基于动态阈值方法和多尺度MODIS数据量化秦岭山脉地表物候的尺度效应与气候响应

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Quantifying Scale Effects and Climate Responses of Land Surface Phenology Using a Dynamic Threshold Method and Multi-Scale MODIS Data in the Qinling Mountains

　　

摘要

秦岭山脉是中国南北之间重要的地理与生态边界，对气候变化高度敏感。物候监测对于理解生态系统动态至关重要。然而，卫星反演产品的不同算法会引入不确定性，在山区尤为明显。本研究评估了物候指标的敏感性，分析了2000年至2022年间区域物候对气候变化的响应。利用MODIS NDVI数据提取了生长季开始（SOS）、生长季结束（EOS）和生长季长度（LOS），分析了其时空趋势及其与气候变量的关系，并比较了250米、500米和1公里三种空间分辨率的数据集。超过一半的区域未表现出显著的SOS/EOS变化趋势。在趋势显著的区域，SOS/EOS提前（每十年0.98至1.1天），LOS延长（每十年0.92天，P<0.05）。温度和光合有效辐射比例（FPAR）是与物候变化关联最强的变量。研究结果还揭示了物候指标随数据源而存在的差异。对于春季物候，250米和500米数据集之间差异极小（约77%的区域差异在±8天以内）。这些发现表明数据源和气候是物候变异的关键来源，为过渡型生态系统的数据选择提供了定量依据。

引言

秦岭山脉是中国南北之间最重要的地理与生态分界线，划分了暖温带和北亚热带气候（Zhao等，2014），具有明显的垂直植被带和显著的气候变化特征（Deng等，2021）。此外，该区域是全球关键生物多样性热点之一（Fan等，2014）。其独特的环境梯度在水土保持、土壤保护和可持续发展等生态服务方面发挥着至关重要的作用，对中国乃至全球的环境安全贡献显著（Li等，2026；Zhuang等，2022）。作为气候梯度和生物地理区交汇的过渡地理单元，秦岭山脉对环境变化表现出高度的生态敏感性（Yin等，2022）。植被作为关键驱动力，显著影响陆地生态系统功能（Migliavacca等，2021），近年来对气候变化的敏感性也日益显著（Reichstein等，2013；Ren等，2012）。

植被物候指由生理特征和环境因素引起的植被周期性事件，是表征生态系统动态及其对环境变化响应的关键生物指标（Lieth 2013；Piao等，2019；Shen等，2023；Shen等，2024；Zeng等，2020）。它反映了生物圈对气候、土壤和人类因素的季内和年际响应，而气候变化也反过来影响植被物候（Shen等，2015b）。因此，监测物候动态对于把握植被与气候之间的响应关系以及影响气候自身的反馈机制至关重要（Zhang等，2018）。目前，气温（TMP）和降水（PRE）是影响植被物候的主要因素，已得到广泛研究和认可（Wang等，2020；Wang等，2024）。具体而言，季内温度和降水的增加或减少往往导致物候事件提前或推迟。然而，影响植被物候的气候因素不仅限于TMP和PRE，还包括辐射和光周期等，这些直接关系植被光合作用（Adole等，2019；Meng和Runkle 2017）。值得注意的是，一些研究表明FPAR的增加可以促进叶片舒展并延迟叶片衰老（Gui等，2021）。此外，辐射被认为是影响植被净初级生产力的重要气候因子（Ge等，2021；Yang等，2017），但该常被忽视的因素是否影响植被物候仍不明确（Wang等，2024）。

随着遥感技术的进步，其在陆地物候（LSP）监测中的应用日益广泛（Xu等，2023）。遥感的非接触式、大范围和长期观测能力为物候监测提供了显著优势（Gong等，2024；Liu等，2020）。植物物候与卫星反演的LSP相关但概念上有所不同。植物物候通常指观察到的单株、物种或种群的可重复生物事件，如展叶、开花和落叶（Shen等，2015b）。而卫星传感器并不直接观测这些生物层面的事件，它们记录的是陆地表面反射辐射的时间变化（如植被指数和生物物理变量），从中推导出物候转变的时间（Caparros-Santiago等，2021）。由此得到的转变日期表征了LSP，即利用卫星监测植被覆盖表面的季节性动态，通常基于植被指数估算（De Beurs和Henebry 2004；Ma等，2022b）。归一化植被指数（NDVI）已被广泛用于植被监测，是最常用于提取物候指标的指数（Jiang等，2017；Johansen和T?mmervik 2014；Rouse等，1974），因其能够捕捉光合活动、叶面积和冠层结构的季内和年际变化（Yang和Fan 2023）。基于卫星的LSP反演通常包括两个步骤。首先，使用Savitzky-Golay滤波、非对称高斯函数、双逻辑斯谛函数或多项式函数等方法对含噪的植被指数时间序列进行重构或平滑（Beck等，2006；Jonsson和Eklundh 2002；Piao等，2006；Savitzky和Golay 1964）。其次，使用振幅阈值、断点法、滑动窗口或模型拟合方法确定季节性转变日期（Reed等，1994；Sakamoto等，2010；White等，1997；Zhang等，2003）。

这些方法的总体效果主要取决于遥感数据的长度和分辨率（Yang等，2020）。此外，像MODIS这样的常用数据集提供多种空间分辨率的植被指数。然而，以往大多数研究仅使用单一空间分辨率提取物候，这主要受计算便利性或数据可得性的驱动（Cen等，2026；Yang和Fan 2023）。这种做法限制了对空间分辨率如何影响物候观测的全面理解，尤其是在秦岭山脉高度异质的山地景观中。在基于卫星的LSP监测中，空间尺度效应被认为是造成物候指标提取差异的最关键因素之一，可能影响监测结果的可靠性（Ma等，2022a；Peng等，2018）。因此，从不同空间分辨率的遥感数据中提取LSP可能会产生不同的定量估计，这种差异在异质景观中尤为明显（Feng等，2017；Zhang等，2017）。然而，关于山区LSP尺度效应的研究仍然有限，从而制约了建立稳健的跨尺度物候理解联系的能力（Park等，2021）。

综上所述，本研究聚焦于秦岭山脉，反演2000至2022年的植被物候指标（SOS、EOS和LOS）。具体目标为：（1）刻画山区LSP的时空格局与趋势；（2）阐明其对气候驱动力和FPAR的响应；（3）定量评估基于不同空间分辨率MODIS数据产品在高度异质过渡生态系统遥感物候监测中的尺度效应。本研究的主要科学贡献在于量化了空间分辨率对秦岭山脉LSP反演的影响，并阐明了不同空间分辨率下春季和秋季物候转变对生长季长度变化的相对贡献。这些发现推进了我们对山区遥感尺度效应对物候观测影响的理解，并为将此类分析扩展至全球过渡区域的碳预算评估、农业林业管理及相关应用提供了坚实的科学基础。

研究区域

秦岭山脉是中国中部的庞大山脉，横跨约北纬30°50′至35°28′、东经102°32′至113°04′（图1a），面积约27.9万平方公里。地质构造复杂，海拔从约50米到5500米不等（图1b）。东西部之间存在显著的海拔差异，地质构造复杂，以山地为主要地形特征。其年平均气温为……

秦岭山脉LSP的年际与平均特征

2000至2022年间，秦岭山脉的LSP表现出相对有限的年际变化（图2），波动未超过35天。SOS范围为第76天至第101天，EOS在第274天至第309天之间变化。LOS在199至224天之间波动。值得注意的是，EOS和LOS在2018年均表现出显著异常，表现为EOS提前和LOS缩短。

平均SOS主要出现在第72天至第105天（3月中旬至4月中旬）……

讨论

作为中国南北过渡带最重要的地理单元和生态边界（Wang等，2023），秦岭生态系统具有高度复杂性、多样性和敏感性（Yu等，2021）。本研究系统调查了过去二十年（2000-2022）该区域LSP的时空动态及其对气候和FPAR因素的响应。我们的主要发现有三点。首先，秦岭山脉大部分区域的LSP……

结论

2000至2022年对秦岭山脉LSP的综合研究表明，该区域物候格局总体保持稳定，超过一半的区域未表现出显著的年际趋势。相关分析和偏相关分析将气温和FPAR确定为与春季物候动态关联最强的因子，而对降水的响应则具有空间异质性且普遍较弱。重要的是，我们的研究……

数据可用性声明

支持本研究结果的公开数据集可通过以下来源获取：（1）NDVI和FPAR气候变量可从MODIS产品中通过Google Earth Engine（GEE）云平台获取（https://earthengine.google.com）；（2）地面植被物候观测数据和气候指标（TMP/PRE）可从国家地球系统科学数据中心获取（http://www.geodata.cn）；（3）土地覆盖分类可从……获取。

研究性质与数据

本研究基于遥感分析和环境数据建模。不涉及与人类受试者的直接接触、动物实验或受保护区域的标本采集。此类研究无需机构审查委员会的伦理审批。

数据来源与许可

主要使用的遥感数据为MODIS NDVI产品，由NASA公开提供和分发。

气候数据来自公开的科学来源。

所有引用的数据均按照原始使用条款获取和分析，仅用于科学研究目的。本研究不侵犯任何隐私或数据所有权。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本手稿所报道工作的利益冲突（财务或个人方面）。所有研究资金支持来源均在手稿中注明。

原创性与发表

本手稿为作者原创工作。未以任何形式公开发表过（除简要学术报告外），也未同时投送至其他期刊。

出版伦理合规

作者确认其承诺遵守出版伦理委员会（COPE）所规定的出版伦理标准。研究以科学严谨性开展，手稿如实准确地描述了研究内容。

CRediT作者贡献声明

刘金程：撰写—审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

巩征：撰写—初稿，可视化，软件，方法，调查，形式分析，数据管理。

竞争利益声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文所报道的工作。

伦理声明

关于提交至《Remote Sensing Applications: Society and Environment》期刊审阅的题为"基于动态阈值和多尺度MODIS数据量化秦岭山区植被物候的尺度效应与气候响应"的论文，作者特此确认并声明如下：

作者署名

所有列为作者的人员均对本工作做出了实质性的知识贡献。所有作者均已阅读并批准手稿最终版本，同意提交。

作者署名准确反映了各作者的实际贡献，符合既定的学术标准。

**利益冲突声明** ? 作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述工作的公正性。

**致谢** 本研究由国家自然科学基金（32371875）和中国高校基本科研业务费专项资金（2452023077）资助。我们衷心感谢开放数据平台提供了大量数据集，包括大规模植被指数、气候数据、物候地面监测数据和土地利用信息，这些资料对我们秦岭山区的物候研究起到了关键作用。其不可或缺的贡献为

郑 工 | 刘进成
西北农林科技大学 资源环境学院，陕西杨凌 712100