—2019 年MODIS NDVI 時間序列數據，并結合一元六次多項式函數擬合法識別內蒙古植被生長峰值期，發現內蒙古大部分植被在夏季達到生長峰值期，通常在7 月至8 月之間。這與先前的研究一致，即大多數生態系統的光合作用峰值發生在最高溫度附近［22］。峰值時段的時間格局可能對了解植被活動對氣候變化的響應更為重要，1982—2019 年，內蒙古植被生長峰值期以推遲趨勢為主，推遲速率為0.12 天/年，推遲面積約占總面積的69.5%。內蒙古東北部森林生態區植被生長峰值期相對較早，如東北部森林生態區植被生長峰值期較早可能與該地區的水分條件充實有關，因為該地區離太平洋相對較近［23］。草原生態區植被生長峰值期明顯晚于森林生態區，這可能與森林生態區植被對氣候變化更加敏感有關，即隨著溫度的增加和降水量的增多，其生長峰值期比草原更早發生?；哪鷳B區植被生長峰值期比草原生態區晚些，可能與其分布區的平均溫度比草原分布區的溫度高，且降水少有關。從不同生態區的趨勢分析看，荒漠生態區植被生長峰值期的推遲趨勢最大（0.23 天/年），尤其西部地區的推遲趨勢達0.6 天/年。草原生態區植被生長峰值期的推遲趨勢最?。?.01 天/年）。

氣候條件是影響植被生長峰值期變化的直接因素。本研究分析了生長季溫度降水和季前溫度降水對內蒙古植被生長峰值期的影響。植被生長峰值期與生長季平均溫度呈負相關區域主要分布在森林生態區與荒漠生態區，說明隨著生長季溫度的升高植被生長峰值期將會提前；原因很可能是由于大多數植物隨著當地和全球變暖，開始提前增長［24］，因此導致NDVI 較早的達到最大值，從而提前生長峰值期。此外，還有可能是溫度的升高會導致夏季干旱，由此導致植物生長峰值期提前，以避免潛在的損害，提升植物對環境的自適應性［13］。草原生態區的植被生長峰值期與生長季平均溫度呈正相關，表明生長季溫度的升高導致植被生長峰值期推遲。森林和草原生態區東部與生長季降水主要呈負相關，即隨著生長季降水的增加植被生長峰值期將提前，說明在整個生長季內降水的增加可能通過云量、降低溫度和輻射等來抑制分布于相對濕潤和寒冷地區的植被生長［25］，從而使植被生長峰值期提前?；哪鷳B區與草原生態區大部分地區隨著生長季降水的增加將會推遲植被生長峰值期，降水的增多，有利于保持土壤水分條件，使植被長得旺盛，從而推遲植被生長峰值期。1982—2019 年間，植被生長峰值期與季前溫度呈正相關，說明季前溫度的升高將推遲植被生長峰值期，原因可能是，較高的溫度可能導致植被失水并造成夏季干旱，因此導致植被生長峰值期推遲。季前降水量對植被生長峰值期的影響并沒溫度明顯，但季前1—3 月降水的增加將推遲植被生長峰值期，可能更多的降水可以提供水分，從而有利于植被的生長［11］，因此導致生長峰值期推遲。

4 結論

1982—2019 年，內蒙古植被生長峰值期主要集中在7 月中旬至8 月下旬，由東北向西南逐漸推遲，具有顯著推遲趨勢（0.12 天/年）。不同生態區的空間上有明顯異質性。植被生長峰值期與氣象因子的相關分析表明，內蒙古植被生長峰值期與溫度呈正相關關系，與季前1—3 月降水呈正相關，與季前4—7 月降水呈負相關系。森林和荒漠生態區植被生長峰值期受降水的影響大，而草原生態區受溫度的影響大。本研究初步分析了1982—2019 年內蒙古植被生長峰值期變化及其對氣候變化的響應，仍缺乏基于地面觀測數據的生長峰值期的驗證。同時，人為因素等干擾對植被生長峰值期的研究也有待進一步深入。