2001-2020年南盘江流域植被物候时空变化及其对气候的响应
时间：2023-02-26 19:40:08 来源：千叶帆 本文已影响人
粟凡婕, 王加胜, 王志敏, 陈鑫亚, 王丽蒙, 杨 昆
(1.云南师范大学 地理学部, 昆明 650500; 2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心,昆明 650500; 3.云南师范大学 信息学院, 昆明650500)
植被物候期(植被萌芽、抽枝、展叶、开花、结果及落叶、休眠等)是指植被适应降水温度等气候条件的周期性变化，形成与此适应的生长规律[1-3]。2021年8月联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)正式发布第六次评估报告，该报告指出，全球气候仍将持续变暖，近十年全球地表温度比工业革命时期上升了1.09℃[4]。相关研究表明，气候变化会引起植被物候变化，直接影响全球碳循环、植被生产力、生物多样性等[5-7]。由于植被物候变化对气候变化敏感且易观测，是评估气候变化对生态系统的重要指标[6]，因此监测植被物候变化及其对气候的响应具有重要意义，已成为当前全球气候变化研究的热点问题[8-13]。
基于遥感数据[14]和其他观测数据[15]表明，在过去几十年中，受气候变暖的影响，普遍出现植被生长季开始时间提前，植被生长季结束时间推迟的现象。物候变化在不同区域受到不同的因素影响存在明显差异。大多数学者研究区域为北温带、青藏高原等地区，如Yu等[16]研究青藏高原中草原的物候特征，发现冬季的气温升高会导致“迟春”现象。Gong等[17]研究内蒙古草原物候变化情况，发现2002—2014年研究区植被生长季开始时间提前，植被生长结束时间推后，植被生长长度延长。邵周玲等[18]研究米仓山地区植被物候变化情况，发现2003—2018年来米仓山生长季开始时间呈提前趋势主要受到3月气温和4月降水影响，生长季结束时间呈提前趋势主要受到10月降水影响。肖芳等[19]研究气候变化对内蒙古草原植被物候的影响，研究表明植被生长开始时间与3月和4月气温有关。
南盘江流域位于云贵高原，易受气候影响且具有明显干湿季，有着特殊的地理位置和气候条件。目前，南盘江流域的研究主要关注研究南盘江流域水质变化[20]、气候变化[21]、水文变化[22]、具体植被种群空间格局分析等[23]，未见有对南盘江流域植被物候变化与气候响应等相关的研究。为此，本文选取南盘江流域为研究区，利用MODIS-EVI数据、高程数据、气象站点数据等分析南盘江流域植被物候与气温、降水变化的响应关系，该研究可为南盘江流域的生态环境保护与植被资源可持续发展提供科学依据。
1.1 研究区概况
南盘江流域是珠江流域源头之一，地处云贵高原，位于102°10′—106°10′E，23°04′—26°00′N，发源于曲靖市沾益马雄山，跨云南、广西、贵州三省，全长936 km[24]，南盘江流域地势北高南低，海拔为0～2 774 m。南盘江流域处于季风气候的过渡区，5—10月受西南季风气候的影响，多雨且多暴雨，11月—次年4月，受到干暖大陆气团的影响，出现干季[25]，南盘江流域干湿季节明显，常发生季节性干旱。南盘江流域为典型的喀斯特地貌，雨水会迅速通过裂缝进入地下，导致表层土壤缺水，这会对植被生长产生巨大威胁[26]，生态环境脆弱。参考相关文献[27-28]提取流域的方法，将南盘江流域分成6个子流域，分别为：清水河子流域、黄泥河子流域、曲江—巴江子流域、甸溪河子流域、临安河子流域、清水江子流域。
图1 研究区高程分布及子流域划分
1.2 数据及预处理
1.2.1 数 据 本文主要使用的数据包括MODIS数据、高程数据、气象数据，具体如下：
(1) MODIS数据产品。本文主要采用2001—2020年MOD13Q1中增强型植被指数数据(MOD13Q1-EVI)。MOD13Q1，该产品数据时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m，分幅号为h27-v6，本文共提取20 a共460期遥感影像数据用于提取植被物候参数。
(2) 高程数据。采用ASTER GDEM 30 M分辨率数字高程数据，用于分析不同高程下响应特征。南盘江流域高程数据来源于地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn/)。
(3) 气象数据。用于分析流域气候变化，收集了2001—2020年的流域内气象站点数据。南盘江流域气象站点数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.gov.cn/)。
1.2.2 数据预处理 为了本文后续的研究，先将收集的数据进行预处理：(1) 流域范围提取与子流域划分。参考Mark等[28]提出的提取流域的方法，运用ArcGIS软件和高程数据，提取南盘江流域边界和子流域范围。(2) 气象数据插值。运用ArcGIS中反距离权重法(Inverse Distance Weight, IDW)对站点数据内气温、降水站点数据进行插值得到南盘江流域2001—2020年生长季月份月平均降水和气温数据集，并用南盘江流域边界对其进行裁剪。(3) 南盘江流域裁剪。将本文使用到的MODIS-EVI、高程数据、气象插值后的数据集，将数据进行拼接，并用提取出来的流域边界对其进行裁剪。(4) 统一坐标系统和空间分辨率。将所有数据都转换为WGS 1984UTM Zone48N坐标系统，空间分辨率为250 m。
2.1 物候参数提取
2.1.1 基于S-G滤波的EVI时间序列重构 为了进一步降低噪声对EVI数据的影响，本文利用S-G滤波的方法对2001—2020年EVI数据进行拟合，便于南盘江流域植被物候提取[18,29]。
式中:Yevi为拟合后的EVI值;Ci为第i个EVI值的滤波系数;Y为原始序列数据；
2m+1为平滑窗口的大小。
2.1.2 物候参数提取 本文采用动态阈值的方法对南盘江流域植被物候信息进行提取。参考其他区域的物候研究[7,30]，运用ENVI软件将南盘江流域的植被动态阈值定为20%，获取到3个主要的物候参数：植被生长开始时间(SOS, Start of the growing season)，植被生长结束时间(EOS, End of the growing season)，植被生长的长度(LOS, Length of the growing season)。本文研究只考虑一年只有一个生长季的情况(对于一年多季的生长期区域，只提取该区域植被生长最大值的生长期)。本文采用儒略日表示SOS与EOS值，即SOS与EOS开始(结束)日期距离当年的1月1日的天数。计算公式如下：
EVI(SOS)=(EVImax-EVImin1)×20%
EVI(EOS)=(EVImax-EVImin2)×20%
EVI(LOS)=EVIEOS-EVISOS
式中:EVImax为一年中南盘江流域某个像元EVI最大的值;EVImin1为一年中EVI上升阶段最小值;EVImin2为南盘江流域EVI下降阶段的最小值,当一年中EVI值上升或者下降达到20%时分别提取该像元的SOS和EOS的值,植被生长的长度(LOS)为植被生长结束时间减去植被生长开始的时间。
图2 南盘江流域某像元EVI数据平滑前后
2.2 植被物候空间变化格局
本文采用 Theil-Sen Median (Sen斜率)计算南盘江流域SOS，EOS，LOS物候参数变化趋势，Sen斜率是一种统计趋势方法，该方法对于测量误差和离散数据不敏感，该方法计算效率高，是一种非参数统计趋势方法[31]。Sen斜率计算趋势的方法可用来分析南盘江流域物候参数变化趋势，计算公式如下：
式中:βevi为SOS,EOS,LOS变化趋势;Median为中位数;本文研究时间序列长度为20,j,i为年份数1,2,3,4,…,20；
xj,xi分别表示j年份和x年份对应的物候参数(SOS,EOS,LOS值),j和i大于1并小于等于20；
βevi大于0表示20 a以来研究的物候参数呈现上升趋势，βevi小于0表示20 a来研究的物候参数呈下降趋势。
2.3 植被物候变化与气候因子的响应
本文运用偏相关的方法探讨南盘江流域植被物候变化与气温、降水之间的响应。本文研究偏相关是指当气温、降水与物候参数(SOS，EOS)相关时，剔除其中气温的影响，分析物候参数与降水的相关程度；
或者剔除降水的影响，分析物候参数与气温的相关关系[18]，其表达式如下：
式中:x,y,z分别为物候参数(SOS,EOS)、气温栅格数据集、降水栅格数据集。Rxy,z为控制变量z后,xy的相关系数,r为相关系数。本文主要指控制气温,分析降水分别与SOS,EOS的偏相关系数;控制降水,分析气温分别与SOS,EOS的偏相关系数。当-1 基于MODIS-EVI数据，运用物候参数提取方法得到南盘江流域2001—2020年的SOS，EOS，LOS空间分布，进而计算每年南盘江流域平均SOS，EOS，LOS随时间变化趋势(图3)，从图上可知，20 a间南盘江流域年平均SOS集中分布在第85天至130天，呈现提前趋势，提前幅度为0.599 d/a； 基于上述方法计算得到，2001—2020年南盘江流域植被物候参数空间分布格局见图4。2001—2020年南盘江流域SOS主要集中在第90～180天，占总面积的75.43%，空间分布东低西高。EOS主要集中在第290～310天，占总面积的76.43%，LOS主要集中在第185～235天，占总面积的81.62%。 按照流域划分统计不同子流域的物候参数，见表1。清水河子流域多年平均SOS最早，植被生长开始时间为第86.6天，同时该子流域多年平均EOS较晚，植被生长结束时间为第301.08天，该子流域植被平均生长长度为214.07 d。曲江—巴江子流域多年平均SOS最晚，该子流域多年平均植被生长开始时间为第122.33天，该子流域多年平均植被结束时间较早，为第296.14天，植被生长长度为176.26 d。 图3 2001-2020年南盘江流域植被物候年际变化趋势 图4 2001-2020年南盘江流域物候均值空间分布特征 运用Sen趋势分析法，在像元尺度上分析南盘江流域2001—2020年植被物候变化趋势(表2，图5)所示。SOS，EOS，LOS变化趋势出现空间异质性，其中SOS拟合斜率值在-7.7～8.5之间，呈提前趋势的区域占比为52.75%，说明南盘江流域大多数地区植被SOS呈提前趋势，其中，植被SOS呈提前趋势的主要分布在黄泥河子流域、清水河子流域和清水江子流域，植被SOS呈推后趋势的主要分布在临安河子流域。EOS拟合斜率值在-6.8～5.5之间，呈推迟趋势的区域占比为 38.65%，主要分布在清水河子流域和清水江子流域，南盘江流域植被生长季结束时间呈提前趋势的主要分布在曲江—巴江子流域。LOS拟合斜率值在-8.7～11之间，呈延长趋势的区域占比为 59.10%，南盘江流域植被生长季长度呈延长趋势主要分布在清水河子流域，呈缩短趋势的主要分布在曲江—巴江子流域。 图5 2001-2020年南盘江流域植被物候年际变化空间分布 表1 2001-2020年南盘江不同子流域平均海拔及物候参数 表2 南盘江流域不同物候参数变化趋势 进一步分析南盘江流域植被物候参数分布特征，从水平方向上来看，南盘江流域跨越的纬度范围较小，植被物候参数及其变化可能受到地形、气候和不同植被覆盖类型的影响。通过前文分析得出南盘江流域不同子流域物候参数及其年际变化明显，由表1可得各个子流域间高程分异明显，因此进一步分析南盘江流域植被物候变化与海拔的关系，南盘江流域不同海拔上植被物候参数变化情况见图6。 南盘江流域SOS与海拔之间的关系有三条分界线，分别为1 000 m，2 000 m和2 600 m，南盘江流域多年平均植被生长时间的在1 000 m以下的区域，随海拔升高SOS提前开始，南盘江流域海拔为1 000 ～2 000 m的区域，植被生长开始时间随海拔的升高植被开始时间延迟，南盘江流域海拔为2 000～2 600 m的区域，植被生长季开始时间随海拔升高而提前开始，南盘江流域海拔高于2 600 m的区域，植被生长随海拔升高而延迟。南盘江流域植被生长的长度随海拔变化的关系与植被生长季开始时间随海拔变化的关系大致相反，也存在三条明显的分界线。南盘江流域植被生长季结束时间随海拔变化存在明显的关系，南盘江流域EOS随海拔的升高而提前结束，其变化斜率为-0.0045，说明当海拔升高1 m植被物候结束期提前0.0045 d。 图6 南盘江流域不同海拔上植被物候参数变化情况 为了明确南盘江流域植被物候与气候因子的响应关系，运用ArcGIS统计南盘江流域中不同子流域20 a平均物候参数和气温降水值，运用SPSS软件分析不同子流域中物候参数(SOS，EOS)与气候因子(气温、降水)的偏相关系性(图7)。 从整个南盘江流域来看，SOS与生长季开始时间(3—5月)的气温呈显著正相关关系(p<0.05)，SOS与生长季始期(3—5月)的降水呈正相关关系； 南盘江流域不同子流域物候变化与气温降水的响应不同，曲江—巴江子流域SOS与气温呈显著正相关(p<0.05)，与降水呈正相关关系； 总的来看，南盘江流域中不同子流域对气候响应不同，南盘江流域SOS主要受气温的正向影响，曲江—巴江子流域SOS主要受的气温的正向影响，EOS与气温呈正相关，清水江子流域SOS主要与气温呈正相关关系，黄泥河子流域SOS与降水呈显著正相关关系，甸溪河子流域SOS与气温呈显著正相关关系。 注：*指在0.05级别，相关性显著。 本文运用MOD13Q1-EVI数据进行物候参数的提取，该数据空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，相比以往关于物候的研究具有更高的空间分辨率[32-33]。由于MODIS数据的空间分辨率较低，用该数据可能会影响物候信息的详细程度，会使提取物候信息的准确度会有所降低，同时提取物候数据也有一定时间分辨率的要求，更加精确的时间分辨率数据能捕获更加精确的物候状态[34]。但同一个遥感产品不能同时满足高时间分辨率和高空间分辨率的要求，因此今后的研究关注点将高时间分辨率和高空间分辨率融合来提高遥感数据精度[30]，更准确地提取物候信息。 采用以往研究的物候与本研究结果进行比较，本文提取的物候参数与其他研究的结果[35-36]较为一致，基本上植被生长开始时间主要集中在85～130 d，植被生长结束时间主要集中在285～310 d，表明本研究提取出来的南盘江流域植被物候信息用于分析植被物候参数变化特征是合理可行的。但由于受研究区地理位置，研究范围，提取的数据、提取的方式等不同，研究结果有一定的差异[37-38]。 对比南盘江流域植被生长开始时间分布在3月初—6月底，南盘江流域植被生长结束时间分布在9月—11月，南盘江流域植被生长开始时间比植被生长结束时间持续时间长，表明南盘江流域植被生长初期对环境变化的反应较大，而生长末期对环境变化的反应较小，意味着这些结果与文献[37]的研究较为一致。 从子流域角度来看植被物候变化，流域内不同子流域植被生长开始时间与结束时间有差异，清水河子流域植被生长季开始时间较早，植被生长长度较长，其原因可能是由于该子流域多为低山、河谷，海拔较低、气温较高，利于植被生长。曲江—巴江子流域植被生长季开始时间较晚，植被生长季结束时间较早，植被生长时间较短，其原因可能是由于该子流域多为高山，海拔较高、气候较低，植被活动时间较短。因此进一步分析南盘江流域植被与海拔的关系，发现南盘江流域植被生长开始时间和植被生长长度随海拔变化有1 000 m，2 000 m和2 600 m的分界线，南盘江流域植被生长结束时间与海拔关系密切，随着海拔升高植被生长提前结束，这与文献[18,39]研究一致，植被物候随海拔变化而变化。探究南盘江流域植被随海拔变化的原因，这可能与南盘江流域内气温降水有关，气温随海拔升高而降低，降水随海拔升高而增加，达到最大降水量后而减少，这可能是与SOS，LOS随海拔变化有明显分界线的原因[14]。 许多研究表明，随着温度升高，出现SOS提前的现象[40-42]，但本研究发现在南盘江流域大部分区域随着温度升高，SOS出现推迟的现象，这与Wu等[43]研究中国物候变化与气候因子的结论和张艳可等[35]研究云南北回归线植被物候变化的情况一致。南盘江流域为干湿季明显的区域，南盘江流域内11月—次年4月为旱季，当植被生长的季节气温升高可能会加剧干旱情况，可能会抑制南盘江流域植被生长[44]，使南盘江流域植被生长季开始时间推迟。Piao等[45]提出气候变暖可能不会导致更早的SOS，因为在更温暖的冬季降低了植被在休眠期接受到的低温累积量(chilling requirements)，并增加植被在春季的积温需求，使得春季植被生长季推迟。同时随着全球气候变暖，植被物候出现提前或推迟现象，这对全球碳固定、植被生产力变化产生重要影响，这将是后续关注点。 本文以南盘江流域为研究区，基于2001—2020年增强型植被指数数据(MOD13Q1-EVI)、南盘江流域气候站点数据，运用S-G滤波、动态阈值法、Sen斜率分析法、相关性分析法等方法，获取了南盘江流域植被物候参数：生长季开始时间(SOS)、生长季结束时间(EOS)、生长季长度(LOS)，分析了物候参数的时空分布特征，利用偏相关系数定量的确定气候因子对SOS，EOS的影响，得出以下结论： (1) 2001—2020年南盘江流域植被平均SOS主要集中在85～130 d，EOS主要集中在285～310 d，LOS主要集中160～200 d。20 a间南盘江流域植被SOS呈提前趋势，EOS呈延长趋势，LOS呈延长趋势，变化幅度分别为-0.599 6 d/a，0.134 3 d/a，0.888 4 d/a。 (2) 南盘江流域物候变化具有空间异质性，不同子流域物候变化存在差异，其中清水河子流域平均海拔最低，该子流域植被生长开始时间最早、植被生长结束时间最晚，植被生长长度最长。植被物候变化与地形有一定关系，EOS随海拔升高，结束时间提前； (3) 南盘江流域内气温降水对植被物候有一定影响，从气温和降水与SOS和EOS的偏相关关系来看，SOS与生长季开始时间的平均气温、降水主要呈正相关关系，气温升高、降水增多可能会抑制植被生长，使植被生长时间推后。EOS与生长季结束时间的平均气温主要呈正相关关系，与降水主要呈负相关关系。不同的子流域植被物候与气温降水的关系有一定差异，其中曲江—巴江子流域SOS主要受的气温的正向影响，EOS与气温呈正相关，清水江子流域SOS主要与气温呈正相关关系，黄泥河子流域SOS与降水呈显著正相关关系，甸溪河子流域SOS与气温呈显著正相关关系。3.1 南盘江流域植被物候时空变化特征
20 a间南盘江流域年平均EOS集中在285～310 d，且以0.134 d/a推迟幅度呈延长趋势；
20 a间南盘江流域年平均LOS集中在160～200 d，呈延长趋势，延长幅度为0.888 d/a。总体上，南盘江流域植被生长开始时间比南盘江流域植被生长结束时间变化趋势更明显，南盘江流域SOS主要呈提前趋势，EOS主要呈推迟趋势，LOS主要呈延长趋势。
3.2 南盘江流域植被物候与地形的关系
3.3 南盘江流域植被物候对气候因子的响应
EOS与生长季结束期的气温呈正相关关系，与结束期降水呈负相关关系，说明当南盘江流域植被生长季开始时间中气温上升同时降水增多可能会抑制南盘江流域植被生长，气温升高、降水减少会推迟植被结束时间。
EOS与气温呈显著正相关(p<0.05)，与降水呈负相关关系，说明在曲江—巴江子流域主要受到3—5月气温和10—11月降水的影响，如果3—5月气温升高会抑制植被生长，如果10—11月气温升高可能会延长植被生长时间。清水江子流域和甸溪河子流域SOS与气温呈显著正相关关系(p<0.05)，与降水呈正相关关系；
EOS与气温呈正相关关系，与降水呈负相关关系，清水江子流域和甸溪河子流域SOS变化主要受到3—5月气温的影响，气温升高可能会抑制植被生长。黄泥河子流域SOS与降水呈正相关关系(p<0.05)，与气温呈正相关关系，EOS与气温降水都呈负相关关系，说明黄泥河子流域SOS主要受降水影响，降水增多会抑制植被生长，同时10—11月气温降低、降水减少可能会使该子流域植被结束时间推迟。清水河子流域SOS与气温降水呈正相关关系，该子流域EOS与气温呈负相关关系，与降水呈正相关关系，说明在植被生长结束期，该子流域植被生长结束时期，气温升高，降水减少会使植被提前结束。临安河子流域SOS与气温呈正相关关系，与降水呈负相关关系，EOS与气温呈正相关关系，与降水呈负相关关系。
4.1 植被物候提取
4.2 植被物候变化分析
4.3 南盘江流域植被物候变化与气候因子的响应机制
SOS随海拔变化的规律与LOS的规律相反，都存在1 000 m，2 000 m和2 600 m分界线。
