龐毓雯,黃雨馨,俞立鵬,問靜怡,吳玉環(huán),徐俊鋒,*

1 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院,杭州 311121 2 浙江省濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 311121 3 浙江安吉小鯢國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),湖州 313300 4 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，杭州 310036

泥炭蘚(Sphagnum)是泥炭沼澤中最重要的固碳植物[1],對(duì)維持沼澤的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。全球一半以上的沼澤炭由泥炭蘚形成,泥炭蘚的固碳量約占土壤總碳量的15%[3]。每年由泥炭蘚及其殘?bào)w固定的碳比全球陸生植物積累的碳還要多[4- 5],這使得泥炭蘚沼澤成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫(kù)之一,在全球碳循環(huán)中占據(jù)重要地位。泥炭蘚沼澤一般分布于北半球極地、副極地地區(qū)[6],其發(fā)育對(duì)溫度和水分有較高要求[7]。近幾十年來(lái),由全球變暖導(dǎo)致的水熱格局變動(dòng),極端干旱、暴雨事件頻發(fā)[8],改變了泥炭蘚沼澤的地表水文和溫度狀況,增加了泥炭蘚沼澤生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,削減了其碳匯能力[9]。已有研究指出,全球氣候變化對(duì)泥炭蘚沼澤的植被群落分布、植被生長(zhǎng)等帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[10-11]。泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)是了解氣候變化對(duì)泥炭蘚沼澤影響,預(yù)測(cè)泥炭蘚沼澤演化[12]、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的良好指示器[13-14]。

目前,植被指數(shù)已被廣泛應(yīng)用于陸地植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)以及植被生產(chǎn)力估算、碳源/碳匯估算的研究中。其中,歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)應(yīng)用最為廣泛。國(guó)內(nèi)學(xué)者,對(duì)于植被生長(zhǎng)狀況的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究,從研究尺度上看,由全國(guó)[15-16]到省市級(jí)[17-18];植被類型以森林[19]、林草地[20]為主,濕地類型的植被監(jiān)測(cè)較少涉及;在研究方向上,集中討論了植被覆蓋、生長(zhǎng)狀況時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因子[15- 20]。雖然NDVI/EVI被普遍認(rèn)為是最佳的植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)指標(biāo),但對(duì)于泥炭蘚這類缺乏根系的植被類型,這兩種指數(shù)的靈敏性評(píng)價(jià)研究仍需增強(qiáng)。

近年來(lái),大量研究者開展了較多泥炭蘚沼澤對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究,泥炭蘚已被廣泛視為全球氣候變化的生物放大器。Whinam和Copson等[21]通過歷史資料分析了氣候變化對(duì)泥炭蘚生長(zhǎng)的影響。研究指出在1999—2000年出現(xiàn)的干旱期破壞了麥夸里島(Macquarie island)上泥炭蘚的生長(zhǎng),以及未來(lái)的氣候變化將影響泥炭蘚的斑塊大小和空間分布;Oke等[22]通過氣候模型,模擬了2050年氣候模式下,北美泥炭蘚的生長(zhǎng)狀況,結(jié)論表明土壤水分缺乏和最干旱季的溫度平衡將影響泥炭蘚泥沼澤的分布,同時(shí)預(yù)測(cè)在不久的將來(lái),泥炭蘚沼澤適宜的氣候面積可能會(huì)擴(kuò)大。Loisel等[23]從已發(fā)表的文獻(xiàn)中收集北方高緯泥炭沼澤泥炭蘚生長(zhǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù),以研究氣候變化對(duì)泥炭蘚生長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)由于全球變暖和生長(zhǎng)季節(jié)的延長(zhǎng)帶來(lái)的光合有效輻射增加,在云量沒有發(fā)生重大變化的情況下,將促進(jìn)泥炭蘚的生長(zhǎng)。上述研究通過歷史或預(yù)測(cè)資料分析了高緯地區(qū)泥炭蘚沼澤在氣候變化下的生長(zhǎng)狀況,得到了很好的結(jié)論,而不同區(qū)域泥炭蘚對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在差異,中緯地區(qū)也分布有大量泥炭蘚沼澤,這些區(qū)域植被長(zhǎng)勢(shì)在氣候變化格局下的時(shí)間周期規(guī)律尚未可知。

Boelman等[24]對(duì)以泥炭蘚為主的苔原植被群落開展了15年的溫室和施肥控制試驗(yàn),并進(jìn)行了2001—2003年為期3年的NDVI與生物量的關(guān)系研究。結(jié)論表明,NDVI是監(jiān)測(cè)北極苔原植被群落地上植物生物量年際變化的有效的工具,同時(shí)指出,在利用NDVI估算與碳固存相關(guān)的生態(tài)參數(shù)時(shí),必須了解感興趣區(qū)存在哪些植被群落,以及以何種比例存在,強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行植被群落生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)中,指標(biāo)的選擇具有特異性。May等[25]在研究短期地表水文變化對(duì)泥炭蘚及苔蘚群落NDVI、紅光反射率、近紅外反射率以及總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross primary productivity, GPP)的影響時(shí)指出,NDVI和GPP與水文變化特征不匹配,用NDVI估算北方植被群落生產(chǎn)力可能存在問題,并強(qiáng)調(diào)了對(duì)苔蘚群落蓋度、組成和水分含量進(jìn)行量化研究的必要性。Acunha等[26]評(píng)估了加拿大西部高度擾動(dòng)泥炭蘚沼澤的植被物候參數(shù)對(duì)沼澤恢復(fù)的響應(yīng)。研究對(duì)比了MODIS的NDVI和蒸散量(Evapotranspiration, ET)在監(jiān)測(cè)泥炭蘚沼澤植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化中的能力,指出NDVI比ET更有效地反映擾動(dòng)事件(如沼澤火災(zāi))的影響。這些研究都選用了NDVI指標(biāo)進(jìn)行泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè),而針對(duì)不同的研究問題和研究區(qū),NDVI的響應(yīng)程度和靈敏度存在差異。

本文擬利用2001—2017年的MOD13Q1遙感植被指數(shù)(NDVI和EVI)產(chǎn)品,對(duì)我國(guó)罕有的中緯度亞高山泥炭沼澤——神農(nóng)架大九湖泥炭蘚沼澤進(jìn)行植被指數(shù)時(shí)序分析,擬說明氣候變化格局下,中緯泥炭蘚沼澤植被的變化規(guī)律。本文研究?jī)?nèi)容包括：(1)Logistic模型在泥炭蘚沼澤植被指數(shù)時(shí)間序列訂正中的效果分析;(2)對(duì)比NDVI與EVI的泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)能力;(3)得到泥炭蘚沼澤植被季節(jié)生長(zhǎng)規(guī)律及近18年的年際變化趨勢(shì)。本文對(duì)比了兩種最廣泛的植被指數(shù)在表征不同時(shí)間周期上泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況的能力,這將幫助我們改進(jìn)從遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)集中反演其他重要生態(tài)變量的精度。另外,本文將作為泥炭蘚沼澤植被變化研究的重要補(bǔ)充,能夠進(jìn)一步說明氣候格局對(duì)不同緯度帶泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況的影響,為進(jìn)一步分析氣候變化對(duì)泥炭蘚沼澤生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮、空間分布的演變提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)

我國(guó)泥炭沼澤主要分布于大、小興安嶺地區(qū)等北方高寒地區(qū)[14,27],亞熱帶少量分布,如安徽徽州天湖山[28]、福建天寶巖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)[29]、浙江安吉龍王山[30]等。鄂西亞高山地帶有較大面積的泥炭沼澤,且保存了中緯度地區(qū)少見的泥炭蘚沼澤[31]。湖北神農(nóng)架林區(qū)大九湖濕地在地球上已存在3萬(wàn)年以上,濕地核心區(qū)的蘚類沼澤維持了最原始的樣貌,泥炭蘚蓋度接近100%[32]。近幾十年來(lái),在人類活動(dòng)影響下,大九湖泥炭蘚沼澤受到了較為嚴(yán)重的干擾,目前在政府及相關(guān)部門的政策支持下,已開展大量沼澤恢復(fù)工作。杜耘等[33]針對(duì)神農(nóng)架林區(qū)大九湖濕地退化問題進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查,指出20世紀(jì)70年代以來(lái)大規(guī)模的人為水文環(huán)境改造是濕地生態(tài)退化的主要原因。羅濤等[34]評(píng)估了大九湖濕地的植物群落分布現(xiàn)狀,指出退耕還草、還澤等政策產(chǎn)生了積極效果,改善了濕地生態(tài)系統(tǒng)群落多樣性。趙素婷等[35]利用中巴資源衛(wèi)星與實(shí)地調(diào)查結(jié)合的方式,得到鄂西高山泥炭蘚沼澤的分布、面積、物種資源狀況。研究中,已建立相應(yīng)的實(shí)地觀測(cè)站點(diǎn),黃咸雨等[32]指出在泥炭蘚沼澤監(jiān)測(cè)中,遙感能為地面觀測(cè)站點(diǎn)提供有力補(bǔ)充。已有研究大多采用實(shí)地調(diào)查的方式勘察泥炭蘚沼澤植被資源現(xiàn)狀,研究區(qū)域受局限、時(shí)間周期不規(guī)律,不能夠及時(shí)、全面的反映大九湖泥炭蘚沼澤植被資源現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),而遙感技術(shù)的應(yīng)用則能提供快速、歷史回溯的資料,將極大提升研究質(zhì)量和效率。

神農(nóng)架大九湖濕地公園,位于湖北省神農(nóng)架林區(qū)西北部,地理坐標(biāo)為31°24′—31°33′N,109°56′—110°11′E。大九湖濕地發(fā)育于高山盆地,總面積為1645 hm2,其中泥炭沼澤有779 hm2[36]。泥炭蘚沼澤分布于大九湖一凹型盆地中,沼澤的主要植被類型為紅穗苔草-泥炭蘚群落(Com.Carexargyi-Sphagnumpalustre)、紫羊茅-泥炭蘚群落(Ass.Festucarubra-Sphagnumpalustre)等[31,35]。

本文在大九湖濕地公園中選擇泥炭蘚沼澤實(shí)驗(yàn)斑塊兩處,分別記為Bog1和Bog2(圖1)。其中,根據(jù)文獻(xiàn)[31,34]確定泥炭蘚沼澤斑塊Bog1(31°28′51.19″N, 110°0′51.19″E),該處主要植物物種為泥炭蘚、紫羊茅等;根據(jù)文獻(xiàn)[35],由中巴資源衛(wèi)星遙感提取的泥炭蘚沼澤斑塊為Bog2(31°30′45.413″N, 110°0′7.273″E),該處主要植物物種為泥炭蘚、紫羊茅等。兩處實(shí)驗(yàn)?zāi)嗵刻\沼澤斑塊植被類型均屬紫羊茅-泥炭蘚群落(Ass.Festucarubra-Sphagnumpalustre),草本層的平均蓋度為45%,優(yōu)勢(shì)種紫羊茅,平均高度為0.6 m,地被層平均蓋度為100%,其中泥炭蘚平均蓋度為95%,蘚丘的平均高度為0.22 m。從研究尺度上來(lái)看,兩處實(shí)驗(yàn)?zāi)嗵刻\沼澤斑塊分別代表實(shí)地勘察的小尺度和遙感水平中等尺度,兩斑塊同時(shí)分析既能夠交叉驗(yàn)證,也能夠說明遙感泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)是否受到尺度效應(yīng)影響。

2 材料和方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文所用遙感數(shù)據(jù)為美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提供的EOS MODIS(Terra)產(chǎn)品系列中的MOD13Q1,該數(shù)據(jù)集包括了NDVI和EVI,空間分辨率為250 m,時(shí)間分辨率為16 d。數(shù)據(jù)集經(jīng)過輻射校正、幾何校正、大氣校正等處理有效提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量,廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被變化監(jiān)測(cè)中。

所用數(shù)據(jù)利用美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)開發(fā)的數(shù)據(jù)平臺(tái)AppEEARS(Application for Extracting and Exploring Analysis Ready Samples)(https://lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears)獲得。該平臺(tái)提供了用戶自定義研究點(diǎn)位(Points)或研究區(qū)(Area)的兩種感興趣類型的定制NASA衛(wèi)星產(chǎn)品的時(shí)空快速分析及可視化服務(wù)。

MOD13Q1的NDVI和EVI產(chǎn)品為16 d數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中會(huì)受到云雪、雨水土壤背景、傳感器自身等影響,出現(xiàn)異常值或缺失數(shù)據(jù)。因此必須進(jìn)行植被指數(shù)訂正才能真實(shí)反映植被的季節(jié)和年際變化規(guī)律。

2.2 遙感植被指數(shù)的時(shí)間序列訂正

植被指數(shù)是遙感監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)過程的主要媒介,植被指數(shù)時(shí)間曲線可以表征植被生長(zhǎng)過程[37]。在實(shí)際應(yīng)用過程中,衛(wèi)星傳感器在獲取地表信息時(shí),太陽(yáng)和傳感器角度、云層和天氣狀況,以及地表水體和冰雪覆蓋等[38]都會(huì)對(duì)植被指數(shù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響,使得原始植被指數(shù)時(shí)間曲線表現(xiàn)為與植物生長(zhǎng)過程不符的非平穩(wěn)變化的鋸齒狀(圖2虛線)。

植物的生長(zhǎng)過程一般先上升,再逐漸下降,這種規(guī)律可以通過Logistic模型來(lái)模擬。Zhang等[39]提出分段邏輯斯蒂克回歸分析模型(Stepwise logistic)來(lái)模擬植物的季節(jié)變化,目前該模型被NASA采納作為監(jiān)測(cè)地表植物物候的核心算法。模型為：

(1)

式中,y(t)為t時(shí)刻的NDVI/EVI值,a,b為擬合參數(shù),d為NDVI/EVI初始背景值,c+d為最大NDVI/EVI值[39]。本文利用該模型思想對(duì)NDVI、EVI時(shí)間序列進(jìn)行訂正,進(jìn)而由此提取泥炭蘚沼澤植被的生長(zhǎng)規(guī)律(圖2)。

圖2 泥炭蘚沼澤的季節(jié)周期Logistic訂正Fig.2 Logistic correction of seasonal period of Sphagnum palustre bog從圖中可以提取植被的物候參數(shù)：生長(zhǎng)季開始(季節(jié)性振蕩的20%)、生長(zhǎng)季最大值、生長(zhǎng)季結(jié)束

2.3 趨勢(shì)分析

為了分析泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況的變化趨勢(shì),本文利用一元線性回歸模型統(tǒng)計(jì)植被指數(shù)(NDVI和EVI)在2000—2017年的年際變化趨勢(shì)。其中,分別提取植被指數(shù)年均值(代表逐年泥炭蘚沼澤植被的平均生長(zhǎng)水平,這是最常用的趨勢(shì)分析指標(biāo))和植被指數(shù)年最大值(表征泥炭蘚沼澤植被年內(nèi)的最佳生長(zhǎng)狀態(tài),是更靈活的植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo))。由此,分別統(tǒng)計(jì)泥炭蘚沼澤植被指數(shù)年均值和年最大值的年際變化趨勢(shì)K—為一元線性回歸模型的斜率,其計(jì)算公式分別為：

(2)

(3)

式中,Kavg代表植被指數(shù)年均值的年際變化趨勢(shì)線的斜率,Kmax代表植被指數(shù)年最大值的年際變化趨勢(shì)線的斜率;n為遙感產(chǎn)品累計(jì)的時(shí)間周期,本文時(shí)間周期為2000—2017年,即n=18;aVIi代表第i年植被指數(shù)年均值;mVIi代表第i年植被指數(shù)年最大值。若K>0,說明時(shí)間周期內(nèi)泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況呈增加趨勢(shì),反之,則呈下降趨勢(shì)。隨后,對(duì)線性回歸的植被指數(shù)年際變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn),其中0.01

3 結(jié)果與分析

3.1 植被指數(shù)訂正

3.1.1季節(jié)變化與訂正

本文分別對(duì)NDVI和EVI多年逐月均值應(yīng)用Logistic模型,得到結(jié)果如圖2(實(shí)線)。季節(jié)周期的植被指數(shù)時(shí)間序列曲線能夠反映泥炭蘚沼澤植被一年的生長(zhǎng)規(guī)律。訂正后的生長(zhǎng)曲線更為平緩,能夠獲得泥炭蘚沼澤植被任意時(shí)間結(jié)點(diǎn)的植被指數(shù)值,從而估計(jì)沼澤植被各物候期或生長(zhǎng)過程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。圖2中NDVI曲線在6月中旬出現(xiàn)一個(gè)谷,圖2中EVI振蕩出現(xiàn)在年初及年末,8月出現(xiàn)的異常高值,經(jīng)過Logistic訂正后這些噪聲都得到去除。

3.1.2年際變化與訂正

植被指數(shù)產(chǎn)品在原始處理時(shí)以年為單位,因此在相鄰年份銜接上,數(shù)值振蕩和差異明顯。本文分別對(duì)兩個(gè)泥炭蘚沼澤斑塊的NDVI及EVI進(jìn)行2000—2017年的年際周期時(shí)間序列訂正分析(圖3),經(jīng)Logistic訂正后,相鄰年份間指數(shù)值變化平緩,更符合真實(shí)規(guī)律。從整體上看,Logistic訂正后的植被指數(shù)時(shí)間序列變化趨勢(shì)平緩,無(wú)跳躍值,可反映泥炭蘚沼澤植被長(zhǎng)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。

圖3 泥炭蘚沼澤的年際周期Logistic訂正Fig.3 Logistic correction of annual period of Sphagnum palustre bog

3.2 泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取

陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被的長(zhǎng)時(shí)間序列變化研究多借助遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。用于植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)最廣泛的兩種遙感植被指數(shù)為歸一化植被指數(shù)(NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量討論了NDVI與EVI在不同植被群落、生態(tài)系統(tǒng)中的響應(yīng)能力[40-42],研究結(jié)果表明NDVI在監(jiān)測(cè)較高覆蓋度植被時(shí)容易發(fā)生飽和,而EVI通過調(diào)節(jié)參數(shù)克服了易飽和的缺點(diǎn),在植被覆蓋度較高的區(qū)域監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于NDVI。

泥炭蘚是一種缺乏根系的苔蘚植物,其葉片和冠層結(jié)構(gòu)與其他針葉和闊葉維管植物不同,NDVI和EVI在泥炭蘚植物中的適用性還需要進(jìn)一步分析。本文比較了訂正后的NDVI與EVI應(yīng)用于泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)中的適應(yīng)性和靈敏度。

3.2.1NDVI與EVI季節(jié)對(duì)比分析

圖4 泥炭蘚沼澤NDVI與EVI季節(jié)生長(zhǎng)周期 Fig.4 NDVI and EVI seasonal growth cycle of Sphagnum palustre bog

泥炭蘚沼澤植被的季節(jié)生長(zhǎng)周期貫穿4月中旬至10月中旬(圖4)。基于訂正后的NDVI和EVI多年月份均值的沼澤植被周期曲線(圖4),可知：1)沼澤植被為一年生,NDVI與EVI生長(zhǎng)曲線為單峰,且生長(zhǎng)季時(shí)間跨度較長(zhǎng),集中在夏季,與雨水充沛促進(jìn)泥炭蘚生長(zhǎng)有關(guān);2)NDVI與EVI得到的生長(zhǎng)季時(shí)間大致相等,即生長(zhǎng)季開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間近似。由于NDVI在年初起始值較高,隨著植被生長(zhǎng)旺盛,NDVI值趨于飽和,對(duì)生長(zhǎng)季最大值變化檢測(cè)不敏感,此時(shí)EVI更適用;3)EVI擬合后的整體效果優(yōu)于NDVI。在之后的泥炭蘚群落物候期規(guī)律定量變化研究中,應(yīng)使用EVI作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

3.2.2NDVI與EVI年際對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)2000—2017年2個(gè)泥炭蘚沼澤斑塊的年際NDVI和EVI變化規(guī)律,如圖5所示：1)NDVI整體高于EVI,NDVI高值處于0.7—0.8之間,EVI高值位于0.5—0.6附近。兩者總體趨勢(shì)一致,在相鄰時(shí)間周期內(nèi),表現(xiàn)出相似的變化特征;2)從長(zhǎng)時(shí)間變化來(lái)看,相較于EVI,NDVI的年最大值變化較平緩,EVI的峰值在年際間的振蕩更明顯,說明EVI能更靈活監(jiān)測(cè)泥炭蘚沼澤植被年際最佳生長(zhǎng)狀況的變化;3)在曲線的谷值處,NDVI振蕩強(qiáng)于EVI。總體而言,EVI在年際間泥炭蘚沼澤植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中優(yōu)于NDVI。

圖5 泥炭蘚沼澤斑塊的NDVI和EVI年際變化Fig.5 NDVI and EVI annual change of Sphagnum palustre bog

3.3 泥炭蘚沼澤植被時(shí)間序列變化分析

3.3.1泥炭蘚沼澤植被季節(jié)規(guī)律分析

泥炭蘚沼澤植被的季節(jié)EVI變化曲線(圖4)可知：泥炭蘚沼澤植被為一年生,生長(zhǎng)季開始于4月中旬,結(jié)束于10中旬,生長(zhǎng)季長(zhǎng)度為6個(gè)月。一年中的1月至4月泥炭蘚沼澤的EVI值處于較低水平,隨著冰雪融化,雨季的到來(lái),EVI開始緩慢上升,進(jìn)入生長(zhǎng)季,直至10月中旬結(jié)束生長(zhǎng)季。泥炭蘚對(duì)地表及地下水文變化敏感,從生長(zhǎng)周期結(jié)點(diǎn)變化能夠靈敏反映短期的水文格局變化,體現(xiàn)一年中極端降水和干旱事件。通過長(zhǎng)時(shí)間的物候和沼澤地表水文狀況聯(lián)動(dòng)分析,能夠靈敏表征泥炭蘚沼澤在氣候變暖引起水熱格局變化中的響應(yīng)。

3.3.2泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)年際變化分析

本文分別對(duì)2000—2017年大九湖兩個(gè)泥炭蘚沼澤斑塊的EVI年均值及年最大值進(jìn)行線性回歸,結(jié)果如圖6—7所示：1)無(wú)論是年均值還是年最大值泥炭蘚沼澤的EVI都表現(xiàn)為平穩(wěn)小幅增長(zhǎng)趨勢(shì),年際變化率K均大于0。2)泥炭蘚沼澤EVI年最大值的變化曲線的趨勢(shì)程度強(qiáng)于年均值曲線,即年際變化率Kmax=0.0036>Kavg=0.0018,且對(duì)應(yīng)R2更大(R2=0.33,P<0.05)。3)對(duì)比兩個(gè)泥炭蘚沼澤斑塊,斑塊2的趨勢(shì)程度及相關(guān)性都優(yōu)于斑塊1。在年際變化中,兩個(gè)斑塊的變化規(guī)律大體一致,但在個(gè)別年份上存在差異,該現(xiàn)象在EVI最大值中表現(xiàn)明顯。例如,斑塊1中2007年EVI年最大值出現(xiàn)一個(gè)相鄰年份間的極大值,而在斑塊2中,該年份與相鄰年份EVI值近似。該現(xiàn)象出現(xiàn)可能是由于泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)對(duì)微地貌敏感或受到遙感監(jiān)測(cè)尺度效應(yīng)的影響。

圖6 泥炭蘚沼澤斑塊1 EVI的變化趨勢(shì)Fig.6 The trend of EVI in the Sphagnum palustre bog1

圖7 泥炭蘚沼澤斑塊2 EVI的變化趨勢(shì)Fig.7 The trend of EVI in the Sphagnum palustre bog2

隨后,將泥炭蘚沼澤斑塊1和2的年際EVI數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行全局時(shí)序分析,結(jié)果如圖8所示：整體上,泥炭蘚沼澤植被在18年來(lái)呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢(shì),EVI年最大值的變化趨勢(shì)較EVI年最大值更強(qiáng)(Kmax=0.0058>Kavg=0.0038),且趨勢(shì)相關(guān)性更好(R2=0.47,P<0.01)。

圖8 泥炭蘚沼澤斑塊1和2的EVI變化趨勢(shì)Fig.8 The trend of EVI in the Sphagnum palustre of bog1 and bog2

4 總結(jié)

本文利用2000—2017年MODIS NDVI和EVI數(shù)據(jù),對(duì)我國(guó)獨(dú)特的中緯度亞高山大九湖濕地中的兩個(gè)泥炭蘚沼澤斑塊的植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了時(shí)間序列趨勢(shì)分析,得到以下結(jié)論：

(1)Logistic模型能夠有效消除原始植被指數(shù)時(shí)間序列中的噪聲,在季節(jié)和年際曲線訂正中表現(xiàn)出良好效果。中緯度高山地區(qū)年均云層覆蓋率高,原始的植被指數(shù)時(shí)間周期產(chǎn)品有較大的噪聲。無(wú)論是季節(jié)周期上夏季的異常低值,還是相鄰年份間的數(shù)值跳動(dòng),logistic模型均能夠很好訂正這些誤差,得到平滑的泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)規(guī)律曲線及年際間的周期規(guī)律;

(2)泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)狀況時(shí)間序列變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中,EVI優(yōu)于NDVI,表現(xiàn)在：1)季節(jié)生長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)中,EVI能夠更精確的反映植物物候變化節(jié)點(diǎn)。NDVI在年初的初始值較高,隨著植被生長(zhǎng)的旺盛,值域變化空間較小,相比于EVI對(duì)植被生長(zhǎng)季變化的感應(yīng)能力較弱,無(wú)法準(zhǔn)確捕捉泥炭蘚沼澤植被的成熟期。由于,泥炭蘚沼澤地表在生長(zhǎng)季旺盛期泥炭蘚蘚丘覆蓋度較高,約為90%,在這種狀況下,NDVI檢測(cè)植被生長(zhǎng)變化的能力弱于EVI。隨著植被的枯黃,NDVI下降,有了更大的值域響應(yīng)范圍,因此NDVI與EVI均能夠反映植被的衰老期。2)在植被長(zhǎng)勢(shì)的年際周期分析中,NDVI在年際間的變化規(guī)律十分微弱,而EVI能夠體現(xiàn)年份間的植被長(zhǎng)勢(shì)的強(qiáng)弱狀況。由于NDVI在泥炭蘚沼澤植被上易飽和的不足,不能夠及時(shí)體現(xiàn)泥炭蘚植被的生長(zhǎng)變化,此時(shí)EVI更適用;

(3)經(jīng)趨勢(shì)分析可得,神農(nóng)架大九湖泥炭蘚沼澤植被表現(xiàn)為微弱增長(zhǎng),EVI年均值增長(zhǎng)率達(dá)3.8‰(R2=0.46,P<0.01),泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)穩(wěn)定。本文的趨勢(shì)分析指標(biāo)分別為EVI年均值和年最大值,年最大值的趨勢(shì)程度為5.8‰,強(qiáng)于年均值,表明泥炭蘚沼澤植被的季節(jié)生長(zhǎng)周期對(duì)氣候變化的響應(yīng)更為靈敏。泥炭蘚是一種特殊的蘚類,沒有根系和維管組織對(duì)外界環(huán)境變化極其敏感,本文選取的指標(biāo)(EVI年均值和年最大值)不夠精細(xì),可能未能及時(shí)捕捉到泥炭蘚對(duì)氣候變化的快速反應(yīng),因此在后續(xù)研究中應(yīng)引入物候規(guī)律分析,包括植被的返青期、成熟期、衰老期及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化等。另外,本文基于MODIS產(chǎn)品的植被指數(shù)變化分析,時(shí)間周期為2000—2017年,在未來(lái)的研究中,可以疊加更多的分析數(shù)據(jù)(如AVHRR GIMMSS產(chǎn)品等),從更長(zhǎng)的時(shí)間周期上,探究氣候變化對(duì)泥炭蘚沼澤植被生長(zhǎng)的影響;

(4)此外,本文選取的兩個(gè)泥炭蘚沼澤斑塊通過遙感的手段將傳統(tǒng)的研究單元由點(diǎn)尺度提升到面尺度,由小區(qū)域跨越到大區(qū)域。兩個(gè)斑塊的趨勢(shì)分析體現(xiàn)了較好的一致性,均表現(xiàn)了泥炭蘚沼澤植被的微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)(Bog1年均值增長(zhǎng)率1.8‰,Bog2年均值增長(zhǎng)率5.8‰),但在趨勢(shì)程度上也表現(xiàn)出了略微差異。這既展現(xiàn)了遙感在泥炭沼澤生態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用能力,也體現(xiàn)了在不同尺度分析上,遙感的尺度效應(yīng)。因此在后續(xù)研究中,可進(jìn)一步分析由尺度效應(yīng)引起遙感監(jiān)測(cè)效果差異,及遙感應(yīng)用于泥炭蘚沼澤生態(tài)監(jiān)測(cè)的最佳研究尺度。

致謝：賈文曉博士和宋垚彬博士幫助植被群落表述,特此致謝。