综合物候农业干旱指数（IPADI）：仅依赖物候信息并区分时序与强度指标效用的灌溉—雨养农田干旱监测框架

《European Journal of Agronomy》：Integrated Phenological Agricultural Drought Index (IPADI): A phenology-only framework based on the relative usefulness of timing and intensity metrics across irrigated and rainfed croplands

　　

综合物候农业干旱指数（IPADI）是仅依据物候信息、以Sentinel-2分辨率构建的干旱指数。10 m分辨率的IPADI制图可呈现摩洛哥Doukkala平原田块尺度的干旱影响。强度指标（峰值、振幅、大积分和小积分）承载干旱信号。在2019/2020年水库放水量被削减之前，灌溉土地受干旱影响程度低于雨养土地。该指数已依据12个干旱参考指标和摩洛哥谷物产量进行验证。

研究背景与问题：在气候变化背景下，干旱事件在全球多地变得更频繁、更持久、更严重，农业因直接依赖土壤—水分与能量平衡而高度暴露。地面气象站网分布不均且稀疏，难以刻画半干旱和数据匮乏区的干旱空间异质性；卫星观测可提供空间连续、重复和时间一致的监测。常用指标包括归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）等植被指数、归一化差异水分指数（Normalized Difference Moisture Index，NDMI）等水分指数以及基于地表温度的热指标，但气象指数只能间接反映作物胁迫且存在时滞，光学光谱指数多表征瞬时冠层状态，易受光照、大气和土壤背景短期波动影响，在密集冠层饱和、在稀疏覆盖下受土壤背景偏差，难以表征作物季节发展轨迹。已有大量综合干旱指数整合降水、温度、蒸散、土壤水分和植被状况，分辨率由约1 km提高到30 m，但物候多仅作为单一预测因子嵌入；MADI仅用生长季长度和积分NDVI经copula在约8 km耦合。尚无指数将季节植被响应的时序与强度拆成独立子指数，并在田块尺度跨灌溉和雨养系统检验各维度贡献。为此，研究人员提出仅由Sentinel-2物候指标构建的IPADI，将开始季（Start of Season，SOS）、结束季（End of Season，EOS）、生长季长度（Length of Season，LOS）和中季时间（Time of Middle of Season，TMS）归为物候时序干旱指数（Phenological Timing Drought Index，PTDI），将最大值（MAX）、振幅（AMP）、大积分（Large Integral，LI）和小积分（Small Integral，SI）归为物候强度干旱指数（Phenological Intensity Drought Index，PIDI），经主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）定权并比较11种权重组合，在摩洛哥Oum Er-Rbia流域Doukkala平原的灌溉与雨养区开展10 m制图，回答仅物候能否表征农业干旱、时序与强度的相对贡献以及10 m指数能否揭示两系统干旱轨迹。

关键技术方法（约200字）：研究区为摩洛哥Oum Er-Rbia流域Doukkala平原，分灌溉区与雨养区，时段为2015/2016—2024/2025十个农业季。使用Sentinel-2 NDVI（10 m）时间序列，经TIMESAT非对称高斯拟合提取8个物候指标；以中位数和median absolute deviation（MAD）计算稳健异常；分别对时序和强度指标作PCA，构建PTDI与PIDI，比较11种权重组合；以SPI-12、SPEI-12、PDSI、降水、VCI、NDMI、LAI、AET、SMAP 0–5 cm与0–100 cm、CWSI、MSAVI及摩洛哥全国谷物产量验证。

研究结果：
3.1 通过PCA对物候指标的探索性分析：对全部8个指标作PCA，第一主成分解释54.2%方差，强度指标MAX、AMP、LI、SI权重最高（0.160—0.178），时序指标SOS、EOS、LOS、TMS权重较低（0.058—0.097）。分组PCA保留前三个主成分，时序组累计解释96.1%（PC1=50.0%、PC2=35.3%、PC3=10.8%），强度组累计解释95.1%（75.2%、13.1%、6.8%）；强度组四指标权重较接近（0.233—0.269），时序组EOS（0.313）和LOS（0.293）高于TMS（0.162）。SOS、EOS、TMS符号为负，LOS为正；强度指标均沿MAX方向正向进入PIDI。EOS负号反映Doukkala平原EOS异常与SOS、TMS异常正协变，即干旱季初补种可使物候历整体后移并缩短生长季。

3.2 PTDI和PIDI复合子指数：得到PTDI=?0.231·SOS?0.313·EOS+0.293·LOS?0.162·TMS，PIDI=0.269·MAX+0.248·AMP+0.250·LI+0.233·SI。像元尺度上，PTDI随SOS延迟（r=?0.88）、EOS延迟（r=?0.66）和TMS延迟（r=?0.81）而降低，随LOS延长（r=+0.60）而升高；PIDI与四强度指标均正相关（r=+0.82至+0.90），与MAX和SI耦合最强，LOS相关性较低因其由SOS和EOS共同决定。两子指数总体同步反映丰枯交替，但2019/2020年PTDI多偏有利而PIDI显著亏缺，2020/2021年则相反，说明两维度并非总是协变，需分开保留。

3.3 最优IPADI的权重与选择：将11种权重组合与12个参考指标及谷物产量比较，性能随PTDI权重w升高而下降；w=0.0（仅PIDI）综合得分最高（1.00），w=0.1和w=0.2分别为0.94和0.88，时序主导的w≥0.7得分≤0.39，故保留w=0.0。灌溉区与SPI-12（R=0.95，R²=0.90）、降水（R=0.94，R²=0.89）、LAI（R=0.94，R²=0.89）和NDMI（R=0.92，R²=0.84）相关性高，产量R=0.75；雨养区与LAI（R=0.98，R²=0.95）、NDMI（R=0.92，R²=0.85）一致性更强，产量R=0.87；CWSI与IPADI强负相关（R=?0.97）。结果表明，在与季节平均的瞬时参考指标比较时，强度指标比时序指标更贴近干旱信号；雨养区产量相关性更高，说明水分可利用性为主要限制时IPADI与作物表现耦合更紧。该结论限于本验证框架和研究区。

3.4 基于最优IPADI的干旱制图与分类：10 m IPADI制图显示研究期明显的亏缺—盈余交替。2015/2016年极端干旱占全区37%，灌溉区46%、雨养区93%的IPADI低于0；2016/2017年湿（25%）、2017/2018年略湿（33%）、2018/2019年略湿（30%）；2019/2020年轻度干旱占28%，灌溉区88%、雨养区79%低于0。全国谷物产量与IPADI格局一致：2016/2017、2017/2018和2020/2021年产量高峰分别为96、103和103.2百万公担，2015/2016和2019/2020年降至33.5和32百万公担；2021/2022年后持续恶化，极端干旱面积依次为71%、20%、61%和67%，产量为34、55.1、31.2和44百万公担，灌溉区与雨养区产量相关性分别为0.75和0.87。

讨论总结：讨论认为，强度子指数单独最优并不意味着时序指标不含干旱信号，LI和SI本身以SOS、EOS和LOS为边界，已吸收部分时序信息；由于参考指标为季节平均的瞬时量，验证更有利于表征季节累积量级的强度指标。强度指标可反映水分亏缺对生物量的全季累积影响，而时序指标受播期、轮作和灌溉调度等管理影响较强。该研究的关键贡献是以11种权重配置客观检验而非预设时序与强度的贡献。VCI、NDMI、MSAVI与IPADI共享Sentinel-2反射率信号，MODIS LAI亦为绿度产品，故结论主要依赖降水、SPI-12、土壤水分、CWSI及全国谷物产量等独立来源。与综述的19个综合指数相比，IPADI的10 m原生分辨率最细，优于以往最高30 m的产品；其仅用Sentinel-2 NDVI，避免多源降尺度导致的分辨率损失。相较MADI，IPADI使用8个物候指标、显式分离时序与强度并以PCA定权，具有数据驱动、可重复和不依赖训练，但依赖输入物候时间序列质量。灌溉区在2015/2016年因灌溉缓冲接近正常（IPADI=?0.34），雨养区严重亏缺（?1.61）；2019/2020年后发生反转，灌溉区异常等于或更负，如2021/2022年为?2.99对?2.31，2022/2023年为?1.56对?0.60。该反转与Al Massira水库放水自2019/2020年削减、2020/2021年暂停及灌溉量降至零相一致；原文指出，2021年后灌区仍有的部分植被信号可能反映不受监管的地下水开采，但证据为汇总供水量而非田块灌溉记录，故只建立信号与供水中断的一致性而非因果归因。局限包括每季单值、记录仅十年、未按作物类型分层和单区域验证；框架可移植，但PCA权重、指标符号和w需本地重估，并可向Landsat—Sentinel—MODIS融合长序列和季节预测扩展。

结论（翻译）：该研究提出综合物候农业干旱指数（IPADI），其完全由陆表物候指标导出，并经主成分分析构建为时序分量（PTDI）和强度分量（PIDI）。IPADI在10 m原生分辨率下，基于Sentinel-2 NDVI序列经TIMESAT处理，覆盖摩洛哥Doukkala平原灌溉与非灌溉区十个农业季（2015/2016—2024/2025）。对11种权重配置进行敏感性分析，并以12个气象、水文和植被参考指标及全国谷物产量验证，确定以强度为基础的配置w=0.0（IPADI=PIDI）为最优。在这一受管理的半干旱情境中，与这些季节平均参考指数比较时，物候强度比季节时序更忠实地再现干旱信号；不过，季节积分（LI、SI）也纳入季节日历信息，因此所选指数仍对延迟或缩短的生长季敏感。最优IPADI与多数参考指标吻合良好，尤其在两区与SPI-12、降水、NDMI、LAI和MSAVI一致（R≥0.87，R²≥0.75，d≥0.93，RMSE≤0.51），并与全国谷物产量的年际格局一致；其在两区分别计算有助于区分气候干旱与2019/2020年以来Al Massira水库放水削减继而暂停后产生的管理诱导型亏缺。