西南喀斯特断陷盆地植被物候动态变化及其与气候因子的响应

李 丹, 吴秀芹, 张靖宙, 于 洋

(1.北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083; 2.北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室, 北京 100083; 3.中国水利水电科学研究院 泥沙研究所, 北京 100048)

植被物候反映了植物在生命周期中不断适应季节变化形成与环境条件密切相关的生长发育节律[1-2]。植被是自然环境的一面镜子，环境中水、土、气、生等组成成分的任何变化都会被覆盖在地表的植物群落以不同的形式表现出来，植被的动态变化蕴藏着气候和人类活动的变迁。气候的变化对生态系统的构造与性能产生显著影响，当代以增温为主要特征的全球气候变化问题，对地球环境产生了前所未有的影响，成为当代人类面临的重大难题之一[3]。目前国内外针对植被物候观测的方法有多种，不同植被物候观测技术具有各自适宜的时间和空间尺度，不同于以野外观测为基础的传统目视观察法，近20 a来，遥感技术的广泛应用为物候研究提供了新的角度和机遇。不同观测技术或不同取方法使获取的植被物候指标之间存在显著的差异性，在植被秋季物候指标上尤其明显。但基于地面监测和遥感观测的研究一致显示，全球尺度下气温的持续升高已经导致了许多地区植被春季物候始期提前、秋季物候末期推迟[4-6]。

西南喀斯特断陷盆地地处低纬高原，地形复杂多样，生物资源丰富，生态环境对水热变化相当敏感。基于相关文献的统计，该地区近50 a的气候变化与全球气候变暖趋势相符，年平均气温呈上升趋势，升温速率略低于全国平均水平，略大于全球气候变化平均水平[7]。但针对西南喀斯特断陷盆地物候方面的研究主要以人工观测法集中在小尺度、特定物种、短时序的研究[8-10]，缺少对区域尺度上宏观全面的认识。因此，本研究基于2001—2016年的MOD13Q1产品和气象数据，利用Matlab对长时间序列NDVI进行重构并提取物候参数，分析典型物候参数(SOS，EOS，LOS)的时空变化特征，揭示植被物候时空动态变化与气候因子的响应机制，重点围绕两个问题展开：(1) 喀斯特断陷盆地植被物候变化如何。(2) 气候因子对该地区植被物候产生了怎样的影响。研究结果为分析喀斯特断陷盆地植被物候的时空变化动态特征及其与气温、降水的响应关系提供科学依据，同时为该地区根据物候变化开展植被恢复提供理论支撑。

1 研究区概况

西南喀斯特断陷盆地(100°03′—105°10′E，22°39′—29°10′N)(图1)地处云贵高原，南面中越边境，西临横断山脉，北接青藏高原，是青藏高原隆升产生的断裂活动所引起的断块差异沉陷及溶蚀作用共同形成的山间盆地[11]，是中国西南地区重要的生态屏障和生态脆弱区。本研究区横跨云南、四川和贵州3省共43个区县，总面积达11.04万km2。研究区属亚热带季风气候，全年分干湿两季，雨热同期，日照充足，部分高海拔山区的立体气候特征明显。其中，有滇东地面定株实测研究表明，该区域各物候期的平均温度和≥5℃积温对主要乡土物种的物候表现较为密切，植被多于2月气温达到10℃时开始萌动，至3月气温增高至15℃以上开始展叶，在5月温度超过20℃时，绝大部分开始开花，果实成熟期分散在4—12月[8]。

图1 研究区位置

2 数据与方法

2.1 研究数据

归一化植被指数(NDVI)采用MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250 m SIN Grid产品(简称MOD13Q1)，数据源从2001年1月1日—2016年12月19日，每16 d提供一景，共690景影像。为消除NDVI时间序列的云影噪声影响，采用TIMESAT软件的S-G滤波法对数据进行降噪处理[12]。气象产品是基于中国气象数据共享网站(http:∥data.cma.cn)得到的2001—2016年西南喀斯特断陷盆地区域及周边的43个气象站点气温和降水数据，通过克里金插值(Kriging)对年降水和年均气温数据进行插值为空间精度250 m的栅格数据集。

表1 数据概况

2.2 研究方法

(1) 植被物候指标提取方法。卫星遥感监测数据提取物候指标的常用方法有NDVI阈值法[13]、Gu法[14]、移动平均法[15]、最大斜率法[16]。不同提取方法各有利弊，一定程度上体现出物候研究的不确定性，基于西南喀斯特区独特的地理特性，本研究选用NDVI曲线反演——最大斜率法进行物候参数提取，该方法是基于时间序列的NDVI曲线变化特征确定植被物候期[17-18]，如植被开始迅速生长或植被叶片脱落的时间点对NDVI曲线迅速增长和减小的时间点[19]。计算公式如下：

NDVIratio(t)=[NDVI(t+1)-NDVI(t)/NDVI(t)]

(1)

式中：t为具体日期，当NDVIratio达到最大时对应的NDVI(t)即为生长季始期，当NDVIratio达到最小时对应的NDVI(t)即为生长季末期。

NDVI(t)=a0+a1x1+a2x2+…+anxn

(2)

式中：NDVI(t)是x的函数；x为每年的第多少天，采用最小二乘法来计算天数。

(2) 趋势分析方法。采用一元线性回归方法建立气温、降水(y)与时间序列(x)；物候参数(y)与时间序列(x)的一元线性回归方程，方程的斜率b用来表示方程的变化趋势。

y=a+bt+ε

(3)

式中：y为生长季始期或气象因子变量；t为年时间序列；a和b为系数，是拟合的残差。

(4)

式中：n为累积年数，本研究为16；变量i为年序号；M为第i年的物候参数/气象数据值；slope为一元线性回归方程的斜率，某像元的斜率即为该像元多年的生长季始期气象数据均值变化的总趋势。

(3) 相关性分析方法。采用空间相关分析方法研究两个要素之间的相关关系，相关系数取值为[-1，1]。

(5)

式中：n为研究时段年数；x，y为相关分析的两个变量；xi，yi分别为它们的样本值。

3 结果与分析

3.1 喀斯特断陷盆地植被物候变化趋势及空间分异

2001—2016年，研究区内3项物候指标均呈推迟或延长趋势，变化率依次为EOS(10 d/10 a)>SOS(7.7 d/10 a)>LOS(2.3 d/10 a)(图2)。

图2 物候变化趋势

研究区多年SOS均值为第192.41天，空间上SOS表现出东早西晚的趋势(图3)。约有45.04%的地区生长季开始于第170～190天(6月中旬—7月上旬)，如木里河谷地带、盐源盆地、川滇边界、云南省东北部、昆明玉溪以东的南北向谷地和丘北南部等。24.91%的地区SOS晚于第200天(7月下旬)，大多分布于青藏高原东部边缘的高海拔山区。研究区东南部、南盘江河谷地区也明显表现出SOS较早的现象。研究区多年EOS均值为第339.31天，空间上EOS表现出东早西晚的趋势。各地EOS时间分异跨度较长，近100 d。最早的如盐源盆地、安宁河谷、泸西小江盆地、陆良南盘江水系，EOS多发生在300 d(10月末)之前；最迟的如木里高海拔区、哀牢山东部等地，EOS多晚于400 d(次年2月初)。56.28%的地区EOS发生在第300～340天(10月末—12月上旬)，植被停止发育，生长季结束。海拔与物候期体现出较明显的相关性，随着海拔升高LOS会逐渐缩短，并且SOS会呈现明显推迟的趋势。这主要是高海拔地区分布的山地植被类型对季相变化的响应不强烈的表现。

图3 16 a间SOS，EOS，LOS空间分布

研究区多年LOS平均为146.91 d，范围在140～160 d的地区分布较多，占总面积的37.22%。人类活动较少、气候条件优越的南盘江河谷、红河河谷、盘龙江河谷地区LOS长于160 d。研究区内高海拔地区、部分城镇开发区(安宁河谷、蒙自市西北部等)、农事活动区、石漠化发育区的LOS多短于120 d。

在空间上，大部分地区SOS发生了不同程度的推迟现象(图4)，但相反，安宁河谷等部分地区SOS提前较为明显。除木里县低海拔谷地、蒙自市西北部等地区EOS发生提前，其他地区EOS均呈现出推迟现象。统计得出LOS发生延长的区域面积大于缩短的区域，延长的区域主要集中分布在盐源盆地、安宁河谷及研究区东北部等地，缩短主要分布在木里山谷低地、攀枝花东部、川滇边界周围地区等地。

图4 物候参数年变化的空间分布差异

3.2 2001-2016年喀斯特断陷盆地气温和降水变化趋势

研究区多年年均气温为15.06℃，在过去16 a中气温以0.33℃/10 a的速度增加。16 a各年总降水量947.04 mm，降水量波动较大，总体呈下降趋势，年降水量差异明显，2011年当地旱灾是16 a来降水量最少的年份。2001—2016年，在春季、夏季和秋季，研究区的年均气温均呈现上升趋势，变化幅度依次为0.66，0.44，0.36℃/10 a。冬季气温呈下降趋势，降幅为-0.43℃/10 a。春、夏两季降水量总体呈下降趋势，春季变化率为-19.12 mm/10 a，夏季变化率为-18.21 mm/10 a。秋冬两季降水量呈现上升趋势，秋季变化率14.63 mm/10 a，冬季变化率为2.85 mm/10 a(图5)。

3.3 喀斯特断陷盆地植被物候与气候因子相关性分析

研究分析气象要素与关键物候期参数的相关性有助于进一步认识喀斯特断陷盆地植被对气候变化的响应机制。结合气候和物候动态变化趋势的研究结果，可以发现在16 a间，喀斯特断陷盆地气温和降水的变化对生长季始期和生长季末期的推迟都产生了较大影响(表2)。

由表2可知，春季气候因子与SOS具有较强的相关性，春季降水对植被生长季提前的影响大于温度对其推迟的影响，说明研究区植被生长前期对水分的需求是促使植被生长开始的主要因素，16 a来研究区春季温度升高加剧了植被的蒸腾作用，结合春季降水减少进一步导致了植被SOS的推迟。全年来说温度对SOS的影响远大于降水对SOS的影响，SOS的推迟与当年温度呈显著相关(p<0.05)。EOS受温度和降水的影响均不显著，总体来说，降水对EOS的影响大于温度对其的影响，且夏季降水减少会导致生长季推迟结束，但研究区EOS常开始发生于10月末之后，表明降水对土壤水分贮存及生长季末期均存在一定的时滞作用[20-21]。综合来看，SOS对气候因子的敏感性高于EOS。

图5 2001-2016年温度、降水变化

表2 植被物候与气候因子的相关分析

4 讨 论

(1) 遥感技术的发展为植被物候研究提供了新手段，但依据遥感影像计算所得物候指标与人工目视实测数据存在一定差异[22]，且遥感多数据源的不同物候提取方法各有利弊，一定程度上体现了植被物候研究的不确定性。本研究区为亚热带地区，常绿阔叶林是常见的植被类型，终年常绿和季相变化不明显是该植被类型的特征，也是该区域利用遥感手段研究其物候变化的疑难点之一。本研究选取NDVI最大斜率法提取物候指标，最大化彰显了该区域植被生长变化趋势，宏观尺度上弥补了对西南喀斯特断陷盆地植被物候指标变化的规律性认知，但如何决策选取合适的方法提取物候参数，还需要通过研究者们深入挖掘植被物候自身特性，并尽可能考虑气候变化、地貌特征、人类活动等多方面的影响因子，做出更精确的判断。

(2) 本研究结果所得研究区西北部高海拔地区植被生长季持续到了次年2月，高海拔地区植被生长代谢限制因子之间的相互关系复杂，关于植被生长受限机理存在众多争议，其中生长受限假说认为高海拔地区增温对植被呼吸的促进远大于光合的促进[23]，同时很多学者实测研究表明：在植物的生长季期间,植物叶片的净光合速率并没有受到生长季低温环境的影响而显著下降，这可能是研究区西北部高海拔地区植被生长季结束较晚的原因之一[24-25]。

喀斯特断陷盆地因其独特且脆弱的生态环境，成为我国长期开展生态修复的重点地区，研究植被物候动态变化及其与气候因子的响应，对理解喀斯特断陷盆地环境下的植被物候格局、探明植被物候变化的驱动机制有着重要意义。植被物候作为自然生态环境变化的重要指示因子，将其纳入生态修复成效的评估指标将会促进评价体系进一步完善。

5 结 论

(1) 西南喀斯特断陷盆地植被物候SOS和EOS均呈现东早西晚的空间分异特征，LOS分异特征受海拔和人类活动的影响较大，三类物候指标均呈现不同程度的推迟或延长趋势。(2) 喀斯特断陷盆地生长季始期对气候的敏感性高于生长季末期，且温度是生长季始期发生推迟的主导自然因子。区分季节维度分析，春季气候因子对生长季始期的推迟影响最为显著，夏季气候因子对生长季末期的推迟影响尤为关键。研究揭示了气候变化背景下西南喀斯特断陷盆地水热条件对植被物候变化特征的影响趋势，有助于探明气候因子对区域植被变化的驱动机制，了解区域自然生态系统的结构和功能特性。