基于MODIS数据的植被物候时空变化

李 静，陈向晴，于 茜，孙艳玲，王 辉，崔铁军，张晓阳

（1.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387；2.天津师范大学天津市地理空间信息技术工程中心，天津300387；3.南达科他州立大学 地理空间科学系，布鲁金斯，美国，57007-3510）

植物物候既可以指示自然季节变化，也可以提示植物适应自然环境情况[1]，其变化反映了陆地植被生态系统对气候变化的响应，因此，开展植物物候变化研究在预报农时、监测、保护生态环境和预测气候变化趋势等方面具有重要的理论价值和实际意义[2-5].大量研究指出，全球范围的气温升高，导致植物物候发生明显变化，如大部分的植物物候都呈现春季物候提前、秋季物候推迟的特征[6-7].我国地形复杂多样，包含青藏高原、内蒙古草原、干旱半干旱地区和东北林区等不同自然区，植被物候对全球气候变化的响应速度和程度存在显著的区域差异[8-12].

关于我国植被物候变化及其区域特征，国内不少学者已开展了相关研究[13-14].如于信芳等[15]获取了中国东北地区森林植被生长始期、生长末期和生长季长度的空间分布格局，发现大兴安岭地区森林生长开始较晚，结束较早.宋春桥等[16]提取整个藏北高原2001—2010年植被覆盖的物候信息，分析植物物候变化情况，发现藏北高原60%区域的植被返青期提前，枯黄期的年际变化并不明显，大部分为自然波动.然而，目前对植物物候的统计分析多集中于单个自然区域内，由于研究时间和数据源等方面的差异，研究结果间缺乏可比性.分析不同地区植被物候的差异有助于更好地认识气候变化对我国环境的影响.此外，目前对植物物候的研究主要利用地面观测物种物候和遥感数据提取物候2种方法.但单物种植物物候在空间上不连续，受观测站点分布和人为主观影响较大.利用遥感技术提取物候可以实现对地面植被的实时和空间连续监测，能够在高纬度地区、高寒山区、沙漠和一些复杂的地形区域监测植物物候，有利于开展大面积监测研究[1，17-19].因此，本研究基于2001—2014年遥感植被物候数据，分区域统计了森林、灌木和草原物候期之间的差异，分析了14年间中国5个自然区植被物候的时间变化及空间特征，对理解我国植被物候变化规律、提高充分利用自然资源的能力具有重要意义.

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

研究区为综合自然地理区划[20]中的东北湿润、半湿润温带地区（DB），内蒙古温带草原地区（NMG），西北干旱地区（XB），华北湿润、半湿润暖温带地区（HB）以及青藏高寒地区（QZ），共计5个区域，各研究区的具体参数如表1所示，华中和华南地区植物遥感物候数据缺失较多，不参与讨论.

表1 研究区域自然植被面积占区域总面积百分比Tab.1 Percentage of natural vegetation area in the total studied area

研究区地形复杂，气候环境特征差异明显，形成了差异鲜明的地表植被类型和植被物候变化规律.本研究将地表植被分为森林、灌木和草原进行分析，农作物物候期受人类播种期影响较大，不参与分析.DB区纬度较高，年均温较低，主要自然植被为森林，具有冷湿的特点；NMG和XB区位于内陆，降水量较少，主要自然植被为草原，具有干旱特点；HB区位于东部季风区，雨热同期，地形以平原为主，多耕地，自然植被为草原和森林；QZ区海拔较高，年均温较低，主要自然植被为草原，具有高寒特点.各研究区的地理位置见文献[20].

1.2 数据及方法

MODIS系列卫星于2000年发射成功后，被广泛应用于不同的学科领域，如海洋学、生物学、地球科学和大气科学等.本研究使用MODIS（moderate-resolution imaging spectro radiometer）遥感植被指数产品数据（MCD12Q2），其空间分辨率为500 m，该数据已经过系统误差纠正、大气校正、辐射校正和几何校正.由于产品数据的发布滞后于卫星拍摄日期，本研究下载可获得时间段2001—2014年的数据，数据时间序列长度充足.该数据集包含植被生长季始期（beginning of growth season，BGS）和末期（end of growth season，EGS）.植被生长季始期为春季植被进入生长的日期，也是光合作用开始的日期；生长季末期为秋季植被进入结束生长的日期，也是植被光合作用结束的日期[19].

这一数据集采用HDF-EOS数据格式，需要利用MRT（modis reprojection tool）工具对数据进行拼接和裁剪，并将投影转换到以WGS84为基准的地理坐标系，输出GEOTIF格式数据.

本研究分别统计了5个自然区森林、灌木和草原物候期在时间和空间上的均值、标准差和趋势.其中，植物物候多年平均值反映某地点/区域的多年平均状态；区域平均值反映某区域的平均值；时间标准差表征植被物候期在年内的波动程度；空间标准差表示植被物候期在空间上的差异.标准差总体上反映了整体数据与均值数据间的偏离程度，样本标准差

式（1）中：X为变量值；X为样本均数；n为变量值的个数.

时间变化趋势是建立以年份为自变量，以植物物候期为因变量的一元线性回归方程

式（2）中：P为观测物候期（day of year，DOY），代表从该年份1月1日开始计算的第几天；S为回归方程的斜率，即物候期的变化趋势（d·a-1），代表每年提前或推迟的天数；Y为第Y年；C为截距；回归系数S＞0表示物候期推迟；S＜0表示物候期提前.

2 结果分析

2.1 植被物候期的空间分布

2001—2014年期间我国植被的平均物候空间格局如图1和图2所示.

图1 研究区植被多年平均BGS分布Fig.1 Distribution of multi-year averaged BGS of vegetation in the studied area

由图1可以看出，植被生长季节始期（BGS）由华北湿润、半湿润温带地区向西和北2个方向逐渐推迟.各区域植被BGS由早到晚依次为HB、XB、NMG、QZ和DB，数值依次为第100、108、116、127和131天.区域NMG、XB、HB、DB和QZ植被BGS存在较大差异，结合各区域特点可知，纬度和海拔的升高是引起植被BGS推迟的原因.

由图2可以看出，植被生长季末期（EGS）的空间分布特征与BGS相反，由华北湿润、半湿润温带地区向西和北2个方向逐渐提前.各区域植被EGS由晚到早依次为HB、NMG、QZ、XB和DB，数值依次为第299、287、285、284和275天.植被EGS存在3个分异，区域NMG、QZ和XB植被EGS接近，均在10月中下旬；区域HB植被EGS接近11月初；区域DB植被EGS接近10月初.结合各区域特点可知，纬度升高引起植被EGS提前，而海拔对植被EGS的作用不及纬度.综上所述，高纬和高海拔地区的植被BGS较晚、EGS较早，这很好地反映了地形和气候的地域分异规律.

图2 研究区植被多年平均EGS分布Fig.2 Distribution of multi-year averaged EGS of vegetation in the studied area

分别统计图1中多年平均BGS和EGS在5个自然区内森林、灌木和草原3种植物群落类型的平均值和空间标准差，结果如表2所示.

表2 各区域自然植被物候的统计Tab.2 Statistics of natural vegetation phenology in each region

由表2可知，同一自然区内，森林、灌木和草原的物候期存在明显差异.森林、灌木和草原BGS间的差异由大到小依次为区域QZ、DB、XB、NMG和HB，差值分别为35、19、18、15和5 d.森林、灌木和草原EGS之间的差异从大到小依次为区域XB、NMG、HB、DB和QZ，差值分别为30、14、9、6和2 d.由此可见，对于海拔高、气温低的地区（QZ），森林、灌木和草原的BGS相差较大，EGS相差较小；对于偏干旱的地区（XB），森林、灌木和草原EGS相差大，BGS相差较小.由此推测，低温增加了不同植物群落类型（森林、灌木和草原）BGS的差距，干旱增加了不同植物群落类型（森林、灌木和草原）EGS的差距.

各自然区森林、灌木和草原3种植物群落类型分别的空间标准差和所有森林、灌木和草原植被像元的空间标准差反映了植被物候在空间上的分布差异.各自然区森林、灌木和草原所有像元BGS空间标准差由大到小依次为QZ、NMG、XB、HB和DB，数值分别为17.7、14.3、13.4、13.1和11.8 d.各自然区森林、灌木和草原所有像元EGS空间差异由大到小依次为QZ、XB、HB、NMG和DB，数值分别为18.1，13.7，11.6，9.7和7.8 d.从自然区看，QZ植物物候的空间标准差显著大于其他自然区，QZ地区的低温、高寒气候可能是导致植物物候空间差异较大的原因.由表2可知，QZ区森林物候的空间标准差最大，而在其他自然区中，森林物候的空间标准差大部分最小，这说明，低温、高寒气候对森林物候的影响很大.从整体上看，植物EGS的空间标准差小于BGS的空间标准差，这可能是由于植物打破休眠、开始生长的影响因素较多，植物对不同环境条件的响应也更敏感[11].

2.2 植被物候期的年际变化

2.2.1 植被物候期趋势

植被物候在像元上的变化趋势反映了其随时间的变化，对所有自然植被像元的BGS和EGS趋势和显著性水平进行统计，并计算了所有自然植被像元的平均值.统计结果显示，各自然区植被BGS趋势绝对值由大到小依次为DB、NMG、HB、QZ和XB，数值分别为-0.76、-0.35、0.25、-0.07和-0.01 d/10 a.植被BGS呈提前趋势的像元占总像元数的55%，有16.0%的像元通过了P＜0.1的显著性检验.各自然区植被EGS趋势绝对值由大到小依次为HB、DB、NMG、QZ和XB，数值分别为1.57、1.35、1.08、0.31和0.05 d/10 a.植被EGS呈推迟趋势的像元占总像元数的62%，有16.3%的像元通过了P＜0.1的显著性检验.这一结果说明，在全球气候变暖的背景下，区域平均上植物BGS和EGS分别表现出提前和推迟的变化趋势，但不同自然区之间植被物候的趋势不同，这可能是因为各自然区的地理环境特点和气候环境变化程度不同.

为了分析森林、灌木和草原3种植物群落类型趋势之间的差异，分别计算森林、灌木和草原3种植物群落类型像元的平均值.2001—2014年我国5个自然区森林、灌木和草原3种植物群落类型的变化趋势如图3所示.

图3 森林、灌木和草原的BGS和EGS趋势Fig.3 BGS and EGS slope of forest，shrub and grassland vegetation

由图3可以看出，森林植被BGS更倾向于提前趋势（DB，XB和QZ），灌木植被在5个自然区均呈推迟趋势，草原植被在大部分自然区呈提前趋势（除HB外）.森林植被EGS在5个自然区均呈推迟趋势，偏东的DB、NMG和HB自然区的EGS推迟趋势较大，经度偏西的XB和QZ自然区的EGS推迟趋势较小.其中，HB自然区森林植被的EGS最大.这一结果说明，同一自然区不同植物群落类型的BGS和EGS的变化趋势存在差异，这可能是因为森林、灌木和草原在植株高度、木质素含量以及水热需求等方面存在差异，导致其对气候响应的不同.

从平均值上看，我国DB、NMG、QZ和XB自然区植被BGS具有提前趋势，HB自然区植被BGS具有推迟趋势；5个自然区植被EGS均具有推迟趋势.但值得说明的是，区域之间和植物群落类型之间差异很大.植被物候在区域之间的差异与区域的地形和气候特点有关，这说明不同区域对气候变化的响应呈现出不同的变化程度，甚至相反的变化方向.因此，在范围较大的研究区需要特别注意区域内部的差异.植被物候在植物群落类型方面的差异可能与植物本身结构有关，森林植株群落生长对水分和温度阈值的需求相对高，相较而言，灌木和草原植被类型对极端气候环境条件的适应更强.

2.2.2 植被物候期时间标准差

植被物候时间标准差反映了植被物候的年际波动程度，5个自然区森林、灌木和草原物候的时间标准差如图4所示.

图4 森林、灌木和草原BGS和EGS时间标准差Fig.4 BGS and EGS temporal STD of forest，shrub and grassland vegetation

由图4可以看出，植被BGS的时间标准差在区域DB、NMG和HB较大，为1～5 d；在区域XB和QZ的波动幅度为1 d左右.森林物候随时间的波动程度显著大于草原随时间的波动，灌木随时间的波动最小，且森林BGS的波动程度大于EGS的波动程度.植被EGS的时间标准差为2～6 d.需要说明的是，植被物候随时间的波动为1～6 d，这一数值比植被物候在空间上的变化（表2中的空间标准差）小很多.这是因为植物物候BGS和EGS主要受气象环境条件的影响，尽管气候有变暖趋势[5]，但与气象环境条件在空间上的变化程度相比，气候随时间的变化趋势在数值上小很多.

2.3 植被物候区域的平均年际变化

通过计算各自然区2001—2014年逐年森林、灌木和草原BGS和EGS的区域平均值，得到森林、灌木和草原BGS和EGS的年际变化如图5所示.

由图5可知，各自然区内不同的气候和地形条件导致其植被物候具有不同的年际变化特点.位于高纬气候寒冷的DB自然区的森林BGS最早，灌木和草原BGS较晚；草原EGS最早，森林和灌木EGS较晚.森林BGS较早和EGS较晚说明森林相较草原和灌木而言具有更长的生长期.从年际变化来看，2002、2009和2014年DB自然区植被BGS偏早，2004、2007和2014年DB自然区植被EGS偏晚，BGS和EGS没有明显关系.这说明尽管较高的年均温有可能造成BGS提前和EGS推迟[10]，但在统计上BGS和EGS并不完全一一对应.这可能是由于气温的升高在一年各个季节内是不均一的，导致BGS和EGS物候期响应不同.

图5 区域植被平均BGS和EGS的年际变化Fig.5 Annual variations of regional averaged vegetation BGS and EGS

NMG和XB自然区均属于干旱半干旱地区，其物候年际变化曲线（尤其是EGS）相似.其中，灌木BGS偏早，EGS偏晚，年际变化率较大.在2002年和2003年，灌木EGS表现出明显推迟.在HB自然区中，森林、灌木和草原BGS接近，森林EGS最早，其次是灌木，草原的EGS最晚，灌木BGS的波动最大.在QZ自然区中，森林BGS比灌木和草原BGS明显提前，且森林的年际波动更大.5个自然区BGS均在2009年左右数值较低.植物物候随时间变化，在个别年份出现极值，与年际间波动相比，其整体趋势数值较小.

3 讨论

我国各区域具有不同的气候特点，研究表明我国气候增温时间存在显著区域差异[6]，导致植被物候对气候响应具有区域差异.植被物候响应的区域差异主要表现在植被物候期早晚、植被物候期趋势方向和幅度等方面.表3列举了国内部分植被物候趋势研究成果.

表3 部分植被物候趋势研究成果统计Tab.3 Statistics of vegetation phenology slope in partal researches

从区域气候特点来看，本研究中DB和QZ自然区年均温较低，DB纬度较高，呈冷湿状态；QZ海拔较高，呈高寒状态.DB和QZ是植被BGS最晚的自然区，说明植被物候受气温的影响较大.QZ自然区作为全球“第三极”，地理环境特殊，研究成果较多.本研究统计显示，区域QZ植被BGS在全国范围内最晚，部分地点数值超过160 d，这一数值与利用SPOT数据研究的结论一致[13].但对区域QZ植被BGS变化趋势的研究有4类结果，分别是推后、提前、没有明显变化以及在波动中提前[25]，这说明不同的尺度、数据源和时间范围统计出的物候变化方向和程度是不确定的.区域NMG和区域XB位于内陆，降水量较少，气候干旱.本研究统计显示，区域NMG和区域XB与全国植被变化趋势一致，植被BGS呈提前趋势，EGS呈延后趋势，生长季长度呈延长趋势[26].但同时，也有研究显示NMG区植被EGS呈提前趋势[24].因此，不同数据源可能存在不同的统计结果.区域HB位于东部季风区，雨热同期，是植被生长条件较好的区域，与本文中其他区域相比，该区域植被的生长季节最长.

此外，本研究发现灌丛与草原和森林植被的物候在变化趋势上差异较大，不仅变化趋势数值差异较大，甚至变化方向完全相反.这与文献[22，27]的报道一致，说明不同群落植被对气候响应的程度和方向存在显著差异.

4 结论

本研究利用2001—2014年的MODIS数据统计我国5个自然区植被物候期的空间分布格局和年际变化趋势，并分析森林、灌木和草原物候分布的差异，得到以下主要结论：

（1）中国自然植被物候多年均值的空间分布具有典型的自然地带性规律，与经纬度、海拔高度以及草原植物群落类型关系密切.由华北自然区向西和北2个方向，植被BGS逐渐推迟，EGS逐渐提前，植被的生长季节长度缩短.青藏自然区西部的植被BGS最晚至6月上旬，东北自然区北部植被EGS最早至10月初.从森林、灌木和草原的物候期差异来看，海拔高的地区的森林、灌木和草原BGS相差大，干旱地区的森林、灌木和草原EGS相差大.由此推测，植被BGS受海拔的影响较大，植被EGS受纬度和水分的影响较大.

（2）我国自然植被物候的变化趋势在空间上的差异较大.2001—2014年，DB和NMG自然区植被BGS分别以-0.76 d/10 a和-0.35 d/10 a的平均速率提前，HB自然区植被BGS以0.25 d/10 a的平均速率推迟，具有提前趋势的像元占总像元数的55%.DB、HB和NMG自然区植被EGS分别以1.35 d/10 a，1.07 d/10 a和1.57 d/10 a的平均速率推迟，有推迟趋势的像元占总像元数的62%.从森林、灌木和草原植被的变化趋势来看，灌木BGS以推迟趋势为主，森林和草原植被BGS以提前趋势为主，森林、灌木和草原EGS均以推迟为主.从平均结果看，我国自然植被BGS具有提前趋势，植被EGS具有推迟趋势，但变化速率变缓，且通过显著性检验（P＜0.1）的像元仅占16%.

（3）我国植被在自然区内的物候期空间标准差均在7 d以上，比较而言，植被物候在年际上的波动程度远小于其在空间上的变化.植被BGS时间标准差约为1～3 d，植被EGS时间标准差略大，约为2～6 d.

致谢：

遥感数据由USGS Earth Resources Observation and Science（EROS）中心的Land Processes DAAC提供，网址为https：//lpdaac.usgs.gov.