遲登凱，王 宏，李曉兵，許凱凱，喻 峰

(1.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875；2.國土資源部信息中心，北京 100812)

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錫林郭勒盟不同類型植被的生長季變化

遲登凱1，王 宏1，李曉兵1，許凱凱1，喻 峰2

(1.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875；2.國土資源部信息中心，北京 100812)

利用分辨率為1km×1km1989-2008年長時(shí)間序列NOAA/AVHRRNDVI衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及錫林郭勒盟植被類型圖，對時(shí)間序列影像進(jìn)行Savitzky-Golay濾波后，提取了8種植被類型多年的歸一化植被指數(shù)(NDVI)時(shí)序曲線，對NDVI時(shí)序曲線進(jìn)行S-G濾波后，采用改進(jìn)的動態(tài)閾值法分別估測各植被類型每年生長季的開始、結(jié)束時(shí)間及長度并進(jìn)行線性擬合，討論其變化情況。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了溫帶叢生禾草典型草原遙感估測物候期的精確度。研究結(jié)果表明，各種植被類型生長季開始時(shí)間變化情況差別較大，除溫帶禾草、雜類草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林分別有4和1d·20a-1的輕微延遲以外，其它6種植被的生長季開始時(shí)間均有不同程度的提前趨勢，不同植被類型生長季結(jié)束時(shí)間呈現(xiàn)出了差別較小的延遲趨勢，生長季長度均延長，生長季結(jié)束時(shí)間對生長季長度的影響更大；估測的溫帶叢生禾草典型草原返青期與觀測值變化趨勢非常接近，分別提前了9和7d·20a-1，而兩者的黃枯期則出現(xiàn)了相反的變化趨勢。估測值與觀測值的均方根誤差(RMSE)分別是，生長季開始時(shí)間16.59d，結(jié)束時(shí)間14.40d。

NOAA/AVHRR；NDVI；遙感監(jiān)測；Savitzky-Golay濾波；動態(tài)閾值法

植被生長季是重要的生態(tài)信息，是全球氣候變化研究的重要問題。植被生長季的多年變化趨勢是進(jìn)行植被監(jiān)測、生態(tài)系統(tǒng)管理、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、合理制定休牧放牧政策的重要依據(jù)[1]。有研究表明，監(jiān)測長時(shí)間序列植被生長季的年際變化特征是理解和模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化的重要手段，同時(shí)也可以提供關(guān)于生物氣候區(qū)域空間分布的轉(zhuǎn)變以及大尺度循環(huán)模式或者土地利用的變異信息[2]。將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測物候資料相結(jié)合，利用長時(shí)間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取地表植被生長季變化情況已廣泛用于植被生長季的預(yù)報(bào)[3]。基于遙感方法監(jiān)測植被生長季主要包括時(shí)間序列重構(gòu)和物候期識別兩大技術(shù)方法。Savitzky-Golay濾波(S-G濾波)方法[4-5]僅需設(shè)定兩個(gè)參數(shù)，能有效去除偏離正常生長趨勢線的部分噪聲，且更有利于保持峰值的數(shù)據(jù)。在以中國為研究區(qū)的研究中，有研究得出S-G濾波法在歸一植被指數(shù)(NDVI)曲線重構(gòu)上優(yōu)于BISE法和傅里葉變換法[6]。遙感物候期的識別基于數(shù)據(jù)重建方法進(jìn)行，目前動態(tài)閾值法已經(jīng)較好地應(yīng)用于全球許多區(qū)域，如利用25%的閾值監(jiān)測北半球高緯度的芬諾斯坎底亞半島的植被生長季變化[7]，利用20%的閾值研究了非洲大陸撒哈拉和蘇丹區(qū)域的植被生長季變化特征[8]，國內(nèi)學(xué)者采用類似閾值在內(nèi)蒙古[9]、青藏高原[3,10-12]、浙江[5]等地進(jìn)行了植被生長季變化研究。和其它方法相比，動態(tài)閾值法考慮了NDVI季節(jié)變化幅度，實(shí)現(xiàn)了閾值的動態(tài)設(shè)定，從而在一定程度上消除了土壤背景值和其它因素的影響。

在可見光/近紅外、短波紅外和熱紅外時(shí)間系列數(shù)據(jù)中，NOAA/AVHRR形成了最長時(shí)間序列的遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)集[13]，由于其序列數(shù)據(jù)比較完整，常被用于大尺度植被的生長季監(jiān)測。而目前應(yīng)用NOAA/AVHRRNDVI數(shù)據(jù)集的研究多采用較低空間分辨率(8km×8km)的影像，不利于提高研究精度。本研究采用分辨率為1km×1km的NOAA/AVHRR衛(wèi)星NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率是旬，時(shí)間跨度為1989年1月―2008年12月。

近年來，對于植被生長季的研究大多集中在大區(qū)域混合植被，忽略了不同植被類型對于氣候響應(yīng)的差異，因此本研究根據(jù)錫林郭勒盟的植被類型圖[14]，將研究區(qū)的植被劃分成溫帶禾草、雜類草草甸草原，溫帶叢生禾草典型草原，溫帶禾草、雜類草草甸，溫帶禾草、苔草及雜類草沼澤化草甸，溫帶禾草、雜類草鹽生草甸，溫帶落葉闊葉林，溫帶落葉小葉疏林，溫帶落葉灌叢8種類型，基于S-G濾波方法重建NDVI時(shí)間序列，采用動態(tài)閾值法識別各植被類型生長季開始和結(jié)束時(shí)間并分別研究其多年變化情況，這對于了解不同植被對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制有重要的意義。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

錫林郭勒盟是內(nèi)蒙古自治區(qū)所轄盟，位于中國的正北方，內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，駐地錫林浩特市。地處115°13′-117°06′E、43°02′-44°52′N(圖1)。年平均氣溫0～3 ℃，平均降水量295mm，由東南向西北遞減。年平均相對濕度在60%以下，蒸發(fā)量為1 500～2 700mm，由東向西遞增。年日照時(shí)數(shù)為2 800～3 200h，日照率64%～73%，無霜期110～130d。海拔為800～1 800m，地形以高平原為主體，兼有多種地貌，地勢南高北低，東、南部多低山丘陵，盆地錯(cuò)落其間，為大興安嶺向西和陰山山脈向東延伸的余脈。錫林郭勒草原總面積為19.2萬km2，占全盟總面積的97.8%；其中可利用草地面積17.6萬km2，占全盟草原面積的90%。這里水多、林多、牧草豐茂，是理想的四季放牧草地。

圖1　研究區(qū)分布圖Fig.1　Map of study area

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)是長序列NOAA/AVHRR衛(wèi)星NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，來自中國氣象局(http://satellite.nsmc.org.cn)，圖像分辨率是1km×1km，時(shí)間分辨率是旬，時(shí)間跨度為1989年1月―2008年12月。1991、1994、1995、2002年的數(shù)據(jù)缺失，所以不做研究，2000、2001年僅有1月-7月份的數(shù)據(jù)，所以僅利用前7個(gè)月的NDVI序列估算生長季開始日期，生長季結(jié)束時(shí)間不做估算。每旬的NDVI數(shù)據(jù)是通過國際通用的可以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾的最大合成(MVC)方法獲得[15]。植被資料是1∶1 000 000的錫林郭勒盟植被類型圖[14]。植被返青期的實(shí)測數(shù)據(jù)來源于錫林浩特牧業(yè)氣象站以及在相關(guān)論文中查找到的數(shù)據(jù)[16]。

1.3NDVI時(shí)間序列影像重構(gòu)

本研究選擇Savitzky-Golay濾波方法，采用交互式數(shù)據(jù)語言(IDL)對NDVI時(shí)間序列影像進(jìn)行平滑。

(1)

式中:X是未平滑的NDVI值，Y是平滑后的NDVI值，Ci是第i個(gè)NDVI值的權(quán)重系數(shù)，N是濾波卷積算子的NDVI值個(gè)數(shù)，其值大小等于平滑窗口的大小2m+1，j是在未平滑數(shù)據(jù)表中的序數(shù)。濾波算子包括2m+1個(gè)NDVI值，m值等于平滑窗口寬度的一半。應(yīng)用Savitzky-Golay濾波方法需要確定兩個(gè)參數(shù)的值，即m和平滑多項(xiàng)式的次數(shù)。m越大，曲線越平滑；平滑多項(xiàng)式的次數(shù)越小，曲線越平滑，但會保留異常值[17]。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)m=4，平滑多項(xiàng)式次數(shù)為2時(shí)，平滑效果最好。

1.4生長季識別

本研究采用IDL語言，選擇改進(jìn)后的動態(tài)閾值法進(jìn)行生長季識別。動態(tài)閾值法即分別將當(dāng)年NDVI曲線上升階段和下降階段振幅的一定比例處NDVI值對應(yīng)的時(shí)間定義為植被生長季開始、結(jié)束的時(shí)間，其原理如圖2所示。本研究設(shè)置了10%～50%、間隔為10%的5個(gè)閾值，通過大量試驗(yàn)，最終得出當(dāng)閾值均定為20%時(shí)，識別出的各種植被類型的生長季開始、結(jié)束時(shí)間比較穩(wěn)定且與現(xiàn)有觀測值的差距最小。

圖2　動態(tài)閾值法原理圖Fig.2　Principle figure of dynamic threshold method

NDVIt= (NDVImax-NDVImin)×0.2+NDVImin

(2)

式中:NDVIt為生長季開始(結(jié)束)時(shí)間對應(yīng)的NDVI值，NDVImax為當(dāng)年NDVI曲線的最大值，NDVImin為當(dāng)年NDVI曲線的上升(下降)階段的最小值。

為提高物候期識別的精度，本研究基于動態(tài)閾值法進(jìn)行了改進(jìn)。通常，植被開始生長以后，生長迅速加快，因此基于20%的閾值識別出生長季開始日期，之后一旬內(nèi)NDVI值的增量與之前一旬內(nèi)NDVI的增量進(jìn)行比較，若之后增長的NDVI值更大，則保留識別出的生長季開始時(shí)間。反之，說明植被還沒有進(jìn)入穩(wěn)定的生長，將閾值每次提高2%重新進(jìn)行生長季開始時(shí)間的識別，直至滿足條件。同樣，植被結(jié)束生長以后，NDVI值的變化逐漸減緩，因此，基于20%的閾值識別出生長季結(jié)束時(shí)間，之后一旬內(nèi)NDVI值的減少量與之前一旬內(nèi)NDVI值的減少量進(jìn)行比較，若之后降低的NDVI值更小，則保留識別出的生長季結(jié)束時(shí)間。反之按照同樣的方法重新識別生長季結(jié)束日期，直至滿足條件。改進(jìn)的動態(tài)閾值法結(jié)合了植被的生長特性，提高了物候期識別的精度。

1.5數(shù)據(jù)分析

本研究采用一次線性方程來定量描述植被生長季的多年變化趨勢，即以年份(t)為時(shí)間因子，植被生長季開始/結(jié)束時(shí)間(x)為模擬對象，建立x與t之間的線性回歸方程：x(t)=at+b，a、b為待定系數(shù)，其中a為傾向值，若a>0，表示生長季開始/結(jié)束的時(shí)間呈延遲趨勢；若a<0，表示生長季開始/結(jié)束的時(shí)間呈提前趨勢。a×20稱為傾向率，單位為d·20a-1。

1.6遙感估測生長季精度驗(yàn)證

均方根誤差(RMSE)是觀測值與真值偏差的平方和與觀測次數(shù)n比值的平方根，它能反映觀測值和真值之間的偏差。計(jì)算公式如下：

(3)

式中:Xobs,i是實(shí)際觀測的生長季開始/結(jié)束時(shí)間，Xmodel,i是遙感監(jiān)測的植被生長季開始/結(jié)束時(shí)間，n為年數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1NDVI時(shí)序曲線重構(gòu)

利用Savitzky-Golay濾波方法分別對8種植被類型1989―2008年的NDVI時(shí)間序列曲線進(jìn)行重構(gòu)，其中溫帶叢生禾草典型草原重構(gòu)前后的NDVI曲線如圖3所示，可以看出，對于原始數(shù)據(jù)存在噪聲的年份，S-G濾波方法能在保持曲線原有特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行較好地平滑。

2.2遙感估測生長季精度驗(yàn)證

本研究采用RMSE對遙感估測的生長季進(jìn)行精度驗(yàn)證。在8種植被類型中，溫帶叢生禾草典型草原的面積最大且連片分布，因此，選擇錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原的建群種羊草(Leymus chinensis)的觀測物候期來驗(yàn)證估測值的精度，觀測值來自錫林浩特牧業(yè)氣象站以及在文獻(xiàn)[16]中查找到的數(shù)據(jù)，觀測值以及動態(tài)閾值法監(jiān)測到的溫帶叢生禾草典型草原的物候期對比如圖4所示?？梢钥闯?，實(shí)際觀測的羊草返青期除1989和2000年以外均在4月份，其中，1992年羊草在4月上旬返青，1993、1997、1998、2003、2004、2007、2008年羊草在4月中旬返青，其余年份在4月下旬返青。這16年中，動態(tài)閾值法估測的溫帶叢生禾草典型草原的返青期有5年比觀測的返青期提前，其余11年均晚于觀測值。估測的返青期最早年份是1997年，最早返青期是第100天，最晚是2008年，最晚返青期是第140天；觀測的返青期最早是1992年，最早返青期是第98天，最晚是1989年，最晚返青期是第134天。估測值與觀測值的變化趨勢均表現(xiàn)出提前，估測值平均提前了9d·20a-1，觀測值平均提前了7d·20a-1，變化趨勢幾乎一致。

實(shí)際觀測的羊草黃枯期均集中在10月份，其中，2004年在10月上旬進(jìn)入黃枯期，1999、2003、2007年在10月中旬進(jìn)入黃枯期，其余年份在10下旬進(jìn)入黃枯期。這14年中，動態(tài)閾值法估測的溫帶叢生禾草典型草原的黃枯期有3年比觀測的黃枯期提前，其余11年均晚于觀測值。估測的黃枯期最早年份是2003年，最早黃枯期是第278天，最晚是2005年，最晚黃枯期是第325天；觀測的黃枯期最早是2007年，最早黃枯期是第281天，最晚是1993年，最晚黃枯期是第301天。估測值與觀測值的變化趨勢并不一致，估測值延遲了6d·20a-1，觀測值提前了4d·20a-1。

圖3　錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原濾波前后NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)對比Fig.3　Comparison of NDVI time-series data of temperate needlegrass arid steppe in Xilingol League between before and after filtering

圖4　錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原羊草物候期的估測值與觀測值對比Fig.4　Comparison of estimating and surveying values of Leymus chinensis in temperate needlegrass arid steppe in Xilingol League

注：k1為觀測值的變化斜率，k2為估測值的變化斜率。

Note: k1,slopeofchangeofsurveyingvalues; k2,slopeofchangeofestimatingvalues.

對動態(tài)閾值法的估測值與實(shí)際觀測值求差(表1)，可以看出，1997、2003、2004、2005、2006和2007年估測的返青期較準(zhǔn)確，2004年溫帶叢生禾草典型草原的返青期與觀測值相差最少，為1d；1992和2008年估測的返青期與觀測值相差較大，估測結(jié)果不是很好，2008年相差最多，為35d。通過計(jì)算，得出動態(tài)閾值方法估測的溫帶叢生禾草典型草原的返青期與觀測值的均方根誤差為16.59(<20d)。

1989、1992、1997、1999、2007年估測的黃枯期較準(zhǔn)確，1989年溫帶叢生禾草典型草原的黃枯期與觀測值相差最少，為4d；2004和2005年估測的黃枯期與觀測值相差較大，估測結(jié)果不是很好，2005年相差最多，為30d。通過計(jì)算，得出動態(tài)閾值方法估測的溫帶叢生禾草典型草原的黃枯期與觀測值的均方根誤差為14.40(<20d)。

2.3生長季的遙感識別及其變化趨勢

由于NDVI影像是經(jīng)最大值合成的以旬為單位的影像，為保證生長季監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究將每旬計(jì)算得出的NDVI均值作為旬末一天的數(shù)據(jù)。對8種植被類型多年的NDVI曲線，分別計(jì)算每條曲線上升階段和下降階段振幅的20%處對應(yīng)的NDVI值，在Origin9.0中提取出對應(yīng)的天數(shù)，以此來確定不同植被類型各年的生長季開始、結(jié)束時(shí)間并對其進(jìn)行線性擬合(圖5)?？梢钥闯?，雖然各種植被生長季開始時(shí)間不同，但是大都集中在每年的4月上旬到5月下旬之間(第90天-第150天)，生長季開始時(shí)間差異較明顯。各種植被類型生長季開始時(shí)間變化情況差異較大，1989―2008年，除溫帶禾草、雜類草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林分別有4和1d·20a-1的輕微延遲以外，其它6種植被的生長季開始時(shí)間均有不同程度的提前趨勢：溫帶叢生禾草典型草原提前了9d·20a-1，溫帶禾草、雜類草草甸草原提前了17d·20a-1，溫帶禾草、雜類草草甸提前了28d·20a-1，溫帶禾草、苔草及雜類草沼澤化草甸提前了16d·20a-1，溫帶落葉闊葉灌叢提前了1d·20a-1，溫帶落葉闊葉林提前了10d·20a-1。各類型植被的生長季結(jié)束時(shí)間大部分集中在第280天～第330天，其中溫帶禾草、雜類草草甸的黃枯期較早。從植被生長季結(jié)束時(shí)間的年際變化特征來看，1989-2008年，所有植被類型均呈延遲趨勢：溫帶叢生禾草典型草原延遲了6d·20a-1，溫帶禾草、雜類草草甸草原延遲了29d·20a-1，溫帶禾草、雜類草草甸延遲了25d·20a-1，溫帶禾草、苔草及雜類草沼澤化草甸延遲了27d·20a-1，溫帶禾草、雜類草鹽生草甸延遲了26d·20a-1，溫帶落葉闊葉灌叢延遲了16d·20a-1，溫帶落葉闊葉林延遲了23d·20a-1，溫帶落葉小葉疏林延遲了24d·20a-1。

表1　錫林郭勒盟溫帶叢生禾草典型草原羊草物候期的估測值與觀測值的差值Table 1　Difference between estimating and observing values of Leymus chinensis intemperate needlegrass arid steppe in Xilingol League

圖5　不同植被類型物候期及其年際變化Fig.5　The phonological phase of vegetation and its variability of different vegetation types

注：k1為生長季開始時(shí)間的變化斜率，k2為生長季結(jié)束時(shí)間的變化斜率。

Note： k1,slopeofchangeofbeginningofgrowingseason; k2,slopeofchangeofendofgrowingseason.

2.4生長季長度的遙感識別及其變化趨勢

8種植被類型每年的生長季長度及其變化趨勢如圖6所示，各種植被類型的生長季長度均呈現(xiàn)出不同程度的延長：溫帶叢生禾草典型草原延長了15d·20a-1，溫帶禾草、雜類草草甸草原延長了48d·20a-1，溫帶禾草、雜類草草甸延長了54d·20a-1，溫帶禾草、苔草及雜類草沼澤化草甸延長了45d·20a-1，溫帶禾草、雜類草鹽生草甸延長了23d·20a-1，溫帶落葉闊葉灌叢延長了19d·20a-1，溫帶落葉闊葉林延長了35d·20a-1，溫帶落葉小葉疏林延長了25d·20a-1。草甸的生長季長度變化最明顯，草原和灌叢的生長季長度變化較緩慢。

圖6　不同植物類型生長季長度及其年際變化Fig.6　The length of growing season and its variability of different vegetation types

注：k分別為相應(yīng)類型草原生長季長度變化的斜率。

Note: kshowlengthofgrowingseasonineightvegetations.

2.5各植被類型多年平均生長季開始、結(jié)束時(shí)間及長度

各植被類型的生長季開始時(shí)間為第106～127天，其中溫帶落葉小葉疏林最早，為第106天，溫帶禾草、雜類草草甸最晚，為第127天，最早和最晚相差21d(表2)。各植被類型的生長季結(jié)束日期為第292～312天，其中溫帶禾草、雜類草草甸最早，為第292天，溫帶落葉小葉疏林最晚，為第312天，最早和最晚相差20d。由于溫帶禾草、雜類草草甸的返青期最晚而黃枯期最早，因此其生長季長度最短，僅為第167天，與生長季長度最長的溫帶落葉小葉疏林相差41d。

表2　各類型植被平均生長季開始、結(jié)束時(shí)間及生長季長度Table 2　The average date of beginning, end of growing season and average length of growing season

注：A，溫帶叢生禾草典型草原；B，溫帶禾草、雜類草草甸草原；C，溫帶禾草、雜類草草甸；D，溫帶禾草、雜類草沼澤化草甸；E，溫帶禾草、雜類草鹽生草甸；F，溫帶落葉闊葉灌叢；G，溫帶落葉闊葉林；H，溫帶落葉小葉疏林。

Note:A,Temperateneedlegrassaridsteppe;B,Temperategrass-forbmeadowsteppe;C,Temperategrassandforbmeadow;D,Temperategrass,carexandforbswampmeadow;E,Temperategrassandforbholophyticmeadow;F,Temperatebroadleafdeciduousscrub;G,Temperatebroadleafdeciduousforest;H,Temperateleafletdeciduousforest.

3　討論與結(jié)論

本研究基于分辨率1km×1km的長序列NOAA/AVHRR衛(wèi)星NDVI數(shù)據(jù)，估測了1989―2008年錫林郭勒盟8種植被類型的生長季開始、結(jié)束時(shí)間及長度并研究了其多年變化情況。

各種植被類型生長季開始日期變化情況差別較大，除溫帶禾草、雜類草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林分別有4和1d·20a-1的輕微延遲以外，其它6種植被均有不同程度的提前趨勢，與王宏等[18-19]的結(jié)論一致。這是由于在氣候變暖的大背景下，錫林郭勒盟植被的生長季也受到了氣候變暖的影響，溫度的升高導(dǎo)致春季植被生長季開始時(shí)間的提前。但是，不同類型植被提前的程度不同，這是由于8種植被所處的經(jīng)緯度、海拔、氣候條件各不相同，對各種氣候因子的響應(yīng)程度也不完全相同，另外各種植被覆蓋類型的優(yōu)勢種生理特性的差異也是造成生長季開始日期變化差異的另一原因。盡管氣溫以升溫為主，但是不排除某些地區(qū)氣溫波動變化引起植被生長季開始日期的推遲現(xiàn)象。溫帶禾草、雜類草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林在錫盟地區(qū)分布面積較小且并非均勻連片分布，受局部生態(tài)條件的影響較大，因此其生長季開始日期的變化趨勢并未同其它植被類型一樣出現(xiàn)提前趨勢。1989年和1997年春季降水和氣溫條件較好，植被生長季均開始的較早。在生長季開始日期提前的趨勢下，2008年各種類型植被的生長季開始日期均出現(xiàn)了較大幅度的延后，這是由于2008年干旱較為嚴(yán)重，但是有研究指出，內(nèi)蒙古草地牧草返青期與4月份降水量呈顯著負(fù)相關(guān)[20]，這也可以看出氣溫并非影響植被返青的唯一因子。

各種植被類型的生長季結(jié)束時(shí)間均呈現(xiàn)出延遲趨勢，這與Zhou等[21]的研究結(jié)論一致。除溫帶禾草典型草原和溫帶落葉灌叢，其余類型植被均有相似程度的延遲，可見不同植被類型生長季結(jié)束時(shí)間的變化并未出現(xiàn)較大幅度的差異。從生長季結(jié)束時(shí)間的變化中可以看出，2000年以前，植被生長季結(jié)束時(shí)間處于波動中輕微延后，而2000年以后延后的幅度較大。同樣2008年植被的生長季結(jié)束時(shí)間出現(xiàn)了較為反常的提前。一方面由于2008年干旱，而降水量越多生長季結(jié)束時(shí)間越晚，另一方面，夏秋環(huán)境變暖加速了植物的生長發(fā)育，植物成熟過程提早即生長季提前結(jié)束。

各種植被類型的生長季均呈現(xiàn)出延長趨勢，草甸的生長季長度變化最明顯，草原和灌叢的生長季長度變化較緩慢。雖然溫帶禾草、雜類草鹽生草甸和溫帶落葉小葉疏林的生長季開始、結(jié)束時(shí)間均出現(xiàn)了延遲趨勢，但是生長季結(jié)束時(shí)間推遲的更明顯，因此生長季呈延長趨勢?？傮w而言，近20年，生長季結(jié)束時(shí)間的變化遠(yuǎn)較開始時(shí)間顯著，研究區(qū)大部分植被類型生長季開始時(shí)間提前，但是其提前幅度較小，而同種植被類型生長季結(jié)束時(shí)間的變化幅度則明顯大于開始時(shí)間(溫帶禾草、雜類草草甸除外)，使得生長季長度的變化更多地受生長季結(jié)束時(shí)間變化幅度的影響。這一結(jié)論與研究內(nèi)蒙古草原灌叢物候變化時(shí)得出的結(jié)論一致[9]。對藏北高原植被物候時(shí)空動態(tài)變化的研究指出，生長季長度的時(shí)空變化特征主要受返青期提前的影響[9]。這說明，生長季的時(shí)空變化特征雖然由植被生長季開始、結(jié)束時(shí)間共同決定，但是二者的作用孰大孰小并沒有定論，還要視研究區(qū)的具體情況而定。

通過計(jì)算各植被類型多年生長季開始/結(jié)束時(shí)間和生長季長度的平均值發(fā)現(xiàn)：生長季開始時(shí)間在第106～127天，其中溫帶落葉小葉疏林最早，為第106天，溫帶禾草、雜類草草甸最晚，為第127天，最早和最晚相差21d。各植被類型的生長季結(jié)束時(shí)間在第292～312天，其中溫帶禾草、雜類草草甸最早，為第292天，溫帶落葉小葉疏林最晚，為第312天，最早和最晚相差20d。在錫林郭勒盟地區(qū)當(dāng)植被的生長季開始時(shí)間較早時(shí)，其結(jié)束時(shí)間較晚，這導(dǎo)致植被的生長季長度的差異情況與生長季結(jié)束時(shí)間較為一致。

對遙感估測的溫帶叢生禾草典型草原的物候期進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明，估測返青期表現(xiàn)出了與觀測值相似的提前趨勢，而黃枯期則出現(xiàn)了相反的變化趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因是：溫帶叢生禾草典型草原分布廣泛，而黃枯期的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)為少數(shù)觀測點(diǎn)的平均值，對于較大范圍的本研究來說并沒有很好的適用性。

此外，部分年份估測精度較好，而某些年份卻出現(xiàn)了較大的偏差。造成以上現(xiàn)象的原因主要有：實(shí)際觀測站點(diǎn)的選擇多在禁牧地區(qū)，而遙感監(jiān)測的范圍還包括放牧地區(qū)，過度放牧導(dǎo)致的草地退化和封育草地不合理的管理方式等造成的草地地表能量平衡的變化，最終會反作用于植被物候；兩種返青期自身特點(diǎn)并不相同，觀測的返青期是植物的生理階段特征，代表植被物種開始返青，進(jìn)入生長階段，是植被物種對氣候條件的響應(yīng)；而遙感返青期是反映植被群落生長的NDVI曲線顯著增強(qiáng)的時(shí)刻，是植被群落開始迅速生長的時(shí)刻，二者所代表的尺度不同，植被物種返青期是植株個(gè)體和物種尺度，而遙感返青期是群落尺度。但植被物種返青期和遙感返青期的均方根誤差在精度的可接受范圍內(nèi)，說明二者之間存在一定聯(lián)系。因此，從這兩者的聯(lián)系出發(fā)，分析實(shí)際觀測和遙感估測下植物物候之間的聯(lián)系，為解決物候在地理學(xué)中由于尺度不同帶來的度量差異的研究提供參考，是以后研究的重點(diǎn)。

< class="emphasis_italic">References

:

[1]李正國,唐華俊,楊鵬,吳文斌,陳仲新,周清波,張莉,鄒金秋.植被物候特征的遙感提取與農(nóng)業(yè)應(yīng)用綜述.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2012,33(5):20-28.

LiZG,TangHJ,YangP,WuWB,ChenZX,ZhouQB,ZhangL,ZouJQ.Progressinremotesensingofvegetationphenologyanditsapplicationinagriculture.ChineseJournalofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,2012,33(5):20-28.(inChinese)

[2]SellersPJ,DickinsonRE,RandallDA,BettsAK,HallFG,BerryJA,CollatzGJ,DenningAS,MooneyHA,NobreCA,SatoN,FieldCB,Henderson-SellersA.Modelingtheexchangesofenergy,water,andcarbonbetweencontinentsandtheatmosphere.Science,1997,275:502-509.

[3]宋春橋,游松財(cái),柯靈紅,劉高煥,鐘新科.藏北高原植被時(shí)空動態(tài)變化的遙感監(jiān)測研究.植物生態(tài)學(xué)報(bào),2011,35(8):853-863.

SongCQ,YouSC,KeLH,LiuGH,ZhongXK.Spatio-temporalvariationofvegetationphenologyintheNorthernTibetanPlateauasdetectedbyMODISremotesensing.ChineseJournalofPlantEcology,2011,35(8):853-863.(inChinese)

[4]DallOG,KarnieliA.MonitoringphonologicalcyclesofdesertecosystemsusingNDVIandLSTdataderivedfromNOAAAVHRRimagery.InternationalJournalofRemoteSensing,2002,23:4055-4071.

[5]何月,樊高峰,張小偉,李正泉,高大偉.浙江省植被物候變化及其對氣候變化的響應(yīng).自然資源學(xué)報(bào),2013,28(2):220-233.

HeY,FanGF,ZhangXW,LiZQ,GaoDW.VegetationphenologicalvariationanditsresponsetoclimatechangeinZhejiangProvince.JournalofNaturalResources,2013,28(2):220-233.(inChinese)

[6]ChenJ,JonssonP,TamurabM,GuZH,MatsushitaB,EklundhL.Asimplemethodforreconstructingahigh-qualityNDVItime-seriesdatasetbasedontheSavitzky-Golayfilter.RemoteSensingofEnvironment,2004,91:332-344.

[7]PieterSABeck,ClementA,KjellAH,BerntJ,AndrewKS.Improvedmonitoringofvegetationdynamicsatveryhighlatitudes:AnewmethodusingMODISNDVI.RemoteSensingofEnvironment,2006,100:321-334.

[8]HeumannBW,SeaquistJW,EklundhL,JonssonP.AVHRRderivedphenologicalchangeintheSahelandSoudanAfrica,1982-2005.RemoteSensingofEnvironment,2007,108:385-392.

[9]范瑛,李小雁,李廣泳.基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古草原灌叢物候變化研究.干旱氣象,2014,32(6):902-908.

FanY,LiXY,LiGY.VariationcharacteristicsofshrubphenologyingrasslandofInnerMongoliabasedonMODIS.JournalofAridMeteorology,2014,32(6):902-908.(inChinese)

[10]劉雙俞,張麗,王翠珍,閆敏,周宇,鹿琳琳.基于MODIS數(shù)據(jù)的青藏高原植被物候變化趨勢研究(2000-2010年).遙感信息,2014,29(6):25-30.

LiuSY,ZhangL,WangCZ,YanM,ZhouY,LuLL.VegetationphenologyintheTibetanPlateauusingMODISdatafrom2000to2010.RemoteSensingInformation,2014,29(6):25-30.(inChinese)

[11]游松財(cái),宋春橋,柯靈紅,劉高煥,鐘新科.基于MODIS植被指數(shù)的藏北高原植被物候空間分布特征.生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(7):1513-1520.

YouSC,SongCQ,KeLH,LiuGH,ZhongXK.SpatialdistributioncharacteristicsofvegetationphenologyinnorthernTibetanPlateaubasedonMODISenhancedvegetationindex.ChineseJournalofEcology,2011,30(7):1513-1520.(inChinese)

[12]常清,王思遠(yuǎn),孫云曉,殷慧,尹航.青藏高原典型植被生長季遙感模型提取分析.地球信息科學(xué),2014,16(5):815-823.

ChangQ,WangSY,SunYX,YinH,YinH.TheremotesensingmonitoringmodelofthetypicalvegetationonphenologyintheQinghai-TibetanPlateau.JournalofGeo-informationScience,2014,16(5):815-823.(inChinese)

[13]馬明國,宋怡,王旭峰,韓輝邦,于文憑.AVHRR、VEGETATION和MODIS時(shí)間系列遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)狀與應(yīng)用研究進(jìn)展.遙感技術(shù)與應(yīng)用,2012,27(5):663-670.

MaMG,SongY,WangXF,HanHB,YuWP.DevelopmentstatusandapplicationresearchofthetimeseriesremotesensingdataproductsbasedonAVHRR,VEGETATIONandMODIS.RemoteSensingTechnologyandApplication,2012,27(5):663-670.(inChinese)

[14]張新時(shí).中華人民共和國植被圖(1∶1000000).北京:地質(zhì)出版社,2007:280.

[15]HolbenBN.Characteristicsofmaximum-valuecompositeimagesfortemporalAVHRRdata.InternationalJournalofRemoteSensing,1994,17:3547-3565.

[16]顧潤源,周偉燦,白美蘭,李喜倉,邸瑞琦,楊晶.氣候變化對內(nèi)蒙古草原典型植物物候的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(3):767-776.

GuRY,ZhouWC,BaiML,LiXC,QiuRQ,YangJ.ImpactsofclimatechangeonphenologicalphaseofherbinthemaingrasslandinInnerMongolia.ActaEcologicaSinica,2012,32(3):767-776.(inChinese)

[17]鹿琳琳,郭華東.基于SPOT/VEGETATION時(shí)間序列的冬小麥物候提取方法.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(6):174-179.

LuLL,GuoHD.ExtractionmethodofwinterwheatphenologyfromtimeseriesofSPOT/VEGETATIONdata.TransactionsoftheCSAE,2009,25(6):174-179.(inChinese)

[18]王宏,李曉兵,余弘婧.基于NOAA/AVHRRNDVI監(jiān)測中國北方典型草原的生長季及變化.植物生態(tài)學(xué)報(bào),2006,30(3):365-374.

WangH,LiXB,YuHJ.MonitoringgrowingseasonoftypicalsteppeinnorthernChinabasedonNOAA/AVHRRNDVIdata.JournalofPlantEcology,2006,30(3):365-374.(inChinese)

[19]王宏,李曉兵,韓瑞波,蓋永芹.利用NOAANDVI和MSAVI遙感監(jiān)測中國北方不同緯度帶植被生長季變化.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(12):2236-2240.

WangH,LiXB,HanRB,GaiYQ.VariabilityofvegetationgrowthseasonindefferentlatitudinalzonesofNorthChina:AmonitoringbyNOAANDVIandMSAVI.ChineseJournalofAppliedEconology,2006,17(12):2236-2240.(inChinese)

[20]李興華,陳素華,韓芳.干旱對內(nèi)蒙古草地牧草返青期的影響.草業(yè)科學(xué),2013,30(3):452-456.

LiXH,ChenSH,HanF.EffectsofdroughtongrasslandturninggreenperiodinInnerMongolia.PrataculturalScience,2013,30(3):452-456.(inChinese)

[21]ZhouL,TuckerCJ,KaufmannRK,DanielS,ShabanovNV,MyneniRB.Variationsinnorthernvegetationactivityinferredfromsatellitedataofvegetationindexduring1981to1999.JournalofGeophysicalResearch,2001,106(D17):20069-20083.

(責(zé)任編輯 王芳)

ThevariabilityofgrowingseasonofdifferentvegetationtypesinXilingolLeague

ChiDeng-kai1,WangHong1,LiXiao-bing1,XuKai-kai1,YuFeng2

(1.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourcesEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.Informationcenterofministryoflandandresources,Beijing100812,China)

Withthehelpofthetime-seriesdataofNOAA/AVHRRNDVIat1-kilometerresolutionfrom1989to2008,andthevegetationchartofXilingolLeague,thispaper< class="emphasis_italic">abstracted

edtheNDVItime-seriescurvesofeighttypesofvegetationafterfilteringthetime-seriesimageswiththeSavitzky-Golaymethod.AfterfilteringtheNDVItime-seriescurveswiththeS-Gmethod,thepaperestimatedtheannualbeginning,enddateandlengthofgrowingseasonofvariousvegetationusingtheimproveddynamicthresholdmethod,andperformedthelinearfitting.Finally,theaccuracyofestimatedphenophasesandlengthofgrowingseasonoftemperateneedlegrassaridsteppewasverifiedaccordingtosurveyedgroudobservations.Theresultsindicatedthattherewassignificantdifferenceamongallvegetationtypesinbeginningofgrowingseason.Sixvegetationtypesshowedadvancedtrendofchangeinvariousdegree,whiletemperategrassandforbholophyticmeadowandtemperateleafletdeciduouswoodlandshoweddelayedtrendabout4and1d·20a-1，respectively.Theendofgrowingseasonofallkindsofvegetationshoweddelayedtrendinsimilardegreeandthelengthofgrowingseasonofallkindsofvegetationextended.Theendofgrowingseasonhasgreaterimpactonthelengthofgrowingseason.Bothsurveyedandestimatedvaluesappearedsimilartrendofchangewhichwere9and7d·20a-1inadvance,whileendofgrowingseasonappearedconverse.TheRMSEbetweensurveyedandestimatedvalueswas16.59dforthebginningofgrowingand14.40dforwiltingdate,respectively.

NOAA/AVHRR;NDVI;remotesensingmonitoring;Savitzky-Golayfiltering;dynamicthresholdmethod

WangHongE-mail:wanghong@bnu.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0628

2015-11-10接受日期：2016-02-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471350);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB138803);國家創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(41321001)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(IRT_15R06)；地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目

遲登凱(1993-)，女，山東青島人，在讀碩士生，主要從事生態(tài)遙感研究。E-mail:201521190035@mail.bnu.edu.cn

王宏(1979-)，男，陜西咸陽人，副教授，博士，主要從事生態(tài)遙感研究。E-mail:wanghong@bnu.edu.cn

Q945.3;S127

A

1001-0629(2016)9-1825-10*

遲登凱,王宏,李曉兵,許凱凱,喻峰.錫林郭勒盟不同類型植被的生長季變化.草業(yè)科學(xué),2016,33(9)：1825-1834.

ChiDK,WangH,LiXB,XuKK,YuF.ThevariabilityofgrowingseasonofdifferentvegetationtypesinXilingolLeague.PrataculturalScience，2016,33(9)：1825-1834.