在气候变暖的背景下，欧洲山区植物物候和生产力呈现出的不同发展趋势

《Agricultural and Forest Meteorology》：Diverging trends in plant phenology and productivity across European mountains in a warming world

本研究利用MODIS数据分析了2001-2023年欧洲四大山脉植被物候和生产力变化，发现森林和草地物候响应存在显著差异：森林秋末物候延迟更明显（+0.15天/年），而春末提前幅度较小（-0.05天/年）；草地春末提前（-0.23天/年），秋末延迟（+0.03天/年）。物候变化与气候变化的关系显示，短期气候异常（Z-score）对物候的预测效果优于长期趋势（R2=0.51 vs 0.27）。尽管冷限制植被（如高海拔森林）的GPP与GSL呈显著正相关（R2>0.5），但整体上GSL与GPP的长期趋势耦合较弱（R2<0.03），表明其他因素（如CO?施肥、氮沉降）对生产力影响更大。研究揭示了物候与气候变化的非线性关系，以及海拔梯度对物候响应的调控作用。

　　全球变暖正在影响陆地生态系统的物候和生产力，这对碳循环产生深远的影响。然而，目前尚不清楚植物物候趋势在气候异质性较强的山地环境中是如何变化的，以及这些趋势如何影响整个生态系统的生产力。为了探讨这一问题，研究团队利用中等分辨率的卫星数据（500米），分析了欧洲主要山脉中不同植被类型和海拔梯度之间物候趋势和生产力的变化，时间跨度为2001年至2023年。这一研究不仅有助于理解物候变化对碳循环的影响，也为预测未来山地生态系统生产力提供了科学依据。

### 研究背景与意义

全球变暖正在改变温度受限生态系统中潜在的热生长季节长度，这种变化对植被物候和碳循环产生了重大影响。在一些温带、寒带和高山生态系统中，生长季节长度的增加导致了更高的二氧化碳净吸收。然而，也有证据表明，这种增长并不总是线性的，甚至可能因环境因素的相互作用而出现相反的趋势。例如，某些地区的植物物候对气候变化的响应可能受到光周期和未满足的冷害需求的限制，从而减缓生长季节的延长。此外，气候变化还可能通过改变物种间的竞争关系，影响生态系统的结构和功能。因此，理解物候变化与生态系统生产力之间的关系，对于预测未来气候变化对陆地生态系统的影响至关重要。

在山地生态系统中，物候和生产力的变化尤为复杂。由于山地地形的显著变化，植被的物候响应在不同海拔高度上表现出显著的差异。例如，高海拔地区的植被可能受到雪盖持续时间的影响，而低海拔地区的植被则更多地受到春季温度的影响。这种差异不仅影响物候的变化方向，也影响生长季节长度和生产力之间的关系。因此，研究团队选择欧洲四个主要山脉——比利牛斯山脉、阿尔卑斯山脉、喀尔巴阡山脉和斯堪的纳维亚山脉——作为研究对象，以探讨物候趋势与生产力之间的耦合关系。

### 研究方法与数据来源

为了分析物候和生产力的变化，研究团队采用了中等分辨率的卫星数据，如MODIS（中分辨率成像光谱辐射计）提供的植被指数数据。这些数据能够提供更精确的植被边界掩膜，同时保持较高的时间序列分辨率，使得研究能够在复杂的山地地形中识别出物候趋势的空间异质性。此外，研究团队还利用了欧洲环境署提供的山地数据集，以及Copernicus数字高程模型（GLO-30）提供的高精度海拔数据。通过将这些数据重新投影到ETRS89-LAEA欧洲坐标系，并将其分辨率调整为500米，研究团队确保了数据的时空一致性。

研究还采用了ERA5-Land数据集，该数据集提供了每月聚合的气候再分析数据，用于分析温度和降水趋势。为了匹配物候数据的分辨率，研究团队对ERA5数据进行了降尺度处理，应用了“坡度率”方法来校正温度数据。降尺度后的温度数据与气象站观测数据进行了比较，以验证其准确性。研究发现，降尺度后的温度数据与观测数据之间的差异显著降低，尤其是在比利牛斯山脉、阿尔卑斯山脉和斯堪的纳维亚山脉中，RMSE值分别降低了约37%、44%和54%。

此外，研究团队还采用了空间稀疏化方法，以减少数据中的空间自相关性。通过使用半变异函数确定响应变量的空间范围，并确保观测点之间的最小距离超过该范围，研究团队得到了一个空间分布均匀的子集，共7431个观测点。这一方法提高了分析的可靠性，同时减少了计算复杂性。

### 研究结果

研究结果表明，欧洲的落叶林和自然草地在物候趋势上表现出显著的差异。在落叶林中，生长季结束日期（Mid Greendown）的变化速度超过了生长季开始日期（Mid Greenup）的变化速度，前者在2001年至2023年间平均延迟了+0.15天每年，而后者仅提前了-0.05天每年。这一现象在阿尔卑斯山脉和喀尔巴阡山脉尤为明显，而在比利牛斯山脉和斯堪的纳维亚山脉中则没有显著的变化。相反，在自然草地上，生长季开始日期的变化速度比结束日期更快，前者平均提前了+0.23天每年，而后者仅延迟了-0.03天每年。这种趋势在比利牛斯山脉和阿尔卑斯山脉中更为显著，而在斯堪的纳维亚山脉中则几乎没有变化。

这些物候趋势的差异在不同海拔高度上也表现得尤为明显。例如，在阿尔卑斯山脉和喀尔巴阡山脉中，落叶林的生长季开始日期在低海拔地区比高海拔地区提前得更快，而在比利牛斯山脉中，落叶林的生长季开始日期在所有海拔高度上均表现出相似的趋势。此外，自然草地的生长季开始日期在低海拔地区表现出延迟，而在高海拔地区则表现出提前，这种趋势在所有研究的山脉中均有所体现。

研究还发现，物候变化与生产力之间的关系并非线性。尽管生长季长度（GSL）与生产力（GPP）在“冷限制”植被中表现出较强的耦合关系（R2值超过0.5），但在较温暖的地区，这种关系较弱。例如，在比利牛斯山脉和阿尔卑斯山脉的落叶林中，生长季长度仅能解释GPP变化的约20%。这表明，除了生长季长度外，其他环境因素（如气候变暖、CO?施肥效应和氮沉降）可能在影响生产力方面发挥更重要的作用。

### 研究讨论

研究团队指出，物候变化与生产力之间的关系在不同植被类型和不同山脉中表现出显著的差异。在“冷限制”植被中，生长季长度与生产力之间的关系更为紧密，而在较温暖的地区，这种关系则较弱。这可能是因为在较温暖的地区，其他因素（如光周期、降水和土壤养分）对生产力的影响更大，而生长季长度的变化可能不足以驱动生产力的显著提升。

此外，研究还发现，物候变化与生产力之间的关系在时间尺度上也有所不同。年际的物候变化与生产力变化之间表现出更强的相关性，而长期趋势（如23年内的变化）则表现出较弱的关联。这表明，植物对短期气候异常的响应可能比对长期气候变化的适应更为敏感。例如，某些年份的极端干旱或高温事件可能对物候产生更大的影响，而这些影响可能不会在长期趋势中体现出来。

研究还探讨了物候变化的潜在驱动因素。在落叶林中，生长季开始日期的变化主要受到春季温度的影响，而在自然草地上，这种变化可能更多地受到春季和夏季降水的影响。此外，研究团队发现，某些地区的物候变化可能受到人为管理活动的影响，如过度放牧和砍伐。这些活动可能导致植被恢复能力的下降，从而影响物候的正常发展。

### 研究结论

总体而言，研究结果表明，物候变化在山地生态系统中表现出显著的时空异质性，尤其是在不同植被类型和不同海拔高度之间。虽然生长季长度与生产力之间存在一定的耦合关系，但这种关系在不同区域和不同时间尺度上并不一致。这意味着，仅依靠生长季长度的变化来预测生产力的提升是不够的，还需要考虑其他环境因素的影响。

此外，研究还指出，物候变化与生产力之间的关系可能受到多种因素的干扰，包括生物和非生物的环境压力。例如，在某些地区，尽管生长季延长，但由于降水减少或土壤养分不足，生产力并未显著提高。这表明，即使在气候变暖的背景下，生态系统生产力的提升也可能受到其他因素的限制。

最后，研究团队强调，未来的生物地球化学模型需要考虑到物候变化与生产力之间的脱钩现象。也就是说，模型不应简单地假设生长季长度的增加会直接导致生产力的提升，而应综合考虑多种环境因素的相互作用。这种综合分析对于准确预测未来气候变化对陆地生态系统的影响至关重要。