王貝貝，周淑琴，荊耀棟，宋曉靜

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030800）

0 引言

植被受氣候和周圍環(huán)境的影響，出現(xiàn)以年為周期的生長發(fā)育節(jié)律現(xiàn)象，稱為植被物候[1-3]。植被物候是自然界中較為敏感的特征，它準確感知周圍環(huán)境和氣候變化，直接快速對氣候變化做出反應[4-5]。近年來，全球氣候變化較大，氣候對植被影響加劇，進行植被物候-氣候研究對區(qū)域環(huán)境變化、黃土高原生態(tài)治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[6]。遙感技術的發(fā)展為長時間序列的植被物候提取和氣象研究提供了條件[7]，文獻研究證明可以從遙感獲取的植被指數(shù)(NDVI)中提取準確的植被物候信息[8]。植被物候與氣候因素的研究主要集中在植被物候與年內(nèi)溫度、降雨、光照和干旱度等研究上。有研究表明，氣溫是黃土高原植被物候變化的主要影響因素，但不同的生長季受到氣候影響的主要因素存在差異[9]?？锥萚10]研究表明，溫度是植被物候變化的主導因子，降水對植被物候的影響受時間和地形的調(diào)控。鑒于氣候因素對植被生長各階段的影響不同[11]，而呂梁山地形起伏較大，氣候垂直差異明顯，本研究從生長季開始和生長季結束2個節(jié)點出發(fā)，從像元角度具體分析植被在關鍵生長期與氣候的關系。研究區(qū)植被類型多、地形復雜、氣候差異顯著，本研究利用Double Logistic濾波和動態(tài)閾值法提取呂梁山地區(qū)植被物候，結合氣溫、降水數(shù)據(jù)，通過植被物候與氣候因素的偏相關分析，旨在從像元角度揭示植被物候與氣候的響應關系。

1 研究區(qū)概況

呂梁山位于山西省境內(nèi)，黃土高原東部，位于110°28′—112°44′E、35°40′—39°33′N之間。研究區(qū)以西為黃土高原水土流失區(qū)，以東為山西省內(nèi)一系列盆地。海拔最高2794 m，海拔最低545 m，大部分地區(qū)海拔1000～1800 m。海拔較高的地區(qū)集中在東北部、中部，其他地區(qū)地形相對平緩，中北部3條山脈圍繞出三山環(huán)繞區(qū)（圖1）。研究區(qū)屬于半干旱溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度8℃，年均降雨量450 mm。降雨主要分布在6—9月。植被類型主要有林地、草甸、灌木、草地，農(nóng)作物在高山地區(qū)分布較少。

圖1 研究區(qū)概況及氣象站點

2 數(shù)據(jù)處理及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)為中國500 M旬NDVI合成產(chǎn)品，該產(chǎn)品由MOD09GA數(shù)據(jù)加工而來，從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載。經(jīng)過坐標轉換、投影、裁剪等處理得到呂梁山地區(qū)2000—2015 NDVI旬數(shù)據(jù)集，分辨率為500 m×500 m。數(shù)據(jù)跨度從2000年1月初到20015年12月底，10天為1期，共576期。DEM數(shù)據(jù)為90 m分辨率的ASTER GDEM V 4.1版本，為統(tǒng)一空間分辨率將其重采樣為500 m的像元。像元是本研究的最小單元指遙感數(shù)據(jù)采集地面景物的最小單元，代表的實際含義是能分辨地面500 m×500 m的地物。

氣象數(shù)據(jù)從中國氣象要素站點觀測逐日數(shù)據(jù)集中提取出氣溫、降水2個因素，對山西省溫度、降雨進行薄板樣條函數(shù)插值，生成月平均溫度、月總降水量空間數(shù)據(jù)集，經(jīng)過裁剪得到研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 植被物候提取方法 MODIS系列衛(wèi)星生成的NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品，通常會受空氣溶膠、云和雪的影響而缺少觀測值[12-14]。雖然在數(shù)據(jù)處理過程中已經(jīng)通過最大值合成減少了這些污染，但是合成的產(chǎn)品中依然存在殘余噪聲[15]。本研究采用Double Logistic方法有效降低殘余噪聲，得到質量較好的NDVI時間序列，進而利用動態(tài)閾值法來確定植被生長季開始和結束日期[16]。動態(tài)閾值法在處理不同土壤類型、不同土地利用類型和不同植被類型時，動態(tài)地為每個像元設定閾值?？梢暂^好地反映每個像元的NDVI的季節(jié)性變化。計算如式(1)。

式中，NDVIlim為物候期開始或結束對應的NDVI值，NDVImax和NDVImin分別對應最大、最小值。研究中K取20%[17]。

2.2.2 趨勢分析和檢驗方法 通過MATLAB軟件，選用非參數(shù)估計方法Theil-Sen斜率計算氣候和植被物候的變化趨勢[18-19]，并用Mann-Kandall檢驗變化是否顯著。若T＞0，表明物候期呈推遲趨勢；T＜0，表明物候期呈提前趨勢。進行M-K統(tǒng)計檢驗，P＜0.05表示變化顯著，否則不顯著。結合T-Sen和M-K檢驗結果，將呂梁山植被物候期的趨勢變化分為推遲顯著(T＞0，P＜0.05)、提前顯著(T＜0，P＜0.05)、推遲不顯著(T＞0，P＞0.05)、提前不顯著(T＜0，P＞0.05)4級。

2.2.3 偏相關分析 呂梁山地區(qū)海拔變化明顯，氣溫、降水變化較大，將海拔作為協(xié)變量進行氣溫、降水插值可以提高插值精度[20-21]。本研究中植被物候同時受氣溫、降水2種氣象因素的影響，研究植被物候與單一因素的關系時會受到另一因素的影響。為排除其他因子的影響，采用偏相關分析方法。具體做法是通過MATLAB軟件對植被生長季開始日期與3、4、5月氣溫和降水進行偏相關計算，生長季結束日期與9、10、11月氣溫和降水進行偏相關計算。通過柵格分類、疊加的方法，得出每個像元偏相關系數(shù)最大的月份，并標出是正向影響或負向影響。

3 結果與分析

3.1 2000—2015年呂梁山地區(qū)植被物候時空變化

呂梁山地區(qū)植被生長季開始日期(SOS)為第90～155天，平均為第126天；生長季結束日期(EOS)為第286～350天，平均為第320.6天；植被生長季長度(LOS)為130～240天，平均為194.4天。通過圖1和圖2對比觀察，呂梁山地區(qū)植被物候空間分布呈現(xiàn)西北—東南遞變規(guī)律，沿這一方向，植被SOS逐漸提前，EOS逐漸推遲，LOS逐漸延長。研究區(qū)東南部植被SOS開始最早，EOS結束最晚，LOS持續(xù)最長。北部、西部和中部低海拔地區(qū)植被SOS開始最遲，EOS結束最早，LOS長度最短。

圖2 2000—2015年呂梁山地區(qū)平均物候空間分布

研究區(qū)植被SOS整體呈現(xiàn)提前趨勢（圖3），85.7%的區(qū)域呈提前趨勢，其中16.2%的區(qū)域提前顯著，主要分布在西部、中部地區(qū)；14%的區(qū)域植被SOS呈推遲趨勢，主要分布在東南和北部區(qū)域，推遲顯著的區(qū)域很少，不足1%。植被EOS整體上呈現(xiàn)推遲的趨勢，有90.6%的地區(qū)呈推遲趨勢，其中33.3%的區(qū)域推遲顯著，主要分布在中部、東部區(qū)域；9%的區(qū)域植被EOS呈現(xiàn)提前趨勢，分布在東南側和北部區(qū)域，提前顯著的區(qū)域不足1%。

圖3 植被物候變化及顯著性

3.2 植被生長季開始日期與氣候的響應

研究區(qū)植被SOS主要分布在3、4、5月，為研究此段時間內(nèi)植被物候與氣候的響應關系，用植被物候與月氣溫、降水做偏向關分析（圖4）。在氣溫上，植被SOS與3月氣溫的偏相關系數(shù)正負分布均勻；SOS與4月氣溫系數(shù)，負值多分布在海拔較高的地區(qū)，正值分布在海拔較低的地區(qū)；SOS與5月氣溫的系數(shù)，正值多分布于西部，負值多分布于東北部。在降水上，植被SOS與3、4月降水的偏相關系數(shù)多為負值，少數(shù)正值分布在北部；SOS與5月降雨的系數(shù)，正值多分布在西北部，負值多分布在南部和東北部。從顯著性看，大部分地區(qū)植被SOS受4月氣溫顯著影響，這些地區(qū)集中分布在高海拔地區(qū)。另一部分植被SOS受3、4月降水的顯著影響，多分布在西部和中部海拔較低的地區(qū)。

圖4 呂梁山地區(qū)植被生長季開始日期與3—5月氣溫降水的偏相關系數(shù)空間分布

植被物候與氣候因素的偏相關系數(shù)空間分布（圖5）說明每個像元植被SOS同時受不同月份氣溫和降水的影響，但不能準確認定受哪個月份、哪種因素的影響最大，因此對每個像元影響最大的氣溫和降水提取出來制成圖5，具體分析每個像元植被SOS與氣候的響應。在氣溫上，24.6%的像元受4、5月氣溫的正向影響，這些地區(qū)分布在研究區(qū)西部、北部部分地區(qū)和中部三山環(huán)繞處；研究區(qū)中部和北部的地區(qū)受4月溫度的正向影響，溫度升高（氣候變化見表1），植被SOS推遲；西部主要受5月溫度的正向影響，溫度升高，植被SOS推遲；74.8%的像元主要受3、4、5月氣溫的負向影響，這些地區(qū)氣溫升高，植被SOS提前，主要分布在山脈地區(qū)和南部高海拔地區(qū)。在降水上，23.4%的像元受3月降水的負向影響，這些地區(qū)分布在中部、東南部部分地區(qū)，東南部地區(qū)降水增多植被SOS提前，中部地區(qū)降水減少植被SOS推遲；55.3%、9%的像元受4、5月降水的負向影響，這些地區(qū)分布較廣，表現(xiàn)為降水增多，植被SOS提前；約11%的像元受5月降水的正向影響，這些地區(qū)主要分布在東北部部分地區(qū)，降水增多，植被SOS推遲。

圖5 呂梁山地區(qū)植被生長季開始日期對氣溫和降水響應的空間分布

表1 2000—2015年氣溫和降水變化趨勢

由圖2得到研究區(qū)大部分地區(qū)植被SOS呈提前趨勢，只有北部和東南部部分地區(qū)植被SOS呈推遲趨勢。從一個氣候因素去分析植被物候和氣候的關系，就會出現(xiàn)與圖2結論不相符的特殊區(qū)域。這些區(qū)域植被SOS受氣溫、降水的影響方向、程度不同，這類特別地區(qū)包括研究區(qū)西側溫度降低，降水增多，植被SOS呈提前趨勢；研究區(qū)三山環(huán)繞處溫度升高，降水減少，植被SOS呈提前趨勢，溫度對植被SOS的影響強于降水；研究區(qū)北側地區(qū)溫度升高，降水增多，植被SOS卻推遲；研究區(qū)東南側溫度降低，降水增多，植被SOS推遲，溫度對植被物候的影響大于降水。

3.3 植被生長季結束日期與氣候的響應

研究區(qū)植被生長季結束日期(EOS)分布在9、10、11月，為研究此段時間內(nèi)植被物候與氣候的響應關系，用植被物候與月氣溫、降水做偏向關分析（圖6）。在氣溫上，植被EOS與9月氣溫的偏相關系數(shù)均勻分布；EOS與10、11月氣溫的偏相關系數(shù)，負值主要分布在海拔較高的地區(qū)，正值主要分布在西部和北部海拔較低的地區(qū)。隨著時間推移，偏相關系數(shù)正值增多，負值減少。在降水上，植被EOS與9月降水的偏相關系數(shù)主要為正值，分布較廣。EOS與10月降水的偏相關系數(shù)中，負值較多，主要分布在東部、中部地區(qū)；EOS與11月降水的偏相關系數(shù)呈均勻分布。從顯著性看，大部分地區(qū)植被EOS受11月氣溫顯著影響，主要分布在北部、西部、南部地區(qū)，另一部分地區(qū)植被EOS受9月降水的顯著影響，分布范圍大而廣。

圖6 呂梁山地區(qū)植被生長季結束日期與9—11月氣溫降水的偏相關系數(shù)空間分布

每個像元植被EOS同時受不同月份氣溫和降水的影響，提取每個像元影響最大的氣溫和降水制成圖7。在氣溫上，18.8%、45.3%的像元植被EOS分別受10、11月氣溫的正向影響，氣溫升高（氣候變化見表1），植被EOS推遲，這些像元分布在海拔較低的區(qū)域；8.5%的像元植被EOS受9月氣溫的正向影響，氣溫降低，植被EOS提前，這些地區(qū)主要分布在北部部分地區(qū)；25.5%的像元植被EOS受10、11月氣溫的負向影響，氣溫升高，植被EOS提前，這些地區(qū)主要分布在海拔較高的地區(qū)。在降水上，52.8%、12.3%的像元植被EOS主要受9、11月降水的正向影響，降水增多，植被EOS推遲，這些地區(qū)范圍較廣、較均勻；8.6%的像元受10月降水的正向影響，這些地區(qū)分布在西北部和西部部分地區(qū)，西北部地區(qū)降水增多，植被EOS推遲，西部部分地區(qū)降水減少，EOS推遲；15.3%的像元植被EOS主要受10月降水的負向影響，降水減少，植被EOS推遲，主要分布在中部、東南部地區(qū)。

圖7 呂梁山地區(qū)植被生長季結束日期對氣溫和降水響應的空間分布

研究區(qū)植被EOS整體上呈推遲趨勢，只有北部部分地區(qū)和東南部部分地區(qū)呈提前趨勢。同樣對于一些特殊區(qū)域植被EOS要結合2種氣象因素充分考慮。海拔較高的區(qū)域，10、11月氣溫升高植被EOS會提前，但受9月降水增加的影響，植被EOS總體呈推遲趨勢；三山環(huán)繞處的中部區(qū)域，溫度升高植被EOS推遲，降水減少植被EOS推遲，植被EOS總體仍呈推遲趨勢；東南部植被EOS受9月氣溫降低、10月降雨減少的綜合影響，植被EOS提前；北部部分地區(qū)，9月氣溫降低，植被EOS提前。

4 結論與討論

現(xiàn)有的呂梁地區(qū)植被研究文獻中，多數(shù)以行政邊界或者部分山脈作為研究范圍[22-23]，本研究的區(qū)域邊界既能準確覆蓋呂梁山又能兼顧地形完整性。在物候提取上，選擇較為成熟的動態(tài)閾值法提取植被物候，提取結果與同類型研究吻合[24-26]。呂梁山地區(qū)地形起伏較大，將海拔作為協(xié)變量進行氣溫、降水的插值能提高氣候數(shù)據(jù)精度。本研究從區(qū)域角度得出，在高海拔山區(qū)4月氣溫對植被SOS影響顯著，而低海拔地區(qū)4月降水對其影響顯著。74.8%、87.7%像元春季氣溫升高、降水增多，植被SOS提前。72.6%、65.1%像元秋季氣溫升高降水增多，植被EOS推遲。從區(qū)域角度研究植被物候與氣候的關系，會掩蓋部分與區(qū)域變化不同的像元。本研究從像元角度得出，74.6%像元植被SOS受春季氣溫的負向影響，而24.4%受4、5月氣溫的正向影響，僅從區(qū)域去研究則會忽略這24.4%像元的變化。本研究區(qū)地形復雜、垂直變化較大，在西部鄰接黃河處、北部地區(qū)和三山環(huán)繞區(qū)存在特殊變化。這些區(qū)域受氣候因素、土壤、植被類型和人類活動的綜合影響，物候復雜多變，對其物候-氣候研究是后期工作的重點。

本研究基于時間序列的MODIS NDVI利用動態(tài)閾值法提取了呂梁山地區(qū)的植被物候，對植被2個關鍵物候期與氣候因素進行偏相關分析，探索植被物候變化與氣候的響應關系。研究表明，研究區(qū)植被物候空間分布呈現(xiàn)西北—東南遞變規(guī)律，沿這一方向，植被SOS、植被EOS、植被LOS分別呈現(xiàn)不斷提前、推遲、延長的趨勢。2000—2015年大部分地區(qū)植被SOS呈提前趨勢，植被EOS呈推遲趨勢。植被生長季開始和結束2個關鍵期與氣候存在響應關系，不同地區(qū)響應關系受地形影響較大，高海拔山區(qū)植被SOS受氣溫的影響顯著，低海拔地區(qū)受降水的影響顯著；北部、西部地區(qū)植被EOS受11月氣溫影響顯著，高海拔地區(qū)受9月降水的影響顯著。