近20年蒙古國植被春季返青期時空變化特征

秦福瑩，那音太

（1.內蒙古財經大學 資源與環境經濟學院；2.內蒙古財經大學 規劃與地理信息系統實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

蒙古國是中國“一帶一路”倡議的參與國家和合作伙伴，是“中蒙俄經濟走廊”和“草原之路”沿線的重要國家[1]。在氣候變化背景下，蒙古國氣溫普遍上升，降水總體上減少趨勢，氣溫和降水變化及其組合狀態的變化對植被活動的影響顯著[2]。植被物候作為生態系統對環境變化響應的直接體現方式，日益受到學界關注[3]。蒙古國地廣人稀（人口密度為2人/km2），一直保持游牧生活方式，人類對生態系統的影響較小，相對更能夠直接客觀反映氣候變化對植被物候的影響[4]。因此該區域植被物候的變化可以指示環境變化對植被生理活動的影響[5]。

近些年來，許多學者對內蒙古、中蒙邊境、整個蒙古高原地區的植被物候動態進行了研究[6-10]，專門針對蒙古國植被物候特征的研究相對較少。少有的研究，例如Mei（2021）研究指出蒙古國西北部山區植被春季物候具有海拔依賴性的特征[11]。邵亞婷等（2022）研究指出近19年蒙古國植被返青期總體呈微弱推遲趨勢[12]。然而，蒙古國幅員遼闊，受水熱因子的影響，整體上呈現由北向南，從森林景觀到典型草地景觀和荒漠草地景觀，再到裸地景觀的分布格局，具有明顯的緯向遞變規律。由于不同的自然分區有著自身獨特的氣候和生態特征[13]，有必要結合自然區劃的氣候生態特征研究植被春季返青期空間細節上的變化特征。因此，本文基于蒙古國自然區劃分析不同區域植被返青期的變化趨勢差異，研究結果對于指導當地的農牧業生產、監測生態環境變化及生態保護利用等具有重要意義。

1 數據與研究方法

1.1 研究區

蒙古國位于亞洲大陸中部（41°N~52°N、87°E~120°E），北部與俄羅斯接壤，而東部、南部與西部與中國接壤，國土總面積156.65萬km2。蒙古國深居內陸，遠離海洋，氣候上屬于溫帶干旱半干旱氣候，冬季寒冷漫長，夏季很短，降水集中在夏季[14]。地勢西高東低，地形整體上從西北的阿爾泰山脈向東南的平原和洼地傾斜，平均海拔1580m，如圖1所示。根據海拔高度、氣溫、降水的不同，自然區劃上整體上由北向南具有明顯的緯向遞變規律，依次為高山區、高山苔原區、森林草原區、草原區、戈壁區和荒漠區。

圖1 蒙古國地形分布

1.2 數據來源

本文采用美國國家航空航天局提供的2001-2019年MOD13Q1的NDVI數據，空間分辨率為250m，時間分辨率為16d。該數據雖在一定程度上抑制了傳感器觀測角、太陽高度角、云等影響，但仍存在異常值[15]。本文采用S-G濾波法對NDVI時間序列進行平滑處理。

1.3 物候提取方法

提取物候的常用方法有動態閾值法、最大比率法和導數法等。結合研究區實際情況和NDVI時空特征[16]，使用TIMESAT3.2自帶的動態閾值法提取像元尺度的植被返青期，動態閾值法的計算方法如式（1）所示。

式中：NDVUratio首次高于預先定義的NDVI值的日期為生長季開始點。返青期的閾值根據本研究區的實測物候數據與前人研究結果[17,18]，在大量實驗基礎上，最終將閾值設置為20%來提取植被返青期物候參數信息。本文去除了19年平均NDVI值小于0.1的非植被區域[19]，并結合已有的研究區土地覆蓋分類數據產品，將所有非植被覆蓋區域進行掩膜處理，得到研究區植被覆蓋區域，提取返青期物候信息。

1.4 趨勢分析法

采用Sen趨勢法分析2001-2019年研究區植被返青期變化趨勢。Sen趨勢分析法受到異常數據的影響較小，且對測量誤差和離群數據的敏感度較低[20]。其變化趨勢的大小用Sen’s斜率表示，計算如下：

若斜率＞0，表示呈上升趨勢；若斜率＜0，表示呈下降趨勢。

1.5 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall法是一種非參數統計檢驗方法，變量可以不具有正態分布特征，因此適用于水文變量的趨勢檢驗[21]。假定X1，X2，…，Xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，M-K法定義了統計量S：

其中：

式中，Xj，Xi分別為j，i年的相應測量值，且j＞i。

式中，Z為一個正態分布的統計量，Var（s）為方差。在給定的α置信水平上，如果│Z│≥Z1-α/2，則拒絕原假設，即在α置信水平上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。

2 結果分析

2.1 蒙古國植被春季返青期的基本特征

圖2為2001—2019年蒙古國植被返青期空間分布。總體上，蒙古國植被返青期空間差異顯著，西北部和中北部地區森林植被返青期最早，第100d～120d，東北部和中部植被返青期約第130～150d之間，中部草原和干草原植被返青期最晚，第160～170d。從不同自然區劃植被返青期來看，山區苔原和森林草原返青期均值為第124d和第126d，高山區植被返青期均值為第130d，草甸草原、草原、干草原植被返青期均值分別為第135d、第134d、第134d。

圖2 2001-2019年蒙古國植被春季返青期空間分布

研究區不同自然區劃植被多年平均返青期的范圍介于第124d~135d之間，即主要集中在3月底至4月上中旬。從不同自然區劃中不同等級返青期像元所占百分比可看，高山區、高山苔原區、森林草原區和草甸草原區植被返青期集中在第120~130d，草原區和干草原區植被返青期集中在第130~140d。

圖3 研究區不同自然區劃類型植被返青期統計圖

2.2 蒙古國植被春季返青期時空變化特征

圖4顯示了2001-2019年研究區植被春季返青期變化趨勢的空間分布特征。可看出，研究區北部高山區森林植被、苔原植被和森林草原植被返青期提前趨勢明顯，東部和中部廣大的草原區植被返青期普遍推遲趨勢，尤其是東部蘇赫巴托爾省、東方省中部地區典型草原和干草原植被返青期推遲趨勢顯著。

圖4 蒙古國植被返青期年際變化趨勢空間分布

圖5顯示了2001-2019年間研究區不同自然區劃植被返青期變化趨勢。從圖中可看出，不同自然區劃植被返青期年際波動特征明顯，其中高山區、山區苔原和森林草原區返青期呈提前趨勢，每10年分別提前4.7d、7.1d和2.7d，而草甸草原、草原和干草原植被返青期呈推遲趨勢，每10年分別推遲3.4d、4.4d和6.1d。

圖5 2001-2019年蒙古國不同自然區劃植被返青期年際變化趨勢

3 結論

1.蒙古國不同自然區劃植被多年平均返青期的范圍介于第124~135d之間，主要集中在3月底至4月上中旬，高山區植被、高山苔原、森林草原和草甸草原的返青期集中在第120~130d，草原和干草原返青期集中在第130~140d。

2.不同自然區劃植被返青期年際波動特征明顯，其中高山區、山區苔原和森林草原區返青期呈提前趨勢，每10年分別提前4.7d、7.1d和2.7d，而草甸草原、草原和干草原植被返青期呈推遲趨勢，每10年分別推遲3.4d、4.4d和6.1d。

4 討論

已有研究指出近19年蒙古國植被返青期總體呈微弱推遲趨勢[12]，本研究發現蒙古國不同自然區劃植被返青期年際變化趨勢有所差異，其中北部高山區森林植被、苔原植被和森林草原植被返青期提前趨勢明顯，這些地區水分條件相對較好，氣溫的升高會促進返青期的提前[6,22]。東部和中部廣大的草原區植被返青期普遍推遲趨勢，這些地區植被生長的控制因子為水分條件，在氣溫上升，降水變化不明顯的情況下，受氣溫上升趨勢的影響，地表蒸發散加速，植被可利用的水分減少，從而可能抑制草地植被的返青[23,24]。本文主要分析蒙古國植被春季返青期的時空變化特征，下一步將深入分析研究區植被關鍵物候期對氣候和人為因素的響應特征。