全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015210 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
李广泳,姜翠红,程滔,张浩然,陈占涛.青海湖流域植被物候格局时空动态变化及其与植被退化的关系.草业学报,2016,25(1):2232.
LIGuangYong,JIANGCuiHong,CHENGTao,ZHANGHaoRan,CHENZhanTao.Spatialtemporalvariationofvegetationphenologyandtheir
relationshipswithvegetationdegradationinaQinghaiLakewatershed.ActaPrataculturaeSinica,2016,25(1):2232.
青海湖流域植被物候格局时空动态
变化及其与植被退化的关系
李广泳1,姜翠红2,程滔1,张浩然1,陈占涛3
(1.国家基础地理信息中心,北京100830;2.北京市农林科学院农业综合发展研究所,北京100097;
3.二十一世纪空间技术应用股份有限公司,北京100096)
摘要:本研究利用2000-2014年期间 MODIS16d合成EVI数据,选用阈值法模型提取了青海湖流域逐年的植被
关键物候期,分析了物候时空动态变化特征及其与植被退化的关系。结果表明,青海湖流域内植被陆续在4月中
旬-6月中旬进入返青阶段,8月中旬-10月中旬进入枯黄期,生长季长度在100~150d之间。植被陆续进入返
青期的时间在流域整体空间上呈现由东南向西北延迟的水平地带性变化趋势,多高山分布区域的植被进入返青期
时间表现出垂直非地带性特征。植被进入枯黄期的时间与进入返青期早晚的时间在空间格局上相反,生长季长短
空间格局与植被进入返青时间早晚的空间格局一致。气候变化趋势下,流域植被物候时空动态变化存在空间异质
性,返青期均值年际变化趋势不明显,枯黄期均值提前6.4d,生长季均值缩短8.9d。流域内植被物候除受气候因
子影响外,与植被退化也有密切关系。植被生长趋于茂盛,返青期呈现延迟趋势;植被生长退化趋势,返青期呈现
提前倾向。枯黄期与植被退化的关系较复杂,整体上未表现出明显一致的相关性。植被生长季与植被退化呈现强
负相关,即植被生长呈现茂盛趋势的区域,生长季缩短。
关键词:植被物候;时空动态变化;植被退化;青海湖流域
犛狆犪狋犻犪犾狋犲犿狆狅狉犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犺犲狀狅犾狅犵狔犪狀犱狋犺犲犻狉狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狊狑犻狋犺狏犲犵犲
狋犪狋犻狅狀犱犲犵狉犪犱犪狋犻狅狀犻狀犪犙犻狀犵犺犪犻犔犪犽犲狑犪狋犲狉狊犺犲犱
LIGuangYong1,JIANGCuiHong2,CHENGTao1,ZHANGHaoRan1,CHENZhanTao3
1.犖犪狋犻狅狀犪犾犌犲狅犿犪狋犻犮狊犆犲狀狋犲狉狅犳犆犺犻狀犪,犅犲犻犼犻狀犵100830,犆犺犻狀犪;2.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲,犅犲犻犼犻狀犵
犃犮犪犱犲犿狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犪狀犱犉狅狉犲狊狋狉狔犛犮犻犲狀犮犲狊,犅犲犻犼犻狀犵100097,犆犺犻狀犪;3.犜狑犲狀狋狔犉犻狉狊狋犆犲狀狋狌狉狔犃犲狉狅狊狆犪犮犲犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犆狅.,
犔狋犱,犅犲犻犼犻狀犵100096,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:ThispaperpresentsathresholdmethodtoexaminethevegetationphenologyinaQinghaiLakewa
tershedbasedonatimeseriesanalysisofaMODISEVIdatasetfrom2000to2014using16dayintervals.The
spatiotemporalvariationofvegetationphenologyandtherelationshipwithvegetationdegradationwerealsoan
alyzed.Theresultsshowedthatthebeginningofthevegetationgrowingseason(BGS)occurredfrommidA
priltomidJuneandtheendofgrowingseason(EGS)frommidAugusttomidOctober;growingseason(GS)
wasbetween100to150days.TheBGSspatialpatternwasembodiedbyatransitionfromsoutheasttonorth
west;verticalzonationinthemountainousregionshowedacontrarytrendinEGSandGS.Spatiotemporal
22-32
2016年1月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第25卷 第1期
Vol.25,No.1
收稿日期:20150423;改回日期:20150825
基金项目:国家自然科学基金青年科学基金(41401057)和国家自然科学基金面上项目(41271535)资助。
作者简介:李广泳(1979),男,山东东平人,工程师。Email:liguangyong@ngcc.cn
通信作者Correspondingauthor.Email:caujiangch@126.com
variationofvegetationphenologyatthewholewatershedlevelshowedspatialheterogeneityunderclimate
change,butmeanBGStrendswerenotpronouncedduringthestudyperiod.EGSwasadvancedapproximately
6.4daysandGSprolongedby8.9days.Vegetationphenologywasalsoaffectedbyvegetationdegradation.
BGStendedtobelaterwhenvegetationflourishedandadvancedwhenvegetationwasdegraded.Therelation
shipbetweenannualEGSdateandvegetationdegradationwasrelativelycomplex.EGSandvegetationdegrada
tionweresignificantlynegativelycorrelatedindicatingEGSwasearlierwherethevegetationwasingoodcondi
tion.
犓犲狔狑狅狉犱狊:phenology;spatiotemporalvariation;vegetationdegradation;QinghaiLakewatershed
植被物候研究周期性重复出现的植被自然现象及其与环境条件周期变化的相互关系,反映了地球生物圈对
地球气候和水循环季节、年际变化的响应[1],被认为是植被响应区域气候变化最直接、敏感的特征指标之一;另一
方面,植被物候通过很强的地表生物物理、化学过程控制当前和未来的气候模式以及陆地生态系统的碳循环[2]。
因此,科学的理解植被物候空间格局及时空动态变化特征,不仅利于准确预测未来的气候变化趋势,更利于掌握
区域-全球尺度下受植被物候信息控制的碳收支空间格局及动态变化特征。
当前对植被物候的监测以野外定点观测和遥感监测为主[3],研究内容多集中在全球变化趋势下植被物候变
化特征及其与气候因子的关系,尤其是关于植被返青期的相关研究较多[4]。在利用遥感技术研究植被物候过程
中,多数学者仍局限在通过选取植被样区(点)定点监测植被物候变化,分析样区植被物候的年际变化规律及其与
气候因子之间的关系[58]。在植被样区尺度上研究植被物候变化的问题较简单,而在空间尺度下,植被物候还受
其他自然和人为压力等潜在机制的影响,如植被退化、放牧干扰等[911],这些问题被认为是未来一段时间植被物
候研究的新方向[2,12]。进行植被物候时空动态变化格局研究是探究上述其他影响植被物候潜在因子的前提。长
期以来,气候变化被认为是影响干旱、半干旱区植被物候的关键因素,忽略了植被退化对物候影响的重要性[13]。
Chen等[14]认为,青藏高原的草原、草甸植被退化会导致春季返青的延迟,但没有进行相关具体的研究来进行证
明。宋春桥等[8]分析了藏北高原典型植被样区物候变化、生长季最大增强植被指数(enhancedvegetationindex,
EVI)与气候因子之间的关系,但没有对植被退化与植被物候之间的关系进行深入分析。李广泳等[11]虽然分析
高寒草地植被物候与植被退化之间的关系,但是研究仍局限在样点监测,缺乏植被物候与植被退化空间关系的研
究。在当今全球气候变化的背景下,青藏高原已经被科学界公认为进行人类活动和生态环境冲突研究的重要试
验基地[15]。尤其是近10年来,对该区域植被物候的研究成为气候生态学领域在青藏高原研究的新热点。青藏
高原在气候变化和人类活动的双重干扰下,植被退化与茂盛趋势并存[16],然而针对植被退化与物候时空动态变
化之间的关系研究尚存在不足。
青海湖流域位于青藏高原和亚洲半干旱气候敏感带,具有独特的高寒半干旱生态系统特征,是一个综合性的
自然、社会和经济复合生态圈。近30年来,青海湖流域年平均气温增幅为0.28℃/10年[17],明显超过同时期青
藏高原地区乃至北半球同纬度其他地区的平均水平。在全球气候变化日益明显趋势下,青海湖流域已经成为国
际科学界研究青藏高原众多生态环境问题的代表区域之一[18]。本研究选取青海湖流域高寒植被为研究对象,研
究了近15年来植被物候时空动态变化特征,重点分析了植被退化与植被物候时空动态变化之间的关系,以期为
气候变化趋势下国家实施的青海湖流域生态治理与保护工程提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
青海湖流域位于青藏高原的东北部(36°15′-38°20′N,97°50′-101°20′E)(图1),面积为29661km2,海拔
3194~5174m,属于典型的干旱半干旱气候区。流域内年平均温度范围为-0.8~1.1℃,年降水量范围为
324.5~412.8mm,呈现由东北向西南降低的趋势。地势西北高而东南低,地貌类型复杂,多高山分布,山区面积
32第25卷第1期 草业学报2016年
占流域总量的68.6%。该区域内的青海湖是我国最
图1 青海湖流域植被覆盖(2012年)
犉犻犵.1 犔犪狀犱犮狅狏犲狉犿犪狆狅犳犙犻狀犵犺犪犻犔犪犽犲犱狌狉犻狀犵2012
大的内陆湖泊,也是最大的咸水湖,湖泊覆盖面积约
占流域总面积的16.0%以上,注入青海湖的主要河
流有布哈河、沙柳河、哈尔盖河、黑马河和倒淌河,其
中布哈河是注入青海湖最大的河流,占流域内年总
径流量的48.8%[19]。流域内土地覆盖类型多样,草
地、灌丛、荒漠、水域及农田都有分布,其中草地是流
域主要覆盖类型,约占流域面积的70%(图1)。
1.2 数据来源与处理
遥感数据为来源于美国国家航空航天局
(NASA)网站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/
data/)搭载在 Terra和 Aqua卫星上的 MODIS传
感器获取的 MOD13Q116d合成的植被指数产品,
空间分辨率为250m。本研究选用的是增强植被指
数(enhancedvegetationindex,EVI),时间跨度为2000-2014年,共计684景。选用 MODISReprojectionTool
软件对所有影像进行投影转换批处理,然后采用ERDAS软件对同时相2景影像进行拼接、裁切,得到研究需要
的EVI数据。流域植被覆盖数据采用国土部门提供的2012年土地利用现状更新数据为基础,结合同期Landsat
卫星影像数据进行了修正。刚察、天峻气象站是流域内仅有的2个国家级气象站,研究中涉及的2000-2014年
的温度、降水量数据来源于2个气象站地面观测资料。
1.3 物候提取模型
近20年来,遥感技术已经成为在大尺度下监测植被物候的有效手段。本研究首先在 ArcGIS环境下将
ModisEVI数据进行标准化,然后采用非对称高斯函数拟合方法对标准化后的EVI数据进行时间序列上的重建,
选用阈值法[20]分别提取研究期内历年植被物候期(返青期、枯黄期和生长季)。结合前期研究,将青海湖流域植
被返青期的阈值设置为0.1,枯黄期阈值设置为0.5[11]。植被物候期计算以同年1月1日为起点进行标准化,即
1月1日为第1天,1月2日为第2天……,依此类推确定植被返青期、枯黄期,返青期与枯黄期之间的自然天数
即为生长季。阈值法模型如下:
犈犞犐Ratio=
犈犞犐-犈犞犐min
犈犞犐max-犈犞犐min
(1)
式中,犈犞犐Ratio为输出比值(值域为0~1),犈犞犐为标准增强植被指数(enhancedvegetationindex)值,犈犞犐min指年
内最小值,犈犞犐max为年内最大犈犞犐值。
1.4 线性回归趋势法
一元回归趋势法是对随时间变化的变量进行回归分析的模型[21],已经广泛应用到植被动态变化研究中,取
得了良好的结果。该模型应用ArcGIS栅格计算功能,基于栅格单元来分析植被物候逐年的变化趋势,从而反映
植被物候的时空动态变化量。其模型如下:
犜=
狀×∑
狀
狔=1
狔×犘狔-∑
狀
狔=1
狔∑
狀
狔=1
犘狔
狀×∑
狀
狔=1
狔2- ∑
狀
狔=1
( )狔 2
×(犢狀-犢1) (2)
式中,狀是研究期总年数;狔为研究期中第狔年;犘狔 为第狔年的物候数据;犢狀 为研究期末年;犢1 为研究期第1年;
犜为物候期的变化量。犜>0,说明物候期延迟(延长);犜<0,说明物候期提前(缩短)。
1.5 相关系数模型
Pearson相关性系数是表达两个变量之间直线联系紧密程度的系数,可以在ArcGIS运行环境下将两套时间
序列相同的数据基于像元进行相关性分析[22]。相关系数越接近于1或-1,相关度越强,相关系数越接近于0,相
关度越弱。相关性系数为正值,表示两变量之间存在正相关,反之为负相关。通常情况下相关系数绝对值在
42 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
0.8~1.0为极强相关,0.6~0.8为强相关,0.4~0.6为中等程度相关,0.2~0.4为弱相关,0.0~0.2为极弱相
关或无相关。皮尔逊相关性系数模型如下:
犚GE=
∑
狀
犻=1
(犘犻-珚犘)(犈犻-珚犈)
∑
狀
犻=1
(犘犻-珚犘)2∑
狀
犻=1
(犈犻-珚犈)槡 2
(3)
式中,犚GE为植被物候与犈犞犐的相关系数,犘犻为第犻年物候期,珚犘为研究期内平均物候期,犈犻为第犻年犈犞犐,珚犈为
研究期内平均犈犞犐。
2 结果与分析
2.1 植被物候空间格局特征
2.1.1 植被返青期空间格局 2000-2014年期间,青海湖流域植被平均返青期为第144.6天,植被最早进入
返青的时间为4月中下旬(100~120d)。截止到6月上旬(160d),流域内95.0%的植被进入返青期,整个进入
返青期历时约60d(图2)。受流域地势变化的影响,植被进入返青期时间在空间上呈现由东南向西北延迟的水
平地带性变化趋势。青海湖南岸、倒淌河子流域及布哈河入湖口海拔较低的区域(3200~3300m),土壤湿润,是
流域内植被最早进入返青期的地区。5月上旬(120~130d),随着温度的升高,植被返青开始向四周较高海拔区
域扩展,约占流域植被覆盖总面积的8.3%。尤其在北部多高山分布地区,植被进入返青期时间表现出垂直非地
带性,海拔较低、水分条件较好的河流沟谷地带的植被陆续进入返青期;5月中旬至6月上旬(130~160d)是流域
植被返青高峰期,85.9%的植被返青集中在该时间段内。受高海拔低温的影响,流域西北部海拔在3800m以上
的高寒荒漠植被,一般集中在6月中旬(160~170d)。青海湖北岸、南岸种植油菜(犅狉犪狊狊犻犮犪犮犪犿狆犲狊狋狉犻狊)的农田
返青期集中在6月上旬(150~160d),主要是当地农民通常选择在5月下旬播种所决定。
2.1.2 植被枯黄期空间格局 流域内植被平均枯黄期为第268.7天,大约在8月中旬植被开始陆续进入枯黄
期,10月中旬结束。流域植被全部进入枯黄期历时约60d(图2)。流域内植被在先后进入枯黄期空间格局上呈
现由西北向青海湖四周低海拔区域扩展的变化趋势,与进入返青时间的空间格局相反。8月中旬(220d)开始,
受高海拔地区降雪等因素的影响,西北部高寒荒漠稀疏植被地区植被最早进入枯黄期。随着秋季来临,大气温度
降低,降水量的减少,9月份流域内植被进入枯黄期的面积开始增加。截止到9月中旬(260d),植被进入枯黄期
的面积占流域植被覆盖总面积的15.1%,集中分布在流域周边和中部高海拔区域。9月底(270d),流域内
55.16%的植被进入枯黄期,集中分布在海拔3600m以上的区域。10月中旬(280~290d),流域内98.8%的植
被进入枯黄期。流域北部山区的植被进入枯黄期的时间同样表现出了垂直非地带变化特征,生长在高海拔区域
植被进入枯黄期的时间较低海拔区域早。农田内种植的农作物进入枯黄期时间集中在9月中下旬(250~270
d),较周边草地略提前。
2.1.3 植被生长季空间格局 植被返青期、枯黄期共同决定生长季的长短。流域内植被平均生长季为124.6
d,其中生长季分布在100~150d之间的植被占流域覆盖总面积的83.1%(图2)。研究期内青海湖流域植被平
均生长季短于90d的区域集中分布在西北部高海拔区域。主要由于该区域植被受高海拔低温影响,植被返青较
晚,且进入8月份,多降雪天气,部分植物提前进入枯黄期导致其生长季较短。植被生长季超过130d的区域集
中分布在布哈河下游、倒淌河子流域及紧邻青海湖四周海拔低于3600m的区域。尤其在青海湖周边和倒淌河
子流域海拔低于3300m的区域,是流域内地表湿热条件最好的区域,植被生长季超过150d。农田内植被生长
季短于流域植被平均生长季,仅为117.7d。
2.2 植被物候时空变化特征
2.2.1 植被返青期时空变化特征 根据图3,气候变化趋势下,2000-2014年期间青海湖流域植被平均返青
期只表现出自然的波动,但在地理空间上却表现出变化趋势的明显差异性(图4)。流域西北部、青海湖西侧及倒
淌河子流域东部植被表现出明显的返青期延迟趋势,超过10d以上,约占流域植被覆盖总面积的16.0%。流域
中北部区域、青海湖东北部及南部区域却呈现植被返青提前趋势,提前6d以上,面积约占流域植被面积的
52第25卷第1期 草业学报2016年
25.1%。受土地利用变化的影响,实施退耕还林、还草的农田区植被物候明显提前,大约10~20d。
2.2.2 植被枯黄期时空变化特征 研究期流域内历年平均枯黄期提前6.4d,速率为4.2d/10年(犚2=
0.2893)(图3)。在空间上植被枯黄期年际变化趋势并不一致(图4)。植被枯黄期延迟超过2d的区域集中在紧
邻青海湖北岸、南岸及布哈河中、下游地区也有零星分布,约占流域植被覆盖总面积的17.3%。尤其在紧邻青海
湖北岸、东岸实施退耕还林的区域,枯黄期延迟超过10d以上。植被枯黄期提前超过2d的区域在流域内分布广
泛,占流域植被覆盖总面积的64.2%。流域西北部、布哈河子流域是枯黄期提前趋势最明显的区域,其中枯黄期
提前超过10d的区域占流域植被覆盖总面积的21.8%。
图2 青海湖流域植被物候空间格局(2000-2014年)
犉犻犵.2 犛狆犪狋犻犪犾狆犪狋狋犲狉狀狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犺犲狀狅犾狅犵狔犻狀犙犻狀犵犺犪犻犔犪犽犲狑犪狋犲狉狊犺犲犱犱狌狉犻狀犵2000狋狅2014
图3 青海湖流域植被物候变化趋势(2000-2014年)
犉犻犵.3 犜犺犲狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犺犲狀狅犾狅犵狔狋狉犲狀犱狊犻狀犙犻狀犵犺犪犻犔犪犽犲狑犪狋犲狉狊犺犲犱犱狌狉犻狀犵2000狋狅2014
图4 青海湖流域植被物候时空动态变化空间格局(2000-2014年)
犉犻犵.4 犛狆犪狋犻狅狋犲犿狆狅狉犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犺犲狀狅犾狅犵狔犻狀犙犻狀犵犺犪犻犔犪犽犲狑犪狋犲狉狊犺犲犱犱狌狉犻狀犵2000狋狅2014
2.2.3 植被生长季时空变化特征 植被返青期、生长季时空变化的空间差异性决定植被生长季变化趋势在空
间上同样具有明显的差异。15年内青海湖流域植被平均生长季缩短8.9d,速率为5.9d/10年(犚2=0.1587)。
生长季延长超过2d的区域以流域中北部、湖北岸和南岸植被为主,占流域植被覆盖面积的30.4%,其中部分区
62 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
域生长季超过6d,占20.3%。退耕还林、还草区是生长季延长趋势最明显的区域,延长时间超过20d以上。生
长季缩短的区域集中分布在流域中、西部和东部倒淌河子流域,缩短超过2d的区域占流域植被覆盖面积的
57.5%以上,其中44.9%的区域植被生长季缩短超过6d以上,集中分布在流域西北高寒荒漠植被覆盖区、湖西
北岸及倒淌河流域内。
2.3 植被物候与气温、降水的关系
根据图5所示,2000-2014年期间,刚察、天峻2个气象站年均温度、降水量都呈明显增加趋势,且天峻气象
站观测的气候变化趋势较刚察气象站更显著,变化速率均值分别为0.57℃/10年和66.68mm/10年,气候变化
暖湿趋势明显,与整个青藏高原气候变化趋势一致[23]。在暖湿的气候变化趋势下,流域植被平均返青期变化趋
势并不明显,且仅与年降水量具有弱负相关性,相关性系数分别为0.1303和0.2140,与气象站年均温度无相关
性,说明青海湖流域年均温度升高背景下流域内植被平均返青期并未表现出提前趋势。流域植被平均枯黄期与
天峻年均温度具有负弱相关性(犚2=0.3091),与刚察(犚2=0.1626)、天峻年降水量(犚2=0.2382)具有负相关性,
说明年降水量在一定程度上影响着流域植被枯黄期。植被平均生长季与天峻气象站温度(犚2=0.2280)、降水量
(犚2=0.1381)具有弱负相关性,相关性明显优于刚察。
图5 刚察、天峻年均温度、降水量变化趋势(2000-2014年)
犉犻犵.5 犜犺犲犪狏犲狉犪犵犲犪狀狀狌犪犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狀犱狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀狋狉犲狀犱狊狅犳犌犪狀犵犮犺犪犪狀犱犜犻犪狀犼狌狀狊狋犪狋犻狅狀犱狌狉犻狀犵2000狋狅2014
2.4 植被物候时空动态变化与植被退化的关系
研究中选用2000-2014年历年年内最大EVI的变化趋势来反映青海湖流域植被退化趋势。根据图6中年
内最大EVI时空变化格局显示,在气候变化、人类活动等双重因子的干扰下,青海湖流域植被动态变化空间异质
性较大。西部区域植被的EVI呈现较明显的增加趋势,说明该区域植被生长趋于茂盛,尤其在布哈河中游,植被
茂盛趋势尤其显著。流域中北部地区,植被的EVI出现大面积降低趋势,说明该地区部分区域植被退化趋势较
明显。紧邻青海湖北岸、东岸的退耕还草、还林区,EVI降低趋势显著,主要是由于原种植的油菜等农作物被草
地、稀疏灌丛植被替代,导致植被地表覆盖度降低。
根据图6,从整个流域来看,植被返青期与EVI时空年际变化整体上呈现较好的正相关性,28.0%的植被返
青期与EVI年际变化存在弱正相关性(0.2<犚GE<0.4),21.21%的植被返青期与EVI呈现中度正相关性
(0.4<犚GE<0.6),仅有8.39%的植被返青与EVI年际变化负相关指数达到0.2以上,呈点状散布在流域内。这
说明青海湖流域内植被退化趋势影响着植被返青期的变化,植被退化趋势会导致返青期提前,植被茂盛趋势,返
青期延迟。植被枯黄期与EVI时空动态变化趋势上的关系空间异质性较大。布哈河下游、倒淌河子流域及沙柳
河中游小部分区域植被枯黄期与EVI时空变化呈现弱负相关性(0.2<犚GE<0.4),占流域植被覆盖面积的
21.54%;11.88%的植被枯黄期与EVI呈现弱正相关性(0.2<犚GE<0.4),集中分布在流域东北、西北部区域;其
余49.00%的植被枯黄期未表现出与植被退化的相关性。流域内植被生长季表现与EVI年际变化呈现较强的负
相关性,其中24.76%植被生长季与EVI呈现强负相关性(0.6<犚GE<0.8),68.08%表现出极强的负相关性(0.8
<犚GE<1),说明气候变化趋势下,青海湖流域植被茂盛与生长季之间具有紧密的联系,植被退化趋势,生长季呈
现延长,反之依然。
72第25卷第1期 草业学报2016年
图6 青海湖流域植被犈犞犐时空变化格局及与植被物候的相关性(2000-2014年)
犉犻犵.6 犛狆犪狋犻狅狋犲犿狆狅狉犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犈犞犐犪狀犱犻狋狊狉犲犾犲狏犪狀犮犲狋狅狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犺犲狀狅犾狅犵狔犻狀犙犻狀犵犺犪犻犔犪犽犲狑犪狋犲狉狊犺犲犱犱狌狉犻狀犵2000狋狅2014
3 讨论与结论
植被作为联结土壤、水体和大气之间物质和能量交换的关键环节,其物候时空格局直接反映环境条件季节和
年际变化,并随着气候纬度、经度和海拔变化的规律性而表现出推移性的特点[24],尤其是青藏高原高寒草地物候
与海拔具有密切关系[25]。青海湖流域地势整体呈现西北高而东南低,决定了植被物候格局在流域整体空间表现
出水平地带性变化规律;局部区域多高山分布,高差较大,气候的垂直变化特征决定了植被物候期的垂直非地带
性。2000-2014年期间流域内植被物候期格局与前人研究的2010年植被物候格局特征基本一致[11],部分区域
表现出差异,其主要原因是本研究植被物候期空间格局是15年植被物候期的平均值,而2010年植被物候只反映
了本年度的植被物候空间格局特征,年内气候因子的不确定性和土地利用方式的变化等都会改变该年度的植被
物候,表现出与历年均值的差异。
2000-2014年期间青海湖流域植被历年返青期均值整体变化趋势并不明显,与Shen等[26]采用多源遥感影
像数据、物候模型得出的2000-2011年期间整个青藏高原平均返青期变化趋势并不显著的结论一致,但与前人
基于气象站观测的植被物候数据得出的青海湖流域乃至整个青藏高原植被返青期的研究结果迥异[11,16,2728],其
原因主要由于植被物候及其变化是多个环境因子综合作用的结果[24],而气象站及其周边的环境因子并不能代表
整个青海湖流域的环境状况。因此,气象站选取样区(点)观测的植被物候年际动态变化并不能代表不同空间尺
度下植被物候的整体动态变化特征。近15年来流域内历年平均枯黄期呈现提前趋势,生长季缩短,与丁明军
等[25]基于AVHRR数据分析的1999-2009年青藏高原植被物候变化趋势不同。研究结论的差异可能与数据
源、时间[29]和空间尺度差异有关,需要进一步的研究证实。
长时间序列下植被活动的减弱将导致植被退化,可通过植被指数或物候指标的动态变化反映出来[30]。当前
人们越来越关注气候变化对植物物候的影响,忽略了全球变化中植被退化与植被物候之间的关系。青海湖流域
82 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
作为青海省重要的牧业生产区,草地退化是流域生态环境恶化的主要表现形式之一[31]。草地退化会对植被物候
产生直接或间接的负面影响,尤其是受土壤水分限制的植被生态系统[13,32]。草地退化后植被高度的降低、地上
生物量的减少会通过改变近地表小气候间接影响植被物候[33]。Chen等[14]认为草地退化后植被覆盖度的降低将
通过增加地表反照率降低地表温度,最终表现为植被返青延迟,本研究中植被退化与返青期呈现正相关的研究与
此结论相悖。其原因主要由于Chen等[14]仅从植被退化会导致近地表小气候的变化推理了植被退化与返青的关
系,忽略了不同草地退化梯度下土壤养分含量的变化[34]也会改变植被物候。通常在高寒草地生态系统中,随着
植被退化程度加重,土壤中有机碳、全磷、速效氮等养分含量降低[3536]。相关研究证实土壤中氮、磷含量的增加将
导致莎草科、禾本科、杂类草主要代表植物的返青期和枯黄期推迟[37],即植被退化将导致植被返青期和枯黄期提
前,与本研究中植被退化将导致返青期延迟的结论一致。青海湖流域内植被退化与枯黄期的关系较复杂,可能与
在研究中没有考虑到流域内季节性轮牧和家畜牧食行为会直接、间接的影响植被物候有关[3839]。在适宜的牧草
生育阶段进行合理的放牧干扰会直接加速营养物质循环、改善冠层辐射状况、促进资源再分配[40],给牧草提供良
好的补偿或超补偿生长环境,直接加快牧草再生长速度[41],延迟其进入枯黄期的时间[42]。另一方面,放牧干扰
通过控制地表枯落物减缓地表径流,促进降水渗透、减少土壤水分蒸散量,最终改善近地表土壤微环境,从而影响
植被物候期[43],该部分内容将是下一步有待研究解决的关键问题。通常情况下,植被生长季延长促进植物生长
发育,与生物量、净生态系统生产力的关系表现为正相关,然而在特定的区域环境条件下也存在植被生长季与生
态系统生产力呈现负相关的情况[44]。宋春桥等[8]通过研究得出藏北高原地区高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠草
原植被生长季内最大EVI都呈现降低趋势,生长季呈现延长的现象,该结论验证了本研究得出的青海湖流域植
被退化趋势下,生长季趋于延长的结果。植被返青期和枯黄期共同决定植被生长季的长度,因此,流域内植被退
化与生长季之间呈现负相关的原因仍然与植被退化通过改变近地表小气候、土壤养分含量等影响了植被返青期
和枯黄期有关。
植被退化不仅表现为植被生物量、覆盖度的降低,植被群落优势物种的改变也是植被退化的表现形式之
一[45]。长期以来,过度的放牧利用致使流域内退化草地植物群落结构发生变化,物种组成产生退化演替[46]。高
寒草地生态系统内不同的植物物种之间不仅存在物候特征的差异,其对气候变化的响应也不同[47]。流域内植被
动态变化与物候之间关系异常的区域是否与植被退化演替有关仍需进一步的研究证明。
本研究利用青海湖流域2000-2014年MODIS16dEVI合成数据,选用阈值法提取了青海湖流域植被物候
空间格局及时空动态变化,并在分析整个流域尺度下植被平均物候期年际变化与年均温度、降水量之间关系的基
础上,进一步探究了植被退化与物候时空动态变化之间的关系,主要结论如下:
1)2000-2014年期间,青海湖流域内植被陆续进入返青阶段集中在4月中旬-6月中旬,历时约60d。植被
返青时间在流域整体空间上呈现由东南向西北延迟的水平地带性变化格局,多高山分布区域的植被进入返青期
时间表现出垂直非地带性。植被陆续进入枯黄阶段在8月中旬-10月中旬,历时约60d,进入枯黄期时间在空
间格局上与返青空间格局扩展趋势相反。流域内植被平均生长季为124.6d,生长季长度集中分布在100~150d
之间,空间格局与返青期、枯黄期空间格局一致。
2)研究期内的流域植被返青期均值变化趋势并不明显,但在地理空间格局上却表现出变化趋势的明显差异
性;虽然流域内植被枯黄期均值提前6.4d,速率为4.2d/10年,但在空间上枯黄期变化趋势存在异质性。流域
西北部、布哈河子流域是枯黄期提前趋势最明显的区域;流域内植被生长季均值缩短8.9d,速率为5.9d/10年,
空间上大面积植被生长季整体缩短趋势较明显。青海湖北岸、东岸退耕还林、还草区是生长季延长趋势最明显的
区域,延长时间超过40d以上。
3)气候变化趋势下,虽然青海湖流域植被平均物候期变化与温度、降水量具有一定的相关性,但并不能完全
解释流域植被物候时空动态变化空间异质性的原因。研究表明植被退化趋势对植被物候的时空动态变化也有影
响,即植被年际生长趋于茂盛,返青期呈现延迟趋势;反之,植被年际生长退化趋势,返青期呈现提前倾向。枯黄
期与植被年际生长状态的关系较复杂,整体上未表现出较明显的关系。植被年际生长动态变化趋势与生长季呈
现强负相关,即植被退化趋势的区域,植被生长季趋于延长,反之亦然。
92第25卷第1期 草业学报2016年
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
[1] ZhangXY,FriedlMA,SchaafCB,犲狋犪犾.MonitoringvegetationphenologyusingMODIS.RemoteSensingofEnvironment,
2003,84:471475.
[2] PeuelasJ,BielC,RutishauserT,犲狋犪犾.Phenologyfeedbacksonclimatechange.Science,2009,324:887888.
[3] WuYF,HeCY,MaY,犲狋犪犾.Thecomparisonofthecurrentremotesensingbasedvegetationgreenupdetectionmethods
withthecomputersimulation.AdvancesinEarthScience,2005,20(7):724731.
[4] RichardsonAD,KeenanTF,MigliavaccaM,犲狋犪犾.Climatechange,phenology,andphonologicalcongtolofvegetationfeed
backstotheclimatesystem.AgriculturalandForestMeteorology,2013,169:156173.
[5] ChenXQ,HuB,YuR.Spatialandtemporalvariationofphenologicalgrowingseasonandclimatechangeimpactsintemper
ateeasternChina.GlobalChangeBiology,2005,11:11181130.
[6] LiuJ,ZhengYF,ZhaoGQ,犲狋犪犾.ResponsedofphenologytoclimatechangeinZhengzhouarea.ActaEcologicaSinica,
2007,27(4):14711479.
[7] YuHY,LuedelingE,XuaJC.WinterandspringwarmingresultingindelayedspringphenologyontheTibetanPlateau.
ProceedingoftheNationalAcademyofSciences,2010,107(51):2215122156.
[8] SongCQ,YouSC,KeLH,犲狋犪犾.PhenologicalvariationoftypicalvegetationtypesinnorthernTibetanditsresponsetocli
matechanges.ActaEcologicaSinica,2012,32(4):10451055.
[9] AlessandriA,GualdiS,PolcherJ,犲狋犪犾.EffectsoflandsurfacevegetationontheborealsummersurfaceclimateofaGCM.
JournalofClimate,2007,20:255.
[10] GoheenJE,YongTP,KeesingF,犲狋犪犾.Consequencesofherbivorybynativeungulatesforthereproductionofasavanna
tree.JournalofEcology,2007,95:129138.
[11] LiGY,LiXY,ZhaoGQ,犲狋犪犾.Characteristicsofspatialandtemporalphenologyunderthedynamicvariationofgrassland
intheQinghaiLakewatershed.ActaEcologicaSinica,2014,34(11):30383047.
[12] ButtB,TurnerMD,SinghA,犲狋犪犾.UseofMODISNDVItoevaluatechanginglatitudinalgradinetsofranglandphenology
inSudanoSahelianWestAfrica.RemoteSensingofEnvironment,2011,115:33673376.
[13] BisigatoAJ,CampanelaM V,PazosGE.PlantphenologyasaffectedbylanddegradationinthearidPatagonianMonte,
Argentina:Amultivariateapproach.JournalofAridEnvironments,2013,91:7987.
[14] ChenH,ZhuQ,WuN,犲狋犪犾.DelayedspringphenologyontheTibetanPlateaumayalsobeattributetootherfactorsthan
winterandspringwarming.ProceedingoftheNationalAcademyofSciences,2011,108(19):E93.
[15] QiuJ.Thethirdpole.Nature,2008,454:393396.
[16] YuHY,XuJC.EffectsofclimatechangeonvegetationsonQinghaiTibetPlateau:Areview.ChineseJournalofEcology,
2009,28(4):747754.
[17] ChenL,ChenKL,LiuBK,犲狋犪犾.CharacteristicsofclimatevariationinQinghaiLakeBasinduringtherecent50years.
JournalofAridMeteorology,2011,29(4):483487.
[18] HaoX.AgreenfervorsweepstheQinghai-TibetanPlateau.Science,2008,321:633635.
[19] LiXY,MaYJ,XuHY,犲狋犪犾.ImpactoflanduseandlandcoverchangeonenvironmentaldegradationinlakeQinghaiwa
tershed,northeastQinghai-TibetPlateau.LandDegradation&Development,2008,20(1):6983.
[20] WhiteMA,ThomtonPE,RunningSW.Acontinentalphenologymodelformonitoringvegetationresponsestointerannual
climaticvariability.GlobalBiogeochemicalCycles,1997,11(2):217234.
[21] StowD,DaeschnerS,HopeA,犲狋犪犾.Variabilityoftheseasonalyintegratednormalizeddifferencevegetationindexacross
thenorthslopeofAlaskainthe1990s.InternationalJournalofRemoteSensing,2003,24(5):11111117.
[22] ChenCC,XieGD,ZhenL,犲狋犪犾.AnalysisofJinghewatershedvegetationdynamicsandevaluationofitsrelationtoprecipi
tation.ActaEcologicaSinica,2008,28(3):925938.
[23] WuSH,YinYH,ZhengD,犲狋犪犾.ClimatechangeintheTibetanPlateauduringthelastthreedecades.ActaGeographica
Sinica,2005,60(1):311.
[24] WangLX,ChenHL,LiQ,犲狋犪犾.Researchadvancesinplantphenologyandclimate.ActaEcologicaSinica,2010,30(2):
447454.
[25] DingMJ,ZhangYL,SunXM,犲狋犪犾.SpatiotemporalvariationinalpinegrasslandphenologyintheQinghaiTibetanPlateau
from1999to2009.ChineseScienceBuletin,2012,57(33):31853194.
[26] ShenMG,ZhangGX,CongN,犲狋犪犾.Increasingaltitudinalgradientofspringvegetationphenologyduringthelastdecade
ontheQinghaiTibetanPlateau.AgriculturalandForestMeteorology,2014,189190:7180.
[27] LiH M,MaYS,WangYL.InfluencesofclimatewarmingonplantphenologyinQinghaiPlateau.JournalofAppliedMet
erologicalScience,2010,21(4):500505.
03 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1
[28] DingMJ,ZhangYL,LiuLS,犲狋犪犾.Spatiotemporalchangesofcommencementofvegetationregreeninganditsresponseto
climatechangeonTibetanPlateau.AdvancesinClimateChangeResearch,2011,7(5):317323.
[29] WaltherGR,PostE,ConveyP,犲狋犪犾.Ecologicalresponsestorecentclimatechange.Nature,2002,416:389396.
[30] JacquinA,SheerenD,LacombeJP.VegetationcoverdegradationassessmentinMadagascarsavannabasedontrendanalysis
ofMODISNDVItimeseries.InternationalJournalofAppliedEarthObservationandGeoinformation,2010,12:S3S10.
[31] GaoHJ,LiXQ,ZhangF,犲狋犪犾.Remotesensingmonitoringstudyonthedynamicchangesofecologicalenvironmentin
QinghaiLakeareaduring25years.TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl,2005,16(3):100103.
[32] NoyMeirI,BriskeDD.ResponseofwildwheatpopulationstograzinginMediterraneangrasslands:therelativeinfluenceof
defoliation,competition,mulchandgenotype.JournalofAppliedEcology,2002,39:259278.
[33] MoriseeteJT,RichardsonAD,KnappAK,犲狋犪犾.Trackingtherhythmoftheseasonsinthefaceofglobalchange:pheno
logicalresearchinthe21stcentury.FrontiersinEcologyandtheEnvironment,2009,7(5):253260.
[34] GanYM,LiZD,ZeB,犲狋犪犾.Thechangesofgrasslandsoilnutritionatdifferentdegradationsubalpinemeadowofnorth
westinSichuan.ActaPrataculturaeSinica,2005,14(2):3842.
[35] LiYK,HanF,RanF,犲狋犪犾.Effectoftypicalalpinemeadowdegradationonsoilenzymeandsoilnutrientinsourceregionof
threerivers.ChineseJournalofGrassland,2008,3(4):5158.
[36] LinCF,ChenZQ,XueQH,犲狋犪犾.EffectofvegetationdegradationonsoilnutrientsandmicrofloraintheSanjiangyuanre
gionofQinghai,China.ChineseJournalofApplied&EnvironmentalBiology,2007,13(6):788793.
[37] YeX,ZhouHX,LiuGH,犲狋犪犾.Responsesofphenologicalcharacteristicsofmajorplantstonutrientandwateradditionsin
犓狅犫狉犲狊犻犪犺狌犿犻犾犻狊alpinemeadow.ChineseJournalofPlantEcology,2014,38(2):147158.
[38] HouFJ,YangZY.Effectsofgrazingoflivestockongrassland.ActaEcologicaSinica,2006,26(1):244264.
[39] DingLM,LongRJ,GuoXS,犲狋犪犾.Advancesinstudiesonlivestockgrazingbehavioringrasslandecosystem.ActaEcolo
giaeAnimalisDomastici,2009,30(5):49.
[40] LouaultF,GarrereP,SoussanaJF.Efficienciesofryegrassandwhitecloverherbageutilizationinmixturescontinuously
grazedbysheep.GrassandForageScience,1997,52:288400.
[41] WangLH,LiuW,WangJN,犲狋犪犾.Thecompensatorygrowthofplantcommunity,synusiaandspeciesunderdifferent
clippingintensity.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(6):3542.
[42] HarrisonaMT,EvansJR,MooreAD.Usingamathematicalframeworktoexaminephysiologicalchangesinwinterwheat
afterlivestockgrazing.FieldCropsResearch,2012,136:116126.
[43] DeutschES,BorkEW,WilmsWD.SoilmoistureandplantgrowthresponsestolitteranddefoliationimpactsinParkland
grasslands.Agriculture,EcosystemsandEnvironment,2010,135:19.
[44] DanielewskaA,UrbaniakM,OlejnikJ.Growingseasonlengthasakeyfactorofcumulativenetecosystemexchangeoverthe
pineforestecosystemsinEurope.InternationalAgrophysics,2015,29:129135.
[45] TongC,WuJ,YongS,犲狋犪犾.AlandscapescaleassessmentofsteppedegradationintheXilinRiverBasin,InnerMongolia,
China.JournalofAridEnvironments,2004,59:133149.
[46] QiB,ZhangDG,DingLL,犲狋犪犾.Propertiesofplantcommunitydiversityofdegradedalpinearidgrasslands.Journalof
GansuAgriculturalUniversity,2005,40(5):626631.
[47] KangXF.TheCharacteristicsofSeveralDominantPlantPopulationsinMeadowGrasslandintheNorthShoreofQinghai
LakeanditsCorrelationwithClimateFactors[D].Xining:QinghaiUniversity,2010.
参考文献:
[3] 武永峰,何春阳,马瑛,等.基于计算机模拟的植物返青期遥感监测方法比较研究.地球科学进展,2005,20(7):724731.
[6] 柳晶,郑有飞,赵国强,等.郑州植物物候对气候变化的响应.生态学报,2007,27(4):14711479.
[8] 宋春桥,游松财,柯灵红,等.藏北高原典型植被样区物候变化及其对气候变化的响应.生态学报,2012,32(4):1045
1055.
[11] 李广泳,李小雁,赵国琴,等.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
3047.
[16] 于海英,许建初.气候变化对青藏高原植被影响研究综述.生态学杂志,2009,28(4):747754.
[17] 陈亮,陈克龙,刘宝康,等.近50a青海湖流域气候变化特征分析.干旱气象,2011,29(4):483487.
[22] 陈操操,谢高地,甄霖,等.泾河流域植被覆盖动态变化特征及其与降雨的关系.生态学报,2008,28(3):925938.
[23] 吴绍洪,尹云鹤,郑度,等.青藏高原近30年气候变化趋势.地理学报,2005,60(1):311.
[24] 王连喜,陈怀亮,李琪,等.植物物候与气候研究进展.生态学报,2010,30(2):447454.
[25] 丁明军,张镱锂,孙晓敏,等.近10年青藏高原高寒草地物候时空变化特征分析.科学通报,2012,57(33):31853194.
13第25卷第1期 草业学报2016年
[27] 李红梅,马玉寿,王彦龙.气候变暖对青海高原地区植被物候期的影响.应用气象学报,2010,21(4):500505.
[28] 丁明军,张镱锂,刘林山,等.青藏高原植物返青期变化及其对气候变化的响应.气候变化研究进展,2011,7(5):317323.
[31] 高会军,李小强,张峰,等.青海湖地区生态环境动态变化遥感监测.中国地质灾害与防治学报,2005,16(3):100103.
[34] 干友民,李志丹,泽柏,等.川西北亚高山草地不同退化梯度草地土壤养分变化.草业学报,2005,14(2):3842.
[35] 李以康,韩发,冉飞,等.三江源区高寒草甸退化对土壤养分和土壤酶活性影响的研究.中国草地学报,2008,3(4):51
58.
[36] 林超峰,陈占全,薛泉宏,等.青海三江源区植被退化对土壤养分和微生物区系的影响.应用与环境生物学报,2007,
13(6):788793.
[37] 叶鑫,周华坤,刘国华,等.高寒矮生嵩草草甸主要植物物候特征对养分和水分添加的响应.植物生态学报,2014,38(2):
147158.
[38] 侯扶江,杨中艺.放牧对草地的作用.生态学报,2006,26(1):244264.
[39] 丁路明,龙瑞军,郭旭生,等.放牧生态系统家畜牧食行为研究进展.家畜生态学报,2009,30(5):49.
[41] 王丽华,刘尉,王金牛,等.不同刈割强度下草地群落、层片及物种的补偿性生长.草业学报,2015,24(6):3542.
[46] 祁彪,张德罡,丁玲玲,等.退化高寒干旱草地植物群落多样性特征.甘肃农业大学学报,2005,40(5):626631.
[47] 康晓甫.青海湖北岸草甸化草原几种优势植物种群特征与气候因子的关系[D].西宁:青海大学,2010.
23 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.1