西南喀斯特斷陷盆地植被物候動態變化及其與氣候因子的響應

李 丹, 吳秀芹, 張靖宙, 于 洋

(1.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.北京林業大學水土保持國家林業局重點實驗室, 北京 100083; 3.中國水利水電科學研究院 泥沙研究所, 北京 100048)

植被物候反映了植物在生命周期中不斷適應季節變化形成與環境條件密切相關的生長發育節律[1-2]。植被是自然環境的一面鏡子，環境中水、土、氣、生等組成成分的任何變化都會被覆蓋在地表的植物群落以不同的形式表現出來，植被的動態變化蘊藏著氣候和人類活動的變遷。氣候的變化對生態系統的構造與性能產生顯著影響，當代以增溫為主要特征的全球氣候變化問題，對地球環境產生了前所未有的影響，成為當代人類面臨的重大難題之一[3]。目前國內外針對植被物候觀測的方法有多種，不同植被物候觀測技術具有各自適宜的時間和空間尺度，不同于以野外觀測為基礎的傳統目視觀察法，近20 a來，遙感技術的廣泛應用為物候研究提供了新的角度和機遇。不同觀測技術或不同取方法使獲取的植被物候指標之間存在顯著的差異性，在植被秋季物候指標上尤其明顯。但基于地面監測和遙感觀測的研究一致顯示，全球尺度下氣溫的持續升高已經導致了許多地區植被春季物候始期提前、秋季物候末期推遲[4-6]。

西南喀斯特斷陷盆地地處低緯高原，地形復雜多樣，生物資源豐富，生態環境對水熱變化相當敏感。基于相關文獻的統計，該地區近50 a的氣候變化與全球氣候變暖趨勢相符，年平均氣溫呈上升趨勢，升溫速率略低于全國平均水平，略大于全球氣候變化平均水平[7]。但針對西南喀斯特斷陷盆地物候方面的研究主要以人工觀測法集中在小尺度、特定物種、短時序的研究[8-10]，缺少對區域尺度上宏觀全面的認識。因此，本研究基于2001—2016年的MOD13Q1產品和氣象數據，利用Matlab對長時間序列NDVI進行重構并提取物候參數，分析典型物候參數(SOS，EOS，LOS)的時空變化特征，揭示植被物候時空動態變化與氣候因子的響應機制，重點圍繞兩個問題展開：(1) 喀斯特斷陷盆地植被物候變化如何。(2) 氣候因子對該地區植被物候產生了怎樣的影響。研究結果為分析喀斯特斷陷盆地植被物候的時空變化動態特征及其與氣溫、降水的響應關系提供科學依據，同時為該地區根據物候變化開展植被恢復提供理論支撐。

1 研究區概況

西南喀斯特斷陷盆地(100°03′—105°10′E，22°39′—29°10′N)(圖1)地處云貴高原，南面中越邊境，西臨橫斷山脈，北接青藏高原，是青藏高原隆升產生的斷裂活動所引起的斷塊差異沉陷及溶蝕作用共同形成的山間盆地[11]，是中國西南地區重要的生態屏障和生態脆弱區。本研究區橫跨云南、四川和貴州3省共43個區縣，總面積達11.04萬km2。研究區屬亞熱帶季風氣候，全年分干濕兩季，雨熱同期，日照充足，部分高海拔山區的立體氣候特征明顯。其中，有滇東地面定株實測研究表明，該區域各物候期的平均溫度和≥5℃積溫對主要鄉土物種的物候表現較為密切，植被多于2月氣溫達到10℃時開始萌動，至3月氣溫增高至15℃以上開始展葉，在5月溫度超過20℃時，絕大部分開始開花，果實成熟期分散在4—12月[8]。

圖1 研究區位置

2 數據與方法

2.1 研究數據

歸一化植被指數(NDVI)采用MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250 m SIN Grid產品(簡稱MOD13Q1)，數據源從2001年1月1日—2016年12月19日，每16 d提供一景，共690景影像。為消除NDVI時間序列的云影噪聲影響，采用TIMESAT軟件的S-G濾波法對數據進行降噪處理[12]。氣象產品是基于中國氣象數據共享網站(http:∥data.cma.cn)得到的2001—2016年西南喀斯特斷陷盆地區域及周邊的43個氣象站點氣溫和降水數據，通過克里金插值(Kriging)對年降水和年均氣溫數據進行插值為空間精度250 m的柵格數據集。

表1 數據概況

2.2 研究方法

(1) 植被物候指標提取方法。衛星遙感監測數據提取物候指標的常用方法有NDVI閾值法[13]、Gu法[14]、移動平均法[15]、最大斜率法[16]。不同提取方法各有利弊，一定程度上體現出物候研究的不確定性，基于西南喀斯特區獨特的地理特性，本研究選用NDVI曲線反演——最大斜率法進行物候參數提取，該方法是基于時間序列的NDVI曲線變化特征確定植被物候期[17-18]，如植被開始迅速生長或植被葉片脫落的時間點對NDVI曲線迅速增長和減小的時間點[19]。計算公式如下：

NDVIratio(t)=[NDVI(t+1)-NDVI(t)/NDVI(t)]

(1)

式中：t為具體日期，當NDVIratio達到最大時對應的NDVI(t)即為生長季始期，當NDVIratio達到最小時對應的NDVI(t)即為生長季末期。

NDVI(t)=a0+a1x1+a2x2+…+anxn

(2)

式中：NDVI(t)是x的函數；x為每年的第多少天，采用最小二乘法來計算天數。

(2) 趨勢分析方法。采用一元線性回歸方法建立氣溫、降水(y)與時間序列(x)；物候參數(y)與時間序列(x)的一元線性回歸方程，方程的斜率b用來表示方程的變化趨勢。

y=a+bt+ε

(3)

式中：y為生長季始期或氣象因子變量；t為年時間序列；a和b為系數，是擬合的殘差。

(4)

式中：n為累積年數，本研究為16；變量i為年序號；M為第i年的物候參數/氣象數據值；slope為一元線性回歸方程的斜率，某像元的斜率即為該像元多年的生長季始期氣象數據均值變化的總趨勢。

(3) 相關性分析方法。采用空間相關分析方法研究兩個要素之間的相關關系，相關系數取值為[-1，1]。

(5)

式中：n為研究時段年數；x，y為相關分析的兩個變量；xi，yi分別為它們的樣本值。

3 結果與分析

3.1 喀斯特斷陷盆地植被物候變化趨勢及空間分異

2001—2016年，研究區內3項物候指標均呈推遲或延長趨勢，變化率依次為EOS(10 d/10 a)>SOS(7.7 d/10 a)>LOS(2.3 d/10 a)(圖2)。

圖2 物候變化趨勢

研究區多年SOS均值為第192.41天，空間上SOS表現出東早西晚的趨勢(圖3)。約有45.04%的地區生長季開始于第170～190天(6月中旬—7月上旬)，如木里河谷地帶、鹽源盆地、川滇邊界、云南省東北部、昆明玉溪以東的南北向谷地和丘北南部等。24.91%的地區SOS晚于第200天(7月下旬)，大多分布于青藏高原東部邊緣的高海拔山區。研究區東南部、南盤江河谷地區也明顯表現出SOS較早的現象。研究區多年EOS均值為第339.31天，空間上EOS表現出東早西晚的趨勢。各地EOS時間分異跨度較長，近100 d。最早的如鹽源盆地、安寧河谷、瀘西小江盆地、陸良南盤江水系，EOS多發生在300 d(10月末)之前；最遲的如木里高海拔區、哀牢山東部等地，EOS多晚于400 d(次年2月初)。56.28%的地區EOS發生在第300～340天(10月末—12月上旬)，植被停止發育，生長季結束。海拔與物候期體現出較明顯的相關性，隨著海拔升高LOS會逐漸縮短，并且SOS會呈現明顯推遲的趨勢。這主要是高海拔地區分布的山地植被類型對季相變化的響應不強烈的表現。

圖3 16 a間SOS，EOS，LOS空間分布

研究區多年LOS平均為146.91 d，范圍在140～160 d的地區分布較多，占總面積的37.22%。人類活動較少、氣候條件優越的南盤江河谷、紅河河谷、盤龍江河谷地區LOS長于160 d。研究區內高海拔地區、部分城鎮開發區(安寧河谷、蒙自市西北部等)、農事活動區、石漠化發育區的LOS多短于120 d。

在空間上，大部分地區SOS發生了不同程度的推遲現象(圖4)，但相反，安寧河谷等部分地區SOS提前較為明顯。除木里縣低海拔谷地、蒙自市西北部等地區EOS發生提前，其他地區EOS均呈現出推遲現象。統計得出LOS發生延長的區域面積大于縮短的區域，延長的區域主要集中分布在鹽源盆地、安寧河谷及研究區東北部等地，縮短主要分布在木里山谷低地、攀枝花東部、川滇邊界周圍地區等地。

圖4 物候參數年變化的空間分布差異

3.2 2001-2016年喀斯特斷陷盆地氣溫和降水變化趨勢

研究區多年年均氣溫為15.06℃，在過去16 a中氣溫以0.33℃/10 a的速度增加。16 a各年總降水量947.04 mm，降水量波動較大，總體呈下降趨勢，年降水量差異明顯，2011年當地旱災是16 a來降水量最少的年份。2001—2016年，在春季、夏季和秋季，研究區的年均氣溫均呈現上升趨勢，變化幅度依次為0.66，0.44，0.36℃/10 a。冬季氣溫呈下降趨勢，降幅為-0.43℃/10 a。春、夏兩季降水量總體呈下降趨勢，春季變化率為-19.12 mm/10 a，夏季變化率為-18.21 mm/10 a。秋冬兩季降水量呈現上升趨勢，秋季變化率14.63 mm/10 a，冬季變化率為2.85 mm/10 a(圖5)。

3.3 喀斯特斷陷盆地植被物候與氣候因子相關性分析

研究分析氣象要素與關鍵物候期參數的相關性有助于進一步認識喀斯特斷陷盆地植被對氣候變化的響應機制。結合氣候和物候動態變化趨勢的研究結果，可以發現在16 a間，喀斯特斷陷盆地氣溫和降水的變化對生長季始期和生長季末期的推遲都產生了較大影響(表2)。

由表2可知，春季氣候因子與SOS具有較強的相關性，春季降水對植被生長季提前的影響大于溫度對其推遲的影響，說明研究區植被生長前期對水分的需求是促使植被生長開始的主要因素，16 a來研究區春季溫度升高加劇了植被的蒸騰作用，結合春季降水減少進一步導致了植被SOS的推遲。全年來說溫度對SOS的影響遠大于降水對SOS的影響，SOS的推遲與當年溫度呈顯著相關(p<0.05)。EOS受溫度和降水的影響均不顯著，總體來說，降水對EOS的影響大于溫度對其的影響，且夏季降水減少會導致生長季推遲結束，但研究區EOS常開始發生于10月末之后，表明降水對土壤水分貯存及生長季末期均存在一定的時滯作用[20-21]。綜合來看，SOS對氣候因子的敏感性高于EOS。

圖5 2001-2016年溫度、降水變化

表2 植被物候與氣候因子的相關分析

4 討 論

(1) 遙感技術的發展為植被物候研究提供了新手段，但依據遙感影像計算所得物候指標與人工目視實測數據存在一定差異[22]，且遙感多數據源的不同物候提取方法各有利弊，一定程度上體現了植被物候研究的不確定性。本研究區為亞熱帶地區，常綠闊葉林是常見的植被類型，終年常綠和季相變化不明顯是該植被類型的特征，也是該區域利用遙感手段研究其物候變化的疑難點之一。本研究選取NDVI最大斜率法提取物候指標，最大化彰顯了該區域植被生長變化趨勢，宏觀尺度上彌補了對西南喀斯特斷陷盆地植被物候指標變化的規律性認知，但如何決策選取合適的方法提取物候參數，還需要通過研究者們深入挖掘植被物候自身特性，并盡可能考慮氣候變化、地貌特征、人類活動等多方面的影響因子，做出更精確的判斷。

(2) 本研究結果所得研究區西北部高海拔地區植被生長季持續到了次年2月，高海拔地區植被生長代謝限制因子之間的相互關系復雜，關于植被生長受限機理存在眾多爭議，其中生長受限假說認為高海拔地區增溫對植被呼吸的促進遠大于光合的促進[23]，同時很多學者實測研究表明：在植物的生長季期間,植物葉片的凈光合速率并沒有受到生長季低溫環境的影響而顯著下降，這可能是研究區西北部高海拔地區植被生長季結束較晚的原因之一[24-25]。

喀斯特斷陷盆地因其獨特且脆弱的生態環境，成為我國長期開展生態修復的重點地區，研究植被物候動態變化及其與氣候因子的響應，對理解喀斯特斷陷盆地環境下的植被物候格局、探明植被物候變化的驅動機制有著重要意義。植被物候作為自然生態環境變化的重要指示因子，將其納入生態修復成效的評估指標將會促進評價體系進一步完善。

5 結 論

(1) 西南喀斯特斷陷盆地植被物候SOS和EOS均呈現東早西晚的空間分異特征，LOS分異特征受海拔和人類活動的影響較大，三類物候指標均呈現不同程度的推遲或延長趨勢。(2) 喀斯特斷陷盆地生長季始期對氣候的敏感性高于生長季末期，且溫度是生長季始期發生推遲的主導自然因子。區分季節維度分析，春季氣候因子對生長季始期的推遲影響最為顯著，夏季氣候因子對生長季末期的推遲影響尤為關鍵。研究揭示了氣候變化背景下西南喀斯特斷陷盆地水熱條件對植被物候變化特征的影響趨勢，有助于探明氣候因子對區域植被變化的驅動機制，了解區域自然生態系統的結構和功能特性。