基于遥感的东北植被物候沿城乡梯度变化

植被物候沿城乡梯度的变化反映城市化过程对局地水热条件的调节作用。遥感技术可从区域和全球等大尺度上获取植被物候信息,从而弥补传统物候观测方法的不足。本研究以我国东北省会城市沈阳、长春、哈尔滨为例,基于MODIS NDVI数据,利用SavitzkyGolay滤波和分段高斯函数计算了各城区周边20 km内缓冲带的2种关键物候参数(生长季开始和结束日期);分析多年平均物候沿城乡梯度的变化,以及地表温度和林地盖度对物候空间变化的影响。结果发现:距城区越近,生长季开始越早,结束越晚,变化也越明显;在城乡梯度上,生长季随春季和前一年冬季地温升高而提前开始6~31 d·℃~(-1),随夏秋两季地温升高而推迟结束0.9~7.6 d·℃~(-1),而部分缓冲带内林地增多也会导致类似的生长季提前开始和延后结束。     

京津冀地区植被物候时空变化及其对城市化的响应

温度在调节植被物候的变化中起着重要作用,气候变暖和城市化均会对温度产生影响进而影响植被物候。基于京津冀地区2001—2020年的归一化植被指数(NDVI)时间序列影像,参照物候观测站点监测数据,采用动态阈值法提取出研究区关键物候参数,即生长季始期(SOG)、生长季结束期(EOG)和生长季的长度(LOG),分析近20年京津冀地区耕地、林地、草地不同植被的物候时空变化特征及其城乡差异,从而探讨植被物候对城市化的响应。结果表明：(1)耕地SOG分布呈现双波峰现象,林地和草地的SOG相对集中,3种植被的EOG的分布均较为集中;2001—2020年京津冀大部分地区的SOG提前,EOG推迟,LOG呈现延长的态势。(2)从城乡梯度物候差异的空间分布特征来看,整体而言耕地、林地、草地3种植被类型的城区物候与农村相比都存在SOG提前,EOG推迟的情况,并且城区与农村的物候差异幅度要明显大于城乡过渡带与农村的物候差异。(3)从城乡梯度物候差异的时间分布特征来看,2001—2020年间,研究区中新老城区、城乡过渡带和农村的SOG提前,EOG推迟,LOG延长,但耕地、林地、草地3种植被物候参数的城乡差异在逐年...     

中国东北城乡植被物候时空变化及其对地表温度的响应

以中国东北地区的沈阳、长春、哈尔滨3个大城市及其周边的乡村为研究单元,在像元尺度上采用小波变换法对长时间序列中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)增强植被指数(Enhanced Vegetation Index, EVI)数据滤除噪声数据后重建平滑的EVI曲线,基于EVI曲线,采用动态阈值法提取出研究区2009—2016年植被关键物候期参数指标,即植被生长季开始时间(Start of Growing Season, SOS)和结束时间(End of Growing Season, EOS),分析各研究单元植被物候时空变化特征及其对地表温度的响应特征。结果表明:各研究单元SOS和EOS值的空间分布图存在明显的城乡差异。每一个像元所属的实际位置距离城区中心越近,其SOS值越小,EOS值越大,表明植被生长季开始日期早结束日期晚,整个植被生长期时间变长。各研究单元植被物候参数指标的年际变化趋势具有一定的相似性,即SOS随时间均呈现出提前趋势,且城区和乡村的SOS年际变化趋势保持一致,变化速率各不相同。研究区2012年的SOS值是研究时段内的最大值,从植被物候期反映来看,该年是一个最冷年,这与当年受寒潮影响,出现暴雪,低温等极端天气的气候现象相吻合。各研究单元年均地表温度(Land Surface Temperature,LST)与对应的植被关键物候期参数均有显著的相关性,SOS与LST呈显著负相关,EOS与LST呈高度正相关。即植被物候同期的平均温度越高,植被生长季的起始时间越早,结束时间越晚。     

祁连山不同植被类型的物候变化及其对气候的响应

基于1982—2006年GIMMS NDVI和2000—2014年MODIS NDVI遥感数据,利用double logistic拟合方法提取了1982—2014年祁连山区不同植被的生长季始期、生长季末期和生长季长度3个重要的物候参数,分析了不同植被物候期的时间变化趋势、空间分异特征及对气候因子的响应。结果表明:(1)祁连山区不同植被的生长季始期和生长季末期随年际变化表现出波动提前或推迟,其中沼泽植被的变化波动最大;草甸植被、灌丛植被、阔叶林植被和栽培植被生长季长度出现延长趋势;(2)祁连山区植被生长季始期集中在5月初,其中阔叶林植被生长季开始最早,荒漠植被生长季开始最晚,植被生长季末期集中在9月,栽培植被生长季结束较早,荒漠植被、沼泽植被生长季结束较晚,植被生长季长度集中在110—140 d,其中阔叶林植被、针叶林植被生长季长度较长,而荒漠植被、高山植被生长季长度较短;(3)祁连山植被物候期变化趋势的空间分布表明植被生长季始期、生长季末期主要表现为提前不明显和推迟不明显,生长季长度主要表现为缩短不明显和延长不明显;(4)物候要素与气候要素相关性表明前期温度的积累有利于植被的开始生长,但当年3月的降水量对植被生长季始期同样有重要作用,不同植被生长季末期与8月、9月温度相关性较大,而与10月、11月降水的相关性较大。     

不同类型植被绿度始期的遥感模拟及变化规律

植被绿度始期是研究植被生长周期与气候变化关系的一个重要参量。本文选取中国的青藏高原地区、中东部地区和东北地区作为研究区域,基于1983—2012年NOAA/AVHRR上的NDVI累积频率曲线,利用Logistic函数进行拟合计算植被的绿度始期,并结合MODIS Collection 5地表覆盖类型数据,分析了不同区域内不同类型植被绿度始期的变化特征及差异性。结果表明:草地、灌木林、落叶乔木林和农田类型的绿度始期总体呈现提前趋势;在同一区域内,不同类型植被的绿度始期出现的时间不同;在不同区域内,同一类型植被绿度始期的年际变化表现不同的趋势,草地的绿度始期总体呈现提前的趋势,青藏高原地区提前趋势明显,变化率达到6.11 d·10 a~(-1),中东部地区为5.37 d·10 a~(-1),东北地区为2.13 d·10 a~(-1);落叶乔木林的年际变化幅度大致和草地相似,随着纬度的升高和海拔的降低,其绿度始期的提前变化速率会逐渐变小,灌木和农田在东北出现了绿度始期的推迟趋势,多年延迟的变化率为1.49和1.03 d·10 a~(-1)。     

中国城市植被物候变化及其对地表温度的响应

量化植被物候与城市化进程之间的关系对探索人类活动对城市生态系统的影响至关重要。以中国35个城市及周边区域为研究对象,基于中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)提供的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI),采用Savitzky-Golay滤波和动态阈值法提取2000—2020年研究区植被返青期(Start of Growing Season, SOS)和枯黄期(End of Growing Season, EOS)。并分析不同城市规模、不同距离城市的植被物候变化对陆地地表温度(Land Surface Temperature, LST)与不透水面(Impervious Surface Area, ISA)的响应差异。研究发现：(1)2000—2020年,中国城市城区植被SOS和EOS分别以0.17d/a和0.15d/a的速率推迟。根据城市规模的不同,大城市和中等城市物候期呈推迟趋势,而超大城市、特大城市和小城市呈提前趋势。51%的城市...     

滇中城市群植被物候时空变化及其对城市化的响应

植被物候是响应外界环境变化的重要感应器，本文基于MOD13Q1 EVI数据，采用动态阈值法提取滇中城市群2001—2020年的植被物候参数，即生长季开始期、生长季结束期和生长季长度，揭示植被物候时空变化特征及城乡差异。结果表明：2001—2020年，滇中城市群植被总体呈现生长季开始期推迟、生长季结束期推迟(每年推迟0.66 d)和生长季长度延长的现象；相较于郊区和乡村地区，城区植被近20年的生长季开始期提前(每年1.05 d),生长季结束期推迟(每年0.91 d),生长季长度延长(每年1.79 d)。在城区-郊区-乡村梯度上，植被物候表现出显著的差异性，城区植被平均每年生长季开始期最早，结束期最早，且生长季长度最长，尤其在城区及向外0～2 km范围内变化最明显。随人口密度、人均GDP和建成区面积占比的增大，城区植被物候生长季开始期显著提前，生长季结束期显著推迟，生长季长度显著延长。植被各物候期及其持续时间在城区-郊区-乡村梯度上对环境变化的敏感度不同，研究区人口密度和建成区面积占比对滇中城市群植被生长季结束期的推迟有重要影响。     

气候变化背景下1964-2015年秦岭植物物候变化

以1964-2015年物候观测数据为基础,选取17种含乔木、灌木及藤本树种为研究对象,分析探讨了气候变化背景下秦岭地区植物物候变化规律及其差异性。结果表明:(1)52年来,秦岭地区物候始期普遍呈提前趋势,提前速率1.2d/10a,物候末期普遍呈推迟趋势,推迟速率3.5d/10a,物候生长期普遍延长;(2)秦岭地区物候突变发生于20世纪80年代,始期于1985年,末期于1984年。突变后,物候特征发生了显著变化,始期的提前速率较突变前显著加快,末期由突变前的提前趋势转变为极显著的推迟趋势,且变化速率和显著性均高于始期;始期与末期变化均表现出"趋同效应";物候年代际变化趋势显示,始期自2001-2005年起提前速率减缓,植物对气候变化的响应表现出适应性及滞后性。(3)秦岭物候变化存在树种差异,3大类树种始期的提前速率呈藤本、乔木、灌木依次增大,而末期的推迟速率则呈藤本、灌木、乔木依次减小。(4)秦岭物候变化存在南北差异,北坡始期的提前速率均高于南坡,而南坡末期的推迟速率均高于北坡。     

基于不同光谱指数的植被物候期遥感监测差异

植被物候是陆地生态系统响应气候和环境变化的一项综合性指标.遥感光谱已经被广泛用于提取植被物候期,但遥感提取的物候期与站点观测差别很大,其物理意义尚不明确.本文选取中国东北部的一景MODIS数据(2000—2014年),分析了基于红波段和近红外波段的归一化差值植被指数(NDVI)和简单比植被指数(SR)提取的植被生长季起始期(SOS)和结束期(EOS)的差异.结果表明:两者的物候期存在显著差别,基于NDVI提取的SOS比SR提取的SOS平均早18.9 d,基于NDVI提取的EOS比SR提取的EOS平均晚19.0 d,NDVI得到的生长季长度更长.基于NDVI和SR提取的物候期的年际变化也存在显著差别,超过20%的像元SOS和EOS甚至表现出相反的年际变化趋势.上述差异与两种植被指数自身的季节曲线特征和抗噪性差异有关.NDVI与SR观测数据来源完全一致,仅数学表达形式不同,提取的物候期结果却存在显著差异.说明遥感监测的植被物候期高度依赖于植被指数的数学表达形式,如何建立可靠的植被物候期遥感提取方法仍需进一步研究.     

羊草物候特征对气候因子的响应

研究了内蒙古高原典型草原优势植物羊草的物候特征及其对气候因子的响应,结果表明,3～4月的平均温度与羊草的展叶显著相关,温度每升高1℃,羊草展叶提前4．35d;日照时数与羊草枯黄期显著相关,随着日照时数增加,羊草展叶期推后,枯黄期提前;4～10月平均风速与羊草生长季长相关,平均风速越大,生长期越长。     

Response of vegetation phenology to urbanization in the conterminous United States

The influence of urbanization on vegetation phenology is gaining considerable attention due to its implications for human health, cycling of carbon and other nutrients in Earth system. In this study, we examined the relationship between change in vegetation phenology and urban size, an indicator of urbanization, for the conterminous United States. We studied more than 4500 urban clusters of varying size to determine the impact of urbanization on plant phenology, with the aids of remotely sensed observations since 2003–2012. We found that phenology cycle (changes in vegetation greenness) in urban areas starts earlier (start of season, SOS) and ends later (end of season, EOS), resulting in a longer growing season length (GSL), when compared to the respective surrounding urban areas. The average difference of GSL between urban and rural areas over all vegetation types, considered in this study, is about 9 days. Also, the extended GSL in urban area is consistent among different climate zones in the United States, whereas their magnitudes are varying across regions. We found that a tenfold increase in urban size could result in an earlier SOS of about 1.3 days and a later EOS of around 2.4 days. As a result, the GSL could be extended by approximately 3.6 days with a range of 1.6–6.5 days for 25th ~ 75th quantiles, with a median value of about 2.1 days. For different vegetation types, the phenology response to urbanization, as defined by GSL, ranges from 1 to 4 days. The quantitative relationship between phenology and urbanization is of great use for developing improved models of vegetation phenology dynamics under future urbanization, and for developing change indicators to assess the impacts of urbanization on vegetation phenology.     

日光诱导叶绿素荧光对亚热带常绿针叶林物候的追踪

植被物候期(春季返青和秋季衰老)是表征生物响应和陆地碳循环的基础信息。由于常绿针叶林冠层绿度的季节变动较弱,遥感提取常绿针叶林的物候信息存在着较大的不确定性,是目前区域物候监测中的难点。利用MODIS植被指数(归一化植被指数NDVI和增强型植被指数EVI)、GOME-2日光诱导叶绿素荧光(SIF)和通量数据(总初级生产力GPP)估算2007—2011年亚热带常绿针叶林物候期,用来比较三类遥感指数估算常绿针叶林物候的差异。结果表明:基于表征光合作用物候的通量GPP数据估算得到5年内亚热带常绿针叶林生长季开始时间(SOS_(GPP))为第63天,生长季结束时间(EOS_(GPP))为第324天,生长季长度为272天;基于反映植被光合作用特征的SIF曲线获得物候信息要滞后GPP物候期,其中生长季开始时间滞后19天,生长季结束时间滞后2天;基于传统植被指数NDVI和EVI的物候期滞后GPP物候期的时间要大于SIF滞后期,其中植被指数SOS滞后SOS_(GPP)31天,植被指数EOS滞后EOS_(GPP)10—17天。虽然基于3种遥感指数估算的春季和秋季物候都滞后于通量GPP的物候期,但是卫星SIF的物候信息能够更好地捕捉常绿针叶林的生长阶段。同时,春季温度是影响森林生长季开始时间的最重要因素;秋季水分和辐射是影响生长季结束时间的关键因素。由此可见,SIF估算的亚热带常绿针叶林的春季和秋季物候的滞后时间要短于传统植被指数,能更好地追踪常绿林光合作用的季节性,为深入研究陆地生态系统碳循环及其对气候变化的响应提供重要的基础。     

Strong contribution of autumn phenology to changes in satellite‐derived growing season length estimates across Europe (1982–2011)

Land Surface Phenology (LSP) is the most direct representation of intra‐annual dynamics of vegetated land surfaces as observed from satellite imagery. LSP plays a key role in characterizing land‐surface fluxes, and is central to accurately parameterizing terrestrial biosphere–atmosphere interactions, as well as climate models. In this article, we present an evaluation of Pan‐European LSP and its changes over the past 30 years, using the longest continuous record of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) available to date in combination with a landscape‐based aggregation scheme. We used indicators of Start‐Of‐Season, End‐Of‐Season and Growing Season Length (SOS, EOS and GSL, respectively) for the period 1982–2011 to test for temporal trends in activity of terrestrial vegetation and their spatial distribution. We aggregated pixels into ecologically representative spatial units using the European Landscape Classification (LANMAP) and assessed the relative contribution of spring and autumn phenology. GSL increased significantly by 18–24 days decade^?1 over 18–30% of the land area of Europe, depending on methodology. This trend varied extensively within and between climatic zones and landscape classes. The areas of greatest growing‐season lengthening were the Continental and Boreal zones, with hotspots concentrated in southern Fennoscandia, Western Russia and pockets of continental Europe. For the Atlantic and Steppic zones, we found an average shortening of the growing season with hotspots in Western France, the Po valley, and around the Caspian Sea. In many zones, changes in the NDVI‐derived end‐of‐season contributed more to the GSL trend than changes in spring green‐up, resulting in asymmetric trends. This underlines the importance of investigating senescence and its underlying processes more closely as a driver of LSP and global change.     

Discrepancies in vegetation phenology trends and shift patterns in different climatic zones in middle and eastern Eurasia between 1982 and 2015

Changes in vegetation phenology directly reflect the response of vegetation growth to climate change. In this study, using the Normalized Difference Vegetation Index dataset from 1982 to 2015, we extracted start date of vegetation growing season (SOS), end date of vegetation growing season (EOS), and length of vegetation growing season (LOS) in the middle and eastern Eurasia region and evaluated linear trends in SOS, EOS, and LOS for the entire study area, as well as for four climatic zones. The results show that the LOS has significantly increased by 0.27 days/year, mostly due to a significantly advanced SOS (?0.20 days/year) and a slightly delayed EOS (0.07 days/year) over the entire study area from 1982 to 2015. The vegetation phenology trends in the four climatic zones are not continuous throughout the 34‐year period. Furthermore, discrepancies in the shifting patterns of vegetation phenology trend existed among different climatic zones. Turning points (TP) of SOS trends in the Cold zone, Temperate zone, and Tibetan Plateau zone occurred in the mid‐ or late 1990s. The advanced trends of SOS in the Cold zone, Temperate zone, and Tibetan Plateau zone exhibited accelerated, stalled, and reversed patterns after the corresponding TP, respectively. The TP did not occurred in Cold‐Temperate zone, where the SOS showed a consistent and continuous advance. TPs of EOS trends in the Cold zone, Cold‐Temperate zone, Temperate zone, and Tibetan Plateau zone occurred in the late 1980s or mid‐1990s. The EOS in the Cold zone, Cold‐Temperate zone, Temperate zone, and Tibetan Plateau zone showed weak advanced or delayed trends after the corresponding TP, which were comparable with the delayed trends before the corresponding TP. The shift patterns of LOS trends were primarily influenced by the shift patterns of SOS trends and were also heterogeneous within climatic zones.     

1982-2013年内蒙古地区植被物候对干旱变化的响应

气候变化引起的植被物候变化正在大幅度改变生态系统,研究植被物候对干旱的响应对保护内蒙古的生态系统具有重要意义。根据1：100万植被区划,把内蒙古划分为8个植被分区,利用多时间尺度气象标准化降水蒸散指数（SPEI）和NDVI3g时序数据所反演的物候指标,分析内蒙古植被物候的时空变化及其对干旱的响应规律。结果显示：1）在1982年至2013年间,内蒙古植被受到不同时间尺度下干旱的高度控制,尤其是时间尺度干旱的影响（SPEI-3）;2）对于整个研究区,生长季开始（SOS）呈提前趋势,生长季结束（EOS）呈延后趋势,生长季长度（LOS）呈延长趋势,像元比例分别为63.79%、59.77%和62.83%;3）内蒙古除荒漠植被类型地区外,同年春季和夏季初期干旱对SOS均具有延迟作用,同年秋季干旱对EOS均具有延迟作用 ;4） 不同植被类型对干旱强度指数的响应程度存在差异,响应程度集中在-10d/0.1-10d/0.1（例如,1d/0.1表示干旱强度指数每增大0.1,会导致物候指数延迟1 d,而-1d/0.1表示干旱强度指数每增大0.1,会导致物候指数提前1 d）。     

物候变化对北美温带落叶阔叶林生态系统生产力的影响

数据源、时间范围、空间尺度等的差异导致许多物候变化对陆地生态系统碳收支影响的研究缺少可比性。该文基于4级碳通量填充数据, 采用相对阈值方法提取了两个北美典型温带阔叶林站Harvard Forest (HF)和University of Michigan Biological Station (UMBS)共20年的物候参数(返青期、枯黄期和生长季长度), 并研究了物候变化对生态系统生产力的影响。结果表明: 1)生长季长度的延长对年累积总初级生产力(GPP)有显著贡献, 但由于呼吸作用(RE)的干扰, 生长季长度变化对年净生态系统生产力(NEP)的影响并不显著; 2)返青期的提前对上半年生态系统总初级生产力的贡献最为显著, 二者的相关系数分别为0.76 (HF)和0.93 (UMBS); 3)枯黄期的延迟对生产力的影响并不显著; 4)随着春季返青期的提前或秋季枯黄期的延迟, 上、下半年GPP和RE的累积量虽均有增加趋势, 但由于各自增加的幅度不确定, 导致年NEP与二者的响应关系复杂。     

黄土高原植被物候变化及其对季节性气候变化的响应

受气候变化影响,全球范围内植被物候发生了显著变化,而目前针对不同植被分区类型下（荒漠草原区、典型草原区、森林草原区、落叶栎林区、落叶栎林亚区）植被物候变化及其对季节性气候变化响应的研究尚少。因此基于MODIS遥感归一化差值植被指数（MODIS NDVI：MOD13Q1）数据、中国植被区划数据及135个气象站点插值数据,利用Sen''s斜率估计、Hurst指数和高阶偏相关分析等方法,研究黄土高原2001-2018年植被物侯变化及其对季节性气候变化的响应。结果表明：（1）黄土高原植被生长季始期（SOS,Start of Growing Season）主要集中在第96-144天,子植被分区由西北向东南方向,逐渐呈现提前趋势,71.0%的像元植被SOS整体提前0-2 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间66%的像元植被SOS继续呈现提前趋势;植被生长季末期（EOS,End of Growing Season）主要集中在第288-304天,各子植被分区植被EOS变化基本保持一致,87.6％的像元植被EOS整体延迟0-3 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间有80%的像元植被EOS继续呈现推迟趋势。（2）黄土高原植被SOS主要受各季节温度的影响;当年春季降水导致植被SOS提前,主要分布在黄土高原中部;上年夏季和上年秋季降水增加会导致植被SOS推迟;当年春季、上年秋季和年初冬季的温度升高均会导致植被SOS提前;各子植被分区植被SOS对不同季节降水的响应存在差异,而对不同季节温度的响应具有一致性。（3）黄土高原植被EOS主要受各季节降水和秋季温度的影响;不同季节降水增加均会导致大部分植被EOS推迟;当年秋季温度导致整体区域植被EOS推迟,且各子植被区植被EOS对当年秋季温度响应具有一致性。该研究可为大尺度植被物候影响因素提供新的认识,也为植被适应未来气候变化提供借鉴。