大平原草原物候气候控制机制的差异性变化

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Divergent Shifts in the Climatic Controls of Phenology Across Great Plains Grasslands

气候变化对大平原植被物候的影响及驱动机制研究。温度主导北部春季物候，降水影响南部秋季物候，干旱胁迫加剧。时间序列分析表明降水作用增强而温度作用减弱。机器学习模型预测未来南方大平原水限制将达21%。

　　植被物候变化是气候变化的重要指示器，其研究对于理解生态系统如何响应全球变暖和降水变化具有重要意义。本研究聚焦于北美大平原（Great Plains, GP）这一以草地为主的中纬度区域，分析了温度和降水对植被物候阶段（如生长季开始、峰值和结束时间）的影响及其随时间的变化趋势。通过整合连续的太阳诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence, SIF）数据集和MODIS植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）时间序列，研究人员发现，温度在大平原北部和中部主要控制生长季的开始（SOS）和峰值（POS），而降水则对生长季结束（EOS）的影响更为显著。值得注意的是，从2000–2010年到2011–2021年，降水对所有三个物候阶段的影响逐渐增强，而温度的影响则减弱，这表明气候因子对植被物候的主导作用正在发生转变。

大平原地区由于其独特的气候条件，对降水变化尤为敏感。该地区从西到东，降水呈现出显著的空间差异，西部较为干旱，而东部则相对湿润。这种降水的空间分布格局与植被的生长特性密切相关，尤其是生长季结束时间对降水的依赖性较强。在南部地区，降水不仅决定了生长季的结束时间，还可能通过增加土壤干旱胁迫而影响整个物候周期。与此同时，温度对生长季的开始和峰值的影响逐渐减弱，特别是在北部和中部地区，随着温度升高接近植物最佳光合作用范围，温度的限制作用逐步减小，而降水则成为新的关键驱动因素。

研究进一步指出，温度和降水对植被物候的影响并非静态，而是随时间发生变化。在过去的20多年中，降水对物候变化的贡献率明显上升，而温度的主导作用则有所下降。这一趋势可能与气候变化带来的降水模式变化有关，如干旱频率和强度的增加，以及温度升高对植物生长的限制效应的减弱。研究还表明，生长季的结束时间对降水的响应尤为敏感，尤其是在南部大平原地区，由于降水的不确定性增加，其对物候的影响更为显著。这种现象可能与植物在不同生长阶段对水分的需求不同有关，例如，春季的物候变化可能受到水分条件的直接影响，而秋季则受到更多生理限制和光周期变化的影响。

为了更准确地揭示植被物候变化的驱动机制，研究采用了多种方法进行物候提取，包括谐波分析、多项式拟合、样条插值和双对数函数拟合等。这些方法通过分析每日植被活动的变化曲线，确定了物候事件的时间点。通过比较不同方法的结果，研究团队发现物候时间的提取结果在不同方法之间具有较高的一致性，从而增强了研究结论的可靠性。此外，研究还利用支持向量机（Support Vector Machine, SVM）模型，对未来的气候限制效应进行了预测。SVM是一种非参数机器学习方法，能够有效区分温度和降水对物候的影响。预测结果表明，在高排放情景（SSP585）下，温度对大平原植被物候的限制作用将逐渐减弱，而降水的限制作用则会增强，尤其是在南部地区。

研究还发现，不同物候阶段对气候因子的响应存在差异。生长季的开始和峰值主要受到温度的控制，而结束时间则更多依赖于降水。这种差异可能与植物在不同生长阶段的生理机制有关，例如，春季的物候变化通常受到土壤水分的直接影响，而秋季则可能受到光周期、土壤水分储存和植物生理成熟度的共同作用。在某些区域，如大平原的西南部，降水成为生长季开始的主要限制因素，这表明这些地区的植物在春季对温度的依赖较低。相反，在东北部和西北部地区，温度对生长季峰值和结束时间的影响更为显著，因为这些地区的植物在生长过程中更容易受到低温的限制。

随着全球变暖的持续，温度的限制作用可能逐渐被缓解，但降水的限制效应却可能加剧。特别是在南部大平原，由于降水的减少和变异性增加，植物可能会面临更严重的干旱胁迫。这种干旱胁迫可能不仅影响生长季的结束时间，还可能对整个物候周期产生深远影响。例如，生长季的提前可能会被土壤水分不足所抵消，导致植物在秋季更早进入衰老阶段，从而缩短整个生长季的持续时间。此外，植物对水分的适应性，如减少叶片面积或加深根系，可能有助于缓解干旱带来的负面影响，但这些适应机制是否足以应对未来的气候变化，仍需进一步研究。

本研究的结果对理解植被物候变化的驱动机制具有重要意义，同时也为预测未来气候变化对生态系统的影响提供了科学依据。随着气候变化的加剧，温度和降水对植被物候的影响将变得更加复杂，需要综合考虑两者的相互作用。特别是在大平原这样的关键生态系统中，降水的限制效应可能成为未来植被变化的主要因素。因此，未来的研究应更加关注水分与温度之间的协同作用，以及这些作用如何影响植物的生长周期和生态系统的碳循环。此外，气候变化对植物物候的潜在影响，不仅限于自然生态系统，还可能对农业生产和人类社会产生深远影响，例如，作物种植时间的调整、水资源管理策略的优化等。

本研究的发现还强调了在生态系统管理中引入水-温交互作用的重要性。传统的物候预测模型往往以温度为主要驱动因素，而忽视了降水的作用。然而，随着气候变化导致的降水模式变化，这种模型可能无法准确反映未来的物候变化趋势。因此，未来的研究需要将降水纳入到物候模型中，以提高预测的准确性。此外，研究还表明，大平原的物候变化可能表现出区域间的差异，这与当地的气候条件、土壤类型和植被组成密切相关。因此，在制定应对气候变化的策略时，应考虑区域间的差异，采取差异化的管理措施。

总体而言，本研究揭示了大平原地区植被物候变化的复杂性，以及温度和降水在不同物候阶段中的不同作用。这些发现不仅有助于深化我们对气候变化与植被相互作用的理解，也为未来气候适应性管理提供了重要的科学支持。随着全球变暖的持续推进，水资源短缺和干旱频率的增加可能会对植被物候产生更大的影响，特别是在南部大平原地区。因此，加强水资源管理和植被保护措施，将有助于缓解这些影响，确保生态系统的稳定性和可持续性。同时，研究还强调了对气候模型的进一步优化，以更准确地预测未来的物候变化趋势，从而为相关领域的研究和应用提供更可靠的数据支持。