基于MODIS數(shù)據(jù)的青藏高原植被物候變化趨勢研究(2000年～2010年)

劉雙俞，張麗，王翠珍，閆敏，周宇，鹿琳琳

(1.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094；2.湘潭市國土資源測繪院，湖南 湘潭 411100；3.美國南卡羅來納大學，哥倫比亞 S.C.29208)

1 引 言

青藏高原是全球變化的敏感區(qū)域，其植物區(qū)系也還比較年輕，在高原特殊的地理環(huán)境下，物種脆弱敏感，由于氣候變化的不確定性，高原的生物多樣性受到威脅[1]。隨著全球變暖，許多植物和動物通過改變自身的生長活動(如植物的萌發(fā)、開花、結果、凋謝和某些動物的遷徙、冬眠等)來適應全球大氣、水分、土壤等成分的變化。植被物候與氣候存在緊密關聯(lián)，探索植物物候與氣候變化的關系，對于大尺度生長季節(jié)動態(tài)及其對氣候變化響應與反饋的模擬與預測研究有至關重要的意義，對采取措施改善青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要的指導意義，也可以為發(fā)展地方經濟提供決策支持[2]。

借助遙感方法可以克服傳統(tǒng)定點物候觀測代表區(qū)域有限的缺點[2-4]，可進行地區(qū)、國家、大洲，甚至全球尺度的物候監(jiān)測[5]。基于遙感影像序列的植被物候研究的關鍵技術為物候參數(shù)的提取，即根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的植被指數(shù)數(shù)據(jù)提取物候信息。根據(jù)物候參數(shù)分析植被對氣候變化的響應，可以有效監(jiān)測氣候變化[6-8]。

本文基于8天合成的MODIS反射率產品(空間分辨率500m)提取青藏高原地區(qū)2000年～2010年的植被物候參數(shù)，即生長季開始時間、生長季結束時間和生長季長度，并根據(jù)這3個物候參數(shù)分析青藏高原植被的物候變化趨勢，分析青藏高原植被物候與氣候因子的相關性。

2 研究區(qū)及實驗數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

青藏高原(Tibetan Plateau)跨距25°N～40°N，74°E～104°E，總面積2500000km2，約占中國陸地總面積的1/4，其地理位置及青藏高原的植被分布如圖1所示。青藏高原氣候獨特，氣溫低、日溫差大、年溫差小，并且高原地勢高，大氣密度很小，氣壓很低，含氧量少，日照長、輻射強，干濕季分明，干季多大風[9]。在青藏高原地區(qū)，植被類型豐富，草地資源也異常豐富，占全國草地總面積的1/3。從構成自然景觀外貌的植被來說，高原廣泛分布著高寒灌叢草甸、高寒草原、高寒荒漠以及高寒草甸植被等類型。研究植被物候的變化趨勢，對區(qū)域尺度上的可持續(xù)發(fā)展提供一定的指導依據(jù)。本文的研究重點是青藏高原的草地物候，主要集中于該區(qū)的荒漠草、草原草、草甸草3種草地類型，根據(jù)青藏高原1∶100萬植被覆蓋圖，這3種草地類型占整個青藏高原面積的63%左右，超過總面積的一半。

圖1 青藏高原植被分布圖(根據(jù)1∶100萬中國植被圖集[10]修改)

2.2 實驗數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)主要包括2000年～2010年8天合成的MODIS反射率產品(MOD09A1)和2000年～2010年由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網提供的月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)。基礎地理信息數(shù)據(jù)包括研究區(qū)行政邊界與青藏高原地區(qū)1∶100萬植被覆蓋圖，通過地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網獲得。

遙感數(shù)據(jù)源MODIS二級產品MOD09A1考慮了高觀測覆蓋、低視角、無云或削弱云的陰影及氣溶膠濃度的影響等，但由于這些不利因素不能嚴格剔除，因此需先對NDVI數(shù)據(jù)進行降噪處理，改善數(shù)據(jù)質量。

3 物候參數(shù)反演

物候參數(shù)的提取主要分為數(shù)據(jù)準備、NDVI數(shù)據(jù)平滑、物候參數(shù)反演、物候參數(shù)提取4個步驟。本文分析2000年～2010年植被的物候期，首先按時間序列準備用來提取物候參數(shù)的實驗區(qū)數(shù)據(jù)，然后針對青藏高原植被NDVI時間序列曲線，分別采用Savizky-Golay函數(shù)法(S-G函數(shù)法)、Asymmetric Gaussian函數(shù)法(A-G函數(shù)法)、Logistic函數(shù)法方法重構NDVI時間序列數(shù)據(jù)，如圖2所示。由圖2可看出A-G方法數(shù)據(jù)質量保持較好，這是因為A-G方法受噪聲影響較小，也能較好地保留數(shù)據(jù)真實值，從而減小由于噪聲而造成研究結果的不確定性，因此本文最終使用A-G方法(式(1))進行NDVI數(shù)據(jù)的平滑。

目前，根據(jù)NDVI時間序列反演物候參數(shù)的方法大體上可以分為斜率法和閾值法兩大類[11-13]。斜率法就是根據(jù)NDVI時間序列的曲線斜率來確定植被的生長季開始時間和結束時間。斜率最大時界定為植被生長開始時間，斜率最小值時為植被生長結束時間。但當外界條件影響植被生長狀況時，對植被NDVI曲線斜率有影響，不能根據(jù)斜率來判斷植被的生長期，所以斜率法并不適合物候參數(shù)的提取，尤其是長時間序列物候參數(shù)的提取。而閾值法就是根據(jù)NDVI時間序列中各個生長季內的NDVI值，在最大值和最小值之間確定一組閾值，在一個生長季內NDVI值上升過程中達到某對應閾值的時刻被確定為生長季開始時間，NDVI值下降過程中達到某對應閾值的時刻確定為植被生長結束時間。由于青藏高原植被以相對單一的高山草原為主，生長曲線比較對稱，本文采用閾值法對該區(qū)域植被物候參數(shù)進行研究，且此方法在該地區(qū)已得到廣泛的應用[14-15]。由于研究區(qū)域范圍較大，本研究針對試驗區(qū)域多個樣點的NDVI閾值進行反復試驗，選取植被NDVI值開始顯著變化的時刻為生長季開始時間和結束時間，最終確定對應的NDVI閾值為0.3。

圖2 3種擬合方法比較

非對稱性高斯函數(shù)擬合法(A-G)基本公式為[16]：

(1)

其中，x1是相對于獨立時間變量t的最大值或最小值，x2、x3確定右邊函數(shù)的寬度和平整度，x4、x5確定的是左邊函數(shù)的寬度和平整度。

4 結果分析

4.1 植被物候的空間差異

青藏高原地域廣闊，地形復雜，氣候條件也不同，從空間上講，不同區(qū)域內植被的物候期也有差異。圖3反映2000年～2010年青藏高原植被返青期，即生長季開始時間的多年平均狀況。由圖3可知植被的返青季開始時間從4月下旬開始，一直持續(xù)到6月份，大部分集中于5月中旬和6月上旬之間。整個區(qū)域內從東南到西北逐漸推遲，最遲的集中在西藏自治區(qū)的西部地區(qū)，這個區(qū)域內草原草和草甸草交錯分布，植被的返青期推遲到6月上中旬，這驗證了宋春橋[14]結論。

青藏高原生長季結束時間(圖4)的整體差異不如生長季開始時間明顯。青海省和西藏自治區(qū)內植被的生長結束時間相對集中，部分植被在10月份開始枯黃，沒有明顯的空間遞變規(guī)律。四川省的東北部植被生長季結束時間在10月下旬，這可能是因為四川盆地西北部降水量比較多，水分條件充足，植被生長旺盛，生長季結束時間晚。

圖3 青藏高原植被生長季開始時間多年平均值(2000年～2010年)

圖4 青藏高原植被生長季結束時間多年平均值(2000年～2010年)

青藏高原植被生長季長度(圖5)綜合了青藏高原植被生長季開始時間和結束時間的空間分布規(guī)律。青藏高原的地勢總體上西高東低，植被的生長季長度自東南向西北逐漸縮短，甘肅省和四川省交界區(qū)域內植被生長季持續(xù)時間最長，超過5個半月。青海省內東部區(qū)域生長季長度為5個月，也有從東南到西北逐漸縮短的趨勢。在西藏自治區(qū)內植被生長季長度普遍較短，大約在4個月左右，但是在納木錯湖和色林錯湖周圍水分充足的地區(qū)，草甸草原帶的生長季相對來說明顯要長。

圖5 青藏高原植被生長季持續(xù)時間多年平均值(2000年～2010年)

4.2 植被物候參數(shù)的年際變化

本文采用線性擬合法計算植被物候期的變化趨勢，根據(jù)計算的2000年～2010年間青藏高原植被的生長季開始時間、生長季結束時間和生長季持續(xù)時間的年際變化，分析青藏高原植被的物候變化趨勢。圖6表示青藏高原植被2000年～2010年生長季開始的年際變化。整個青藏高原地區(qū)從東到西隨著海拔升高，生長季開始時間逐漸推遲。生長季開始時間提前區(qū)域主要集中在青藏高原中部，大部分在青海省境內，可能是由于降雨增加和氣溫升高的共同作用導致植被生長有好轉趨勢。圖7表示青藏高原植被2000年～2010年生長季結束時間的年際變化。變化區(qū)域主要集中在西藏、青海省境內，變化的時間范圍較短，多為1天～5天。此外，生長季結束時間提前區(qū)域的主要植被是高山草甸草，推遲區(qū)域的植被類型主要是高山草原草，這說明高寒草地物候期在此研究時間段內變化更大。

圖6 2000年～2010年青藏高原植被生長季開始時間年際變化

圖7 2000年～2010年青藏高原植被生長季結束時間年際變化

圖8 2000年～2010年青藏高原植被生長季持續(xù)時間年際變化

圖8表示青藏高原植被生長季長度在2000年～2010年的年際變化。受生長季開始和結束時間變化的綜合影響，變化區(qū)域主要集中在青藏高原中西部地區(qū)的西藏、青海省境內，從變化趨勢看，生長季長度顯著延長和縮短的區(qū)域所占全區(qū)域的比例很少，變化天數(shù)主要集中在1天～5天，占整個青藏高原面積的33.5%左右。

表1是生長季開始時間、生長季結束時間和生長季長度3個指標年際變化的不同變化程度所占青藏高原總體面積的百分比。由表可得，超過一半的區(qū)域是保持生長季開始時間、結束時間和生長季長度不變的。綜合來看，3個物候參數(shù)年際變化天數(shù)超過20天的區(qū)域很少，占整個青藏高原面積的1%以下，提前5天～20天的占了4%左右，推遲或提前1天～5天的區(qū)域面積大，是物候期變化的主體。由于地域差異，青藏高原植被生長開始時間和結束時間提前或推遲程度不同，植被的生長季開始時間提前和推遲的區(qū)域面積相當，生長季長度不同程度延長的區(qū)域面積都明顯大于生長季縮短區(qū)域，青藏高原植被的整體生長季長度是延長的。

4.3 植被物候變化對氣候的響應

溫度和降水是植被生長的主要影響因子，氣溫和降水的變化直接影響植被的生長狀況，隨著時間的積累，逐漸體現(xiàn)在植被的物候期變化。本文選取青藏高原地區(qū)2000年～2010年不同站點的逐月氣溫和降水數(shù)據(jù)，得出生長季開始時間和生長季結束時間變化區(qū)域內氣溫和降水的季節(jié)變化，季節(jié)劃分情況是冬季12月～2月，春季3月～5月，夏季6月～8月，秋季9月～11月。根據(jù)這11年內的氣溫和降水變化情況與植被物候期進行相關性分析，說明植被物候期變化對氣溫和降水的響應情況。

表1 物候參數(shù)年際變化面積統(tǒng)計

青藏高原青海、西藏兩省的植被物候期變化明顯，青藏高原大部分地區(qū)植被的返青開始時間集中在5月份，生長結束時間集中在9月底、10月初，上年10月到當年4月份的氣溫和降水則是為植被生長準備條件。冬春季氣溫、降水對植被生長影響較大，氣溫升高，能較早達到植被生長所需的有效積溫，冰川、積雪等融化速度也加快，補充地下水、補給湖泊水，降水量適當增加，保證植被生長水量充足，都有利于植被返青期提前，而夏、秋季節(jié)的氣溫降水量變化對植被生長結束時間影響較大。生長季開始時間和生長季結束時間變化顯著的氣象站點分別如表2、表3所示。

表2 生長季開始時間變化顯著站點的物候和氣象參數(shù)相關性

本文根據(jù)2000年～2010年青藏高原的月氣溫和降水數(shù)據(jù)計算各個季節(jié)的氣溫和降水變化及其與物候參數(shù)的相關性。由表2可以看出，8個站點中有5個的生長季開始時間與冬季氣溫的相關性要高于春季氣溫，說明在這些地區(qū)冬季氣溫對植被生長季開始時間的影響要高于春季氣溫。而春季降水量變化對植被的影響比較明顯，基本上都成負相關，即春季降水量增加，植被開始生長物候期提前。

由表3可以看出，除改則、拉孜、囊謙站點外，其他站點夏季氣溫與植被生長季結束時間呈負相關，夏季氣溫升高，在一定程度上使植被的新陳代謝活動加快，可能使植被提前進入生長衰退期，植被結束生長的時間提前。但是夏季降水量與植被生長季結束時間呈正相關，夏季降水增多，植被生長結束時間晚。秋季氣溫和降水量都與植被生長結束時間呈正相關，秋季氣溫高，降水量充足，也是植物生長的好時節(jié)，可以認為是植物生長的第二個季節(jié)，可以延長植被的生長期，所以秋季氣溫升高，降水增加使植被的枯黃期推遲。

表3 生長季結束時間變化顯著站點的物候和氣象參數(shù)相關性

氣溫和降水對植被生長的影響并不是相互獨立，而是相互制約的。氣溫升高也會加劇高原地區(qū)的干旱，荒漠化也更嚴重，使得水分條件對植被的生長更為重要。雖然氣溫升高，草地生長期提前，但也需要有充足的水分條件作保證。如青海省2008年，盡管夏季氣溫偏高，但是降水時空分布不均，在植被生長旺盛期又出現(xiàn)階段性旱情，大部分地區(qū)牧草長勢較差[17]。此外，在枯黃期，低溫干燥的天氣也對牧草生長造成極大負面影響，使牧草提前進入枯黃期，生長季結束時間會提前。由于地域差異性，在不同的氣候區(qū)由于日照時間、多風或人類自身的活動等其他因素的綜合影響，氣溫和降水影響植被生長的主導地位也不同。

5 結束語

本文以青藏高原為研究對象，根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)集8天合成的MODIS反射率產品數(shù)據(jù)集計算NDVI，提取青藏高原植被的主要物候指標：生長季開始時間、生長季結束時間和生長季長度，對青藏高原的草地物候變化趨勢及其對氣候因子(氣溫和降水)變化的響應情況做了相應的研究，得出主要結論如下：

(1)整個青藏高原地區(qū)從東到西隨著海拔升高生長季開始時間逐漸變晚，植被的返青期從4月下旬開始，大部分地區(qū)的返青開始時間集中在5月～6月份。青藏高原生長季結束期在空間上的差異整體不顯著，從9月中旬開始結束生長，尤其是青海省和西藏自治區(qū)內植被的生長結束時間相對集中，部分區(qū)域在10月份開始結束生長。

(2)由于地域差異，青藏高原植被生長開始和結束時間提前或推遲程度不同，青藏高原植被的整體生長季長度是延長的，但延長幅度不大。

(3)氣溫和降水共同影響植被的生長，而植被對不同季節(jié)的氣溫和降水的響應情況有所不同。冬季氣溫適當增加，使植被生長開始時間提前，且冬季氣溫對植被生長的影響要高于春季氣溫；夏季氣溫升高，使植被提前進入生長衰退期；秋季氣溫升高，降水增加使植被的枯黃期推遲。

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