干旱气候下林冠绿色度变化趋势：水分供应与土地利用在地中海软木橡树生态系统中的作用

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Canopy greenness trends in a drying climate: the role of water availability and land use in Mediterranean cork oak ecosystems

　　摘要：地中海生态系统中的干旱频率和强度正在不断增加，这对诸如软木橡树（Quercus suber）这类适应干旱的树种构成了威胁。在葡萄牙，软木橡树林既出现了树冠衰退现象，也出现了大面积绿化现象，但导致这两种相反趋势的因素至今仍不甚明了。本研究通过分析38年的夏季归一化差异植被指数（NDVI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）数据，探讨气候、地形、树木覆盖变化以及土地利用如何影响软木橡树林及农林复合系统中的树冠动态。尽管2007年后夏季水资源日益匮乏，仍有50%的软木橡树生长区域NDVI值显著上升。特定地点的SPEI累积期是预测NDVI变化趋势的最强指标，在水资源短缺的地区，NDVI下降与树冠变褐现象最为一致。NDVI下降多与较长的SPEI累积期（4–16个月）相关，而NDVI上升则主要与1个月的SPEI值相关。这种差异反映了不同尺度的水文气候作用：水资源匮乏地区存在长期的水分状况影响，而绿化地区则表现为更迅速的树冠响应。树木覆盖率的增加加速了NDVI的上升，表明结构变化也对绿化起到了推动作用。气候条件和具体场地特征进一步影响了NDVI的变化趋势，其中土壤渗透性低以及限制水分保持的地形条件与树冠衰退相关。

总体而言，夏季的大面积绿化现象反映出在干旱条件下树冠仍能保持一定存活时间，但仅凭NDVI值无法区分是植物生理状态的改善、结构变化还是下层植被的动态变化。要准确判断是从短期水资源限制向长期限制的转变，同时结合其他测量方法了解树冠结构和整体健康状况，对于预测软木橡树生态系统从缓冲反应向树冠退化过渡的过程至关重要。

引言：地中海地区是全球气候变化最严重的区域之一，其气温上升幅度超过全球平均水平，干旱事件愈发频繁且严重，预计这一趋势在未来几十年还将持续加剧（Ali等人，2022年）。日益增多的干旱频率加上更高的大气蒸发需求，在水资源有限的条件下增加了植物的蒸腾负担，进而对植物的关键生理过程造成压力，甚至可能使植物超出其适应能力范围（McDowell等人，2022年；Zhou等人，2019年）。这些压力因素已经对森林健康造成了广泛影响，包括生长减缓、树冠落叶以及树木死亡率上升（例如Caldeira等人，2015年；Castellaneta等人，2022年；Choat等人，2018年）。

通过基于卫星的植被指数，尤其是归一化差异植被指数（NDVI），可以检测到森林结构和功能的变化。NDVI是一种广泛用于表示植被绿度的指标，能够反映光合作用活跃程度以及树冠的健康状况（Castellaneta等人，2022年）。虽然NDVI不能直接反映森林健康状况，但其变化趋势可以指示树冠状况的变动，当与实地观测数据结合时，可作为生态系统活力的间接指标（Catal?o等人，2022年）。NDVI值上升通常意味着光合作用增强、叶片密度增加或生物量提升，而数值下降则可能表明植被处于压力状态、出现退化或死亡（Chen等人，2024年；Liu等人，2023年）。然而，尽管干旱状况日益严重，全球及地中海地区却呈现出NDVI上升的趋势，这可能是由土地利用变化、森林结构改变、二氧化碳肥效效应，或在水分条件尚可时的气候变暖所导致的（Khoury & Coomes，2020年；Pausas & Millán，2019年；Zhu等人，2016年；Costa等人，2009年）。这一看似矛盾的现象凸显出有必要弄清该地区植被动态变化的真正驱动因素。

在这一对气候极为敏感的区域中，软木橡树（Quercus suber L.）森林具有重要的社会生态价值，其形成经历了数百年来人类活动的影响（Aronson等人，2009年；Bugalho等人，2011年）。这类森林主要分布在西地中海盆地的温暖地带，欧洲境内约有150万公顷，北非约有100万公顷，其形态既有类似稀树草原的林地，也有较为茂密的森林。这些森林生物多样性丰富，能够提供碳封存、土壤保护以及文化遗产等多重生态系统服务，因此成为重点保护对象（Arosa等人，2017年）。葡萄牙拥有全球最大的软木橡树林面积，也是世界上最大的软木生产国，其软木产量占全球总量的50%以上，这进一步凸显了研究该地区的重要性（APCOR，2018年；Evangelista，2010年）。软木是一种可持续的非木质林产品，无需砍伐树木即可采集，从而能够在实现经济收益的同时保持长期的生态完整性。这类森林覆盖了葡萄牙30%以上的森林面积，堪称全球可持续土地管理的典范。在葡萄牙，软木橡树林主要分为两种土地利用类型：纯软木林和软木农林复合系统。虽然两者都用于软木生产，但在树木密度和下层植被管理方面存在差异。软木农林复合系统的树木覆盖率较低，每公顷至少有20棵树，通常位于较为开阔的地区，下层植被以农作物或牧草为主；而纯软木林的树木密度则相对较高，每公顷至少有60棵树，其下层植被一般不以农作物为主，多为灌木丛（Aronson等人，2009年；Bugalho等人，2011年；Pinto-Correia & Godinho，2013年）。

尽管软木橡树凭借深根系和等水势气孔调节机制具备较强的耐旱能力，但它仍越来越容易受到长期或极端干旱的影响（Besson等人，2014年；Caldeira等人，2015年）。近几十年的观察数据显示，随着干旱事件的频发和加剧，软木橡树的死亡率不断上升，树冠覆盖率和生产力也在下降（Acácio等人，2021年）。然而，导致软木橡树脆弱性与恢复力的具体机制仍不十分清楚。此外，目前尚不清楚是软木农林复合系统的管理方式，还是密度较高的纯软木林中的灌木下层植被影响了这些动态变化（Acácio等人，2021年）。

先前的研究已经发现，葡萄牙以软木橡树为主的地区夏季晚期的NDVI存在显著的上升或下降趋势（Aubard等人，2019年），但这些趋势的空间异质性背后的机制尚未被明确量化。有研究表明，土壤水分状况和地形特征会对局部软木橡树树冠覆盖率产生影响（Príncipe等人，2022年）。然而，目前还没有研究能够确定区域尺度上NDVI长期变化趋势的主要驱动因素，也未评估农林复合系统与纯森林系统在这些驱动因素上的差异。此外，要理解植被的响应机制，还需要考虑时间滞后效应和累积干旱影响，因为这些因素可能会掩盖即时的NDVI变化。因此，确定水分状况对植被绿色度影响最强烈的具体时间段至关重要（Ding等人，2020年）。

为填补这些知识空白，本研究分析了葡萄牙软木橡树林及农林复合系统中NDVI和水资源可用性的长期变化趋势（1984–2021年）。研究采用了多尺度水资源可用性分析框架，以便综合考虑近期和累积的干旱异常情况，并充分考虑时间滞后效应。本研究并不试图确定因果关系，而是识别与NDVI变化趋势的方向和幅度最相关的因素，同时比较不同土地利用类型之间的差异（Khoury & Coomes，2020年；Vicente-Serrano等人，2010年）。此外，研究还旨在判断葡萄牙软木橡树分布区内是否存在逐渐加剧的干旱现象，从而为分析树冠绿化趋势的水文气候背景提供依据。

本研究旨在回答以下问题：1）哪些因素最直接影响软木橡树生态系统中的树冠绿化趋势及其变化幅度，而且这些因素在纯软木林与软木农林复合系统之间是否存在差异？2）哪些水资源累积期与夏季晚期的植被绿化现象最为相关？我们提出以下假设：（i）水资源状况的变化是影响NDVI（即植被绿色度）变化的最主要因素；（ii）地形特征会通过影响局部水分平衡而对植被状况产生作用；（iii）由于森林与农林复合系统在结构及组成方面存在差异，如树木密度和下层植被类型的不同，它们对植被变化的响应也存在差异；（iv）NDVI变化趋势相反的区域（上升与下降）对应着不同的水资源累积期，这反映了植被状况与土壤水分动态之间的反馈关系；最后，我们假设（v）树木覆盖率的变化会通过改变树冠结构和光照截获情况，进一步强化NDVI的变化信号。

研究区域：本研究在葡萄牙大陆的软木橡树林分布区域内开展，这类森林主要分布于该国南部，但也延伸至中部和东北部地区（图1a）。研究区域位于西地中海盆地，涵盖了全球范围内大部分的软木橡树分布区（Aronson等人，2009年；Pereira，2007年）。该地区属于地中海气候类型，夏季干旱明显，冬季温和湿润（Ulbrich等人，2012年）。

水资源可用性与树冠绿色度的长期趋势：在过去的四十年里，葡萄牙几乎所有地区的7–8月SPEI值——即我们用来衡量水资源可用性的指标——都呈现整体下降趋势，全国有56%的地区出现了统计学意义上的显著下降（图2）。值得注意的是，所有以软木橡树为主的区域都位于SPEI值显著下降的地区内。趋势分析显示，2007年是这些地区全年7–8月SPEI值发生显著变化的转折点。

水资源可用性与树冠绿色度的长期趋势：分析结果显示，过去38年来，葡萄牙大陆的夏季水资源可用性持续下降，这一趋势体现在7–8月SPEI1值的负向变化上。这一现象与Vicente-Serrano等人（2014年）的研究结果一致，他们指出1961–2011年间伊比利亚半岛的干旱状况整体趋于加剧。2005年发生的干旱是有记录以来最干燥的年份，很可能导致了土壤水分储备和树冠状况的恶化，为后续的生态变化奠定了基础。

结论：本研究为了解葡萄牙大陆软木橡树景观的长期生态动态提供了重要见解，其研究成果对那些负责管理地中海型生态系统的决策者也具有参考价值。葡萄牙大陆的夏季水资源可用性一直在下降，2007年左右出现了转折点。尽管干旱状况日益严重，仍有半数软木橡树生长区域的夏季NDVI值上升，这表明某些机制，如植物的生理适应能力，正在部分缓解干旱带来的负面影响。

作者贡献说明：Maria C. Caldeira：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、项目监督、项目管理、方法设计、资金申请、概念构思。David A. Coomes：撰写——审阅与编辑、概念构思。Valentine Aubard：撰写——审阅与编辑、方法设计。Jo?o M.N. Silva：撰写——审阅与编辑、结果验证、项目监督、方法设计、概念构思。Danielle Rudley：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、数据可视化、方法设计。

未引用文献：Carreiras等人，2005年；葡萄牙大陆土地利用分类图DGTerritório；地理信息数据；Knauer等人，2023年；Lecomte等人，2021年；Li等人，2023年；Monteith，1965年；Padfield等人，2025年；Rifai等人，2022年；Tuel等人，2020年；Vicente-Serrano等人。

伦理声明：作者们声明，在本文的撰写、发表过程中遵循了所有的伦理规范。

利益冲突声明：? 作者们声明自己没有已知的、可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢：我们感谢葡萄牙科学技术基金会（FCT – Funda??o para a Ciência e a Tecnologia, I.P.）在项目UID/00239“森林研究中心”中所提供的资金支持，该资助用于支持Danielle Rudley的研究工作，其奖学金编号为UI/BD/150756/2020。同时，我们也要感谢“西南欧森林保护与恢复跨国合作”项目（COOPTREE项目）的支持，该项目编号为S1/2.7/F0122，其中75%的资金由欧盟通过Interreg SUDOE跨国合作计划提供支持。

作者名单：D. Rudley | M.C. Caldeira | D.A. Coomes | V. Aubard | J.M.N. Silva

机构名称：里斯本大学农业学院TERRA附属实验室，森林研究中心，葡萄牙里斯本Tapada da Ajuda地区