使用叶片气体交换和卫星植被指标评估城市与公园环境中树木的生理表现

《Forests》：Assessment of Tree Physiological Performance in Urban and Park Environments Using Leaf Gas Exchange and Satellite-Based Vegetation Metrics

　　

城市化显著改变了微气候和环境条件，从而影响城市树木的生理功能。本研究旨在评估叶片水平的生理测量和卫星遥感指标是否能够在塞尔维亚诺维萨德的不同城市和公园环境中，使用三种树种（Platanus × acerifolia、Celtis australis 和 Tilia tomentosa）一致地检测到相似的生理响应模式。使用CIRAS-3便携式光合作用系统测量了叶片气体交换参数，包括气孔导度（gs）、净光合速率（A）、蒸腾速率（E）、水分利用效率（WUE）和胞间CO₂浓度（Ci）。卫星衍生变量包括植被指数（归一化差异植被指数（NDVI）、归一化差异红边指数（NDRE）、归一化差异水分指数（NDMI））和地表温度（LST），这些被用于构建生理过程的代理指标。结果显示城市和公园环境之间存在一致差异，城市条件与光合活性、气孔导度和蒸腾作用的降低以及生理胁迫的增加有关。这些模式被卫星衍生的代理指标一致地捕获，表明在物种和环境之间生理响应方向上有很强的一致性。物种特异性响应明显，其中P. × acerifolia对城市条件表现出最高的敏感性，C. australis表现出中等响应，而T. tomentosa表现出相对更高的耐受性。叶片水平测量与卫星衍生代理指标的整合为扩展生理过程和监测城市树木性能提供了一个稳健的框架，突显了遥感在评估城市植被胁迫和支持基于证据的城市林业管理方面的潜力。

研究背景、问题与目的：快速城市化改变了地表属性和小气候条件，导致能量平衡、水文循环和空气质量显著变化，给城市植被尤其是树木带来生理限制。叶片气体交换参数（如气孔导度、净光合速率、蒸腾速率）是植物对环境胁迫的高度敏感指标，但传统叶片测量空间覆盖有限。卫星植被指数（如归一化差异植被指数、归一化差异红边指数、归一化差异水分指数）和地表温度（LST）可提供大尺度植被状态信息，但二者常被独立使用，缺乏整合框架。为弥合这一差距，本研究旨在对比城市街道和公园环境下，叶片水平测量与卫星衍生代理指标是否一致反映树木生理响应模式，并评估种间差异。该研究发表在《Forests》。

研究人员开展的研究与结论：研究人员在塞尔维亚诺维萨德选择三种常见城市树种（Platanus × acerifolia、Celtis australis、Tilia tomentosa），分别在高交通街道和公园中设置样点，于2022年7月和8月两次测量叶片气体交换参数，同时利用Sentinel-2、Landsat 8/9和MODIS卫星数据在Google Earth Engine平台计算植被指数、LST及生态系统生产力（GPP）和蒸散（ET），进而构建生理代理指标（A_proxy、gs_proxy、E_proxy、WUE_proxy、Ci_proxy）。通过重复测量方差分析和Welch's t检验，发现城市条件显著降低了A、gs、E，提高了Ci和WUE；卫星代理指标呈现一致方向：城市中A_proxy、gs_proxy、WUE_proxy降低，Ci_proxy和E_proxy升高。种间敏感性排序为P. × acerifolia > C. australis > T. tomentosa。研究表明卫星代理可可靠扩展叶片级生理响应，支持遥感用于城市树木胁迫监测和基于证据的林业管理。

主要关键技术方法：1）叶片气体交换测量：使用CIRAS-3便携式光合系统，于上午9-11时测量净光合速率（A）、蒸腾速率（E）、气孔导度（gs）、胞间CO₂浓度（Ci），并计算水分利用效率（WUE=A/E）。2）卫星数据获取与处理：通过Google Earth Engine平台获取Sentinel-2 MSI表面反射率（计算NDVI、NDRE、NDMI、NDWI）、Landsat 8/9 Collection 2 Level-2热红外波段（推导LST）、MODIS MOD17A2HGF和MOD16A2GF（获取GPP和ET），并构建时间合成图像（10-15天间隔）。3）代理指标构建：基于植被指数和LST建立A_proxy、gs_proxy、E_proxy（LST反演）、WUE_proxy（GPP/ET）、Ci_proxy（NDRE与LST结合）。4）统计分析：采用重复测量ANOVA和Tukey HSD检验分析叶片参数；用Welch's t检验和Cohen's d效应量评估卫星代理的城-园差异。样本来源：塞尔维亚诺维萨德市，每条街道和每个公园各选5棵树。

研究结果：
1. 物种、环境条件与测量时间对叶片气体交换参数的影响：重复测量ANOVA显示，所有参数（Ci、A、E、gs、WUE）随时间显著变化（p<0.001）。Ci受物种显著影响（F=28.23, p<0.001），但环境处理不显著（F=0.50, p=0.48），且无交互作用。A受环境显著影响（F=9.32, p<0.001），并有显著的物种×环境交互作用（F=7.31, p<0.001），表明环境效应依赖物种。E受物种显著影响（F=18.30, p<0.001），环境主效应不显著，但交互作用接近显著（p=0.08）。gs有显著的物种（F=20.15, p<0.001）、环境（F=10.38, p<0.001）和交互作用（F=10.24, p<0.001）。WUE受物种（F=11.34, p<0.001）和环境（F=6.24, p=0.01）显著影响，交互作用不显著（p=0.09）。事后检验表明第二次测量时Ci、A、E、gs均显著低于第一次，而WUE显著升高，反映出随时间推移生理活性下降和水保守策略增强。

2. 城市效应对卫星衍生生理代理指标的影响：Welch's t检验显示，所有物种的卫星代理在城-园间差异显著。
- 城市与公园环境的差异：A_proxy在城市中均显著降低（p<0.001）；gs_proxy同样显著降低（p<0.001）；Ci_proxy在城市中显著升高（p<0.001），指示CO₂同化效率下降；E_proxy（来自LST）显著升高（p<0.001），反映热胁迫和实际蒸腾降低；WUE_proxy略低但显著（p<0.05），效应量较小。
- 物种特异性响应：P. × acerifolia在所有指标上城-园差异最大，为最敏感物种；C. australis差异中等；T. tomentosa差异最小，显示出较高耐受性。

总结与结论：讨论部分指出，叶片测量与卫星代理在响应方向上高度一致，城市环境降低光合活性、气孔导度和蒸腾，增加胞间CO₂和热胁迫。卫星代理可靠地再现了种间敏感性排序，支持其用于大尺度监测。局限性包括卫星数据空间-时间分辨率与叶片测量的不匹配、混合像元效应、缺乏微环境协变量（气温、VPD、土壤湿度等），因此卫星指标应视为生态指标而非叶片生理的直接等效。研究结论：公园环境支撑更高生理性能，而城市条件限制气体交换并促使保守水分利用。C. australis在有利条件下表现出高生理可塑性，P. × acerifolia展现出胁迫耐受特质（高WUE和Ci），T. tomentosa对环境胁迫更敏感。卫星衍生代理一致地捕获了与叶片测量相同的响应模式，表明遥感可有效上尺度扩展叶片级过程，为城市树木性能评估提供稳健工具。该研究强调卫星代理不仅补充田野测量，还能跨环境和物种一致反映生理响应模式。