5 1982_2013年青藏高原植被物候变化及气象因素影响_孔冬冬

ACTA地理学报第72卷第1期2017年1月第72卷2017年1月影响青藏高原的植被物候和气象因子变化1982-2013年孔东东1期，张强2期，3期，4期，黄文林1期，古席晖1期(1。中山大学水资源与环境系，广州510275；2.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京100875；3.北京师范大学地表过程与资源生态学国家重点实验室，北京100875；4.摘要：基于NDVI3g数据，定义了18个植被物候指标，研究植被物候变化。青藏高原根据1333.6万个植被带分为8个植被带。对于有明显物候变化的地区，利用最高温度、最低温度、平均温度、降水量和太阳辐射数据，通过偏最小二乘回归(PLS)研究了物候变化的气候原因。结果表明：(1)青藏高原的初始物候指数出现在1997年至2000年，过渡前的初始物候指数平均提前2 3d/10a；青藏高原末端物候指数的转变发生在2004-2007年，物候指数在生长季长度上的突变发生在2005年。过渡末期的物候指数平均推迟12 d/10a，生长季平均延长1 2 d/10a。过渡后，物候指数在生长初期的延迟趋势的显著水平仅为0.1，而物候指数和长度指数在生长后期的趋势不显著。(2)高寒草甸和高寒灌丛草甸是青藏高原物候变化最剧烈的植被分区。高寒草甸地区生长季长度的延长主要是由生长季的早期物候指标引起的。高寒灌丛草甸地区生长季长度的延长主要是由于初始物候指数的提前和最终物候指数的推迟。(3)用偏最小二乘法进一步分析了气象因素对高寒草甸和高寒灌丛草甸严重物候变化的影响。结果表明，温度在物候中起主导作用。两个植被带都表明，去年秋季和初冬的温度对生长季初期的物候有积极的影响。一方面，这一时期的气温会推迟去年底的物候指数，间接推迟生长季节的开始时间。另一方面，高温不利用冬季休眠。除夏季外，其他月份最低气温对植被物候的影响与平均气温和最高气温相似。降水对植被物候的影响在不同月份波动很大。去年秋冬季降水对初始物候指数有负面影响，而早春降水对初始物候指数有正面影响。限制8月植被生长季节的主要因素是降水，此时降水和物候指数的模型系数为正。太阳辐射对植被物候的影响主要在夏季和初秋。偏最小二乘法在物候变化研究中具有良好的效果。本文的研究成果将为植被物候模型的改进提供有力的科学依据。关键词：物候学；青藏高原；NDVI3g植物物候是指由于气候和其他环境因素的影响而每年发生的一种自然现象1，是植物长期适应环境的季节性变化而形成的生长节律2。物候是植被的一个敏感而关键的特征。它能反映植被生长和气候变化，有助于了解植被生态过程，量化天气收报日期：2016年9月18日。修订日期：2016年11月28日基金项目：国家杰出青年科学基金(51425903)；国家基金委创新组项目(41621061)基金：中国杰出青年科学基金，编号51425903；国家自然科学基金创新研究群体基金，编号41621061作者简介：孔东东(1993-)，男，河南周口人。电子邮件： 张q68 39-52页地理杂志第72卷变化对陆地生态系统的影响3。青藏高原是世界屋脊，高寒草原面积152.15104km2(占总面积257.24104km2的59.15%)，是中国乃至亚洲重要的牧区之一。青藏高原的生态过程对保护中国乃至东亚的生态安全具有独特的屏障功能4。因此，研究青藏高原原始物候变化具有重要意义。虽然对青藏高原植被物候的研究很多，但人们更多地关注生长季开始时间的变化及其原因3，5-7。尽管如此，关于生长季节3，5-7的开始时间的变化和原因仍然有很大的争议。不仅对生长季的开始时间，本文还定义了18个物候指标来研究生长季各阶段物候指标的变化。不同地区、不同植被类型的植被物候也有很大差异。简单地对青藏高原的物候指数进行平均，就可以覆盖物候指数的空间差异。因此，本文根据植被区划对青藏高原的物候进行了研究。对于有明显物候变化的地区，用偏最小二乘法来判断气象变量的影响。在分析气候变化对植被物候的影响时，植被对气象变化的影响具有滞后效应8。沈妙根等人叠加了前N天的气体图像变量的值来判断气象变量在早期生长季9-10的影响。然而，气候变量对植被气候的影响可能不是连续的，简单的叠前可能掩盖一些现象。偏最小二乘法能够识别气象因素影响植被物候的时间段，具有主成分分析和多元回归的优点。本文主要围绕以下两个问题展开：青藏高原的物候发生了什么变化；(2)气象因素对青藏高原物候变化的影响。根据NDVI3g数据，定义了18个植被物候指标来研究植被物候变化。根据133.3601米的植被带，青藏高原分为8个植被带。对于气候变化显著的地区，利用最高温度、最低温度、平均温度、降水量、太阳辐射等数据，用偏最小二乘法研究物候变化的气候原因。2数据2.1 NDVI数据本文利用归一化植被指数(NDVI)分析了植被物候的变化趋势。NDVI与植被初级生产力，叶片覆盖和生物量有很好相关性11，并已被广泛用于量化植被生长趋势和生长过程11。本文使用的NDVI是第三代NDVI3g(/data/pub/gimms/时间跨度为1981年7月至2013年12月)，NOAA系列卫星合成分辨率为1/12。为了减少云和大气对NDVI的干扰，利用NDVI时间序列的调和分析对数据进行平滑处理。NDVI，可以通过HANTS分析，被广泛用于物候指数提取4，12。由于物候提取方法在非生长季节易受NDVI影响，而积雪将在非生长季节显著影响NDVI13，在提取物候指标7时，NDVI数据需要除雪。本文用13日平均气温(半个月内连续5天低于0)来确定可能的积雪量。在选择研究区域时，植被稀疏的沙漠地区和NDVI没有明显季节变化的地区被切断。10年来NDVI年变化小于0.1的地区被认为是NDVI季节性变化相对较弱的地区。同时，移除包含多个生长季节和跨年度生长季节的区域，并参考GARONNA等人的12了解切割方法。2.2气象数据本文使用的气象数据来自中国气象驱动数据集，它是中国科学院青藏高原研究所14所开发的一套近地面气象和环境要素再分析数据集，空间精度为0.10.1。本文使用的温度数据是数据集的3小时时间尺度的温度数据，由此得到日最高温度第40期1孔东东等：1982-2013年青藏高原植被物候变化及气象因素的影响根据1:1米植被图集15，青藏高原分为9个植被亚区(13)，其中热带雨林区植被季节变化不明显，在研究区选择过程中被切断，剩下8个植被亚区(16)(图1)。3方法3.1植被物候指数的计算方法对NDVI数据进行去噪除雪处理后，定义了18个植被物候指数来研究植被物候变化。在从NDVI数据计算物候之前，用样条函数对NDVI数据进行逐日插值。与参数函数不同，样条可以最大程度地保持NDVI数据的变化形状12，17。(1)NDVI阈值法(TRS)NDVIratio=NDVI-NDV min NDVI max-NDV min(1)其中：NDVIratio首次超过阈值的日期定义为生长季节的开始日期；NDVIratio首次低于阈值的日期被定义为生长季节的结束日期12，17。例如，沈妙根等(18-19)，本文中的计算阈值分别为0.2和0.5，以下分别称为TRS2和TRS5。(2)NDVI最大斜率法的NDVI斜率的峰值和谷值分别对应生长季的开始时间和结束时间，同一生长季的开始时间和结束时间之间的间隔为生长季的长度12，18。同时，对应于最大NDVI的时间被定义为峰值时间。(3)曲率曲线法对于S型曲线，物候转换日期可根据当地曲率K20的极值来估算。曲率曲线K的两个局部最大值定义为复壮期和成熟期，两个局部最小值定义为衰老期和休眠期。曲率曲线k的计算公式如下：k=f (t)(1f(t)2)1.5(2)，其中：f(t)是NDVI序列的一阶导数；f”(t)是NDVI序列的二阶导数。(4)用4)Gu法的f(t)的最大值和最小值确定曲线在恢复和老化过程中的切线。恢复期切线与基线和最大线交点对应的日期定义为上升期和稳定期；对应于老化期切线和最大值线与基线交点的日期被定义为下降期和下降期21。考虑到NDVI在中期的衰落，菲利帕等人17在稳定期和衰落期之前定义了一条适合NDVI的稳定线。对应于青藏高原植被类型划分图1中稳定线和下降图1植被簇的交点的日期被重新定义为下降期。3.2分段回归分段回归广泛应用于NDVI和植被的物候过渡3。本文利用逐步回归分析了植被物候指数的突变点。Y=0 1t t 0 1t 2(t-) t (3)其中：t为时间(年)；y是响应变量(植被物候指数)；0、1和2是回归系数。0是截距，1和1 2分别是转折前后的趋势。是误差项；Alpha是响应变量的转折点。T检验用于检验原始假设H0: 2是否显著不同于0(即突变前后的趋势是否有显著差异)3。当测试显著性水平达到0.1时，转折点达到变异程度，称为变异点。为了确保趋势分析有一定的数据长度，转折点的范围是从1986年到2009年。同时，采用曼-肯德尔(M-K)法检测了物候指标在转换前后的变化趋势。3.3偏最小二乘回归偏最小二乘回归(PLS)兼有主成分分析和多元回归的优点，克服了预测变量22相关造成的多重共线性，PLS已应用于22植被变化的归因和近年来6植被气候变化的研究。VIP指数用于选择显著影响变化的变量。VIP0.8，表明该变量具有一定的解释意义；VIP 1，表明该变量具有明显的解释意义。本文采用了更严格的限制条件。当VIP 1时，考虑该变量对于某一气候指标，以物候指标的区域平均值为响应变量，以前期1-12月对应的区域平均气象变量(125=60个气象变量，包括月平均最高温度、月平均最低温度、月平均温度、月累计降水量和月平均太阳辐射)为自变量。偏最小二乘模型系数类似于多元回归斜率，反映了物候指标对气候变量的敏感性。当VIP 1时，自变量对因变量有显著的解释意义。4结果分析4.1不同植被分区的物候平均值图2显示了各植被分区15个物候指标的多年平均值(不包括生长季长度指标)。青藏高原的生长季主要在4月底至10月初，青藏高原东北地区的物候明显早于西南地区。不同方法定义的物候指标的平均分布存在明显差异。其中，返青期、上升期和长季节的开始时间相对较近，大致在4月底和5月初。成熟期主要分布在7月底至9月初。不同地区之间有很大的差异。温带草原物候早，温带草原晚，相差近一个半月。NDVI的高峰期主要在八月初。衰老期和衰退期的分布相对集中且一致，平均值出现在8月底和9月初。它在9月中下旬进入生长季节的末期。TRS2生长季的结束时间在不同地区波动很大，尤其是在常绿阔叶林和温带草原地区，这可能是由于这些地区的植被覆盖率较高。优势种衰退后，下层草本植被仍能保持一定的NDVI值24。因此，TRS2生长季节的结束时间在这些地区波动很大，阈值很小(0.2)。于等6认为，用阈值法提取青藏高原原始物候指数时，生长季结束时0.6阈值的拟合结果更接近实际。同时，TRS5和DES的生长季结束时间分布集中且相似，说明TRS5和DES推断的生长季结束时间更接近实际。10月中下旬，植被逐渐进入衰退期，11月中旬，植被进入休眠期。衰退期和休眠期