基于MODIS數據的植被物候時空變化

李 靜，陳向晴，于 茜，孫艷玲，王 輝，崔鐵軍，張曉陽

（1.天津師范大學地理與環境科學學院，天津300387；2.天津師范大學天津市地理空間信息技術工程中心，天津300387；3.南達科他州立大學 地理空間科學系，布魯金斯，美國，57007-3510）

植物物候既可以指示自然季節變化，也可以提示植物適應自然環境情況[1]，其變化反映了陸地植被生態系統對氣候變化的響應，因此，開展植物物候變化研究在預報農時、監測、保護生態環境和預測氣候變化趨勢等方面具有重要的理論價值和實際意義[2-5].大量研究指出，全球范圍的氣溫升高，導致植物物候發生明顯變化，如大部分的植物物候都呈現春季物候提前、秋季物候推遲的特征[6-7].我國地形復雜多樣，包含青藏高原、內蒙古草原、干旱半干旱地區和東北林區等不同自然區，植被物候對全球氣候變化的響應速度和程度存在顯著的區域差異[8-12].

關于我國植被物候變化及其區域特征，國內不少學者已開展了相關研究[13-14].如于信芳等[15]獲取了中國東北地區森林植被生長始期、生長末期和生長季長度的空間分布格局，發現大興安嶺地區森林生長開始較晚，結束較早.宋春橋等[16]提取整個藏北高原2001—2010年植被覆蓋的物候信息，分析植物物候變化情況，發現藏北高原60%區域的植被返青期提前，枯黃期的年際變化并不明顯，大部分為自然波動.然而，目前對植物物候的統計分析多集中于單個自然區域內，由于研究時間和數據源等方面的差異，研究結果間缺乏可比性.分析不同地區植被物候的差異有助于更好地認識氣候變化對我國環境的影響.此外，目前對植物物候的研究主要利用地面觀測物種物候和遙感數據提取物候2種方法.但單物種植物物候在空間上不連續，受觀測站點分布和人為主觀影響較大.利用遙感技術提取物候可以實現對地面植被的實時和空間連續監測，能夠在高緯度地區、高寒山區、沙漠和一些復雜的地形區域監測植物物候，有利于開展大面積監測研究[1，17-19].因此，本研究基于2001—2014年遙感植被物候數據，分區域統計了森林、灌木和草原物候期之間的差異，分析了14年間中國5個自然區植被物候的時間變化及空間特征，對理解我國植被物候變化規律、提高充分利用自然資源的能力具有重要意義.

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況

研究區為綜合自然地理區劃[20]中的東北濕潤、半濕潤溫帶地區（DB），內蒙古溫帶草原地區（NMG），西北干旱地區（XB），華北濕潤、半濕潤暖溫帶地區（HB）以及青藏高寒地區（QZ），共計5個區域，各研究區的具體參數如表1所示，華中和華南地區植物遙感物候數據缺失較多，不參與討論.

表1 研究區域自然植被面積占區域總面積百分比Tab.1 Percentage of natural vegetation area in the total studied area

研究區地形復雜，氣候環境特征差異明顯，形成了差異鮮明的地表植被類型和植被物候變化規律.本研究將地表植被分為森林、灌木和草原進行分析，農作物物候期受人類播種期影響較大，不參與分析.DB區緯度較高，年均溫較低，主要自然植被為森林，具有冷濕的特點；NMG和XB區位于內陸，降水量較少，主要自然植被為草原，具有干旱特點；HB區位于東部季風區，雨熱同期，地形以平原為主，多耕地，自然植被為草原和森林；QZ區海拔較高，年均溫較低，主要自然植被為草原，具有高寒特點.各研究區的地理位置見文獻[20].

1.2 數據及方法

MODIS系列衛星于2000年發射成功后，被廣泛應用于不同的學科領域，如海洋學、生物學、地球科學和大氣科學等.本研究使用MODIS（moderate-resolution imaging spectro radiometer）遙感植被指數產品數據（MCD12Q2），其空間分辨率為500 m，該數據已經過系統誤差糾正、大氣校正、輻射校正和幾何校正.由于產品數據的發布滯后于衛星拍攝日期，本研究下載可獲得時間段2001—2014年的數據，數據時間序列長度充足.該數據集包含植被生長季始期（beginning of growth season，BGS）和末期（end of growth season，EGS）.植被生長季始期為春季植被進入生長的日期，也是光合作用開始的日期；生長季末期為秋季植被進入結束生長的日期，也是植被光合作用結束的日期[19].

這一數據集采用HDF-EOS數據格式，需要利用MRT（modis reprojection tool）工具對數據進行拼接和裁剪，并將投影轉換到以WGS84為基準的地理坐標系，輸出GEOTIF格式數據.

本研究分別統計了5個自然區森林、灌木和草原物候期在時間和空間上的均值、標準差和趨勢.其中，植物物候多年平均值反映某地點/區域的多年平均狀態；區域平均值反映某區域的平均值；時間標準差表征植被物候期在年內的波動程度；空間標準差表示植被物候期在空間上的差異.標準差總體上反映了整體數據與均值數據間的偏離程度，樣本標準差

式（1）中：X為變量值；X為樣本均數；n為變量值的個數.

時間變化趨勢是建立以年份為自變量，以植物物候期為因變量的一元線性回歸方程

式（2）中：P為觀測物候期（day of year，DOY），代表從該年份1月1日開始計算的第幾天；S為回歸方程的斜率，即物候期的變化趨勢（d·a-1），代表每年提前或推遲的天數；Y為第Y年；C為截距；回歸系數S＞0表示物候期推遲；S＜0表示物候期提前.

2 結果分析

2.1 植被物候期的空間分布

2001—2014年期間我國植被的平均物候空間格局如圖1和圖2所示.

圖1 研究區植被多年平均BGS分布Fig.1 Distribution of multi-year averaged BGS of vegetation in the studied area

由圖1可以看出，植被生長季節始期（BGS）由華北濕潤、半濕潤溫帶地區向西和北2個方向逐漸推遲.各區域植被BGS由早到晚依次為HB、XB、NMG、QZ和DB，數值依次為第100、108、116、127和131天.區域NMG、XB、HB、DB和QZ植被BGS存在較大差異，結合各區域特點可知，緯度和海拔的升高是引起植被BGS推遲的原因.

由圖2可以看出，植被生長季末期（EGS）的空間分布特征與BGS相反，由華北濕潤、半濕潤溫帶地區向西和北2個方向逐漸提前.各區域植被EGS由晚到早依次為HB、NMG、QZ、XB和DB，數值依次為第299、287、285、284和275天.植被EGS存在3個分異，區域NMG、QZ和XB植被EGS接近，均在10月中下旬；區域HB植被EGS接近11月初；區域DB植被EGS接近10月初.結合各區域特點可知，緯度升高引起植被EGS提前，而海拔對植被EGS的作用不及緯度.綜上所述，高緯和高海拔地區的植被BGS較晚、EGS較早，這很好地反映了地形和氣候的地域分異規律.

圖2 研究區植被多年平均EGS分布Fig.2 Distribution of multi-year averaged EGS of vegetation in the studied area

分別統計圖1中多年平均BGS和EGS在5個自然區內森林、灌木和草原3種植物群落類型的平均值和空間標準差，結果如表2所示.

表2 各區域自然植被物候的統計Tab.2 Statistics of natural vegetation phenology in each region

由表2可知，同一自然區內，森林、灌木和草原的物候期存在明顯差異.森林、灌木和草原BGS間的差異由大到小依次為區域QZ、DB、XB、NMG和HB，差值分別為35、19、18、15和5 d.森林、灌木和草原EGS之間的差異從大到小依次為區域XB、NMG、HB、DB和QZ，差值分別為30、14、9、6和2 d.由此可見，對于海拔高、氣溫低的地區（QZ），森林、灌木和草原的BGS相差較大，EGS相差較小；對于偏干旱的地區（XB），森林、灌木和草原EGS相差大，BGS相差較小.由此推測，低溫增加了不同植物群落類型（森林、灌木和草原）BGS的差距，干旱增加了不同植物群落類型（森林、灌木和草原）EGS的差距.

各自然區森林、灌木和草原3種植物群落類型分別的空間標準差和所有森林、灌木和草原植被像元的空間標準差反映了植被物候在空間上的分布差異.各自然區森林、灌木和草原所有像元BGS空間標準差由大到小依次為QZ、NMG、XB、HB和DB，數值分別為17.7、14.3、13.4、13.1和11.8 d.各自然區森林、灌木和草原所有像元EGS空間差異由大到小依次為QZ、XB、HB、NMG和DB，數值分別為18.1，13.7，11.6，9.7和7.8 d.從自然區看，QZ植物物候的空間標準差顯著大于其他自然區，QZ地區的低溫、高寒氣候可能是導致植物物候空間差異較大的原因.由表2可知，QZ區森林物候的空間標準差最大，而在其他自然區中，森林物候的空間標準差大部分最小，這說明，低溫、高寒氣候對森林物候的影響很大.從整體上看，植物EGS的空間標準差小于BGS的空間標準差，這可能是由于植物打破休眠、開始生長的影響因素較多，植物對不同環境條件的響應也更敏感[11].

2.2 植被物候期的年際變化

2.2.1 植被物候期趨勢

植被物候在像元上的變化趨勢反映了其隨時間的變化，對所有自然植被像元的BGS和EGS趨勢和顯著性水平進行統計，并計算了所有自然植被像元的平均值.統計結果顯示，各自然區植被BGS趨勢絕對值由大到小依次為DB、NMG、HB、QZ和XB，數值分別為-0.76、-0.35、0.25、-0.07和-0.01 d/10 a.植被BGS呈提前趨勢的像元占總像元數的55%，有16.0%的像元通過了P＜0.1的顯著性檢驗.各自然區植被EGS趨勢絕對值由大到小依次為HB、DB、NMG、QZ和XB，數值分別為1.57、1.35、1.08、0.31和0.05 d/10 a.植被EGS呈推遲趨勢的像元占總像元數的62%，有16.3%的像元通過了P＜0.1的顯著性檢驗.這一結果說明，在全球氣候變暖的背景下，區域平均上植物BGS和EGS分別表現出提前和推遲的變化趨勢，但不同自然區之間植被物候的趨勢不同，這可能是因為各自然區的地理環境特點和氣候環境變化程度不同.

為了分析森林、灌木和草原3種植物群落類型趨勢之間的差異，分別計算森林、灌木和草原3種植物群落類型像元的平均值.2001—2014年我國5個自然區森林、灌木和草原3種植物群落類型的變化趨勢如圖3所示.

圖3 森林、灌木和草原的BGS和EGS趨勢Fig.3 BGS and EGS slope of forest，shrub and grassland vegetation

由圖3可以看出，森林植被BGS更傾向于提前趨勢（DB，XB和QZ），灌木植被在5個自然區均呈推遲趨勢，草原植被在大部分自然區呈提前趨勢（除HB外）.森林植被EGS在5個自然區均呈推遲趨勢，偏東的DB、NMG和HB自然區的EGS推遲趨勢較大，經度偏西的XB和QZ自然區的EGS推遲趨勢較小.其中，HB自然區森林植被的EGS最大.這一結果說明，同一自然區不同植物群落類型的BGS和EGS的變化趨勢存在差異，這可能是因為森林、灌木和草原在植株高度、木質素含量以及水熱需求等方面存在差異，導致其對氣候響應的不同.

從平均值上看，我國DB、NMG、QZ和XB自然區植被BGS具有提前趨勢，HB自然區植被BGS具有推遲趨勢；5個自然區植被EGS均具有推遲趨勢.但值得說明的是，區域之間和植物群落類型之間差異很大.植被物候在區域之間的差異與區域的地形和氣候特點有關，這說明不同區域對氣候變化的響應呈現出不同的變化程度，甚至相反的變化方向.因此，在范圍較大的研究區需要特別注意區域內部的差異.植被物候在植物群落類型方面的差異可能與植物本身結構有關，森林植株群落生長對水分和溫度閾值的需求相對高，相較而言，灌木和草原植被類型對極端氣候環境條件的適應更強.

2.2.2 植被物候期時間標準差

植被物候時間標準差反映了植被物候的年際波動程度，5個自然區森林、灌木和草原物候的時間標準差如圖4所示.

圖4 森林、灌木和草原BGS和EGS時間標準差Fig.4 BGS and EGS temporal STD of forest，shrub and grassland vegetation

由圖4可以看出，植被BGS的時間標準差在區域DB、NMG和HB較大，為1～5 d；在區域XB和QZ的波動幅度為1 d左右.森林物候隨時間的波動程度顯著大于草原隨時間的波動，灌木隨時間的波動最小，且森林BGS的波動程度大于EGS的波動程度.植被EGS的時間標準差為2～6 d.需要說明的是，植被物候隨時間的波動為1～6 d，這一數值比植被物候在空間上的變化（表2中的空間標準差）小很多.這是因為植物物候BGS和EGS主要受氣象環境條件的影響，盡管氣候有變暖趨勢[5]，但與氣象環境條件在空間上的變化程度相比，氣候隨時間的變化趨勢在數值上小很多.

2.3 植被物候區域的平均年際變化

通過計算各自然區2001—2014年逐年森林、灌木和草原BGS和EGS的區域平均值，得到森林、灌木和草原BGS和EGS的年際變化如圖5所示.

由圖5可知，各自然區內不同的氣候和地形條件導致其植被物候具有不同的年際變化特點.位于高緯氣候寒冷的DB自然區的森林BGS最早，灌木和草原BGS較晚；草原EGS最早，森林和灌木EGS較晚.森林BGS較早和EGS較晚說明森林相較草原和灌木而言具有更長的生長期.從年際變化來看，2002、2009和2014年DB自然區植被BGS偏早，2004、2007和2014年DB自然區植被EGS偏晚，BGS和EGS沒有明顯關系.這說明盡管較高的年均溫有可能造成BGS提前和EGS推遲[10]，但在統計上BGS和EGS并不完全一一對應.這可能是由于氣溫的升高在一年各個季節內是不均一的，導致BGS和EGS物候期響應不同.

圖5 區域植被平均BGS和EGS的年際變化Fig.5 Annual variations of regional averaged vegetation BGS and EGS

NMG和XB自然區均屬于干旱半干旱地區，其物候年際變化曲線（尤其是EGS）相似.其中，灌木BGS偏早，EGS偏晚，年際變化率較大.在2002年和2003年，灌木EGS表現出明顯推遲.在HB自然區中，森林、灌木和草原BGS接近，森林EGS最早，其次是灌木，草原的EGS最晚，灌木BGS的波動最大.在QZ自然區中，森林BGS比灌木和草原BGS明顯提前，且森林的年際波動更大.5個自然區BGS均在2009年左右數值較低.植物物候隨時間變化，在個別年份出現極值，與年際間波動相比，其整體趨勢數值較小.

3 討論

我國各區域具有不同的氣候特點，研究表明我國氣候增溫時間存在顯著區域差異[6]，導致植被物候對氣候響應具有區域差異.植被物候響應的區域差異主要表現在植被物候期早晚、植被物候期趨勢方向和幅度等方面.表3列舉了國內部分植被物候趨勢研究成果.

表3 部分植被物候趨勢研究成果統計Tab.3 Statistics of vegetation phenology slope in partal researches

從區域氣候特點來看，本研究中DB和QZ自然區年均溫較低，DB緯度較高，呈冷濕狀態；QZ海拔較高，呈高寒狀態.DB和QZ是植被BGS最晚的自然區，說明植被物候受氣溫的影響較大.QZ自然區作為全球“第三極”，地理環境特殊，研究成果較多.本研究統計顯示，區域QZ植被BGS在全國范圍內最晚，部分地點數值超過160 d，這一數值與利用SPOT數據研究的結論一致[13].但對區域QZ植被BGS變化趨勢的研究有4類結果，分別是推后、提前、沒有明顯變化以及在波動中提前[25]，這說明不同的尺度、數據源和時間范圍統計出的物候變化方向和程度是不確定的.區域NMG和區域XB位于內陸，降水量較少，氣候干旱.本研究統計顯示，區域NMG和區域XB與全國植被變化趨勢一致，植被BGS呈提前趨勢，EGS呈延后趨勢，生長季長度呈延長趨勢[26].但同時，也有研究顯示NMG區植被EGS呈提前趨勢[24].因此，不同數據源可能存在不同的統計結果.區域HB位于東部季風區，雨熱同期，是植被生長條件較好的區域，與本文中其他區域相比，該區域植被的生長季節最長.

此外，本研究發現灌叢與草原和森林植被的物候在變化趨勢上差異較大，不僅變化趨勢數值差異較大，甚至變化方向完全相反.這與文獻[22，27]的報道一致，說明不同群落植被對氣候響應的程度和方向存在顯著差異.

4 結論

本研究利用2001—2014年的MODIS數據統計我國5個自然區植被物候期的空間分布格局和年際變化趨勢，并分析森林、灌木和草原物候分布的差異，得到以下主要結論：

（1）中國自然植被物候多年均值的空間分布具有典型的自然地帶性規律，與經緯度、海拔高度以及草原植物群落類型關系密切.由華北自然區向西和北2個方向，植被BGS逐漸推遲，EGS逐漸提前，植被的生長季節長度縮短.青藏自然區西部的植被BGS最晚至6月上旬，東北自然區北部植被EGS最早至10月初.從森林、灌木和草原的物候期差異來看，海拔高的地區的森林、灌木和草原BGS相差大，干旱地區的森林、灌木和草原EGS相差大.由此推測，植被BGS受海拔的影響較大，植被EGS受緯度和水分的影響較大.

（2）我國自然植被物候的變化趨勢在空間上的差異較大.2001—2014年，DB和NMG自然區植被BGS分別以-0.76 d/10 a和-0.35 d/10 a的平均速率提前，HB自然區植被BGS以0.25 d/10 a的平均速率推遲，具有提前趨勢的像元占總像元數的55%.DB、HB和NMG自然區植被EGS分別以1.35 d/10 a，1.07 d/10 a和1.57 d/10 a的平均速率推遲，有推遲趨勢的像元占總像元數的62%.從森林、灌木和草原植被的變化趨勢來看，灌木BGS以推遲趨勢為主，森林和草原植被BGS以提前趨勢為主，森林、灌木和草原EGS均以推遲為主.從平均結果看，我國自然植被BGS具有提前趨勢，植被EGS具有推遲趨勢，但變化速率變緩，且通過顯著性檢驗（P＜0.1）的像元僅占16%.

（3）我國植被在自然區內的物候期空間標準差均在7 d以上，比較而言，植被物候在年際上的波動程度遠小于其在空間上的變化.植被BGS時間標準差約為1～3 d，植被EGS時間標準差略大，約為2～6 d.

致謝：

遙感數據由USGS Earth Resources Observation and Science（EROS）中心的Land Processes DAAC提供，網址為https：//lpdaac.usgs.gov.