李曉東 閆守剛

(白城師范學(xué)院，白城，137000)

植被生長期變化，是地學(xué)專業(yè)研究植被生命周期及其與氣候關(guān)系的一個重要參量［1］，是一種大地理區(qū)域尺度上的變化現(xiàn)象，其變化反映了地球生物圈對地球氣候與水文系統(tǒng)季節(jié)和年際變化的響應(yīng)［2］，對于深入研究全球氣候變化及其與陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系等具有十分重要的意義。地表植被指數(shù)數(shù)據(jù)，即歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)常被用來研究區(qū)域和全球植被的狀況［3］，是研究全球植被變化非常理想的植被指數(shù)。植被具有涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學(xué)的良性循環(huán)［4-7］。然而，溫度、降水等氣候因子作為植物生長發(fā)育的必要環(huán)境條件，對植被的生長、物候、內(nèi)部的水分關(guān)系與氣體交換等產(chǎn)生重要影響［8-9］。在國內(nèi)，針對溫帶典型區(qū)域植被生長季及其時空變化的相關(guān)研究沒有太大的差別，主要不同在于所使用的數(shù)學(xué)模型簡單與復(fù)雜的問題［10-11］。筆者借鑒了國內(nèi)外常見的幾種遙感監(jiān)測方法，針對吉林西部的植被生長具體情況重新確定了生長期的相關(guān)因子，并結(jié)合氣候特點分析了該區(qū)植被生長中水熱條件存在的問題。

1 研究區(qū)概況

吉林西部轄白城、松原兩市，東俯東北平原腹地，西接呼倫貝爾草原，南鄰科爾沁沙地，北臨大興安嶺林區(qū)，地理區(qū)位意義重大。研究區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，升溫比較快;夏季炎熱，降水集中;秋季涼爽，變溫快、溫差大;冬季漫長，干燥寒冷。隨著近年來氣候變化加劇，荒漠化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理分析

2.1 地表植被指數(shù)數(shù)據(jù)

研究采用的遙感數(shù)據(jù)為國家自然科學(xué)基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”組制作的1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOTNDVI數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集被國內(nèi)很多學(xué)者用于植被及生態(tài)環(huán)境的研究，都取得了比較好的應(yīng)用效果［12］。若植被序列集中某時期數(shù)據(jù)缺失則以缺失數(shù)據(jù)前后2旬?dāng)?shù)據(jù)的平均值替缺失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的平滑濾波處理利用Savizky-Golay濾波函數(shù)進行［13］。

2.2 植被生長季始期計算

將1998—2008年NDVI的36旬植被指數(shù)序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為累積頻率值，發(fā)現(xiàn)其累積頻率曲線大致呈現(xiàn)出與植被生物量曲線相一致的“S”型生長變化規(guī)律。根據(jù)這一規(guī)律，構(gòu)建了基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型來求算植被生長季始期［14］。模型建設(shè)過程主要包括累積頻率轉(zhuǎn)化、曲線擬合、擬合優(yōu)度檢驗、曲率計算以及植被生長季始期的確定等步驟［15］。

①NDVI累積頻率轉(zhuǎn)化。將處理后的NDVI時序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于像素單元的累積頻率值。東北地區(qū)的種植制度為一年一熟，因此植被類型一年中只有一個峰值，利用Logistic模型公式對研究區(qū)植被進行模擬［16］。

式中：t指時間(d);TNDVI指隨時間t的 NDVI擬合值;a、b、c均為擬合參數(shù)，是大于零的常數(shù)。

②根據(jù)模擬的曲線，利用Logistic模型進行模擬。通過計算模擬曲線的曲率，求其極值，確定地表植被生長期的起止時間，曲率計算公式如下：

式中：z=exp(a+b×t);a是沿時間曲線移動單位弧長時切線轉(zhuǎn)過的角度;s為單位弧長;b、c為擬合參數(shù)。

在NDVI累積頻率時序曲線上，求出其曲率的最大值，該點處曲線彎曲程度最大，說明在最大曲率點對應(yīng)日期之后植被生長季迅速增長，依據(jù)此判定極值點對應(yīng)日期為該點上的植被生長期的初始日期。

③確定植被生長季始期。將擬合曲線曲率的最大值點處對應(yīng)的日期作為植被綠度始期，將曲率最小值點處對應(yīng)的日期作為植被綠度末期。據(jù)此可求出植被綠度始期和綠度末期。使用基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型計算得到1998—2008年的植被生長季始期，分別統(tǒng)計各年份的植被生長季的始期，確定植被生長季終期與生長季持續(xù)天數(shù)。所有處理分析都在遙感軟件平臺ERDAS與地信軟件平臺Surfer和微軟Excel中完成。

3 結(jié)果驗證與數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果的驗證

在研究區(qū)域進行樣點選取，共180個。使用Logistic函數(shù)分別對吉林西部的NDVI累積頻率曲線進行擬合驗證，見圖1～圖3。圖中R2指相關(guān)系數(shù)的平方，值越大，相關(guān)性越好。可見，各站點1998、2003和2008年NDVI累積頻率曲線與其擬合曲線之間的相關(guān)系數(shù)的平方均在0.994以上。本研究模型在東北農(nóng)牧交錯區(qū)具有較好的擬合效果。

圖1 1998年吉林西部地表植被累計分布函數(shù)與擬合曲線圖

圖2 2003年吉林西部地表植被累計分布函數(shù)與擬合曲線圖

圖3 2008年吉林西部地表植被累計分布函數(shù)與擬合曲線圖

3.2 吉林西部地表植被生長期總持續(xù)時間

使用1998—2008年NDVI的36旬序列數(shù)據(jù)，利用基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型計算研究區(qū)內(nèi)的植被生長始期與終止期，并分析各植被生長期相關(guān)因子的時空變化特征。由圖4可知，吉林西部以草原為主，白城市(通榆、長嶺縣為主)與松原市部分區(qū)域的生長期持續(xù)時間為140 d，草原核心區(qū)內(nèi)有達到140 d以上的區(qū)域存在;研究區(qū)以東的地區(qū)是吉林省的主要農(nóng)耕區(qū)域，種植以水稻、玉米、大豆和高粱為主。該區(qū)域的植被生長期持續(xù)時間為122～130 d;長白山部分區(qū)域是北方主要的林區(qū)之一，地表植被生長期持續(xù)時間在112 d以內(nèi)?？傊?，地表植被生長期的天數(shù)由西向東逐漸減少。

圖4 吉林西部地表植被生長期總持續(xù)天數(shù)分布

3.3 吉林西部地表植被生長初始期

由圖5可知，吉林西部的草原區(qū)域植被生長期起始天為年后的第126天(即，5月上旬)，包括吉林省的通榆、長嶺縣(吉林西部主要堿嶺和堿地的分布區(qū)域);吉林西部大部分區(qū)域(包括白城市與松原市)地表植被生長始期在第136天左右開始(即，5月中旬);研究區(qū)以東區(qū)域是濕潤地區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣溫轉(zhuǎn)暖較為遲緩，農(nóng)耕期也短?？傮w上該區(qū)域的植被生長期起始天為年后的第140天(即，5月中下旬)?？梢钥闯?，研究區(qū)內(nèi)地表植被生長期的始期，在空間上，由西向東經(jīng)歷由先到后的變化，向東越來越遲。生長期始期日期相差20 d以上。

圖5 吉林西部地表植被生長初始期空間分布

3.4 吉林西部地表植被生長終止期

由圖6可知，吉林西部包括白城市與松原市大部分區(qū)域，植被生長期終止天為年后的第266～270天(9月下旬與10月初);研究區(qū)以東，植被生長期終止天為年后的第260～266天(9月中旬);長白山部分區(qū)域地表植被生長終期出現(xiàn)在第250～256天(9月上中旬)。從地表植被生長期終期的時空變化特點可看出：地表植被生長期較長的地區(qū)屬于半干旱與半濕潤地區(qū)，由于降水較少，地表地下水資源欠豐富和居民生活用水等原因，水熱矛盾是本區(qū)域發(fā)展生產(chǎn)，植被恢復(fù)要面臨的主要問題。

圖6 吉林西部地表植被生長初終期空間分布

4 結(jié)論與討論

基于1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOT-NDVI數(shù)據(jù)集，對吉林西部地表植被的生長狀況進行了建模分析，針對最終數(shù)學(xué)運算結(jié)果經(jīng)實驗室內(nèi)的人工判定得到研究區(qū)域的地表植被生長期的相關(guān)因子，結(jié)論如下：①吉林西部地表植被生長期的始期有著明顯的區(qū)域特點。吉林西部的草原區(qū)域植被生長期起始天為年后的第126天(5月上旬)，包括吉林省的通榆、長嶺縣;吉林西部以西大部分區(qū)域(包括白城市與松原市)地表植被生長始期在第136天左右開始(5月中旬);長春地區(qū)，包括長春、吉林以東的吉林中部地區(qū)，該區(qū)域的植被生長期起始天為年后的第140天(5月中下旬)。研究區(qū)內(nèi)地表植被生長期的始期，在空間上經(jīng)歷由先到后的變化，向東越來越遲。由西向東，生長期始期日期相差20 d以上。②吉林西部地表植被生長期終期的時空變化特點。大興安嶺以東地區(qū)，包括白城市與松原市大部分區(qū)域，植被生長期終止天為年后的第266～270天(9月下旬與10月初);吉林中部地區(qū)，包括長春、吉林以東的地區(qū)，該區(qū)域的植被生長期終止天為年后的第260～266天(9月中旬);長白山部分區(qū)域地表植被生長終期出現(xiàn)在第250～256天(9月上中旬)。③10 a來，吉林西部地表植被生長期持續(xù)天數(shù)的變化特點。大興安嶺以東地區(qū)，包括白城市(通榆、長嶺縣為主)與松原市大部分區(qū)域，植被生長期持續(xù)時間為140 d，草原核心區(qū)內(nèi)存在140 d以上的區(qū)域;吉林中部地區(qū)，包括長春、吉林以東的地區(qū)，該區(qū)域的植被生長期持續(xù)時間為122～130 d;長白山部分區(qū)域地表植被生長期持續(xù)時間在112 d以內(nèi)。最終確定，吉林西部的地表植被生長期為5月上旬開始到9下旬結(jié)束，整個研究區(qū)域內(nèi)植被生長期持續(xù)時間在130 d左右。

文中涉及的植被生長期是包括研究區(qū)的農(nóng)作物在內(nèi)所有地表植被生命活動的始期與終期，與農(nóng)業(yè)上農(nóng)作的開始與截止期意義上是不同的。植被生長期的確定，一般國內(nèi)該方面研究都是基于NDVI數(shù)據(jù)集，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進行公式求導(dǎo)得到年內(nèi)36旬NDVI數(shù)據(jù)變化曲線的曲率，由曲率最大值、最小值分別決定植被生長的初期與終期;國內(nèi)對此方向的研究沒有太大的差別，主要不同在于所使用的數(shù)學(xué)模型簡單與復(fù)雜的問題。植被生長期的變化，是一種大地理區(qū)域尺度上的變化現(xiàn)象。因此，筆者基于吉林西部的NDVI數(shù)據(jù)集，首先利用GIS軟件進行樣點提取;然后逐樣點平滑處理，構(gòu)建新的NDVI時序累計數(shù)據(jù)序列，計算序列的斜率變化，人工判定植被生長的始期與終期;最后在GIS軟件中，實現(xiàn)由點數(shù)據(jù)到面數(shù)據(jù)的克里格插值運算，得到吉林西部植被生長期相關(guān)因子(生長的始期與終期、生長期的天數(shù))的空間分布數(shù)據(jù)。植被生長期研究中，整個分析處理過程中存在以下情況：運算量大;并且不可避免的有異常點存在，異常點的存在對后期數(shù)據(jù)的精度有著一定影響;NDVI數(shù)據(jù)求算的曲率有時存在2個相近的峰值或者谷值，所以有人為判定因素存在，數(shù)據(jù)的精確性需要有大量實地觀測數(shù)據(jù)的印證。氣候因子對吉林西部植被生長的影響作用，筆者尚未進行詳細(xì)深入地研究分析，兩者之間的相關(guān)性有著進一步研究的意義。

致謝：在數(shù)據(jù)的整理過程中得到了候旭、婁思文、姚?？?、杜寶佳、趙英杰、孫繼梅、盧瑤、孫晶、王蔚悅等同學(xué)的大力幫助，特此感謝。

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