气候变化与极端事件对南非保护区植被物候的影响：基于EVI与气象站数据的集成分析

《Austral Ecology》：Are Climate Changes and Extremes Responsible for Changes in Vegetation Phenology in South Africa?

　　

植被密度和物候的变化被广泛归因于气温升高和降水改变。然而，在南非，近期气候变化的主要特征是温度极端事件的增加，而非平均状态的改变。研究人员利用来自154个保护区（面积>100 km²；2001–2024年）的增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index，EVI）数据，以及42个气象站（1980–2024年）的气候极端值和季节变化趋势，评估了植被绿度和物候。EVI显示出少数显著的长期趋势，并且在各个保护区中，尽管有强烈的季节循环，但物候（生长季开始、峰值或结束）没有系统性变化。然而，跨所有保护区的混合效应模型检测到EVI存在微小但显著的十年际增加，以及生长季结束的可能延迟——这是一个在单个保护区中不明显的微弱信号。最高气温以0.52°C decade^-1的速率增加，年气温范围显著增大，而年平均降水量尽管出现更长的湿润期和更高的极端值，但没有表现出全国一致的趋势。这些有限且空间不一致的变化表明，温度极端事件的增加尚未在所考察的保护区中驱动广泛或生态上显著的植被响应。这可能是因为这些植被大部分受水分限制，全国降水变化不大，且光周期可能限制生长季时间的变化。气候-EVI关联分析确认EVI对年际气候变率有响应，其中降水异常是主要预测因子，温度异常也显著，但气候仅解释了保护区水平EVI变异的一小部分（R²=12.4%）。在降水持续减少的地区，如Springbok（?46 mm decade^-1），邻近保护区也观察到相应的EVI下降，这与水分可用性作为这些系统的主要限制因素一致。总体而言，研究人员发现，与对温带地区的报道相比，南非气候季节性系统性转变的证据很少。相反，南非大部分地区的近期气候变化加剧了极端事件，但尚未在植被绿度或物候方面产生广泛的生态响应。

全球植被物候变化通常被归因于升温和降水改变，但南非的气候变化以温度极端事件增加为主要特征，平均气候趋势缺乏一致性，且地面观测与再分析数据存在分歧。为厘清这种极端化趋势是否已对植被产生可检测的影响，研究人员分析了42个气象站（1980–2024）和154个大型保护区（>100 km²，2001–2024）的增强型植被指数（EVI）数据，重点考察植被绿度、物候及气候极端值的时空变化。研究发现，尽管最高气温以0.52°C decade^-1增加、年温度范围显著扩大，但保护区整体EVI趋势微弱且空间异质，仅混合效应模型检测到极小的全国性EVI增加（0.00356单位 decade^-1）和生长季结束（EOS）延迟（6.3天 decade^-1）。降水方面，年均降水量无全国一致趋势，但湿期延长且日降雨强度下降。气候-EVI关联分析表明，降水异常是绿度变异的主要预测因子（相对贡献43.0%），温度异常亦有作用，但气候仅解释12.4%的方差，大量变异由非气候因素主导。在降水持续下降的局部地区（如Springbok附近），EVI呈现相应下降，印证了水分是这些半干旱系统的主要限制因素。研究结论认为，南非近期气候极端化的生态效应尚未在区域尺度上形成广泛的植被物候或绿度响应，这可能与水分限制、光周期约束和生态系统缓冲作用有关。该研究凸显了利用地面气候数据和保护区尺度EVI进行综合归因的重要性，为区分真实气候信号与本地干扰提供了参考。

研究人员使用了以下关键技术方法：利用NOAA集成地表数据库（ISD）中的42个气象站日值数据，计算年降水、年均温（MAT）、最高温（Tmax）、最低温（Tmin）及极端指数；采用STL分解和线性混合效应模型（LME）检测趋势及年×月交互作用，并用Mann–Kendall检验和Sen's斜率估计趋势幅度；通过广义极值分布（Gumbel）在移动5年窗口估算25年重现水平以表征极端值变化。EVI数据来自MODIS MOD13Q1产品，按保护区聚合后，使用phenofit的Beck双逻辑模型提取生长季开始（SOS）、峰值（POS）和结束（EOS），并用Rbeast检测突变点。最后采用线性回归和Lindeman–Merenda–Gold（LMG）相对重要性分析评估气候-植被联系。

3.1 EVI变化、极端值与季节性
154个保护区中仅14个显示显著EVI趋势（11增3减），且无空间聚集；混合效应模型检测到全保护区极小的显著增加（0.00356 EVI单位 decade^-1），并发现EOS延迟（6.3天 decade^-1）及POS接近显著延迟，SOS无趋势。极端值分析显示上端25年重现水平（峰值绿度）增加，下端无趋势，表明有利年份的峰值绿度有所上升。

3.2 年际气候指标
年平均降水（MAP）无显著趋势；MAT在全时段（1980–2024）下降0.14°C decade^-1，但在MODIS时期转为上升0.09°C decade^-1；Tmax显著上升0.52°C decade^-1，Tmin下降0.39°C decade^-1，年温度范围显著扩大；湿期长度增加，日降雨强度下降，干期长度无显著变化。

3.3 气候极端值与季节性
极端值分析显示Tmax上端（热极端）增加0.48°C decade^-1，Tmin下端（冷极端）下降0.08°C decade^-1；降水湿极端（>25年重现水平）增加，干极端在MODIS期加剧；年×月交互作用显著，但各月趋势方向不一致，未发现系统性季节变化。

3.4 气候-EVI关联
年度EVI异常对气候异常的回归显示，同季MAP异常是最强预测因子（LMG相对贡献43.0%），同季MAT异常次之（11.1%），年趋势项占27.7%；模型总解释率仅12.4%，且残差存在显著空间自相关，说明未建模的火、食草和保护区管理等因子发挥重要作用。

讨论指出，南非气候变化的突出信号是极端值加剧而非均值漂移，但这尚未转化为保护区内广泛且一致的植被响应。水分限制和光周期约束可能是缓冲机制。EOS延迟可能与木质植被增加（灌丛化）有关，但该信号微弱且需谨慎解读。与先前区域物候研究结果不一致的原因可能来自方法差异（例如聚合时段的长度）。研究强调，在局部降水持续减少的地区（如Richtersveld），EVI下降与降水亏缺对应，证实水是决定性因子。

结论：尽管温度极端值显著增加，但南非保护区内的植被绿度（EVI）趋势小且空间不均匀，未出现广泛一致的生态响应。混合效应模型提示的EOS延迟可能是潜在的区域性物候信号，但仍需谨慎对待。降水是半干旱地区植被绿度的主要控制因子，在降水显著减少的局部区域，EVI出现相应下降。总体而言，当前证据不支持极端气候已在南非大部分地区引发系统性植被物候转变的观点。