塞丘拉沙漠中与极端降雨事件相关的阶段性绿化现象的卫星证据

《Journal of Arid Environments》:Satellite evidence of episodic greening associated with extreme rainfall events in the Sechura desert

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月19日 来源:Journal of Arid Environments 2.5

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  摘要在极度干旱的生态系统中,植被和生物结皮层的活动依赖于稀少的降雨脉冲,这些脉冲会引发快速但短暂的生物活动。在秘鲁北部的塞丘拉沙漠,极端的厄尔尼诺现象会引发异常降雨,但由此导致的绿化事件的发生频率、空间分布以及气候控制因素尚未被量化。在这里,我们利用250米的MODIS NDVI

  

摘要

在极度干旱的生态系统中,植被和生物结皮层的活动依赖于稀少的降雨脉冲,这些脉冲会引发快速但短暂的生物活动。在秘鲁北部的塞丘拉沙漠,极端的厄尔尼诺现象会引发异常降雨,但由此导致的绿化事件的发生频率、空间分布以及气候控制因素尚未被量化。在这里,我们利用250米的MODIS NDVI数据,量化了2001年至2025年间塞丘拉沙漠的阶段性绿化现象,并研究了其与降雨事件之间的关系。我们发现,在2017年和2023年的极端降雨期间,极度干旱的沿海生态系统大部分时间都处于休眠状态,仅在那时才出现绿化现象。相比之下,在2001年至2025年间,内陆生态系统经历了更频繁的绿化现象。高度阶段性的绿化事件具有一个关键的激活阈值,只有当累积季节性降雨量超过大约0.38–0.58米时才会被触发,而这一数值仅出现在厄尔尼诺年份。出现阶段性绿化现象的区域面积达到了3183.51平方公里(占塞丘拉沙漠的12.3%),以及秘鲁沿海沙漠的超过12,100平方公里。这些结果首次提供了塞丘拉沙漠绿化现象的长期、空间明确的评估,表明在25年的MODIS观测期间,这些极度干旱的生态系统大部分时间都处于功能休眠状态,仅在极端沿海暖化事件期间才会被激活。

引言

干旱和极度干旱的生态系统位于水资源有限的环境中,其生产力依赖于稀少的降水,而非持续的资源供应。这可以用“脉冲-储备”模型来解释,该模型认为植被能够在长期干旱期间存活,并在降雨后通过短期的生物活动来维持(Feldman, 2026; Reynolds et al., 2004)。在沙漠地区,超过某个阈值的降雨可以触发长期存在的土壤种子库的快速发芽(Kigel, 2017; Ogle and Reynolds, 2004),从而导致植被覆盖率的暂时增加,这种现象通常被称为“沙漠开花”,可以通过卫星观测观察到(Chávez et al., 2019; Dall’Olmo and Karnieli, 2002)。
一个例子是秘鲁北部的塞丘拉沙漠,那里的降雨是间歇性的,主要受厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响。塞丘拉沙漠支持着两种独特的植被生态系统:沿海的雾河(lomas)和季节性干燥的热带森林。雾河发育在沿海丘陵上,那里持续的海洋雾气和季节性的温度逆温提供了水分,尽管降雨量极低(Moat et al., 2021)。内陆的干燥森林则主要由适应干旱的树木和灌木组成,依靠季节性降水维持(Linares-Palomino et al., 2010)。在强的东太平洋和沿海厄尔尼诺事件期间,海表温度升高抑制了沿海上升流,促进了强烈的大气对流,从而在几个月内产生数百毫米的异常降雨。这些异常降雨事件引发了短暂植被的快速出现,将这些稀疏的景观转变为广泛的沙漠开花现象(Erdmann et al., 2008; Vining et al., 2022)。
先前的研究记录了这些异常降雨事件的生态后果。1997-98年厄尔尼诺事件后的实地观察描述了短暂植被的快速出现、植物群落组成的变化以及塞丘拉沙漠和邻近秘鲁雾河生态系统的后续生态演替(Erdmann et al., 2008; Tovar et al., 2018)。特别是在厄尔尼诺年份,一些在非厄尔尼诺年份稀少或不存在的植物物种在降雨期间变得占主导地位(Holmgren et al., 2006)。在塞丘拉沙漠的沿海地区,短命的草本植物和草类迅速生长(Richter, 2005),并且植物覆盖率在短短三个月内增加了100%±20%(Caramanica, 2022)。最近的区域卫星研究绘制了秘鲁和智利沿海地区的雾河生态系统和广泛的植被动态(Moat et al., 2021)。除了维管植物外,由蓝细菌、微藻、地衣和苔藓组成的生物土壤结皮层也是秘鲁沿海沙漠生态系统的重要组成部分(Montoya et al., 2019; Salinas, 2016)。这些群落在湿润后可能会增加地表绿色度,特别是在维管植物覆盖稀少的极度干旱环境中。
尽管有这些先前的研究,仍不清楚塞丘拉沙漠中的绿化现象发生的频率如何,以及它们是否与极端厄尔尼诺事件存在一致的空间模式。特别是,还没有研究利用卫星观测数据量化几十年内的绿化事件及其发生次数。了解触发沙漠绿化的的气候条件对于预测极度干旱生态系统对未来气候变化的响应至关重要。
本研究的目标是量化塞丘拉沙漠中阶段性绿化的发生情况和空间分布及其与降雨事件之间的关联。我们假设塞丘拉沙漠中的阶段性绿化是由东赤道太平洋的Ni?o 1 + 2地区的极端海表升温引发的。这个指数结合了位于厄瓜多尔南部海岸和秘鲁北部的Ni?o 1地区以及向西延伸至东南赤道太平洋的Ni?o 2地区,这两个区域共同捕捉了厄瓜多尔和秘鲁附近东热带太平洋的海表温度异常,常用于描述沿海厄尔尼诺条件。沿海厄尔尼诺年份会产生异常的降雨,激活休眠的年度植被和生物结皮层,导致可检测到的短暂NDVI绿化脉冲。为了验证这一假设,我们(1)从2001年至2025年的MODIS NDVI时间序列中识别了年度绿化脉冲,并分析了它们的频率及其与前期降雨事件的关系。因此,这项研究提供了塞丘拉沙漠阶段性绿化动态的第一个长期、空间明确的遥感评估。

章节片段

绿化脉冲的量化

我们使用MOD13Q1产品量化了2001年至2025年间塞丘拉沙漠的绿化脉冲。MOD13Q1提供了250米空间分辨率的归一化植被指数(NDVI)的16天合成图像(Didan, 2015)。我们利用MODIS质量保证(QA)层过滤出高质量像素,确保检测到的脉冲反映了真实的植被变化,而不是传感器异常或厄尔尼诺风暴期间的气溶胶干扰。
该研究

结果

四个站点展示了塞丘拉沙漠表面绿化动态的逐步转变,从极度干旱的沿海地区(站点1)到内陆干燥森林中越来越频繁的降雨驱动的绿化(站点2-4)。这些站点在塞丘拉沙漠的东西向干旱梯度上显示出绿化脉冲的频率和强度的差异(图2)。极度干旱的沿海站点(站点1)表现出极高的

讨论

我们的结果表明,塞丘拉沙漠极度干旱地区的表面绿化动态受罕见的气候极端事件的影响,而非年平均变化的影响。在沿海站点,植被在整个26年的研究期间大部分时间都处于休眠状态,仅在2017年和2023年的极端厄尔尼诺事件之后才有明显的绿化现象。相比之下,靠近安第斯山脚部的较湿润地区经历了更频繁的绿化脉冲

结论

我们的研究利用超过二十年的卫星观测数据,首次对塞丘拉沙漠和秘鲁沿海沙漠的绿化脉冲进行了空间明确的量化。我们发现植被动态遵循明显的干旱梯度,极度干旱的沿海生态系统在大多数年份都处于休眠状态,只有在极端厄尔尼诺降雨后才会变得活跃。降雨与植被活动之间的关系沿着这个梯度发生了变化

CRediT作者贡献声明

Vicky Almendra Correa:写作——审阅与编辑,初稿撰写,可视化,资源收集,调查,形式分析,数据管理,概念化。Adrià Descals:写作——审阅与编辑,初稿撰写,可视化,方法学研究,调查,形式分析,概念化。Josep Pe?uelas:写作——审阅与编辑,可视化,监督,概念化。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作中,作者使用了ChatGPT来提高手稿的可读性并检查语法。作者根据需要审阅和编辑了输出内容,并对发表文章的内容负全责。

资助

这项工作得到了Bicentennial Generation Scholarship Program (Beca Generación del Bicentenario)的支持,该计划由秘鲁国家奖学金和教育贷款计划 (PRONABEC)根据决议No. 1954-2023-MINEDU/VMGI-PRONABEC-OBE(2023–2026)提供资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
Vicky Almendra Correa|Adrià Descals|Josep Pe?uelas
CREAF,生态与应用林业研究中心,Cerdanyola del Vallès,巴塞罗那,加泰罗尼亚,08193,西班牙
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