2003-2023年宁夏植被物候特征及其对气候变化的响应

2003-2023年宁夏植被物候特征及其对气候变化的响应摘要植被物候是气候变化的重要指示器，通过对其进行研究可以了解植被物候对气候的响应，这对于了解全球气候变化对陆地生态系统的影响具有重要意义。本文运用MODI13Q1数据，首先在MRT软件中对数据进行预处理去除异常值；然后用TIMESAT软件计算出植被物候参数；最后采用Theil-SenMedian趋势分析法、M-K检验和相关性分析法对2003~2023年宁夏植被物候时空演变进行分析，并探究气候因子对植被物候的影响。结果表明：（1）2003~2023年宁夏植被物候特征空间分异明显，其中植被SOS、EOS和LOS主要集中在第0~186天、201~352天和第119~263天。（2）2003~2023年宁夏植被SOS变化率主要集中在-2.0～3.0d/a，植被EOS变化率主要集中在-4.0～3.1d/a和植被LOS变化率主要集中在-4.0～2.3d/a。（3）宁夏四季平均气温均呈上升趋势，年均气温变化率为0.15℃/a。冬、春季气温与植被物候始期呈现负相关；夏、秋季气温与植被物候末期呈现正相关。（4）宁夏四季平均降水量除冬季外其余三个季节降水量呈现显著波动，植被物候始期与冬、春季降水量呈负相关；秋季降水减少和低温耦合作用使植被物候末期提前。关键字：植被物候；气候变化；响应；时空变化；宁夏PhenologicalCharacteristicsofVegetationinNingxiafrom2003to2023andTheirResponsetoClimateChangeAbstractVegetationphenologyisanimportantindicatorofclimatechange.Throughitsresearch,wecanunderstandtheresponseofvegetationphenologytoclimate,whichisofgreatsignificanceforunderstandingtheimpactofglobalclimatechangeonterrestrialecosystems.Inthispaper,modi13q1dataisused.Firstly,thedataispreprocessedinMRTsoftwaretoremoveabnormalvalues;Then,thephenologicalparametersofvegetationwerecalculatedbyTIMESATsoftware;Finally,thetemporalandspatialevolutionofvegetationphenologyinNingxiafrom2003to2023wasanalyzedbyusingTheilSenmediantrendanalysis,m-ktestandcorrelationanalysis,andtheinfluenceofclimatefactorsonvegetationphenologywasexplored.Theresultsshowedthat:(1)thespatialdifferentiationofvegetationphenologicalcharacteristicsinNingxiawasobviousfrom2003to2023,andthevegetationSOS,EOSandLOSweremainlyconcentratedinthe67-186days,201-336daysand119-263days.(2)From2003to2023,thevegetationSOSchangerateinNingxiawasmainlyconcentratedin-2.0~3.0d/a,thevegetationEOSchangeratewasmainlyconcentratedin-4.0~3.1d/a,andthevegetationLoschangeratewasmainlyconcentratedin-4.0~2.4d/a.(3)TheaveragetemperatureoffourseasonsinNingxiashowedanupwardtrend,andtheaverageannualtemperaturechangeratewas0.15℃/A.Thetemperatureinwinterandspringwasnegativelycorrelatedwiththebeginningofvegetationphenology;Thereisapositivecorrelationbetweenthetemperatureinsummerandautumnandtheendofvegetationphenology.(4)TheresultsshowthattheaverageprecipitationoffourseasonsinNingxiafluctuatessignificantlyexceptinwinter,andthebeginningofvegetationphenologyisnegativelycorrelatedwiththeprecipitationinwinterandspring;Thecouplingeffectofautumnrainfallreductionandlowtemperaturemakestheendofvegetationphenologyadvance.Keywords:Vegetationphenology;Climatechange;Response;Spatiotemporalvariation;Ningxia目录TOC\o"1-3"\h\u17811引言 引言在全球变暖的宏观背景下，全球的植被物候活动显著增强REF_Ref15858\r\h[1]。2003-2023年间，中国的平均气温上升了1.2℃，变暖速率达到0.02℃/a。植被物候是指植被在一定地理区域内，随着季节的变化而表现出的周期性的生长发育的状态，如植物的发芽、生长、开花、结果和落叶等。植被物候是生态系统研究的重要内容，其对气候变化的反映敏感并成为了生态系统响应全球变化的重要生物指示器REF_Ref32209\r\h[2]。大多数植被物候研究主要依赖定点观测，尽管定点观测法操作简单，但费时费力难以开展长时期和大尺度的植被物候研究REF_Ref16276\r\h[3]。随着遥感技术的发展，NDVI（归一化植被指数）成为研究植被物候的又一重要数据，因其能覆盖范围广、能够反映季节性和年际变化，已经成为研究植被物候的常用手段。近年来，国内外学者从不同角度对植被物候时空演变格局进行了研究和分析。在研究尺度上，部分学者研究宏观区域如中亚干旱区、中国热带-亚热带区域等REF_Ref19\r\h[4-REF_Ref16916\r\h6]；而更多学者关注中观区域，如中国北方、秦岭-淮河、中国东北地区和黄河三角洲等REF_Ref16926\r\h[7-REF_Ref163\r\h10]。在时间尺度上，研究主要分为两类：一是利用时序数据，如2001-2015年MODIS数据分析植被覆盖变化的时空特征以及1990—2020年三峡库区植被物候时空格局研究REF_Ref235\r\h[11-13REF_Ref257\r\h]；二是基于离散时间节点的数据，如侯静通过选取1992年、2000年、2006年和2012年时间节点的TM数据进行对比研究REF_Ref17021\r\h[14-REF_Ref293\r\h15]。研究方法上，动态阈值法、GAM模型、ESTAFM整合分析等方法被广泛应用，数据类型则主要包括Landsat、SPOT卫星数据及融合影像REF_Ref323\r\h[16-REF_Ref17341\r\h18]。宁夏是西北地区典型的生态脆弱区也是防沙治沙的先行区，分析全区植被物候的空间分布特征及其与气候因子的响应，有助于反应当地植被物候与气候因子的关系，为农业生产提供依据，同时也为评估三北防护林等生态工程提供数据支撑。因此，本文基于MODIS数据产品，深入分析宁夏植被物候始期（Startofthegrowingseason，SOS）、植被物候末期EOS(Endofthegrowingseason，EOS)和生长季长度LOS（Lengthofgrowingseason，LOS）在全球气候变化大背景下其时空演变特征，并探讨气温对宁夏植被物候SOS和EOS的影响REF_Ref365\r\h[19]。目的在于能够展示宁夏植被在不同的时间和空间尺度上的生态变化规律，揭示植被在不同季节的生长、发育和变化规律。通过研究植被物候时空分布规律，可以精确了解植物生长周期的特征；探究植被物候与气候因子的响应，对于评估生态环境健康，指导农业生产以及优化城市绿化布局和配置有着重要的作用。同时，研究气候因子对植被物候与气候因子的关系，有助于提升宁夏地区的生态环境质量，还能够为全国的植被物候研究和生态环境保护提供参考价值。1研究区概况及数据来源1.1研究区概况宁夏回族自治区位于中国西北内陆地区，位于黄河中上游的关键河段，是我国西北地区的重要生态屏障区。多条自然地理分界线从宁夏境内穿过，形成了南、北部地区地理环境的显著性差异。全区总面积6.64万平方公里，其深居内陆的地理特征导致其形成了干旱的气候特征REF_Ref395\r\h[20]。宁夏属于典型大陆性气候，年温差和日温差较大。夏季受大陆气团控制气温较高，月均温可达22.6℃，丰富的热量为植被快速生长提供了条件。当进入秋季后气温迅速下降平均气温降至9.7℃，季节性温差的剧烈变化对植被物候产生了显著的影响。除温度外，降水也对植被的生长起着关键性作用。宁夏降水稀少且分布不均，年均降水量仅约220mm，干旱的气候特征进一步加剧了气温变化对植被的影响程度。宁夏的地形丰富多样，平均海拔超过1000米。因为气候和地形分布的显著性差异，导致宁夏各地区的植被类型也相应地发生变化。全区植被类型主要以草原、荒漠和大面积农田为主。在南部六盘山地区分布有针叶林和阔叶林，北部贺兰山地区则发育着针叶林与阔叶林群落。这些植被系统不仅为许多野生动物提供了栖息场所，还在维护生态平衡、维持区域水土保持、碳汇平衡等生态功能中发挥重要的作用REF_Ref430\r\h[21]。图SEQ图\*ARABIC1研究区地形与土地利用类型分布1.2数据来源与处理1.2.1归一化植被指数（NDVI）本文采用归一化植被指数（NDVI）提取植被物候。NDVI数据来源于美国国家海洋和大气管理局（/）提供的MOD13Q1数据集，时间跨度为2003年1月至2023年12月，空间分辨率为250m，时间分辨率为16d。为避免传统研究中下载数据遇到的重投影、镶嵌等复杂步骤，本研究使用IDM软件进行数据下载工作。获取数据后，在MRT软件中对MODIS数据进行初步处理，将数据格式转化为TIF格式，并将初步处理的数据地理坐标投影系均设置为WGS_1984，经由ArcGIS对元数据进行批量掩膜处理。1.2.2气象数据为了评估植被物候对气温、降水的响应，本文采用了中国气象局（CMA）提供的中国逐月气温、降水数据集。该数据集的空间分辨率为1km，时间跨度同样为2003年1月至2023年12月。利用ArcGIS，对气温和降水数据集进行掩膜提取，确保提取的数据范围与NDVI数据集范围一致。2研究方法2.1植被物候提取方法TIMESAT软件是提取植被物候参数提取领域重用软件REF_Ref17236\r\h[22]。本研究旨在获取宁夏地区的植被物候参数，故选用TIMESAT软件中动态阈值法来提取宁夏植被物候参数。在TIMESAT的实际应用中，其核心在于将NDVI增长或下降到某一阈值的时间，分别精准定义为生长季始期或生长季末期，生长季末期与生长季始期之间的时间跨度为生长期长度REF_Ref17119\r\h[23]。考虑到不同地区植被生长的差异，参考相关论文中的成果，将这一阈值比例设定为20%REF_Ref17119\r\h[24-REF_Ref538\r\h25]。利用此方法提取宁夏2003-2023年植被物候参数，即生长季始期和生长季末期，生长季末期与生长季始期之差为生长季长度。2.2Theil-SenMedian趋势分析和M-K检验最小二乘法是在研究时间序列分析中被广泛应用的一种方法，但是最小二乘法也存在着明显的缺陷，主要表现为其对数据中异常值极为敏感。若数据中存在少量的异常值就会有可能干扰计算结果，进而导致对时间序列趋势的错误分析。相比较之下，Theil-SenMedian趋势分析法有一定的优势。与最小二乘法相比，在进行时间序列趋势分析时Theil-SenMedian趋势分析法不仅可以避免数据缺少对分析结果的影响，而且还具备强大的去除干扰值的能力REF_Ref17305\r\h[26-REF_Ref571\r\h27]。即使在数据不够完整或不够完全的情况下，该方法依旧能够提供更为稳健和准确的趋势分析结果。其计算公式如下：β=median(xj公式中：β表示时间序列的变化趋势；xj和xi分别表示j和i当时时刻的序列值。当β>0时，这意味着时间序列呈上升趋势，表明随着时间的推移，对应的数据指标在逐步增长；当β<0时，则表示时间序列出现下降的趋势，即相关数据指标随着时间而逐渐降低；当β=0时，说明时间序列的趋势不明显，数据在一定时间范围内处于相对平稳的波动状态，为呈现明显的上升或下降趋势。Mann-Kendall（M-K）统计检验是一种非参数检验方法，广泛应用于长时间序列的趋势分析REF_Ref604\r\h[28-REF_Ref610\r\h29]。该检验方法允许数据存在缺失，具有能够排除较多的异常值干扰并且无需检验数据的分布等特点。M-K统计检验是一种强大的趋势分析方法，适用于长时间序列数据的趋势检测REF_Ref636\r\h[30-REF_Ref643\r\h31]。其无需数据分布假设，抗异常值干扰、操作简便，已被广泛用于气象与水温数据的趋势检验。其计算公式如下：计算统计量S：S=i=1其中：xi和xj分别为时间序列中第i个和第j个数据值sgn是符号函数，定义如下：sgn(xj−计算方法Var（S）：Var(S)=n(n−1)(2n+5)18（其中：n为时间序列的长度。计算标准化统计量Z：Z=S−1Var(S)(S>0)其中：Z服从标准正态分布，其绝对值越大，表明趋势越显著。若Z>0，表示时间序列数据随时间的推移呈现上升趋势；若Z<0，表示时间序列数据随时间的推移呈现下降趋势；Z=0，表示时间序列数据无明显趋势。2.3相关分析为了分析气温变化对植被物候期的影响，本文采用相关分析方法，探究植被物候始期和末期与气温之间的相关关系REF_Ref672\r\h[32-REF_Ref682\r\h33]。相关分析通过计算相关系数r来量化气温与植被物候之间的关系强度。其计算公式为：r=i=1n(T公式式中：Ti为第i年的气温数据;Xi为第i年的物候数据(包括物候始期与物候末期)；T和`X分别为多年气温和物候的均值。相关系数r的取值范围为[-1,1]。r>0表示气温与植被物候呈正相关，即气温升高可能导致植被物候始期推迟或末期推迟。r<0表示气温与植被物候呈负相关，即气温升高可能导致植被物候始期提前或末期提前。∣r∣

的大小表示气温对植被物候影响的强度。∣r∣越接近1，表明气温对植被物候的影响越强；∣r∣越接近0，表明气温对植被物候的影响越弱REF_Ref718\r\h[34]。2.4ArcGIS空间分析ArcGIS空间分析目的是从复杂的空间数据中提取关于地理数据的信息，如SOS、EOS和LOS的空间分布以及形成与演变过程。本文基于MODI13Q1数据，在TIMESAT软件中计算出植被物候参数，然后在ArcGIS中采用Theil-SenMedian趋势分析法、M-K检验和相关性分析法对2003~2023年宁夏植被物候SOS、EOS和LOS的时空演变进行分析，并探究气温对植被物候的影响。3宁夏植被物候时空演变特征3.1NDVI时空分布特征分析通过ArcGIS计算出NDVI多年平均值，分析2003~2023年平均NDVI空间分布图（图2），可以看出植被覆盖度呈现出显著的区域差异。六盘山地区和北部贺兰山部分地区植被覆盖度较高集中分布在0.39~0.68；宁夏平原、清水河流域和固原市大部分地区植被覆盖度主要分布在0.22~0.38之间；宁夏其余地区植被覆盖度分布在-0.1~0.21之间。图SEQ图\*ARABIC2宁夏NDVI多年平均空间分布2003-2023年，宁夏NDVI变化趋势显著（图3）。从整体上看，宁夏NDVI以每年0.1的速率稳步增长。这一变化趋势反映出宁夏生态建设和植被保护方面取得的成效。在年际变化方面，宁夏NDVI波动明显。2005年NDVI达到了最低值-0.65，2016年NDVI升至最高值2.85。纵观2003~2023年，宁夏NDVI的整体平均值为4.32。这一数据反映了该时间段内宁夏植被覆盖状况的总体水平，尽管存在明显波动，但整体上呈增长趋势，表明宁夏的生态环境正朝着良好的方向发展。图SEQ图\*ARABIC3宁夏多年NDVI变化趋势3.2植被物候空间分布特征计算2003-2023年间植被的SOS、EOS和LOS的多年平均值，计算结果如图4所示。通过空间分布图（图4）展示其空间变化特征，以研究宁夏植被物候的空间变化格局，并通过空间分布图展示了其空间变化的特征。从宁夏植被物候始期（图4a）可以看出，宁夏植被物候始期集中在0~186天。宁夏大部分地区植被物候始期集中第121~186天（即4月初至7月初），主要分布在中部和东部盐池部分地区。宁夏中卫市沙坡头地区由于黄河水的灌溉、北部的贺兰山地区凭借着独特的山地气候与地理条件、南部六盘山地区受当地湿润气候的影响，这些地区的植被物候始期早于102天。南部山区大部分区域植被物候始期集中在第103~120天。整体来看，宁夏多年平均植被物候始期呈现出由四周高海拔地区向中部低海拔地区逐渐推迟的趋势。宁夏植被物候末期（图4b）时间集中在第201~352天（7月中旬至12月初）。其中，大部分地区的植被物候末期较晚，主要集中在第283~352天。从图中明显看出在海原县南华山地区和吴忠市利通区的物候末期主要集中在第201~282天，相比较其他地区植被进入衰落期较早。耕地比草地更早的进入植被物候末期。耕地植被在秋季通常会被收割，导致其物候末期相比较其他植被提前，导致植被提前进入休眠状态。整体上来看，植被物候末期呈现由四周向中间逐渐提前的趋势。由生长季长度（图4c）可知，宁夏植被生长季长度时间在119~339天。其中，宁夏中部黄河流域及清水河流域LOS时间主要集中在119~187天，相对时间长度较短，这与黄河灌溉带来的水分条件变化以及周边相对活动的人类农业活动有关。而其他大部分地区LOS时间长度较长，主要集中于188~221天。其中南部六盘山地区、中卫市沙坡头和贺兰山地区的LOS长度较长，集中在205~339天。南部六盘山区海拔较高，植被生长季开始早且结束较晚；中卫市沙坡头地区因为有黄河水的灌溉，植被始期早、末期晚。从整体上来看，宁夏植被生长期由四周向中间逐渐减少的趋势。图SEQ图\*ARABIC4宁夏植被多年平均物候期3.3植被物候年际变化趋势利用Sen趋势分析法对宁夏2003-2023年植被物候变化趋势进行分析，并结合M-K显著性检验方法对结果进行了验证，结果如图5所示。结果显示宁夏植被物候始期、末期和生长季长度的变化趋势具有明显的空间分异特征，且不同植被类型的物候变化表现出显著差异。宁夏植被物候始期年际变化趋势（图5a）主要集中在-2~3.0d/a之间。北部大部分地区和南部山区植被物候始期的年际变化最为明显主要集中在1.7~3.0d/a。黄河流域植被物候始期年际变化率相对稳定，主要集中在1.0~1.6d/a。从物候始期显著性检验图（图6a）可以看出，宁夏约63%的区域植被物候始期呈现推迟趋势。这些区域主要集中在宁夏西北地区和南部六盘山地区。在同心县、海原县和灵武市部分区域植被物候始期显著提前，其余大部分地区植被物候始期显著推迟。图SEQ图\*ARABIC5宁夏植被物候年际变化趋势宁夏植被物候末期年际变化趋势（图5b）集中在-4~3.1d/a。宁夏平原植被物候末期的年际变化率大，集中在1.5~3.1d/a，宁夏平原植被物候末期变化率高主要是因为此地区主要是耕地，作物的收获时间每年都和当年的气候有一定关系，故每年的收获时期也存在差异，所以其年际变化大。宁夏大部分地区植被物候末期年际变化率主要集中在-4~-1.0d/a。显著性检验结果显示（图6b），宁夏75%的地区呈现出植被物候末期显著提前的趋势。具体来看，北部大部分地区以及中部和南部六盘山地区均表现出显著提前的态势。宁夏植被生长季长度年际变化趋势（图5c）其变化速率集中在-4~2.3d/a之间，其中大部分地区的生长期长度变化率在-2.1~-1.1d/a。银川平原变化率在-1.0~2.3d/a。从显著性检验图（图6c）可以看出，宁夏约79%地区呈现出显著提前的趋势。主要集中在宁夏西北部、南部六盘山地区和黄河流域。图SEQ图\*ARABIC6宁夏植被物候显著性检验（p<0.05）进一步从显著性差异的角度分析，草地、森林与耕地植被的物候变化具有不同的特点：草地、森林植被物候始期相较于耕地植被，其提前趋势更显著。主要是因为草地、森林区域相对受人类影响较小，生态系统会更加稳定，使其更能纯粹地按照自然规律做出响应。此外，大面积的草地、森林覆盖在遥感监测中具有较高的辨识度，当森林开始变绿、耕地被收获后易于被遥感设备捕捉到。这是因为草地、森林植被的颜色变化过程相对缓慢，其生长过程不易在短时间内被清晰地监测到显著变化。相反，耕地植被成熟后因被收割，颜色和覆盖度发生急剧且显著的变化，这种明显的变化特征使得耕地植被物候末期在监测数据中表现的更为突出，易于被监测到。综合分析物候显著性检验图其显著性分布规律与宁夏气候分布图大致一致，北部引黄灌区和南部山区植被物候始期显著推迟，中部干旱带植被物候始期显著推迟；而植被物候末期的显著性与始期相反；北部引黄灌区和南部山区的生长期长度显著提前，而中部干旱带生长期长度显著缩短。4宁夏植被物候与气候响应关系4.1宁夏植被物候与气温的响应关系4.1.1宁夏气温年际变化在气温数据的获取和处理过程中，常用的方法是空间插值法虽然易于获取大范围的温度特征，能从宏观层面为基础研究提供数据，但由于模型自身局限性以及各类误差因素的干扰，其最终得出的结果存在不确定性，可能影响植被物候与气温响应关系的精确分析。因此，为了研究结果的准确性，采用了宁夏五个气象站点所记录的数据。通过计算，得出宁夏全区各季节气温平均值，并将其与全区植被物候数据进行相关分析。这五个气象站点分布于宁夏不同区域，因其空间覆盖性和长期观测纪录，能够较好地代表宁夏整体的气候特征。植被物候对气温变化具有显著的响应关系，且这种响应关系存在1-2个月的滞后效应。基于宁夏的植被物候特征，本研究将一年明确划分为四个季节，即冬季（12月至次年2月）、春季（3-5月）、夏季（6-8月）和秋季（9-11月）。为了深入研究植被物候与气温之间的响应关系，选择以下气温数据进行分析：冬季、春季以及1月、2月、3月均温研究植被物候始期；选择夏季、秋季以及8月、9月、10月均温用于与植被物候末期进行相关性分析，以探究植被物候对气温的响应关系。从折线图中可以看出，春季、夏季、秋季和冬季气温均呈上升趋势，变化率分别为0.05℃/a，0.09℃/a，0.02℃/a和0.1℃/a。在四季中，冬季的升温趋势最为明显，夏季升温趋势次之。从整体上来看，宁夏年均气温呈现明显的上升趋势，年均气温变化率为0.15℃/a。这一气温变化趋势对当地的生态环境尤其是植被物候产生了不可忽视的影响。图SEQ图\*ARABIC7宁夏气温年际变化4.1.2植被物候始期对气温的响应通过ArcGIS计算出植被物候与气温的相关性。近几十年来，宁夏植被物候始期对于气温变化的响应在整体上趋势趋于一致，但内部仍存在显著的区域差异。通过对植被物候始期与春季、夏季及1-3月平均气温的全面分析，可以看出气温与植被物候始期主要呈现负相关，即气温升高能促进植被的生命活动进程，使得植被物候始期相应提前。从冬、春季均温与植被物候始期的相关性来看，春季的平均气温为11.9℃相较于冬季平均气温-4.0℃显著升高。在空间分布上，植被物候始期的负相关性在中卫市南部地区和同心县最为显著，相关系数在-0.8~-0.4即气温的微小变化会对植被物候始期产生较为明显的影响。1-3月的平均气温呈现出逐步回升的趋势，从1月的-6.1℃上升至3月的5.6℃。通过分析2月到3月的相关性分布图并结合当时的气温可知，尽管2月开始气温就已升高，但从2-3月的相关系数分布图可以看出直到3月植被物候始期才出现显著变化。这一现象解释了植被物候始期对气温的变化具有明显的滞后性，这种滞后性是因为在植被生长之前需要积累足够的热量才能开始生长。由于植被对气温变化较为敏感，春季气温成为宁夏植被物候始期的主要驱动因素。图SEQ图\*ARABIC8植被物候始期与气温的相关系数空间分布从土地利用类型来看，不同植被类型对气温变化的响应程度存在明显差异。其中，耕地的变化最为显著。这主要是因为耕地多为人工种植的农作物，农事活动如播种时间选择、灌溉和施肥等措施，在一定程度上与气温变化相互交织使得耕地对气温变化的响应更为明显。相比之下，草地和林地其群落相对复杂，受人类干扰较小，其与气温的相关性较弱。草地通常有较强的适应性和自我调节能力，林地高大的乔木结构可通过冠层遮荫和蒸腾作用缓冲热量传递，从而减缓对气温变化的响应。4.1.3植被物候末期对气温的响应图SEQ图\*ARABIC9植被物候末期与气温的相关系数空间分布从图中可以看出8-9月植被物候末期变化最为显著。这主要是因为9月作为宁夏收获的关键时期，具有重要的影响作用。在这一始期，大面积的耕地农作物进入收获阶段，大量的农作物被收割，使得地表植被的覆盖度、颜色等在短时间内发生了明显的变化。这种变化在卫星影像中能够被清晰地监测到。4.2宁夏植被物候与降水的响应关系4.2.1宁夏降水年际变化从折线图中可知（图10），除冬季降水相对稳定外，春季、夏季、秋季的降水波动明显。春季降水的年际波动剧烈，2003-2013年间多次出现极值，2013年后波动的幅度有减小但整体仍呈现不稳定。夏季降水波动幅度大，2020年达到20年间的最高值80.41mm，可能是由于气候变暖导致的极端降水增加。秋季波动相比较其他季节幅度较平缓，但2013年同样出现了明显的峰值，可能与夏季极端降水的滞后效应有关。冬季为全年最稳定的季节，在20年间降水量变化幅度最小，未出现极端降水事件。图SEQ图\*ARABIC10宁夏降水年际变化4.2.2植被物候始期对降水的响应图SEQ图\*ARABIC11植被物候始期与降水的相关系数空间分布在近几十年来，宁夏植被物候始期对于降水量变化的响应具有明显的季节性差异。通过对植被物候始期与冬季、春季及1-3月的降水量的相关性分析发现，植被物候始期与降水量总体呈现负相关，即降水量高的地区能够促进植被的生长，使得植被物候始期相应提前。从冬、春季降水量与植被物候始期的相关性来看，春季的平均降水量在15.9mm，相较于冬季的平均降水量2.62mm有明显的增长。但从空间分布图来看，春季降水量显著高于冬季，但其与植被物候时期的相关性弱于冬季。这是因为春季气温快速上升，其主要成为影响植被物候的主要因素，因此春季的相关性没有冬季强。1月的平均降水量为2.6mm，2月平均降水量增长到3.6mm到3月平均降水量有明显增长为6.0mm。从图11来看，植被物候末期与降水量的相关性呈现出明显的空间分异特征。北部引黄灌区植被物候末期与降水量的相关性从正相关逐渐转变为负相关。这主要是由于北部有大面积的耕地，随着播种的开始人工灌溉弱化了降水对植被生长的影响，干扰了其生长周期。1-3月中部干旱带植被物候始期与降水呈现正相关，但2月主要呈现负相关，其可能与融雪水分释放干扰有关。当降水量超过阈值（≥10mm）时，植被物候始期与降水才能呈现正相关。低于阈值时负相关占主导。南部山区植被物候始期与降水量主要呈现正相关，主要是因为在1-3月南部山区降水量逐渐增加，增加了土壤湿度，为植被萌发提供了充足的水分。从土地利用类型来看，耕地在种植、生长过程中在一定程度上依赖降水，但对灌溉的依赖性更强，尤其是北部引黄灌区的耕地，主要依赖黄河水的灌溉，对自然的降水依赖性较弱。草地和林地的生长与降水呈正相关，春季降水的增加使植被萌发提前，此时气温也逐渐升高，水热协同作用促使植被生长。4.2.3植被物候末期对降水的响应从夏季过渡到秋季，宁夏平均降水量有着显著的变化。平均降水量由夏季的53.9mm降到秋季的25.4mm。从图12可知，夏季宁夏大部分地区植被物候末期与降水量没有明显的相关性，宁夏平原与植被物候末期呈现出正相关主要是因为宁夏平原是干旱半干旱地区，降水是制约植被生长的关键因素，夏季降水增多可改善植被生长条件减少植被的衰老；南部山区呈现出负相关，主要是因为夏季降水增多会加速土壤中养分的淋溶，导致植被可利用的养分减少，同时夏季在降水增加的同时高温也同时存在，导致植物的蒸腾作用减弱，光合速率降低加速了叶片的衰老。秋季开始出现明显的正相关区域，即降水量增加会使植被物候末期提前。正相关区域集中在中部干旱带南部和宁夏南部地区，主是因为此地区长期适应干旱的环境，夏、秋季降水短时增长可刺激植被的短时生长，但因此地区长期缺乏水资源，会导致植被在缺水后提前进入休眠时期。北部盐渍化地区因秋季降水增加导致盐分浓度增加超过植被耐盐的承受范围，植被因渗透胁迫提前枯萎。8月平均降水量为63.8mm，9月平均降水量为49.4mm到10月平均降水量降到20.2mm。图中可以看出8-10月随着时间的推进，降水量与植被物候末期的相关性逐渐增强呈现正相关，到10月宁夏大部分地区随着降水量的减少植被物候末期提前。8-10月降水持续减少会加剧土壤水分的缺失，植被因水分缺失会导致植被枯黄期提前。在宁夏中南部干旱草地区尤为显著。与此同时在这一时期气温也随之下降，低温和水分双重胁迫，加剧了物候末期提前的幅度。图SEQ图\*ARABIC12植被物候末期与气温的相关系数空间分布5结论与展望5.1结论本文基于MODI13Q1遥感数据，利用TIMESAT对SOS、EOS和LOS进行提取、计算。在此基础上，深入研究了2003-2023年间宁夏植被物候SOS、EOS和LOS的空间分布规律和时空变化特征，并探讨了其背后的主要影响因素，得出以下结论：（1）2003-2023年宁夏植被物候始期（SOS）分布范围在第0~186天，北部贺兰山地区、南部六盘山地区和中卫市沙坡头地区物候始期早（早于102天），而大部分地区集中在121~186天。整体呈现由四周向中部地区逐渐推迟的趋势。植被物候末期（EOS）主要集中在第201~352天，大部分地区物候末期较晚，但西部海原县南华山及中部吴忠市部分地区较早。耕地比草地更早进入物候末期。植被生长期长度（LOS）主要集中在119~263天，主要呈现由四周向中部时间逐渐缩短的趋势。（2）2003~2023年植被物候始期变化率集中在-2~3.0d/a，北部大部分地区和南部山区变化率较大1.7~3.0d/a，黄河流域变化率稳定在1.0~1.6d/a。63%的区域呈现显著推迟趋势。植被物候末期变化率主要集中在-4~3.1d/a，大部分地区变化率为-4~-1.0d/a，宁夏平原植地区变化率为1.5~3.1d/a。75%的地区呈现显著提前趋势，北部大部分地区和南部六盘山地区尤为明显。植被生长季长度变化率集中在-4~2.3d/a，大部分地区变化率为-2.1~-1.1d/a，银川平原变化率为-1.0~2.3d/a。79%的地区呈现显著缩短趋势，主要集中在西北部、南部六盘山地区和黄河流域。（3）宁夏四季气温均呈上升趋势，冬季升温最明显，年均气温变化率为0.15℃/a。春季气温11.9℃较冬季气温-4℃显著升高，气温与植被物候始期呈现负相关，气温升高导致植被物候始期明显提前。1-3月平均气温从-6.1℃升至5.6℃，植被物候始期在3月有明显的变化。中部以南地区随气温升高，植被物候始期显著提升。夏季到秋季平均气温从22.6℃降至9.7℃，气温与植被物候末期呈正相关，气温下降导致植被物候末期提前。8-10月平均气温从21.8℃降至10.0℃，植被物候末期虽气温降低显著提前，8-9月变化最为明显，主要与耕地收获有关。（4）宁夏四季平均降水量除冬季外，其余三个季节平均降水量波动明显。植被物候始期与冬、春季呈现负相关，表明降水量的增加可提前物候始期。但因春季气温快速上升气温逐渐成为植被物候始期的主导因子，弱化了降水对植被物候始期的影响。夏季到秋季平均降水量由53.9mm降到25.4mm，结合同期温度的下降，水热共同作用驱动植被物候枯黄期提前，尤其是在中部干旱带表现最为明显。对于不同的植被类型耕地对水资源的依赖程度最大，但其对主要依赖于灌溉弱化了自然降水的影响。草地和林地对降水的驱动效应显著，但宁夏北部某些地区因秋季降水引发土壤盐分上升，导致植被提前枯萎。5.2展望本文对宁夏植被物候始期（SOS）、末期（EOS）和生长季长度（LOS）的空间分布和时间序列以及影响因素分析进行了分析，从气候因素中选取了气温来分析其对植被SOS和EOS分布的潜在影响，但由于只选择了一个影响因子，故无法做到全面且深入的揭示各种因素对宁夏植被SOS和EOS的影响。我们必修认识到人类活动对SOS和EOS的复杂影响，特别是随着城镇化的不断推进：如人口流动、农业政策的调整等，都可能对宁夏植被的SOS和EOS时间产生影响。因此，在未来的研究中应该考虑选取更多的影响因子，这将有助于我们更好的面对区域生态环境变化。参考文献卜亚勤,丁海勇.北京植被物候时空变化及对城市化的响应[J].遥感信息,2022,37(02):112-118.PinnaD,SozziM,PornaroC,etal.ModellingvegetationphenologyinalpinegrasslandsofNorth-EastItalyintegratingmicroclimaticandmeteorologicalDrivers:A23-YearsTime-Seriesanalysis[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2025,232110154-110154.李净,刘红兵,李彩云,等.基于GIMMS3gNDVI的近30年中国北部植被生长季始期变化研究[J].地理科学,2017,37(04):620-629.花艺玮,孟丹,胡非凡,等.城市化背景下京津冀地区遥感植被物候的变化特征[J/OL].应用生态学报,1-12[2025-04-12].薛盈盈,谭秋.中国热带亚热带植被春季光合物候始期对气候变化的响应[J].农业与技术,2024,44(09):92-96.刘彬,罗青红,丰德恩,等.中国北方地区植被春季光合物候对气候因素的响应[J].水土保持研究,2024,31(06):237-242.王雅婷,朱长明,张涛,等.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(04):225-234.张焱,王焕炯,高成蹊,等.中国东北地区植被绿度与光合春季物候特征及其对水热因子的响应[J].地理科学进展,2024,43(12):2507-2519.刘慧,韦露,熊增连,等.2000—2020年湟水流域森林物候变化及其对气候因子的响应[J].生态与农村环境学报,2025(2).宋杰,张朝,韩继冲.基于GEE与多源遥感数据融合反演高时空分辨率物候[J].遥感学报,2024,28(11):2910-2926.崔红婧,褚琳,尹雅琦,等.1990—2020年三峡库区植被物候时空格局及其演变机制[J].生态学报,2024,44(09):3775-3790.张巧凤,于红博,黄方.蒙古高原干旱时空特征及对植被物候的累积影响[J].干旱区研究,2024,41(09):1548-1559.XueL,KunxiaY,GuoceX,etal.Spatiotemporalevolutionofvegetationphenologyanditsresponsetoenvironmentalfactorsintheu