烏日汗， 紅 雨*， 包 剛

(1. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第五、六次綜合評估報(bào)告指出，自上世紀(jì)開始全球溫度顯著上升[1]，氣候變暖成為陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變的主要原因之一。據(jù)上世紀(jì)80年代以來的衛(wèi)星觀測研究表明，隨著氣候變暖北半球溫帶至寒帶植被物候、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力發(fā)生顯著的變化[2-4]。例如，在上世紀(jì)末的20年(主要在1982—1999間)北半球植被覆蓋度、生產(chǎn)力經(jīng)歷了顯著的增加趨勢[4-6]，可能是由春季氣候變暖導(dǎo)致的返青期提前、秋季變暖導(dǎo)致的枯黃期推遲和植被在其季節(jié)變化中的振幅加大等所致[3,7- 8]。其中，返青期的提前和枯黃期的推遲將延長植被生長季的長度，增加植被光合作用的日數(shù)，從而增加植被生產(chǎn)力的累積[9]。這些研究結(jié)論也得到了地面觀測和模型模擬研究的支持[10]。但近年，隨著觀測時(shí)間尺度的不斷延長(1982至今)，植被生產(chǎn)力在不同的生態(tài)系統(tǒng)、不同的觀測時(shí)間段內(nèi)未能隨著氣溫的持續(xù)升高而增加，而在全球不同區(qū)域呈不同程度的下降或保持平穩(wěn)趨勢[11]。這表明由氣候變暖導(dǎo)致的植被物候變化(返青期、枯黃期及其導(dǎo)致的生長季的長短變化)及其對生產(chǎn)力的影響研究仍存在較大的不確定，在不同區(qū)域尺度上(如不同生態(tài)區(qū)、高原、國家和流域等尺度)需進(jìn)一步的研究和探討。特別是在全球氣候變暖大背景下，開展區(qū)域尺度植被物候及其對生產(chǎn)力的影響研究，對揭示植被生產(chǎn)力改變的主要原因、緩解和適應(yīng)氣候變化等方面具有理論和實(shí)際意義。

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國北方邊疆，生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于典型的溫帶干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)，是全球氣候變化最為敏感的區(qū)域之一[12]。內(nèi)蒙古東西和南北直線距離分別約2 400 km和1 700 km，受降雨梯度的影響由東北向西南分布著森林、草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)[12-13]，為氣候變化背景下溫帶植被物候及其生產(chǎn)力的影響研究提供了較理想的場所和生態(tài)系統(tǒng)類型。研究表明，包括內(nèi)蒙古在內(nèi)的干旱半干旱區(qū)近百年來陸地表面增溫最為顯著的地區(qū)之一[14]，其植被物候、生產(chǎn)力變化趨勢及調(diào)控因子復(fù)雜多樣[15]，物候變化對植被生產(chǎn)力的影響方式和過程仍然存在較大的不確定性[16]。鑒于此，本研究利用2001—2016年中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS) 歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI) 數(shù)據(jù)，利用累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法提取植被返青期、枯黃期和生長季長度等3種物候參數(shù)，并分析三者對植被生產(chǎn)力(NDVI)的影響研究。NDVI作為植被生產(chǎn)力的典型指標(biāo)[17]，在區(qū)域至全球尺度的植被生產(chǎn)力、物候、生物量、覆蓋度、作物估產(chǎn)和長勢監(jiān)測研究中得到非常廣泛的應(yīng)用[6-7,11,18]，為植被物候變化及其對生產(chǎn)力影響研究提供了最重要的數(shù)據(jù)源和方法手段。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)是中國北部高原地區(qū)，位于97°12′ E～126°04′ E和37°22′ N～53°23′ N之間，總面積約為1.18×106km2。氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?，降水量具有從東北向西南遞減的特征，在東北地區(qū)年降水量達(dá)到300～400 mm，在西南部戈壁荒漠區(qū)最少，一般低于100 mm。氣溫空間分布特征與降水量相反，即在東北地區(qū)年均氣溫最低，而西南最高，約在—1.6～8.4℃之間波動(dòng)。平均海拔約為1 000 m。生態(tài)系統(tǒng)類型從東北向西南依次為森林、草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)(圖1)[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所使用的NDVI數(shù)據(jù)為MODIS-MOD13A2產(chǎn)品，空間分辨率和時(shí)間分辨率分別為1 000 m和16天。在MRT工具的支持下，對每年每期6景MODIS NDVI數(shù)據(jù)(分別為h25v03，h25v04，h25v05，h26v03，h26v04和h26v05)進(jìn)行圖像鑲嵌和投影變換等預(yù)處理，并利用內(nèi)蒙古行政界線裁剪獲得覆蓋全內(nèi)蒙古的2001—2016年逐年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)?？紤]到16天最大值合成(Maximum Value of composite,MVC)[19]的NDVI數(shù)據(jù)中仍存在部分云或其它環(huán)境條件的影響，在時(shí)間序列曲線中經(jīng)常出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，不能符合植被生長的季節(jié)變化規(guī)律等實(shí)際，本研究采用Savitzky-Golay(S-G)濾波法[20]，對原NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元的平滑和重構(gòu)處理，降低原MVC方法無法去除的云和環(huán)境噪聲，以恢復(fù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的季節(jié)變化規(guī)律(圖2)。通過對原始數(shù)據(jù)和平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和反復(fù)試驗(yàn)，最終在此將S-G方法的滑動(dòng)窗口大小設(shè)置為7，擬合多項(xiàng)式的階數(shù)設(shè)置為4?？紤]到內(nèi)蒙古西南部荒漠生態(tài)區(qū)的沙漠和戈壁荒漠區(qū)的植被覆蓋極為稀疏，其NDVI值受土壤背景的影響較大，不能反映植被的季節(jié)變化規(guī)律等現(xiàn)象，在此將多年生長季平均NDVI值小于0.15的地區(qū)視為無植被區(qū)，將其從研究區(qū)移除[5]，最終71.5%的地區(qū)進(jìn)入研究。

圖1 內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)類型及其空間分布格局Fig.1 Spatial distribution of ecosystem types in Inner Mongolia

圖2 NDVI數(shù)據(jù)平滑前后數(shù)據(jù)對比(以2001年第551行862列像元為例)Fig.2 Comparison between before and after smoothingNDVI data (using the pixel in column 862 and in line 551in 2001 as an example)

1.3 研究方法

1.3.1累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法 利用Hou等[21]提出的累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法，在像元尺度上識(shí)別研究區(qū)植被物候的三個(gè)主要參數(shù)—返青期，枯黃期和生長季長度。此方法是Zhang等[22]提出的年內(nèi)NDVI的Logistic擬合法的改進(jìn)，但與Zhang等的方法不同是該方法先對年內(nèi)NDVI進(jìn)行累積NDVI的計(jì)算(圖3a)，然后利用Logistic函數(shù)對累積NDVI進(jìn)行擬合(式1)并計(jì)算曲率(式2-3)，將最大曲率值和最小曲率值對應(yīng)的時(shí)間分別定義為返青期和枯黃期，兩者差值定義為生長季長度(圖3b)。前人研究[23]和研究組前期分析[24]表明，與Zhang等[22]的結(jié)果相比，累積NDVI的Logistic曲線曲率極值法較適合于包括內(nèi)蒙古在內(nèi)的中國溫帶生態(tài)系統(tǒng)和蒙古高原植被物候的時(shí)空變化分析。

(1)

(2)

z=ea+bt

(3)

式中，y(t)為儒略日t對應(yīng)的Logistic擬合的累計(jì)NDVI值，d是背景NDVI，c+d為累計(jì)NDVI的最大值，a和b是擬合參數(shù)。

1.3.2植被生產(chǎn)力與物候參數(shù)的變化趨勢及相關(guān)分析 為展示植被生產(chǎn)力和物候變化趨勢的空間格局，對逐年NDVI、返青期、枯黃期和植被生長季長度與年份之間進(jìn)行線性回歸分析，以斜率表示各指標(biāo)的變化趨勢(式4)[25]，

(4)

(5)

圖3 累積NDVI的Logistic擬合曲線曲率極值法示意圖Fig.3 Illustration of cumulative NDVI based Logistic curve model

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI和植被物候空間分布格局

圖4為內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2016年生長季平均NDVI和物候空間分布格局。由從圖4a可知，受降水和生態(tài)類型空間分布的影響(圖1)[12]，內(nèi)蒙古植被生產(chǎn)力由東北向西南逐漸降低，在東北部森林生態(tài)區(qū)植被生產(chǎn)力最高，其多年平均NDVI值為0.53，其次為中部草原生態(tài)區(qū)，平均NDVI為0.36，而生產(chǎn)力最低像元主要分布在西南部荒漠生態(tài)區(qū)，其平均NDVI值約為0.21。從全區(qū)NDVI空間統(tǒng)計(jì)看(表1)，NDVI值介于0.15～0.25的面積約占研究區(qū)總面積的16.8%，0.25～0.35的占比為19.9%，0.35～0.45為13.6%，0.45～0.55為7.9%，0.55～0.65為13.0%，大于0.65的面積為0.53%。這說明，內(nèi)蒙古高生產(chǎn)水平的植被類型占比較少，全區(qū)植被生產(chǎn)力總體上相對較低。從16年平均植被返青期空間分布格局看(圖4b)，研究區(qū)返青期較早的地區(qū)主要分布在東北部森林生態(tài)區(qū)、中部草原生態(tài)區(qū)的東南部和西南部荒漠生態(tài)區(qū)地區(qū)，而大多草原生態(tài)區(qū)，尤其是錫林郭勒草原東部和呼倫貝爾草原地區(qū)的返青期相對較晚。森林、草原和荒漠生態(tài)區(qū)的平均返青期日數(shù)分別為第120，128和119天。枯黃期的空間分布格局與返青期的空間分布格局總體上呈相反(圖4c)，即草原生態(tài)區(qū)(錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原)的枯黃期比森林和荒漠生態(tài)區(qū)要早些，平均值分別為第269天、275和276天。生長季長度的空間格局(圖4d)主要受返青期和枯黃期空間格局的影響?？傮w上，在返青期相對要早和枯黃期要晚的森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)平均植被生長季長度最長，分別為155，157天，而草地生態(tài)區(qū)的平均生長季長度為141天。

圖4 內(nèi)蒙古2001—2016生長季平均NDVI(4—10月)(a)、返青期(b)、枯黃期(c)和生長季長度(d)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of growing season NDVI (a),start of growing season (b),end of growing season (c) and Lengthof growing season (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

表1 2001-2016年內(nèi)蒙古生長季平均NDVI值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 the statistics of growing season mean NDVI in Inner Mongolia during 2001-2016

NDVI值 NDVI value 0.15～0.250.25～0.350.35～0.450.45～0.550.55～0.65> 0.65面積比重 Area specific gravity 16.8%19.9%13.6%7.9%13.0%0.5%

2.2 NDVI和植被物候變化趨勢的空間格局

圖5為內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2016年生長季平均NDVI和物候變化趨勢的空間格局。從NDVI變化趨勢看，過去16年間內(nèi)蒙古植被生產(chǎn)力主要以增加為主，即NDVI呈增加趨勢的面積為91.6%，其中顯著增加趨勢的面積為47.5%，主要分布在森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的東南部，即鄂爾多斯高原南部等地區(qū)(圖5a)。以錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原為代表的草原生態(tài)區(qū)的生產(chǎn)力盡管呈上升趨勢，但其趨勢不顯著。2001-2016年間植被生產(chǎn)力呈下降趨勢的面積僅為8.4%，零星分布在草原生態(tài)區(qū)南部和內(nèi)蒙古主要糧食產(chǎn)區(qū)——河套灌溉區(qū)，但并不顯著。

從植被返青期變化趨勢的空間格局看，約占研究區(qū)58.7%的地區(qū)呈提前趨勢(圖5b)，主要分布在森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)的東部和西南部、荒漠生態(tài)區(qū)的大多地區(qū)。其中顯著提前趨勢的面積僅為6.0%，主要集中在草原生態(tài)區(qū)東北部地區(qū)。返青期呈推遲趨勢的面積約為41.3%，主要分布在草原生態(tài)區(qū)中部和荒漠生態(tài)區(qū)的西北區(qū)域，但并不顯著。需要指出的是，內(nèi)蒙古糧食主產(chǎn)區(qū)—河套灌溉區(qū)的植被返青期呈顯著的推遲趨勢。在過去16年間，內(nèi)蒙古植被枯黃期主要以提前為主(73.8%)，其中草原生態(tài)區(qū)尤為突出(圖5c)。而呈推遲趨勢的地區(qū)主要分布在森林生態(tài)區(qū)北部和荒漠生態(tài)區(qū)的南部的鄂爾多斯高原地區(qū)(26.2%)。與返青期相似，河套灌溉區(qū)的植被枯黃期也呈顯著的推遲趨勢，說明該地區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)在過去16年間整體推遲的現(xiàn)象。從植被生長季長短的變化趨勢看，生長季延長趨勢的地區(qū)主要分布在森林生態(tài)區(qū)的北部、荒漠生態(tài)區(qū)的西南部和草原生態(tài)區(qū)東北和西南地區(qū)。而生長季縮短趨勢的趨勢分布于草原生態(tài)區(qū)和森林生態(tài)區(qū)東部地區(qū)(圖5d)。

圖5 內(nèi)蒙古2001—2016生長季NDVI (a)，返青期(b)，枯黃期(c)和生長季長度(d)的變化趨勢Fig.5 Changing trends of growing season NDVI (a),start of growing season (b),end of growing season (c) and Length of growing season (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

2.3 植被物候?qū)ιL季NDVI的影響

研究區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)的返青期與NDVI之間呈正相關(guān)(72.5%)(圖6a)，主要分布在草原生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)及森林生態(tài)系統(tǒng)的南部地區(qū)。其中，在草原生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)交界處兩者的相關(guān)尤為明顯，呈顯著的正相關(guān)(29.9%)。研究區(qū)東北部森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)的交界處，返青期與NDVI之間呈負(fù)相關(guān)(27.5%)，但只有5.7%的地區(qū)為顯著負(fù)相關(guān)?？蔹S期與NDVI之間呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的面積分別為44.8%和55.2%，但都不顯著(圖6b)?？傮w上，呈正相關(guān)的地區(qū)分布在位于研究區(qū)東北地區(qū)的草原生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)交界處、西南部荒漠生態(tài)區(qū)南部和草原生態(tài)區(qū)中部小區(qū)域。由圖6c可知，生長季長度和NDVI之間主要以負(fù)相關(guān)為主(72.7%)，主要分布在除東北部草原生態(tài)區(qū)和森林生態(tài)區(qū)交界處以外的大多地區(qū)。

圖6 2001—2016年內(nèi)蒙古植被返青期(a)，枯黃期(b)，生長季長度(c)與生長季平均NDVI的相關(guān)關(guān)系Fig.6 The correlation between vegetation start of growing season (a),end of growing season(b),length of growing season(c) and average NDVI of growing season in Inner Mongolia during 2001—2016

3 討論

本文在對MODIS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行S-G濾波[27]的基礎(chǔ)上，利用年內(nèi)累計(jì)NDVI的Logistic曲線曲率極值法[21,24]提取內(nèi)蒙古植被2001—2016年返青期、枯黃期和生長季長度等3種物候參數(shù)，并進(jìn)行了其對植被生產(chǎn)力(NDVI)的影響研究。Wu等[23]和包剛等[24]的研究表明，累計(jì)NDVI的Logistic曲線曲率極值法在中國溫帶植被和蒙古高原地區(qū)具有較好的物候識(shí)別效果，其識(shí)別精度優(yōu)于Zhang等[22]提出的年內(nèi)NDVI(非累計(jì)NDVI)的Logistic擬合方法。本文識(shí)別的內(nèi)蒙古植被返青期主要集中在第100～145天，在空間分布上西南部荒漠生態(tài)區(qū)和東北森林生態(tài)區(qū)比中部草原生態(tài)區(qū)要早些，返青期的分布范圍和空間分部特征與Wu等[23]和包剛等[24]的研究結(jié)果基本一致。這一定程度上說明，累計(jì)NDVI的Logistic曲線曲率極值法能夠反映研究區(qū)植被物候分布的實(shí)際情況，可用于進(jìn)一步的物候變化及其對植被生產(chǎn)力的影響研究。

內(nèi)蒙古荒漠生態(tài)區(qū)植被返青期較早的原因可能與西南部地區(qū)的溫度比中部高[26]有關(guān)，西南部荒漠生態(tài)區(qū)相對較高的溫度使得返青期(除河套灌溉區(qū))比中部草原生態(tài)區(qū)提前發(fā)生。盡管森林生態(tài)區(qū)分布在氣溫較低的地區(qū)[12]，但多為興安落葉松、樟子松林，木本植物因其根系深入，能獲得充足的水分，隨著溫度的逐漸升高其返青期可能比中部草原要早些[24]?？蔹S期的分布大致與返青期相反，即位于溫度相對高的荒漠生態(tài)區(qū)枯黃期明顯比草原生態(tài)區(qū)晚。森林生態(tài)區(qū)枯黃期也比草原生態(tài)區(qū)要晚，其原因可能與這些地區(qū)分布著樟子松林等常綠森林植被有關(guān)，另一個(gè)原因可能與草原秋季打草和過度放牧有關(guān)，兩者均將枯黃期提前。例如，有研究表明，內(nèi)蒙古打草場主要分布在錫林郭勒草原東部(東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗)和呼倫貝爾草原(尤其陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗)地區(qū)[29]，在空間上與枯黃期較早的地區(qū)基本一致。另外，常年不合理的打草也可能將導(dǎo)致第二年返青期的推遲。不合理的打草(如種子未完全成熟前的打草)或多年連續(xù)打草可能將降低牧草種子產(chǎn)量，進(jìn)而導(dǎo)致第二年的植被返青推遲和生產(chǎn)力的下降，這可能也是錫林郭勒草原東部和呼倫貝爾草原植被返青期較晚的另一個(gè)原因(圖4b)。但目前在這方面的研究較少，有必要利用多源數(shù)據(jù)(地面觀測和遙感數(shù)據(jù))和生態(tài)系統(tǒng)模型來進(jìn)一步探討。除此之外，草原植被對氣候變化，尤其降水的變化更加敏感，干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生將草原枯黃期明顯早于森林生態(tài)系統(tǒng)。植被生長季長短的變化趨勢(圖5d)主要受返青期和枯黃期的影響，即在植被返青期呈提前和枯黃期呈推遲趨勢的地區(qū)，植被生長季長度主要以延長為主，而在返青期呈推遲和枯黃期呈提前趨勢的地區(qū)生長季長度主要以縮短為主。在兩者同時(shí)提前或同時(shí)推遲趨勢的地區(qū)的生長季長度變化相對復(fù)雜，主要受兩者變化幅度的大小。由空間分布格局的對比(圖5bcd)可知在研究時(shí)段內(nèi)枯黃期對生長季變化的影響比返青期的影響要大些。

植被生產(chǎn)力(NDVI)的空間分布主要受氣溫、降水和植被類型的空間分布的影響[18]。在水分條件充足的森林生態(tài)區(qū)生產(chǎn)力最高，其次為中部草原生態(tài)系統(tǒng)，而荒漠生態(tài)區(qū)的植被生產(chǎn)力最低，與穆少杰等[12]的研究結(jié)果一致。

基于NDVI的植被生產(chǎn)力研究表明，北半球中高緯度大多地區(qū)的植被生產(chǎn)力以上世紀(jì)90年代為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，呈先增加后下降的變化趨勢[30-33]。與這些大區(qū)域尺度的研究結(jié)果不一致，內(nèi)蒙古植被生產(chǎn)力在2001—2016年呈持續(xù)的增加趨勢。其中，森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的南部(鄂爾多斯高原)植被生產(chǎn)力的增加趨勢尤為顯著(圖5a)，區(qū)域不同程度的氣溫、降水變化以及生態(tài)保護(hù)、植被回復(fù)工程等的共同影響可能導(dǎo)致其空間異質(zhì)性[36-37]。在觀測時(shí)間段內(nèi)，盡管內(nèi)蒙古物候變化表現(xiàn)出較高的空間差異，但未觀測到大范圍的顯著提前或推遲區(qū)域(圖5bcd)。

研究表明，由春季溫度升高導(dǎo)致的返青期提前和秋季溫度升高導(dǎo)致的枯黃期推遲將增加植被光合作用時(shí)間長度而增加植被生產(chǎn)力的累積[9-10,34]。3個(gè)物候參數(shù)與NDVI的相關(guān)分析結(jié)果(圖6)，與前人在北半球和洲際尺度觀測的研究結(jié)果不一致[2,35]，在內(nèi)蒙古地區(qū)的植被返青期提前或枯黃期推遲并不一定增加植被生產(chǎn)力。這種現(xiàn)象在草原生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)更加明顯。例如，在研究區(qū)草原和荒漠生態(tài)區(qū)，返青期與生長季平均NDVI之間呈正相關(guān)(圖6a)，在某種意義上表明返青期的推遲將增加植被生產(chǎn)力，而不是提前將增加生產(chǎn)力。與此類似，在草原和荒漠生態(tài)區(qū)枯黃期和NDVI呈不顯著的負(fù)相關(guān)(圖6b)，表明在這些區(qū)域枯黃期的推遲可能降低植被生長季生產(chǎn)力。受返青期和枯黃期的影響(圖6c)，在上述兩個(gè)生態(tài)區(qū)植被生長季長度與NDVI呈負(fù)相關(guān)，說明生長季長度的延長并不一定增加植被生產(chǎn)力。與前人研究結(jié)果一致[9,35]，處于水分條件相對充足的研究區(qū)東北地區(qū)的森林生態(tài)區(qū)及其鄰近地區(qū)植被生長季與NDVI呈正相關(guān)，說明生長季的延長將增加這些地區(qū)的植被生產(chǎn)力。

由于在草原生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)生長季的延長并不一定增加植被年平均生產(chǎn)力，我們在季節(jié)尺度上進(jìn)一步分析了物候3個(gè)參數(shù)對生產(chǎn)力的影響過程(圖7)。從圖7a可看出，研究區(qū)絕大多地區(qū)(70.0%)的返青期與春季NDVI呈負(fù)相關(guān)，其中11.1%為顯著負(fù)相關(guān)，說明返青期的提前將增加春季植被生產(chǎn)力。與春季不同，返青期與夏季和秋季植被NDVI的相關(guān)關(guān)系主要以正相關(guān)為主(分別為82.1%和87.6%的地區(qū))(圖7bc)，說明返青期的提前對該兩個(gè)季節(jié)植被生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面作用。需要說明的是返青期與夏季NDVI相關(guān)關(guān)系的空間分布格局(圖7b)與返青期與生長季NDVI相關(guān)關(guān)系的空間格局(圖6a)高度一致。這可能與夏季植被生產(chǎn)力在年生產(chǎn)力中的所占比重較大有關(guān)，即植被年生產(chǎn)力的波動(dòng)主要由夏季氣候變化引起的夏季植被生產(chǎn)力變化有關(guān)，而與春秋季物候變化的關(guān)系不大。與返青期相似，枯黃期的變化主要對秋季植被生產(chǎn)力產(chǎn)生影響(圖7d)，即研究區(qū)85.8%的地區(qū)的枯黃期與秋季NDVI之間呈正相關(guān)，說明枯黃期的推遲將增加秋季植被生產(chǎn)力。盡管本文初步反映了2001-2016年內(nèi)蒙古植被物候和生產(chǎn)力變化趨勢及其相關(guān)關(guān)系，但研究方法以遙感和相關(guān)分析方法為主，缺乏地面多年連續(xù)觀測和生態(tài)系統(tǒng)模型模擬的研究。另外，植被生產(chǎn)力的變化除受物候變化影響外，還受氣候、放牧、開墾、自然災(zāi)害(干旱、火災(zāi)和病蟲害等)等多種因子的綜合影響，有必要在今后工作中開展基于生態(tài)學(xué)模型的不同因素對生產(chǎn)力變化的貢獻(xiàn)率，并與今后發(fā)布的遙感數(shù)據(jù)結(jié)合將觀測尺度延長，降低16年觀測尺度中存在的不確定性。

圖7 2001—2016年內(nèi)蒙古植被(a)返青期與春季NDVI，(b)返青期與夏季NDVI，(c)返青期與秋季NDVI和(d)枯黃期與秋季NDVI的相關(guān)關(guān)系Fig.7 The correlation between vegetation start of growing season and spring NDVI (a),start of growing season and summer NDVI (b), start of growing season and autumn NDVI (c)，end of growing season and autumn NDVI (d) in Inner Mongolia during 2001—2016

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古植被生產(chǎn)力(NDVI)由東北向西南逐漸降低，與其降水和植被類型的空間格局高度一致。在觀測時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)植被生產(chǎn)力(NDVI)主要以增加為主，其中森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的植被生產(chǎn)力主要呈顯著增加的趨勢(P<0.05)。從物候參數(shù)的變化趨勢看，返青期和枯黃期提前趨勢的面積略大于推遲趨勢的面積，但變化趨勢呈顯著的面積比重較低。物候參數(shù)與植被生產(chǎn)力的相關(guān)分析表明，返青期、枯黃期、生長季的變化趨勢并不一定能決定所有生態(tài)系統(tǒng)的植被年生產(chǎn)力的變化趨勢。但從季節(jié)尺度上的相關(guān)分析可看出，返青期的提前(或推遲)將增加(或減少)春季植被生產(chǎn)力，而枯黃期的推遲(或提前)將增加(或減少)秋季植被生產(chǎn)力。