2002—2020年秦岭-黄淮平原交界带植被物候特征遥感监测分析
王雅婷, 朱长明1, 张涛2, 张新3, 石智宇1
1．江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院,徐州 221116
2．中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心,长沙 410600
3．中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室,北京 100101
摘要:
针对植被物候对全球变化的响应存在非线性、区域差异性以及秦岭南北气候典型差异性,选取秦岭—黄淮平原交界带为研究区,利用2002—2020年MOD09Q1遥感数据,通过自适应动态阈值法提取秦岭—黄淮平原交界带物候特征关键参数,详细刻画区域植被物候时空变化过程,分析时空分异特征,并结合气温数据探究区域植被物候对气候变化的响应。研究结果表明: ①秦淮交界带植被物候特征空间分异明显,森林植被物候始期和末期均晚于农田植被,森林植被物候始期为第67—116天,末期为第280—340天; 农田植被物候始期位于第49—92天,末期为第195—328天; 森林植被生长期长度为215~262 d,农田植被为147~261 d; 且森林植被物候受到海拔影响,海拔越高物候始期越晚、物候末期越早。②2002—2020年秦淮交界带植被物候始期和物候末期时间总体呈现提前的变化趋势、生长期长度变短; 森林和农田的物候始期变化趋势分别为: -0.14 d·a-1和0.1 d·a-1,末期变化趋势分别为-0.78 d·a-1和-1.43 d·a-1。③秦淮交界带地区物候变化特征与区域气温(3月与9月气温)显著相关,根据现有站点观测数据分析表明气温上升导致了区域的物候期提前。
0 引言
植被物候是区域生态环境变化指示因子,研究植被物候变化对全球气候变化的响应,对了解气候变化带来的消极影响,认识气候变化的影响过程具有重要意义。物候变化现象中最为显著的就是春季物候,目前在全球、区域不同尺度上都对春季物候进行了研究,结果表明多数植被春季物候具有提前的趋势[1],秋季物候期呈现推迟趋势,但是变化趋势不明显[2]。虽然物候变化趋势普遍相同,受到区域气候或植物进化变异等因素的影响,研究结果的变化幅度却存在差异[3]。Walkovszky[4]通过比较1851—1994年匈牙利地区洋槐树的开花日期发现开花期提前了3~8 d; Sparks 等[5]在气候变暖背景下分析了英国13种植物在58 a间的开花期与当地温度的关系,发现气温每上升1 ℃,花期会提前2~10 d; Tucker等[6]利用归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据分析高纬度植被生长情况,发现随着气温增加,纬度越高,物候始期提前的时间越早; 郑景云等[7]根据我国26个站点物候观测资料分析得到植被物候对气温变化的响应为非线性关系,气温每上升1 ℃,春季物候平均提前3.5 d。随着遥感技术的发展,利用遥感数据反演的物候信息与实际测量的数据差异较小,逐渐被应用到植被物候分析领域,实现了从微观观测到宏观观测不同尺度的转换[8-9]。Wu等[10]利用NOAA/AVHRR NDVI数据通过导数法获取我国1982—2006年6个生物群落的春季物候并与气候数据进行分析,结果表明在春季气温的主要影响下,春季物候在这25 a间呈现先提前后推迟的趋势; 刘玲玲等[11]利用GIMMS AVHRR NDVI数据通过动态阈值法提取了1982—2006年亚欧大陆上植被的物候始期,得到25 a间植被物候始期主要呈现提前趋势; Ge等[12]利用NOAA/AVHRR NDVI数据通过经验正交函数分析法得到1982—2012年中国植被的物候始、末期,以1996年和2009年为时间点,物候始期呈现出先提前后推迟的趋势,而物候末期在1993年后才表现出推迟的趋势。
秦岭—黄淮平原交界带(以下简称交界带)位于我国大陆中东部重要的地理过渡带,属于我国的地理南北分界过渡带和亚热带与温带气候过渡区。交界带生态系统相对脆弱、植被物候对气候条件变化的响应也更加敏感,对监测气候变化起到很好的指示作用[13-14]。秦岭作为我国重要的自然体,尤其是秦岭南北坡气候具有典型差异性[15-16],其植被物候变化特征已被众多学者研究[17⇓-19]。郭少壮等[20]利用MODIS EVI2数据通过曲线拟合法计算得到2000—2015年秦岭太白红杉林的物候始、末期,结果表明物候始期主要受到气温的影响呈提前趋势,而末期主要在气温、降水和潜在蒸散的影响下呈推迟趋势; 李健豪等[21]利用2001—2018年MODIS数据提取植被春季物候期并研究了不同海拔上的物候变化特征,研究表明海拔每升高100 m,春季物候期推迟1.82 d。但是,植被物候对全球气候变化的响应存在时间尺度非线性和区域显著差异性,交界带形成了不同于秦岭山地与平原气候的独特边际气候效应[22],植被类型复杂多样、植被物候的空间分布与时间变化都存在着显著的空间差异性。虽然学者已对秦岭物候展开了相关研究,但是利用遥感技术手段,在区域尺度通过植被NDVI年度时序特征,反演物候关键特征,分析交界带地区植被物候变化时空特征及其对环境响应的研究还较少。因此厘清区域植被物候变化过程和时空分异,揭示全球变暖背景下交界带关键物候特征演化规律,对于认识过渡带植被物候变化对全球变暖的响应、区域粮食生产安全等具有重要意义。
为此,本文充分利用2002—2020年MOD09Q1遥感数据构建密集时序NDVI遥感数据,以秦岭—黄淮平原交界带为研究区,利用自适应动态阈值法反演陆地表面物候并研究其变化趋势,从大尺度上了解气候交界带植被物候时空格局及变化趋势,进而利用相关分析量化植被物候与气温之间的响应关系,为研究全球变化对区域植被生态系统的影响提供了支撑。
1 研究区及其数据源
1.1 研究区概况
研究区主要位于河南省、湖北省交界处,地处我国二、三阶梯之间,是重要的地理过渡带,如图 1所示。参考管华等[23]对于秦岭—黄淮平原交界带地理位置的界定以及我国行政区划范围,划定研究区的西北部为秦岭余脉,东北部处于黄淮平原,西南部为南阳盆地,东南部为大别山区[24]。研究区总面积约为8万km2,海拔为14~2 127 m,气候以温带落叶阔叶林气候、亚热带常绿阔叶林气候为主。交界带地形从平原到山脉起伏较大,植被类型也更加丰富,生态系统包括了农田、草地和森林,地理环境兼具有水平梯度性和垂直梯度性。其中,耕地主要分布在海拔较低的西部、东部以及东北部,种植作物包括水稻、小麦、玉米等; 林草资源主要分布在海拔较高的西北、中部以及南部地区,主要以亚热带常绿落叶阔叶混交林为主; 城镇等建设用地则零星分布于耕地之间,交界带土地利用类型具有明显的空间分异性。
图1 研究区示意图
1.2 数据源及预处理
本文所使用的数据来自美国国家航空航天局官方网站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)下载的MOD09Q1的8 d合成数据,文件格式为HDF,包括红光和近红外2个波段。数据覆盖的时间范围为2002—2020年,空间分辨率为250 m。虽然官网提供免费的16 d合成的NDVI数据产品,但是植被物候关键期的提取极易受到数据时间间隔的影响,数据时间间隔过大会增加结果的不准确性; 此外,官网也提供每日的数据资料,但是其空间分辨率较小,像元内地物混杂现象严重。因此,综合现有数据的时间、空间分辨率以及波段范围,本文选取了MOD09Q1的8 d合成数据作为原始数据。
植被叶片能够吸收太阳光线中的蓝光和红光,而对绿光和近红外波段具有反射作用,利用NDVI能够表征植被对红光和近红外波段的辐射强度,进而反映出植被在不同生长阶段的光合作用强度和绿度,是量度植被生长状况和季节变化的良好指标[11,25]。原始数据为三级MODIS数据产品,投影方式为正弦函数投影,对原始数据进行预处理,包括拼接、投影、格式转换、裁剪等。
土地利用类型数据来自资源环境科学与数据中心。气象数据则来自国家气象信息中心制作的中国地面气候资料日值数据第三版,数据集中包括2001—2019年的气象站点号、站点所在经纬度、海拔、观测日期、当日的最高、最低和平均温度以及质量控制代码。
2 研究方法
2.1 遥感物候反演方法
传感器精度、云等因素影响使得密集NDVI时间序列存在噪声,模糊了NDVI的变化趋势,因此需要重构NDVI时间序列[26]。多项式拟合法计算简单、快速,何月等[27]利用分段二次多项式拟合了浙江省的植被指数曲线,而与二次多项式相比,六次多项式能够拟合整个生长季曲线[28],因此本文利用六次多项式对NDVI时序曲线进行拟合。
物候始期和末期分别定义为首次高于和低于该阈值的日期。生长期为生长末期与始期的时间间隔。遥感影像获取的植被物候参数与传统人工观测的物候参数不同,遥感影像能够识别到的是达到了一定程度的植被绿度,反映的是大尺度的陆地表面物候特征[27,32],因此,这里得到的生长始、末期是指观测单元内足够多的植被开始展叶、生长或进入衰亡、休眠的日期[33]。此外,考虑到研究区内可能存在多季农田植被,计算物候末期时寻找的NDVI最大(小)值从时间序列的最末端首个曲线变化阶段开始寻找。由于本文缺少实地观测数据,故不进行精度验证,但参考其他学者的以往经验,以20%的阈值提取物候信息,都获得了较好的精度[34⇓-36]。
2.2 分析方法
2.2.1 趋势分析
采用一元线性回归分析来模拟交界带物候关键参数的年际变化趋势,统计其变化趋势的变化速率。
2.2.2 相关分析
为了分析气温变化对物候期的影响,本文利用相关分析探究交界带地区物候始、末期与气温的相关关系。
3 结果与分析
3.1 样区NDVI值拟合曲线特征
秦岭—黄淮平原交界带地区植被以森林和农田植被为主,2类植被的NDVI时序数据如图 2所示,时间范围为第49—361天,共40期数据。原始NDVI时序数据有明显的变化特征,具有波峰与波谷,但是存在许多噪声,使得曲线具有不规则的波动,不利于植被物候期的计算。经过拟合后的曲线变的平滑且更加连续,原始数据的波峰、波谷位置没有明显的移动。一般森林植被(图2(a))在11—12月时NDVI值应呈现连续下降或不变的趋势特征,但拟合后的曲线呈现先下降后上升的趋势,出现了局部过拟合的现象,可能会影响部分像元的物候末期反演结果。农田植被(图2(b))的NDVI时序数据变化更为复杂,由于研究区内多为2季作物,因此,农田植被的拟合曲线存在2个较完整波型。2月下旬,天气回暖,NDVI值逐渐上升; 6月初第一季农田植被成熟,NDVI值逐渐下降至波谷; 第二季农田植被于6月开始播种,NDVI值再次上升,至10月份收割,NDVI值再次下降至波谷,由此循环再开始种植第一季农田植被。
图2 样区典型植被NDVI时序拟合曲线
3.2 植被物候空间分布特征
研究区植被物候空间分布特征如图3所示。从图3中可以看出,区域植被物候始期时间为第50—125天; 区域植被物候末期时间为第230—320天; 区域植被生长期长度为180~260 d。由于交界带地理位置的特殊性,森林与农田植被在该区都有分布,2类植被对气候条件的响应具有空间差异性。西北、东南和中部森林植被覆盖区进入物候始期时间明显晚于农田植被区,且与海拔高度相适应,从交界带边界向内部逐渐随着海拔的降低而提前。而西部、东北以及东部农田植被区的物候末期早于森林。
图3 研究区植被物候空间分布
进一步根据区域土地利用数据,分别统计计算森林植被区和农田植被区物候空间分布特征。结果显示森林植被物候始期在第67—116天,均值为第77天,农田植被物候始期在第49—92天,均值为第62天; 森林植被物候末期在第280—340天,均值为第323天,农田植被物候末期在第195—328天,均值为第279天; 森林植被生长期长度为215~262 d,均值为248 d,农田植被生长期长度为147~261 d,均值为218 d。农田植被受到田间管理的影响较大,其生长发育期与森林植被具有差异性。农田植被进入物候始期的时间约早于森林植被15 d,进入物候末期的时间也早于森林植被44 d,生长期长度比森林植被短30 d,其生命进程要快于森林植被。
3.3 植被物候年际变化趋势
研究区植被物候变化趋势如图4所示,该区物候始期变化率主要集中在-0.9~1 d/a之间,63.2%的区域呈提前趋势,主要分布在东部农田、南部森林,交界带总体变化率为0.046 d/a; 物候末期变化率主要集中在-4.6~1 d/a之间,其中78.5%的区域呈现提前趋势,主要分布在西部农田植被区和西北、东南部的森林植被区,交界带总体变化率为-1.3 d/a; 生长期长度变化速率集中在-4.5~1 d/a,75.8%的区域生长期长度呈缩短趋势,主要分布在西部和东部农田植被区,交界带总体变化率为-1.3 d/a。从显著性来看,森林植被与农田植被具有不同的特点。森林植被的物候始期比农田植被提前的趋势更显著,而农田植被的物候末期提前趋势更显著。这是因为森林植被在春季进入物候始期时,树木大范围变绿,易于探测。进入物候末期时,森林植被颜色变化过程缓慢,色彩混杂,不易探测,而农田植被成熟与收割过程变化十分明显。
图4 研究区植被物候期年际变化趋势
根据区域土地利用数据统计计算森林植被区和农田植被区物候多年变化趋势特征。结果显示,森林植被区物候始期变化范围为-1.5~1.5 d/a,农田植被区物候始期变化的范围为-2.3~2.8 d/a; 森林植被与农田植被物候末期的变化范围分别为-7~1.5 d/a和-8.4~4.6 d/a,森林植被区生长期长度变化的范围为-5.2~1.9 d/a,农田植被区的变化范围是-7.8~4.3 d/a。农田植被的变化幅度要大于森林植被。从均值来看,森林和农田的物候始期变化趋势分别为: -0.14 d/a和0.1 d/a,末期变化趋势分别为-0.78 d/a和-1.43 d/a。除农田植被区物候始期的变化趋势呈推迟趋势外,其余植被物候均呈提前趋势。
3.4 植被物候与气温响应关系
从图5中可以看出,春季、夏季、秋季气温均呈上升趋势,变化率分别为0.06 ℃/a, 0.07 ℃/a, 0.04 ℃/a,其中夏季升温趋势明显(p<0.01),而冬季气温以-0.001 ℃/a的变化率呈下降趋势,变化速率极缓,但总体上交界带地区气温呈波动上升的趋势,年均气温的变化率为0.04 ℃/a(p<0.05)。
图5 研究区气温年、季变化
植物物候对于气温有良好的响应作用,且响应关系存在1—2个月的滞后效应[17],结合交界带物候关键参数范围,选择冬季(12—2月)、春季(3—5月)、1月、2月、3月均温以及夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、8月、9月、10月均温分别与物候始、末期进行相关分析[18,38⇓-40],以探究物候对气温的响应关系。常用的气温空间插值方法虽能获取大范围的温度特征,但受到模型自身误差与外界条件的影响,不同方法的结果存在一定差异,插值精度有待提高[41],因此,为准确研究植被物候对气温的响应关系,采用8个气象站点记录数据与当地的物候参数进行相关分析,由于缺少2020年研究区域的气温统计数据,本文仅统计分析2002—2019年间研究区植被物候始、末期与相应时期气温的相关关系,如表1所示。
表1 植被物候与各时期气温的相关关系
近十几年来,秦岭—黄淮平原交界带植被物候期受到气温的影响较一致,但仍存在区域差异。气温与物候始期主要呈负相关关系,尤其与3月、春季气温呈显著的负相关关系,相关系数分别可以达到-0.811以及-0.739,这说明,气温升高对植被的生命活动有促进作用。部分地区物候参数与气温的相关关系如图6所示,信阳地区植被对春季气温敏感,气温每升高1 ℃,物候始期提前7.1 d; 3月气温与驻马店植被物候始期有显著的负相关关系,3月气温每上升1 ℃,物候始期提前0.5 d。其余地区受到气温的影响不显著。信阳地区物候末期与8月气温存在显著负相关关系,气温每升高1 ℃,物候末期提前5 d、西峡地区物候末期与9月气温存在显著负相关关系,气温每升高1 ℃,物候末期提前12.06 d。固始和驻马店地区物候末期对10月气温的响应较显著,气温每升高1 ℃,物候末期分别提前13.3 d和21.6 d。其他地区物候末期受到气温影响较小。物候参数与气温数据主要呈负相关关系,这与植被物候变化趋势一致,研究区气温波动上升,导致物候始、末期主要为提前趋势。由于气温升高,促进了植被生命活动速率,作物生长期缩短、提前成熟。
图6 物候参数与气温的相关关系
4 结论
由于研究区内尚未建立物候观测站点,无法直接获取物候资料与本文结果进行验证,因此,本文将研究结果与其他学者研究结果进行对比分析,以验证结果的正确性。研究区西部为秦岭余脉,夏浩铭等[19]研究表明该区域物候始期集中在第70—100天; 李建豪等[21]研究结果进一步表明秦岭东部物候始期均值为第85天,本文研究结果为物候始期主要分布在第79—95天,均值为第77天,与已有研究结果相差较小; 张晓东等[42]研究结果表明该区域物候末期主要集中在第300—315天,本文结果表示物候末期均值为第323天,相较于张晓东等研究,末期时间有所推迟,但是相差结果在7 d内,可能是由于研究时间、区域不同导致的略微差异,此外,本文的拟合方法出现局部过拟合现象,也会对结果造成影响,但是仍具有可比性。侯学会等[43]研究结果表明研究区作物物候始期集中在2月下旬; 崔耀平等[44]研究结果表示该区域作物物候末期主要集中在9月下旬,本文结果表示物候始、末期均值分别为第62天和第279天,与已有研究结果时间相似。因此,结合之前有关学者研究,可以认为利用动态阈值法获取的植被物候具有一定可靠性。
需要指出的是,物候提取精度受到研究方法、研究尺度、植被类型、数据质量等多种因素的影响,研究结果存在一定差异。本文采用六次多项式对原始NDVI时序数据进行拟合,高次多项式和低次多项式相比能够更好地对整个生长季曲线进行拟合,但是不可避免的出现了局部过拟合现象,这会对物候提取结果造成一定影响。本文重点探究了植被物候对气温变化的响应关系,但是受到观测手段和尺度的差异,拟合分析效果不是特别好,且物候是气温(积温)、降水等多要素共同影响的结果,可进一步通过因子分析从多要素综合角度去探究影响物候的关键因素。此外,土地利用方式和轮作方式的改变会对研究结果产生干扰,尤其是对物候末期。近20 a来,研究区内由林地、草地转为耕地的面积占5%,由于农田植被的物候末期要早于森林植被导致了本文所计算的物候末期提前速率过快; 河南省粮食种植结构受到政策等人为因素影响,秋季作物播种面积大于夏季作物且逐年增加,作物选种为早播、生育期长的种类[45],在计算物候期时,受到秋播时间提前的影响,进一步影响了农田植被物候末期的提前速率。
5 讨论
基于2002—2020年密集时序MOD09Q1遥感数据,通过年度NDVI自适应动态阈值法,提取了秦岭—黄淮平原交界带植被物候关键特征参数,分析物候特征参数的时空变化特征及变化趋势,并结合区域气象站点观测数据探究了各地气温对物候变化的影响关系。研究得到以下结论:
1)秦淮交界带植被的物候始期主要在第50—125天,物候末期主要集中在第230—320天,生长期长度180~260 d; 交界带地区森林植被与农田植被物候分布差异显著,森林植被与农田植被的物候始期分别在第67—116天和第49—92天; 森林植被与农田植被的物候末期分别在第280—340天和第195—328天; 森林植被与农田植被的生长期长度分别为215~262 d和147~261 d。森林植被物候始、末期均晚于农田植被,分别推迟了15 d和44 d,生长期长度则长于农田植被约30 d。
2)2002—2020秦淮交界带植被物候始期和物候末期时间总体呈现提前的变化趋势、生长期长度变短; 森林和农田的物候始期变化趋势分别为-0.14 d/a和0.1 d/a,森林和农田的物候末期变化趋势分别为-0.78 d/a和-1.43 d/a,森林植被物候始期提前的趋势更明显,而农田植被物候末期提前更显著。
3)秦淮交界带地区植被物候变化与区域气温显著相关,其中物候始期与3月气温关系最显著,物候末期与9月气温关系显著。根据区域气候变化特征得到,气温上升导致了物候期的提前。
（原文有删减）
【作者简介】王雅婷(1998-),女,硕士研究生,研究方向为生态环境遥感、植被物候对全球变化的响应等。Email: wangyatingQYZ@163.com。
【通讯作者】朱长明(1983-),男,博士,教授,硕士生导师,研究方向为遥感信息智能提取、生态环境遥感研究。Email: zhuchangming@jsnu.edu.cn。
【】国家重点研发计划重点专项项目“北斗智能精准定位技术集成及区域服务业创新示范”(2021YFB1407004);科技基础性工作专项计划项目“大别山地区生态修复支撑调查”(DD20208074);农业产业数字化地图项目(21C00346);江苏师范大学研究生科研与实践创新计划校级项目“2000—2020年秦淮交错带植被物候变化分析”(2021XKT0084)
【】王雅婷, 朱长明, 张涛, 张新, 石智宇. 2002—2020年秦岭—黄淮平原交界带植被物候特征遥感监测分析[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 225-234.
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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