基于MODIS时间序列数据的呼伦贝尔地区植被秋季物候遥感监测与分析

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植被生长发育阶段每年重复出现的序列称为植物物候,对于植物功能、生态系统服务及其对气候系统的生物物理和生物地球化学反馈具有重要意义。植被物候被视作陆地生态系统对全球变化的敏感指示器,物候变化是全球变化领域的研究热点之一。卫星遥感技术拥有大范围覆盖、周期观测等优势,基于不同植被指数或光谱数据衍生的生物物理参数时间序列数据提取地表物候参数,为区域到全球尺度的植被物候变化监测提供了有效手段。植被物候变化具有明显的区域性差异,以往更为集中于植被春季物候变化研究。秋季物候在决定植被生长季长度、调节生态系统水、碳和养分循环中发挥关键作用。针对全球变化的敏感区域,开展基于时间序列遥感数据的秋季物候信息提取、变化监测及其对气候变化的响应关系研究,对于拓展认识秋季物候变化特征,加深理解生态系统水、碳和养分循环以及气候—生物圈相互作用具有重要意义。本文以温带草原植被对气候变化响应的敏感区——内蒙古自治区呼伦贝尔为研究区,基于2000~2019年MODIS总初级生产力(GPP)产品数据(MOD17A2H)和地表反射率产品数据(MOD09A1),利用动态阈值法从时间序列GPP和计算得到的归一化植被指数(NDVI)数据分别提取植被衰老开始日期(onset of senescence)和休眠开始日期(onset of dormancy)两个秋季物候参数,通过Theil-Sen趋势分析及Mann-Kendall检验方法分析20年间秋季物候的时空变化特征,引入向量自回归模型(VAR)方法,从像元尺度上量化揭示由GPP数据提取的呼伦贝尔植被秋季物候与气候因素之间的响应关系。结果表明:(1)2000~2019年,呼伦贝尔地区植被衰老开始日期主要发生在8月中旬到9月上旬之间,平均为第235天;休眠开始日期主要出现于9月下旬至10月中旬,平均为第274天,比基于时序NDVI数据提取结果整体上更早。(2)20年间,两个秋季物候指标值均趋于提前,其中,基于GPP和NDVI的衰老开始日期分别提前0.182天/年和0.131天/年,而休眠开始时间按0.026天/年和0.333天/年的速率提前,二者差距较大。空间上,衰老开始和休眠开始日期呈现提前趋势的区域更大。(3)对基于GPP提取的植被衰老开始和休眠开始日期分别与生长季开始日期(SOS)、生长季长度(LOS)以及气候因子即季前气温(Tem)和季前降水(Pre)进行因果检验,发现整体来说空间分布具有相似特征,在呼伦贝尔西部草原以及中部大兴安岭地区像元较为集中,在显著性p<0.1水平上满足条件的像元均占总体的半数以上,可以认为衰老开始和休眠开始日期与上述四种因子之间在呼伦贝尔大多数区域互为格兰杰原因。(4)脉冲响应和累积脉冲分析表明,2000~2019年,呼伦贝尔大部分区域SOS延后时,衰老开始、休眠开始时间分别呈延后和提前趋势,相反方向上,对于推迟的衰老开始和休眠开始日期,SOS响应分别以延后和提前趋势像元较多。LOS延长冲击下,衰老开始、休眠开始日期呈提前趋势的占主要比例,LOS对于两个秋季物候参数的响应情况则相反,其中,58.82%的区域对衰老开始日期延后表现为生长季延长,而57.17%的区域对休眠开始延后响应表现为生长季缩短。随着季前温度升高,呼伦贝尔地区秋季物候推迟,相反方向上,秋季物候日期延后时大部分区域气温升高,即具有正向响应。从降水与秋季物候日期的累积效果上来看,双向实验中研究区内均以正向响应为主。
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