青藏高原植被物候監(jiān)測及其對氣候變化的響應(yīng)

馬曉芳，陳思宇，鄧婕，馮琦勝，黃曉東

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

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青藏高原植被物候監(jiān)測及其對氣候變化的響應(yīng)

馬曉芳，陳思宇，鄧婕，馮琦勝，黃曉東*

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

摘要：研究青藏高原植被物候變化對揭示高寒生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應(yīng)機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。本文選取1982-2005年的GIMMS NDVI遙感數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)閾值法提取了青藏高原高寒草地的物候信息，包括植被返青期、枯黃期及生長季長度，分析了青藏高原高寒草地植被物候的時(shí)空變化及其對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，1)青藏高原植被物候多年均值的空間分布與水熱條件密切相關(guān)。青藏高原從東南向西北，植被返青期逐漸推遲、枯黃期逐漸提前，生長季長度因受到植被返青和枯黃的影響，呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢；2)植被返青期和枯黃期的年際變化整體上呈提前的趨勢，生長季長度呈增長趨勢；3)高原地區(qū)的植被物候易受到海拔的影響，但存在3400 m的分界線，在3400 m以下，物候隨海拔變化的波動(dòng)較大，而在3400 m以上，物候與海拔的關(guān)系密切；4)氣象因子是不同草地類型植被物候變化的主要影響因素，與降水相比，植被物候期與溫度相關(guān)程度更高。

關(guān)鍵詞：物候；時(shí)空變化；氣候變化；青藏高原

物候是指自然界中的生物在生命周期受到環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)的一系列現(xiàn)象，如植物的發(fā)芽、開花、結(jié)果、落葉等[1]。植被物候的監(jiān)測，與人類活動(dòng)息息相關(guān)，如氣象預(yù)報(bào)、土地利用及預(yù)報(bào)農(nóng)時(shí)等方面，同時(shí)它還可以影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的諸多特性，如碳、氮循環(huán)和水循環(huán)等[2-3]。

傳統(tǒng)植被物候信息的提取，是在野外基于站點(diǎn)進(jìn)行人工觀測實(shí)驗(yàn)。該方法由于受到環(huán)境因素的限制，需大量人力和物力，且觀測的物種單一。近些年以來，隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，使得遙感衛(wèi)星資料可以以相對較低的費(fèi)用、提供較大覆蓋范圍和多時(shí)相的觀測信息等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于植被物候的監(jiān)測中[4]。

研究表明，與近60年北半球同緯度區(qū)域的升溫狀況相比，青藏高原的升溫趨勢更為明顯，由此導(dǎo)致的青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的變化已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[5-7]。目前已有少量關(guān)于青藏高原植被物候及其與氣溫、降水年際變化關(guān)系研究的報(bào)道。陳江等[8]利用1982-2002年的GIMMS-NDVI(global inventory modeling and mapping studies-normalize difference vegetation index)遙感數(shù)據(jù)，定量分析了青藏高原植被蓋度的時(shí)空變化以及其與人類活動(dòng)的關(guān)系。丁明軍等[2]利用SPOT VGT歸一化植被指數(shù)(NDVI)對青藏高原1999-2009年間高寒草地物候的時(shí)空變化進(jìn)行了分析，得到該區(qū)物候期年際變化在不同的海拔和自然帶上的分異情況。曾彪[9]應(yīng)用GIMMS-NDVI遙感數(shù)據(jù)研究了青藏高原1982-2003年間植被主要物候參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明青藏高原返青期的年際變化以1995年為界，表現(xiàn)出先提前(6.5 d/10 a)后推遲(4.6 d/10 a)的非線性特征，總體提前4.6 d；枯黃期的變化趨勢表現(xiàn)為：1982-1992年推遲6.9 d/10 a，1992-2003年則以9.6 d/10 a的速率提前，而總體上提前了3.6 d；生長季長度在研究期內(nèi)表現(xiàn)出“先延長后縮短”的變化趨勢，總體僅延長了1 d左右。

本研究針對青藏高原這個(gè)獨(dú)特的地域單元，選用GIMMS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，利用TIMESAT軟件對青藏高原地區(qū)高寒草地的物候動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，并結(jié)合地面氣象臺站提供的觀測數(shù)據(jù)分析了氣候變化對青藏高原植被物候的影響。研究結(jié)果對進(jìn)一步分析氣候變化背景下，青藏高原植被物候變化的機(jī)制有重要的研究意義。

1材料與方法

圖1　青藏高原高程及氣象臺站空間分布Fig.1　The DEM and weather stationsdistribution of Tibetan Plateau

1.1研究區(qū)概況

青藏高原東西長約2945 km，南北寬達(dá)1532 km，在我國跨新疆、青海、甘肅、西藏等6個(gè)省區(qū)，總面積為2.62×106km2，占我國陸地總面積的26.8%，其地理位置如圖1所示。青藏高原地形主要有兩大特點(diǎn)，首先是“高”，青藏高原周邊及內(nèi)部聳立著許多大的山脈，且海拔大多超過6000 m，如昆侖山、喜馬拉雅山、唐古拉山、岡底斯山、念青唐古拉山等，被地理學(xué)家稱為“山原”。其次是“水系發(fā)達(dá)”，青藏高原是東南亞多條河流的重要發(fā)源地，如長江、黃河、瀾滄江、雅魯藏布江等，有“中華水塔”之稱。青藏高原作為世界上平均海拔最高的高原，空氣稀薄，太陽輻射強(qiáng)，氣溫和降水自東南到西北呈現(xiàn)遞減的趨勢。由于巨大的海拔，使得該區(qū)的自然條件大大不同于其他中緯度暖溫帶和亞熱帶地區(qū)，該研究區(qū)主要包括高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠草原、山地草甸、高寒草甸草原、高寒荒漠、溫性荒漠、溫性草原等17種草地類型。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

NASA數(shù)據(jù)官網(wǎng)推出的GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)，時(shí)間段為 1981-2006年，空間分辨率為8 km，時(shí)間分辨率為15 d。雖然該數(shù)據(jù)集空間分辨率較低，但時(shí)序完整，可用于大范圍植被時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對研究植被生長季節(jié)較短的青藏高原地區(qū)非常有利[10]。本文從中選取1982-2005年的植被指數(shù)數(shù)據(jù)，用于分析青藏高原地區(qū)高寒草地物候時(shí)空變化。

DEM是從地理空間數(shù)據(jù)云(http://globalchange.nsdc.cn)中下載得到，其空間分辨率為1 km，將高程數(shù)據(jù)以100 m的間隔進(jìn)行高程帶劃分，用于分析植被物候參數(shù)隨海拔變化的趨勢。

氣象數(shù)據(jù)是來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，包含青藏高原地區(qū)共計(jì)86個(gè)基本臺站的逐日平均溫度和平均降水?dāng)?shù)據(jù)，主要用于分析氣象因子對物候期變化的影響。

1.3Savitzky-Golay濾波法

GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)集采用最大值合成法(maximum value composite, MVC)可以在一定程度上消除云對NDVI的影響，但受到傳感器本身、地表形態(tài)以及衛(wèi)星飛行姿態(tài)等因素的影響，導(dǎo)致該數(shù)據(jù)集存在一定的噪聲，并直接影響著地表植被的監(jiān)測效果。因此，本研究的前期工作便是對GIMMS-NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理[11]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了許多關(guān)于NDVI時(shí)間序列的重建方法，如傅里葉變換法、最佳指數(shù)斜率提取方法、Savitzky-Golay (S-G)濾波法、時(shí)間窗內(nèi)的線性內(nèi)插法、諧波分析法等，其中，S-G濾波法將偏離擬合曲線的異常值排除不參與過程的擬合，使得偏離正常生長軌跡的噪聲可以被有效去除，在數(shù)據(jù)重建過程中能更好地與植被的生長軌跡相吻合。因此，本文采用S-G濾波法，重建NDVI時(shí)間序列曲線。

S-G濾波法是應(yīng)用最小二乘卷積擬合的加權(quán)平均算法。其基本原理：對于某個(gè)點(diǎn)Si，取其周邊固定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)擬合一個(gè)多項(xiàng)式，并用Ki代替點(diǎn)Si處的原值，成為擬合后的新值[12]。這種算法可以更好地反映植被在整個(gè)生長季內(nèi)的真實(shí)變化。基于S-G濾波原理，GIMMS NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)重建的公式可表示如下：

(1)

式中，Yj*為合成序列數(shù)據(jù)；Yi+j代表原始序列數(shù)據(jù)；Ci為濾波系數(shù)；N為滑動(dòng)窗口所包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)(2m+1)。

本文利用TIMESAT軟件，對原始的NDVI時(shí)間序列進(jìn)行平滑去噪。去噪過程需注意的是，NDVI數(shù)據(jù)擬合的精確度與平滑多項(xiàng)式的階數(shù)以及滑動(dòng)窗口的大小密切相關(guān)。一般而言，若多項(xiàng)式的階數(shù)越低，擬合的曲線也就越平滑，但通常保留異常值，反之，會(huì)由于過度擬合形成新的噪音，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此本文經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，將S-G濾波窗口的值設(shè)為4。

1.4物候期關(guān)鍵參數(shù)提取

本研究基于TIMESAT 3.0平臺，采用J?nsson和Eklundh[13]提出的動(dòng)態(tài)閾值法，提取植被物候的主要參數(shù)(返青期、枯黃期、生長季長度)。其中，返青期定義為NDVI增加至擬合函數(shù)左半部分振幅20%的時(shí)刻，枯黃期定義為NDVI降低至擬合函數(shù)右半部分振幅20%的時(shí)刻，而將返青期與枯黃期之差定義為生長季的長度。根據(jù)已有的研究，將返青期和枯黃期定義為NDVI最大值的1/2處。由于青藏高原高寒草地植被蓋度偏低，所以本研究將返青期的閾值設(shè)為10%，而將枯黃期的閾值設(shè)為20%，以此逐年逐像元提取1982-2005年青藏高原地區(qū)的植被物候參數(shù)。

1.5植被物候年際變化率提取

基于ArcGIS軟件對1982-2005年24幅植被物候參數(shù)圖(返青期、枯黃期、生長季長度)分別進(jìn)行線性回歸，分析植被生長季物候參數(shù)的時(shí)間變化趨勢，并對得到的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，即F檢驗(yàn)。

其中直線斜率的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Pi代表植被物候參數(shù)，i表示時(shí)間序列中的年份，用1，...，n表示，n表示年數(shù)。

F檢驗(yàn)的表達(dá)式：

(3)

由樣本數(shù)據(jù)可知，k=1，n=24，因此，F(xiàn)0.01(1,24)=7.82、F0.05(1,24)=4.26。由式3和F0.01及F0.05的值可知，當(dāng)|r|≥0.51時(shí)，通過置信度0.01水平的檢驗(yàn)(變化趨勢極顯著)；當(dāng)0.40<|r|<0.51時(shí)，通過置信度0.05水平的檢驗(yàn)(變化趨勢顯著)；當(dāng)|r|≤0.40時(shí)，年際變化趨勢不顯著。其中r為正表示趨勢提前(或縮短)，r為負(fù)表示趨勢推遲(或延長)。

2結(jié)果與分析

2.1植被物候空間格局的變化

圖2　1982-2005年青藏高原植被物候均值空間分布Fig.2　The spatial pattern of phenology in meanvalue of the Tibetan Plateau

圖2顯示了1982-2005年青藏高原植被平均物候期在空間的變化情況。青藏高原地區(qū)自東南向西北植被返青期逐漸推遲、枯黃期逐漸提前、生長季長度由于受到植被返青期和枯黃期的作用，呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢，這種分布格局與該區(qū)水熱條件的時(shí)空分布保持了較好的一致性。植被的返青期主要集中在第130~180天，東北部一些地勢較低的區(qū)域(如青海湖周邊)及西南部的雅魯藏布江流域等地區(qū)較早進(jìn)入生長季，時(shí)間早于第130天，即4月中旬；而高原西部及中部部分地區(qū)，返青較晚，大概晚于第170天?？蔹S期主要集中在第280~330天，且呈現(xiàn)自北向南推遲的趨勢。其中，西南部、南部一些地區(qū)，枯黃時(shí)間較晚，大概晚于第320天，而在高原東北部的部分地區(qū)，枯黃時(shí)間較早，早于第290天。生長季長度主要集中在第120至170天，東南部一些地區(qū)生長季長度要長于160 d，而中部地區(qū)生長季長度主要集中在120~150 d。

2.2植被物候年際變化的分析

通過線性擬合1982-2005年青藏高原植被生長季的年際變化情況，得到圖3的植被物候變化趨勢分布。其中高原98.1%的區(qū)域返青期呈提前的趨勢(其中在雅魯藏布江流域及祁連山部分區(qū)域，返青期顯著提前)，僅有1.9%的區(qū)域有推遲的趨勢；整個(gè)高原78.4%的區(qū)域枯黃期具有提前的趨勢，其中顯著提前的區(qū)域占全區(qū)的13.4%，主要集中在高原的腹地。21.7%的區(qū)域枯黃期推遲，主要分布在青藏高原的東北部地區(qū)，且24 a的推遲天數(shù)約2 d；從生長季長度變化來看，高原東部和南部大部分區(qū)域植被生長期呈增長的趨勢，僅有11.6%的區(qū)域縮短，且主要集中在高原中部地區(qū)。

2.3植被物候隨海拔變化的趨勢分析

將海拔作為一個(gè)影響因子，分析研究區(qū)植被物候期的空間異質(zhì)性。如圖4所示，青藏高原植被物候期多年均值與海拔的關(guān)系，存在一個(gè)3400 m的界限。海拔在3400 m以上，隨著海拔的升高，青藏高原的多年平均返青期呈現(xiàn)明顯的推遲趨勢，生長季長度呈現(xiàn)明顯的縮短趨勢。而植被的平均枯黃期，隨海拔升高逐漸推遲。但海拔在3400 m以下，植被物候期隨海拔的變化不明顯，且波動(dòng)很大。整體而言，隨著海拔的升高，植被返青期逐漸推遲，枯黃期提前，生長季長度逐漸縮短。此外，青藏高原低海拔地區(qū)的物候年際變化幅度要大于高海拔地區(qū)，且高海拔地區(qū)的返青期和生長季長度年際變化率比低海拔地區(qū)復(fù)雜。

圖3　1982-2005年青藏高原植被物候期年際變化Fig.3　The inter-annual variation of phenology in Tibetan Plateau during 1982-2005

圖4　1982-2005年青藏高原物候期與海拔的關(guān)系Fig.4　The relations between phenology and altitude of the Tibetan Plateau during 1982-2005

續(xù)圖4　1982-2005年青藏高原物候期與海拔的關(guān)系Continued Fig.4　The relations between phenology and altitude of the Tibetan Plateau during 1982-2005

2.4關(guān)鍵氣候因子與植被物候變化的關(guān)系

本研究選取分布在青藏高原的7種草地類型作為研究對象，分析了植被物候期與溫度和降水的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示，近24年來青藏高原地區(qū)年平均溫度逐年升高，降水增加，整體呈暖濕化的趨勢。在這種氣候變化的背景下，除高寒草甸和高寒草原外，植被返青期均呈提前的趨勢。其中，山地草甸的提前3.6 d/24 a、溫性草原的提前2.3 d/24 a、溫性沙漠的提前0.36 d/24 a、高寒草甸草原的提前2.9 d/24 a、沼澤的提前3.4 d/24 a，而降水增加對不同草地類型下返青期的影響不顯著。從生長季長度來看，除了沼澤外，不同草地類型下生長季長度均隨著降水量的增加而縮短，這是由于受到返青期和枯黃期的共同影響形成的。研究區(qū)高寒草甸和高寒草原隨著溫度的升高和降水量的增加，返青期呈現(xiàn)出推遲的趨勢，這可能是受到立枯物的影響，使得監(jiān)測到的草地返青有所推遲[14-16]。

圖5　不同草地類型下物候期與溫度、降水的關(guān)系Fig.5　The relations between phenology and the temperature and precipitation under different grassland types　SOG:返青期 The start of growth season; EOG:枯黃期 The end of growth season; LOG:生長季長度 The length of growth season.A1,A2:山地草甸 Mountain meadow; B1,B2:高寒草甸 Alpine meadow; C1,C2:溫性草原 Warm steppe; D1,D2:溫性荒漠 Temperate desert; E1,E2:高寒草原 Alpine steppe; F1,F2:高寒草甸草原 Alpine meadow grassland; G1,G2:沼澤 Swamp.

續(xù)圖5　不同草地類型下物候期與溫度、降水的關(guān)系Continued Fig.5　The relations between phenology and the temperature and precipitation under different grassland types

3結(jié)論與討論

本文利用GIMMS-NDVI產(chǎn)品對青藏高原高寒草地1982-2005年期間植被物候的時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析，并討論了物候期與氣候變化的關(guān)系。結(jié)果表明：1)青藏高原植被物候自東南向西北，呈現(xiàn)出返青期逐漸推遲，枯黃期逐漸提前，生長季長度逐漸縮短的基本規(guī)律。盡管該研究與丁明軍等[2]的研究數(shù)據(jù)和方法不盡相同，但得到的結(jié)果基本一致。2)研究得到青藏高原植被返青期和枯黃期的年際變化整體上呈提前的趨勢，生長季長度呈增長趨勢。具體分析得到，植被返青期提前1.6 d/10 a，枯黃期提前1.2 d/10 a，生長季長度延長0.4 d/10 a。曾彪[9]研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)青藏高原返青期提前4.6 d/10 a，枯黃期提前3.6 d/10 a，生長季長度延長1 d/10 a。可見，兩者的研究結(jié)果具有較好的一致性。3)隨著海拔的升高，植被返青期逐漸推遲，枯黃期提前，生長季長度逐漸縮短。另外，青藏高原低海拔地區(qū)的物候年際變化幅度要大于高海拔地區(qū)，且高海拔地區(qū)的返青期和生長季長度年際變化率比低海拔地區(qū)復(fù)雜，這與丁明軍等[2]得出的結(jié)論基本一致。4)氣象因子是不同草地類型植被物候變化的主要影響因素。與降水相比，植被物候期與溫度相關(guān)程度更高。這是由于青藏高原地區(qū)氣溫的上升速率遠(yuǎn)大于降水量，使氣溫成為青藏高原物候期變化的主導(dǎo)因素[17-20]。研究表明，近幾十年來，青藏高原氣候發(fā)生了顯著的變化，1961-2007年青藏高原年均溫變率為0.37℃/10 a，明顯高于近50年全國的增溫水平(0.16℃/10 a)[21]，高原不同區(qū)域呈現(xiàn)出一致的暖濕化態(tài)勢，急劇的升溫必對青藏高原植物物候產(chǎn)生影響[22]，這一研究成果充分地佐證了本研究的結(jié)論。

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*Vegetation phenology dynamics and its response to climate change on the Tibetan Plateau

MA Xiao-Fang, CHEN Si-Yu, DENG Jie, FENG Qi-Sheng, HUANG Xiao-Dong*

CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

Abstract:We extracted vegetation phenology parameters (start, end and duration of the growing season) using GIMMS NDVI remote sensing data from 1982-2005 from the Tibetan Plateau and analyzed the spatial distribution and inter-annual variation of vegetation phenology in order to explore the mechanisms of the response of phenology to climate change. The spatial distribution of vegetation phenology was closely related to hydrothermal conditions on the Tibetan Plateau. Along a transect running from the southeast to the northwest, the start of the growing season was gradually delayed, the end of growth season advanced while the length of growing season reduced. The inter-annual variability of the start and the end of the growing season tended to increase while that of the growing season length decreased. Elevation plays an important role in the regional heterogeneity of phenology, but a boundary was identified at approximately 3400 m altitude. Below 3400 m phenology fluctuated irregularly with altitude whereas above 3400 m phenology was closely associated with altitude. Based on climate data from meteorological stations, the relationship between vegetation phenology and the key meteorological factors under the different grassland types were analyzed; the results show that temperature is more important to the change of vegetation phenology than precipitation on the Tibetan Plateau.

Key words:phenology; spatio-temporal changes; climate change; Tibetan Plateau

*通信作者Corresponding author. E-mail: huangxd@lzu.edu.cn

作者簡介：馬曉芳(1991-)，女，甘肅會(huì)寧人，在讀碩士。E-mail:ymaxiaofangy@163.com

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CBA01802)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31372367，31228021)資助。

*收稿日期：2015-02-20；改回日期：2015-07-06

DOI：10.11686/cyxb2015089

http://cyxb.lzu.edu.cn

馬曉芳， 陳思宇， 鄧婕， 馮琦勝， 黃曉東. 青藏高原植被物候監(jiān)測及其對氣候變化的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(1): 13-21.

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