延时摄影机填补了遥感观测与实地观察苔原物候现象之间的空白

《Methods in Ecology and Evolution》：Time-lapse cameras bridge the gap between remote sensing and in situ observations of tundra phenology

北极植被物候监测中时间相机与实地观测和卫星数据的对比研究。通过在加拿大育空地区Qikiqtaruk岛建立时间相机网络，发现其能精准捕捉雪融期、开花期等关键物候阶段，与实地观测误差小于14天，卫星NDVI数据延迟可达54天。时间相机在空间覆盖、成本效益和持续监测方面具有显著优势，但需结合实地调查以提高细节准确性。

　　随着全球气候变暖的加剧，北极地区的生态系统正经历显著的变化。这些变化不仅体现在物种的地理迁移上，还影响着植物的生长和繁殖周期。特别是在北极苔原景观中，气候变暖对植物物候学的影响仍存在许多未解之谜。由于北极环境的特殊性，传统的现场观测方法在数据收集上存在局限，而遥感技术虽然能够提供广泛的区域覆盖，但在细节捕捉和准确性方面也面临挑战。因此，研究者们正在探索一种新的方法，以更全面地理解北极植被的物候变化。

时间延时摄影（phenocams）作为一种新兴的监测手段，为解决这一问题提供了新的可能性。它能够在不依赖人工持续观察的情况下，记录植物在不同生长阶段的变化，从而弥补传统方法在时间和空间上的不足。本研究选取了加拿大育空地区赫尔谢尔岛（Qikiqtaruk—Herschel Island）作为研究地点，对时间延时摄影在北极苔原生态系统中监测植物繁殖物候的精确性、准确性和实用性进行了评估。研究团队通过比较现场观测、时间延时摄影和卫星遥感数据，探讨了这些技术在北极地区物候学研究中的表现。

赫尔谢尔岛以其冰丰富的永久冻土和独特的植被类型而闻名，主要为“湿润酸性灌木苔原”。该地区分为两种主要的植被类型：“赫尔谢尔”植被区和“科马克”植被区。前者以莎草（Eriophorum vaginatum）和白柳（Salix pulchra）为主，后者则包括草本植物、苔藓、草地以及多种白柳和干金花（Dryas integrifolia）等物种。由于该地区植被分布的异质性，研究团队在不同的微地形和土壤微环境中布置了现场观测点，并安装了多个时间延时摄影设备，以捕捉更广泛的数据。

研究采用了时间延时摄影设备，这些设备被安装在2×2平方公里的区域内，覆盖了不同的环境和植被梯度。设备的安装高度为1米，面向北方并略微向下倾斜，以避免低角度的阳光和减少反光，从而更准确地捕捉到雪融和植被绿色变化的过程。每台设备每小时拍摄一张照片，以确保数据的高频率记录。研究团队还利用了国际苔原协议（ITEX）的框架，对三种主要植物物种（Dryas integrifolia、Eriophorum vaginatum和Salix arctica）在2016至2019年间进行了详细记录。

现场观测数据主要由公园护林员和科研人员在夏季进行，他们大约每三天记录一次植物的生长阶段。这些数据提供了极高的细节，但由于北极季节短和天气不稳定，观测工作往往无法覆盖整个生长季的早期和晚期。时间延时摄影则能够弥补这一不足，因为它可以全年无间断地记录植物的变化，从而提供更全面的物候信息。此外，时间延时摄影还能够记录到一些微小的变化，例如雪融和植物叶片变黄的时间，这些在传统方法中往往难以捕捉。

研究团队将时间延时摄影数据与现场观测和卫星遥感数据进行了对比分析。结果显示，时间延时摄影在捕捉植物繁殖物候方面具有较高的准确性和分辨率，与现场观测的精度相近，同时在空间和时间上提供了更细致的记录。然而，某些物候事件在时间延时摄影和现场观测之间仍存在差异，这可能与设备的视野范围和植被的分布有关。例如，某些物种的生长阶段在时间延时摄影中被记录得更早或更晚，这取决于其在镜头中的可见性。对于一些显眼的物候变化，如Dryas integrifolia的花丝扭转和开花，时间延时摄影和现场观测在时间上几乎一致，表明这种方法在这些阶段的捕捉上具有较高的可靠性。

卫星遥感数据，如Sentinel-2和MODIS，虽然提供了广阔的区域覆盖，但在捕捉植物的繁殖细节方面存在一定的局限性。MODIS数据在分辨率和时间频率上不如Sentinel-2，因此在某些情况下，卫星数据可能无法准确反映植物的生长阶段。此外，卫星数据在北极地区的应用受到云层覆盖和太阳角度的影响，导致数据采集频率降低。相比之下，时间延时摄影能够提供更稳定和连续的观测数据，尤其是在雪融和植被衰老的早期和晚期阶段。

研究还指出，时间延时摄影在捕捉植物衰老阶段方面具有独特的优势。现场观测通常只能记录衰老的开始，而时间延时摄影则能够持续记录整个衰老过程，直到植被被雪覆盖。这种方法提供了更详细的衰老信息，有助于更准确地评估植物的生命周期。此外，时间延时摄影的低成本和易于部署的特性，使其成为监测北极植被变化的重要工具，尤其适合在远离人类活动的区域使用。

然而，时间延时摄影并非没有局限。设备的安装和维护需要一定的技术和人力支持，尤其是在恶劣的天气条件下，相机可能会受到损坏或数据丢失。此外，某些植物物种的物候变化可能在延时摄影的视野范围内难以识别，尤其是那些颜色相近或生长位置隐蔽的物种。因此，研究建议在使用时间延时摄影的同时，结合现场调查，以确保对所有物种的全面记录。

总体而言，时间延时摄影为北极植被物候研究提供了一种高效、经济且可靠的解决方案。它不仅能够填补现场观测和卫星遥感之间的空白，还能够提供更详细的物候信息，帮助科学家更好地理解气候变化对北极生态系统的影响。尽管存在一些挑战，如设备维护和数据准确性，但通过合理的部署和结合其他观测方法，时间延时摄影仍然是一种极具潜力的工具。