李 強，張 翀，任志遠

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近15年黃土高原植被物候時空變化特征分析

李 強1,2，張 翀3，任志遠1

（1陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，西安 710119；2陜西學前師范學院環(huán)境與資源管理系，西安 710100；3寶雞文理學院陜西省災(zāi)害監(jiān)測與 機理模擬重點實驗室，陜西寶雞 721013）

【目的】黃土高原處于從濕潤向干旱過渡、從森林向草原過渡、從農(nóng)業(yè)向牧業(yè)過渡的地區(qū)，是中國氣候變化與農(nóng)業(yè)發(fā)展的敏感地帶，針對此區(qū)域的地表植被覆蓋物候特征研究，對于該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)具有重要的指示意義。通過分析不同時間序列、不同海拔高度與水熱條件下植被物候趨勢的差異，以期為黃土高原當前的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供有用的理論支撐與決策依據(jù)?！痉椒ā炕?998—2012年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)，并結(jié)合諧波分析法、線性趨勢等方法對黃土高原各年植被物候特征值進行了確定，并分析了物候的變化趨勢?！窘Y(jié)果】（1）1998—2012年，生長季始期平均每年提前0.9 d。生長季末期平均每年推遲約0.8 d。在生長季始期提前和末期推遲的作用下，生長季長度平均每年延長1.7 d。（2）黃土高原水熱組合直接影響植被物候的空間差異性，植被生長的限制性氣溫為9℃，限制性降水分別為475 mm與540 mm，限制性海拔為1 750 m。（3）植被生長季長度趨勢與海拔和氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)分別為0.0591和0.0139，與降水的空間偏相關(guān)系數(shù)為-0.0174，三要素與生長季始期趨勢的相關(guān)程度較與生長季末期趨勢強?！窘Y(jié)論】黃土高原植被物候特征趨勢明顯且穩(wěn)定的區(qū)域主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)。西北部干旱區(qū)荒漠草原區(qū)，物候變化主要受氣溫控制。半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)與草原區(qū)，物候變化主要受到降水量控制。汾渭盆地農(nóng)業(yè)區(qū)，物候變化受水熱共同作用。水熱的差異對秦巴山地闊葉林區(qū)植被物候的影響不明顯。海拔對黃土高原植被物候變化趨勢上的影響不明顯。生長季長度趨勢在生長季始期和生長季末期的共同作用下隨海拔和氣溫的增加的延長趨勢增強，隨降水增加的縮短趨勢增強。同種植被物候趨勢隨海拔、降水、氣溫的變化特征具有一致性，生長季始期的變化特征對于植被生長季長度變化影響較生長季末期強。

植被覆蓋；生長季；諧波分析；傅里葉插值；黃土高原

0 引言

【研究意義】黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱，水旱災(zāi)害、氣象災(zāi)害以及水土流失等農(nóng)業(yè)災(zāi)害比較頻繁和嚴重。植被作為陸地生態(tài)圈的重要組成，是氣候系統(tǒng)的重要元素[1]，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境與自然災(zāi)害有重要影響，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)具有重要意義[2]。在這樣的背景下，掌握研究區(qū)地表植被覆蓋度年際間的變化規(guī)律與空間差異性特征，對評價區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過程、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實際意義[3]?！厩叭搜芯窟M展】歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）由紅波段與近紅外波段的反射率計算而來[4]，和植物的生產(chǎn)力密切相關(guān)[5]，并且NDVI趨勢可以用來衡量植被覆蓋的改善與退化[6]。NDVI趨勢被用在很多測算中，包括農(nóng)業(yè)發(fā)展的生態(tài)響應(yīng)[7]、物候變化[8]、作物狀況[9]、耕地利用[10]以及土壤肥力變化[11]。一系列研究表明在全球，特別是北半球，存在生長季的開始時刻提前以及生長季長度增大的趨勢[12]，生長季長度增大與氣溫的上升會加快地表水分蒸發(fā)，增加干旱脅迫與林火發(fā)生的可能[13]，并增加了固碳強度[14]，進而大范圍長時間地影響作物生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)發(fā)展。目前，許多學者對黃土高原植被物候變化特征進行了分析，謝寶妮等[15]分析認為黃土高原植被物候主要受氣溫影響，冬季和前年秋季氣溫上升是春季物候提前的主要驅(qū)動因子。韋振鋒等[16]認為陜甘寧多年物候同時與緯度和降水有關(guān)。張晗等[17]研究認為隨著緯度的升高陜西省植被返青期逐步推遲，枯黃期逐步提前?！颈狙芯壳腥朦c】前人的研究均側(cè)重于單一要素對植被物候特征的影響，而植被生長并不是單個要素作用的結(jié)果，需要綜合分析多種因素的影響。本研究基于1998—2012年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)，并結(jié)合GIS空間分析方法，將植被物候變化的生態(tài)過程與空間格局相耦合，對黃土高原近15年植被物候特征值進行了確定，并嘗試分析其時空差異性，進而深入探討海拔、氣溫和降水3種因素分別對植被物候時空變化的影響機制。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用時間序列諧波分析法和線性趨勢等方法對黃土高原植被生長季時刻進行了確定，計算了黃土高原生長季長度及其趨勢，并進一步解釋不同海拔高度與水熱條件下植被物候趨勢的差異。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原西起祁連山支脈烏鞘嶺，東迄太行山，北到長城，南抵秦嶺。橫跨青、甘、寧、內(nèi)蒙古、陜、晉、豫7省區(qū)，面積約63萬km2，約占全國陸地總面積的8%。是東南濕潤季風氣候向西北內(nèi)陸干旱氣候過渡、暖溫帶落闊葉林向典型草原和荒漠草原過渡的過渡地帶。受溫帶大陸性氣候的控制，氣溫、降水量季相分明；從東南向西北，氣候依次為半濕潤氣候、半干旱氣候和干旱氣候；土壤依次為褐土、壚土、黃綿土和灰鈣土；植被依次出現(xiàn)森林草原、典型草原和荒漠草原。本區(qū)水土流失十分嚴重，是黃河泥沙的主要來源區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括黃土高原1998—2012年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)、131個臺站1998—2012年的年降水資料和年平均氣溫資料以及DEM數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)是由比利時佛萊芒技術(shù)研究所（Flemish Institute for Technological Research，Vito）VEGETATION影像處理中心（VEGETATION processing Centre，CTIV）負責預(yù)處理并提供免費下載，空間分辨率為1 000 m；降水和氣溫數(shù)據(jù)均來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用經(jīng)驗貝葉斯克里金法將其插值到空間上得到15年的年降水和年均溫柵格數(shù)據(jù)，插值柵格分辨率為1 000 m；數(shù)字高程模型為GDEMV2 30M分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model，DEM），來源于地理空間云數(shù)據(jù)。

1.3 時間序列的諧波分析與物候特征提取

時間序列諧波分析法（harmonic analysis of time series，HANTS）是平滑和濾波兩種方法的綜合，它能夠充分利用遙感圖像存在時間性和空間性的特點，將其空間上的分布規(guī)律和時間上的變化規(guī)律聯(lián)系起來。首先，應(yīng)用HANTS方法對原始的NDVI旬數(shù)據(jù)進行逐年平滑處理，然后利用傅里葉插值將平滑后的逐年NDVI旬數(shù)據(jù)插值成逐年NDVI天數(shù)據(jù)。

對平滑后的逐年NDVI天數(shù)據(jù)，計算植被生長季的逐年始期、末期與長度，以及多年平均始期、末期與長度。文中采用較為常用的最大比率法[18-19]，最大比率即為植被覆蓋最大變化速率。首先，計算逐年NDVI天數(shù)據(jù)相鄰時間點上的差分值（NDVI-NDVI，其中），差分可以反映出相鄰時間點的比率，利用差分值的最大值對應(yīng)天數(shù)確定為生長季始期（start of growing season，SOG），最小值對應(yīng)天數(shù)確定為生長季末期（end of growing season，EOG），EOG和SOG的之差為生長季長度（length of growing season，LOG）（圖1）。

圖1 NDVI 天數(shù)據(jù)最大相對變化值來確定物候特征

1.4 分析方法

文中采用Theil-Sen趨勢對植被物候時空特征進行趨勢分析，Theil-Sen趨勢既不受異常值影響，也不用服從一定的分布，結(jié)果更為科學、可信[20]，以剔除異常年份對物候特征造成的影響。計算公式如下：

其中，為趨勢，x，x為時間序列數(shù)據(jù)，t，t為時間序列對應(yīng)的年份。

由于植被物候時空分布是多種因素作用的結(jié)果，文中分析了高程、降水和氣溫的影響，所以文中將3種要素進行等間距劃分，并分別統(tǒng)計出每種間隔內(nèi)植被物候特征的均值，以反映不同高程帶、降水帶和氣溫帶上的時空變化差異。

2 結(jié)果

2.1 多年平均物候特征

2.1.1 多年平均物候空間分布 黃土高原植被物候多年均值空間分布見圖2。由黃土高原東南向西北方向，SOG逐漸推遲，EOG逐漸提前，LOG逐漸縮短，反映出氣候影響下的空間分異規(guī)律。黃土高原東南部，SOG主要集中在80—120 d之間，而在關(guān)中平原、汾河谷地與黃淮平原，SOG早于80 d，西北部則晚于150 d；黃土高原東南部，EOG主要晚于310 d，也表現(xiàn)出海拔上的差異，黃土高原西北部主要分布在280—300 d，后套平原、寧夏平原以及青海境內(nèi)在260—270 d，晉中北、鄂爾多斯高原中部、隴中高原以北等山地區(qū)以及前套平原在270—280 d；黃土高原東南部，LOG主要大于210 d，而在西北部的平原區(qū)以及青海境內(nèi)則小于120 d。

2.1.2 多年平均物候的氣候分異特征 黃土高原植被物候與降水量關(guān)系十分密切（圖3-(a-c)）。降水量每增加100 mm，SOG提前13 d，EOG推遲3 d，LOG增大16 d。降水量在200—475 mm，物候隨降水量變化不明顯；降水量高于475 mm以上區(qū)域，物候隨降水量變化的波動性增強，尤其是EOG；降水量在475—670 mm，隨降水量增大，SOG提前最為明顯，而EOG波動性推遲，LOG波動性增大；降水量在670 mm以上的區(qū)域，SOG開始推遲，EOG先推遲再提前，LOG減小。降水量在670 mm以上的區(qū)域主要分布在黃土高原東南部，植被覆蓋較高，且人口密集，主要分布為種植作物，植被物候與降水量的關(guān)系不明顯可能受人類活動影響導致，比如一年兩熟作物的種植導致物候特征提取精度降低。

圖3-(d-f)反映出，黃土高原氣溫與降水量相比，隨著氣溫的升高，EOG推遲以及LOG增大強度均高于隨降水量變化強度，而SOG相對較小。黃土高原氣溫每升高2℃，SOG提前12 d，EOG推遲9 d，LOG增大21 d?？梢钥闯鲈跉鉁氐陀?℃的地區(qū)，物候隨氣溫變化不明顯。隨著氣溫升高，EOG推遲明顯，其次是LOG的增大，而氣溫在6—9℃之間SOG甚至表現(xiàn)為推遲，高于9℃，SOG明顯提前，LOG增大明顯。

圖3 黃土高原植被物候多年均值與水熱之間的關(guān)系

圖4顯示的是每1 mm降水量帶，每0.1℃氣溫帶上物候多年均值變化?？梢钥闯鼋邓吭?75 mm與540 mm處，以及氣溫在9℃處，SOG、EOG和LOG存在明顯變化。在降水量小于475 mm的區(qū)域，隨著降水量的增加，物候變化不明顯；隨著氣溫的升高，SOG逐漸推遲，EOG逐漸推遲，LOG變化不明顯。主要是因為該區(qū)域?qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，降水量在小于475 mm的范圍內(nèi)變化，植被生長不明顯，而氣溫的上升會加快地表水分蒸發(fā)，從而抑制生長初期植被生長并延緩了生長末期時間。降水量在475—540 mm之間的區(qū)域，當氣溫低于9℃，物候變化不明顯；當氣溫高于9℃，SOG逐漸提前，EOG逐漸推遲，LOG逐漸增大。該區(qū)域降水量大于475 mm，滿足植被生長需求，并且氣溫高于9℃時，便會促進植被生長。在降水量大于540 mm的區(qū)域，隨著降水量的增加，除降水量在640—690 mm之間的區(qū)域SOG有所提前外，SOG變化不明顯，EOG與LOG波動性較強，規(guī)律性較差；隨著氣溫的變化，SOG變化不明顯，EOG與LOG也呈較強波動性，主要是由于該地區(qū)農(nóng)作物生長季末期受人類活動（收割與耕種等）影響造成的。但是在降水量大于700 mm的地區(qū)，EOG與LOG隨著氣溫的變化不明顯，隨降水量變化波動性加強，該區(qū)域主要集中在秦嶺山地區(qū)，植被覆蓋高，土壤含水量豐富，降水量和氣溫的變化對植被生長作用不明顯。

2.1.3 多年平均物候的海拔分異特征 圖5中海拔每升高1 000 m，SOG推遲13 d，EOG提前9 d，LOG縮短23 d。在海拔1 750 m以下地區(qū)，物候隨海拔變化波動比較強，隨著海拔升高，SOG主要變現(xiàn)為推遲，EOG變化不明顯，LOG主要表現(xiàn)為減小；在海拔1 750 m以上地區(qū)，隨海拔升高，SOG不斷推遲，EOG在1 750—2 350 m區(qū)域明顯提前，大于2 350 m則變化不明顯，LOG不斷減小。海拔大于1 750 m的地區(qū)主要分布在隴中高原與青海境內(nèi)，另外晉北山地區(qū)也有分布，這些地區(qū)海拔高，氣溫低，并且降水量相對較少，主要以自然植被為主；而海拔小于1 750 m的地區(qū)地形復(fù)雜，降水與氣溫空間差異較大，且容易受到人類活動影響。1 750 m為黃土高原植被生長隨海拔明顯分異的界限，高于1 750m，植被生長相對緩慢，低于1 750 m則植被生長長度延長。

2.2 物候年際變化特征

2.2.1 物候區(qū)域尺度上的年際變化 黃土高原植被LOG變化趨勢最為明顯，其次為SOG，而EOG趨勢最弱。SOG呈提前趨勢，平均每年平均提前0.9 d。EOG呈推遲趨勢，但趨勢相對較弱，平均每年推遲約0.8 d。LOG變化趨勢較強，呈上升趨勢，平均每年的變化幅度為1.7 d。SOG趨勢高于全球的0.3 d·a-1、歐亞大陸的0.33 d·a-1、北半球的0.31 d·a-1、中國的0.79 d·a-1，以及北半球的0.02 d·a-1。EOG的推遲趨勢均高于全球的0.05 d·a-1、歐亞大陸的0.61 d·a-1、北半球的0.23 d·a-1和中國的0.37 d·a-1，以及北半球的 0.25 d·a-1。LOG的增加趨勢遠遠高于全球的0.38 d·a-1，高于北半球的0.56 d·a-1、歐亞大陸的1.33 d·a-1和中國的1.16 d·a-1，以及北半球的0.28 d·a-1[21-25]。

2.2.2 物候年際變化的空間分布特征 采用Sen趨勢計算了黃土高原植被物候年際趨勢空間差異，如圖6所示。73.71% 的區(qū)域SOG呈提前趨勢，26.29% 的區(qū)域有推遲趨勢，其中提前的區(qū)域占24.27%，主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)，其次隴中高原以西也有分布。

38.73%的區(qū)域EOG具有提前趨勢，61.27%的區(qū)域具有推遲趨勢，其中提前的區(qū)域約為4.34%，推遲的區(qū)域約為16.27%。從圖6-b可以看出，大部分地區(qū)EOG呈推遲趨勢，推遲趨勢集中在0—2.0 d·a-1，推遲的區(qū)域主要分布于高原西北部邊緣和南部。

從LOG變化來看，80.77%的區(qū)域具有增長趨勢，19.23%的區(qū)域具有縮短趨勢，其中增長的區(qū)域約為30.06%，縮短的區(qū)域約為4.38%，增長與縮短的空間分布與SOG提前與推遲的分布極為相似，說明黃土高原生長季長度主要由SOG的變化引起。

圖5 黃土高原植被物候多年均值與海拔之間的關(guān)系

圖6 黃土高原植被物候變化趨勢的空間分布

2.2.3 生長季物候年際變化的海拔分異特征 從SOG 來看（圖7），850—4 000 m的地區(qū)呈提前趨勢；小于850 m的區(qū)域呈推遲趨勢；大于4 000 m的區(qū)域，表現(xiàn)為推遲趨勢，但顯著性隨海拔升高逐漸減小。從EOG來看，低于2 500 m的地區(qū)，呈推遲趨勢，顯著性隨海拔減小，但在1 350—2 500 m顯著性逐漸回升；高于2 500 m的地區(qū)，呈提前趨勢，但是顯著性隨海拔升高在逐漸減小。LOG主要呈增長趨勢，顯著性隨海拔升高整體上是減小的，在小于850 m或大于4 000 m的地區(qū)表現(xiàn)為縮短趨勢。

黃土高原海拔小于850 m的地區(qū)為汾渭盆地農(nóng)業(yè)區(qū)，占總面積的11.41%；海拔在850—2 500 m之間的區(qū)域，植被物候變化趨勢相對最為明顯，占總面積的82.93%；海拔在2 500—4 000 m之間包括祁連山森林與高寒草原區(qū)以及江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原區(qū)，面積占5.34%；大于4 000 m的區(qū)域占0.33%。所以海拔對黃土高原植被物候變化趨勢上的影響相對于水熱條件不明顯。

2.2.4 生長季物候年際趨勢的水熱條件的分異特征 從SOG與降水量的關(guān)系來看（圖8），隨降水量變化SOG基本上呈提前趨勢，在260—560 mm的區(qū)域，隨降水量的增大，提前幅度有所減小，由1.3 d·a-1減小到0.4 d·a-1，但是顯著性在升高；560—720 mm的地區(qū)，推遲趨勢明顯；大于720 mm的地區(qū)，提前幅度增強，由0增加到1.0 d·a-1，而顯著水平先減后增。從EOG 來看，絕大部分研究區(qū)呈推遲趨勢，僅在630 m左右呈提前趨勢；推遲幅度隨降水量增大在緩慢升高，顯著水平先增后減。LOG主要呈增長趨勢，在350—560 mm地區(qū)上增長，在600—660 mm的地區(qū)表現(xiàn)為減小趨勢。

從SOG與氣溫的關(guān)系來看（圖9），氣溫在小于8℃地區(qū)上提前幅度緩慢增大，8—12℃區(qū)域上呈提前趨勢。從EOG來看，氣溫在大于5℃地區(qū)上，隨氣溫升高表現(xiàn)為推遲趨勢，趨勢幅度與顯著性均在波動性增加。LOG主要呈增長趨勢，在小于10℃地區(qū)上，增長幅度與顯著性隨氣溫升高波動性增大，而在大于10℃地區(qū)上，幅度與顯著性在不斷減小。

圖7 黃土高原植被物候年際變化特征在海拔上的分異特征（a：SOG；b：EOG；c：LOG）

圖8 黃土高原植被物候年際變化特征在降水上的分異特征（a：SOG；b：EOG；c：LOG）

圖9 黃土高原植被物候年際變化特征在氣溫上的分異特征（a：SOG；b：EOG；c：LOG）

2.3 植被物候年際趨勢的海拔、水熱空間分異特征

由于植被物候年際趨勢受到降水、氣溫、海拔的綜合影響，上述分異特征中無法剔除其他兩種要素的影響，所以對像元某一鄰域內(nèi)的所有柵格進行偏相關(guān)分析，其中鄰域內(nèi)所有柵格的物候特征年際趨勢作為因變量，領(lǐng)域內(nèi)三要素作為自變量，剔除其他兩種要素得到物候趨勢與某一要素的偏相關(guān)系數(shù)，以反映植被物候在3種影響因素上的空間分異特征（圖10—12）。

圖10 黃土高原植被SOG與海拔、降水、氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)

圖11 黃土高原植被EOG與海拔、降水、氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)

圖12 黃土高原植被LOG與海拔、降水、氣溫的空間偏相關(guān)系數(shù)

整體上，黃土高原植被物候年際趨勢隨DEM、降水和氣溫表現(xiàn)出明顯的空間分異特征。其中SOG隨著海拔增加呈提前趨勢，隨降水量增加呈推遲趨勢，隨氣溫增加呈提前趨勢；EOG趨勢空間分異特征正好與SOG相反；LOG在SOG和EOG的共同作用下隨DEM和氣溫的增加呈延長趨勢，隨降水增加呈縮短趨勢（表1）。

表1 黃土高原植被物候趨勢與影響因素的空間偏相關(guān)系數(shù)

空間上，植被物候趨勢隨DEM的空間分異特征明顯，隨降水和氣溫的變化主要體現(xiàn)在較小區(qū)域范圍，大范圍上差異性不明顯（圖10—12），植被類型的空間差異性產(chǎn)生的影響不容忽視。因此，利用植被類型對空間偏相關(guān)系數(shù)進行統(tǒng)計，并基于空間偏相關(guān)系數(shù)利用K-means法對各個植被類型進行聚類，如表2所示。

從聚類結(jié)果可以看出，鹽地落葉灌叢、荒漠化草原、強旱生小灌木-半灌木-灌木與沙生植被歸屬為第1類，該類植被SOG隨DEM增加呈提前趨勢，EOG隨DEM增加呈推遲趨勢，LOG隨DEM增加呈延長趨勢，溫室氣體的增加以及全球變暖會致使各地區(qū)植被物候始期提前和末期推遲，從而導致生長期延長，隨著氣溫的升高，高海拔植被感溫效果較為明顯，因此各種植被物候趨勢隨海拔變化具有較強的一致性；其中，鹽地落葉灌叢、荒漠化草原與沙生植被SOG隨降水增加呈提前趨勢，強旱生灌木SOG卻隨降水增加呈推遲趨勢；各個植被的EOG趨勢與降水量的空間相關(guān)性較SOG趨勢與降水量的相關(guān)性強烈，僅沙生植被EOG隨降水量增加呈推遲趨勢，因此其LOG隨降水增加呈延長趨勢，其他3種植被EOG均在降水量增加下不斷提前，從而導致其LOG趨勢隨降水增加而縮短；該類植被LOG隨氣溫上升呈延長趨勢，其中荒漠化草原、強旱生灌木與沙生植被主要是SOG隨氣溫上升的提前趨勢引起的，而鹽地落葉灌叢是由EOG隨氣溫上升的推遲趨勢引起的。

竹林、強旱生雜類草與沼澤植被各自成一類。竹林對水熱條件要求均較高，其SOG隨DEM與降水的增加均呈提前趨勢，EOG均呈推遲趨勢，從而竹林LOG隨DEM與降水的增加呈延長趨勢；氣溫的上升雖然使EOG推遲趨勢增強，但由于SOG的推遲更甚，所以竹林LOG隨氣溫上升呈縮短趨勢；強旱生雜類草LOG隨DEM增加呈延長趨勢，由SOG的提前趨勢引起，LOG隨降水和氣溫的增加呈縮短趨勢，均由EOG的提前趨勢引起；沼澤植被LOG隨降水增加呈縮短趨勢，主要由EOG提前趨勢引起，LOG均隨DEM和氣溫增加呈延長趨勢，由SOG提前與EOG推遲共同決定。

寒溫性針葉林、高寒灌叢、高寒草原與（亞）高山草甸物候變化特征類似。除過（亞）高山草甸LOG隨氣溫升高呈延長趨勢外，其他植被LOG均隨DEM、降水與氣溫增加呈縮短趨勢，主要是由于SOG的推遲趨勢和EOG的提前趨勢共同作用的結(jié)果。

其他植被類型雖被聚為一類，但是其物候隨三因素的空間變化特征差異性較大，經(jīng)過對其進行重新聚類，聚為7類，說明這些植被類型物候變化趨勢受三因素影響的空間差異性較大。其中，落葉闊葉林與溫性落葉灌叢物候趨勢特征相似，其LOG均隨DEM增加呈縮短趨勢，主要由于SOG推遲趨勢導致；LOG均隨氣溫上升呈延長趨勢，由SOG的提前引起；LOG受降水影響特征不一致。雜木林、草叢與草本栽培植被物候隨三要素變化特征高度一致，其LOG隨DEM與氣溫增加均呈延長趨勢，是SOG提前趨勢與EOG推遲趨勢共同作用的結(jié)果；LOG隨降水增加呈縮短趨勢，主要為SOG推遲趨勢造成的，另外還有EOG提前趨勢的作用。典型草原與河-湖灘地草甸LOG均隨三要素的增加呈延長趨勢，且SOG與EOG均隨三要素呈提前趨勢，而SOG提前趨勢更強。綜上，植被物候趨勢隨DEM、降水、氣溫的變化表現(xiàn)出明顯的自然分帶特征，SOG的變化特征對于植被LOG變化影響較EOG強烈。

表2 黃土高原各個植被類型物候趨勢與影響因素的空間偏相關(guān)系數(shù)及其聚類結(jié)果

SOG-DEM為不同植被類型SOG與DEM空間偏相關(guān)系數(shù)的均值，其他以此類推；聚類結(jié)果中1、2等表示大類，31、32等表示第3類重聚類的結(jié)果，個位數(shù)為重聚類類別

SOG-DEM is the spatial mean coefficient of partial correlation of SOG & DEM in different vegetation types, and so on. 1, 2, etc are big class. 31, 32, etc are re-cluster results, where single digits are re-cluster classes

3 討論

黃土高原植被物候特征變化穩(wěn)定且趨勢明顯的區(qū)域主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)，表現(xiàn)為生長季長度增長。該地區(qū)屬半干旱地區(qū)，降水量相對較少，加之全球處于升溫階段，生長季長度的增加必然會加劇土壤水分的減小，近15年來，該區(qū)域生長季長度的增長主要是由人類活動的影響造成的，三北防護林建設(shè)以及退耕還林還草政策的實施，人工林草的種植在很大程度上改變了地表覆蓋類型，并增加了該地區(qū)植被覆蓋，從而改變了黃土高原植被的物候特征。

目前，植被物候?qū)夂?、地形等要素的響?yīng)受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注與研究[15, 26-27]。然而在許多影響因素中存在著信息的冗余，影響因素之間相互影響、相互依存、互為因果，且植被物候是多種因素綜合作用的結(jié)果，所以如何剔除其他影響因素的影響，分析植被物候與某因素之間的關(guān)系至關(guān)重要。本文選擇鄰域計算方法，在鄰域內(nèi)利用偏相關(guān)系數(shù)表達植被物候趨勢與某因素的相關(guān)程度，既剔除了其他因素影響，也保證了結(jié)果是基于像元計算的，并統(tǒng)計出不同植被類型的偏相關(guān)系數(shù)，基于空間偏相關(guān)系數(shù)利用K-means法對各個植被類型進行聚類，發(fā)現(xiàn)植被物候趨勢隨DEM、降水、氣溫的變化表現(xiàn)出明顯的自然分帶特征，而同一地域不同植被物候變化的驅(qū)動機制差異性較大，因此不同類型植被物候變化的驅(qū)動力分析值得關(guān)注。同時還需關(guān)注年內(nèi)各因子對植被物候的影響。

另外，本文僅分析了黃土高原植被物候趨勢在水熱條件與海拔高度上的分異特征，并沒有分析這種趨勢的產(chǎn)生機制，而不同地域物候的變化應(yīng)該主要受當?shù)貧夂蛞氐淖兓绊?，比如，降水量滿足植被生長的區(qū)域，如果氣溫處于增長趨勢，則可能導致生長季始期的提前與末期的推遲，從而導致生長季長度的增長。由于篇幅限制，本文未做更進一步探討，筆者在以后的研究中將對這方面進行更深層次的分析。

4 結(jié)論

黃土高原植被物候多年均值由東南向西北，生長季始期（SOG）逐漸推遲，生長季末期（EOG）逐漸提前，生長季長度（LOG）逐漸縮短，反映出氣候的空間分異規(guī)律。1998—2012年間SOG呈提前趨勢，平均每年提前0.9d，EOG平均每年推遲約0.8d，LOG在SOG和EOG共同作用下變化率達1.7 d·a-1。黃土高原生長季長度變化主要由SOG的變化引起，物候特征變化趨勢明顯且穩(wěn)定的區(qū)域主要分布在陜北高原與晉中北山地區(qū)，其次隴中高原以西也有分布。

黃土高原植被物候年際趨勢隨DEM、降水和氣溫表現(xiàn)出明顯的空間分異特征。其中SOG趨勢隨海拔增加的提前趨勢增強，隨降水量增加的推遲趨勢增強，隨氣溫增加的提前趨勢增強；EOG趨勢空間分異特征正好與SOG相反；LOG在SOG和EOG的共同作用下隨DEM和氣溫的增加的延長趨勢增強，隨降水增加的縮短趨勢增強。同種植被物候趨勢隨DEM、降水、氣溫的變化特征具有一致性，SOG的變化特征對于植被LOG變化影響較EOG強烈。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Analysis of Temporal and Spatial Variation of Vegetation Phenology in the Loess Plateau

LI Qiang1,2, ZHANG Chong3, REN Zhi-yuan1

(1Tourism and Environment College of Shaanxi Normal University, Xi’an 710119;2Department of Environment and Resource Management, Shaanxi Xueqian Normal University, Xi’an 710100;3Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Modeling, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, Shaanxi)

【Objective】The Loess plateau is in the transitional region from wetness to dryness, from forest to grassland, from farming to animal husbandry, being the sensitive zone in climate change and agricultural development in China, the research on phenological feature of surface vegetation coverage in the region is of directive significance to agricultural production, environmental protection and ecological construction. Analysis of difference in phenological trends of vegetation in different time series and altitudes and hydrothermal conditions shall offer theoretical support and decision basis for current agricultural ecological environment improvement and sustainable development on loess plateau.【Method】Phenological feature values of vegetation on Loess Plateau every year were determined and phenological change trend was analyzed based on NDVI of ten-day values of SPOT VEGETATION from 1998 to 2012 and combined with harmonic analysis method and linear trend method.【Result】(1) From 1998 to 2012, the start of growing season advanced by 0.9 d on average every year and the end of growing season delayed by about 0.8 d on average every year, the length of growing season every year extended by 1.7 d on average under the joint action of advance at the start of growing season and delay at the end of growing season. (2) Hydrothermal condition on Loess Plateau has an immediate impact on phenological difference, the restrictive temperature for vegetation growth is 9℃，with the restrictive precipitation of 475 mm and 540 mm, respectively and restrictive altitude of 1 750 m. (3) The spatial partial correlation coefficients between the length trend of growing season of vegetation and altitude and air temperature are 0.0591and 0.0139 respectively, the spatial partial correlation coefficients between the length trend of growing season of vegetation and precipitation is -0.0174, therefore, the degree of correlation between three factors and the trend at the start of growing season is higher than that at the end of growing season.【Conclusion】The zones showing a significant and stable trend of phenological feature of vegetation on loess plateau are primarily distributed on plateau in the north of Shaanxi and Beishan in the middle of Shanxi. The phenological change in arid area and desert and grassland area in northwest is mainly subject to control by air temperature. The phenological change in semi-arid area and farming and grassland areas is mainly subject to control by precipitation. The phenological change in agricultural area in Fenwei Basin is subject to hydrothermal condition. Difference in hydrothermal condition has an insignificant impact on vegetation phenology in broad leaved forest zone. Altitude has an insignificant impact on change trend of vegetation phenology on loess plateau. The extension trend of growing season is on the increase with the increase of altitude and air temperature under the joint action of the start and end of growing reason, the shortening trend of growing season is on the increase with the increase of precipitation, the change characteristics of the same type of vegetations in terms of phenological trend based on the change of altitude, precipitation and air temperature are consistent, the change characteristics at the start of growing season have a greater influence on length change of growing season compared with that at the end of growing season.

vegetation coverage; growth season; harmonic analysis; Fourier interpolation; loess plateau

2015-11-20；接受日期：2016-09-30

國家自然基金青年科學基金（41301618）、陜西省2015年度科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（陜西省青年科技新星項目2015KJXX-45）、2015年度陜西省博士后科研項目二等資助

李強，E-mail：liqiangis@163.com。通信作者任志遠，E-mail：renzhy@snnu.edu.cn