地下水和遥感物候学揭示了河岸树木对干旱的脆弱性

《Global Change Biology》：Groundwater and Remotely Sensed Phenology Reveal Vulnerability of Riparian Trees to Drought

本研究分析加利福尼亚Chalone Creek流域两种水文格局下河岸植被对地下水和干旱的响应。结合高频率地下水监测和PlanetScope卫星数据，发现间歇性河岸的物种因依赖深层地下水，在干旱期间更易缩短生长季节，最大达37天。机器学习模型显示地下水深度是间歇性河岸植被绿度的主导因素，而光周期在常年有水区域更为关键。研究强调了间歇性河岸生态系统对干旱的高度敏感性，揭示了地下水可用性与物种物候适应性的相互作用。

　　在气候变化的背景下，极端气候事件的频率和强度不断上升，正在全球范围内改变干旱地区生态系统的水资源可用性。干旱和洪涝交替出现的“水文波动”现象对这些生态系统的影响尤为显著。然而，尽管这些生态系统在维持景观级初级生产力和蒸散发方面发挥着重要作用，其对水文波动的脆弱性仍缺乏系统研究。本研究通过结合现场高频率地下水监测和高分辨率卫星图像分析，探索了干旱条件下河岸生态系统中柳树、棉木和山谷橡树等关键树种的水分利用模式和物候响应。研究结果表明，水文条件的差异显著影响了树木对地下水的依赖程度，而物种特性则决定了其对水文波动的响应时间和强度。

### 研究背景与重要性

干旱地区的河岸生态系统，尽管只占陆地面积的一小部分，却在维持生态系统的稳定性和多样性方面扮演着关键角色。这些区域通常作为热和湿度的避难所，支持着与水生或陆生环境不同的生物群落，其中包括许多稀有和特有物种。然而，随着水文波动的加剧，这些生态系统正面临越来越大的威胁，包括自然水文模式的改变和地下水位的下降。由于水文波动的不确定性，研究这些生态系统如何适应变化的水资源条件变得尤为重要。

此外，干旱地区河岸植被的物候变化，如叶绿期的开始和结束时间、开花和结果的周期等，对生态系统的稳定性有着深远影响。物候变化可以减轻干旱带来的压力，例如通过提前落叶来维持相对稳定的叶片水势，从而避免短期的水力损伤。然而，长期干旱可能导致碳饥饿，降低植物的生长能力和适应能力。因此，理解这些生态系统如何在极端气候条件下调整物候，是评估其对气候变化适应能力的关键。

### 地下水的作用与研究方法

地下水是干旱地区河岸生态系统中的重要资源，尤其在间歇性河流中，它在干旱季节为少数常年流动的河段提供唯一的水源。在这些系统中，地下水的可用性决定了植物能否维持其生长和生存。本研究采用了多种方法来解析地下水对植被的影响，包括时间序列分析、机器学习模型以及统计方法。

首先，研究团队在加州的Chalone Creek流域部署了四个地下水监测井，时间跨度为2019年至2024年，每隔15分钟记录一次地下水位数据。通过对这些数据进行处理，排除了气压变化的影响，并将其转换为深度测量值。此外，研究还结合了高分辨率的PlanetScope卫星影像，以分析植被的绿色度和物候变化。这些影像数据经过处理后，用于计算归一化植被指数（NDVI），这是一种衡量植被“绿色度”的指标，其值在-1到1之间，接近1的值表示植被生长茂盛，接近-1的值则可能意味着地表水的存在。

为了识别植被的物候变化，研究团队使用了随机森林分类模型，这是一种基于决策树的机器学习算法。通过该模型，研究者能够将植被像素按物种分类，并排除常绿树、灌木和裸露地面。同时，研究还结合了现场的GPS坐标数据和高分辨率Google Earth影像，以提高分类的准确性。

### 地下水利用模式的差异

研究发现，地下水的利用模式在不同水文条件下存在显著差异。在常年流动的SC-5站点，地下水的可用性较为稳定，植被的蒸散发（ET_gw）呈现出明显的季节性变化。这一季节性模式主要由落叶树的物候特征驱动，例如在生长季期间，ET_gw达到平均0.46 mm/day，而在非生长季则下降至0.12 mm/day，这表明常年水文条件下，植被对地下水的利用与季节变化密切相关。

相比之下，在间歇性河流CHAs-4和SC-4站点，地下水的利用则更加持续，且ET_gw的波动较小。这些区域的地下水位全年波动较大，但植被的蒸散发水平相对稳定，平均约为0.11 mm/day。这种现象可能与植物的根系深度有关，因为间歇性河流中的植物往往具有更深的根系，使其能够全年获取地下水。然而，研究也发现，浅根系的植物在干旱期间可能与地下水断开联系，这可能是由于其对水分的依赖性较高。

### 物候变化与干旱的影响

干旱条件对植被物候产生了显著影响，尤其是在间歇性河流系统中。研究显示，在2020年至2022年的严重干旱期间，所有树种的NDVI值均有所下降，但不同物种和水文条件下的响应模式存在差异。例如，柳树和棉木在干旱期间表现出更大的绿色度下降，而山谷橡树的响应相对较小。这种差异可能与不同物种对水分的依赖程度有关，例如柳树和棉木更倾向于利用浅层地下水，而山谷橡树则能够适应更深层的地下水条件。

此外，干旱还导致了物候周期的显著变化。所有物种的生长季开始时间（SOS）均有所延迟，而生长季结束时间（EOS）则提前。这种物候变化在间歇性河流系统中尤为明显，例如在SC-4站点，生长季缩短了高达37天。相比之下，常年流动的SC-5站点的生长季变化较小。这种差异可能反映了间歇性河流系统中植物对地下水波动的敏感性更高，而常年流动的系统则能够更好地缓冲干旱的影响。

### 水文波动对植被的综合影响

研究进一步探讨了水文波动对植被绿色度和物候变化的综合影响。通过比较不同水文条件下的NDVI值和生长季长度，研究团队发现，干旱对植被绿色度的影响在间歇性河流系统中更为显著。例如，在SC-4站点，干旱期间NDVI值下降了约4.5%，而在SC-5站点，这一下降幅度相对较小。这种差异可能与地下水位的稳定性有关，常年流动的系统中地下水位较为稳定，而间歇性系统则更容易受到干旱的冲击。

同时，研究还发现，干旱对生长季长度的影响在不同水文条件下存在显著差异。在间歇性河流系统中，生长季缩短了37天，而在常年流动的系统中，这一缩短幅度仅为7天。这种差异可能反映了间歇性系统中植物对水分的依赖性更强，因此在干旱条件下更容易受到影响。相比之下，常年流动的系统由于地下水的稳定性，能够更好地维持生长季的长度。

### 物候变化的生态意义

物候变化对生态系统的影响远不止于植被的生长周期。例如，生长季的缩短可能导致植被对碳的吸收能力下降，从而影响整个生态系统的碳平衡。此外，物候变化还可能改变物种间的竞争关系，影响生态系统的结构和功能。在干旱条件下，植物可能通过提前落叶来减少水分消耗，从而避免短期的水力损伤。然而，这种策略可能带来长期的碳饥饿风险，降低植物的生长能力和适应能力。

在研究中，科学家们发现，干旱对物候的影响在间歇性河流系统中尤为显著。例如，SC-4站点的EOS在干旱期间提前了34天，而SC-5站点的EOS仅提前了2.3天。这种差异可能反映了间歇性系统中植物对地下水波动的敏感性更高，而常年系统则能够更好地适应干旱条件。此外，研究还发现，不同物种对物候变化的响应存在差异，例如柳树和棉木在干旱期间表现出更大的绿色度下降，而山谷橡树的响应相对较小。

### 未来研究方向与生态保护建议

本研究的结果不仅揭示了干旱对干旱地区河岸植被的影响，还为未来的生态保护和管理提供了重要启示。首先，研究强调了地下水波动对植被物候和绿色度的显著影响，特别是在间歇性河流系统中。因此，未来的研究需要更加关注地下水的动态变化及其对植被的潜在影响。

其次，研究发现，间歇性河流系统中的植被可能更接近其临界地下水阈值，这使得它们在面对日益严重的干旱时更加脆弱。因此，保护和恢复这些系统的地下水资源，可能是维持其生态功能的关键。此外，研究还指出，气候变化可能导致更多间歇性河流，这将对依赖稳定地下水的植物带来更大的挑战。因此，需要采取措施，确保这些系统的水资源供应，以减少干旱带来的生态风险。

最后，研究团队建议，未来的研究应结合多种方法，包括现场监测、遥感技术和机器学习模型，以更全面地理解干旱对植被的影响。同时，生态保护政策应考虑水文波动对植被物候和绿色度的综合影响，特别是在干旱地区，确保水资源的可持续利用，以维持生态系统的稳定性和多样性。