第32卷第4期Vol.32，No.430-412023年4月
WANG Kai -feng ，BAO Gang ，YUAN Zhi -hui ，et al .Climate sensitivity of the start of the growing season in spring and the end of the growing season in autumn for vegetation in Inner Mongolia.Acta Prataculturae Sinica ，2023，32（4）：30−41.
内蒙古植被春季返青期和秋季枯黄期的
气候敏感性研究
王凯锋1，2，包刚1，2*
，元志辉1，2，佟斯琴1，2，叶志刚1，2，黄晓君1，2，包玉海1，2（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特010022；2.内蒙古师范大学内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古呼和浩特010022）
及其差异十分不清楚。利用2001-2019年MODIS NDVI 和气象数据，在气象台站和像元尺度上分别计算内蒙古
植被春季返青期和秋季枯黄期，并以生长度日（GDD ）和冷却度日（CDD ）为影响返青期和枯黄期的温度指标，研究
两个物候指标对气候敏感性的空间格局及其大小。结果表明，2001-2019年内蒙古植被返青期主要集中在第
110~135d ，整体呈提前趋势（2.6d ·10a -1）；枯黄期主要集中在第260~280d ，整体呈微弱的推迟趋势（0.7d ·10
a -1）。返青期对GDD 和枯黄期对CDD 的敏感性主要以负敏感性为主，分别占研究区总面积的68.1%和56%。从
两个物候指标对降水的敏感性看，植被物候对降水敏感性主要以正敏感为主。气象台站尺度的研究结果总体与像
元尺度的研究结果基本一致。在气象台站尺度上对比显示有65%的站点枯黄期对温度的敏感性大于返青期，94%
的站点返青期对降水的敏感性大于枯黄期，在气候不断变化的条件下，敏感性的研究可促进生态系统可持续管理的
能力，对物候模拟以及生态系统气候的评估具有重要参考价值。
关键词：内蒙古；返青期；枯黄期；生长度日；冷却度日；敏感性
Climate sensitivity of the start of the growing season in spring and the end of the growing season in autumn for vegetation in Inner Mongolia
WANG Kai -feng 1，2，BAO Gang 1，2*
，YUAN Zhi -hui 1，2，TONG Si -qin 1，2，YE Zhi -gang 1，2，HUANG Xiao -jun 1，2，
BAO Yu -hai 1，21.College of Geographical Science ，Inner Mongolia Normal University ，Hohhot 010022，China ；2.Inner Mongolia Key Laboratory of Remote Sensing &Geography Information System ，Inner Mongolia Normal University ，Hohhot 010022，China
Abstract ：The start of growing season （SOS ）in spring and the end of growing season （EOS ）in autumn are regarded as two important phenological indicators of vegetation growth.However ，the se
nsitivity of these indicators to changes in climate ，especially temperature ，as well as their differences remain unclear.In this study ，MODIS NDVI and meteorological data from 2001to 2019were used to calculate the SOS in spring and the EOS in autumn of vegetation in Inner Mongolia at meteorological station -and pixel -scales.In these analyses ，the numbers of growing degree -days （GDD ）and cooling degree -days （CDD ；i.e.DD with mean temperature below the base temperature ）were used as temperature indicators that affect the SOS and EOS.These analyses revealed spatial patterns of SOS
DOI ：10.11686/cyxb2022274http ：//cyxb.magtech 收稿日期：2022-06-27；改回日期：2022-09-01
基金项目：国家自然科学基金（41861021；42061070），内蒙古自治区自然科学基金（2021MS04014）和水利厅重点专项（NSK2021-Z1）资助。作者简介：王凯锋（1996-），女，内蒙古乌兰察布人，在读硕士。E -mail ：loyal542736@163
∗通信作者Corresponding author.E -mail ：baogang@imnu.edu
31第32卷第4期草业学报2023年
and EOS and their sensitivity to climate change.It was found that，from2001to2019，the SOS for vegetation in Inner Mongolia usually occurred around d110-135（where Jan1st=d1），and was progressively earlier with time （2.6d·10a−1）.The EOS usually occurred around d260-280，and showed a weak trend towards later occurrence （0.7d·10a−1）.In68.1%of the study area the SOS was advanced by GDD accumulation in the period immediately prior and similarly in56%of the study area EOS was advanced by CDD accumulation in the period immediately prior.Both SOS and EOS were sensitive to precipitation，and the response was mainly positive（i.e.a delay of SOS or EOS）.The results at the meteorological station-scale were basically consistent with those at the pixel-scale.At the meteorological station-scale，the temperature sensitivity of65%stations was greater at the EOS than at the SOS，and the precipitation sensitivity of94%stations was greater at the SOS than at the EOS.In the context of climate change，the results of studies on sensitivity are useful for devising sustainable ecosystem management strategies，and have important reference value for phenological simulations and ecosystem climate assessments.
Key words：Inner Mongolia；start of growing season；end of growing season；growing degree-days；cooling degree-days；sensitivity
植被物候是与气候波动相关的植被生命周期性事件的反复发生的时间［1］，其年际变化会对生态系统
各个环节，如大气和陆地之间碳水循环和能量交换等产生重要影响［2-3］。植被物候可以直接反映气候上的微小变化［4-6］，不仅能够记录植被所处环境的气候及其变化，而且还可反映物候发生前气候条件对植被的综合影响以及敏感性差异［7］。因此，植被物候变化及其主要原因的研究可对深刻理解全球碳水循环过程和气候变化对生态系统的影响等提供重要科学依据和数据支撑。
春季返青期（start of growing season，SOS）和秋季枯黄期（end of growing season，EOS）是植被生长过程中两个重要的物候指标。植被春季返青时需要一定的热量累积，生长度日（growing degree-days，GDD）已被广泛用作热累积的衡量指标，以评估温度对春季返青期的影响［8-9］。冷却度日（cooling degree-days，CDD）作为累积热量亏损的指标，被用来解释植被秋季枯黄期的发生［10-12］。基于卫星遥感数据的植被物候研究表明，中国温带植被返青期的提前和枯黄期的推迟均与气候变暖一致［13-14］，说明温度对返青期和枯黄期具有重要作用［15-16］。此外，干旱与半干旱区降水量的改变对返青期和枯黄期也起到重要作用［8，17］。在植被物候变化研究领域，气候（主要是温度和降水量）敏感性是预测物候变化的常用方法之一［18］，通常以物候和气候因子之间的回归斜率来表示单位温度（降水量）增加时物候变化的天数，用来衡量植被物候对温度或降水量变化的响应程度［19］。近年来，植被物候对温度敏感性方面的研究得到学术界的广泛关注［18，20］。植被生长过程中春季热量的积累对返青期具有潜在影响［21-22］。在春季物候事件中，叶片变红或果实成熟，与前一时期的温度总和有关［23-24］。研究发现，在全球变暖的趋势下，北部中高纬度地区植被返青的GD
D需求表现出相当大的空间差异［12，25］。生长季节累积的冷却度日被认为是秋季植被休眠的主要触发因素［12］，与秋季物候具有明显的负相关关系。Zhu等［21］分析了青藏高原蒲公英（Taraxacum mongolicum）和车前草（Plantago asiatica）春季展叶期和秋季叶片枯黄期对温度响应的敏感性差异，发现蒲公英春季展叶期/秋季枯黄期对生长度日/冷却度日的响应比车前草更为敏感。Fu等［26］以欧洲山毛榉（Fagus longipetiolata）幼树为研究对象，利用温度控制试验发现秋季叶片衰老对温度的敏感性显著大于春季叶片展叶对温度的敏感性。从过去研究可看出，大多研究主要以植物生长受温度影响较明显的植物类型为例，分析了不同植物春季和秋季物候对温度的敏感度差异，而上述研究在区域尺度或在植被类型尺度上是否成立未得到相关证实。另外，在植被生长受降水作用更明显的干旱半干旱区，此两种物候指标对温度和降水敏感性差异有必要进一步深入研究。遥感技术的快速发展，对区域植被类型尺度物候研究提供了重要的数据和方法支持。
内蒙古自治区位于中国北方，为典型的干旱半干旱生态系统，对气候变化极为敏感，植被生长具有明显的季节变化特征，为干旱区植被春秋季物候及其对气候敏感性研究提供了重要场所。本研究利用中分辨率成像光谱
Vol.32，No.4ACTA PRATACULTURAE SINICA （2023）仪（moderate resolution imaging spectroradiometer ，MODIS ）植被归一化指数（normalized difference vegetation index ，NDVI ）数据和100个气象台站的日平均气温和降水量数据，研究了2001-2019年内蒙古地区植被春季返青期与秋季
枯黄期及其对气候敏感性的时空差异。与该地区过去采用平均温度为指标的研究不同［27］，本研究以GDD 和CDD 作为温度指标，分析春季返青期和秋季枯黄期对温度的敏感性及其差异。
1
材料与方法1.1研究区概况
内蒙古自治区地处中国北方（37°22′-53°23′N ；97°12′-126°04′E ），面积为1.18×106km 2（约占中国国土12.3%），平均海拔约为1000m ，由东北向西南呈狭长状分布（图1）。该地区为温带大陆性季风气候，在东北部地区降水量最多，年总量300~400mm ，而在西南部最少，低于100mm 。年平均气温为1.5~10.0℃，其空间分布与降水呈相反趋势。
1.2数据来源及预处理
采用2001-2019年的MOD13A2NDVI 数据产
品（https ：//v/appeears/）来识别
研究区春季返青期和秋季枯黄期。该数据空间和时
间分辨率分别为1km 和16d 。考虑到研究区西南部
沙漠和戈壁荒漠地区土壤背景对NDVI 的影响较大，
将多年平均NDVI 值小于0.1的地区从研究区剔
除［28］。为研究不同植被类型的物候差异，采用2001、
2010和2019年MODIS 土地覆盖类型产品（MCD12Q
1，空间分辨率为500m ），使用最邻近分配法进行重采
样，得到空间分辨率为1km 的土地覆盖类型数据，再
进行不同类型合并等处理，提取过去19年间土地覆盖
类型发生变化的区域（图2），在未变化的区域内开展
研究，最终获得林地、灌丛、草地、农田、荒漠地区稀疏
植被等5种植被类型数据（图1）。
气象数据来源于内蒙古自治区气象局和国家气
象数据共享网（http ：//a/）。100个气象台
站的2001-2019年日平均气温和日降水数据用于计
算GDD 和CDD ，并分析物候对其敏感性差异。根据
气象台站的经纬度信息，在NDVI 影像上逐年逐16d
提取气象台站对应位置的NDVI 时间序列数据，用于
计算各气象站点对应的植被返青期和枯黄期。
1.3
研究方法1.3.1植被返青期和枯黄期的识别由于16d 的NDVI 数据中仍存在云和气溶胶等的影响，先采用时
间序列谐波分析法（harmonic analysis of time series ，
HANTS ）［29-30］对16d NDVI 数据进行平滑处理，进一步降低原NDVI 数据中存在的噪声（图3a ）。
对NDVI 数据进行平滑后，采用累计NDVI 的Logistic 曲线曲率极值法［31］，对16d NDVI 值进行Logistic 曲线拟合（公式1），并计算Logistic 拟合曲线的曲率（公式2和3），将曲率最大值和最小值对应的日期分别定义为植被返青期和枯黄期（图3b ）
。
图1研究区位置及气象台站分布Fig.1Location of the study area and distribution of meteorological
stations 图2
内蒙古2001-2019年土地覆盖类型未发生变化和发生变化地区的分布情况Fig.2Spatial distribution of unchanged and changed area of land cover types in the Inner Mongolia from 2001to 201932
第32卷第4期草业学报2023年y ()t =c
1+e a +bt +d
（1）K =d αd s =-b 2cz ()1-z ()1+z 3[]()1+z 4+()bcz 2 1.5（2）
z =e a +bt
（3）式中：t 为儒略日；y （t ）为与时间t 对应的Logistic 拟合的累计NDVI 值；d 为背景值，用1年23个NDVI 序列中最小NDVI 值来代替；c +d 为累计NDVI 最大值；K 为NDVI Logistic 拟合曲线的曲率；a 和b 为拟合参数。
1.3.2返青期和枯黄期对气候敏感性的计算采用二元线性回归方法逐气象站点计算返青期和枯黄期对气
候的敏感性，以回归系数（斜率）代表其敏感性大小，计算公式如下［27］：y =ax 1+bx 2+c （4）
式中：y 为2001-2019年间返青期或枯黄期序列数据，x 1和x 2分别代表2001-2019年温度（返青期用温度指标GDD ；枯黄期用温度指标CDD ）和降水量序列数据，c 为残差。
研究表明，植被春季返青主要受返青期之前累积热量的影响［9］。因此，计算返青期对温度敏感性时，选用生长度日来代表植被春季开始生长的热量需求，一般以每年1月1日至植被返青日期期间高于阈值温度（T b ）的日平均气温（T m ）之和来代表［32］，其计算公式如下：
GDD =∑DOY DOY
()T m -T b if T m >T b 0if T m ≤T b （5）
式中：T m 为日平均气温；T b 为阈值温度，在此选用0℃作为阈值温度［32］；DOY 1为每年第一天（即1月1日）；DOY 2为多年春季返青期平均值［33］。
CDD 代表秋季热量亏损指标，与平均温度相比，可更好地解释植被枯黄期发生的直接原因和过程［11］。CDD 一般用在枯黄期可能发生的时间段（一般为每年8月1日至10月31日）内日平均温度（T m ）和阈值温度（T b ）之差的和来代表［21］，具体计算公式为：
CDD =∑DOY DOY
()T b -T m if T m <T b 0if T m ≥T b （6）
式中：T b 为阈值温度，在此选用15℃作为阈值温度［21］；DOY 1为每年8月1日；DOY 2为每年10月31日。
对降水量而言，采用季前累积降水量来反映返青期和枯黄期对降水量的敏感度［33-34］，即返青期/枯黄期前每10d 为间隔［9］，采用偏相关分析（将温度作为控制变量）计算不同时间长度累积的降水量，偏相关系数最大时的时间间隔作为季前长度，用于分析返青期和枯黄期对降水的敏感性。在各气象台站上计算GDD 和CDD 后，
对
图3
NDVI 数据平滑和累计NDVI 的Logistic 拟合曲线曲率极值法Fig.3Illustration of NDVI smoothing and the cumulative NDVI based Logistic curve model
Ⅰ：累积NDVI 的Logistic 拟合曲线Logistic fitting curve of cumulative NDVI ；Ⅱ：Logistic 曲线曲率Logistic curve curvature ；Ⅲ：累积NDVI Cumulative NDVI.33
Vol.32，No.4ACTA PRATACULTURAE SINICA （2023）GDD 、CDD 和降水量进行克里金插值，并与逐像元计算的返青期和枯黄期结合，在像元尺度上进一步计算内蒙古植被对温度和降水的敏感性。
2
结果与分析2.1返青期和枯黄期的空间格局及其变化趋势
从像元尺度植被返青期空间分布格局看（图4a ），2001-2019年内蒙古平均返青期主要集中在第110~135天（即每年的4月下旬到5月中旬），平均为第121天。在空间分布上，返青期相对较早的站点主要分布在内蒙古东北部的森林覆盖区域、东南部以及西南部地区，而在呼伦贝尔草原及锡林郭勒草原东北地区的返青期相对较晚。枯黄期主要集中在每年的第260~280天（即每年的9月中旬到10月上旬），平均272d ，其空间分布在一定程度上与返青期整体上呈相反趋势（图4b ），即呼伦贝尔草原和锡林郭勒草原东北部地区枯黄期总体比其他区域要早些。从区域尺度返青期和枯黄期的变化趋势看（20
王伊锋01-2019年），研究区约74.6%的地区呈提前趋势，其中呈显著提前趋势（P <0.05）的面积为13.8%，主要集中在呼伦贝尔中部、锡林郭勒盟草原北部、内蒙古东部以及西南部。而呈推迟趋势的面积约24.8%，其中仅有1.3%的返青期呈显著推迟趋势（P <0.05，图4c ）。在过去的19年间，枯黄期呈推迟趋势的面积（57.8%）比呈提前趋势的面积（41.5%）比重略高（图4d ），其中呈显著推迟趋势（P <0.05）的面积约占5.8%，主要分布在呼伦贝尔北部以及内蒙古西南部。相反呈显著提前趋势的仅占1.4%。总体上看，无论是返青期还是枯黄期，在过去19年间其变化趋势均较平稳，从比重看，返青期呈提前趋势多，而枯黄期推迟趋势多，
尽管大多为不显著。在气象台站尺度的返青期和枯黄期的空间分布格局及其变化趋势与像元
图4
2001-2019年内蒙古多年平均返青期和枯黄期及返青期和枯黄期变化趋势空间分布Fig.4Spatial distribution of annual mean start of growing season （SOS ）and end of growing season （EOS ）and variation trend of SOS and EOS in Inner Mongolia during 2001to 2019
左上角图及图例为站点尺度图，右下角图及图例为像元尺度图，下同。The upper left figure and legend are site -scale maps ，and the lower right figure and legend are pixel -scale maps ，the same below.34
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