元志輝， 銀 山， 薩楚拉,2， 池勇峰

（1.內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古師范大學內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.內(nèi)蒙古烏蘭察布市自然資源局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

植被物候是植被生長的重要指標之一，在陸地生態(tài)系統(tǒng)的水碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用［1］。植被返青期（Start of growing season,SOS）是植被生長過程中的重要階段之一，指植被開始萌芽生長的時間，對植被后期生長將產(chǎn)生重要影響［2］。生長季結(jié)束是物候中另一個最具代表性的物候參數(shù)，是植被休眠的開始或植被衰老（或落葉）的結(jié)束［3］。這2個參數(shù)共同確定植被的年生長長度［4］。物候與氣候因子之間的關(guān)系在大尺度區(qū)域已經(jīng)有了許多的研究，已逐漸成為研究全球變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響及反饋機制的重要參數(shù)和研究對象［5］，但人類活動尤其小區(qū)域城市化對物候的深入和定量的研究相對較少。此外，了解城市化對物候的影響不僅有助于進一步了解城市化對氣候變暖的物候反應，而且對制定城市人口緩解花粉季過敏以及觀賞花木培育布局等至關(guān)重要［6］。由于觀測到的植被覆蓋度年際變化具有季節(jié)性，通過將植被覆蓋度變化曲線的不同拐點與地面上的植被物候期聯(lián)系起來，有利于提取相應參數(shù)。而遙感方法在很大程度上是一種檢索物候數(shù)據(jù)的有價值工具，許多研究探索了利用基于衛(wèi)星的物候測量［7］。

不同城市生態(tài)系統(tǒng)中的植被物候具有時空異質(zhì)性，這取決于不同的植被類型、熱島環(huán)境和氣候區(qū)［8］。本文選擇我國北方干旱區(qū)主要核心城市之一的內(nèi)蒙古自治區(qū)首府呼和浩特市作為研究區(qū)，其位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部大青山南側(cè)（圖1），總面積約為1.7×105km2。呼和浩特轄4 個市轄區(qū)及5 個旗縣，常住人口從五普239×105人到七普344×105人，中心城區(qū)面積210 km2。研究區(qū)北部為大青山山地，南部為土默川平原，地勢由東北向西南逐漸傾斜，平均海拔在940～2280 m［9］。該區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候區(qū)，年平均氣溫2.0～6.7 ℃，年平均降水量為335.2～534.6 mm，無霜期為75～134 d，日照年均1600 h［10］。呼和浩特市從北到南，自然植被由森林植被逐漸過渡到山地草原植被、干草原植被、草甸草原植被、鹽生植被和沙生植被［11］。市區(qū)分布的綠化植物主要有闊葉落葉喬木，以垂柳（Salix babylonica）、新疆楊（Populus alba）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、山桃（Prunus davidiana）、小葉楊(Populus simonii)等為主；灌木有紫丁香（Syringa oblata）、榆葉梅（Amygdalus triloba）、玫瑰（Rosa rugosa）、華北珍珠梅（Sorbaria kirilowii）、連翹（Forsythia suspensa）等；針葉類樹種有油松（Pinus tabulaeformis）、圓柏（Sabina chinensis）、云杉（Picea asperata）、樟子松（Pinus sylvestris）等［12］。與我國大多數(shù)快速發(fā)展城市一樣，其城市化在近20 a 得到巨大發(fā)展［13］。因此，研究呼和浩特市的城市化對周邊植被物候的影響，對于認識人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要，并且有著重大意義。

圖1 研究區(qū)土地覆蓋Fig.1 Land cover of the study area

1 資料與方法

1.1 資料

計算物候參數(shù)所使用的遙感數(shù)據(jù)來自NASA免費提供的覆蓋呼和浩特市的MOD13Q1 產(chǎn)品，本文使用該數(shù)據(jù)2001—2020 年16 d 分辨率250 m 的歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）和增強型植被指數(shù)（Enhanced vegetation index，EVI）數(shù)據(jù)。NDVI 廣泛用于推斷植被物候?qū)W和增長［14］，因為它們表明林冠生物物理參數(shù)的變化如地上部生物量和葉面積指數(shù)［15］，而EVI 克服了植被飽和的現(xiàn)象，對稀疏或稠密植被的生長和衰退進行了敏感的監(jiān)測，并可以彌補NDVI 的不足［16］。土地覆蓋數(shù)據(jù)是我國研制的30 m 空間分辨率覆蓋全球南北緯80°的陸地范圍地表覆蓋數(shù)據(jù)（Globe-Land30），包括耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪10 種地表覆蓋類型（http://www.resdc.cn/Datalist1.aspx?Field-TyepID=1,3），本研究的時間序列為2001—2020 年，使用了2000、2010 年和2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，為了與植被指數(shù)分辨率匹配，重采樣為250 m 分辨率。呼和浩特市的行政區(qū)界線基于自然資源部標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822 號的標準地圖。

1.2 計算方法

1.2.1 物候計算方法SOS為植被指數(shù)第一次跨越振幅50%的日期；枯黃期（End of growing season,EOS）為植被指數(shù)最后一次超過振幅50%的日期。本文使用兩種植被指數(shù)以及兩種方法（表1）求平均值作為最終物候提取方法，以提高物候提取的準確性［17］。

表1 兩種計算物候方法Tab.1 Summary of two methods in determining phenology from MODIS data

計算2001—2020年每個像元NDVI時間序列曲線。然后將第一個振幅50%和下一個振幅50%作為2 個動態(tài)閾值，在之前的研究中廣泛用于遙感數(shù)據(jù)提取物候值［18］。即將一年內(nèi)首次通過50%振幅對應的NDVI時間點定義為SOS，將第二次通過50%振幅對應的NDVI 時間點定義為EOS。EVI 數(shù)據(jù)使用相同的方法提取物候期，最終將兩種指數(shù)提取物候平均值作為本文研究的物候參數(shù)（圖2）。

圖2 物候提取方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of phenology extraction method

1.2.2 趨勢分析法采取線性回歸分析法分析20 a呼和浩特市植被物候的整體變化趨勢，單個像元多年回歸方程中趨勢線斜率即為年際變化率。斜率為正表示物候推遲，負表示植被物候提前［19］。

式中：a為趨勢斜率，代表物候變化趨勢及其大小；i為監(jiān)測年份；n為研究時間段的年數(shù)；xi為第i年某一像元的植被物候值。

1.2.3 城市化指標設(shè)定第一個城市化指標為人造地表比率，在呼和浩特全市域建立250 m的漁網(wǎng)，計算每個漁網(wǎng)中人造地表所占面積比，并以10%～100%10個等級，賦值到每個漁網(wǎng)格網(wǎng)中，這種等級劃分反應城市化水平。第二個城市化指標為城鄉(xiāng)梯度，距市中心建立5 km 間隔的緩沖區(qū)，本文以呼和浩特市新華廣場為中心，建立完全覆蓋中心城區(qū)5～45 km 九等同心圓環(huán)（圖1），45 km 及以外區(qū)域代表城鄉(xiāng)結(jié)合部或農(nóng)村地區(qū)。使用該方法代表城鄉(xiāng)梯度，借鑒了Zhang等［20］的代表城市化變化方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 物候空間格局和總體趨勢

從2020 年不同土地覆蓋的植被物候統(tǒng)計可以看出（圖3），呼和浩特市地區(qū)森林和灌木地的SOS出現(xiàn)最早，兩者主要出現(xiàn)在120～143 d，即4月底到5月下旬，平均值都在第132 d左右，而其他植被類型SOS平均值均在150 d以上，表明該地區(qū)木本植物比草本返青早。耕地返青出現(xiàn)最晚，平均值在第168 d左右。而EOS 出現(xiàn)較晚的是草地，平均值在275 d左右，即國慶節(jié)前后。而森林和灌木地EOS出現(xiàn)較早，平均值都為第265 d左右，說明木本植物返青早枯黃也早。

圖3 不同土地覆蓋的EOS和SOS的差異Fig.3 Boxplot of phenological indicators across different land cover types

從近20 a 的變化趨勢空間分布上看（圖4），植被SOS 提前和推遲趨勢的區(qū)域比較集中，提前趨勢主要集中在呼和浩特市中心城區(qū)的人造地表覆蓋范圍內(nèi)，而推遲趨勢主要分布在研究區(qū)東北區(qū)域高海拔的草地和林地范圍內(nèi)。植被EOS 提前趨勢不明顯，而推遲主要分布在中心城區(qū)和研究區(qū)的西北角?？傮w來說，2001—2020 年中心城區(qū)的植被SOS提前，EOS 推遲，則生長季長度延長，表明近20 a 該區(qū)域的物候變化最不穩(wěn)定，因而有必要研究中心城區(qū)的物候變化。

圖4 近20 a呼和浩特市植被物候時空變化趨勢Fig.4 Spatio-temporal variation trend of vegetation phenology in Hohhot City during 2001—2020

為了保證土地覆蓋的一致性，排除土地利用變化對植物物候的影響，選擇3 期土地覆蓋不變的區(qū)域，而濕地由于多年未變化面積較小，僅統(tǒng)計5類植被覆蓋物候值。在整個呼和浩特市地區(qū)，人造地表［-4.1 d·(10a)-1］和灌木地［-3.4 d·(10a)-1］的植被SOS比其他土地覆蓋類型更為敏感（圖5a）。在過去的20 a 里，除了草地表現(xiàn)出微弱推遲，其他覆蓋類型SOS均表現(xiàn)為提前。而EOS趨勢中森林的變化最大［-1.9 d·(10a)-1］，但是除了人造地表［0.7 d·(10a)-1］外，其他覆蓋類型EOS均呈提前趨勢（圖5b）。橫向比較來看，人造地表生長季長度以每10 a延長近5 d，而草地以0.5 d·(10a)-1縮短，其他地表覆蓋類型生長季變化不明顯。這種現(xiàn)象很可能是由于城市熱島效應，提前人造地表植被SOS 日期，并推遲了EOS。此外，值得注意的是，不同土地覆蓋的多年EOS 比SOS平均值更接近，這種時間上的趨勢與圖3一致。

圖5 不同土地覆蓋SOS和EOS的年際變化Fig.5 Interannual change of SOS and EOS across different land cover types

2.2 植被物候?qū)Τ鞘谢捻憫?/h3>

從物候指標對不同人造地表比率的響應來看，隨著人造地表比率增高，SOS逐漸下降，當人造地表比率達到100%時，SOS 平均值陡然下降到最低值（圖6a）。而隨著人造地表比率增高，EOS 表現(xiàn)出與SOS幾乎相反的變化（圖6b）。對于城市化水平相對較高的地區(qū)，物候指標主要反映出受熱量影響的城市區(qū)域植被影響，表明溫度是解釋植被物候變化的關(guān)鍵驅(qū)動因素。對于城市化水平最高的地區(qū)（100%），物候指標劇烈變化，物候可能主要受城市熱島效應影響。人造地表比率較低的地區(qū)（如小于25%）為非城市主導的像素。這些地區(qū)的物候指標主要歸因于其他土地覆蓋類型影響。

圖6 不同人造地表比率的植被物候平均值Fig.6 Average vegetation phenology of different urban ratio

從不同的城鄉(xiāng)梯度看物候變化（圖7），隨著距市中心越來越遠，2001—2020 年SOS 呈“倒U”型趨勢，但總體推遲，而EOS整體呈提前，這在時間趨勢上與圖4空間上人造地表年際變化相似。物候極值在城鄉(xiāng)梯度的中間，最大的SOS 發(fā)生在距離城市中心約35 km 的環(huán)內(nèi)，比城市中心的地區(qū)或外圍農(nóng)村地區(qū)更晚。而最小的EOS 也發(fā)生在距離城市中心約35 km 左右，這個范圍內(nèi)整體上遵循城市熱島效應模式［20］。35 km 之后EOS 趨于穩(wěn)定，比城市中心更早，但與外圍農(nóng)村地區(qū)接近，該區(qū)域物候指標更多是由于受植被類型影響。由此可知，從城市中心到城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)物候值不是恒定不變的，表明植被物候?qū)Τ鞘谢捻憫嬖诓町?。隨著環(huán)距離增大，城市的不透水面比例越來越小，而農(nóng)田和草地比例逐漸增長。說明除了熱島效應，這些環(huán)中土地覆蓋比例的變化也是造成城鄉(xiāng)梯度差異的主要原因。此外本研究還觀察到不同年份的SOS變化比EOS變化更有規(guī)律，但其規(guī)律沒有城鄉(xiāng)梯度明顯，表明全球氣候的影響可能弱于城市化影響。

圖7 植被物候?qū)Τ鞘谢捻憫狥ig.7 Response of vegetation phenology to urbanization

3 討論

由于缺乏地面觀測數(shù)據(jù)，故采用間接驗證的方式對估算結(jié)果進行驗證。將本文兩種植被指數(shù)求平均計算的物候值與他人論文中觀測的物候值進行對比驗證，來檢測估算的準確性與可行性（表2）。比較結(jié)果表明，2001—2020年呼和浩特市遙感物候值與在該市觀測的物候值基本一致，但有微弱差異，出現(xiàn)這種情況主要原因在于：（1）單一物種和植被指數(shù)復合像元不同；（2）時間序列不一致；（3）地面觀測物候階段與遙感識別物候期不同。因此認定，兩種方法的平均值適合于呼和浩特市植被物候的時空變化分析。

表2 其他文獻地面觀測結(jié)果Tab.2 Ground observation results from other literature

呼和浩特市周邊的森林和灌木地SOS和EOS都比草本植物早，可能原因是木本植物具有較深的根系，一定程度上有利于它們從深層土壤中吸收水分［26］，使得SOS 對溫度變暖反應迅速。而在秋季，有限的水分和低溫會抑制植物的生長和光合作用［27］，增加葉綠素降解和植物死亡的風險，進而提前葉片衰老的時間［28］。此外，高大的木本植物由于傳輸水分路徑更長，植物頂端比接近地面溫度低，最終導致木本植物EOS 也比草本植物發(fā)生早。而耕地SOS較晚，可能原因是農(nóng)作物由人為影響較大，且呼和浩特市周邊農(nóng)作物多以玉米和馬鈴薯為主，這兩類經(jīng)濟作物出苗期均比草地和林地晚。而人造地表物候EOS較草本植物早，可能是遙感數(shù)據(jù)獲取的植被指數(shù)機理等原因造成。所以，在未來的工作中，應更多使用地面觀測數(shù)據(jù)或者更高分辨率的遙感數(shù)據(jù)對局部小區(qū)域的物候測定。

近20 a SOS 研究區(qū)植被整體上以提前為主，但不同地表覆蓋分異明顯，而EOS不同地表覆蓋的植被多年變化微弱。說明全球氣候變暖和城市化持續(xù)推進對呼和浩特市的SOS 影響較大，特別是人造地表和灌木地。此外，我們發(fā)現(xiàn)隨著人造地表比率的提高，SOS 出現(xiàn)了提前，而EOS 發(fā)生了推遲，這一發(fā)現(xiàn)與我們的常識相同［22］，熱島效應離中心越近，溫度越高，導致上述情況發(fā)生。至于在100%比例時，SOS/EOS 出現(xiàn)陡降/陡升，除了城市熱島效應影響顯著外，還可能在純粹的人造地表覆蓋下，考慮到植被物候數(shù)據(jù)集的空間分辨率為250 m，不同物種的信號被反映為混合物候特征［29］。

植被物候沿城鄉(xiāng)梯度的非線性關(guān)系，越靠近城市中心，SOS呈現(xiàn)出波動提前，而EOS先慢后快的趨勢推遲，表明城市熱島效應帶來地表溫度升高，但距城市中心一定距離，城市熱島效應減弱，土地覆蓋變化影響作用明顯，導致兩種物候參數(shù)相應變化。這種非線性響應，除了上述兩種因素的影響外，其他非生物和生物因素，如城市的夜間光照和不同觀光植物物種也可能影響植被物候?qū)Τ鞘谢捻憫?0］。此外，城市市政樹木灌溉和自然降水可能會改變植被物候，這種影響在干旱地區(qū)的城市更明顯［6］?？傮w而言，由于溫度、降水、光周期等多種因素的影響，城市化對EOS 的影響可能更為復雜，需要更多的物候地面觀測實驗來探討觀測到的物候變化趨勢背后的機制。

總之，從以上分析中得出的物候結(jié)果仍然存在不確定性，有2 個因素可能導致了這些不確定性。首先，除上述討論中提到熱島效應外，與城市化相關(guān)的其他因素，如物種組成、水文狀況、光周期、人工灌溉和大氣CO2濃度等，都可能影響物候活動［31］。其次，我們沒有從研究中排除耕地。耕地的物候?qū)W很大程度上依賴于作物類型和人類管理，這些也對物候的識別產(chǎn)生影響［32］。總的來說，本研究一定程度表明了城市環(huán)境對研究未來全球變化的物候反應的價值。然而，城市化的影響是復雜的，需要更直接的觀察、實驗操作和跨界交叉比較研究。

4 結(jié)論

本文從2個角度研究了呼和浩特市的不同土地覆蓋類型和不同城市化的植被物候變化。首先，分析了2001—2020 年多種土地覆蓋類型的物候差異。然后，分別利用不同人造地表比率和從城市核心到農(nóng)村地區(qū)的城鄉(xiāng)梯度，研究了植被物候?qū)Τ鞘谢捻憫?。總的來說，我們發(fā)現(xiàn)植被物候?qū)Τ鞘谢姆磻兴煌?，并得出以下結(jié)論：

（1）植被物候?qū)Σ煌乇砀采w的響應有所不同。SOS發(fā)生較早的是森林和灌木地（132 d），但其EOS 也較早（265 d）。SOS 較晚的是耕地（168 d），EOS較晚的是草地（275 d）。

（2）物候指標在人造地表的變化率最為顯著，其SOS 每10 a 提前4.1 d，而EOS 每10 a 推遲0.7 d。同時生長季長度每10 a延長近5 d。

（3）不同的人造地表比率的植被物候存在差異。SOS 隨人造地表比率上升而提前，EOS 則出現(xiàn)相反的趨勢。

（4）從城鄉(xiāng)梯度上看，由城市中心到周邊農(nóng)村，SOS波動上升，而EOS逐漸下降，極值均發(fā)生在距市中心35 km左右。