覃嘉佳，张继红，张勇，王维东

(1.江西生物科技职业学院，南昌 330200；2.江西省林业科学院，南昌 330013；3.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；4.黄河水利委员会上游水文水资源局，兰州 730030)

0 引言

植被物候是植被长期适应气候和自然环境等而发生的周期性变化[1]，在反映植被与非生物环境之间的相互影响、陆地生态系统短期内的变化动态方面具有重要意义[2-3]。近年来，因极端气候事件频繁发生和发生的强度增大，使植被物候事件发生了一系列变化[4-7]，这势必影响整个生态系统的平衡[8-10]。因此，在气候变化速度快的时代，如何在大尺度上精确监测植被物候进而调整植物生长的年周期以适应气候变化对个体生存至关重要。

目前，已有大量研究证明全球变暖促进了植被春季物候，发现1982—2011年美国、中国和欧洲植被生长季始期(start of growing season，SOS)每10年分别提前0.9 d、4.2 d和4.7 d[11-12]。然而，气候持续变暖并没有导致植物物候持续或稳定的发展。在对植被物候研究中，董晓宇等[13]发现2000—2017年内蒙古荒漠草原SOS呈显著提前趋势、生长季末期(end of growing season，EOS)为提前趋势、生长季长度(length of growing season，LOS)为显著延长趋势；但黄文琳等[14]研究1982—2013年内蒙古植被物候发现，SOS呈提前、EOS推迟、LOS延长的变化趋势；苗百岭等[15]对内蒙古草地物候研究发现典型草原SOS平均提前了4.01 d、EOS推迟了10.35 d、LOS延长了14.36 d。不同学者对内蒙古植被物候研究存在差异，有研究指出是由于内蒙古地区经度跨度大、地形复杂、气候变化和植被类型多样、不同地区干旱程度差异等造成[16-18]。其中，李夏子等[19]研究发现在年均气温升高明显、气候逐渐暖干化的背景下，锡林高勒大部分牧草SOS显著提前、EOS不显著提前，但在乌审召碱茅的SOS明显推迟、EOS显著或极显著延后，究其原因主要是因为锡林高勒地区牧草枯黄前1—2月气温显著升高而降水减少所致。在物候与气候变化响应研究中发现，气温是影响物候变化最主要的因素，在一定温度范围内，温度升高可以促进植物生长发育进程，但不同草地植被类型对气温和降水响应机制不完全相同[20-22]。目前研究集中在内蒙古植被物候动态方面，但关于物候变化及成因仍存在较大争议，仍需时刻关注草地物候变化。

因此，本文基于2001—2020年的NDVI数据辅以动态阈值法提取了内蒙古草地SOS、EOS和LOS，并对物候时空动态、持续趋势及对气候和海拔梯度的响应进行研究，以期为评价气候变化背景下草地植被动态和对气候变化响应提供科学依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区

内蒙古地处中国北部边疆(33°24′ N～53°23′ N，97°12′ E～126°4′ E)，总面积达1.18×106km2，地形由东北向西南斜伸，呈狭长状。境内多数为高原型地貌区，海拔在1 000 m以上。区域所处纬度较高，距海较远，边沿有山脉阻隔，很多地区干旱成为影响草地生长的主要因素。大部分区域属于温带大陆性干旱气候，少部分属于温带季风气候。降水量少而不匀，夏季短促炎热，秋季气温剧降，冬季漫长严寒[23]。植被类型主要以草地为主[24]。

1.2 数据来源

1)遥感数据。采用美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提供的2001—2020年MOD13Q1的NDVI数据，时空分辨率为250 m、16 d。该数据虽在一定程度上抑制了传感器观测角、太阳高度角、云等影响，但仍存在异常值。因此，研究通过S-G滤波法对NDVI进行去噪[25-26]。

2)草地类型数据。源于《中国1∶100万草地资源图》，首先基于全国草地分布区的2 000多个县内进行野外实地调查的数据进行草地资源图编制，后辅以航片、卫片编制县级1∶5万或1∶10万草地类型图、草地等级图、草地利用现状图，最终按国家统一编制规范和制图综合原则，编制成了国家级1∶100万草地资源图。

3)气象数据。基于中国气象数据网提供的2001—2020 年的日数据(图1)，将12、1、2月份定义为冬季，3、4、5月份定义为春季，6、7、8月份定义为夏季，9、10、11月份定义为秋季。采用ANUSPLINE软件插值得到空间尺度数据，分辨率为250 m。最后选用计算中未使用的气象站点，随机选取127个数据对插值结果进行精度验证，结果表明：气温插值数据与实测值的相关系数在0.906以上(占91.3%)，均方根误差为0.000 17；降水与插值结果的相关系数在0.899以上，均方根误差为0.000 2。插值精度在整体上满足研究的需求。

1.3 研究方法

1)物候提取方法。目前，提取物候的常用方法有动态阈值法、最大比率法和导数法等。结合内蒙古实际情况和NDVI时空特征，采用Jonsson等[27]提出的动态阈值法，基于NDVI数据得到像元尺度的草地关键物候期(SOS、EOS和LOS)，计算方法如式(1)所示。

(1)

式中：NDVIratio首次高于预先定义的NDVI值的日期为生长季开始点，首次低于预定定义的NDVI值的日期为生长季结束点。不同物候期的阈值根据本研究区的实测物候数据与前人研究结果，通过反复实验确定。本文中，NDVI最高值与最低值作为输入，将1～180 d内NDVIratio首次高于0.5对应的NDVI时间点定义为生长季开始日期，180～365 d内NDVIratio低于0.5对应的NDVI时间点定义为生长季结束日期，生长季结束日期与开始日期的差值为生长季长度。

2)物候趋势分析。采用Sen趋势法[28]分析2001—2020年内蒙古草地物候变化趋势。Sen趋势分析法受到异常数据的影响较小，且对测量误差和离群数据的敏感度较低。

3)偏相关分析。采用偏相关分析研究草地SOS、EOS和LOS与季节性气象的相关性，相关系数的计算如式(2)所示。

(2)

式中：x、y和z分别为草地物候数据、季节性气温和累计降水量；rxy表示草地物候与季节性气温的相关系数；rxz表示草地物候与累计降水量的相关系数；ryz表示累计降水量与气温的相关系数；rxy·z为将气温固定后草地物候与累计降水量的偏相关系数。

2 结果分析

2.1 物候空间格局

草丛SOS较其他几种草地类型迟，集中在130～150 d；而草原化荒漠SOS较其他几种草地类型早，基本集中在70～80 d；其他几种草地类型的SOS集中在80～130 d。草丛的EOS较早，集中分布在260～280 d，时间分布范围较小；草原化荒漠EOS时间最迟，基本在290 d之后；沼泽草地EOS集中270～290 d，较草原、草甸和灌草丛的EOS早。草丛LOS持续时间最短，集中在130～170 d；草原LOS持续时间最长，集中在150～230 d。其他几种草地类型LOS持续时间范围较广，在150～210 d所占比例均较多(图1)。

图1 内蒙古不同草地类型物候统计图

2.2 物候年际变化

从物候变化趋势发现(图2)，71.3%的SOS整体呈现提前趋势，28.7%的草地SOS呈现推迟趋势，分布在呼伦湖和内蒙古高原以北地区。草丛SOS开始时间最迟，在140～160 d上下波动；草原化荒漠开始时间最早，集中在80～110 d，SOS以0.99 d/a的速率持续增加；其他几种草地类型SOS集中在100～130 d。69.98%像元的EOS呈现推迟趋势，30.02%像元的EOS为提前趋势，提前速率在0～1.5 d/a。草原化荒漠EOS最晚，集中在295～315 d，以0.595 d/a的速率提前；草丛EOS时间最早，基本在265～285 d，以0.177 d/a的速率不显著推迟；草原以0.244 5 d/a的速率推迟；草丛、灌草丛和草甸的曲线走势较为一致，EOS均集中在280～295 d。49.69%像元的LOS为缩短趋势，集中在0～2.0 d/a，分布在阿拉善沙漠地区。50.31%像元的LOS呈延长趋势，速率集中在0～2.0 d/a。草丛LOS最短，集中在110～130 d，以0.479的速率延长；草原化荒漠LOS持续时间最长，集中在170～210 d，以2.021 d/a的速率缩短；草原、草甸、沼泽草地和灌草丛LOS均以延长趋势为主。

注：Ⅰ(变化速率<-2.0)；Ⅱ(-2.0≤变化速率<-1.5)；Ⅲ(-1.5≤变化速率<-1.0)；Ⅳ(-1.0≤变化速率<-0.5)；Ⅴ(-0.5≤变化速率<0.0)；Ⅵ(0.0≤变化速率<0.5)；Ⅶ(0.5≤变化速率<1.0)；Ⅷ(1.0≤变化速率<1.5)；Ⅸ(1.5≤变化速率<2.0)；Ⅹ(变化速率>2.0)。图2 物候变化趋势空间分布及不同草地类型物候年际变化图

2.3 草地植被物候随海拔梯度的变化特征

考虑到极高海拔区域可能受到雪等不确定因素对遥感物候反演的干扰，以100 m为间隔，分析海拔为500～2 500 m区域内物候分布及年际变化趋势(图3)，发现：海拔低于1 000 m时，SOS随海拔持续升高而提前，海拔每上升100 m，SOS以4.08 d的速率提前；海拔在1 000～2 500 m时，SOS随海拔持续升高而推迟，海拔每上升100 m，SOS以1.381 d的速率推迟。从不同海拔梯度上SOS变化速率看，海拔小于1 100 m和海拔大于2 100 m的区域，SOS主要以提前趋势为主，趋势随着海拔上升而逐渐减弱；海拔大于2 200 m时，SOS以推迟趋势为主，随着海拔升高，提前趋势呈线性上升。EOS随海拔变化也呈现出一定变化规律。海拔介于500～2 500 m时，EOS随海拔持续上升而显著提前，海拔每上升100 m,EOS以0.585 d的速率提前；EOS变化速率随海拔

图3 物候期与海拔的关系

上升而下降，即随海拔梯度上升，EOS的提前速率在逐渐增大。LOS整体表现为随海拔上升，以0.126 d速率持续延长；在整个海拔区域内，LOS的变化速率均为正值，即LOS在持续延长，但随着海拔的升高，LOS的变化速率以0.021的速率持续减小，及LOS延长的速率减小。

2.4 物候对季节性气候变化的响应

对植被物候和降水、气温逐像元分析发现(图4)，SOS与春季气温和夏季降水表现出显著正相关性，表明SOS受春季温度和夏季降水的影响显著推迟，主要为草原和草丛覆盖区域。植被SOS对夏、秋、冬三季气温呈显著负相关性，与春、秋、冬三季降水也呈显著负相关性，表明SOS受夏、秋和冬季气温和春、秋和冬季降水的影响显著提前。EOS对春、夏、秋的降水以不显著负相关性为主，表明EOS随季节性降水量的减少而显著提前。EOS对四季温度表现出显著负相关性，尤其在大兴安岭以东、内蒙古高原的负相关性尤为突出，EOS对温度呈相关性的区域主要集中在阿拉善高原。冬季气温对大兴安岭以北的草地植被物候起到明显的提前作用。春季气温与LOS以负相关为主，占总面积的86.13%，与夏季气温以不显著负相关为主。秋季气温与LOS正负相关参半，冬季气温与LOS以负相关为主。LOS与夏季降水为显著负相关关系，即春、夏、冬降水越多，LOS显著缩短。

图4 物候与气温和降水偏相关系数图

3 讨论

草地植被物候变化是一个周期性、持续性的动态过程，物候变化的制约因素众多，且各因素之间也存在一定的制约关系。有研究表明，随海拔上升，升温速率会逐渐增加，从而造成了不同海拔梯度高山植被的多样性和植被生长速率的差异。本文研究发现，在不同的海拔梯度上，草地SOS、EOS和LOS表现出有规律的变化趋势，海拔在1 000～2 500 m时，SOS随海拔持续升高而推迟，海拔每上升100 m，SOS以1.38 d的速率推迟。整体来看，SOS随海拔的上升而逐渐推迟，且在不同的海拔梯度上，SOS的变化速率表现出明显的差异。草地EOS在不同海拔梯度上，均表现为随海拔上升而推迟，但推迟速率存在明显差异。LOS随海拔上升以0.126的速率持续延长。研究发现，气温和降水是影响植被物候变化的重要影响因素，海拔每上升100 m，气温随之下降0.65 ℃，且高海拔地区升温速率大于低海拔地区[29]。本文研究也发现，草地植被SOS对各季节气温的响应较植被SOS对各季节降水的响应明显。植被SOS与春季气温和夏季降水在海拔较高的内蒙古高原和呼伦湖地区表现出显著正相关性，与春、秋、冬三季降水也表现为显著的负相关性，尤其在大兴安岭地区的负相关性最为显著。草地植被EOS对春、夏、秋季节的降水和四季气温以不显著负相关性为主，表明降水增多、温度升高会导致植被EOS提前，尤其在大兴安岭以东、内蒙古高原的负相关性尤为突出。在同一纬度带的气温和降水的空间差异性也进一步说明内蒙古不同海拔梯度上的草地植被物候存在一定的空间差异性，在海拔较低的东部地区，草地SOS呈现出显著的提前趋势，而在海拔较高的中部地区，草地SOS表现出一定的推迟趋势。究其原因可能是气温升高和降水量变化对植被综合作用的结果。本文主要目的是揭示内蒙古草地植被物候动态和不同草地植被物候随海拔梯度变化的分异性，然而内蒙古草地植被类型丰富，垂直地带性显著，且不同草地类型、不同开花功能群的植物对气温和降水的变化响应不完全相同。研究发现，早花功能群植物对降温的敏感性较高，中花功能群植物对增温敏感性高于降温，不同物种物候期对环境因子的响应也不完全相同[30]。

4 结束语

本文分析了2001—2020年内蒙古不同草地类型物候变化特征和对季节性气候因素的响应，发现内蒙古地区草地物候受到明显的海拔梯度效应。草地SOS随海拔升高而推迟，EOS提前，LOS延长。此外，夏、秋、冬季的气温升高和春、秋、冬季的降水增多可以使草地SOS提前，四季温度升高和春、夏、秋及的降水增多会导致草地EOS提前。这项研究表明，在内蒙古地区，草地的物候时间对季节降水和气温的变化的响应较为敏感，未来将最容易受到季节性气候的影响。因此，后期的研究应该在气候因子的基础上进一步分析极端气候、干旱、蒸散发等因素对不同草地物候的影响。