岷江上游流域植被返青期對氣候暖干化的響應(yīng)特征

周俸嘉，劉 超，金中武，張嵐斌，陳心怡，陸 鈺，劉鐵剛

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.長江科學(xué)院河流研究所，湖北 武漢 430010）

0 引 言

物候是植被長期適應(yīng)氣候和其他環(huán)境因子而表現(xiàn)出的周期性現(xiàn)象［1］。由于物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)敏感，因此被稱作氣候變化的“指紋”［2］。植被返青期（Green-up date）是植被越冬后恢復(fù)生長的時(shí)間，其變化會對生態(tài)系統(tǒng)水碳過程產(chǎn)生影響，是最重要的物候指標(biāo)之一［3-5］。返青期提前會提升初級生產(chǎn)力，還將影響生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量；反之，返青期推遲可能會導(dǎo)致初級生產(chǎn)力減少，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化［5，6］。研究植被返青期變化對揭示生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)有重要科學(xué)意義，是當(dāng)前廣受關(guān)注的熱點(diǎn)研究問題［7-10］。

植被返青期監(jiān)測主要包括地面監(jiān)測和遙感監(jiān)測兩類方法。地面監(jiān)測主要基于站點(diǎn)及站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測植物的物候變化，而遙感監(jiān)測主要基于衛(wèi)星遙感資料在生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域尺度上監(jiān)測植被物候變化。地面監(jiān)測主要采用目視觀察方法，簡單易行但人力物力成本較高，且觀測站點(diǎn)有限。遙感監(jiān)測方法可獲得更大時(shí)空尺度的物候變化信息，而且與地面監(jiān)測結(jié)果有較好的一致性［11-17］。全球遙感物候產(chǎn)品MLCD（MODIS global Land Cover Dynamics product）以MODIS 天底反射率數(shù)據(jù)（NBAR，Nadir BRDF-Adjusted Reflectance）計(jì)算的EVI值作為輸入反演獲得，是唯一實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化生產(chǎn)的全球尺度物候產(chǎn)品，經(jīng)地面監(jiān)測驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)有較高的精度［16，17］，在大尺度植被物候變化研究中具有巨大的應(yīng)用潛力。

在全球氣候變暖的大趨勢下，已有很多研究發(fā)現(xiàn)植被返青期提前。郭連云發(fā)現(xiàn)氣候變暖導(dǎo)致三江源西北針茅返青期呈提前趨勢［18］。姜康等發(fā)現(xiàn)蒙古高原的大興安嶺、肯特山脈、大湖盆地和內(nèi)蒙古中西部植被返青期呈明顯提前趨勢，且與3月氣溫升高呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［19］。Chmielewski和Rotzer發(fā)現(xiàn)2-4月均溫每升高1 ℃，林木萌芽日期提前約7 d［20］。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)植被返青期推遲。如丁明軍等發(fā)現(xiàn)青藏高原冬季升溫導(dǎo)致植物冬季休眠需要的低溫?zé)o法滿足，春季物候推遲［21］。張曉東等發(fā)現(xiàn)秦嶺東部植被返青期也呈現(xiàn)推遲趨勢，春季氣溫降低是春季物候推遲的主要原因［22］。因此，植被返青期的變化方向和幅度取決于所在區(qū)域的氣候條件及其變化情況。山區(qū)植被具有明顯的垂直分異特征，且對氣候變化高度敏感［23］。然而，很少有研究關(guān)注山地植被物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)的垂直分異特征。

岷江上游于位于四川盆地和青藏高原的過渡地帶，流域氣候和植被垂直帶分異明顯，具有溫帶、亞高山和高山寒帶等多樣氣候和溫性森林、亞高山森林、草地等多種植被類型，其生態(tài)系統(tǒng)在中國西南山區(qū)具有代表性和典型性［24］。2000年以來，岷江上游具有明顯的暖干化趨勢，特別是干旱河谷增溫明顯，而降水呈減少趨勢［25］。目前還很少有研究關(guān)注岷江上游植被物候?qū)夂蚺苫捻憫?yīng)。因此，本文以岷江上游為對象，基于MCD12Q2 遙感物候數(shù)據(jù)產(chǎn)品，重點(diǎn)探討以下3 個(gè)問題：①氣候變化下山區(qū)植被返青期變化規(guī)律；②不同植被類型返青期與海拔關(guān)系；③植被返青期變化的主要原因。本研究對理解山區(qū)植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)機(jī)制及制定適應(yīng)對策有積極意義。

1 研究區(qū)域概況

岷江上游流域（102°35′E～103°57′E，30°46′N～33°09′N）位于四川省北部，處于青藏高原向四川盆地的過渡區(qū)，是長江上游的重要生態(tài)屏障［26］。岷江上游總面積約為22 664 km2，高程范圍為800～6 038 m［圖1（a）］，平均高程為3 429 m。流域年平均降水量約850 mm，年平均溫度為5～15 ℃。主要生態(tài)系統(tǒng)為森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)，主要的森林類型有亞高山暗針葉林、闊葉林和針闊混交林等。混交林主要為高山柳與落葉松混交和冷杉與紅樺混交［27］。本文主要研究草地、混交林和落葉闊葉林的返青期變化特征。其他植被類型如作物和針葉林等，這里不作分析。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

2.1.1 遙感物候數(shù)據(jù)

物候數(shù)據(jù)采用MLCD物候產(chǎn)品（MCD12Q2 Collection6）中的返青期數(shù)據(jù)（greenup），空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為1年（https：∕∕e4ftl01.cr.usgs.gov）。植被類型數(shù)據(jù)采用2001年MCD12Q1 植被類型產(chǎn)品，選擇IGBP（International Geosphere-Biosphere Program）分類方案，空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為1年（https：∕∕modis.gsfc.nasa.gov∕）。利用Arcgis10.2 軟件提取稀樹草原（Woody savanna）、草地（Grassland）、混交林（Mixed forest）和落葉闊葉林（Deciduous broadleaf forest），并將稀樹草原和草地合并為草地。草地、混交林和闊葉林分布的海拔范圍分別為1 000～4 800、1 000～4 400 和1 200～4 200 m，面積分別為8 912、10 967 和634 km2，占流域面積比例分別為39.31%、48.39%和2.80%［圖1（b）］，總面積比例達(dá)到90.5%。逐年提取2001-2016年岷江上游3 種植被類型的返青期，并采用年積日（DOY）表示。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Topographic map and spatial distribution of vegetation types of the UMR

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

采用2001-2016年2-5月逐月氣象數(shù)據(jù)分析氣候因子對岷江上游流域植被物候的影響，包括最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、平均氣溫Ta和降水P，來源為中國氣象局（http：∕∕data.cma.cn∕）。研究區(qū)共有6 個(gè)氣象站點(diǎn)，基本信息如表1所示，取所有站點(diǎn)逐月氣象數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為流域月均值。

表1 氣象站點(diǎn)基本情況一覽表Tab.1 Basic information of meteorological stations

2.1.3 高程數(shù)據(jù)

岷江上游的數(shù)字高程（DEM）獲取自地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：∕∕www.gscloud.cn∕），分辨率為90 m，經(jīng)投影轉(zhuǎn)換和重采樣為500 m空間分辨率。

2.2 方 法

2.2.1 趨勢檢驗(yàn)

采用Sen’s slope 與Mann-Kendall 相結(jié)合的無參數(shù)趨勢檢驗(yàn)方法［20］，對植被返青期進(jìn)行趨勢計(jì)算和顯著性分析，顯著性水平取0.05。

2.2.2 相關(guān)分析

采用Pearson 相關(guān)系數(shù)Rxy分析岷江上游返青期與氣候因子的關(guān)系，計(jì)算公式為：

式中：Rxy為x、y因子的線性相關(guān)系數(shù)，xi、yi分別為第i年x和y的值，n為年數(shù)，和分別為兩因子在n年的均值。采用t檢驗(yàn)對相關(guān)系數(shù)Rxy進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平取0.05。

3 結(jié) 果

3.1 岷江上游植被返青期時(shí)空變化特征

3.1.1 植被返青期均值時(shí)空分布

2001-2016年岷江上游植被返青期多年均值的空間分布格局如圖2（a）所示。岷江上游所有像元的返青期多年均值范圍為DOY 49～179（2月中旬至6月末）。不同植被類型的返青期多年均值存在較大差異。其中，草地的返青期最晚（124.5±12.5 d），其次是落葉闊葉林（113.2±10.5 d），混交林的返青期最早（105.0±14.5 d）。

圖2 2001-2016年岷江上游植被返青期的空間分布規(guī)律Fig.2 Spatial distributions of the mean value and the changing rate of annual GUD in the UMR from 2001 to 2016

3種植被的返青期頻率分布如圖3（a）所示。草地和混交林的返青期分布范圍較寬，落葉闊葉林分布范圍較窄，三者分別為DOY58～179（2月末至6月末）、DOY49～169（2月中旬至6月中旬）和DOY74～158（3月中旬至6月上旬）。三者的返青期頻率峰值段（頻率＞ 2%）分布也有較大差異。草地的返青期頻率峰值段出現(xiàn)最晚，集中在DOY 115～134，像元比例為67.5%；混交林出現(xiàn)最早，集中在DOY 96～119，像元比例分別為62.1%；落葉闊葉林的返青期頻率峰值段介于兩者之間，集中在DOY 101～126，像元比例分別為80.3%。

圖3 2001-2016年岷江上游不同植被返青期時(shí)間分布情況Fig.3 Temporal distribution of different vegetation in the UMR from 2001 to 2016，Dynamics of annual GUD and its frequency distribution

3 種植被類型的返青期都呈現(xiàn)出明顯的海拔效應(yīng)，即多年返青期均值隨海拔升高而推遲［圖4（a）］。在1 000～1 500 m 海拔段，3 種植被的返青期均值均小于100 d，其中草地的返青期多年均值最大（第87.5±7.1 d），混交林和落葉闊葉林分別為第85.4±6.8 d 和80.9±10.6 d。在1 500～3 500 m 海拔段，草地返青期均值仍為最大，但落葉闊葉林的返青期開始晚于混交林。在高海拔段（＞3 500 m），返青期隨海拔升高推遲的幅度增大。在1 000～1 500 m 海拔段，每升高500 m，草地、混交林和落葉闊葉林的返青期分別推遲4.7 d、2.9 d 和5.8 d。在3 500～4 800 m 海拔段，海拔每升高500 m，草地、混交林和落葉闊葉林的返青期分別推遲19.9、22.2和23.1 d。

3.1.2 植被返青期時(shí)空變化

2001-2016年岷江上游植被返青期時(shí)間變化趨勢圖3（b）所示。草地和落葉闊葉林的返青期均呈顯著提前趨勢（p＜0.05），其中草地的提前幅度較高（-0.58 d∕a），落葉闊葉林的提前幅度較低（-0.41 d∕a）；混交林呈不顯著提前趨勢（p＞0.05），提前幅度為-0.40 d∕a。在像元尺度上，返青期提前的像元分別占草地、混交林和落葉闊葉林的80.0%、66.7%和76.0%，延遲像元的占比分別為13.0%、24.6%和13.2%［圖2（b）］。其中，顯著提前像元比例遠(yuǎn)高于顯著延遲像元。顯著提前像元分別占草地、混交林和落葉闊葉林的16.7%、8.7%和12.0%，顯著延遲像元占比分別為0.3%、0.9%和0.4%。混交林返青期的提前趨勢不顯著，可能是由于混交林中岷江冷山和云杉等針葉林的物候變化不明顯所導(dǎo)致。

返青期變化趨勢在垂直分布上存在3 500 m 海拔分界線，如圖4（b）所示。3 種植被返青期在各海拔段都表現(xiàn)為提前趨勢，但在3 500 m 分界線下的提前趨勢不顯著，在分界線上提前趨勢顯著性更強(qiáng)［圖4（b）中“*”表示0.05 水平上趨勢顯著］，且提前幅度更大。如草地返青期在3 500 m 以上的各海拔段均呈顯著提前趨勢，其提前幅度在4 000～4 500 m 海拔段達(dá)到最高（-1.06 d∕a）；混交林返青期和落葉闊葉林分別在4 000～4 500 m段和3 500～4 000 m段呈顯著提前趨勢。

圖4 不同植被返青期及其變化趨勢的高程分布Fig.4 Relations of mean values and trends of annual GUD with altitude

3.2 氣候因子對植被物候變化的影響

2001-2016年岷江上游2-5月水熱因子的變化趨勢如圖5所示。總體而言，2月氣候呈現(xiàn)冷干化趨勢，3-4月呈現(xiàn)暖干化趨勢，5月呈現(xiàn)暖濕化趨勢。2月各項(xiàng)氣溫指標(biāo)（Tmax、Tmin和Ta）都呈下降趨勢，降水呈減少趨勢，但降幅較小（0.17 mm∕a）。3-4月的氣溫（除4月最高氣溫下降）呈上升趨勢，降水呈減少趨勢，氣候暖干化趨勢明顯。值得注意的是，3-4月最低氣溫升幅最大，平均氣溫和最高氣溫變幅較小。5月的各項(xiàng)氣溫指標(biāo)都呈上升趨勢，其中最高氣溫上升趨勢顯著（p＜0.05），降水以0.79 mm∕a的速率增加。

圖5 2001-2016年2-5月氣溫和降水變化趨勢Fig.5 Trends of monthly air temperature and precipitation from February to May during 2001 and 2016

岷江上游各植被類型返青期與氣候因子的相關(guān)系數(shù)如圖6所示。圖中的“*”表示返青期與氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)是顯著的。草地返青期與3-5月的各項(xiàng)氣溫指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［圖6（a）～（c）］，與2-4月降水呈正相關(guān)關(guān)系［圖6（d）］。這表明3-5月氣溫升高和2-4月降水減少促使草地返青期提前。其中，3月降水和4月最低氣溫與草地返青期相關(guān)關(guān)系顯著，說明3月降水減少和4月最低氣溫升高可能是草地返青期提前的主要原因。2月氣溫降低和5月降水增多會促進(jìn)草地返青期延遲，但相關(guān)系數(shù)較低，對返青期變化趨勢作用有限。

圖6 氣候因子與植被返青期的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficients between climatic factors and annual GUD

混交林和落葉闊葉林返青期與氣候因子的關(guān)系同草地類似，與3-4月各項(xiàng)氣溫指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與同期降水均呈正相關(guān)關(guān)系。這表明3-4月氣候暖干化對混交林和落葉闊葉林返青期提前也起到了促進(jìn)作用。其中，4月的最低氣溫和平均氣溫與返青期均呈顯著負(fù)相關(guān)，說明4月最低氣溫和平均氣溫的上升是兩種植被返青期提前的主要原因。與草地不同的是，2月的最高氣溫和最低氣溫與兩種植被的返青期均呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)都較低。與草地相比，3-4月降水減少對混交林和落葉闊葉林的影響較小。5月降水與兩種植被返青期的相關(guān)系數(shù)都較低，說明對返青期趨勢影響很小。

4 結(jié) 論

基于遙感物候和氣象數(shù)據(jù)，分析了2001-2016年西南山區(qū)岷江上游草地、混交林和落葉闊葉林的返青期時(shí)空變化特征及氣候驅(qū)動因子。結(jié)果表明，①2001-2016年岷江上游草地、混交林和落葉闊葉林的返青期存在較大差異，其多年均值分別為第124.5±12.5 d、105.0±14.5 d 和113.2±10.5 d。② 3 種植被類型的返青期都隨海拔升高而推遲，且在高海拔段（＞3500 m）推遲的幅度更大。在1 000～1 500 m 海拔段，每升高500 m，草地、混交林和落葉闊葉林的返青期分別推遲4.7 d、2.9 d 和5.8 d；在3 500～4 800 m 海拔段，分別推遲19.9 d、22.2 d 和23.1 d。③草地和落葉闊葉林的返青期均呈顯著提前趨勢（p＜ 0.05），提前幅度分別為0.58 d∕a 和0.41 d∕a；混交林呈不顯著提前趨勢（p＞0.05），提前幅度為0.40 d∕a；3 種植被返青期變化趨勢在垂直分布上存在3 500 m 海拔分界線，分界線以上返青期提前速率更高，趨勢更顯著。④岷江上游春季氣候暖干化對植被返青起到了促進(jìn)作用，其中4月最低氣溫升高是植被返青期提前的主要原因。

5 討 論

研究發(fā)現(xiàn)2001-2016年岷江上游春季氣候暖干化導(dǎo)致植被返青期提前，這一研究結(jié)果與王云川在川西高原的研究結(jié)果一致［28］，但與我國干旱和半干旱區(qū)的一些發(fā)現(xiàn)不同。張峰等［29］、徐玲玲［30］都發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古草原氣候暖干化導(dǎo)致植被返青期推遲，趙廣帥等［31］發(fā)現(xiàn)青藏高原氣候變暖導(dǎo)致半干旱草甸草原植物返青期推遲。這些地區(qū)的植被生長受水分條件限制，干旱區(qū)的氣候暖干化會使蒸散更加強(qiáng)烈，降水進(jìn)一步減少，水分虧缺導(dǎo)致植被返青期延遲［32］。與干旱半干旱區(qū)相比，我國西南山區(qū)植被受水分條件制約較小。如岷江上游多年平均降水量超過800 mm，其中3-4月累計(jì)降水量超過80 mm。徐玲玲發(fā)現(xiàn)春季降水量超過60 mm 時(shí)，內(nèi)蒙古溫性典型草原冷蒿的返青期就從推遲趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆摆厔荩?0］。因此，16年來岷江上游春季降水的減少趨勢可能未對植被返青造成干旱脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)岷江上游4月最低氣溫與草地返青期相關(guān)性較強(qiáng)，4月最低氣溫和平均氣溫與混交林和落葉闊葉林返青期相關(guān)性較強(qiáng)。由于流域4月最低氣溫升幅較大，平均氣溫和最高氣溫變幅較小，因此4月最低氣溫升高可能是植被返青期提前的關(guān)鍵因素，原因是春季最低氣溫上升緩解了早春霜凍對植被生長的抑制［33］。在干旱和半干旱區(qū)，降水的增加會提高植被生長速率，促使物候期提前［22］。然而，也有研究認(rèn)為降水增加會導(dǎo)致氣溫降低，可能使返青期推遲［34］。本研究中發(fā)現(xiàn)岷江上游3月降水與草地返青期呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即3月降水減少促使草地返青期提前。這可能是由于降水減少有利于最低氣溫上升，減輕了早春霜凍對草地返青的抑制作用。

植被和氣候因子的垂向分異性導(dǎo)致植被返青期存在3 500 m 海拔分界線。植被返青期多年均值隨海拔升高而推遲，但在3 500 m 以下隨海拔升高推遲幅度較小，在3 500 m 以上推遲幅度較大。而且，與低海拔植被相比，高海拔植被返青期的提前趨勢更顯著，提前速率更高。馬曉芳等也發(fā)現(xiàn)青藏高原植被返青期隨海拔升高而推遲，且高海拔植被返青期年際變化比低海拔復(fù)雜［35］。然而，由于岷江上游氣象站點(diǎn)數(shù)量較少，本文未分析不同海拔范圍內(nèi)各類植被返青期對氣候因子變化的敏感性。高海拔區(qū)域植被返青期提前趨勢更顯著的原因，可能是由于該區(qū)域植被返青對氣候變化的響應(yīng)更敏感，也有可能是該區(qū)域氣候因子的變化更為劇烈。若未來岷江上游氣候持續(xù)暖干化，可能會對流域植被返青持續(xù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程和生態(tài)服務(wù)功能。