《Frontiers in Plant Science》：Seasonal ecological quality in China: concurrent and lagged drought responses and dominant factors
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摘要：引言：全球变暖正在加剧季节性干旱，并增加其对陆地生态系统的压力。然而，大多数关于干旱对生态质量影响的评估仍集中在年度尺度或同期关系上，对干旱季节性、滞后效应以及沿干湿梯度差异的关注不足。方法：本研究构建了2001年至2022年中国春季、夏季和秋季的遥感生
摘要：引言：全球变暖正在加剧季节性干旱，并增加其对陆地生态系统的压力。然而，大多数关于干旱对生态质量影响的评估仍集中在年度尺度或同期关系上，对干旱季节性、滞后效应以及沿干湿梯度差异的关注不足。方法：本研究构建了2001年至2022年中国春季、夏季和秋季的遥感生态指数（Remote Sensing Ecological Index, RSEI），并在季节尺度上分析了生态质量的时空变化特征。同时，通过整合标准化降水蒸散发指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI）、其他气候变量和人类活动数据，研究人员调查了季节性干旱对生态质量的同期和滞后效应，将这些效应纳入后续的生态质量变化驱动因素分析中，并进一步比较了不同干湿区域中干旱响应和主导因素模式。结果与讨论：春季、夏季和秋季的平均RSEI均显著增加，速率分别为0.0032、0.0017和0.0012 yr-1（p < 0.01）。季节性RSEI对SPEI的显著响应面积在夏季最大，占研究区域的30.15%，其次是春季和秋季，分别占26.78%和23.53%。春季RSEI主要受同期春季SPEI影响，夏季RSEI主要受前期春季干旱影响，秋季RSEI主要受前期冬季和夏季干旱影响。干旱响应在干湿区域间差异显著。春季，干旱对生态质量的显著影响范围总体上随干旱程度增加而减小，而在夏季，半干旱区的影响范围最大。秋季，在湿润和半湿润区，RSEI与SPEI主要呈负相关，而在半干旱和干旱区主要呈正相关。在考虑滞后干旱效应后，SPEI是三个季节中显著影响范围最广的主导因素，而温度、人类足迹和土壤湿度分别是春季、夏季和秋季的主要次要因素。季节性生态质量监测、干旱风险识别和区域生态保护因此应考虑干旱发生季节、前期水分条件和区域干湿背景。这些发现可为中国季节性生态监测、区域化干旱风险管理和差异化生态保护策略提供科学支持。
**论文解读：中国季节性生态质量对干旱的同期与滞后响应及主导因素研究**
**研究背景与问题**
全球变暖导致季节性干旱的频率和强度持续增加，对陆地生态系统构成日益严峻的威胁。干旱通过削弱水分供应、加剧土壤侵蚀、引发森林退化等途径，显著降低生态质量。然而，现有研究大多聚焦于年度尺度的干旱影响或简单的同期关系，忽略了干旱的季节性差异、滞后效应以及不同干湿气候背景下的响应差异。此外，生态质量评估常采用综合指数如遥感生态指数（RSEI），但基于RSEI的分析多集中于年际变化，缺乏对季节性RSEI响应干旱的系统性探讨。中国作为全球第三大陆地国家，拥有多样的气候区和地形，季节性干旱频发（如西南地区2009-2010年秋冬春连旱、2022年长江流域严重夏秋旱），对生态质量造成了显著负面影响。因此，有必要从季节尺度出发，结合同期与滞后效应，并考虑干湿区域差异，全面评估季节性干旱对中国生态质量的影响及其主导因素，为生态保护与干旱风险管理提供科学依据。
**研究内容与结论**
研究人员构建了2001-2022年中国春季、夏季和秋季的RSEI数据集，并结合标准化降水蒸散发指数（SPEI）、气候变量（温度、降水、辐射、土壤湿度）及人类活动数据（人类足迹），系统分析了季节性生态质量的时空变化特征，探讨了季节性干旱对生态质量的同期和滞后效应，并在此基础上识别了各季节生态质量变化的主导因素，进一步比较了不同干湿区域（湿润、半湿润、半干旱、干旱）的差异。主要结论包括：（1）2001-2022年间，中国春季、夏季和秋季的平均RSEI均显著增加（p < 0.01），春季增速最快（0.0032 yr
-1），秋季增速最慢（0.0012 yr
-1）；空间上，显著改善区域主要分布在云贵高原、华南、长江中下游平原等地，而秋季在青藏高原西部和西北干旱半干旱区北部出现显著下降。（2）季节性RSEI对SPEI的响应面积在夏季最大（30.15%），春季次之（26.78%），秋季最小（23.53%）；春季RSEI主要受同期春季SPEI影响，夏季RSEI主要受前期春季干旱影响，秋季RSEI主要受前期冬季和夏季干旱影响。（3）干旱响应沿干湿梯度差异显著：春季，显著响应面积随干旱程度增加而减小；夏季，半干旱区响应面积最大（36.51%）；秋季，湿润和半湿润区以负相关为主（即更湿润条件不利于生态质量），半干旱和干旱区以正相关为主。（4）在考虑滞后干旱效应后，SPEI是三个季节中影响范围最广的主导因素（春季32.0%、夏季34.2%、秋季35.5%）；温度是春季次要主导因素，人类足迹是夏季次要主导因素，土壤湿度、辐射、温度、降水、人类足迹在秋季作用较分散。该研究发表在《Frontiers in Plant Science》。
**关键技术方法**
本研究主要采用以下关键技术方法：（1）遥感生态指数（RSEI）构建：基于绿度（NDVI）、湿度（WET）、热度（LST）、干度（NDBSI）四个指标，通过主成分分析（PCA）提取第一主成分并归一化得到RSEI，数据来源于Google Earth Engine平台，时间分辨率为季节（春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月）。（2）干旱指数：使用标准化降水蒸散发指数（SPEI-3）表征季节性干旱，数据来源于Zhang等（2025）的0.1°月尺度格点数据集，选取5月、8月、11月及次年2月的SPEI-3分别代表春季、夏季、秋季和冬季干旱。（3）趋势分析：采用Mann-Kendall检验和Sen's斜率估计分析RSEI和SPEI的时空变化趋势。（4）滞后偏相关分析：在控制温度、降水、辐射、土壤湿度和人类活动后，逐像元计算季节性RSEI与同期及前期各季节SPEI的偏相关系数，确定每个像元RSEI对SPEI的响应最强季节（即主导滞后季节）。（5）多因素偏相关分析：在主导滞后季节的SPEI、温度、降水、辐射、土壤湿度、人类足迹六个变量中，逐像元计算偏相关系数，识别每个像元RSEI变化的主导因素，并利用方差膨胀因子（VIF）检验多重共线性。
**研究结果**
**3.1 季节性RSEI和SPEI的时空变化特征**
通过主成分分析，第一主成分（PC1）解释了春季、夏季、秋季RSEI方差贡献率的61.90%-85.16%，平均72.95%，其中夏季最高（83.16%）。NDVI和WET负载为正，LST和NDBSI负载为负，符合生态意义。2001-2022年，全国平均春季RSEI显著增加（0.0032 yr
-1，R2=0.68），夏季（0.0017 yr
-1，R2=0.39）和秋季（0.0012 yr
-1，R2=0.37）也显著增加。空间上，春季显著增加区域占36.67%，主要分布在云贵高原、华南、长江中下游平原、四川盆地东部、黄淮海平原、黄土高原、东北平原及西北干旱半干旱区东部和南部；夏季显著增加占26.02%，集中在黄土高原北部、东北平原北部、华南、云贵高原中部、黄淮海平原北部及西北干旱半干旱区东部和南部边缘；秋季显著增加占29.70%，分布在云贵高原、华南、四川盆地东部、黄土高原北部、长江中下游平原和黄淮海平原。秋季显著下降区域占3.28%，主要位于青藏高原西部和西北干旱半干旱区北部。SPEI趋势方面，夏季和秋季以上升为主（63.36%和57.37%），春季和冬季以下降为主（56.46%和64.09%）。
**3.2 气候变化和人类活动下季节性干旱对生态质量的同期和滞后效应**
在控制温度、降水、辐射、土壤湿度和人类活动后，偏相关分析显示：春季RSEI对SPEI的显著响应面积占研究区26.78%，其中响应最强的季节为同期春季SPEI（占显著响应像素的30.48%），其次为前期秋季（27.59%）和前期夏季（26.97%），冬季最小（14.96%）；空间上，前期夏季干旱主要影响西北干旱半干旱区和青藏高原东部，前期秋季干旱影响长江中下游平原南部，前期冬季干旱影响云贵高原和四川盆地中部，同期春季干旱影响东北平原东部和南部、青藏高原南部及云贵高原。夏季RSEI的显著响应面积最大（30.15%），且对前期春季SPEI响应最强（占31.78%），其次为同期夏季（27.16%）、前期冬季（21.25%）和前期秋季（19.81%）；前期春季干旱主要影响西北干旱半干旱区中西部和青藏高原西部。秋季RSEI的显著响应面积占23.53%，对前期冬季SPEI响应最强（占29.92%），其次为前期夏季（27.39%）、同期秋季（22.38%）和前期春季（20.31%）；前期冬季干旱主要影响四川盆地、黄土高原、长江中下游平原和云贵高原部分，前期夏季干旱影响西北干旱半干旱区部分和青藏高原中西部。春季各干湿区域中，湿润区显著响应比例最高（35.70%），干旱区最低（16.25%）；夏季半干旱区显著响应比例最高（36.51%），且干旱区半干旱区和干旱区以正相关为主；秋季半湿润区显著响应比例最高（29.63%），湿润和半湿润区以负相关为主（负相关比例分别为52.27%和61.68%），半干旱和干旱区以正相关为主（正相关比例分别为53.00%和61.75%）。
**3.3 考虑滞后干旱效应的季节性RSEI主导因素识别**
在纳入滞后干旱效应后，多因素偏相关分析表明：春季，SPEI是主导因素面积最大的因子（占显著主导像素的32.0%），温度次之（29.4%）；SPEI主导区主要分布在青藏高原东部和南部、云贵高原、四川盆地中部、长江中下游平原南部和北部，温度主导区主要在西北干旱半干旱区东部、东北平原北部和黄土高原南部。夏季，SPEI主导面积最大（34.2%），人类足迹次之（19.8%）；SPEI主导区主要分布在西北干旱半干旱区中西部、青藏高原中部、黄土高原、华南和云贵高原局部，人类足迹主导区主要在东北平原东部、长江中下游平原、四川盆地、黄淮海平原北部、云贵高原中部和华南局部。秋季，SPEI仍为最大主导因子（35.5%），土壤湿度、辐射、温度、降水、人类足迹分别占15.4%、14.2%、12.3%、11.3%、11.1%；SPEI主导区分布在西北干旱半干旱区东部和西部、青藏高原南部、东北平原、云贵高原、黄淮海平原和华南局部。方向性上，春季和夏季SPEI主导区以正相关为主（89.5%和82.1%），人类足迹主导区以负相关为主（91.7%）；秋季SPEI主导区正负比例相近（53.3%和46.7%）。干湿区域差异：春季，湿润区和干旱区SPEI主导面积最大；半湿润和半干旱区温度主导面积略大。夏季，湿润和半湿润区人类足迹主导面积最大，半干旱区SPEI主导最大，干旱区温度主导最大。秋季，所有干湿区域均以SPEI为主导因子，面积最大。
**讨论与结论**
研究人员指出，中国生态质量的改善与生态修复工程（如退耕还林、三北防护林）密切相关，但改善存在季节性差异和空间异质性，部分区域夏季和秋季仍出现下降，表明生态恢复未能完全抵消气候变率和水分限制的影响。干旱对生态质量的影响不仅取决于同期干旱，还受前期水分条件制约，这种滞后效应通过土壤水分记忆、植被生理遗留效应等机制实现。春季干旱响应以同期为主，但前期夏秋干旱也重要；夏季干旱响应最显著，且半干旱区尤为敏感；秋季干旱响应复杂，湿润区过量水分可能抑制生态质量。在考虑滞后效应后，SPEI（反映水分供应与蒸散发需求平衡）成为三个季节最广泛的主导因子，表明季节性生态质量变化不能仅用单一气候变量解释。温度对春季、人类足迹对夏季、土壤水分和辐射对秋季生态质量具有重要调节作用。研究建议：生态保护应区分干旱发生季节和前期水分条件，春季需关注前期秋冬水分状况，夏季应区别水分限制区与高强度人类活动区，秋季应避免“增水必然有益”的假设，在湿润区需综合考虑涝渍与辐射限制。研究局限性包括：人类足迹数据为年尺度，无法捕捉季节变化；仅使用SPEI-3，未比较其他积累时间尺度；偏相关分析不能建立因果路径；固定日历季节未考虑物候差异。结论：2001-2022年中国春季、夏季和秋季生态质量总体改善，但改善程度不均；季节性干旱对生态质量的影响存在同期和滞后效应，且沿干湿梯度差异显著；SPEI是三个季节生态质量变化的优势主导因素，温度、人类足迹、土壤湿度等次要因素具有季节性特异性；生态质量监测与干旱风险管理需考虑干旱发生季节、滞后效应和区域干湿背景。
