2001—2016年內蒙古植被物候變化及其對生產力的影響

烏日汗， 紅 雨*， 包 剛

(1. 內蒙古師范大學生命科學與技術學院， 內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古師范大學地理科學學院， 內蒙古 呼和浩特 010022；3.內蒙古師范大學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)

聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第五、六次綜合評估報告指出，自上世紀開始全球溫度顯著上升[1]，氣候變暖成為陸地生態系統發生改變的主要原因之一。據上世紀80年代以來的衛星觀測研究表明，隨著氣候變暖北半球溫帶至寒帶植被物候、結構和生產力發生顯著的變化[2-4]。例如，在上世紀末的20年(主要在1982—1999間)北半球植被覆蓋度、生產力經歷了顯著的增加趨勢[4-6]，可能是由春季氣候變暖導致的返青期提前、秋季變暖導致的枯黃期推遲和植被在其季節變化中的振幅加大等所致[3,7- 8]。其中，返青期的提前和枯黃期的推遲將延長植被生長季的長度，增加植被光合作用的日數，從而增加植被生產力的累積[9]。這些研究結論也得到了地面觀測和模型模擬研究的支持[10]。但近年，隨著觀測時間尺度的不斷延長(1982至今)，植被生產力在不同的生態系統、不同的觀測時間段內未能隨著氣溫的持續升高而增加，而在全球不同區域呈不同程度的下降或保持平穩趨勢[11]。這表明由氣候變暖導致的植被物候變化(返青期、枯黃期及其導致的生長季的長短變化)及其對生產力的影響研究仍存在較大的不確定，在不同區域尺度上(如不同生態區、高原、國家和流域等尺度)需進一步的研究和探討。特別是在全球氣候變暖大背景下，開展區域尺度植被物候及其對生產力的影響研究，對揭示植被生產力改變的主要原因、緩解和適應氣候變化等方面具有理論和實際意義。

內蒙古自治區位于中國北方邊疆，生態環境脆弱，屬于典型的溫帶干旱半干旱生態系統，是全球氣候變化最為敏感的區域之一[12]。內蒙古東西和南北直線距離分別約2 400 km和1 700 km，受降雨梯度的影響由東北向西南分布著森林、草原和荒漠生態系統[12-13]，為氣候變化背景下溫帶植被物候及其生產力的影響研究提供了較理想的場所和生態系統類型。研究表明，包括內蒙古在內的干旱半干旱區近百年來陸地表面增溫最為顯著的地區之一[14]，其植被物候、生產力變化趨勢及調控因子復雜多樣[15]，物候變化對植被生產力的影響方式和過程仍然存在較大的不確定性[16]。鑒于此，本研究利用2001—2016年中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS) 歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI) 數據，利用累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法提取植被返青期、枯黃期和生長季長度等3種物候參數，并分析三者對植被生產力(NDVI)的影響研究。NDVI作為植被生產力的典型指標[17]，在區域至全球尺度的植被生產力、物候、生物量、覆蓋度、作物估產和長勢監測研究中得到非常廣泛的應用[6-7,11,18]，為植被物候變化及其對生產力影響研究提供了最重要的數據源和方法手段。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區是中國北部高原地區，位于97°12′ E～126°04′ E和37°22′ N～53°23′ N之間，總面積約為1.18×106km2。氣候以溫帶大陸性季風氣候為主，降水量具有從東北向西南遞減的特征，在東北地區年降水量達到300～400 mm，在西南部戈壁荒漠區最少，一般低于100 mm。氣溫空間分布特征與降水量相反，即在東北地區年均氣溫最低，而西南最高，約在—1.6～8.4℃之間波動。平均海拔約為1 000 m。生態系統類型從東北向西南依次為森林、草原和荒漠生態系統(圖1)[12]。

1.2 數據來源與預處理

本研究所使用的NDVI數據為MODIS-MOD13A2產品，空間分辨率和時間分辨率分別為1 000 m和16天。在MRT工具的支持下，對每年每期6景MODIS NDVI數據(分別為h25v03，h25v04，h25v05，h26v03，h26v04和h26v05)進行圖像鑲嵌和投影變換等預處理，并利用內蒙古行政界線裁剪獲得覆蓋全內蒙古的2001—2016年逐年NDVI時間序列數據。考慮到16天最大值合成(Maximum Value of composite,MVC)[19]的NDVI數據中仍存在部分云或其它環境條件的影響，在時間序列曲線中經常出現鋸齒狀波動，不能符合植被生長的季節變化規律等實際，本研究采用Savitzky-Golay(S-G)濾波法[20]，對原NDVI數據進行逐像元的平滑和重構處理，降低原MVC方法無法去除的云和環境噪聲，以恢復時間序列數據的季節變化規律(圖2)。通過對原始數據和平滑后的數據進行比較和反復試驗，最終在此將S-G方法的滑動窗口大小設置為7，擬合多項式的階數設置為4。考慮到內蒙古西南部荒漠生態區的沙漠和戈壁荒漠區的植被覆蓋極為稀疏，其NDVI值受土壤背景的影響較大，不能反映植被的季節變化規律等現象，在此將多年生長季平均NDVI值小于0.15的地區視為無植被區，將其從研究區移除[5]，最終71.5%的地區進入研究。

圖1 內蒙古生態系統類型及其空間分布格局Fig.1 Spatial distribution of ecosystem types in Inner Mongolia

圖2 NDVI數據平滑前后數據對比(以2001年第551行862列像元為例)Fig.2 Comparison between before and after smoothingNDVI data (using the pixel in column 862 and in line 551in 2001 as an example)

1.3 研究方法

1.3.1累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法 利用Hou等[21]提出的累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法，在像元尺度上識別研究區植被物候的三個主要參數—返青期，枯黃期和生長季長度。此方法是Zhang等[22]提出的年內NDVI的Logistic擬合法的改進，但與Zhang等的方法不同是該方法先對年內NDVI進行累積NDVI的計算(圖3a)，然后利用Logistic函數對累積NDVI進行擬合(式1)并計算曲率(式2-3)，將最大曲率值和最小曲率值對應的時間分別定義為返青期和枯黃期，兩者差值定義為生長季長度(圖3b)。前人研究[23]和研究組前期分析[24]表明，與Zhang等[22]的結果相比，累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法較適合于包括內蒙古在內的中國溫帶生態系統和蒙古高原植被物候的時空變化分析。

(1)

(2)

z=ea+bt

(3)

式中，y(t)為儒略日t對應的Logistic擬合的累計NDVI值，d是背景NDVI，c+d為累計NDVI的最大值，a和b是擬合參數。

1.3.2植被生產力與物候參數的變化趨勢及相關分析 為展示植被生產力和物候變化趨勢的空間格局，對逐年NDVI、返青期、枯黃期和植被生長季長度與年份之間進行線性回歸分析，以斜率表示各指標的變化趨勢(式4)[25]，

(4)

(5)

圖3 累積NDVI的Logistic擬合曲線曲率極值法示意圖Fig.3 Illustration of cumulative NDVI based Logistic curve model

2 結果分析

2.1 NDVI和植被物候空間分布格局

圖4為內蒙古地區2001—2016年生長季平均NDVI和物候空間分布格局。由從圖4a可知，受降水和生態類型空間分布的影響(圖1)[12]，內蒙古植被生產力由東北向西南逐漸降低，在東北部森林生態區植被生產力最高，其多年平均NDVI值為0.53，其次為中部草原生態區，平均NDVI為0.36，而生產力最低像元主要分布在西南部荒漠生態區，其平均NDVI值約為0.21。從全區NDVI空間統計看(表1)，NDVI值介于0.15～0.25的面積約占研究區總面積的16.8%，0.25～0.35的占比為19.9%，0.35～0.45為13.6%，0.45～0.55為7.9%，0.55～0.65為13.0%，大于0.65的面積為0.53%。這說明，內蒙古高生產水平的植被類型占比較少，全區植被生產力總體上相對較低。從16年平均植被返青期空間分布格局看(圖4b)，研究區返青期較早的地區主要分布在東北部森林生態區、中部草原生態區的東南部和西南部荒漠生態區地區，而大多草原生態區，尤其是錫林郭勒草原東部和呼倫貝爾草原地區的返青期相對較晚。森林、草原和荒漠生態區的平均返青期日數分別為第120，128和119天。枯黃期的空間分布格局與返青期的空間分布格局總體上呈相反(圖4c)，即草原生態區(錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原)的枯黃期比森林和荒漠生態區要早些，平均值分別為第269天、275和276天。生長季長度的空間格局(圖4d)主要受返青期和枯黃期空間格局的影響。總體上，在返青期相對要早和枯黃期要晚的森林生態區和荒漠生態區平均植被生長季長度最長，分別為155，157天，而草地生態區的平均生長季長度為141天。

圖4 內蒙古2001—2016生長季平均NDVI(4—10月)(a)、返青期(b)、枯黃期(c)和生長季長度(d)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of growing season NDVI (a),start of growing season (b),end of growing season (c) and Lengthof growing season (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

表1 2001-2016年內蒙古生長季平均NDVI值統計結果Table 1 the statistics of growing season mean NDVI in Inner Mongolia during 2001-2016

NDVI值 NDVI value 0.15～0.250.25～0.350.35～0.450.45～0.550.55～0.65> 0.65面積比重 Area specific gravity 16.8%19.9%13.6%7.9%13.0%0.5%

2.2 NDVI和植被物候變化趨勢的空間格局

圖5為內蒙古地區2001—2016年生長季平均NDVI和物候變化趨勢的空間格局。從NDVI變化趨勢看，過去16年間內蒙古植被生產力主要以增加為主，即NDVI呈增加趨勢的面積為91.6%，其中顯著增加趨勢的面積為47.5%，主要分布在森林生態區和荒漠生態區的東南部，即鄂爾多斯高原南部等地區(圖5a)。以錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原為代表的草原生態區的生產力盡管呈上升趨勢，但其趨勢不顯著。2001-2016年間植被生產力呈下降趨勢的面積僅為8.4%，零星分布在草原生態區南部和內蒙古主要糧食產區——河套灌溉區，但并不顯著。

從植被返青期變化趨勢的空間格局看，約占研究區58.7%的地區呈提前趨勢(圖5b)，主要分布在森林生態區、草原生態區的東部和西南部、荒漠生態區的大多地區。其中顯著提前趨勢的面積僅為6.0%，主要集中在草原生態區東北部地區。返青期呈推遲趨勢的面積約為41.3%，主要分布在草原生態區中部和荒漠生態區的西北區域，但并不顯著。需要指出的是，內蒙古糧食主產區—河套灌溉區的植被返青期呈顯著的推遲趨勢。在過去16年間，內蒙古植被枯黃期主要以提前為主(73.8%)，其中草原生態區尤為突出(圖5c)。而呈推遲趨勢的地區主要分布在森林生態區北部和荒漠生態區的南部的鄂爾多斯高原地區(26.2%)。與返青期相似，河套灌溉區的植被枯黃期也呈顯著的推遲趨勢，說明該地區農業活動在過去16年間整體推遲的現象。從植被生長季長短的變化趨勢看，生長季延長趨勢的地區主要分布在森林生態區的北部、荒漠生態區的西南部和草原生態區東北和西南地區。而生長季縮短趨勢的趨勢分布于草原生態區和森林生態區東部地區(圖5d)。

圖5 內蒙古2001—2016生長季NDVI (a)，返青期(b)，枯黃期(c)和生長季長度(d)的變化趨勢Fig.5 Changing trends of growing season NDVI (a),start of growing season (b),end of growing season (c) and Length of growing season (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

2.3 植被物候對生長季NDVI的影響

研究區絕大多數地區的返青期與NDVI之間呈正相關(72.5%)(圖6a)，主要分布在草原生態系統、荒漠生態系統及森林生態系統的南部地區。其中，在草原生態系統和荒漠生態系統交界處兩者的相關尤為明顯，呈顯著的正相關(29.9%)。研究區東北部森林生態系統和草原生態系統的交界處，返青期與NDVI之間呈負相關(27.5%)，但只有5.7%的地區為顯著負相關。枯黃期與NDVI之間呈正相關和負相關的面積分別為44.8%和55.2%，但都不顯著(圖6b)。總體上，呈正相關的地區分布在位于研究區東北地區的草原生態系統和森林生態系統交界處、西南部荒漠生態區南部和草原生態區中部小區域。由圖6c可知，生長季長度和NDVI之間主要以負相關為主(72.7%)，主要分布在除東北部草原生態區和森林生態區交界處以外的大多地區。

圖6 2001—2016年內蒙古植被返青期(a)，枯黃期(b)，生長季長度(c)與生長季平均NDVI的相關關系Fig.6 The correlation between vegetation start of growing season (a),end of growing season(b),length of growing season(c) and average NDVI of growing season in Inner Mongolia during 2001—2016

3 討論

本文在對MODIS NDVI數據進行S-G濾波[27]的基礎上，利用年內累計NDVI的Logistic曲線曲率極值法[21,24]提取內蒙古植被2001—2016年返青期、枯黃期和生長季長度等3種物候參數，并進行了其對植被生產力(NDVI)的影響研究。Wu等[23]和包剛等[24]的研究表明，累計NDVI的Logistic曲線曲率極值法在中國溫帶植被和蒙古高原地區具有較好的物候識別效果，其識別精度優于Zhang等[22]提出的年內NDVI(非累計NDVI)的Logistic擬合方法。本文識別的內蒙古植被返青期主要集中在第100～145天，在空間分布上西南部荒漠生態區和東北森林生態區比中部草原生態區要早些，返青期的分布范圍和空間分部特征與Wu等[23]和包剛等[24]的研究結果基本一致。這一定程度上說明，累計NDVI的Logistic曲線曲率極值法能夠反映研究區植被物候分布的實際情況，可用于進一步的物候變化及其對植被生產力的影響研究。

內蒙古荒漠生態區植被返青期較早的原因可能與西南部地區的溫度比中部高[26]有關，西南部荒漠生態區相對較高的溫度使得返青期(除河套灌溉區)比中部草原生態區提前發生。盡管森林生態區分布在氣溫較低的地區[12]，但多為興安落葉松、樟子松林，木本植物因其根系深入，能獲得充足的水分，隨著溫度的逐漸升高其返青期可能比中部草原要早些[24]。枯黃期的分布大致與返青期相反，即位于溫度相對高的荒漠生態區枯黃期明顯比草原生態區晚。森林生態區枯黃期也比草原生態區要晚，其原因可能與這些地區分布著樟子松林等常綠森林植被有關，另一個原因可能與草原秋季打草和過度放牧有關，兩者均將枯黃期提前。例如，有研究表明，內蒙古打草場主要分布在錫林郭勒草原東部(東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗)和呼倫貝爾草原(尤其陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗)地區[29]，在空間上與枯黃期較早的地區基本一致。另外，常年不合理的打草也可能將導致第二年返青期的推遲。不合理的打草(如種子未完全成熟前的打草)或多年連續打草可能將降低牧草種子產量，進而導致第二年的植被返青推遲和生產力的下降，這可能也是錫林郭勒草原東部和呼倫貝爾草原植被返青期較晚的另一個原因(圖4b)。但目前在這方面的研究較少，有必要利用多源數據(地面觀測和遙感數據)和生態系統模型來進一步探討。除此之外，草原植被對氣候變化，尤其降水的變化更加敏感，干旱等自然災害的發生將草原枯黃期明顯早于森林生態系統。植被生長季長短的變化趨勢(圖5d)主要受返青期和枯黃期的影響，即在植被返青期呈提前和枯黃期呈推遲趨勢的地區，植被生長季長度主要以延長為主，而在返青期呈推遲和枯黃期呈提前趨勢的地區生長季長度主要以縮短為主。在兩者同時提前或同時推遲趨勢的地區的生長季長度變化相對復雜，主要受兩者變化幅度的大小。由空間分布格局的對比(圖5bcd)可知在研究時段內枯黃期對生長季變化的影響比返青期的影響要大些。

植被生產力(NDVI)的空間分布主要受氣溫、降水和植被類型的空間分布的影響[18]。在水分條件充足的森林生態區生產力最高，其次為中部草原生態系統，而荒漠生態區的植被生產力最低，與穆少杰等[12]的研究結果一致。

基于NDVI的植被生產力研究表明，北半球中高緯度大多地區的植被生產力以上世紀90年代為轉折點，呈先增加后下降的變化趨勢[30-33]。與這些大區域尺度的研究結果不一致，內蒙古植被生產力在2001—2016年呈持續的增加趨勢。其中，森林生態區和荒漠生態區的南部(鄂爾多斯高原)植被生產力的增加趨勢尤為顯著(圖5a)，區域不同程度的氣溫、降水變化以及生態保護、植被回復工程等的共同影響可能導致其空間異質性[36-37]。在觀測時間段內，盡管內蒙古物候變化表現出較高的空間差異，但未觀測到大范圍的顯著提前或推遲區域(圖5bcd)。

研究表明，由春季溫度升高導致的返青期提前和秋季溫度升高導致的枯黃期推遲將增加植被光合作用時間長度而增加植被生產力的累積[9-10,34]。3個物候參數與NDVI的相關分析結果(圖6)，與前人在北半球和洲際尺度觀測的研究結果不一致[2,35]，在內蒙古地區的植被返青期提前或枯黃期推遲并不一定增加植被生產力。這種現象在草原生態系統和荒漠生態系統更加明顯。例如，在研究區草原和荒漠生態區，返青期與生長季平均NDVI之間呈正相關(圖6a)，在某種意義上表明返青期的推遲將增加植被生產力，而不是提前將增加生產力。與此類似，在草原和荒漠生態區枯黃期和NDVI呈不顯著的負相關(圖6b)，表明在這些區域枯黃期的推遲可能降低植被生長季生產力。受返青期和枯黃期的影響(圖6c)，在上述兩個生態區植被生長季長度與NDVI呈負相關，說明生長季長度的延長并不一定增加植被生產力。與前人研究結果一致[9,35]，處于水分條件相對充足的研究區東北地區的森林生態區及其鄰近地區植被生長季與NDVI呈正相關，說明生長季的延長將增加這些地區的植被生產力。

由于在草原生態區和荒漠生態區生長季的延長并不一定增加植被年平均生產力，我們在季節尺度上進一步分析了物候3個參數對生產力的影響過程(圖7)。從圖7a可看出，研究區絕大多地區(70.0%)的返青期與春季NDVI呈負相關，其中11.1%為顯著負相關，說明返青期的提前將增加春季植被生產力。與春季不同，返青期與夏季和秋季植被NDVI的相關關系主要以正相關為主(分別為82.1%和87.6%的地區)(圖7bc)，說明返青期的提前對該兩個季節植被生產力產生負面作用。需要說明的是返青期與夏季NDVI相關關系的空間分布格局(圖7b)與返青期與生長季NDVI相關關系的空間格局(圖6a)高度一致。這可能與夏季植被生產力在年生產力中的所占比重較大有關，即植被年生產力的波動主要由夏季氣候變化引起的夏季植被生產力變化有關，而與春秋季物候變化的關系不大。與返青期相似，枯黃期的變化主要對秋季植被生產力產生影響(圖7d)，即研究區85.8%的地區的枯黃期與秋季NDVI之間呈正相關，說明枯黃期的推遲將增加秋季植被生產力。盡管本文初步反映了2001-2016年內蒙古植被物候和生產力變化趨勢及其相關關系，但研究方法以遙感和相關分析方法為主，缺乏地面多年連續觀測和生態系統模型模擬的研究。另外，植被生產力的變化除受物候變化影響外，還受氣候、放牧、開墾、自然災害(干旱、火災和病蟲害等)等多種因子的綜合影響，有必要在今后工作中開展基于生態學模型的不同因素對生產力變化的貢獻率，并與今后發布的遙感數據結合將觀測尺度延長，降低16年觀測尺度中存在的不確定性。

圖7 2001—2016年內蒙古植被(a)返青期與春季NDVI，(b)返青期與夏季NDVI，(c)返青期與秋季NDVI和(d)枯黃期與秋季NDVI的相關關系Fig.7 The correlation between vegetation start of growing season and spring NDVI (a),start of growing season and summer NDVI (b), start of growing season and autumn NDVI (c)，end of growing season and autumn NDVI (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

4 結論

內蒙古植被生產力(NDVI)由東北向西南逐漸降低，與其降水和植被類型的空間格局高度一致。在觀測時間段內研究區植被生產力(NDVI)主要以增加為主，其中森林生態區和荒漠生態區的植被生產力主要呈顯著增加的趨勢(P<0.05)。從物候參數的變化趨勢看，返青期和枯黃期提前趨勢的面積略大于推遲趨勢的面積，但變化趨勢呈顯著的面積比重較低。物候參數與植被生產力的相關分析表明，返青期、枯黃期、生長季的變化趨勢并不一定能決定所有生態系統的植被年生產力的變化趨勢。但從季節尺度上的相關分析可看出，返青期的提前(或推遲)將增加(或減少)春季植被生產力，而枯黃期的推遲(或提前)將增加(或減少)秋季植被生產力。