复杂的城市地表结构有助于减轻城市内部热效应对植被物候的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》:Complex urban surface mitigates the impact of intra-urban heat effect on vegetation phenology

【字体: 时间:2026年06月08日 来源:BUILDING AND ENVIRONMENT 7.6

编辑推荐:

  钟静|胡远超|顾江燕|连西红|刘家峰|何建华|焦丽敏武汉大学资源与环境科学学院,中国武汉珞喻路129号,430079摘要植被物候在调节城市碳循环、缓解气候变化和生态系统功能方面起着关键作用。然而,城市空间异质性如何影响物候动态的机制仍不甚明了。以中国成都为例,本研究将局部气候区(

  
钟静|胡远超|顾江燕|连西红|刘家峰|何建华|焦丽敏
武汉大学资源与环境科学学院,中国武汉珞喻路129号,430079

摘要

植被物候在调节城市碳循环、缓解气候变化和生态系统功能方面起着关键作用。然而,城市空间异质性如何影响物候动态的机制仍不甚明了。以中国成都为例,本研究将局部气候区(LCZ)框架与卫星遥感数据和可解释机器学习相结合,探讨了城市植被物候的空间变异性及其驱动因素。研究结果表明,植被物候与城市形态密切相关:开阔、低密度区域的植被开始生长和衰老的时间比紧凑、高密度区域更早,不同类型的LCZ之间生长季节长度相差超过40天。地表温度(LST)、建筑高度和人口密度被确定为物候变化的主要驱动因素,但它们在不同LCZ类型中的相对重要性有所不同:建筑高度在紧凑区域的影响更大,而地表温度在开阔区域的作用更为显著。此外,植被物候对温度的非线性响应表明,在约23–25°C的温度范围内,不同遮荫条件下的物候变化存在差异。在较高温度条件下,建筑引起的遮荫似乎可以减轻热应力并稳定物候反应。这些发现强调了城市空间结构如何塑造微气候和植被物候,为气候敏感型的城市绿化和规划提供了启示。

引言

城市植被物候是生态系统对环境变化响应的关键指标,对于调节碳循环、缓解城市热岛效应(UHIs)和支持生物多样性至关重要[37,45,53]。在自然景观中,物候变化主要由温度和降水等气候因素驱动[10,49]。然而,城市化显著改变了局部气候条件、地表能量平衡和绿地空间配置[21,28,32],从而重塑了植被物候模式及相关生态系统功能[9,38]。
大量研究表明,与周边农村地区相比,城市地区通常表现为春季提前开始、秋季延迟衰老[37,57],这主要归因于城市热岛效应和水分条件的变化[26,36]。除了城乡对比外,人们也越来越关注城市内部的空间异质性,认识到由于土地覆盖、建筑布局和微气候条件的差异,城市内部的物候响应也存在差异。目前主要有两种分析方法用于研究城市内部的变化:(1)基于行政边界的比较(例如城市或区级尺度)[45,61];(2)沿连续城市化强度指标(例如不透水面覆盖、人口密度)的城市-农村梯度分析[25,26]。尽管这些方法能够捕捉到广泛的空间模式,但它们往往将异质的微环境简化为一维梯度,限制了它们解析由三维城市形态塑造的精细尺度热生态位的能力[51,65]。因此,它们无法解释对精准城市绿化策略至关重要的微观尺度的气候和空间异质性[7,50]。
为了更好地描述城市空间异质性,局部气候区(LCZ)框架提供了一个标准化分类系统,将地表覆盖和形态结构与局部气候条件联系起来[47]。该框架最初基于城市冠层理论发展而来,假设建筑形态、表面材料和土地覆盖的变化通过影响辐射交换、热量储存和空气动力学过程系统地调节局部热环境[47]。LCZ根据结构和表面特性将城市景观分类为标准化类型,从而代表在热特性上内部一致但与其他类型不同的区域[12,13]。LCZ已被广泛用于研究城市内部温度变化和城市热岛强度(Bechtel等人,2015年;[12])。最近,基于LCZ的方法也被应用于植被研究。例如,赵等人[63]和朱等人[68]报告了不同LCZ类型之间的植被指数和物候指标存在显著差异,表明LCZ是分析城市内部生态变异性的有效空间单位。
尽管取得了这些进展,现有的LCZ-物候研究大多仍停留在LCZ类别之间的分类比较层面[63,68]。也就是说,物候指标通常是在各个LCZ类型之间进行比较的,将每个类别视为独立的空间单元。虽然这种比较有效地揭示了空间异质性,但它们并未明确探讨LCZ内部包含的更广泛的形态结构(如紧凑型与开放型城市形态)是否表现出系统不同的物候响应模式。鉴于紧凑型LCZ的特点是建筑密度高和垂直发展程度高,而开放型LCZ则代表更分散的配置,这些形态差异可能意味着不同的微气候调节途径。然而,这种基于形态的分组视角很少被明确纳入基于LCZ的物候分析中。此外,城市研究中的物候驱动因素通常使用强调温度效应的加性框架进行评估[3,28,58]。尽管LCZ本身编码了三维结构特征,但很少有研究定量探讨建筑引起的遮荫条件等结构特性如何与地表温度(LST)相互作用以影响植被物候。换句话说,在LCZ分层框架内,城市结构与热条件之间潜在的相互作用尚未得到充分评估。
基于上述不足,本研究超越了传统的基于LCZ的分类比较,探索结合形态导向的分组和交互分析是否能够增强对城市植被物候的机制理解。以中国西南部快速城市化的特大城市成都为例,该城市具有复杂的城市形态和明显的空间异质性,我们采用LCZ框架作为分析的基础。具体而言,本研究旨在:(1)描述成都LCZ类型的空间分布;(2)量化不同LCZ类型之间的植被物候变化;(3)探讨不同LCZ类型(特别是紧凑型和开放型)对植被物候的影响机制,并分析建筑引起的遮荫条件与温度对植被物候的交互作用。通过将LCZ分析从分类比较扩展到基于形态的分组和交互作用评估,本研究细化了LCZ框架在城市物候研究中的应用,并提供了关于三维城市结构和热条件如何共同影响植被物候的实证证据。

章节摘录

研究区域

成都(北纬30°05′至31°26′,东经102°54′至104°53′)是中国西南部四川盆地的一个快速城市化的特大城市(图1)。作为中国西南部的政治、经济和文化中心,它在区域发展中发挥着关键作用。该地区具有湿润的亚热带季风气候,年平均气温约为16°C,年平均降水量约为1300毫米[44]。地形从城市中的冲积平原(450-500米)逐渐过渡

成都的LCZ空间结构和分布

分析了成都各种LCZ类型的空间分布模式和比例特征,以探讨该城市的空间异质性。总体而言,成都各种LCZ的空间分布从高密度的城市核心逐渐过渡到低密度的周边植被带,突显了城市结构的显著空间异质性(如图4所示)。成都的城市核心主要由

LCZ和可解释机器学习揭示城市物候驱动因素

传统的城市物候研究往往依赖于二元城市-农村梯度或粗略的行政单元,这掩盖了复杂的微气候异质性,并假设整个城市景观具有统一的驱动机制[39,47]。通过将局部气候区(LCZ)框架与可解释机器学习相结合,本研究超越了这些限制,揭示了城市内部物候变异的幅度及其潜在驱动因素的空间转换。
基于LCZ的

结论

本研究超越了对城市密度效应的描述性描述,探讨了城市植被物候背后的非线性和物种介导的机制。通过利用局部气候区(LCZ)框架和机器学习,我们的结果表明,城市内部的物候异质性可能比之前认识到的更大,反映了不同城市形态相关的独特微气候机制。在紧凑区域观察到的春季开始延迟可能反映了

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金(42501338, 42371423, 42401530)、中国博士后科学基金(2025M770730)和湖北省博士后创新人才培育项目(2025HBBSHCXB079)的支持。

CRediT作者贡献声明

钟静:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,方法论,资金获取,概念化。胡远超:撰写 – 审稿与编辑,监督,方法论,调查。顾江燕:软件,方法论,数据管理。连西红:验证,软件,调查。刘家峰:可视化,形式分析,数据管理。何建华:撰写 – 审稿与编辑,可视化。焦丽敏:监督,资金获取,概念化。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号