چکیده:
پیشینه و هدف تغییرات آب و هوایی تأثیر منفی بر تولید محصولات کشاورزی و سیستم های زیست محیطی کشورهای مختلف داشته است. فنولوژی پوشش گیاهی زمان وقوع رخدادهای تکرارپذیر گیاهان را در رابطه با عوامل زنده و غیرزنده توصیف می کند. فنولوژی یکی از حساس ترین شاخص های زیستی برای بررسی تأثیر گرمایش جهانی بر اکوسیستم های زمینی است، زیرا نشاندهنده تبادل انرژی، کربن و بخارآب بین سطوح پایین جو و بیوسفر است. تغییرات در فنولوژی گونه های گیاهی می تواند طیف گستردهای از تأثیرات را در فرآیندهای زیست محیطی و کشاورزی به همراه داشته باشد. دو رویکرد متداول برای نظارت بر فنولوژی پوشش های گیاهی وجود دارد. اولین رویکرد که در بسیاری از مطالعات قبلی فنولوژی استفادهشده است، مبتنی بر مطالعات میدانی و ثبت تغییرات سالانه رخدادهای فنولوژی در پاسخ به متغیرهای محیطی است. این رویکرد برای مقیاس های کوچک با تعداد سایت های برداشت زمینی محدود مناسب است و برای مطالعات در مقیاس وسیع نهتنها کارا و دقیق نیست بلکه هزینهبر و در برخی مناطق غیرممکن است. دومین رویکرد استفاده از فنآوری سنجشازدور است. تاکنون تغییرات مؤلفههای فنولوژی پوشش گیاهی ایران در پاسخ به تغییرات اقلیمی و گرمایش جهانی موردبررسی قرار نگرفته است. هدف از مطالعه، تعیین تغییرات هرکدام از مؤلفههای فنولوژی پوشش های گیاهی با استفاده ازسریهای زمانی NDVI سنجنده AVHRR است.
مواد و روش ها در این مطالعه از محصول NDVI روزانه سنجنده AVHRR باقدرت تفکیک مکانی 0.05 در 0.05 درجه بانام AVH13C1 استفاده شد. به منظور بررسی تغییرات مؤلفههای فنولوژی پوشش های گیاهی ایران از چهار سری زمانی یکساله مربوط به سال های زمان گذشته (1982-1985) و زمان حال (2015-2018) استفاده شد. استخراج مؤلفههای فنولوژی ازسریهای زمانی شاخص های پوشش گیاهی در ابتدا نیازمند یک سیگنال رشد پیوسته و بدون دادههای ازدسترفته و دورافتاده است. برای بازسازی داده های ازدسترفته و دورافتاده در منحنی رشد از الگوریتم HANTS استفاده شد. به منظور استخراج مؤلفههای مختلف فنولوژی از نرمافزارTimesat استفاده شد. پارامترهای زمان شروع فصل رشد، زمان پایان فصل رشد، ارزش پایه، زمان وسط فصل رشد، حداکثر ارزش، دامنه فصل رشد، ارزش در نقطه شروع فصل رشد، نرخ افزایش در دوره شروع رشد و نرخ کاهش در دوره پایان رشد با استفاده از Timesat در هر سری زمانی یکساله استخراج شد و سپس میانگین چهارساله مقادیر این پارامترها در سریهای زمانی گذشته با سری های زمانی حال مقایسه شد.
نتایج و بحث مقایسه میانگین چهارساله مؤلفههای فنولوژی زمان شروع فصل رشد، پایان فصل رشد، طول فصل رشد و زمان وسط فصل رشد در سطح کل ایران نشان داد این شاخص ها به ترتیب به میزان 12، 19، 7، 13 روز کاهشیافته است. تغییرات این مؤلفهها در مناطق پست با ارتفاع کمتر از 1500 متر با مناطق مرتفع که شامل سلسله جبال البرز و زاگرس است؛ کاملاً متفاوت است. بهطوریکه زمان پایان فصل رشد، طول فصل رشد و زمان وسط فصل رشد در ارتفاعات البرز و زاگرس تقریباً از ارتفاع 1500 متر به بالا به ترتیب بهطور میانگین به میزان 38، 46 و 19 روز کاهشیافته است. در مناطق پست در حاشیه خلیجفارس و دریای خزر مؤلفه های فنولوژی زمان پایان فصل رشد و طول فصل رشد تقریباً به ترتیب به میزان 40 و 44 روز افزایشیافته است. طولانی شدن فصل رشد به عوامل مختلف اقلیمی بهویژه گرم شدن کره زمین ناشی از افزایش گازهای گلخانهای و یا در دسترس بودن آب نسبت دادهشده است. در ایران در اکثر مناطق زمان شروع فصل رشد بهویژه در ارتفاعات البرز و زاگرس که دما عامل محدودکننده در شروع رشد است، کاهشیافته است. همچنین زمان پایان فصل رشد و طول فصل رشد و زمان وسط فصل رشد نیز کاهشیافته است. این امر نشاندهنده این است که در مناطق خشک و نیمه خشک مانند ایران در مراحل میانی و پایانی رشد گیاهی، رطوبت و بارندگی عامل محدودکننده برای رشد است. در مناطقی مانند حاشیه خلیجفارس و دریای خزر که رطوبت کمتر عامل محدودکننده بوده است، زمان پایان فصل رشد و طول فصل رشد نیز افزایشیافته است. بر اساس نتایج مؤلفههای فنولوژی نظیر دامنه فصل رشد، حداکثر میزان رشد، ارزش پایه، ارزش در نقطه شروع رشد، نسبت افزایش در شروع فصل رشد و نسبت کاهش در پایان فصل رشد در ارتفاعات البرز و زاگرس افزایشیافته است و در سایر مناطق که عموماً مناطق با ارتفاع کمتر از 1500 را شامل میشود این مؤلفه کاهشیافته است. به نظر میرسد در مناطق خشک و نیمهخشک، فراوانی موج گرما میتواند تبخیر و تعرق گیاه را نیز افزایش دهد که سبب کمبود رطوبت در خاک می شود. بنابراین در ارتفاعات که در ابتدای فصل رویش دما عامل کنترلکننده است، افزایش دما در سری های زمانی جدید منجر به افزایش رشد گیاهان و قابلیت تولید اکوسیستم شده و پارامترهای فنولوژی نظیر دامنه فصل رشد، حداکثر میزان رشد، ارزش پایه و ارزش در نقطه شروع رشد افزایشیافته است. اما در مناطق پست و دشتی و همچنین در اواخر دوره رشد گیاهی در ارتفاعات، افزایش دما منجر به افزایش تبخیر و تعرق شده و دامنه فصل رشد، حداکثر میزان رشد، ارزش پایه و ارزش در نقطه شروع رشد را کاهش داده است.
نتیجه گیری تغییرات پارامترهای فنولوژی نظیر زمان شروع فصل رشد، زمان پایان فصل رشد و طول فصل رشد میتواند تأثیر منفی بر تولید محصولات کشاورزی و سیستمهای زیستمحیطی کشور داشته است. شروع زودتر فصل رشد در سریهای زمانی سالهای اخیر نسبت به 35 سال گذشته می تواند تهدید مهمی برای تولید محصولات کشاورزی و باغی باشد، زیرا سرما و یخبندان از مهمترین پارامترهای اقلیمی در زمینه اقلیم کشاورزی است که آسیبهای ناشی از آنها، امکان تولید بسیاری از محصولات کشاورزی و باغی را در مناطق آسیبپذیر کاهش می دهد. بهطورکلی نتایج پژوهش حاضر یک زنجیره وقایع بههمپیوسته، ناشی از تغییرات اقلیمی و افزایش دما را در مؤلفههای مختلف فنولوژی در ارتفاعات البرز و زاگرس و همچنین در مناطق پست و دشتی بهویژه در حاشیه خلیجفارس و دریای خزر نشان می دهد.
Background and Objective Climate change has had a
negative impact on agricultural products and
environmental systems in different countries. Plant
phenology describes the periodical plant life events in
relation to living and non-living factors. Phenology is
one of the most sensitive biological indicators for
studying the effect of global warming on terrestrial
ecosystems, as it represents the exchange of energy,
carbon, and water vapor between low levels of the
atmosphere and the biosphere. Plants phenological
changes can have a wide range of effects on
environmental processes, agriculture, forestry, food
supply, human health and the global economy. There
are two common approaches to monitoring vegetation
phenology. The first approach used in many previous
phenology studies is based on field studies and
recording annual changes in phenological events in
response to environmental variables. So far, the
phenological components changes of Iran's vegetation
coverages in response to climate change and global
warming have not been studied. The purpose of this
study is to determine the changes of each component
of Iranian vegetation phenology This approach is
suitable for small scales with a limited number of
sampling sites and is not only inefficient and
inaccurate for large-scale studies but also costly and
impossible in some areas. The second approach,
developed in recent years, is the use of satellite
imagery and remote sensing technology. using NDVI
time series of AVHRR sensor. The results of this
study can be used in determining the date of
cultivation season, environment, rangelands and water
resources management, and finally useful and
practical recommendations to farmers.
Materials and Methods In this study, daily NDVI
product of AVHRR sensor, called AVH13C1, was
used with a spatial resolution of 0.05 by 0.05 degrees.
To investigate the changes in phenological
components of Iranian vegetation, four one-year time
series related to 1982 to 1985 years (namely as past
time) and 2015- 2018 years (namely as present time)
were used. Extraction of phenological components
from the time series of vegetation indices initially
requires continuous gap-free data. The HANTS
algorithm was used to reconstruct the gaps and
outliers from the time series. Then, in order to extract
different phenological components, Timsat software
was used.
The beginning of the season, end of the season, length
of the season, base value, time of mid of the season,
maximum value, the seasonal amplitude, value for the
start of the season, rate of increase at the beginning of
the season and rate of decrease at the end of the season
were extracted using Timsat software in each one-year
time series, were extracted using Timsat software in
each one-year time series, and then the four-year
average of the values of these parameters in the past
time series was compared to the present time series.
Results and Discussion Comparison of the four-year
average of phenological components of the time for
the start of the season, the time for the end of the
season, the Length of the season and the time for the
mid of the season in Iran showed that these indicators
decreased by 12, 19, 7 and 13 days, respectively. The
rate of changes of these components in lowland areas
with an altitude of less than 1500 meters are
completely different from highland areas which
include Alborz and Zagros chains. So that, from an
altitude of 1500 meters and above, the time for the
start of the season, the length of the season and the
time for the mid of the season in the Alborz and
Zagros chains have decreased to an average of 38, 46
and 19 days, respectively. In the lowlands area near to
the Persian Gulf and the Caspian Sea, the phenological
components of the time for the end of the season and
the length of the season have increased by
approximately 40 and 44 days, respectively. The
prolongation of the growing season has been attributed
to various climatic factors, especially global warming
due to increased greenhouse gases or water
availability. In Iran, in most areas, the beginning of
the growing season, especially in the Alborz and
Zagros highlands, where the temperature is a limiting
factor, has decreased. But unlike some studies
conducted outside of Iran, the time for the end of the
season, the length of the season and the time for the
mid of the season have also decreased. This indicates
that in arid and semi-arid regions such as Iran, in the
middle and final stages of plant growth, moisture and
rainfall are limiting factors for growth. In areas such
as the Persian Gulf and the Caspian Sea, where low
humidity has not been a limiting factor, the end of the
growing season and the length of the growing season
have also increased. Based on the results, the
phenological components such as seasonal amplitude,
maximum value, base value, value for the start of the
season, rate of increase at the beginning of the season
and rate of decrease at the end of the season have
increased in Alborz and Zagros heights. This
component is generally reduced to areas with altitudes
below 1500. It seems that in arid and semi-arid
regions, the high temperature can also increase the
evapotranspiration of the plant, which causes a lack of
moisture in the soil. Therefore, at the area with high
altitudes that temperature is a controlling factor at the
beginning of the growing season, the increasing
temperature in present time series has led to increased
plant growth and ecosystem production capacity, and
phenological parameters such as growing season
range, maximum growth rate, base value and the value
at the starting point of growth have increased.
However, in lowland areas, as well as at the end of the
plant growth period in high altitudes, the increasing
temperature has led to increased evapotranspiration
and reduced the seasonal amplitude, maximum value,
basal value and value for the start of the season.
Conclusion Changes in phenological parameters such
as the beginning of the season, the time for the end of
the season and the length of the season can have a
negative impact on the agricultural products and
environmental systems. The recent earlier beginning
of the growing season compared to the last 35 years
can be a significant threat to the agricultural and
horticultural products, because cold and frost are the
most important climatic parameters in the field of
agricultural climate. As a result, it reduces the
possibility of producing many agricultural and
horticultural products in vulnerable areas. In general,
the results of the present study show a series of
interconnected events caused by climate change and
increase in temperature in various components of
phenology in the Alborz and Zagros highlands, as well
as in lowland and plain areas, especially in the Persian
Gulf and the Caspian Sea.