《Global and Planetary Change》：Advanced multi-temporal analyses reveal solar radiation as an underappreciated driver of vegetation green-up across African ecosystems
编辑推荐：
摘要植被返青开始时间是生态系统对环境变化响应的关键指标，而非洲的物候现象尤其易受气候变异影响。本研究旨在在考虑变量间的非线性关系与间接效应的前提下，分析决定植被返青开始时间的主要季前环境因素，并探讨这些因素在不同时间尺度上的相对重要性是否有所差异。我们采用随机森林和偏最小二乘结构
摘要
植被返青开始时间是生态系统对环境变化响应的关键指标，而非洲的物候现象尤其易受气候变异影响。本研究旨在在考虑变量间的非线性关系与间接效应的前提下，分析决定植被返青开始时间的主要季前环境因素，并探讨这些因素在不同时间尺度上的相对重要性是否有所差异。我们采用随机森林和偏最小二乘结构方程模型，对非洲北部、南部及极北部生态区内的四种生态系统——农田、草地、灌木丛和林地中，植被返青开始时间与五个环境因素的适宜季前时长之间的年度差异及年际差异进行了系统分析，这五个因素包括光周期、辐射、温度、降水量和相对湿度。研究结果显示，非洲北部植被返青开始时间呈现提前趋势，而南部则出现延迟趋势。各因素的适宜季前时长存在差异，其中湿度需要60–90天的滞后时间，而温度和降水量嘅滞后时间较短，为30–60天。在大多数生态区及时间尺度上，光周期是影响植被返青开始时间的最主要因素，而由于温度变化较大，它属于次要的年际影响因素。具体而言，在年际尺度上，南部农田以及所有极北部生态区（草地除外）的辐射对植被返青开始时间有显著但复杂的影晌，因其与光周期存在共线性；而在年度尺度上，通过随机森林和偏最小二乘结构方程模型结合分析，发现辐射是极北部灌木丛植被返青开始时间的最重要影响因素，在北部林地和极北部草地中也有一定影响。这些结果凸显了在非洲复杂的环境梯度背景下，采用多时间尺度和多种方法研究物候现象的重要性，同时也表明，若要准确构建气候变化背景下的物候机制模型，就需要综合考虑光周期、辐射和温度之间的关系。
引言
植被物候现象，尤其是植被返青开始时间，是极为重要的生态系统指标，因为它有助于揭示植物生命周期与环境变化的机制（Li等人，2023；Piao等人，2019）。植被返青开始时间也是生态系统对气候变异和变化响应的关键指标（Adole等人，2019；Shi等人，2023）。准确了解植被返青开始时间及其决定因素十分重要，因为它关系到碳、水和能量的交换（Shi等人，2025a、2025b；Zhang等人，2022），同时也有助于农业规划与生物多样性保护（Adole等人，2019）。尤其需要强调的是，由于非洲对全球气候-碳循环反馈的贡献约为38%，因此了解非洲的物候现象对于评估全球变暖对陆地系统的影响至关重要（Friedlingstein等人，2010）。非洲拥有种类繁多、面积广阔的陆地生态系统——包括农田、草地、灌木丛和林地——这些生态系统呈现出复杂的、因地理位置不同而有所差异的物候特征，且对环境因素极为敏感（Adole等人，2018a、2018b、2019）。因此，弄清这些物候特征背后的驱动因素极为必要。
尽管目前已取得一定进展，但仍存在一些局限性。首先，大多数关于非洲物候现象及其驱动因素的研究都是在区域或国家层面进行的（D'Adamo等人，2025；Jin等人，2013；Ryan等人，2017）。除了Adole等人（2019）研究了非洲不同地区的季前光周期、降水量、太阳辐射和温度对物候现象的影响外，其他研究大多将降水量和/或温度视为影响植被返青开始时间的驱动因素（Brown等人，2010；Shi等人，2023、2025a、2025b），而对光周期、辐射和相对湿度等其他环境因素关注较少。其次，这些研究往往依赖线性或部分相关性分析，虽然能提供一些信息，但可能无法捕捉到非线性的生态关系（Chen等人，2023；Feher等人，2017），这类分析主要描述的是变量间的关联而非因果关系（Adeyeye等人，2025；Docquier等人，2024），而且还容易受到多重共线性的影响（Zhu等人，2022）。
此外，大多数关于非洲植被返青开始时间的研究都使用归一化植被指数或增强型植被指数，而叶面积指数这一能够直接反映单位地面面积上绿色叶片面积的生物物理参数，虽与物候过程存在机制上的关联（Fang等人，2019；Zhang等人，2020），但应用却十分少见。在非洲的所有物候研究中，仅有约3.3%的研究使用了叶面积指数数据（Adole等人，2016）。全球陆地表面卫星产品被认为具有较高的可靠性，为物候评估提供了良好的数据支持。
最后，大多数针对非洲物候现象的洲际研究都着眼于年际层面的关系分析，即多年平均值或模式分析，这类研究隐含着一个假设，即环境因素对植被返青开始时间的影响是恒定的（Adole等人，2019；Shi等人，2023、2025b）。然而，近期的一些研究表明，环境因素与物候现象之间的关系可能是非稳态的。例如，在北半球，物候现象对温度的敏感性随时间逐渐降低（Fu等人，2015；Piao等人，2019），而且极端气候事件也可能改变决定植被返青开始时间的最主要因素（Shen等人，2015）。虽然Shen等人（2015）已经证明了驱动因素敏感性的空间差异，但时间上的非稳态性，也就是不同年份间植被返青开始时间驱动因素的变化情况，目前尚未得到研究。这种非稳态性可能会被年际分析所掩盖，因此有必要建立针对非洲的年度特定模型，以揭示不同年份间物候驱动因素的差异。
基于上述不足，本研究提出了三个主要问题：1）非洲主要生态系统中的植被返青开始时间存在怎样的空间差异？各关键环境因素的适宜季前时长分别是多少？2）在考虑变量间的非线性关系与相互作用时，决定植被返青开始时间的主要季前环境因素是什么？3）在不同年度特定时间尺度与年际时间尺度上，各环境因素的相对重要性是否存在差异？为回答这些问题，本研究通过整合多时间尺度分析方法，研究了非洲各地影响植被返青开始时间的季前环境因素。本研究的具体目标包括：1）分析非洲主要生态系统中的植被返青开始时间的时空分布特征；2）确定各环境因素的适宜季前时长，并评估其在不同生态区之间的一致性；3）分别从年度特定时间尺度与年际时间尺度上，评估各季前环境因素的相对重要性。
章节节选
研究区域与土地覆盖类型
本研究聚焦于非洲，这是世界第二大洲，面积约为3030万平方公里，拥有独特多样的地形，境内有大约54个国家（White，1983；Pr?v?lie等人，2019）。非洲的气候多样，从热带气候到干旱气候都有（NourEldeen等人，2020），根据柯本气候分类法，非洲的气候可划分为热带气候、温带气候和干旱气候（Yevide等人，2015）。
非洲的土地覆盖类型数据来源于MODIS/Terra土地覆盖类型年度L3全球数据集。
植被返青开始时间的时空分布
2001年至2023年间，非洲各地植被返青开始时间的分布因生态系统和地理区域的不同而存在差异。在北非地区（0–25°N），农田和草地中的植被返青主要发生在3月至7月之间，其中6月出现的频率最高（见图2）。北部灌木丛地区的植被返青时间范围更广，从3月持续到8月，其中6月和7月的返青现象最为普遍。而该地区的林地植被返青时间范围则较短，仅在3月到……之间出现。
非洲植被返青开始时间的时空变化趋势
非洲北部与南部在植被返青开始时间的早晚及变化趋势上存在明显差异，这体现了非洲多样的气候与生态特征。在北部生态区，植被返青通常发生在3月至8月之间，6月是返青的高峰期（见图2）。这一规律与以往的研究结果一致，那些研究指出植被返青时间在3月至7月之间（Shi等人，2023），或在2月下旬至8月之间（Adole等人，2018b）。不同研究结果之间的差异很可能源于研究方法的选择不同。
结论
本研究首次运用随机森林与偏最小二乘结构方程模型相结合的分析方法，基于2001年至2023年的GLASS叶面积指数数据，对非洲各类生态系统中的植被返青开始时间及其环境驱动因素进行了全洲范围的评估。分析结果表明，受不同气候条件的影响，非洲北部植被返青开始时间呈现提前趋势，而南部则出现延迟趋势。各环境因素的适宜季前时长也存在差异，其中湿度的滞后时间通常最长，为60–90天，而温度和……的滞后时间则相对较短。
作者贡献说明
Achivir Stella Yawe： 文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿编写、数据可视化、结果验证、软件应用、研究方法设计、正式数据分析、数据整理、研究概念构建。Feng Tian： 文章撰写——审阅与编辑、研究指导、项目管理、研究方法设计、实地调查、资金获取、研究概念构建。Oluwafemi Adewole Adeyeye： 文章撰写——审阅与编辑、数据可视化、软件应用、研究方法设计、正式数据分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划的支持（项目编号：2023YFF1303702）。
Achivir Stella Yawe|Feng Tian|Oluwafemi Adewole Adeyeye
中国武汉大学遥感信息工程学院，陆地与大气定量遥感湖北省重点实验室，武汉430072
