周俸嘉，刘 超，金中武，张岚斌，陈心怡，陆 钰，刘铁刚
（1.四川大学水力学与山区河流保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065；
2.长江科学院河流研究所，湖北 武汉 430010）
物候是植被长期适应气候和其他环境因子而表现出的周期性现象［1］。由于物候对气候变化响应敏感，因此被称作气候变化的“指纹”［2］。植被返青期（Green-up date）是植被越冬后恢复生长的时间，其变化会对生态系统水碳过程产生影响，是最重要的物候指标之一［3-5］。返青期提前会提升初级生产力，还将影响生态系统的碳吸收量；
反之，返青期推迟可能会导致初级生产力减少，生态系统服务功能退化［5，6］。研究植被返青期变化对揭示生态系统对气候变化的响应有重要科学意义，是当前广受关注的热点研究问题［7-10］。
植被返青期监测主要包括地面监测和遥感监测两类方法。地面监测主要基于站点及站点网络监测植物的物候变化，而遥感监测主要基于卫星遥感资料在生态系统和区域尺度上监测植被物候变化。地面监测主要采用目视观察方法，简单易行但人力物力成本较高，且观测站点有限。遥感监测方法可获得更大时空尺度的物候变化信息，而且与地面监测结果有较好的一致性［11-17］。全球遥感物候产品MLCD（MODIS global Land Cover Dynamics product）以MODIS 天底反射率数据（NBAR，Nadir BRDF-Adjusted Reflectance）计算的EVI值作为输入反演获得，是唯一实现业务化生产的全球尺度物候产品，经地面监测验证发现有较高的精度［16，17］，在大尺度植被物候变化研究中具有巨大的应用潜力。
在全球气候变暖的大趋势下，已有很多研究发现植被返青期提前。郭连云发现气候变暖导致三江源西北针茅返青期呈提前趋势［18］。姜康等发现蒙古高原的大兴安岭、肯特山脉、大湖盆地和内蒙古中西部植被返青期呈明显提前趋势，且与3月气温升高呈显著负相关关系［19］。Chmielewski和Rotzer发现2-4月均温每升高1 ℃，林木萌芽日期提前约7 d［20］。然而，也有研究发现植被返青期推迟。如丁明军等发现青藏高原冬季升温导致植物冬季休眠需要的低温无法满足，春季物候推迟［21］。张晓东等发现秦岭东部植被返青期也呈现推迟趋势，春季气温降低是春季物候推迟的主要原因［22］。因此，植被返青期的变化方向和幅度取决于所在区域的气候条件及其变化情况。山区植被具有明显的垂直分异特征，且对气候变化高度敏感［23］。然而，很少有研究关注山地植被物候对气候变化响应的垂直分异特征。
岷江上游于位于四川盆地和青藏高原的过渡地带，流域气候和植被垂直带分异明显，具有温带、亚高山和高山寒带等多样气候和温性森林、亚高山森林、草地等多种植被类型，其生态系统在中国西南山区具有代表性和典型性［24］。2000年以来，岷江上游具有明显的暖干化趋势，特别是干旱河谷增温明显，而降水呈减少趋势［25］。目前还很少有研究关注岷江上游植被物候对气候暖干化的响应。因此，本文以岷江上游为对象，基于MCD12Q2 遥感物候数据产品，重点探讨以下3 个问题：①气候变化下山区植被返青期变化规律；
②不同植被类型返青期与海拔关系；
③植被返青期变化的主要原因。本研究对理解山区植被物候对气候变化的响应机制及制定适应对策有积极意义。
岷江上游流域（102°35′E～103°57′E，30°46′N～33°09′N）位于四川省北部，处于青藏高原向四川盆地的过渡区，是长江上游的重要生态屏障［26］。岷江上游总面积约为22 664 km2，高程范围为800～6 038 m［图1（a）］，平均高程为3 429 m。流域年平均降水量约850 mm，年平均温度为5～15 ℃。主要生态系统为森林生态系统和草原生态系统，主要的森林类型有亚高山暗针叶林、阔叶林和针阔混交林等。混交林主要为高山柳与落叶松混交和冷杉与红桦混交［27］。本文主要研究草地、混交林和落叶阔叶林的返青期变化特征。其他植被类型如作物和针叶林等，这里不作分析。
2.1 数 据
2.1.1 遥感物候数据
物候数据采用MLCD物候产品（MCD12Q2 Collection6）中的返青期数据（greenup），空间分辨率为500 m，时间分辨率为1年（https：∕∕e4ftl01.cr.usgs.gov）。植被类型数据采用2001年MCD12Q1 植被类型产品，选择IGBP（International Geosphere-Biosphere Program）分类方案，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1年（https：∕∕modis.gsfc.nasa.gov∕）。利用Arcgis10.2 软件提取稀树草原（Woody savanna）、草地（Grassland）、混交林（Mixed forest）和落叶阔叶林（Deciduous broadleaf forest），并将稀树草原和草地合并为草地。草地、混交林和阔叶林分布的海拔范围分别为1 000～4 800、1 000～4 400 和1 200～4 200 m，面积分别为8 912、10 967 和634 km2，占流域面积比例分别为39.31%、48.39%和2.80%［图1（b）］，总面积比例达到90.5%。逐年提取2001-2016年岷江上游3 种植被类型的返青期，并采用年积日（DOY）表示。
图1 研究区概况Fig.1 Topographic map and spatial distribution of vegetation types of the UMR
2.1.2 气象数据
采用2001-2016年2-5月逐月气象数据分析气候因子对岷江上游流域植被物候的影响，包括最高气温Tmax、最低气温Tmin、平均气温Ta和降水P，来源为中国气象局（http：∕∕data.cma.cn∕）。研究区共有6 个气象站点，基本信息如表1所示，取所有站点逐月气象数据的算数平均值作为流域月均值。
表1 气象站点基本情况一览表Tab.1 Basic information of meteorological stations
2.1.3 高程数据
岷江上游的数字高程（DEM）获取自地理空间数据云平台（http：∕∕www.gscloud.cn∕），分辨率为90 m，经投影转换和重采样为500 m空间分辨率。
2.2 方 法
2.2.1 趋势检验
采用Sen’s slope 与Mann-Kendall 相结合的无参数趋势检验方法［20］，对植被返青期进行趋势计算和显著性分析，显著性水平取0.05。
2.2.2 相关分析
采用Pearson 相关系数Rxy分析岷江上游返青期与气候因子的关系，计算公式为：
式中：Rxy为x、y因子的线性相关系数，xi、yi分别为第i年x和y的值，n为年数，和分别为两因子在n年的均值。采用t检验对相关系数Rxy进行显著性检验，显著性水平取0.05。
3.1 岷江上游植被返青期时空变化特征
3.1.1 植被返青期均值时空分布
2001-2016年岷江上游植被返青期多年均值的空间分布格局如图2（a）所示。岷江上游所有像元的返青期多年均值范围为DOY 49～179（2月中旬至6月末）。不同植被类型的返青期多年均值存在较大差异。其中，草地的返青期最晚（124.5±12.5 d），其次是落叶阔叶林（113.2±10.5 d），混交林的返青期最早（105.0±14.5 d）。
图2 2001-2016年岷江上游植被返青期的空间分布规律Fig.2 Spatial distributions of the mean value and the changing rate of annual GUD in the UMR from 2001 to 2016
3种植被的返青期频率分布如图3（a）所示。草地和混交林的返青期分布范围较宽，落叶阔叶林分布范围较窄，三者分别为DOY58～179（2月末至6月末）、DOY49～169（2月中旬至6月中旬）和DOY74～158（3月中旬至6月上旬）。三者的返青期频率峰值段（频率＞ 2%）分布也有较大差异。草地的返青期频率峰值段出现最晚，集中在DOY 115～134，像元比例为67.5%；
混交林出现最早，集中在DOY 96～119，像元比例分别为62.1%；
落叶阔叶林的返青期频率峰值段介于两者之间，集中在DOY 101～126，像元比例分别为80.3%。
图3 2001-2016年岷江上游不同植被返青期时间分布情况Fig.3 Temporal distribution of different vegetation in the UMR from 2001 to 2016，Dynamics of annual GUD and its frequency distribution
3 种植被类型的返青期都呈现出明显的海拔效应，即多年返青期均值随海拔升高而推迟［图4（a）］。在1 000～1 500 m 海拔段，3 种植被的返青期均值均小于100 d，其中草地的返青期多年均值最大（第87.5±7.1 d），混交林和落叶阔叶林分别为第85.4±6.8 d 和80.9±10.6 d。在1 500～3 500 m 海拔段，草地返青期均值仍为最大，但落叶阔叶林的返青期开始晚于混交林。在高海拔段（＞3 500 m），返青期随海拔升高推迟的幅度增大。在1 000～1 500 m 海拔段，每升高500 m，草地、混交林和落叶阔叶林的返青期分别推迟4.7 d、2.9 d 和5.8 d。在3 500～4 800 m 海拔段，海拔每升高500 m，草地、混交林和落叶阔叶林的返青期分别推迟19.9、22.2和23.1 d。
3.1.2 植被返青期时空变化
2001-2016年岷江上游植被返青期时间变化趋势图3（b）所示。草地和落叶阔叶林的返青期均呈显著提前趋势（p＜0.05），其中草地的提前幅度较高（-0.58 d∕a），落叶阔叶林的提前幅度较低（-0.41 d∕a）；
混交林呈不显著提前趋势（p＞0.05），提前幅度为-0.40 d∕a。在像元尺度上，返青期提前的像元分别占草地、混交林和落叶阔叶林的80.0%、66.7%和76.0%，延迟像元的占比分别为13.0%、24.6%和13.2%［图2（b）］。其中，显著提前像元比例远高于显著延迟像元。显著提前像元分别占草地、混交林和落叶阔叶林的16.7%、8.7%和12.0%，显著延迟像元占比分别为0.3%、0.9%和0.4%。混交林返青期的提前趋势不显著，可能是由于混交林中岷江冷山和云杉等针叶林的物候变化不明显所导致。
返青期变化趋势在垂直分布上存在3 500 m 海拔分界线，如图4（b）所示。3 种植被返青期在各海拔段都表现为提前趋势，但在3 500 m 分界线下的提前趋势不显著，在分界线上提前趋势显著性更强［图4（b）中“*”表示0.05 水平上趋势显著］，且提前幅度更大。如草地返青期在3 500 m 以上的各海拔段均呈显著提前趋势，其提前幅度在4 000～4 500 m 海拔段达到最高（-1.06 d∕a）；
混交林返青期和落叶阔叶林分别在4 000～4 500 m段和3 500～4 000 m段呈显著提前趋势。
图4 不同植被返青期及其变化趋势的高程分布Fig.4 Relations of mean values and trends of annual GUD with altitude
3.2 气候因子对植被物候变化的影响
2001-2016年岷江上游2-5月水热因子的变化趋势如图5所示。总体而言，2月气候呈现冷干化趋势，3-4月呈现暖干化趋势，5月呈现暖湿化趋势。2月各项气温指标（Tmax、Tmin和Ta）都呈下降趋势，降水呈减少趋势，但降幅较小（0.17 mm∕a）。3-4月的气温（除4月最高气温下降）呈上升趋势，降水呈减少趋势，气候暖干化趋势明显。值得注意的是，3-4月最低气温升幅最大，平均气温和最高气温变幅较小。5月的各项气温指标都呈上升趋势，其中最高气温上升趋势显著（p＜0.05），降水以0.79 mm∕a的速率增加。
图5 2001-2016年2-5月气温和降水变化趋势Fig.5 Trends of monthly air temperature and precipitation from February to May during 2001 and 2016
岷江上游各植被类型返青期与气候因子的相关系数如图6所示。图中的“*”表示返青期与气候因子之间的相关系数是显著的。草地返青期与3-5月的各项气温指标呈负相关关系［图6（a）～（c）］，与2-4月降水呈正相关关系［图6（d）］。这表明3-5月气温升高和2-4月降水减少促使草地返青期提前。其中，3月降水和4月最低气温与草地返青期相关关系显著，说明3月降水减少和4月最低气温升高可能是草地返青期提前的主要原因。2月气温降低和5月降水增多会促进草地返青期延迟，但相关系数较低，对返青期变化趋势作用有限。
图6 气候因子与植被返青期的相关系数Fig.6 Correlation coefficients between climatic factors and annual GUD
混交林和落叶阔叶林返青期与气候因子的关系同草地类似，与3-4月各项气温指标均呈负相关关系，与同期降水均呈正相关关系。这表明3-4月气候暖干化对混交林和落叶阔叶林返青期提前也起到了促进作用。其中，4月的最低气温和平均气温与返青期均呈显著负相关，说明4月最低气温和平均气温的上升是两种植被返青期提前的主要原因。与草地不同的是，2月的最高气温和最低气温与两种植被的返青期均呈正相关关系，但相关系数都较低。与草地相比，3-4月降水减少对混交林和落叶阔叶林的影响较小。5月降水与两种植被返青期的相关系数都较低，说明对返青期趋势影响很小。
基于遥感物候和气象数据，分析了2001-2016年西南山区岷江上游草地、混交林和落叶阔叶林的返青期时空变化特征及气候驱动因子。结果表明，①2001-2016年岷江上游草地、混交林和落叶阔叶林的返青期存在较大差异，其多年均值分别为第124.5±12.5 d、105.0±14.5 d 和113.2±10.5 d。② 3 种植被类型的返青期都随海拔升高而推迟，且在高海拔段（＞3500 m）推迟的幅度更大。在1 000～1 500 m 海拔段，每升高500 m，草地、混交林和落叶阔叶林的返青期分别推迟4.7 d、2.9 d 和5.8 d；
在3 500～4 800 m 海拔段，分别推迟19.9 d、22.2 d 和23.1 d。③草地和落叶阔叶林的返青期均呈显著提前趋势（p＜ 0.05），提前幅度分别为0.58 d∕a 和0.41 d∕a；
混交林呈不显著提前趋势（p＞0.05），提前幅度为0.40 d∕a；
3 种植被返青期变化趋势在垂直分布上存在3 500 m 海拔分界线，分界线以上返青期提前速率更高，趋势更显著。④岷江上游春季气候暖干化对植被返青起到了促进作用，其中4月最低气温升高是植被返青期提前的主要原因。
研究发现2001-2016年岷江上游春季气候暖干化导致植被返青期提前，这一研究结果与王云川在川西高原的研究结果一致［28］，但与我国干旱和半干旱区的一些发现不同。张峰等［29］、徐玲玲［30］都发现内蒙古草原气候暖干化导致植被返青期推迟，赵广帅等［31］发现青藏高原气候变暖导致半干旱草甸草原植物返青期推迟。这些地区的植被生长受水分条件限制，干旱区的气候暖干化会使蒸散更加强烈，降水进一步减少，水分亏缺导致植被返青期延迟［32］。与干旱半干旱区相比，我国西南山区植被受水分条件制约较小。如岷江上游多年平均降水量超过800 mm，其中3-4月累计降水量超过80 mm。徐玲玲发现春季降水量超过60 mm 时，内蒙古温性典型草原冷蒿的返青期就从推迟趋势转变为提前趋势［30］。因此，16年来岷江上游春季降水的减少趋势可能未对植被返青造成干旱胁迫。本研究发现岷江上游4月最低气温与草地返青期相关性较强，4月最低气温和平均气温与混交林和落叶阔叶林返青期相关性较强。由于流域4月最低气温升幅较大，平均气温和最高气温变幅较小，因此4月最低气温升高可能是植被返青期提前的关键因素，原因是春季最低气温上升缓解了早春霜冻对植被生长的抑制［33］。在干旱和半干旱区，降水的增加会提高植被生长速率，促使物候期提前［22］。然而，也有研究认为降水增加会导致气温降低，可能使返青期推迟［34］。本研究中发现岷江上游3月降水与草地返青期呈显著正相关关系，即3月降水减少促使草地返青期提前。这可能是由于降水减少有利于最低气温上升，减轻了早春霜冻对草地返青的抑制作用。
植被和气候因子的垂向分异性导致植被返青期存在3 500 m 海拔分界线。植被返青期多年均值随海拔升高而推迟，但在3 500 m 以下随海拔升高推迟幅度较小，在3 500 m 以上推迟幅度较大。而且，与低海拔植被相比，高海拔植被返青期的提前趋势更显著，提前速率更高。马晓芳等也发现青藏高原植被返青期随海拔升高而推迟，且高海拔植被返青期年际变化比低海拔复杂［35］。然而，由于岷江上游气象站点数量较少，本文未分析不同海拔范围内各类植被返青期对气候因子变化的敏感性。高海拔区域植被返青期提前趋势更显著的原因，可能是由于该区域植被返青对气候变化的响应更敏感，也有可能是该区域气候因子的变化更为剧烈。若未来岷江上游气候持续暖干化，可能会对流域植被返青持续产生影响，进而影响生态系统的生态过程和生态服务功能。
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