遼蒙農(nóng)牧交錯帶植被物候變化遙感監(jiān)測

劉翀+張靖+鮑雅靜+李政海+徐媛+呂娜+鄭譚

摘 要：植被物候信號能夠反映溫度和降水等變化對植被生長的影響，對理解植物和環(huán)境間的相互作用關(guān)系、植物的適應(yīng)機制和生存策略，應(yīng)對全球變化具有重要的科學意義。研究區(qū)為遼寧朝陽、阜新，內(nèi)蒙古赤峰、通遼，采用非對稱高斯函數(shù)對2000—2015年研究區(qū)MODIS MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)重建，提取遼蒙交界地區(qū)植被的物候信息——返青期和枯黃期。結(jié)果表明，遼蒙農(nóng)牧交錯帶植被返青期在16年間表現(xiàn)為明顯提前的趨勢，赤峰市和朝陽市植被返青期整體呈顯著提前，通遼市和阜新市植被返青期呈微弱提前；研究區(qū)內(nèi)植被枯黃期發(fā)生變化區(qū)域較少，僅赤峰市和通遼市呈微弱延后趨勢。

關(guān)鍵詞：物候；遙感；NDVI；返青期；枯黃期

中圖分類號：S127 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.01.008

Abstract：Vegetation phenological signals could reflect the effects of temperature and precipitation on vegetation growth. It was of great scientific significance to understand the interaction between plants and environment， the adaptation mechanism and survival strategy of plants and the global change. In this study， the study area was reconstructed from MODIS MOD13Q1 NDVI in the study area of Chaoyang and Fuxin of Liaoning， Chifeng and Tongliao of Inner Mongolia， and the asymmetric Gaussian function was used to reconstruct the MODIS MOD13Q1 NDVI data from 2000 to 2015. The results showed that the vegetation turning greening period in the agriculture and animal husbandryin Liaoning and Inner Mongolia zone showed a tendency to advance in 16 years， and the vegetation return period in Chifeng City and Chaoyang City was significantly ahead of that. The vegetation in Tongliao and Fuxin area were weaker in advance. The area with vegetation change in the study area was less， only Chifeng and Tongliao area showed a slight delay trend.

Key words：phenology； remote sensing； NDVI； green period； yellow period

植被是聯(lián)系土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，在全球變化的研究中起著“指示器”的作用[1]。隨著全球變化日益成為人們關(guān)注的焦點問題，植被的物候信號能夠反映出溫度和降水等變化[2]，因此，研究植被物候特征對環(huán)境條件變化的響應(yīng)，對理解植物和環(huán)境間的相互作用關(guān)系、植物的適應(yīng)機制和生存策略，以及應(yīng)對全球變化都具有重要的科學意義[3]。物候監(jiān)測方法多通過定位監(jiān)測，以人工方式逐日記錄某種或多種植物/植被的發(fā)芽、開花、展葉、紅葉、落葉等信息。但對于較大尺度的地理單元，如流域、省級區(qū)域，傳統(tǒng)方法存在著耗時、費力等諸多問題。所幸，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是遙感物候?qū)W的出現(xiàn)，使監(jiān)測大范圍的植被物候狀況及其動態(tài)變化變得快捷、方便。

植被指數(shù)（如NDVI、EVI等）常常用于遙感物候監(jiān)測[4]。Chen等[5]和Studer等[6]對一些小規(guī)模的物候遙感地面驗證工作進行了有益的探索和嘗試，使物候?qū)W研究有了新的進展；王宏等[4]用NOAA/AVHRRNDVI時間序列影像擬合錫林郭勒典型草原1982—1999年的物候期發(fā)現(xiàn)，擬合的返青期變化趨勢比觀測值提前約12 d，但缺少枯黃期數(shù)據(jù)，對于生長季空間變化評價有局限性；郭劍等[7]使用SPOT Vegetation數(shù)據(jù)基于動態(tài)閾值法提取錫林郭勒盟草原返青期信息，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)由南向北推遲的空間格局，其提出的遙感監(jiān)測和地面驗證相結(jié)合的新方法精確度可達68%。也有人利用遙感監(jiān)測植被指數(shù)來分析植被物候變化，進而給出植被物候變化的可能原因。高娃等[8]提取了2003—2007年錫林郭勒草原春季植被狀況，發(fā)現(xiàn)歷年植被長勢和產(chǎn)草量的波動與降水量、熱量的動態(tài)變化格局基本一致；游松財?shù)萚9]擬合重建了2001—2010年的MODIS EVI時間序列影像，利用動態(tài)閾值法提取了藏北高原植被的物候參數(shù)，發(fā)現(xiàn)植被物候受地形影響較大，隨海拔的升高，植物生長季EVI降低、物候返青期推遲、生長季長度減小。常兆豐等[10]為了解荒漠地區(qū)的植物物候?qū)夂蜃兣捻憫?yīng)，對甘肅民勒荒漠區(qū)18種喬木34 a的物候觀測資料進行分析，發(fā)現(xiàn)當?shù)卮杭練鉁厣呤俏锖蚱诖蠓忍崆暗闹匾騕11]。

以上物候研究多集中在西部干旱區(qū)、北部荒漠和北方典型草原，而對于農(nóng)牧交錯帶，特別是內(nèi)蒙古和遼寧的農(nóng)牧交錯帶，應(yīng)用遙感物候?qū)W的方法提取植被物候卻鮮有報道。事實上，農(nóng)牧交錯帶是遏制荒漠化、沙化東移和南下的生態(tài)屏障，其蘊含巨大的生產(chǎn)潛力，但同時該區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，社會經(jīng)濟發(fā)展也相對落后。筆者以遼蒙農(nóng)牧交錯帶為研究區(qū)，使用非對稱高斯函數(shù)濾波對2000—2015年 MODIS MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)進行重建，提取該地區(qū)植被的物候信息，分析引起該地區(qū)植被返青期變化的可能原因，以期增加對植被物候與氣候變化之間相關(guān)關(guān)系的認識，增強我國對氣候變化的應(yīng)對能力，更為農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的實施提供可靠科學依據(jù)。endprint

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于東經(jīng)118°10～123°40，北緯40°45～44°50，涉及地區(qū)有赤峰、通遼、朝陽、阜新4個地級市，一個多世紀以來，該地區(qū)土地利用方式發(fā)生多次變化，生態(tài)環(huán)境幾經(jīng)變遷，形成目前頗具代表性的農(nóng)牧交錯帶。該地區(qū)處于暖溫帶半干早半濕潤氣候區(qū)，干旱多風，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥；年均降雨量316～526 mm，年際變動大，降水中的60%～65%集中在夏季，≥10 ℃年積溫3 030～3 970°C；無霜期144～200 d；年日照時數(shù)2 823～2 944 h。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)為MODIS MOD13Q1NDVI16d最大值合成產(chǎn)品（下載地址：https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），空間分辨率250 m，時間跨度為2000—2015年。該系列數(shù)據(jù)預(yù)處理，如格式轉(zhuǎn)換、拼接、重投影和裁剪等均在ArcGIS 10.3中完成。

所用氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（下載地址：http：//data.cma.cn/），收集研究區(qū)內(nèi)2000—2015年地面氣候資料數(shù)據(jù)集后處理為>10 ℃年積溫和年降水量資料，數(shù)據(jù)整理在Access 2013中通過SQL語言完成。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI時間序列重構(gòu) 雖然MOD13Q1數(shù)據(jù)經(jīng)過最大化合成方法和云檢測算法，消除了傳感器觀測角度和大氣因素的影響，但仍有一些奇異值（顯示為突然降低或針狀峰值），影響返青期提取的精度，需要對NDVI數(shù)據(jù)進行濾波和重構(gòu)消除奇異值的影響。本研究使用非對稱高斯函數(shù)進行（Asymmetric Gaussian）NDVI數(shù)據(jù)濾波，該方法可以從局部擬合到全局擬合，再次構(gòu)建的曲線可以更好地說明NDVI數(shù)據(jù)的復雜和細小的變化[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)16年返青期、枯黃期變化

對2000年和2015年的NDVI進行濾波、重構(gòu)和物候提取處理后，以2016年返青期和枯黃期數(shù)據(jù)減去2000年相應(yīng)的數(shù)據(jù)得到圖1。結(jié)果表明：（1）遼蒙農(nóng)牧交錯區(qū)整體呈現(xiàn)返青期提前。其中：遼寧省朝陽市植被返青期提前面積比例最高（84.92%），27.17%的區(qū)域年均提前0～1 d，26.42%的區(qū)域每年提前1～2 d，31.34%的區(qū)域每年提前大于2 d；內(nèi)蒙古赤峰市返青面積比例為80.1%，16.15%每年平均提前0～1 d，15.52%每年提前1～2 d，48.43%每年提前2 d以上。而沿著遼蒙行政界線發(fā)現(xiàn)，越偏東北地區(qū)返青期延后面積比例越大。阜新市返青期延后面積比例為46.4%；通遼市返青期延后面積比例為47.82%，且集中在通遼市中部。

（2）研究區(qū)枯黃期提前面積整體在80%以上，遼寧地區(qū)甚至提前面積高達98%以上。阜新市枯黃期提前面積比例最大，達到98.71%，11.18%的面積平均每年提前0～1 d，45.05%的面積每年提前1～2 d，42.48%的面積每年提前2 d以上；朝陽市提前面積比例為98.6%和9.45%的區(qū)域平均每年提前0～1 d，44.29%的區(qū)域每年提前1～2 d，44.86%的區(qū)域每年提前2 d以上；而赤峰和通遼枯黃期提前面積比例略低，分別為84.21%和82.79%。

2.2 研究區(qū)16年返青期與枯黃期變化趨勢分析

通過對2000—2015年16年的研究區(qū)植被物候進行趨勢變化分析（圖2），研究發(fā)現(xiàn)：（1）16年間研究區(qū)大部分植被返青期提前明顯。赤峰市返青期提前面積比例為61.29%，其中23.85%通過極顯著水平檢驗；朝陽市返青期提前面積比例為59.70%，其中19.00%的區(qū)域通過極顯著水平檢驗。沿遼蒙邊界線向東北區(qū)域的通遼市和阜新市返青提前面積比例略低，分別為31.01%和34.43%。對于研究區(qū)返青期的延后變化，通遼市和阜新市所占比例較大，通遼市1.44%的區(qū)域為極顯著檢驗的延后，而在阜新市這一比例為2.01%，但通遼市和阜新市返青期無統(tǒng)計學上顯著變化的面積比例也最高，分別為61.02%和59.03%。

（2）16年間研究區(qū)的植被枯黃期發(fā)生變化區(qū)域較少，提前區(qū)域集中研究區(qū)的東部、東南部區(qū)域，延后區(qū)域則集中在北部和西北地區(qū)。其中阜新市植被枯黃期提前面積比例相對最大，為26.03%，極顯著檢驗水平的面積比例為4.29%；其他3市植被枯黃期提前面積比例較少，赤峰、通遼、朝陽分別為8.56%，8.16%，8.09%，通過0.01顯著水平極顯著檢驗的面積比例分別為0.72%，0.66%和0.31%。內(nèi)蒙古地區(qū)枯黃期延后較明顯，通遼市植被返青期延后面積比例為15.38%，其中1.9%為極顯著延后，其次赤峰9.96%地區(qū)枯黃期延后，極顯著延后的區(qū)域占1%。而遼寧地區(qū)枯黃期延后現(xiàn)象均不明顯，即研究區(qū)偏南地區(qū)枯黃期提前相對顯著，偏北地區(qū)延后顯著。

3 討 論

氣候變化可能是影響遼蒙農(nóng)牧交錯帶植被物候變化的因素之一。選取研究區(qū)2000—2015年降水和氣溫數(shù)據(jù)得到圖3。

大量的研究表明，氣候變化改變了植物物候期，呈現(xiàn)出春季提前，秋后推遲或略有推遲的現(xiàn)象，從而導致多數(shù)植物生長季的延長[14]。

內(nèi)蒙古地區(qū)的年積溫和年降水量均值整體低于遼寧地區(qū)。赤峰市年積溫是研究區(qū)的最低值，為3 422 ℃，朝陽市最高，為3 747 ℃。年降水量，赤峰最低355 mm、阜新最高459 mm。研究區(qū)的逐年積溫和降水，整體分別呈下降和上升趨勢，而且分別在2010年和2012年降水量最高，同時在2010年積溫出現(xiàn)最低值。其中：赤峰市積溫波動較平穩(wěn)，而降水上升趨勢顯著；通遼市積溫整體下降較平穩(wěn)，降水上升趨勢較顯著；朝陽市積溫波動大且下降趨勢顯著，降水整體呈上升趨勢且平緩；阜新市積溫下降趨勢顯著，降水上升趨勢相對顯著。endprint

在本研究中，赤峰市年平均降水量和積溫均為4個地區(qū)最低水平，但是其返青期提前和枯黃期所占面積僅次于朝陽地區(qū)，遠遠高于阜新市和通遼市，而阜新市和通遼市的年平均降水量和積溫均很高。梅曉紅等[15]研究發(fā)現(xiàn)，對植被返青而言，最有效的降水應(yīng)在植被休眠的冬季或尚未萌動期，返青初期的降水對牧草可能意味著冷空氣的來襲，將抑制或延遲牧草返青。陳效逑[11]研究也發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古羊草在10—11月降水越多，羊草返青時所獲得的土壤水分就越充足，返青就越早，反之越晚的結(jié)果趨同。所以，赤峰市和朝陽市年降水低，但是其植被返青期面積遠遠大于通遼和朝陽，有可能是這兩個地區(qū)在植被休眠時的降水較充足。因此，了解地區(qū)每個季節(jié)的降水情況對植被物候期的研究也具有重要意義。

植被物候期與經(jīng)度地帶性之間也具有一定的關(guān)系[16]。研究區(qū)植被返青期提前的區(qū)域表現(xiàn)為赤峰和朝陽所占面積遠遠大于通遼和阜新，總體表現(xiàn)為當經(jīng)度向東時，返青期提前面積越來越小。韓超等[17]發(fā)現(xiàn)，物候季節(jié)的類型有很強的區(qū)域性，物候春季向東每1個經(jīng)度推遲約0.4 d，這與本文的研究結(jié)果存在相似之處。

事實上，土地利用也是影響遼蒙農(nóng)牧交錯帶植被物候變化的因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，在16年間研究區(qū)的植被枯黃期發(fā)生變化區(qū)域較少，提前區(qū)域集中在研究區(qū)的東部、東南部區(qū)域（赤峰市和朝陽市），延后區(qū)域則集中在北部和西北地區(qū)（通遼市和赤峰市西北部）。對于赤峰市和朝陽市，這兩個地區(qū)的土地利用主要以農(nóng)業(yè)為主，枯黃期提前很大程度上與農(nóng)作物收獲有關(guān)；通遼市和赤峰市西北部主要的土地利用為天然草地，隨著氣候變暖，表現(xiàn)出植被枯黃期延長的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

（1）2000—2015年遼蒙農(nóng)牧交錯帶植被返青期表現(xiàn)為明顯提前的趨勢，且具有區(qū)域差異性。赤峰市和朝陽市整體呈顯著提前趨勢，平均每年提前2 d以上的面積占比分別為48.43%和31.34%；通遼市和阜新市呈現(xiàn)微弱提前趨勢，平均每年提前0～1 d的面積占比相對較高，分別為20.34%和27.57%。

（2）2000—2015年遼蒙農(nóng)牧交錯帶植被枯黃期發(fā)生變化區(qū)域較少。赤峰市西部和通遼市北部呈微弱延后趨勢，平均每年延后0～1 d。

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