陳玫琪++郭秋成++徐媛++張靖

摘 要：草原返青期是指在溫度和水分條件達(dá)到適宜狀態(tài)時(shí)，牧草開(kāi)始萌發(fā)、變綠、生長(zhǎng)的時(shí)間。通過(guò)監(jiān)測(cè)草原返青期不僅可以預(yù)測(cè)年度草原植被長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量，還可為草原管理部門合理安排季節(jié)畜牧業(yè)生產(chǎn)的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。本研究選取內(nèi)蒙古錫林浩特市草原區(qū)作為典型的研究區(qū)，采用非對(duì)稱高斯函數(shù)對(duì)2007—2014年該區(qū)NDVI時(shí)間序列濾波，采用動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)該地區(qū)返青期的變化和3—4月份平均氣溫和累計(jì)降水量的分析。結(jié)果顯示：2007—2014年錫林浩特草原區(qū)各返青期總體為提前趨勢(shì)，但受到地理區(qū)位的影響，東南部區(qū)域表現(xiàn)為提前，而西部返青期延后；相對(duì)于3—4月份累計(jì)降水量，返青期的變化更易受到該時(shí)間段平均氣溫的影響，溫度越高越有利于返青期的提前。

關(guān)鍵詞：返青期；遙感監(jiān)測(cè)；NDVI

中圖分類號(hào)：S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.03.015

草地生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)陸地上分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)，也是極為豐富的草地資源[1]。從資源利用角度來(lái)講它屬于生產(chǎn)資料，是畜牧業(yè)的基礎(chǔ)；作為地帶性植被，它具有不可替代的生態(tài)功能，對(duì)維持地球生命支持系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國(guó)北疆，草地面積占全國(guó)草地面積的21.7%，橫跨“三北”、靠近京津，是北方尤其是京津地區(qū)的天然生態(tài)屏障[2]。但是近年來(lái)由于氣候干旱、降雨減少等自然因素及超載過(guò)牧等人為因素，草地生產(chǎn)力不斷下降、草原生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重、超過(guò)2/3的草地出現(xiàn)不同程度退化，造成以草原畜牧業(yè)為生的牧民的收入降低，牧民與草原生態(tài)環(huán)境關(guān)系失衡，引發(fā)出一系列社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)問(wèn)題。

草原返青期是指在溫度和水分條件達(dá)到適宜狀態(tài)時(shí)，牧草開(kāi)始萌發(fā)、變綠、生長(zhǎng)的時(shí)間。目視觀察法是最常用的監(jiān)測(cè)方法，該方法簡(jiǎn)單易行，但觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)需耗費(fèi)大量人力和物力；且在大尺度研究區(qū)域，受到交通、地形地貌等環(huán)境因素的限制，只能做到“點(diǎn)”的觀察和監(jiān)測(cè)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是遙感物候?qū)W的出現(xiàn)[3]，其應(yīng)用也擴(kuò)展到了植被物候監(jiān)測(cè)方面 [4-5]，結(jié)合少量的觀測(cè)驗(yàn)證點(diǎn)便可以用相對(duì)較低的費(fèi)用，提供大區(qū)域評(píng)估數(shù)據(jù)，且能快速、有效監(jiān)測(cè)植被返青期[6]。通過(guò)監(jiān)測(cè)草原返青狀況及其動(dòng)態(tài)變化，不僅有助于了解草原植被返青動(dòng)態(tài)規(guī)律、植被生長(zhǎng)發(fā)育狀況，預(yù)測(cè)本年度天然草原植被長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量，更能為草原管理部門合理安排季節(jié)畜牧業(yè)生產(chǎn)的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

為確保內(nèi)蒙古草地生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，為了提供決策所需的重要參數(shù)，開(kāi)展草地返青期遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究是十分必要和迫切的。本研究選取內(nèi)蒙古錫林浩特市草原區(qū)作為典型的研究區(qū)，采用非對(duì)稱高斯濾波歸一化植被指數(shù)（NDVI）重構(gòu)法，以及動(dòng)態(tài)閾值返青期提取方法，對(duì)該地區(qū)草原區(qū)的返青期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期為該地區(qū)草地畜牧生產(chǎn)提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

錫林浩特草原位于內(nèi)蒙古高原中部，地理位置北緯43°02′～44°52′，東經(jīng)115°13′～117°06′，南北長(zhǎng)208 km，東西長(zhǎng)143 km。地勢(shì)南高北低，南部為低山丘陵，北部為平緩的波狀平原，平均海拔高度988.5 m。屬于中溫帶半干旱大陸性氣候。降水量294.9 mm，降水分布不均勻，且主要集中于7、8月份。一年中氣溫最高月份是7月，1月份氣溫最低，無(wú)霜期110 d。年平均氣溫為1～2 ℃，年均氣溫差距較大?？衫貌輬?chǎng)面積1.4×105 hm2，地跨草甸草原、典型草原和沙丘沙地草原，草原內(nèi)的主要植被類型為濕地、森林、草原，伴隨有沙地灌叢、沼澤、草甸與河漫灘等。以大針茅（Stipagrandis）、羊草（Leymuschinense）和克氏針茅（S. krylovii）為主的叢生禾—根莖禾草草原，重點(diǎn)分布于河流域中部高平原。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究表明，歸一化植被指數(shù)（NDVI）與綠色植物長(zhǎng)勢(shì)有很好的相關(guān)性，可反映其生長(zhǎng)狀況，因此，可以使用NDVI來(lái)提取草原植被的返青期。研究所采用的遙感數(shù)據(jù)為EOS/Terra衛(wèi)星的MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的16 d合成產(chǎn)品MOD13Q1，該產(chǎn)品使用MVC方法合成，空間分辨率為250 m，來(lái)源于NASA網(wǎng)站（下載地址：http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），時(shí)間為2007—2014年。應(yīng)用ArcGIS 10.0軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖像裁剪等預(yù)處理。

2.2 返青期提取方法

2.2.1 NDVI時(shí)間序列重構(gòu) 由于受到云、氣溶膠和傳感器精度變化等因素的影響[7]，在進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理前，常采用最大合成法（MVC）去除時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的局部異常點(diǎn)，以降低噪聲[3]。但仍存在“突降”或“針尖狀突峰”等奇異值，影響到對(duì)時(shí)間序列分析的精度。消除這些奇異值對(duì)NDVI曲線的影響，需要對(duì)NDVI時(shí)間序列進(jìn)行重構(gòu)（或?yàn)V波）然后再判斷返青期的起始日期[8]。非對(duì)稱性高斯函數(shù)（Asymmetric Gaussian，AG）擬合法是主要的數(shù)據(jù)重構(gòu)方法之一[8]。

非對(duì)稱高斯函數(shù)擬合方法是一個(gè)由半局部到整體的擬合方法，首先獲得NDVI時(shí)間序列曲線中谷、峰值的原始數(shù)據(jù)，然后使用非對(duì)稱性高斯函數(shù)將曲線左右兩部分?jǐn)M合（局部擬合），最后通過(guò)局部擬合構(gòu)造整體擬合函數(shù)。其中，局部擬合公式為：

式（1）與（2）中，g（t；a1，… ，a5）為高斯函數(shù)；t為時(shí)間變量；a1 為對(duì)應(yīng)t的峰值或谷值的位置參數(shù)；a2 為決定函數(shù)曲線右邊寬度的參數(shù)；a3 為決定函數(shù)曲線右邊平度的參數(shù)；a4為決定函數(shù)曲線左邊寬度的參數(shù)；a5 為決定函數(shù)曲線左邊平度的參數(shù)；c1為基線的線性參數(shù)；c2為振幅的線性參數(shù)。

若局部擬合函數(shù)上曲線凸起部分的效果不明顯，需將曲線分為左、右邊谷值間隔區(qū)和中部峰值間隔區(qū)，通過(guò)局部擬合構(gòu)造整體擬合函數(shù)。整體擬合函數(shù)為

（3）

式（3）中[tL，tR] 為整個(gè)NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化區(qū)間；fL（t） 為區(qū)間[tL，tR]內(nèi)左邊谷值所對(duì)應(yīng)的局部函數(shù)；fC（t） 為區(qū)間[tL，tR]內(nèi)中間峰值所對(duì)應(yīng)的局部函數(shù)；fR（t） 為區(qū)間[tL，tR]內(nèi)右邊谷值所對(duì)應(yīng)的局部函數(shù)；α（t）和β（t）為介于[0，1]之間的剪切系數(shù)。

2.2.2 返青期信息提取 NDVI時(shí)間序列圖像經(jīng)過(guò)濾波后，便可以進(jìn)行草原返青期信息提取。常用的提取方法有：動(dòng)態(tài)閾值法與NDVI閾值法。（1）閾值法即根據(jù)預(yù)先定義的NDVI參考值（如NDVI>0.3）確定返青期[6]。該方法操作簡(jiǎn)單，但由于不同區(qū)域和不同植被類型的NDVI值存在顯著差異，確定適合大尺度物候期提取的單一NDVI閾值是不可行的。（2）動(dòng)態(tài)閾值法，其改進(jìn)之處在于通過(guò)考慮NDVI季節(jié)變化幅度，實(shí)現(xiàn)在像元尺度上閾值的動(dòng)態(tài)設(shè)定，從而在一定程度上消除了土壤背景值和植被類型的影響[9]。目前，該方法已經(jīng)應(yīng)用于全球很多區(qū)域，取得了較好的應(yīng)用結(jié)果。本研究根據(jù)一些學(xué)者的研究結(jié)果，將返青期開(kāi)始期定為NDVI年振幅的20%[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 錫林郭勒草原返青期變化

根據(jù)錫林浩特草原返青期的遙感監(jiān)測(cè)可以看出（圖1和2），在2007—2014年間，錫林浩特草原返青期變化情況較大：2007年錫林浩特草原大部分區(qū)域返青期主要集中在3月份，返青期區(qū)域分布于該地區(qū)的東南部；2008年則推遲到5月上下旬，較2007年推遲近1個(gè)月，返青區(qū)域呈東南部先返青、西北部后返青的狀態(tài)；2009—2011年返青期情況比較相似，從3月上旬草地開(kāi)始返青（位于東南部），一直持續(xù)到5月下旬；2012年草原返青主要集中在4月上旬到5月上旬之間；2013年草原返青期較2014年提前1個(gè)月，出現(xiàn)與其他年份不同的現(xiàn)象，西北部分提前返青；而2014年返青期推遲到5月上旬，幾乎整個(gè)中部和北部地區(qū)都推遲返青。總體來(lái)說(shuō)，該地區(qū)牧草返青的日期大約為4月初至5月初。

3.2 錫林郭勒草原氣候變化分析

降水量變化和溫度變化可以影響返青期的提前和延后。因此，筆者計(jì)算了3—4月份的累積降水量和平均溫度情況（圖3）。錫林浩特草原3—4月份平均氣溫均呈不顯著升高趨勢(shì)，年際波動(dòng)相對(duì)較大（變異系數(shù)為40.5%，年平均氣溫7.2 ℃），最低值出現(xiàn)在2010年（2.4 ℃），最高值出現(xiàn)在2014年（11.6 ℃）。3—4月份累計(jì)降水量變化趨勢(shì)從2007年到2014年呈減少狀態(tài)（平均值為18.1 mm），但是年際波動(dòng)較大（變異系數(shù)73.0%），降水量最大值出現(xiàn)在2009年（47.0 mm），最低值出現(xiàn)在2011年（3.6 mm）。

4 討 論

4.1 氣候變化與返青期變化的相關(guān)性

錫林浩特草原返青期總體呈現(xiàn)出提前趨勢(shì)，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果相似[10]。牧草返青既受水分條件的影響，也受熱量條件的影響，其中降水和氣溫影響因素尤為重要[11]。在當(dāng)年3—4月份溫度和同期降水、氣溫條件較好年份，牧草的返青期有所提前，而在雨水較少和氣溫較低的條件下，可能導(dǎo)致牧草的返青期推遲。根據(jù)返青期與3—4月份降水和氣溫情況的分析來(lái)看，影響返青期的因素較多，雖然氣溫和降水只能解釋一些年份的返青期提前和延后，但仍然表現(xiàn)出以下規(guī)律：當(dāng)氣溫和降水同步時(shí)，有利于返青期的提前，如3—4月份平均氣溫和累計(jì)降水較高可以解釋2007、2009、2013年返青期提前的現(xiàn)象，2010年返青期相對(duì)于前幾年延后；當(dāng)降水和溫度不同步時(shí)，溫度的增加有利于返青期提前，如2011和2014年返青期提前，2012年返青期延后（當(dāng)年氣溫較低）。春季氣溫的高低通過(guò)控制融雪和土壤解凍過(guò)程對(duì)植物返青期的早晚起到關(guān)鍵的作用[12]。但也出現(xiàn)反常的年份，如2008年，雨熱同期，但是返青期卻大大延后，可能與其他因素有關(guān)，如放牧影響、上一年冬季的低溫天氣等。

4.2 政策實(shí)施與影響返青期變化的因素

草原是我國(guó)最大、資源極為豐富的生態(tài)系統(tǒng)，但是由于長(zhǎng)期超負(fù)荷的使用草場(chǎng)以及牧民保護(hù)意識(shí)較弱等因素，草場(chǎng)利用率逐漸降低，草原退化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。這不單涉及草原生態(tài)平衡，還限制了草原區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使牧民收入增長(zhǎng)緩慢。為解決草原退化問(wèn)題，從2011年開(kāi)始中央財(cái)政每年發(fā)放資金134億元，對(duì)草原生態(tài)問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重、草原退化現(xiàn)象極其惡劣、不適合放牧的草場(chǎng)實(shí)行禁止放牧的保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。在禁止放牧區(qū)域以外的草場(chǎng)，對(duì)通過(guò)審核達(dá)到規(guī)定載畜量后的草場(chǎng)實(shí)行草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)體制。增加牧民補(bǔ)貼，加強(qiáng)牧民對(duì)草原的保護(hù)意識(shí)，使其認(rèn)識(shí)到草原問(wèn)題不僅與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題關(guān)聯(lián)，更與生存環(huán)境問(wèn)題息息相關(guān)。

由圖2可看出，2011年草原區(qū)實(shí)施“草原保護(hù)補(bǔ)助機(jī)制”后，錫林郭勒草原返青期整體提早，主要集中于3月下旬以及4月上旬，全區(qū)基本在5月上旬就已經(jīng)全面返青。返青期的總體提早與草原區(qū)實(shí)施“草原保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制”有一定的關(guān)系，因?yàn)樵诓菰脖浑A段較為敏感的時(shí)候，實(shí)行禁牧、休牧等方法，秋季有利于植物存儲(chǔ)較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，保證來(lái)年的返青，對(duì)草原植被的生長(zhǎng)發(fā)育較為有利。

4.3 本研究不足之處

本研究的誤差來(lái)源主要來(lái)自數(shù)據(jù)、濾波方法和動(dòng)態(tài)閾值3個(gè)方面。首先，使用的MODIS NDVI時(shí)間分辨率較粗（16 d），為此研究草原植被返青期監(jiān)測(cè)只能獲得旬的水平（±16 d）；定位觀測(cè)的方法，返青期時(shí)間間隔可以做到每天記錄。改進(jìn)遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率會(huì)改變這種不足，如MODIS NDVI可以處理為8 d的數(shù)據(jù)。其次，因?yàn)橐恍┫裨腘DVI時(shí)間序列曲線起伏變化較大，由于濾波函數(shù)的擬合關(guān)系，引起了擬合值與實(shí)際值有較大的偏差，從而降低了擬合精度[13]，可以應(yīng)用多次設(shè)定濾波參數(shù)的方法，提高函數(shù)的擬合精度。本研究采用非對(duì)稱高斯濾波（AG）歸一化植被指數(shù)（NDVI）重構(gòu)法，濾波函數(shù)可能是誤差來(lái)源之一，濾波函數(shù)的實(shí)質(zhì)是做時(shí)間域上的均值，對(duì)時(shí)間序列NDVI進(jìn)行濾波時(shí)會(huì)消弱最大值、增加最小值。相對(duì)于其他濾波函數(shù)，非對(duì)稱高斯濾波可以提供更好的時(shí)間域平滑功能，減少信息的損耗。再次，動(dòng)態(tài)閾值也是誤差的來(lái)源之一，本研究采用國(guó)內(nèi)外常用的閾值20%，但是有研究發(fā)現(xiàn)不同的草原類型，動(dòng)態(tài)閾值范圍不同（15%～30%）。但是由于不同時(shí)期的NDVI值由于牲畜采食或刈割等原因造成其變化差異較大（降低NDVI的峰值，濾波結(jié)果使提取的返青期提前），所以在人類干擾比較強(qiáng)的地區(qū)使用動(dòng)態(tài)閾值，可能會(huì)誤判返青期，對(duì)于放牧壓力大的區(qū)域，會(huì)誤判為返青期提前，而草地長(zhǎng)勢(shì)比較好的區(qū)域，會(huì)誤判為返青期延后。但是，隨著遙感物候?qū)W監(jiān)測(cè)手段的成熟，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，將會(huì)大大提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，推動(dòng)遙感物候?qū)W的應(yīng)用。

5 結(jié) 論

本研究選取內(nèi)蒙古錫林浩特市草原區(qū)作為典型的研究區(qū)，采用非對(duì)稱高斯函數(shù)對(duì)2007—2014年該區(qū)NDVI時(shí)間序列濾波，采用動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)該地區(qū)返青期的變化和3—4月份平均氣溫和累計(jì)降水量進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）錫林浩特草原區(qū)返青期總體為提前趨勢(shì)，但地域差異明顯，表現(xiàn)為東南部區(qū)域提前，而西部返青期延后。

（2）該區(qū)返青期主要受3—4月平均氣溫的影響，在氣溫恒定的情況下，3—4月份累計(jì)降水量的增加有利于返青期的提前。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李博. 中國(guó)北方草地退化及其防治對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)， 1997， 30（6）： 1-9.

[2] 謝高地， 張釔鋰， 魯春霞， 等. 中國(guó)自然草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[J]. 自然資源學(xué)報(bào)， 2001， 16（1）： 47-53.

[3] 陳效逑， 王林海. 遙感物候?qū)W研究進(jìn)展[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展， 2009（1）： 33-40.

[4] SCHWARTZ M， REED B， WHITE M. Assessing satellite-derived start-of-season measures in the conterminous USA[J]. International Journal of Climatology， 2002， 22（14）： 1793-1805.

[5] ZHANG X， FRIEDL M， SCHAAF C. Global vegetation phenology from moderate resolution imaging spectroradiometer （MODIS）： evaluation of global patterns and comparison with in situ measurements[J]. Journal of Geophysical Research， 2006， 111（G4）： G04017.

[6] KANG S， RUNNING S W， LIM J H， et al. A regional phenology model for detecting onset of greenness in temperate mixed forests， Korea： an application of MODIS leaf area index[J]. Remote Sensing of Environmental Management， 2003， 86（2）：32-42.

[7] 張峰， 吳炳方. 利用時(shí)序植被指數(shù)監(jiān)測(cè)作物物候的方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2004， 20（1）： 155-159.

[8] BRADLEY B A， JACOB R W. A curve fitting procedure to derive inter -annual phonologies from time series of noisy satellite NDVI data[J]. Remote Sensing of Environment， 2007， 10（6）：137-145.

[9] JONSSON P， EKLUNDH L. Seasonality extraction by function fitting to time-series of satellite sensor data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2002， 40（8）： 1824-1832.

[10] 顧潤(rùn)源， 周偉燦， 白美蘭， 等. 氣候變化對(duì)內(nèi)蒙古草原典型植物物候的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2012， （3）： 767-776.

[11] 白美蘭， 郝潤(rùn)全， 李喜倉(cāng)，等. 草原區(qū)草本植物物候期對(duì)氣候變化的響應(yīng)[C]//第28屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)：S4應(yīng)對(duì)氣候變化，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì). 廈門： 中國(guó)氣象學(xué)會(huì)， 2011.

[12] 陳效逑， 李倞. 內(nèi)蒙古草原羊草物候與氣象因子的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)， 2009， （10）： 5280-5290.

[13] 王宏， 李曉兵， 余弘婧. 基于NOAA/AVHRR NDVI監(jiān)測(cè)中國(guó)北方典型草原的生長(zhǎng)季及變化[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)， 2006（3）： 365-374.