李曉東，閆守剛

(白城師范學(xué)院，吉林 白城 137000)

地表植被的生長(zhǎng)是以年為周期的一種自然現(xiàn)象。植物的生長(zhǎng)既是對(duì)地球表層生態(tài)環(huán)境變化的反饋，同時(shí)也是對(duì)一個(gè)時(shí)間階段以來(lái)地區(qū)生態(tài)環(huán)境累積過(guò)程的反應(yīng)，是連接生物圈各生態(tài)因子的關(guān)鍵鏈，還是地球表面自然地理因子發(fā)生全球變化的“指示器”[1-2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，農(nóng)作物春播的預(yù)測(cè)和農(nóng)作物防災(zāi)減災(zāi)都與農(nóng)作物物候研究關(guān)系緊密，所以農(nóng)作物物候研究已經(jīng)成為地理學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3-11]。國(guó)志興等[12]以東北地區(qū)地表植被為研究對(duì)象，選擇分段式Logistic函數(shù)擬合法模擬了研究區(qū)20年的植被物候期，分析了在全球環(huán)境變化背景下，東北地區(qū)地表植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)。楊永民等[13]以隴西黃土高原地表植被為研究對(duì)象，利用Logistic和Gaussian兩種非線性的方法模型提取了研究區(qū)的物候信息，為大范圍植被監(jiān)測(cè)提供了新思路。武永鋒等[14]以中國(guó)大陸地表植被為研究對(duì)象，建立了陸地地表植被綠度期的遙感監(jiān)測(cè)模型，即Logistic擬合模型，并驗(yàn)證了該模型結(jié)果的可靠性和優(yōu)越性。

筆者參考常見(jiàn)的幾種遙感監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)吉林西部的植被生長(zhǎng)情況，由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人工判定取代傳統(tǒng)的回歸方程分析，對(duì)最終數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行插值運(yùn)算，得到研究區(qū)域地表植被生長(zhǎng)期的起始與終止日期(即植被綠度始期和綠度末期)以及生長(zhǎng)期的持續(xù)天數(shù)，并結(jié)合趨勢(shì)分析研究本地區(qū)植被物候期在最近10年的變化特點(diǎn)，以期為該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策和農(nóng)牧業(yè)種植方式的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)該地區(qū)在全球變化背景下，分析植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供一定借鑒。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 以松嫩平原為研究對(duì)象。主要研究區(qū)包括白城、松原兩個(gè)地級(jí)市，東邊是東北平原腹地，西鄰呼倫貝爾草原，南接科爾沁沙區(qū)，北依大興安嶺林地，位于農(nóng)牧過(guò)渡帶;屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)、升溫比較快，夏季炎熱、降水集中，秋季涼爽、變溫快、溫差大、冬季漫長(zhǎng)、干燥寒冷。

1.2數(shù)據(jù)獲取與處理分析

1.2.1地表植被指數(shù)數(shù)據(jù) 采用的NDVI數(shù)據(jù)為國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(Data source:Environment & Ecology Scientific Data Center of Western China, National Natural Science Foundation of China)制作的1998-2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOT-NDVI數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集主要用于地表植被和生態(tài)環(huán)境的研究[15]。

1.2.2植被生長(zhǎng)物候期的計(jì)算 將1998-2008年36旬的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率累積方程，其頻率累積方程曲線表現(xiàn)出與植被生物量曲線相接近的“S”型生長(zhǎng)變化特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，構(gòu)建基于NDVI頻率累積曲線方程的Logistic擬合模型來(lái)求算植被生長(zhǎng)的物候期。構(gòu)建過(guò)程主要包括頻率累積轉(zhuǎn)化、曲線擬合、擬合優(yōu)度檢驗(yàn)以及植被生長(zhǎng)物候期(包括始期和終期)的確定[16-17]。

求出NDVI頻率累積時(shí)序曲線方程的曲率最大值。曲率最大值處彎曲程度最大，說(shuō)明在該點(diǎn)處對(duì)應(yīng)日期之后地表植被開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，可以判定此極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期為地表植被生長(zhǎng)的初始日期,同樣可以確定植被生長(zhǎng)終期與生長(zhǎng)期的持續(xù)天數(shù)。處理分析都是在遙感軟件平臺(tái)ERDAS與地信軟件平臺(tái)Surfer和微軟Excel軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1數(shù)據(jù)結(jié)果的驗(yàn)證 在研究區(qū)內(nèi)，選取180個(gè)樣點(diǎn)，利用1998、2003和2008年(分別代表前期、中期和后期)的研究區(qū)內(nèi)地表植被累計(jì)分布函數(shù)對(duì)應(yīng)研究區(qū)的同期擬合數(shù)值，使用Logistic函數(shù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的NDVI頻率累積方程進(jìn)行擬合驗(yàn)證(圖1-3)。

1998、2003和2008年研究區(qū)內(nèi)地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線的相關(guān)性數(shù)值分別為，0.995 666 652，0.995 529 646和0.997 939 054。圖中擬合優(yōu)度(R2)越大，表明相關(guān)越好。NDVI頻率累積曲線與擬合數(shù)值之間的擬合優(yōu)度均在0.994以上，說(shuō)明整體擬合效果良好。

圖1 1998年松嫩平原地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線圖Fig.1 NDVI cumulative frequency and fitting curve of Songnen Plain, in 1998

圖2 2003年松嫩平原地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線圖Fig.2 NDVI cumulative frequency and fitting curve of Songnen Plain, in 2003

圖3 2008年松嫩平原地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線圖Fig.3 NDVI cumulative frequency and fitting curve of Songnen Plain, in 2008

2.2松嫩平原地表植被生長(zhǎng)始期10年來(lái)的變化情況 對(duì)生長(zhǎng)季初始日期進(jìn)行趨勢(shì)分析得到變化斜率數(shù)值。對(duì)趨勢(shì)分析結(jié)果數(shù)據(jù)作負(fù)值處理，最后得到的數(shù)據(jù)正值代表生長(zhǎng)初期提前的天數(shù)，負(fù)值代表延后的天數(shù)?；?80個(gè)采樣點(diǎn)上的地表植被生長(zhǎng)初始期數(shù)據(jù)計(jì)算得到，研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)平均初始期的趨勢(shì)變化斜率為0.86，即整個(gè)研究區(qū)地表植被生長(zhǎng)初始期平均提前0.86 d。在空間分布上，研究區(qū)以北的地表植被生長(zhǎng)平均初始期變化斜率為0，與正常年份持平；長(zhǎng)春以西，松嫩平原以南地區(qū)的地表植被生長(zhǎng)初始期的變化斜率數(shù)值以正值為主，其中部分地區(qū)生長(zhǎng)初始期的變化斜率≥10，即提前10 d以上(圖4)。

2.3松嫩平原地表植被生長(zhǎng)終止期10年來(lái)的變化情況 由生長(zhǎng)季終止日期得到的變化斜率的實(shí)際意義就是延后的天數(shù)，所以變化斜率正值代表了生長(zhǎng)終止期延后的天數(shù)，負(fù)值代表了提前結(jié)束的天數(shù)?；?80個(gè)采樣點(diǎn)上的地表植被數(shù)據(jù)計(jì)算得到，研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)平均終止期的趨勢(shì)變化斜率為3.17，即整個(gè)研究區(qū)地表植被生長(zhǎng)終止期平均延后3.17 d。在空間分布上，研究區(qū)內(nèi)的中部地區(qū)地表植被生長(zhǎng)平均終止期變化斜率為0，與正常年份持平，嫩江流域和松嫩平原南部的地表植被生長(zhǎng)平均終止期的變化斜率≥5，即有5 d以上的延后趨勢(shì)(圖5)。

圖4 松嫩平原地表植被生長(zhǎng)初始期趨勢(shì)變化圖Fig.4 Changes trend of the beginning date of greenness period, Songnen Plain

2.4松嫩平原地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)10年來(lái)的變化情況 在研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)的趨勢(shì)分析中，生長(zhǎng)季持續(xù)天數(shù)變化斜率的正值代表了生長(zhǎng)期增加的天數(shù)，負(fù)值代表了減少的天數(shù)?；?80個(gè)采樣點(diǎn)上的地表植被的生長(zhǎng)季持續(xù)天數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)其進(jìn)行趨勢(shì)分析，得出研究區(qū)內(nèi)的地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)趨勢(shì)變化斜率為2.61，即生長(zhǎng)期的天數(shù)有2～3 d的增加幅度。在空間分布上，研究區(qū)內(nèi)的中、西部地區(qū)地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)的變化斜率為0，變化穩(wěn)定，長(zhǎng)春以西，松嫩平原以南地區(qū)和嫩江流域以北地區(qū)的趨勢(shì)變化斜率≥20，即生長(zhǎng)季持續(xù)天數(shù)延長(zhǎng)20 d以上(圖6)。

圖5 松嫩平原地表植被生長(zhǎng)終止期趨勢(shì)變化圖Fig.5 Changes trend of the end date of greenness period, Songnen Plain

圖6 松嫩平原地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)趨勢(shì)變化圖Fig.6 Changes trend of the total days of greenness period, Songnen Plain

3 討論與結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)初始期在第126天前后(即5月初)開(kāi)始。本研究表明,研究區(qū)內(nèi)的大部分地區(qū)地表植被生長(zhǎng)的平均初始期與正常年份相當(dāng)，但部分地區(qū)有提前趨勢(shì)，提前10 d以上。Zhang等[18]認(rèn)為,氣候變暖使得中國(guó)北部地區(qū)植被物候期在春季提前。趙秀蘭等[19]對(duì)東北地區(qū)近50年的氣溫變化研究表明，東北地區(qū)平均氣溫呈上升趨勢(shì)，春季升溫明顯，降水量呈逐年減少趨勢(shì)，秋季減少明顯。王宗明等[20]對(duì)東北地區(qū)植被對(duì)氣候因子的響應(yīng)研究表明，春季氣溫對(duì)植被的影響高于其余季節(jié)。春季氣溫變暖和穩(wěn)定降水是研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)初始期提前的原因之一。

研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)終期在第266天前后(9月下旬至10月上旬)結(jié)束。本研究表明，研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)地表植被生長(zhǎng)的平均終止期與正常年份相比有推后趨勢(shì)，平均推后3～4 d，但長(zhǎng)春以西，松嫩平原以南地區(qū)的地表植被生長(zhǎng)的平均終止期與正常年份持平。李波等[21]對(duì)吉林西部近10年氣溫變化研究表明，研究區(qū)內(nèi)秋季氣溫變化穩(wěn)定，波動(dòng)較小，9月與10月的平均氣溫有增溫趨勢(shì)。暖干為主的秋季氣候，再加上該研究區(qū)內(nèi)近年來(lái)農(nóng)田灌溉設(shè)施的推廣應(yīng)用，使得研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)終期后延。

從10年地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)平均變化情況看，研究區(qū)內(nèi)的地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)存在增加趨勢(shì)，變化幅度為2～3 d，在長(zhǎng)春以西，松嫩平原以南地區(qū)和嫩江流域以北地區(qū)有20 d以上的延長(zhǎng)情況存在。沈柏竹等[22]和涂鋼等[23]對(duì)東北地區(qū)幾十年來(lái)的水熱變化特點(diǎn)研究表明，研究區(qū)的生長(zhǎng)季氣溫變化穩(wěn)定，在10年尺度上基本沒(méi)有振蕩特征出現(xiàn)，同樣研究區(qū)內(nèi)地表降水變化趨勢(shì)穩(wěn)定，這一特點(diǎn)有利于研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的規(guī)律性耕種。整體而言，本研究區(qū)域內(nèi)地表植被生長(zhǎng)期總天數(shù)基本沒(méi)有變化，但在長(zhǎng)春以西，松嫩平原以南地區(qū)和嫩江流域以北地區(qū)有延長(zhǎng)趨勢(shì)。

本研究中的植被生長(zhǎng)期是包括研究區(qū)農(nóng)作物在內(nèi)的所有地表植被生命活動(dòng)的始期與終期，并非專(zhuān)指農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，所以與農(nóng)業(yè)上的農(nóng)作物開(kāi)始與終止期意義是不同的。實(shí)驗(yàn)室得出的數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果本身存在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與意義需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否符合實(shí)際的地表生長(zhǎng)狀況。另外，研究區(qū)地表植被除受氣候因子影響之外，人為因素也是不可忽略的，這一方面進(jìn)行深入研究的意義較高。

致謝：在數(shù)據(jù)的整理過(guò)程中得到了侯旭、婁思文、姚?？?、杜保佳、趙英杰、孫繼梅、盧瑤、孫晶和王蔚悅等同學(xué)的大力幫助，特此感謝。

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