利用Sentinel-2的NDVI时间序列数据，评估温带森林对晚春霜冻和高温干旱事件的冠层光谱响应

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Canopy spectral responses of temperate forests to late spring frost and hot drought events assessed with Sentinel-2 NDVI time series

霜冻与热干旱对阿尔卑斯温带森林光谱响应及物候的影响研究。利用Sentinel-2数据，分析16种树种在不同海拔对2019年霜冻和2022年热干旱的响应。结果显示：霜冻主要损害中海拔（1000-1500米）早展叶树种（如欧洲山毛榉），导致NDVI下降及展叶期延迟；高海拔树种受霜冻影响较小。热干旱则显著抑制低海拔树种（如Holm oak），而中高海拔树种NDVI上升。研究揭示海拔梯度与物种特性对极端气候响应的关键作用，为森林适应气候变化提供依据。

　　极端气候事件（ECEs）正随着全球气候变暖而变得更加频繁，这对森林生态系统产生了深远的影响。这些事件包括严重的干旱、热浪以及它们的组合——“热干旱”，还有晚春霜冻等。这些极端天气条件不仅影响森林的生长、死亡和再生过程，还可能导致森林分布的变化，特别是针叶林和寒带生态系统表现出更高的脆弱性。因此，理解温带森林冠层对这些极端事件的响应，对于评估生态系统的韧性以及碳循环动态至关重要。

晚春霜冻对森林构成重大威胁，其影响因树种的物候阶段而异。霜冻会损害芽、花和嫩叶，干扰芽破和开花，降低生长和繁殖成功率，甚至在严重情况下导致树木死亡。全球变暖改变了叶片展开、春季温度以及霜冻事件的发生频率，不同树种和地理区域对霜冻风险的敏感性也有所不同。在瑞士阿尔卑斯山，海拔高于800米的树木尤为脆弱。虽然低海拔温带树木可能会面临更大的干旱压力，但高海拔树木可能因物候变化而增加霜冻风险。预计欧洲温带森林的三分之一地区将面临霜冻损害的增加，这在中纬度地区的温带和寒带植被中也产生了显著影响。研究指出，晚春霜冻事件会降低光合作用生产力约13.6%，并使随后的春季物候延迟约七天，强调了将这些事件纳入地球系统模型的重要性。此外，变暖的冬季可能会通过减少冷害延迟芽破，这可能导致植物叶片出芽更慢，从而降低春季冻害的耐受性。研究表明，晚春霜冻会延迟随后的开花，而晚出叶的树种表现出更高的敏感性，这表明气候变化影响的是物候序列，而不是单个物候阶段。此外，霜冻事件在早期幼苗阶段对森林再生构成重大挑战，高死亡率和生长障碍可能削弱其竞争力，尽管随着时间推移，某些树种可能在一定程度上适应霜冻。

预测表明，热干旱将变得更加频繁和强烈，并可能扩展到更广泛的地理区域。过去30年中，严重干旱是全球总初级生产力变化的主要驱动因素，直接减少了碳吸收。在欧洲，2022年夏季热浪导致净生物圈碳吸收减少了56–62亿吨碳（TgC），而在南欧地区，2023年也发生了类似的极端事件。热干旱通过气孔关闭、气泡形成和叶片脱落限制光合作用，同时降低森林生产力，增加树木死亡率，并加剧火灾风险。

干旱还会改变植被的物候。尽管研究表明全球变暖通常会延迟秋季叶片衰老的时间（对生长季节长度有积极影响），但干旱可能导致叶片衰老提前，尤其是在水资源有限的地区。同样，干旱会改变生长季节的开始时间，增加辐射导致湿润地区生长季节提前，而由于水分不足，干旱地区则会延迟生长季节的开始。这些物候变化影响碳循环，缩短或延长生长季节，从而影响生态系统的稳定性。在寒带森林中，这些变化还威胁植物与传粉者的相互作用，影响生物多样性和生态系统韧性。在如西伯利亚这样的温带森林中，早期生长季节可能暂时缓解干旱压力，但长期干旱可能会超过物种的生理耐受极限，最终降低森林生产力。

卫星遥感技术为监测极端气候事件提供了强大的工具，能够揭示森林对极端事件的反应及其灾后恢复情况。特别是Sentinel-2（S2）卫星，其5天的高时间分辨率和10米的高空间分辨率正在革新我们检测植被变化和评估气候引起的森林衰退的能力。S2数据被用于有效捕捉意大利南部2017年极端干旱后森林健康变化的细尺度差异。同样，利用多时相S2影像，研究人员检测到了减少的光合活性和不同树种对干旱的反应策略。然而，遥感技术在区分树种特异性反应方面仍面临挑战。

因此，本研究旨在回答以下问题：（1）温带森林中，不同树种和海拔高度对晚春霜冻的冠层光谱响应有何差异？（2）温带森林中，不同树种和海拔高度对热干旱的冠层光谱响应有何差异？为了解决这些问题，我们利用Sentinel-2遥感数据分析了晚春霜冻和热干旱对森林冠层的影响。本研究聚焦于意大利阿尔卑斯山脉的十六种树种（包括落叶树和常绿树），涵盖了从地中海亚区、温带到阿尔卑斯生态系统在内的广泛海拔范围。

研究区域涵盖意大利特伦托省，位于东南部阿尔卑斯山脉，总面积为6207平方公里，其中55%被森林覆盖。该地区地形复杂，海拔从65米到3764米不等。针叶林如银冷杉、挪威云杉、欧洲落叶松、奥地利松和 Scots Pine 占据了67%的森林土地。其余33%由阔叶林组成，包括欧洲山毛榉、鹅掌楸、多种橡树和枫树。研究区域内的树种共同反映了特伦托省复杂的生物气候条件，这些条件跨越了广泛的海拔和微气候。大多数树种，包括银冷杉、欧洲落叶松、挪威云杉和欧洲山毛榉，是温带和高山生态系统的典型代表。然而，具有明显暖温带或地中海亲和力的树种的存在尤为引人注目。例如，鹅掌楸、白蜡树和最重要的是holm oak（Quercus ilex）反映了温暖的、朝南的山谷中地中海气候的显著影响。holm oak在几乎整个阿尔卑斯地区都几乎仅出现在环绕意大利加尔达湖的区域，该湖创造了温和的冬季微气候，使这种树种得以生存。研究区域丰富的来自不同生态区的树种组合，以及引进的树种如Robinia pseudacacia，突显了该地区植物地理的复杂性，并为理解本地森林动态提供了关键背景。

本研究分析了2019年5月和2022年夏季的极端气候事件对森林冠层的影响。2019年5月是该研究区域有记录以来最冷的5月之一，月平均温度比前30年的平均值低3.2°C。5月4日至5日，冷锋导致晚春霜冻和降雪，降雪甚至下到了500米海拔以下，损害了农业作物和森林树芽和叶片。在108个Meteotrentino气象站中，有41个记录了日平均温度低于0°C的情况。相比之下，2019年6月异常温暖，日平均温度比前30年的月平均值高出2.2°C。

2022年夏季以极端高温和干旱为特征。在特伦托省，7月的温度比平均值高出1.6°C，随后从冬季中期到夏季经历了异常干燥的时期。7月13日至26日的热浪带来了约38°C的峰值温度，41个Meteotrentino气象站的每日平均温度超过25°C。从1月到7月2022年的累积降水量显著低于1990–2020年的平均水平（410毫米 vs. 529毫米，平均值为96个Meteotrentino气象站）。由于这种高温和干旱的组合，我们将2022年的事件称为“热干旱”。

研究采用森林管理服务的森林库存地图，选择了以单一优势树种占森林组成70%以上的林地。只包括在研究区域内覆盖至少100公顷的树种，从而将树种数量从45种减少到16种。为了减少相邻地块不同树种边缘效应的影响，我们对每个地块应用了20米的负缓冲区。在修剪后的地块中，从均匀的40米网格中选择了采样点，总共获得了16种树种的212,327个采样点。这些点的海拔范围从112米到2369米。

为了分析植被状态，我们选择了归一化植被指数（NDVI），因为它是评估植被健康和绿色度的广泛使用的指标。使用Sentinel-2的波段4（红光）和波段8（近红外），我们计算了每个可用影像的NDVI值。然后，从2018年到2024年，我们为每个采样点提取了NDVI值，生成了NDVI时间序列。在土地表面物候分析中，应用了平滑技术以减少时间序列中的残余噪声。我们选择了广义可加模型（GAM），这是一种近年来在土地表面物候建模中得到认可的方法。GAM能够直接从数据中拟合物候轨迹，无需填补缺失值。我们使用薄板回归样条作为平滑函数，如Kowalski等人（2020）所描述。对于每个样本和年份，我们独立应用了GAM函数，考虑了从前一年11月到次年2月的NDVI值。

为了分析极端气候事件对冠层光谱响应的影响，我们采用了非参数Mann-Whitney-Wilcoxon检验，评估NDVI值、温度和累积降水量与2018–2024期间的平均值相比的正负变化。通过将每年的值与2018–2024年时间序列进行比较，我们在7天的间隔内检测了显著性。例如，我们比较了2022年3月1日至7日的NDVI值与2018–2024年同期的平均值，以确定2022年的值是否在95%置信水平下显著高于或低于参考时期。

为了分析Mann-Whitney-Wilcoxon检验结果与研究区域地形特征之间的关系，我们使用了广义可加模型（GAM）并将其作为二项式家族。检验结果被视为二元响应变量（1表示统计显著结果，0表示不显著）。我们利用该模型预测了统计显著结果的概率作为地形变量（海拔、坡度和坡向）的函数。坡向作为一个循环变量，被分解为正弦和余弦分量，以考虑其循环特性。每个预测变量拟合了惩罚样条，以允许非线性关系。所有统计分析均使用R语言中的mgcv包进行。

研究结果表明，不同树种和海拔高度对晚春霜冻的冠层光谱响应存在显著差异。2019年4月下旬至5月初，采样点的温度显著低于2018–2024年的平均值。这一寒冷事件对不同海拔和物候阶段的树木产生了不同的影响，特别是在750–1250米海拔范围内，晚春霜冻对已经展开叶片的树木造成了显著损害。总体而言，霜冻事件延迟了Pinus cembra和Alnus alnobetula的绿色期，而Picea abies仅在1750米以上显著受影响。Larix decidua在1500米以上表现出延迟的绿色期。在1250–1500米的中等海拔范围内，霜冻和2019年6月的热干旱共同作用，导致NDVI值在整个生长季持续低于平均水平。Pinus mugo受影响的海拔低于1250米，而Alnus incana则主要在1250–1750米范围内表现出低于平均水平的NDVI值，且由于霜冻和热干旱的复合压力，这种影响持续了更长时间。Abies alba受影响的范围在750–1000米之间，而Fagus sylvatica在1250米以上表现出较低的NDVI值，但到6月底已有所恢复。在1000–1250米的中等海拔范围内，绿色期的峰值减弱，NDVI值在整个年度内保持在低于平均水平的状态。此外，Corylus avellana在1250米以上表现出低于平均水平的NDVI值，而Fraxinus ornus和Robinia pseudacacia则在750米以上受到影响，表现出持续的低NDVI值，这可能加剧了热干旱的压力。Ostrya carpinifolia在1000米以上表现出NDVI下降，而Castanea sativa仅在750米以下表现出轻微的NDVI下降。Pinus nigra在较低海拔和7月之后的较高海拔地区均受到影响，而Quercus ilex在整个生长季均表现出显著的负向影响。

本研究的结果还表明，所有树种在2022年10月表现出显著的NDVI下降，这可能与当年末的异常寒冷天气有关。然而，这一快速衰老是否是由于夏季热浪、随后的九月寒冷期，还是两者共同作用，仍不清楚。

从研究区域的地形和物候角度来看，Fagus sylvatica在2019年的晚春霜冻事件中表现出较高的脆弱性。该物种在研究区域广泛分布，其物候阶段的变化使得在温暖的前霜冻时期，早期叶片展开导致霜冻事件对树木造成严重损害。这与之前的研究结果一致，例如Rubio-Cuadrado等人（2021）指出，霜冻的影响取决于之前的气候条件，因为温暖的霜冻前天气可能使树木更容易受到霜冻损害。他们的研究还显示，在霜冻年份和随后的年份中，叶片衰老延迟。此外，Allevato等人（2019）在意大利亚平宁山脉的研究中也发现了类似的结果，他们指出2016年的晚春霜冻事件对不同地点的树木造成了不同程度的损害，其中中等海拔地区的树木受影响最大。Bascietto等人（2018）使用MODIS衍生的增强植被指数（EVI）和净生态系统交换（NEE）估计，分析了同一事件。他们的结果表明，低海拔山毛榉林因早期变绿而遭受了显著的霜冻损害，导致生产力明显下降，而高海拔山毛榉林则因叶片展开较晚而避免了霜冻影响。霜冻损害的持续时间约为两个月，直到6月底，这由NEE测量结果确认。Greco等人（2018）在意大利南部的研究中也分析了2016年的霜冻事件，他们报告了1400–1600米海拔范围内广泛的树冠死亡，但山毛榉林表现出高效的恢复能力，这可能得益于根系和潜伏芽中储存的光合产物。

相比之下，Quercus ilex在2022年的热干旱中表现出最显著的负面影响。研究区域内的Quercus ilex树木位于陡峭、低海拔、朝南的坡地上，土壤非常浅薄。在受影响的区域，Quercus ilex树木的平均日温度在7月期间多次超过25°C，而2022年的累积降水量远低于平均水平。之前的研究所指出，热浪可能影响这种树木的多种生理过程。Sancho-Knapik等人（2018）发现，强烈的干旱和热应激可能通过改变叶绿素荧光参数来降低Quercus ilex的光合能力。Ogaya和Pe?uelas（2007）使用超声波声发射数据发现，热和干旱引起的木质部张力可能导致气泡形成和叶片水势下降，这可能限制Quercus ilex在更干旱气候中的生长和生存。从物候学角度来看，Misson等人（2011）分析了Quercus ilex树木在秋季和春季干旱下的实验响应，发现秋季降雨排除对叶片、花和果实的发育没有显著影响，而春季降雨排除则导致关键阶段的叶片水势显著下降。

尽管Quercus ilex已经进化出有效的干旱避险和耐受策略，如气孔调节、深根系和碳储备的储存，但这些适应性可能不足以应对地中海气候变暖情景下日益极端的干旱。干旱后的恢复是可能的，尤其是在早期重新湿润和非结构碳水化合物储备被动员的情况下，但持续的水力功能障碍和碳赤字可能导致树木活力、生长和生存的长期下降。这些发现强调了在预测气候变化下意大利holm oak森林未来韧性时，需要考虑遗产效应和干旱频率。

与Quercus ilex形成对比的是，Fagus sylvatica在2022年的热干旱中表现出相反的行为。我们原本预期山毛榉可能更受热干旱影响，但实际观察到的是，某些海拔以上的山毛榉林在高温期间表现出更高的NDVI峰值，即使随后出现较早的衰老现象。这可能与不同海拔区域的温度和降水量变化有关，因为在1500米以上的地区，温度虽然升高，但并未超过关键阈值，而降水量甚至接近或高于历史平均水平。

本研究揭示了极端气候事件对森林冠层和物候的显著影响，不同树种和海拔高度的响应模式各异。这一发现对于预测未来森林动态具有重要意义，特别是在气候变化背景下，需要考虑海拔梯度和物种特异性特征。这些结果还对未来的森林管理提出了挑战，例如在火灾或风倒后选择哪些树种进行重新造林。随着极端气候事件的增加，对森林生态系统适应性和恢复能力的研究将变得越来越重要，这不仅有助于理解当前的变化，也为未来的可持续管理和保护策略提供了科学依据。