伏牛山地森林植被物候及其对气候变化的响应

研究植被物候是理解植被与气候关系的重要途径。在植被对气候变化响应的敏感地区,开展植被物候研究有助于揭示气候变化对植被的影响机制。基于2000-2015年MODIS EVI时间序列影像数据,利用Savitzky-Golay （S-G）滤波方法和动态阈值法提取伏牛山地2000-2015年森林植被物候参数,结合气温、降水数据,运用Man-Kendall趋势检验、Sen斜率、ANUSPLIN插值和相关性分析等方法,研究伏牛山地森林植被物候对气候要素（气温、降水）变化的响应。结果表明：① 伏牛山地森林植被生长季始期主要集中在第105~120 d,生长季末期主要集中在第285~315 d,生长季长度主要集中在165~195 d。从海拔梯度看,随海拔升高,生长季始期、末期和长度整体上分别呈显著推迟、提前及缩短趋势。② 生长季始期和生长季末期整体上呈推迟趋势,推迟的像元分别占森林植被的76.57%和83.81%。生长季长度整体呈延长趋势,延长的像元占比为61.21%。生长季始期变化特征主要是由该地区的春季气温降低所导致的。③ 研究区森林植被生长季始期与3月平均气温呈显著偏相关,且呈负相关的区域最多,即3月平均气温降低,导致生长季始期推迟;生长季末期与9月降水呈显著偏相关区域最多,且两者主要呈正相关,即9月降水增加,使生长季末期推迟。植被生长季长度由整个生长期的气温和降水来共同作用,对大多数的区域而言,8月的平均气温和降水与生长季长度的关系最为密切。     

1964-2015年气候因子对秦岭地区植物物候的综合影响效应

以1964-2015年物候观测数据和逐日气象资料为基础,运用相关分析和PLS回归法,研究了秦岭地区植物物候变化与气候变化的响应关系。结果表明：① 1964-2015年,秦岭地区物候始末期的气候均呈干暖化趋势,且始期的暖化趋势较末期显著,物候突变后（1985年之后）尤为显著。② 就单一因素而言,物候始末期对气温、降水、日照等气候因子的响应程度存在差异,突变前（1985年之前）,除物候始期的日均温外,其他气候因子对物候的影响均不显著,但突变后影响显著,始期与末期的日均温每升高1 ℃,始期提前3.0 d,末期推迟12.0 d;始期的累积降水每减少1 mm始期提前1.3 d,末期的每增加1 mm末期推迟1.0 d;始期与末期的日均日照时数每增加1 h,始期提前4.3 d,末期推迟18.3 d。③ 气候因子对物候始末期的影响存在滞后效应,物候始期,气温影响的滞后时效约1~2个月,降水的滞后时效约1~3个月,而日照几乎无滞后效应;物候末期,气温的滞后时效约1~3个月,降水几乎无滞后效应,而日照影响的滞后时效约1~2个月。④ 物候始期与末期均受气温、日照、降水的综合影响,气温是影响物候变化最重要的因素,特别是同期日均温的升高对物候始期的提前及末期的推迟具有主导控制作用。     

祁连山区植被物候遥感监测与变化趋势

基于1982-2006年GIMMS NDVI时间序列数据,利用Double Logistic拟合方法提取了祁连山区植被的生长季始期、生长季末期和生长季长度参数,分析了植被物候期的时间变化趋势及空间分异特征。结果表明:祁连山植被从东南向西北逐渐变绿,而从西北到东南逐渐变黄,植被生长季呈现出东南地区比西北地区长、河谷地区比高山地区长的特征。25年内植被年生长季始期呈提前趋势,提前幅度为0.044 d·a^-1,年代趋势为延迟-提前-延迟;年生长季末期也呈提前趋势,提前幅度为0.059 d·a^-1,年代趋势为延迟-提前;生长季长度略有缩短,缩短幅度为0.015 d·a^-1,年代趋势为缩短-延长-缩短。25年内祁连山区植被生长季始期、末期提前不明显的区域主要为高山地区,分别占51.46%、42.77%;生长季始期、末期推迟不明显区域主要为河谷地区,分别占44.41%、52.91%;植被生长季高山地区延长不明显,河谷地区缩短不明显,总体上植被物候没有出现明显变化。     

基于NDVI的秦岭山地植被遥感物候及其与气温的响应关系——以陕西境内为例

基于MODIS NDVI时间序列数据,利用动态阈值法提取秦岭山地2000~2010年的物候参数,并结合实测物候资料进行验证,在宏观尺度上量化了气温升高对植物物候的影响程度。研究得出:基于NDVI的物候变化趋势与实测物候资料结果一致;2000~2010年间物候始期提前的速率为0.165 6 d/a,末期推后速率为0.109 1 d/a;空间上,秦岭山地北部区域的植被物候始期主要发生在第120~130 d,相对于南坡较晚,物候末期主要发生在第300~325 d,北部区域物候末期的到来较迟,南部区域相对较早;物候始期NDVI与有效气温、春季、生长期气温相关性较好,末期NDVI与夏、秋季节气温相关性较好;气温对生长季开始阶段的NDVI在时间上存在2~3旬的滞后效应。     

1982-2013年青藏高原植被物候变化及气象因素影响

根据NDVI3g数据,本文定义了18种植被物候指标研究植被物候变化情况。根据1:100万植被区划,把青藏高原划分为8个植被区分。对物候变化比较显著的区域,采用最高温度、最低温度、平均温度、降水、太阳辐射数据,运用偏最小二乘法回归（PLS）研究物候变化的气候成因。结果表明：① 青藏高原生长季初期物候指标,转折发生在1997-2000年,转折前初期物候指标平均提前2~3 d/10a;青藏高原末期物候指标转折发生在2004-2007年左右,生长季长度物候指标突变发生在2005年左右,转折前末期物候指标平均延迟1~2 d/10a、生长季长度平均延长1~2 d/10a;转折之后生长季初期物候指标推迟趋势的显著性水平仅为0.1,生长季末期物候指标、生长季长度指标趋势不显著。② 高寒草甸与高寒灌木草甸是青藏高原物候变化最剧烈的植被分区。高寒草甸区生长季长度的延长主要是由生长季初期物候指标提前导致的。高寒灌木草甸区生长季长度的延长主要是由于初期物候指标的提前,以及末期物候指标的推迟共同作用导致的。③ 采用PLS进一步分析气象因素对高寒草甸与高寒灌木草甸物候剧烈变化的影响。表明,温度对物候的影响占主导地位,两植被分区均显示上年秋季、冬初温度对生长季初期物候具有正的影响,该时段温度一方面会导致上年末期物候指标推迟,间接推迟生长季开始时间;另一方面高温不利用冬季休眠。除夏季外,其余月份最小温度对植被物候的影响与平均温度、最高温度的影响类似。降水对植被物候的影响不同月份波动较大,上年秋冬季节降水对初期物候指标具有负的影响,春初降水对初期物候指标具有正的影响。8月份限制植被生长季的主要因素是降水,此时降水与末期物候指标模型系数为正。太阳辐射对植被物候的影响主要在夏季与秋初。PLS方法在物候变化研究中具有较好的效果,本文研究结果将会对植被物候模型改进,提供有力的科学依据。     

中国第二、三级阶梯地形过渡带山前植被物候时空变化探析

基于1982—2015年GIMMS NDVI 3g V1.0数据、3小时温度、逐日降水和日太阳辐射数据集、数字高程模型、中国植被区划数据及实测物候验证数据,利用季节性植被物候提取法、Theil-Sen median趋势分析法和偏最小二乘回归分析等方法,研究中国第二、三级阶梯地形过渡带植被物候的时空变化规律,探讨植被物候对海拔、经纬度和气候变化的响应。结果表明：① 34 a间过渡带山前植被物候时空变化显著。时间上,植被物候呈返青期（Start Of Season, SOS）提前（-0.3187 d/a, p<0.01）、枯黄期（End Of Season, EOS）推迟（0.1171 d/a, p>0.1）和生长季长度（Length Of Growing Season, LOS）延长（0.4358 d/a, p<0.01）趋势;空间上,按SOS像元的86.24%提前、EOS像元的69.66%推迟和LOS像元的84.42%延长分布。② 34 a间过渡带山前植被物候地带性特征明显。垂直地带性方面,在中低纬度地区的物候始末期受以400 m等高线为界的海拔梯度影响,由平原到山地产生SOS平均提前8d,EOS提前25~36 d的分段式变化;水平地带性方面,低纬度和中高纬度地区的植被物候以35°N（秦岭-淮河一线,中国南北方的分界线）、43.5°N（暖温带落叶阔叶林区与温带草原区的分界）为转折点,由南向北SOS以-0.78 d/°、4.89 d/°和-1.56 d/°分段变化,EOS以-3.96 d/°、-1.85 d/°和0.89 d/°分段变化。③ 34 a间过渡带植被物候受气象因素驱动。对于植被返青期,气温对中纬度地区SOS的影响最大,降水的贡献随着纬度的降低而增大,太阳辐射在中纬度地区的贡献力大于低纬度地区;对于植被枯黄期,中纬度地区对EOS的多因素贡献力为太阳辐射>气温>降水（太阳辐射对草原区无贡献力）,低纬度地区贡献力排序与之相反;本研究对宏观地理带中不同植被区划的物候变化认知有学术意义,也为地理因素与气候因素共同影响的植被物候变化提供了新的认识。     

基于GIMMS 3g NDVI的近30年中国北部植被生长季始期变化研究

基于全球库存建模与绘图研究第三代归一化差值植被指数（GIMMS 3g NDVI）、土地利用和气温降水数据,利用NDVI时间序列谐波分析法(HANTS)重构了中国北部地区原始植被NDVI,用一元六次多项式拟合了植被生长曲线并结合逐像元动态阈值法提取了中国北部地区1983~2012年植被生长季始期并分析了其时空变化及对气温和降水的响应情况。结果表明：①GIMMS 3g NDVI具有较长的时序特征和较好的数据质量,经HANTS时间序列谐波分析后能很好的表现植被生长季曲线特征,可用于后续植被生长季的研究。② 北部地区生长季始期均值主要集中分布在80~150βd之间,全区30βa平均为111.6βd,东北平原、华北平原、河套平原、新疆天山和阿尔泰地区生长季始期早于其它区域。③ 研究时段内北部地区生长季始期总体上呈提前趋势（R²=0.19）,空间上由西北向东北逐渐推移,明显提前的区域主要分布在内蒙古中东部、东北平原、陕西南部和新疆天山的部分地区,明显推迟的区域主要分布在青藏高原高寒地区。④ 因植被类型的不同和区域的差异,生长季始期对气温和降水的响应程度不同,春季气温是影响生长季始期变化的主要自然因素。     

近13 a来黄河源区高寒草地物候的时空变异性

以8 d合成的500 m空间分辨率的MODIS [NDVI]时序数据为基础,利用非对称高斯函数拟合法和比值阈值法对2000-2012年黄河源区高寒草地生长季始期（SOG）、生长季末期（EOG）、生长季长度（LOG）的时空变化进行了研究。结果表明：黄河源区高寒草地多在第126～140 d开始生长,到第277～290 d逐渐停止生长,LOG多集中在140～160 d。由东南向西北,随水热条件变化,SOG 逐渐推迟,EOG逐渐提前,LOG逐渐缩短。物候的海拔分异明显,随海拔升高,SOG逐渐延迟,EOG逐渐提前,LOG逐渐缩短。2000-2012年,黄河源区高寒草地SOG显著提前,EOG基本不变,LOG显著延长。SOG提前、EOG推迟、LOG延长的区域主要分布在黄河源区西北部和西南部,而SOG推迟、EOG提前、LOG缩短的区域主要分布在黄河源区中部,其中LOG延长和缩短区域分别占植被区面积的82.77% 和17.23%。黄河源区高寒草地物候的年际变化在不同海拔上分异显著。高海拔地区SOG与LOG变化幅度均超过了低海拔地区,而EOG变化幅度相当。春季、秋季气温升高可能是引起黄河源区高寒草地SOG提前和EOG推迟的主要原因。     

秦岭森林物候时空分布特征及对水热条件的响应

大量观测数据分析表明，全球气候正逐步变暖。植物物候现象是全球自然环境变化的指示器。物候对气候变化的响应是研究全球气候变化的重要手段之一。森林是全球生态系统的重要组成部分，森林物候特征变化是反映气候变化对森林生长影响的综合性生物指标。利用2001—2018年MOD09A1卫星数据重建了秦岭地区增强型植被指数（EVI）序列，采用最大变化速率和阈值法结合提取了秦岭森林物候参数，结果表明：（1） Whittaker滤波法在灌木、农田、森林3种生态样地重建中稳定性较好，在秦岭山地有较好的适用性。（2） 秦岭地区物候多年均值分布同秦岭地区水热条件密切，由高海拔高山区到农耕区，生长季始期(Start of Growth Season,SOG)逐渐提前，生长季末期(End of Growth Season,EOG)逐渐推迟，生长季长度(Length of Growth Season,LOG)由高海拔区向低海拔区逐渐加长。秦岭浅山区和东部伏牛山农耕带生长季（SOG）开始较早，出现在3月上旬，高山区针叶林带生长季开始的较晚，出现在5月上旬到中旬（120～135 d）之间。生长季末期（EOG）集中出现在10月~11月初（270～310 d），高山区针叶林带生长季结束较早，浅山区植被生长季结束较晚，普遍出现在11月（300 d）以后。生长季长度（LOG）分布在150～200 d之间，低海拔地区LOG较长，大于180 d，高海拔林区生长季较短LOG集中在150～170 d。（3） 年际变化特征：2001—2018年生长季始期（SOG）呈现提前趋势,其中高海拔区提前明显，南北麓海拔低于500 m部分区域和东部伏牛山少部分区域出现推迟。生长季末期（EOG）呈现推迟趋势，其中秦岭北麓和东部中低海拔区域推迟明显，生长期长度（LOG）总体呈延长趋势。（4） 秦岭地区近17 a气温呈现上升趋势，变化率为0.02 ℃·a^-1，降水呈现不明显的上升趋势，日照时数则呈现明显的下降趋势，变化率为14.6 h·a^-1。（5） 秦岭地区物候参数同0 ℃、5 ℃和10 ℃界限温度、降水、日照时数相关性分析表明，全球变化下的升温作用是影响秦岭森林物候变化的主要因子，升温作用导致SOG提前，EOG推迟、LOG延长，主要集中在秦岭南北麓1 000~2 000 m之间，秦岭东部伏牛山低海拔区境内相关性最低，表明受温度制约较小。     

三北防护林工程区植被绿度对温度和降水的响应

探究三北防护林工程区植被绿度对温度和降水的响应可为该区植被建设提供科学依据。基于2000—2015年的MODIS NDVI数据和气象数据,采用通径分析法分析了不同生长阶段气温和降水对三北防护林工程区植被绿度的直接和间接影响。研究发现：生长季多年平均植被绿度整体上呈现东部高西部低的空间格局,且林地>耕地>草地;生长季植被绿度呈现增长趋势,植被覆盖状况得到改善,其中耕地植被增长趋势最大。生长季升温抑制植被生长,降水量增加促进植被生长,降水量是影响三北防护林工程区生长季植被生长的关键气候因子。在不考虑降水变化影响时,升温促进植被生长,但生长季温度升高带来的降水量减少使得升温对植被生长表现为抑制作用。生长季不同时期降水量增加对植被生长均是促进作用,表现为末期>中期>初期;而气温的影响则表现为生长季初期升温促进植被生长,中期和末期升温不利于植被生长。生长季末期升温对植被生长的负效应以直接作用为主,而中期主要通过降水量变化的间接作用体现。识别生长季不同时段气温和降水对植被绿度影响的差异性,有助于全面认识和评估植被对气候变化的响应。