全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员员期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
土壤大孔隙流研究现状与发展趋势 高朝侠袁徐学选袁赵娇娜袁等 渊圆愿园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
能源基地生态修复
我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述 吴摇 钢袁魏摇 东袁周政达袁等 渊圆愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究要要要以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例
魏摇 东袁全摇 元袁王辰星袁等 渊圆愿圆员冤
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基于 阅孕杂陨砸模型的国家大型煤电基地生态效应评估指标体系 周政达袁王辰星袁付摇 晓袁等 渊圆愿猿园冤噎噎噎噎
西部干旱区煤炭开采环境影响研究 雷少刚袁卞正富 渊圆愿猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天煤矿区生态风险受体分析要要要以内蒙古平庄西露天煤矿为例 高摇 雅袁陆兆华袁魏振宽袁等 渊圆愿源源冤噎噎噎
草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响要要要以黑岱沟露天煤矿为例
康萨如拉袁牛建明袁张摇 庆袁等 渊圆愿缘缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三七对土壤中镉尧铬尧铜尧铅的累积特征及健康风险评价 林龙勇袁阎秀兰袁廖晓勇袁等 渊圆愿远愿冤噎噎噎噎噎噎噎
某焦化场地土壤中多环芳烃分布的三维空间插值研究 刘摇 庚袁毕如田袁权摇 腾袁等 渊圆愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
杉木人工混交林对土壤铝毒害的缓解作用 雷摇 波袁刘 摇 彬袁罗承德袁等 渊圆愿愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 啄员缘晕稳定同位素分析的人工防护林大型土壤动物营养级研究 张淑花袁张雪萍 渊圆愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎
铅镉抗性菌株 允月员员强化植物对污染土壤中铅镉的吸收 金忠民袁沙摇 伟袁刘丽杰袁等 渊圆怨园园冤噎噎噎噎噎噎噎
陕北地区石油污染土壤中不动杆菌属的筛选尧鉴定及降解性能 王摇 虎袁吴玲玲袁周立辉袁等 渊圆怨园苑冤噎噎噎噎
祁连山高山植物根际土放线菌生物多样性 马爱爱袁徐世健袁敏玉霞袁等 渊圆怨员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆沙冬青 粤酝和 阅杂耘真菌的空间分布 姜摇 桥袁贺学礼袁陈伟燕袁等 渊圆怨圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
聚糠萘水剂对不同积温带玉米花后叶片氮同化的影响 高摇 娇袁董志强袁徐田军袁等 渊圆怨猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古河套灌区玉米与向日葵霜冻的关键温度 王海梅袁侯摇 琼袁云文丽袁等 渊圆怨源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四种类型栓皮栎栲胶含量 尹艺凝袁张文辉袁何景峰袁等 渊圆怨缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
食物胁迫对翅二型丽斗蟋飞行肌和繁殖发育的影响 吴红军袁赵吕权袁曾摇 杨袁等 渊圆怨远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
颜色对梨小食心虫产卵选择性的影响 杨小凡袁马春森袁范摇 凡袁等 渊圆怨苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
缓释单萜类挥发物对落叶松毛虫行为及落叶松主要防御蛋白的影响 林摇 健袁刘文波袁孟昭军袁等 渊圆怨苑愿冤噎噎
种群尧群落和生态系统
黄土丘陵沟壑区不同植被恢复格局下土壤微生物群落结构 胡婵娟 袁郭摇 雷 袁刘国华 渊圆怨愿远冤噎噎噎噎噎噎
刺参池塘底质微生物群落功能多样性的季节变化 闫法军袁田相利袁董双林袁等 渊圆怨怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 阅郧郧耘技术的茯砖茶发花过程细菌群变化分析 刘石泉袁胡治远袁赵运林 渊猿园园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国区域间隐含碳排放转移 刘红光袁范晓梅 渊猿园员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南地区退耕还林工程主要林分 缘园年碳汇潜力 姚摇 平袁 陈先刚袁周永锋袁等 渊猿园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 李广泳袁李小雁袁赵国琴袁等 渊猿园猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
黑龙江省温带森林火灾碳排放的计量估算 魏书精袁罗碧珍袁孙摇 龙袁等 渊猿园源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区森林植被气候生产力模拟 潘摇 磊袁肖文发袁唐万鹏袁等 渊猿园远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡水库支流拟多甲藻水华的形成机制 朱爱民袁李嗣新袁胡摇 俊袁等 渊猿园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区 李亦秋袁鲁春霞袁邓摇 欧袁等 渊猿园愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于集对分析的京津冀区域可持续发展协调能力评价 檀菲菲袁张摇 萌袁李浩然袁等 渊猿园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
江西省自然保护区发展布局空缺分析 黄志强袁陆摇 林袁 戴年华袁等 渊猿园怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖生态经济区生态经济指数评价 黄和平袁彭小琳 袁孔凡斌袁等 渊猿员园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价 刘心竹袁米摇 锋袁张摇 爽袁等 渊猿员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿缘鄢圆园员源鄄园远
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封面图说院 三峡库区森林植被要要要三峡地区属亚热带区域袁山高坡陡尧地形复杂尧物种丰富袁森林是其最重要的自然资源之一袁
其面积占到库区总面积的 猿苑豫左右袁库区内现有森林可初步分为 圆 个植被型组袁愿 个植被型袁员愿 个群系组袁源源 个群
系袁员园圆个群丛袁主要树种有马尾松尧杉树尧柏树等袁低海拔处多为落叶阔叶林尧常绿阔叶林袁较高海拔分布有针阔混交
林尧针叶混交林尧灌木林等袁人工林主要有经济林尧竹林等遥 对三峡库区森林气候生产力进行模拟袁分析库区森林植
被的生产力并进行预测袁可以为三峡库区的生态建设决策提供科学依据遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 11 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.11
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金重点项目(41130640); 青海湖流域生态水文过程与水分收支研究
收稿日期:2012鄄11鄄25; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xyli@ bnu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201211251668
李广泳,李小雁,赵国琴,张志华,李岳坦.青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征.生态学报,2014,34(11):3038鄄3047.
Li G Y, Li X Y, Zhao G Q, Zhang Z H, Li Y T.Characteristics of spatial and temporal phenology under the dynamic variation of grassland in the Qinghai
Lake watershed.Acta Ecologica Sinica,2014,34(11):3038鄄3047.
青海湖流域草地植被动态变化趋势下
的物候时空特征
李广泳1,2,李小雁1,2,*,赵国琴2,张志华2,李岳坦3
(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京师范大学资源学院,北京摇 100875;
2. 北京师范大学资源学院,北京摇 100875;3. 中国科学院大学,北京摇 100049)
摘要:植被物候不仅直接受气候变化的影响,还反作用于气候变化。 因此,明确植被物候变化的驱动机制对于进一步研究气候
变化与物候的相互作用具有重要的意义。 选取位于青藏高原东北部的青海湖流域,利用 MODIS 16d增强植被指数(EVI)合成
数据,来分析草地物候时空格局特征以及不同 EVImax变化趋势下草地物候期(返青期、枯黄期及生长季)的变化趋势。 研究得到
以下结果:(1)在气候变化和人类活动等因素的共同作用下,青海湖流域的 EVImax变化呈现多元化趋势,EVImax增加、不变、降低
趋势并存;(2)1990—2012年期间,流域内温度上升、降水量增加趋势显著,温度上升速率为 0.42—0.83 益 / 10a,降水量增加速
率为 43.20—44.68 mm / 10a。 刚察、天峻气象站草地返青期在 2001—2012 年期间呈现延迟趋势,枯黄期变化趋势不显著,生长
季呈现缩短趋势;(3)流域内草地返青从 4月下旬持续到 6月上旬,枯黄期从 8 月中旬持续到 10 月上旬,青海湖东岸、南岸、布
哈河入湖口区域以及流域西部山坡和平坦的谷底地区牧草最早进入返青期,返青空间格局呈现由湖岸向四周高海拔地区延伸
趋势,草地枯黄空间格局与返青期相反;(4)不同 EVImax变化趋势下,草地返青期、枯黄期、生长季变化趋势表现出差异。 草地
EVImax降低趋势下,牧草返青期呈现提前趋势,枯黄期延迟,生长季延长;EVImax增加趋势下,牧草返青期延迟,枯黄期变化不明
显,生长季缩短;EVImax不变区、农田的返青与枯黄期变化趋势并不明显,但是农田生长季缩短趋势较明显。
关键词:物候;草地;时空格局;EVI;青海湖流域
Characteristics of spatial and temporal phenology under the dynamic variation of
grassland in the Qinghai Lake watershed
LI Guangyong1,2, LI Xiaoyan1,2,*, ZHAO Guoqin2, ZHANG Zhihua2, LI Yuetan3
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2 College of Resources Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Phenology is a critical feature of vegetation, and it could reflect the effects of climate variability and change on
vegetation growth. There are complex feedbacks between vegetation phenology and climate change, therefore, researches on
the driving mechanism of the change of vegetation phenology would provide a better understanding of the interactions
between climate change and phonology. In this study, we selected Qinghai Lake watershed located in the northeastern of the
Qinghai鄄Tibet Plateau as study area and used MODIS 16 days Enhanced Vegetation Index (EVI) composite data to analyze
the spatiotemporal pattern and trend of grassland phenology (the start of the growing season, the end of growing season and
days of growing season) under the different variations of EVImax of grassland. The results of the study were concluded as:
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(1) The changes in EVImax of grassland showed a diverse trend under the influence of climate change and human activities,
an increasing, unchanged and a decreasing trend of EVImax coexisted at the same time in the whole watershed. ( 2)
Temperature and precipitation increased significantly from 1990 to 2012. Air temperature increased at the rate of 0.42—0.83
益 / 10a, and precipitation increased at rate of 43.20—44.68 mm / 10a. The date of the start of the growing season showed a
delay trend around both Gangcha and Tianjun weather station, the date of the end of growing season showed no obvious
change but the days of the growing seasons showed a shortening trend between 2001 and 2012. (3) The date of the start of
the growing season lasted from April 20 to June 10 and the date of the end of growing season from Mid鄄August to September
10 in the Qinghai Lake watershed. The places have early dates of the start of the growing season include the eastern and
southern lakesides of the Qinghai lake, Buha River estuary, hillslope and flat area of the valley in the western of the
watershed. The date of the start of the growing season extended from lakeshore to the high鄄altitude areas, but vice verse for
the date of the end of growing season. ( 4) Vegetation phenology showed different trend under the different variation of
EVImax . When the EVImax decreased, the date of the start of the growing season advanced, the date of the end of growing
season delayed and the days of the growing season increased. In contrast, the date of the start of the growing season
delayed, the date of the end of growing season showed no obvious change and the days of the growing season shorten when
the EVImax increased. The farmland and the places without change in EVImax had no obvious changes in the date of the start of
the growing season and of the end of growing season, however, days of the growing season shorten for farmland. (5) The
result suggests that the vegetation phenology change was a complex process, probably affected by multiple factors, such as
grassland degradation caused by over鄄grazing, vegetation EVImax increased under the climate change, enclosed grassland
with unreasonable management, the vegetation ecosystem of succession and so on. Therefore, using of remote sensing data
for vegetation phenology studies must distinguish dynamic changes of the vegetation of the different experimental samples
firstly. Otherwise, it would affect the phenology study results.
Key Words: phenology; grassland; spatial and temporal patterns; EVI; the Qinghai Lake watershed
摇 摇 植被是联系大气圈、水圈和土壤圈的纽带,是物
质能量交换的载体。 植被返青期和枯黄期的改变直
接决定生长季的长短,从而决定陆地生态系统每年
的碳吸收量[1],最终改变大气中 CO2含量。 植被返
青期的提前还导致春季土壤水分过多的消耗,从而
影响夏季的气候[2]。 草地生态系统是陆地生态系统
的重要组成部分,占到全球陆地总面积的 40%,是陆
地植被中重要的碳库。 因此,研究草地生态系统物
候的动态变化对于研究气候变化趋势下的碳固和植
被对气候的反作用都具有重要的意义。
青藏高原素有“亚洲水塔冶和“第三极冶之称,其
特殊的地势和地理位置对全球气候变化影响巨
大[3]。 青海湖是位于我国青藏高原东北部最大的内
陆咸水湖。 Hao认为青海湖流域的生态问题受多重
因素的影响,是十分复杂的,因此,中国和美国的科
学家都计划在这个区域展开更多生态领域的研
究[4]。 随着气候变化趋势的加剧,众多学者研究发
现青藏高原地区植被物候也发生改变。 Yu 等人利
用 AVHRR 归一化植被指数(NDVI)数据对青藏高
原植被物候进行研究,认为从 20 世纪 90 年代中期
以来,随着冬、春季气候变暖,青藏高原植被返青出
现了延迟的现象,草甸枯黄期没有明显变化,而草原
枯黄期呈现提前趋势[5]。 而丁明军等人结合青藏高
原典型台站气象观测数据研究显示,1982—2009 年
青藏高原植被返青呈现提前趋势,尤其在 20 世纪 90
年代中期以后,植被返青期显著提前,并表现出与
冬、春季气温和降水具有明显的负相关性[6]。 宋春
桥等人采用 MODIS EVI数据对藏北高原典型植被物
候变化研究发现,2001—2010 年期间藏北植被呈现
返青提前趋势,枯黄期的年际变化只表现出自然的
年际波动,生长季延长。 他认为这与 Yu 等人的研究
出现差异可能与选取的样地具体位置、研究时间尺
度和参照的时间基准有关[7]。 总之,当前大部分针
对青藏高原植被物候变化的研究都将其动态变化归
咎于气候变化,并没有进一步考虑影响植被物候的
其他因素,如霜冻、辐射、冰雪覆盖时间和植物生理
9303摇 11期 摇 摇 摇 李广泳摇 等:青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 摇
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特性[8]。 藏北高原植被物候动态变化趋势在时空上
表现出差异,呈现返青期(枯黄期)提前与延迟趋势、
生长季延长与缩短趋势在空间上并存[9],这说明了
气候变化趋势下,植被物候还受其他因子的影响。
植被物候受气候变化影响的同时,也控制了许多反
馈植被气候系统的指标,如季节性反照率、地表粗糙
度、树冠电导和通量、水、二氧化碳和生物挥发性有
机化合物等[10]。 Chen等人认为,青藏高原植被返青
延迟还可能归结于其他原因,如草地退化、永久性冻
土和季节性冻土的融化[11]。 而当前对于草地退化
是否影响植被物候,且不同植被退化趋势下植被物
候的动态变化趋势还尚不明确。
当前在青藏高原开展的植被物候变化趋势研究
中,采用传统目视观测法选取的观测点多为禁牧或
封育状态下的草地[12鄄13],不能反映长时间序列下不
同草地植被活动状态趋势下的植被物候动态变化特
征,譬如不同草地退化趋势和草地覆盖度增加趋势
下物候变化特征,遥感观测法在提取物候数据时同
样没有考虑长时间序列的植被动态变化趋势。 在当
今气候变化趋势和人类活动等因素的共同扰动下,
青藏高原植被动态呈现两极变化趋势[14],即温度升
高和降雨量的增加使气候变化更利于植被活动,表
现为植被覆盖度增加;而过度放牧等人类不合理的
草地利用方式又导致草地退化,降低草地覆盖
度[14鄄16]。 因此,本研究选取不同草地植被动态时空
变化趋势的区域为研究样点,分析其植被返青、枯黄
期和生长季的变化趋势,不仅为前人在青藏高原展
开物候研究得到的不同结论提出合理的解释,更为
植被物候动态变化驱动机制研究提供可靠的依据。
1摇 研究区概况与研究方法
1.1摇 研究区概况
青海湖流域位于青藏高原的东北部,总面积为
29661 km2。 年均温度-1.1—4.0 益,多年平均降水
量为 291—579 mm,呈现从东南向西北递减的趋势,
降水主要集中在每年的 5—9月份,历年逐月最大降
雨量主要集中在 7 月份[17]。 流域内地形条件复杂,
地势由流域西北部向青海湖递减,最高海拔达到
5200 m,高差达 2200 m。 植被类型以草原和草甸为
主,占到流域总面积的 60%以上,灌丛主要沿河岸零
星分布。 流域内主要有 5 条河流,青海湖 83%的水
来源于这 5条河流,其中最大的河流为布哈河,其次
为沙柳河,两条河流覆盖流域的整个西部区域(图
1)。
图 1摇 青海湖流域植被类型和气象站位置图
Fig.1摇 Vegetation types of the Qinghai Lake watershed and locations of weather stations
1.2摇 数据来源
青海湖流域植被类型数据来源于中国生态系统
与生态功能区划数据库(http: / / www.ecosystem.csdb.
cn / ecosys / index.jsp)。 流域内有两个国家级气象站,
刚察站和天峻站,研究过程中涉及的年均温度、年降
水量、观测植被物候数据均来源于 2 个气象站。 EVI
0403 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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与 NDVI相比降低了来自土壤和大气的干扰,对植被
冠层结构(叶面积指数、冠层类型、冠层结构等)都特
别敏感,是一个优化了的植被指数,已经广泛应用到
植被物候研究中,取得了很好的效果[18鄄19]。 本研究
选用美国 EOS / MODIS 数据中心提供的 16 天合成
EVI ( MOD13Q1 ) 数据,空间分辨率为 250 m 伊
250 m。
1.3摇 研究方法
应用 MODIS Reprojection Tools ( MRT ) 对
MODIS影像进行波段提取、重投影、剪切,来获取研
究所需要的 EVI 序列数据。 TIMESAT 3.0 软件是基
于 Matlab环境下开发的研究植被指数年序变化和空
间格局的新工具[20]。 本文应用该软件中的非对称
高斯函数法对 11a MODIS 16d EVI 合成数据进行拟
合处理,选用动态阈值法提取实验样点 2001—2011
年草地返青期、枯黄期和生长季数据。 阈值的设定
受人为主观影响较大[21],宋春桥等人根据藏北高原
地区植被特征将返青期 EVI阈值设为 0.1,枯黄期设
为 0.2[7,9];YU等人将返青期 NDVI 阈值设为 0.2,枯
黄期设为 0.6[5]。 本研究结合青海湖流域草地实际
返青期数据,经过多次调整后将青海湖流域草地返
青期的阈值设置为 0.1,枯黄期阈值设置为 0.5。
一元回归趋势法[22]是应用 ARCGIS栅格计算功
能,基于栅格单元来分析 EVImax逐年的变化趋势,从
而反映草地 EVImax时空动态变化特征。 其计算公式
如下:
KSLOPE =
n 伊 移
n
i = 1
i 伊 EVIi - 移
n
i = 1
i移
n
i = 1
EVIi
n 伊 移
n
i = 1
i2 - (移
n
i = 1
i) 2
(1)
式中, n是研究期总年数; i 为研究期中第 i 年;EVIi
为第 i 年的最大值; KSOLOPE为一元回归斜率值。
KSOLOPE>0,说明 EVImax呈现增加趋势,数值越大,增加
趋势越明显;KSOLOPE<0,说明 EVImax呈现降低趋势,数
值越小,降低趋势越明显。
2摇 结果分析与讨论
2.1摇 流域草地动态变化趋势
草地退化最显著的标志就是植被覆盖度的降
低[23],植被覆盖度的降低不仅会增加地表反照率,
使地表温度下降,还会改变土壤含水量[2,11,24],而地
表温度、土壤含水量是决定着植被物候的两个关键
因子[10]。 草地退化还导致地表植被物种组成改变,
不同的物种物候特征也存在差别[25鄄26]。 为了分析草
地退化与植被物候关系及不同退化趋势下植被物候
的变化倾向,本研究在青海湖流域选取不同 EVImax
变化趋势样点,进行植被物候变化分析。 由于青海
湖流域面积较已有植被退化趋势领域的相关研究面
积小[27鄄28],按照已有范围和退化等级[29]划分 EVImax
变化趋势,会出现个别等级区域没有集中连片分布,
而呈现单个栅格的现象。 为了更好的显示青海湖流
域植被 EVImax空间的动态变化趋势,提高 TIMESAT
软件栅格数据提取的准确度,参照已有研究[27],将
植被 EVImax动态变化趋势划分成 5 个等级(表 1)。
实验样点分别选取在 5 个等级中 EVImax变化趋势较
为一致的区域,同时增加两个特殊实验样点,分别是
退耕还草和农田样点(图 2)。
表 1摇 EVImax变化趋势分级表
Table 1摇 Grading table of EVImax change
EVImax变化趋势
EVImax change
变化程度
Degree of change
重度退化 Severe degradation KSLOPE>0
中度退化 Moderately degradation -0.01
通过图 2可以看出,在气候变化和人类活动等
多重因素共同影响下[30],青海湖流域植被 EVImax时
空变化差距比较大,布哈河中、上游地区出现了
EVImax增长的趋势,尤其在天峻气象站周围,EVImax呈
现大面积显著增加趋势;在青海湖流域的北部区域,
却出现了大面积 EVImax下降区域,尤其是青海湖农
场退耕还草区,EVImax显著下降。 当青海湖农场退耕
还草且实行长达 10a 禁牧后,往年枯草没有进行清
除,大量枯草的覆盖阻碍了新草的生长[4],最终导致
封育草地呈现退化趋势。 位于青海湖北岸和南岸的
农田区,以种植青稞、油菜为主,EVImax增长趋势较为
显著。 青海湖湖岸东北部的沙地区域,植被难以生
长,覆盖度较低,长期没有改善, EVImax基本保持
不变。
1403摇 11期 摇 摇 摇 李广泳摇 等:青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 摇
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图 2摇 青海湖流域 EVImax动态变化及实验样点位置图
Fig.2摇 The dynamic variation of EVImax in the Qinghai Lake watershed and locations of experimental samples
2.2摇 流域草地物候空间格局
青海湖流域草地返青期从每年的 4 月下旬延续
到 6 月上旬,最早进入返青期的区域集中分布在青
海湖东岸、南岸以及布哈河入湖口区(图 3a)。 但是
上述区域平均海拔在 3200 m,温度较高,且土壤水分
条件良好,因此是环湖区最早进入返青期区域。 流
域西北部草地也存在返青比较早的区域,主要分布
在西部山坡和谷底平坦地区。 该区域是布哈河的源
头,山顶多被冰雪覆盖,山坡和谷底多冻土层,是雨
季来临之前布哈河主要水分来源。 因此,当温度升
高时,山顶冰雪融水在山坡和谷底汇集,使周围土壤
水分增加,地表植被能够较早的进入返青状态。 随
着时间的推移,温度逐渐升高,降水量增加,植被返
青趋势开始向流域北部和西部高海拔地区扩展。 5
月中旬流域内北部、西部海拔较低的区域植被开始
进入返青阶段;5 月下旬,流域大部分区域草地都进
入返青期。 进入返青期最晚的草地主要分布在流域
西北部降雨较少的高海拔区域。 青海湖北岸和南岸
农田,以种植油菜、青稞为主。 农户一般在每年的 6
月初开始种植农作物,因此,这两块区域成为流域内
植被返青较晚的区域。
进入秋季(8 月上旬),青海湖流域温度逐渐降
低,高海拔地区降水开始以降雪的形式降落到地表,
草地进入枯黄期。 草地枯黄期从每年的 8 月中旬持
续到 10月上旬,最早进入枯黄期的区域集中在流域
的北部和西部区域(图 3b)。 流域内草地进入枯黄
期时间的空间格局大体上和返青期空间格局相反,
从西部和北部区域向青海湖周围萎缩,最晚枯黄的
区域集中在青海湖湖岸四周和布哈河主河道周围。
10 月上旬,流域所有植被基本都进入枯黄期。 青海
湖流域的农田作物一般在 7 月中、下旬开花,8 月上
旬开始结果,随后转入枯黄阶段,因此农田一般在 8
月底就陆续进入枯黄期,是青海湖环湖区最早进入
枯黄期的植被。
从图 3c 可以看出,青海湖流域西部草地返青
晚、枯黄早的区域生长季较短,大约只有 80d。 草地
生长季最长的区域集中分布在青海湖东岸、南岸、布
哈河入湖口和西部山坡、谷底区域,这与草地返青最
早分布地区一致,生长季最长达到 170d。 农田进入
返青期较周围草地晚,而农田作物枯黄期来临却比
草地早,因此,农田种植的农作物成为青海湖周围生
长季较短的植被类型。
2.3摇 植被物候与温度、降雨的关系
2.3.1摇 年均温度和降水量变化趋势
根据刚察、天峻气象站观测的年均温度和年降
水量数据显示,刚察和天峻站自 20 世纪 90 年代以
来,刚察(P<0郾 01)、天峻(P<0.01)温度均呈现显著
上升趋势(图 4),分别以 0.42 益 / 10a和 0.83 益 / 10a
的速率上升,远高于青藏高原 0.30 益 / 10a 的上升速
率[31鄄32],尤其是天峻气象站,温度升高速率接近青藏
2403 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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高原温度上升速率的 3 倍。 刚察(P< 0. 05)、天峻
(P<0.05)气象站年降水量自 1990s 后也均呈现增加
趋势(图 4),增加速率分别为 43.20 mm / 10a和 44.68
mm / 10a,明显高于青藏高原 17.46 mm / 10a的降水增
加量[27]。 尤其是 2000年以来,刚察县年均降水量约
400 mm,达到了半湿润地区的年降水量标准。 青海
湖流域气候暖湿趋势逐渐明显[33],这和整个青藏高
原气候变化趋势一致[34]。
图 3摇 青海湖流域植被返青期(a)、枯黄期(b)及生长季(c)空间格局图
Fig.3摇 Space pattern of begin of growing season (a), end of growing season (b), and growing season (c) in Qinghai Lake watershed
图 4摇 青海湖流域年均温度和年降水量变化趋势(1990—2012)
Fig.4摇 Trend of the average annual temperature and annual precipitation in Qinghai Lake watershed
2.3.2摇 植被物候变化趋势分析
刚察、天峻气象站观测草地返青数据为 2003—
2012年度,分别利用已有返青期、枯黄期数据,选取
相关性指标进行拟合得到 2001、2002 年天峻(R2 =
0郾 977, R2 = 0.865)、刚察(R2 = 1.00, R2 = 0.836)返青
期、枯黄期数据。 由图 5可以看出,2001—2012 年期
3403摇 11期 摇 摇 摇 李广泳摇 等:青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 摇
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间,刚察、天峻两个气象站草地返青期波动比较大,
都呈现返青延迟趋势(4.8 d / 10a、4.3 d / 10a),其结果
与 Yu等人研究的 20 世纪 90 年代中期以后整个青
藏高原植被返青期变化趋势一致[5]。 刚察气象站返
青期最早时间与最晚时间相差 21d,最晚返青期出现
在 2012年;天峻气象站返青期最早返青期与最晚返
青期相差为 24d,最晚返青期出现在 2007 年。 刚察、
天峻气象站草地枯黄期自然波动都不是太大,变化
趋势虽然相反但是并不明显。 天峻站草地枯黄期呈
现提前趋势,尤其在 2012 年,天峻站草地枯黄期提
前到了 251d(9 月 8 日),而刚察站草地枯黄期呈现
轻微的延迟趋势。 草地返青期和枯黄期的变化决定
着草地生长季的长短。 刚察、天峻气象站草地生长
季都呈现缩短趋势,尤其是天峻气象站,草地生长季
缩短速率为 9. 0 d / 10a,较刚察气象站 4. 7 d / 10a
明显。
图 5摇 刚察、天峻气象站草地物候变化趋势(2001—2012年)
Fig.5摇 Phenology trends of Tianjun and Gangcha weather station
2.4摇 不同 EVImax变化趋势下的草地物候变化特征
根据表 2不同实验样点返青期一元线性归回分
析可以得出,不同的 EVImax变化趋势下,2001—2010
年期间青海湖流域草地返青期年际变化趋势存在差
异。 实验样点返青期提前趋势整体表现为退耕还草
区>重度退化区>中度增加区>中度退化区,返青期
延迟趋势为显著增加区>农田>基本不变区。 EVImax
显著降低的重度退化、退耕还草区呈现返青期较明
显的提前趋势,而 EVImax显著增加区域、农田呈现返
青延迟的迹象。 除中度增加区外,返青期整体上呈
现当 EVImax表现为降低趋势时,植被返青期倾向提
前趋势,反之呈现延迟趋势。 通过上述分析说明,不
同的 EVImax变化趋势(植被盖度)影响到地面能量平
衡,改变了地表感热、潜热通量与土壤水含量[10],最
终影响到植被返青。
当前对青藏高原地区草地的枯黄期变化趋势研
究结论分歧较大。 有研究结果表明,气候变化趋势
下草地枯黄期变化趋势并不明显,只是自然的年际
波动[9];也有研究认为牧草枯黄期提前趋势显
著[35]。 根据表 2枯黄期一元线性回归方程显示,不
同 EVImax变化趋势下草地枯黄期提前趋势并不明
显,而退耕还草区、重度退化区和中度增加区植被枯
黄延迟趋势却较为明显,尤其是退耕还草区,在
2001—2010年期间,枯黄期延迟 21d。 结合刚察、天
4403 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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峻气象站(EVImax呈现增加趋势)观测牧草枯黄数据
和显著增加区拟合数据,可以认为当 EVImax处于增
加趋势时,牧草枯黄期变化趋势并不明显,而 EVImax
降低的区域,牧草枯黄期更倾向于延迟趋势。
植被返青期和枯黄期的波动,改变着植被的生
长季。 通过表 2可以看出,重度退化、退耕还草区草
地生长季都呈现明显的延长趋势,2001—2010 年期
间退耕还草区生长季延长 50d,这就表明草地退化或
草地 EVImax的显著降低趋势下,草地生长季表现出
明显的延长趋势。 EVImax显著增加区和农田的植被
生长季呈现缩短趋势,且最大缩短 20d,这和刚察、天
峻气象站观测草地生长季变化趋势一致。 郭连云等
人选取青藏高原三江源区封育牧草地(在草地生育
期结束后,对样地内枯草进行了放牧采食处理),对
牧草在温度升高、降水量增加趋势下物候变化进行
了分析,同样得到生长季缩短的结论[35]。 因此,可
以认为在 EVImax增加的区域,牧草的生长季呈现缩
短趋势。 这主要可能是由于温度升高,降水量增加,
更有利于植被的生长,使牧草能够较快的完成各生
育阶段(返青、开花、抽穗、成熟和枯黄),最终缩短了
生长季。 而朱宝文等人在青海湖北岸牧业气象观测
站连续 12a对牧草的生长季进行观测,得到牧草的
返青期提前,枯黄期延迟,整个生长季呈现延长趋势
的结论[12],这可能与试验样地里的枯草没有得到及
时清理,从而影响到下一生长季牧草的生长,试验地
牧草呈现退化趋势有关。
不同 EVImax变化趋势下草地返青期、枯黄期及
生长季的动态变化趋势的差异,从另一个方面也说
明了植被物候变化是一个复杂的过程,受到多重因
子的影响,其中过度放牧导致的草地退化、气候变化
趋势下的 EVImax增加、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变化,最终会反作用
于植被物候。 而在前人利用遥感数据对植被物候动
态变化及其与气候变化的关系研究中选取样点时,
没有考虑到所选实验点 EVImax动态变化的差异会反
作用于植被物候[5,7,9,16]。 因此,在利用遥感数据进
行植被物候的研究时,必须对不同实验样点的植被
动态变化进行区分,否者会导致研究结果与真实值
之间存在较大误差。
表 2摇 不同实验样点草地物候期线性回归拟合公式表
Table 2摇 Linear regression fit formula of different grassland phenology experimental samples
实验样
点类型
返青期 Start of the growing season
方程 Equation R2
枯黄期 End of growing season
方程 Equation R2
生长季 Growing season
方程 Equation R2
重度退化 Y= -3.000X+153.000 0.323 Y= 0.758X+267.533 0.032 Y= 3.752X+114.467 0.374
中度退化 Y= -1.036X+147.400 0.024 Y= -0.006X+274.133 0.000 Y= 1.079X+126.467 0.024
基本不变 Y= 0.418X+131.800 0.007 Y= 0.164X+287.200 0.009 Y= -0.224X+155.133 0.002
中度增加 Y= -1.891X+154.800 0.067 Y= 0.952X+263.667 0.148 Y= 2.764X+109.400 0.111
显著增加 Y= 2.594X+117.733 0.207 Y= 0.248X+278.933 0.015 Y= -2.236+160.800 0.149
退耕还草 Y= -3.345X+171.000 0.260 Y= 2.358X+260.133 0.441 Y= 5.642X+89.267 0.433
农田 Y= 0.691X+164.200 0.019 Y= -0.533X+271.733 0.023 Y= -1.224X+107.533 0.148
摇 摇 重度退化 Severe degradation;中度退化 Moderately degradation;基本不变 Unchanged;中度增加 Moderately increased;显著增加 Significantly
increased;退耕还草 Farmland to grasslands ;农田 Farmland
3摇 结论
本研究选取青海湖流域为研究区域,利用
MODIS合成影像数据,分析了流域植被 EVImax、返青
期、枯黄期和生长季的时空格局变化以及不同
EVImax变化趋势下草地、退耕还草地和农田的返青
期、枯黄期和生长季的动态变化,主要得到以下
结论:
(1)在气候变化和放牧活动等因素的综合影响
下,青海湖流域植被 EVImax在时空上不仅出现了严
重退化的区域,还出现了 EVImax显著增加的区域。
EVImax降低的区域主要集中分布在流域的北部,增加
的区域主要分布在流域西部的布哈河中下游地区。
流域内的农田在气候变化趋势下,也呈现 EVImax增
加趋势。 研究结果还显示,退耕还草后,如不对草地
进行合理的管护,长期的禁牧同样导致 EVImax的降
低,呈现明显的草地退化趋势。
(2)流域内的草地返青期在空间格局上存在差
5403摇 11期 摇 摇 摇 李广泳摇 等:青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 摇
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异,返青期最早为每年的 4 月下旬,最早进入返青期
的区域在青海湖湖岸东侧、南侧、布哈河下游区域以
及流域西部山坡和平坦的谷底地区,随着时间的推
移,返青趋势向流域北部、西部高海拔地区蔓延,6 月
中旬流域草地全部返青。 草地进入枯黄期最晚的区
域和最早返青的区域基本吻合,枯黄趋势由西部、北
部高海拔地区向青海湖湖岸周围延伸,10月上旬,流
域草地全部进入枯黄期。 流域内草地生长季大约在
80—170d之间,在空间格局除了具备草地返青期和
枯黄期两者的格局特征外,在布哈河、沙柳河河道周
围区域也表现出较长的生长季。
(3)实验样点草地 EVImax的增加、降低或保持不
变的趋势都影响着植被物候期。 EVImax显著降低的
区域(重度退化和退耕还草区)草地返青显著提前,
枯黄期推迟,最后导致生长季的延长。 草地 EVImax
显著增加区域返青期和枯黄期都表现延迟趋势,但
是返青期延迟趋势比枯黄期延迟趋势更加明显,因
此生长季表现出缩短趋势。 草地 EVImax中度增加和
中度退化区返青期提前趋势一致,而枯黄期出现略
微差别,因此最终表现为中度增加区生长季延长趋
势更加明显。 草地 EVImax不变区、农田区的返青与
枯黄期虽然变化趋势并不明显,但是农田区返青期
延迟趋势和枯黄期提前趋势较基本不变区明显,因
此农田区农作物生长季缩短趋势更明显一些。
由于受研究区域和 MODIS 影像资料的限制,研
究中也存在不足之处。 首先是由于青海湖流域地形
复杂,面积较小,选取大面积的 EVImax变化趋势一致
的区域比较困难。 因此,在提取实验样点物候数据
时,只能选取 EVImax变化趋势明显一致的几个栅格
数据来进行分析,这就不能更全面的代表整个流域
内同一类 EVImax变化趋势下的植被返青、枯黄期动
态变化;其次是草地物候数据时间序列有限。 气象
站草地物候观测数据与 MODIS 实验样点提取物候
数据时间序列仅有大约 10a。 因此,在数据研究的时
间尺度上两者都较短,研究结果不能更准确的说明
EVImax变化与植被返青、枯黄期动态变化的关系。
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7403摇 11期 摇 摇 摇 李广泳摇 等:青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
耘鄄皂葬蚤造院 泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶摇 网摇 摇 址院 憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶
编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 员员期摇 渊圆园员源年 远月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
中国科学院生态环境研究中心
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