青海湖流域植被物候格局時空動態(tài)變化及其與植被退化的關(guān)系

李廣泳，姜翠紅，程滔，張浩然，陳占濤

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所，北京 100097；

3.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，北京 100096)

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青海湖流域植被物候格局時空動態(tài)變化及其與植被退化的關(guān)系

李廣泳1，姜翠紅2*，程滔1，張浩然1，陳占濤3

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所，北京 100097；

3.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，北京 100096)

摘要：本研究利用2000-2014年期間MODIS 16 d合成EVI 數(shù)據(jù)，選用閾值法模型提取了青海湖流域逐年的植被關(guān)鍵物候期，分析了物候時空動態(tài)變化特征及其與植被退化的關(guān)系。結(jié)果表明，青海湖流域內(nèi)植被陸續(xù)在4月中旬-6月中旬進(jìn)入返青階段，8月中旬-10月中旬進(jìn)入枯黃期，生長季長度在100～150 d之間。植被陸續(xù)進(jìn)入返青期的時間在流域整體空間上呈現(xiàn)由東南向西北延遲的水平地帶性變化趨勢，多高山分布區(qū)域的植被進(jìn)入返青期時間表現(xiàn)出垂直非地帶性特征。植被進(jìn)入枯黃期的時間與進(jìn)入返青期早晚的時間在空間格局上相反，生長季長短空間格局與植被進(jìn)入返青時間早晚的空間格局一致。氣候變化趨勢下，流域植被物候時空動態(tài)變化存在空間異質(zhì)性，返青期均值年際變化趨勢不明顯，枯黃期均值提前6.4 d，生長季均值縮短8.9 d。流域內(nèi)植被物候除受氣候因子影響外，與植被退化也有密切關(guān)系。植被生長趨于茂盛，返青期呈現(xiàn)延遲趨勢；植被生長退化趨勢，返青期呈現(xiàn)提前傾向?？蔹S期與植被退化的關(guān)系較復(fù)雜，整體上未表現(xiàn)出明顯一致的相關(guān)性。植被生長季與植被退化呈現(xiàn)強負(fù)相關(guān)，即植被生長呈現(xiàn)茂盛趨勢的區(qū)域，生長季縮短。

關(guān)鍵詞：植被物候；時空動態(tài)變化；植被退化；青海湖流域

植被物候研究周期性重復(fù)出現(xiàn)的植被自然現(xiàn)象及其與環(huán)境條件周期變化的相互關(guān)系，反映了地球生物圈對地球氣候和水循環(huán)季節(jié)、年際變化的響應(yīng)[1]，被認(rèn)為是植被響應(yīng)區(qū)域氣候變化最直接、敏感的特征指標(biāo)之一；另一方面，植被物候通過很強的地表生物物理、化學(xué)過程控制當(dāng)前和未來的氣候模式以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[2]。因此，科學(xué)的理解植被物候空間格局及時空動態(tài)變化特征，不僅利于準(zhǔn)確預(yù)測未來的氣候變化趨勢，更利于掌握區(qū)域-全球尺度下受植被物候信息控制的碳收支空間格局及動態(tài)變化特征。

當(dāng)前對植被物候的監(jiān)測以野外定點觀測和遙感監(jiān)測為主[3]，研究內(nèi)容多集中在全球變化趨勢下植被物候變化特征及其與氣候因子的關(guān)系，尤其是關(guān)于植被返青期的相關(guān)研究較多[4]。在利用遙感技術(shù)研究植被物候過程中，多數(shù)學(xué)者仍局限在通過選取植被樣區(qū)(點)定點監(jiān)測植被物候變化，分析樣區(qū)植被物候的年際變化規(guī)律及其與氣候因子之間的關(guān)系[5-8]。在植被樣區(qū)尺度上研究植被物候變化的問題較簡單，而在空間尺度下，植被物候還受其他自然和人為壓力等潛在機(jī)制的影響，如植被退化、放牧干擾等[9-11]，這些問題被認(rèn)為是未來一段時間植被物候研究的新方向[2,12]。進(jìn)行植被物候時空動態(tài)變化格局研究是探究上述其他影響植被物候潛在因子的前提。長期以來，氣候變化被認(rèn)為是影響干旱、半干旱區(qū)植被物候的關(guān)鍵因素，忽略了植被退化對物候影響的重要性[13]。Chen等[14]認(rèn)為，青藏高原的草原、草甸植被退化會導(dǎo)致春季返青的延遲，但沒有進(jìn)行相關(guān)具體的研究來進(jìn)行證明。宋春橋等[8]分析了藏北高原典型植被樣區(qū)物候變化、生長季最大增強植被指數(shù)(enhanced vegetation index,EVI)與氣候因子之間的關(guān)系，但沒有對植被退化與植被物候之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析。李廣泳等[11]雖然分析高寒草地植被物候與植被退化之間的關(guān)系，但是研究仍局限在樣點監(jiān)測，缺乏植被物候與植被退化空間關(guān)系的研究。在當(dāng)今全球氣候變化的背景下，青藏高原已經(jīng)被科學(xué)界公認(rèn)為進(jìn)行人類活動和生態(tài)環(huán)境沖突研究的重要試驗基地[15]。尤其是近10年來，對該區(qū)域植被物候的研究成為氣候生態(tài)學(xué)領(lǐng)域在青藏高原研究的新熱點。青藏高原在氣候變化和人類活動的雙重干擾下，植被退化與茂盛趨勢并存[16]，然而針對植被退化與物候時空動態(tài)變化之間的關(guān)系研究尚存在不足。

青海湖流域位于青藏高原和亞洲半干旱氣候敏感帶，具有獨特的高寒半干旱生態(tài)系統(tǒng)特征，是一個綜合性的自然、社會和經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)圈。近30年來，青海湖流域年平均氣溫增幅為0.28℃/10年[17]，明顯超過同時期青藏高原地區(qū)乃至北半球同緯度其他地區(qū)的平均水平。在全球氣候變化日益明顯趨勢下，青海湖流域已經(jīng)成為國際科學(xué)界研究青藏高原眾多生態(tài)環(huán)境問題的代表區(qū)域之一[18]。本研究選取青海湖流域高寒植被為研究對象，研究了近15年來植被物候時空動態(tài)變化特征，重點分析了植被退化與植被物候時空動態(tài)變化之間的關(guān)系，以期為氣候變化趨勢下國家實施的青海湖流域生態(tài)治理與保護(hù)工程提供理論支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

青海湖流域位于青藏高原的東北部(36°15′-38°20′ N，97°50′-101°20′ E)(圖1)，面積為29661 km2，海拔3194～5174 m，屬于典型的干旱半干旱氣候區(qū)。流域內(nèi)年平均溫度范圍為-0.8～1.1℃，年降水量范圍為324.5～412.8 mm，呈現(xiàn)由東北向西南降低的趨勢。地勢西北高而東南低，地貌類型復(fù)雜，多高山分布，山區(qū)面積占流域總量的68.6%。該區(qū)域內(nèi)的青海湖是我國最大的內(nèi)陸湖泊，也是最大的咸水湖，湖泊覆蓋面積約占流域總面積的16.0%以上，注入青海湖的主要河流有布哈河、沙柳河、哈爾蓋河、黑馬河和倒淌河，其中布哈河是注入青海湖最大的河流，占流域內(nèi)年總徑流量的48.8%[19]。流域內(nèi)土地覆蓋類型多樣，草地、灌叢、荒漠、水域及農(nóng)田都有分布，其中草地是流域主要覆蓋類型，約占流域面積的70%(圖1)。

圖1　青海湖流域植被覆蓋(2012年)Fig.1　Land cover map of Qinghai Lake during 2012

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

遙感數(shù)據(jù)為來源于美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/)搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的MODIS傳感器獲取的MOD13Q1 16 d 合成的植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率為250 m。本研究選用的是增強植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)，時間跨度為2000-2014年，共計684景。選用MODIS Reprojection Tool軟件對所有影像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換批處理，然后采用ERDAS 軟件對同時相2景影像進(jìn)行拼接、裁切，得到研究需要的EVI數(shù)據(jù)。流域植被覆蓋數(shù)據(jù)采用國土部門提供的2012年土地利用現(xiàn)狀更新數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合同期Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。剛察、天峻氣象站是流域內(nèi)僅有的2個國家級氣象站，研究中涉及的2000-2014年的溫度、降水量數(shù)據(jù)來源于2個氣象站地面觀測資料。

1.3物候提取模型

近20年來，遙感技術(shù)已經(jīng)成為在大尺度下監(jiān)測植被物候的有效手段。本研究首先在ArcGIS環(huán)境下將ModisEVI數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后采用非對稱高斯函數(shù)擬合方法對標(biāo)準(zhǔn)化后的EVI數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列上的重建，選用閾值法[20]分別提取研究期內(nèi)歷年植被物候期(返青期、枯黃期和生長季)。結(jié)合前期研究，將青海湖流域植被返青期的閾值設(shè)置為0.1，枯黃期閾值設(shè)置為0.5[11]。植被物候期計算以同年1月1日為起點進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即1月1日為第1天，1月2日為第2天……，依此類推確定植被返青期、枯黃期，返青期與枯黃期之間的自然天數(shù)即為生長季。閾值法模型如下：

(1)

式中，EVIRatio為輸出比值(值域為0～1)，EVI為標(biāo)準(zhǔn)增強植被指數(shù)(enhanced vegetation index)值，EVImin指年內(nèi)最小值，EVImax為年內(nèi)最大EVI值。

1.4線性回歸趨勢法

一元回歸趨勢法是對隨時間變化的變量進(jìn)行回歸分析的模型[21]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到植被動態(tài)變化研究中，取得了良好的結(jié)果。該模型應(yīng)用ArcGIS柵格計算功能，基于柵格單元來分析植被物候逐年的變化趨勢，從而反映植被物候的時空動態(tài)變化量。其模型如下：

(2)

式中，n是研究期總年數(shù)；y為研究期中第y年；Py為第y年的物候數(shù)據(jù)；Yn為研究期末年；Y1為研究期第1年；T為物候期的變化量。T>0，說明物候期延遲(延長)；T<0，說明物候期提前(縮短)。

1.5相關(guān)系數(shù)模型

Pearson相關(guān)性系數(shù)是表達(dá)兩個變量之間直線聯(lián)系緊密程度的系數(shù)，可以在ArcGIS運行環(huán)境下將兩套時間序列相同的數(shù)據(jù)基于像元進(jìn)行相關(guān)性分析[22]。相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1，相關(guān)度越強，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)度越弱。相關(guān)性系數(shù)為正值，表示兩變量之間存在正相關(guān)，反之為負(fù)相關(guān)。通常情況下相關(guān)系數(shù)絕對值在0.8～1.0 為極強相關(guān)，0.6～0.8為強相關(guān)，0.4～0.6為中等程度相關(guān)，0.2～0.4為弱相關(guān)，0.0～0.2為極弱相關(guān)或無相關(guān)。皮爾遜相關(guān)性系數(shù)模型如下：

(3)

2結(jié)果與分析

2.1植被物候空間格局特征

2.1.1植被返青期空間格局2000-2014年期間，青海湖流域植被平均返青期為第144.6天，植被最早進(jìn)入返青的時間為4月中下旬(100～120 d)。截止到6月上旬(160 d)，流域內(nèi)95.0%的植被進(jìn)入返青期，整個進(jìn)入返青期歷時約60 d(圖2)。受流域地勢變化的影響，植被進(jìn)入返青期時間在空間上呈現(xiàn)由東南向西北延遲的水平地帶性變化趨勢。青海湖南岸、倒淌河子流域及布哈河入湖口海拔較低的區(qū)域(3200～3300 m)，土壤濕潤，是流域內(nèi)植被最早進(jìn)入返青期的地區(qū)。5月上旬(120～130 d)，隨著溫度的升高，植被返青開始向四周較高海拔區(qū)域擴(kuò)展，約占流域植被覆蓋總面積的8.3%。尤其在北部多高山分布地區(qū)，植被進(jìn)入返青期時間表現(xiàn)出垂直非地帶性，海拔較低、水分條件較好的河流溝谷地帶的植被陸續(xù)進(jìn)入返青期；5月中旬至6月上旬(130～160 d)是流域植被返青高峰期，85.9%的植被返青集中在該時間段內(nèi)。受高海拔低溫的影響，流域西北部海拔在3800 m以上的高寒荒漠植被，一般集中在6月中旬(160～170 d)。青海湖北岸、南岸種植油菜(Brassicacampestris)的農(nóng)田返青期集中在6月上旬(150～160 d)，主要是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民通常選擇在5月下旬播種所決定。

2.1.2植被枯黃期空間格局流域內(nèi)植被平均枯黃期為第268.7天，大約在8月中旬植被開始陸續(xù)進(jìn)入枯黃期，10月中旬結(jié)束。流域植被全部進(jìn)入枯黃期歷時約60 d(圖2)。流域內(nèi)植被在先后進(jìn)入枯黃期空間格局上呈現(xiàn)由西北向青海湖四周低海拔區(qū)域擴(kuò)展的變化趨勢，與進(jìn)入返青時間的空間格局相反。8月中旬(220 d)開始，受高海拔地區(qū)降雪等因素的影響，西北部高寒荒漠稀疏植被地區(qū)植被最早進(jìn)入枯黃期。隨著秋季來臨，大氣溫度降低，降水量的減少，9月份流域內(nèi)植被進(jìn)入枯黃期的面積開始增加。截止到9月中旬(260 d)，植被進(jìn)入枯黃期的面積占流域植被覆蓋總面積的15.1%，集中分布在流域周邊和中部高海拔區(qū)域。9月底(270 d)，流域內(nèi)55.16%的植被進(jìn)入枯黃期，集中分布在海拔3600 m以上的區(qū)域。10月中旬(280～290 d)，流域內(nèi)98.8%的植被進(jìn)入枯黃期。流域北部山區(qū)的植被進(jìn)入枯黃期的時間同樣表現(xiàn)出了垂直非地帶變化特征，生長在高海拔區(qū)域植被進(jìn)入枯黃期的時間較低海拔區(qū)域早。農(nóng)田內(nèi)種植的農(nóng)作物進(jìn)入枯黃期時間集中在9月中下旬(250～270 d)，較周邊草地略提前。

2.1.3植被生長季空間格局植被返青期、枯黃期共同決定生長季的長短。流域內(nèi)植被平均生長季為124.6 d，其中生長季分布在100～150 d之間的植被占流域覆蓋總面積的83.1%(圖2)。研究期內(nèi)青海湖流域植被平均生長季短于90 d的區(qū)域集中分布在西北部高海拔區(qū)域。主要由于該區(qū)域植被受高海拔低溫影響，植被返青較晚，且進(jìn)入8月份，多降雪天氣，部分植物提前進(jìn)入枯黃期導(dǎo)致其生長季較短。植被生長季超過130 d的區(qū)域集中分布在布哈河下游、倒淌河子流域及緊鄰青海湖四周海拔低于3600 m的區(qū)域。尤其在青海湖周邊和倒淌河子流域海拔低于3300 m的區(qū)域，是流域內(nèi)地表濕熱條件最好的區(qū)域，植被生長季超過150 d。農(nóng)田內(nèi)植被生長季短于流域植被平均生長季，僅為117.7 d。

2.2植被物候時空變化特征

2.2.1植被返青期時空變化特征根據(jù)圖3，氣候變化趨勢下，2000-2014年期間青海湖流域植被平均返青期只表現(xiàn)出自然的波動，但在地理空間上卻表現(xiàn)出變化趨勢的明顯差異性(圖4)。流域西北部、青海湖西側(cè)及倒淌河子流域東部植被表現(xiàn)出明顯的返青期延遲趨勢，超過10 d以上，約占流域植被覆蓋總面積的16.0%。流域中北部區(qū)域、青海湖東北部及南部區(qū)域卻呈現(xiàn)植被返青提前趨勢，提前6 d以上，面積約占流域植被面積的25.1%。受土地利用變化的影響，實施退耕還林、還草的農(nóng)田區(qū)植被物候明顯提前，大約10～20 d。

2.2.2植被枯黃期時空變化特征研究期流域內(nèi)歷年平均枯黃期提前6.4 d，速率為4.2 d/10年(R2=0.2893)(圖3)。在空間上植被枯黃期年際變化趨勢并不一致(圖4)。植被枯黃期延遲超過2 d的區(qū)域集中在緊鄰青海湖北岸、南岸及布哈河中、下游地區(qū)也有零星分布，約占流域植被覆蓋總面積的17.3%。尤其在緊鄰青海湖北岸、東岸實施退耕還林的區(qū)域，枯黃期延遲超過10 d以上。植被枯黃期提前超過2 d的區(qū)域在流域內(nèi)分布廣泛，占流域植被覆蓋總面積的64.2%。流域西北部、布哈河子流域是枯黃期提前趨勢最明顯的區(qū)域，其中枯黃期提前超過10 d的區(qū)域占流域植被覆蓋總面積的21.8%。

圖2　青海湖流域植被物候空間格局(2000-2014年)Fig.2　Spatial pattern of vegetation phenology in Qinghai Lake watershed during 2000 to 2014

圖3　青海湖流域植被物候變化趨勢(2000-2014年)Fig.3　The vegetation phenology trends in Qinghai Lake watershed during 2000 to 2014

圖4　青海湖流域植被物候時空動態(tài)變化空間格局(2000-2014年)Fig.4　Spatio-temporal variation of vegetation phenology in Qinghai Lake watershed during 2000 to 2014

2.2.3植被生長季時空變化特征植被返青期、生長季時空變化的空間差異性決定植被生長季變化趨勢在空間上同樣具有明顯的差異。15年內(nèi)青海湖流域植被平均生長季縮短8.9 d，速率為5.9 d/10年(R2=0.1587)。生長季延長超過2 d的區(qū)域以流域中北部、湖北岸和南岸植被為主，占流域植被覆蓋面積的30.4%，其中部分區(qū)域生長季超過6 d，占20.3%。退耕還林、還草區(qū)是生長季延長趨勢最明顯的區(qū)域，延長時間超過20 d以上。生長季縮短的區(qū)域集中分布在流域中、西部和東部倒淌河子流域，縮短超過2 d的區(qū)域占流域植被覆蓋面積的57.5%以上，其中44.9%的區(qū)域植被生長季縮短超過6 d以上，集中分布在流域西北高寒荒漠植被覆蓋區(qū)、湖西北岸及倒淌河流域內(nèi)。

2.3植被物候與氣溫、降水的關(guān)系

根據(jù)圖5所示，2000-2014年期間，剛察、天峻2個氣象站年均溫度、降水量都呈明顯增加趨勢，且天峻氣象站觀測的氣候變化趨勢較剛察氣象站更顯著，變化速率均值分別為0.57℃/10年和66.68 mm/10年，氣候變化暖濕趨勢明顯，與整個青藏高原氣候變化趨勢一致[23]。在暖濕的氣候變化趨勢下，流域植被平均返青期變化趨勢并不明顯，且僅與年降水量具有弱負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.1303和0.2140，與氣象站年均溫度無相關(guān)性，說明青海湖流域年均溫度升高背景下流域內(nèi)植被平均返青期并未表現(xiàn)出提前趨勢。流域植被平均枯黃期與天峻年均溫度具有負(fù)弱相關(guān)性(R2=0.3091)，與剛察(R2=0.1626)、天峻年降水量(R2=0.2382)具有負(fù)相關(guān)性，說明年降水量在一定程度上影響著流域植被枯黃期。植被平均生長季與天峻氣象站溫度(R2=0.2280)、降水量(R2=0.1381)具有弱負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性明顯優(yōu)于剛察。

圖5　剛察、天峻年均溫度、降水量變化趨勢(2000-2014年)Fig.5　The average annual temperature and precipitation trends of Gangcha and Tianjun station during 2000 to 2014

2.4植被物候時空動態(tài)變化與植被退化的關(guān)系

研究中選用2000-2014年歷年年內(nèi)最大EVI的變化趨勢來反映青海湖流域植被退化趨勢。根據(jù)圖6中年內(nèi)最大EVI時空變化格局顯示，在氣候變化、人類活動等雙重因子的干擾下，青海湖流域植被動態(tài)變化空間異質(zhì)性較大。西部區(qū)域植被的EVI呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢，說明該區(qū)域植被生長趨于茂盛，尤其在布哈河中游，植被茂盛趨勢尤其顯著。流域中北部地區(qū)，植被的EVI出現(xiàn)大面積降低趨勢，說明該地區(qū)部分區(qū)域植被退化趨勢較明顯。緊鄰青海湖北岸、東岸的退耕還草、還林區(qū)，EVI降低趨勢顯著，主要是由于原種植的油菜等農(nóng)作物被草地、稀疏灌叢植被替代，導(dǎo)致植被地表覆蓋度降低。

根據(jù)圖6，從整個流域來看，植被返青期與EVI時空年際變化整體上呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，28.0%的植被返青期與EVI年際變化存在弱正相關(guān)性(0.2

圖6　青海湖流域植被EVI時空變化格局及與植被物候的相關(guān)性(2000-2014年)Fig.6　Spatio-temporal variation of EVI and its relevance to vegetation phenology in Qinghai Lake watershed during 2000 to 2014

3討論與結(jié)論

植被作為聯(lián)結(jié)土壤、水體和大氣之間物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其物候時空格局直接反映環(huán)境條件季節(jié)和年際變化，并隨著氣候緯度、經(jīng)度和海拔變化的規(guī)律性而表現(xiàn)出推移性的特點[24]，尤其是青藏高原高寒草地物候與海拔具有密切關(guān)系[25]。青海湖流域地勢整體呈現(xiàn)西北高而東南低，決定了植被物候格局在流域整體空間表現(xiàn)出水平地帶性變化規(guī)律；局部區(qū)域多高山分布，高差較大，氣候的垂直變化特征決定了植被物候期的垂直非地帶性。2000-2014年期間流域內(nèi)植被物候期格局與前人研究的2010年植被物候格局特征基本一致[11]，部分區(qū)域表現(xiàn)出差異，其主要原因是本研究植被物候期空間格局是15年植被物候期的平均值，而2010年植被物候只反映了本年度的植被物候空間格局特征，年內(nèi)氣候因子的不確定性和土地利用方式的變化等都會改變該年度的植被物候，表現(xiàn)出與歷年均值的差異。

2000-2014年期間青海湖流域植被歷年返青期均值整體變化趨勢并不明顯，與Shen等[26]采用多源遙感影像數(shù)據(jù)、物候模型得出的2000-2011年期間整個青藏高原平均返青期變化趨勢并不顯著的結(jié)論一致，但與前人基于氣象站觀測的植被物候數(shù)據(jù)得出的青海湖流域乃至整個青藏高原植被返青期的研究結(jié)果迥異[11,16,27-28]，其原因主要由于植被物候及其變化是多個環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果[24]，而氣象站及其周邊的環(huán)境因子并不能代表整個青海湖流域的環(huán)境狀況。因此，氣象站選取樣區(qū)(點)觀測的植被物候年際動態(tài)變化并不能代表不同空間尺度下植被物候的整體動態(tài)變化特征。近15年來流域內(nèi)歷年平均枯黃期呈現(xiàn)提前趨勢，生長季縮短，與丁明軍等[25]基于AVHRR 數(shù)據(jù)分析的1999-2009年青藏高原植被物候變化趨勢不同。研究結(jié)論的差異可能與數(shù)據(jù)源、時間[29]和空間尺度差異有關(guān)，需要進(jìn)一步的研究證實。

長時間序列下植被活動的減弱將導(dǎo)致植被退化，可通過植被指數(shù)或物候指標(biāo)的動態(tài)變化反映出來[30]。當(dāng)前人們越來越關(guān)注氣候變化對植物物候的影響，忽略了全球變化中植被退化與植被物候之間的關(guān)系。青海湖流域作為青海省重要的牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)，草地退化是流域生態(tài)環(huán)境惡化的主要表現(xiàn)形式之一[31]。草地退化會對植被物候產(chǎn)生直接或間接的負(fù)面影響，尤其是受土壤水分限制的植被生態(tài)系統(tǒng)[13,32]。草地退化后植被高度的降低、地上生物量的減少會通過改變近地表小氣候間接影響植被物候[33]。Chen等[14]認(rèn)為草地退化后植被覆蓋度的降低將通過增加地表反照率降低地表溫度，最終表現(xiàn)為植被返青延遲，本研究中植被退化與返青期呈現(xiàn)正相關(guān)的研究與此結(jié)論相悖。其原因主要由于Chen等[14]僅從植被退化會導(dǎo)致近地表小氣候的變化推理了植被退化與返青的關(guān)系，忽略了不同草地退化梯度下土壤養(yǎng)分含量的變化[34]也會改變植被物候。通常在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，隨著植被退化程度加重，土壤中有機(jī)碳、全磷、速效氮等養(yǎng)分含量降低[35-36]。相關(guān)研究證實土壤中氮、磷含量的增加將導(dǎo)致莎草科、禾本科、雜類草主要代表植物的返青期和枯黃期推遲[37]，即植被退化將導(dǎo)致植被返青期和枯黃期提前，與本研究中植被退化將導(dǎo)致返青期延遲的結(jié)論一致。青海湖流域內(nèi)植被退化與枯黃期的關(guān)系較復(fù)雜，可能與在研究中沒有考慮到流域內(nèi)季節(jié)性輪牧和家畜牧食行為會直接、間接的影響植被物候有關(guān)[38-39]。在適宜的牧草生育階段進(jìn)行合理的放牧干擾會直接加速營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、改善冠層輻射狀況、促進(jìn)資源再分配[40]，給牧草提供良好的補償或超補償生長環(huán)境，直接加快牧草再生長速度[41]，延遲其進(jìn)入枯黃期的時間[42]。另一方面，放牧干擾通過控制地表枯落物減緩地表徑流，促進(jìn)降水滲透、減少土壤水分蒸散量，最終改善近地表土壤微環(huán)境，從而影響植被物候期[43]，該部分內(nèi)容將是下一步有待研究解決的關(guān)鍵問題。通常情況下，植被生長季延長促進(jìn)植物生長發(fā)育，與生物量、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)系表現(xiàn)為正相關(guān)，然而在特定的區(qū)域環(huán)境條件下也存在植被生長季與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的情況[44]。宋春橋等[8]通過研究得出藏北高原地區(qū)高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠草原植被生長季內(nèi)最大EVI都呈現(xiàn)降低趨勢，生長季呈現(xiàn)延長的現(xiàn)象，該結(jié)論驗證了本研究得出的青海湖流域植被退化趨勢下，生長季趨于延長的結(jié)果。植被返青期和枯黃期共同決定植被生長季的長度，因此，流域內(nèi)植被退化與生長季之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的原因仍然與植被退化通過改變近地表小氣候、土壤養(yǎng)分含量等影響了植被返青期和枯黃期有關(guān)。

植被退化不僅表現(xiàn)為植被生物量、覆蓋度的降低，植被群落優(yōu)勢物種的改變也是植被退化的表現(xiàn)形式之一[45]。長期以來，過度的放牧利用致使流域內(nèi)退化草地植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，物種組成產(chǎn)生退化演替[46]。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同的植物物種之間不僅存在物候特征的差異，其對氣候變化的響應(yīng)也不同[47]。流域內(nèi)植被動態(tài)變化與物候之間關(guān)系異常的區(qū)域是否與植被退化演替有關(guān)仍需進(jìn)一步的研究證明。

本研究利用青海湖流域2000-2014年MODIS 16 d EVI合成數(shù)據(jù)，選用閾值法提取了青海湖流域植被物候空間格局及時空動態(tài)變化，并在分析整個流域尺度下植被平均物候期年際變化與年均溫度、降水量之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了植被退化與物候時空動態(tài)變化之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1)2000-2014年期間，青海湖流域內(nèi)植被陸續(xù)進(jìn)入返青階段集中在4月中旬-6月中旬，歷時約60 d。植被返青時間在流域整體空間上呈現(xiàn)由東南向西北延遲的水平地帶性變化格局，多高山分布區(qū)域的植被進(jìn)入返青期時間表現(xiàn)出垂直非地帶性。植被陸續(xù)進(jìn)入枯黃階段在8月中旬-10月中旬，歷時約60 d，進(jìn)入枯黃期時間在空間格局上與返青空間格局?jǐn)U展趨勢相反。流域內(nèi)植被平均生長季為124.6 d，生長季長度集中分布在100～150 d之間，空間格局與返青期、枯黃期空間格局一致。

2)研究期內(nèi)的流域植被返青期均值變化趨勢并不明顯，但在地理空間格局上卻表現(xiàn)出變化趨勢的明顯差異性；雖然流域內(nèi)植被枯黃期均值提前6.4 d，速率為4.2 d/10年，但在空間上枯黃期變化趨勢存在異質(zhì)性。流域西北部、布哈河子流域是枯黃期提前趨勢最明顯的區(qū)域；流域內(nèi)植被生長季均值縮短8.9 d，速率為5.9 d/10年，空間上大面積植被生長季整體縮短趨勢較明顯。青海湖北岸、東岸退耕還林、還草區(qū)是生長季延長趨勢最明顯的區(qū)域，延長時間超過40 d以上。

3)氣候變化趨勢下，雖然青海湖流域植被平均物候期變化與溫度、降水量具有一定的相關(guān)性，但并不能完全解釋流域植被物候時空動態(tài)變化空間異質(zhì)性的原因。研究表明植被退化趨勢對植被物候的時空動態(tài)變化也有影響，即植被年際生長趨于茂盛，返青期呈現(xiàn)延遲趨勢；反之，植被年際生長退化趨勢，返青期呈現(xiàn)提前傾向?？蔹S期與植被年際生長狀態(tài)的關(guān)系較復(fù)雜，整體上未表現(xiàn)出較明顯的關(guān)系。植被年際生長動態(tài)變化趨勢與生長季呈現(xiàn)強負(fù)相關(guān)，即植被退化趨勢的區(qū)域，植被生長季趨于延長，反之亦然。

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*Spatial-temporal variation of vegetation phenology and their relationships with vegetation degradation in a Qinghai Lake watershed

LI Guang-Yong1, JIANG Cui-Hong2*, CHENG Tao1, ZHANG Hao-Ran1, CHEN Zhan-Tao3

1.NationalGeomaticsCenterofChina,Beijing100830,China; 2.InstituteofIntegratedDevelopmentofAgriculture,BeijingAcademyofAgriculturalandForestrySciences,Beijing100097,China; 3.TwentyFirstCenturyAerospaceTechnologyCo.,Ltd,Beijing100096,China

Abstract:This paper presents a threshold method to examine the vegetation phenology in a Qinghai Lake watershed based on a time-series analysis of a MODIS EVI dataset from 2000 to 2014 using 16-day intervals. The spatio-temporal variation of vegetation phenology and the relationship with vegetation degradation were also analyzed. The results showed that the beginning of the vegetation growing season (BGS) occurred from mid-April to mid-June and the end of growing season (EGS) from mid-August to mid-October; growing season (GS) was between 100 to 150 days. The BGS spatial pattern was embodied by a transition from southeast to northwest; vertical zonation in the mountainous region showed a contrary trend in EGS and GS. Spatio-temporal variation of vegetation phenology at the whole watershed level showed spatial heterogeneity under climate change, but mean BGS trends were not pronounced during the study period. EGS was advanced approximately 6.4 days and GS prolonged by 8.9 days. Vegetation phenology was also affected by vegetation degradation. BGS tended to be later when vegetation flourished and advanced when vegetation was degraded. The relationship between annual EGS date and vegetation degradation was relatively complex. EGS and vegetation degradation were significantly negatively correlated indicating EGS was earlier where the vegetation was in good condition.

Key words:phenology；spatio-temporal variation；vegetation degradation；Qinghai Lake watershed

*通信作者Corresponding author. E-mail:caujiangch@126.com

作者簡介：李廣泳(1979-)，男，山東東平人，工程師。E-mail: liguangyong@ngcc.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41401057)和國家自然科學(xué)基金面上項目(41271535)資助。

*收稿日期：2015-04-23；改回日期：2015-08-25

DOI：10.11686/cyxb2015210

http://cyxb.lzu.edu.cn

李廣泳，姜翠紅，程滔，張浩然，陳占濤. 青海湖流域植被物候格局時空動態(tài)變化及其與植被退化的關(guān)系. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(1): 22-32.

LI Guang-Yong, JIANG Cui-Hong, CHENG Tao, ZHANG Hao-Ran, CHEN Zhan-Tao. Spatial-temporal variation of vegetation phenology and their relationships with vegetation degradation in a Qinghai Lake watershed. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 22-32.