近12年陕甘宁黄土高原区植被物候时空变化特征_韦振锋

生态与农村环境学报 2014，30 （ 4） ： 423 － 429 Journal of Ecology and Ｒural Environment
近 12 年陕甘宁黄土高原区植被物候时空变化特征
韦振锋1，2 ，王德光2① ，张 罛1 ，刘炎序1 （ 1. 陕西师范大学旅游与环境学院，陕西 西安 710062； 2. 广西财经学
2 数据来源与处理
2. 1 NDVI 预处理 虽然 SPOT VEGETATION 采用最大合成法的旬
数据集，但 是 数 据 处 理 过 程 中 受 各 种 因 素 干 扰，难 以去除亚像元内残余云和长时间云霾等因素的负 面影响，且 这 些 因 素 具 有 随 机 性，会 造 成 数 据 季 节 变化趋势不明显，因此需要对其做进一步的平滑处 理。常用的平滑方法只是描述曲线的一般特征，缺 乏曲线内部蕴涵的周期性描述。时间序列谐波分 析法（ harmonic analysis of time series，HANTS） 可重 新构建时 间 序 列 数 据，能 够 真 实 反 映 数 据 的 周 期 性。采用该方法对陕甘宁地区 1999—2010 年间的 NDVI 数据做平滑处理，具体步骤如下： 首先用 HANTS 方法对原始 NDVI 数据进行平滑处理，获得平 滑后的 NDVI 旬数据（ 图 1） ，再利用傅里叶插值法 将旬数据插值成日数据。
植被物候指植被生长过程中出现的年周期现 象［1］，是随 着 季 节 变 化 而 形 成 的 植 物 生 长 发 育 节 律［2］。植被物候是研究植被变化的重要参数［3 － 6］， 可以解释植被生长与气候的关系，对生态建设和农 业生 产 有 重 要 意 义［7］。归 一 化 植 被 指 数 （ normal difference vegetation index，NDVI） 是研究植被最常 用的指标，能够客观反映地表植被覆盖信息。作为 监测气候变化的重要指标，植被物候已成为重点研 究对象［8］。近几十年来，北半球植被生长季呈延长 趋势［9 － 12］，欧洲和北美大部分植被春季物候呈提前 态势［8，13 － 14］； 也 有 研 究 指 出，20 世 纪 90 年 代 后 随着
温度的升高，北半球许多地区植被春季物候出现推 迟等现象［15 － 16］。
采用最 大 合 成 法 的 空 间 分 辨 率 为 1 km2 的 SPOT VEGETATION 旬 数 据 集，研 究 陕 甘 宁 地 区 1999—2010 年植被物候规律，以期为区域可持续发 展、生态修 复 工 程 规 划、生 态 环 境 保 护 以 及 农 业 生
收稿日期： 2013 － 11 － 26 基金项目： 国家自然科学基金（ 71361001） ① 通信作者 E-mail： 116690728@ qq． com
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生态与农村环境学报
第 30 卷
产提供理论依据。
1 研究区域概况
研究区位于黄土高原中部的丘陵沟壑区，包括 毛乌素沙漠 南 部，是 生 态 脆 弱 区，也 是 黄 河 中 上 游 生态环境重点建设区。行政区包括陕西 25 县、甘肃 8 县和宁夏 8 县，总面积约 1. 38 × 105 km2 ，属东亚 季风气候边缘区，处于暖温带大陆性季风气候向温 带半干旱气 候 的 过 渡 带，气 候 比 较 敏 感，年 降 水 量 330 ～ 570 mm，其中汛期降水量约占全年降水量的 55% ～ 74% ，降水量年际变化大。地势为东南—西 北走向，海拔高度约为 610 ～ 2 892 m，地貌类型为 山、川、塬，其 中 六 盘 山 为 南 北 走 向 的 石 质 山 脉，白 于山、黄龙 山 和 子 午 岭 为 黄 土 低 山，是 研 究 区 河 流 主要发源地，植被稀疏，水土流失极为严重，土壤侵 蚀模数大于 5 000 t·km － 2 。陕甘宁土地利用类型 自东南向西北呈林地—耕地—草地—沙漠变化。
图 1 归一化植被指数（ NDVI） 的原始数据与处理后数据 Fig. 1 Ｒaw and processed data of NDVI
பைடு நூலகம்
2. 2 物候时间的确定 常用遥感物候提取方法有以下几种： （ 1） 阈值
法［17 － 18］； （ 2） 最大比率法［19］； （ 3） 上述 2 种方法的 结合，根据 最 大 比 率 值 来 确 定 某 一 物 候 阈 值，再 根 据阈值确定每年该物候出现的日期［20 ； － 21］ （ 4） 利用 Logistic 函数或谐波分解函数来确定 NDVI 时间序 列的拐点，根据拐点估计某一物候特征［22 － 23］。该研 究采 用 第 3 种 方 法 确 定 物 候 生 长 季 始 期 （ start of growth season，SOG） 、生长季末期（ end of growth season，EOG） 和 生 长 季 长 度 （ length of growth season， LOG） ［24］，步骤如下： 计算每个像元平滑后 NDVI 日 数据在 2 个相邻时间点上的差值，即相对变化值， NDVI 最大相对变化值对应的天数为 SOG〔表示为 距离每年第 1 天（ 1 月 1 日） 的天数〕，NDVI 最小相 对变化值对应的时间为 EOG〔表示为距离每年第 1 天（ 1 月 1 日） 的 天 数〕，EOG 和 SOG 的 差 值 即 为 LOG（ 图 2） 。采用普通最小二乘法分析 SOG、EOG 和 LOG 的年际变化趋势，并进行显著性检验，采用 偏相关法分析物候与气温和降水的相关特征。
Spatio-Temporal Variation of Vegetation Phenology on Loess Plateau in Shaanxi-Gansu-Ningxia Ｒegion in Ｒecent 12 Years． WEI Zhen-feng1，2 ，WANG De-guang2 ，ZHANG Chong1 ，LIU Yan-xu1 （ 1. College of Tourism and Environment， Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China； 2. School of Management Science and Engineering，Guangxi University of Finance and Economics，Nanning 530003，China） Abstract： Based on a ten-year （ 1999 － 2010） SPOT VEGETATION dataset，spatio-temporal vegetation phenological features on the Shaan-Gan-Ning Loess Plateau were studied． The method of harmonic analysis of time series （ HANTS） was adopted to pre-process the raw data，the fourier interpolation method to turn NDVI ten-day data into daily data，and the threshold value method and the maximum ratio method to specify vegetation phenological phases． Ｒesults show that the multi-year average of vegetation phenology space distribution in the Shaanxi-Gansu-Ningxia varied with the latitude，that is to say，the lower the latitude，the relatively earlier the growth season started （ SOG） and ended （ EOG） and the shorter the growth season （ LOG） ． Moreover，it started 3 days earlier （ P ＜ 0. 01） ，ended two days earlier （ P ＜ 0. 01） ，and lasted one day longer （ P ＞ 0. 05） with the attitude rising every 100 m． During the ten-year period （ 1999 － 2010） ，the annual rate of change in vegetation phenology，SOG，EOG and LOG in that region，was － 0. 02，0. 003 and 0. 02 d·a －1 ，respectively． The vegetation phenology in most part of the Loess Plateau tended to have SOG advanced，EOG postponed and LOG extended，which were supposed to be related to variation of precipitation and the river net system． In high latitude regions，arid and low in temperature，vegetation growth started stagnation earlier and shortened in life cycle． Key words： Loess Plateau region； vegetation phenology； SOG； EOG； LOG
院管理科学与工程学院，广西 南宁 530003）
摘要： 以 SPOT VEGETATION 旬数据集为数据源，研究 1999—2010 年陕甘宁黄土高原区植被物候时空特征。采 用时间序列谐波分析法对原数据进行预处理，通过傅里叶插值法将 NDVI 旬数据插值成日数据，再通过阈值法和 最大比率法确定植被物候期。结果表明，陕甘宁黄土高原地区植被物候多年平均值呈纬度变化规律，纬度低的地 区生长季始期 （ SOG） 和生长季末期（ EOG） 提前，生长季长度（ LOG） 缩短。海拔高度每上升 100 m，SOG 提前约 3 d（ P ＜ 0. 01） ，EOG 提前约 2 d（ P ＜ 0. 01） ，LOG 延长约 1 d（ P ＞ 0. 05） 。1999—2010 年植被 SOG、EOG 和 LOG 的物 候年际变化率分别为 － 0. 02、0. 003 和 0. 02 d·a －1 。陕甘宁大部分地区 SOG 呈提前趋势，EOG 呈推迟趋势，LOG 呈延长趋势。植物物候与降水和河流网相关，干旱低温高纬度地区植被生长停滞提前，生长周期缩短。 关键词： 黄土高原区； 植被物候； 生长季始期； 生长季末期； 生长季长度 中图分类号： Q948. 11 文献标志码： A 文章编号： 1673 － 4831（ 2014） 04 － 0423 － 07