评估当地城市发展强度对植被物候的影响：机制与未来情景模拟

《Environmental Impact Assessment Review》：Assessing the impacts of local urban development intensity on vegetation phenology: Mechanisms and future scenario simulation

　　摘要
城市化通过相互作用的环境途径重塑植被物候，然而当地城市发展特征与物候动态之间的单独和综合关联仍不明确。在此，我们开发了“Local Urban Development Intensity Characteristics”（LUDICs）框架，整合了夜间光照强度（NTL）、蓝光与红光比率（BRR）和建筑体积（BV）。该框架将城市物候评估从广泛的空间对比扩展到对物候时机、空间连贯性和不同气候条件下的未来响应的成分特定分析。利用30个中国城市的卫星衍生物候数据、夜间光照图像和建筑数据，我们将空间统计和协变量调整后的偏相关性与可解释的机器学习分析相结合。通过八种情景的因子设计，评估了2030-2100年间LUDICs在三种社会经济路径下的单独和综合效应。城市区域的生长季节长度的空间连贯性低于周边非城市区域，53.7%的不连续热点位于城市与非城市边界沿线。在以季风为主的城市中，较高的BRR与较长的生长季节相关，而较高的NTL和BV与较短的季节相关；在以大陆性气候为主的城市中，BRR和NTL的关联相反。LUDICs解释了模型解释的物候变异的20.4-31.4%。模型解读显示BRR和NTL存在阈值般的转变，而BV的贡献则从正面逐渐变为负面，并在两个极端情况下增强。包含NTL的情景产生了最大的预测变化，而已建立的LUDIC背景解释了大部分世纪末的响应。这些发现为评估城市发展方案提供了基于成分的具体依据，并支持气候适应性规划和环境评估。

引言
人类主导的城市环境构成了耦合的社会-生态系统，在这种系统中，植被面临栖息地破碎化（Li等人，2022年）、地表能量平衡和微气候改变（Vinayak等人，2022年）、夜间人工光线（Hou等人，2023年）以及密集管理。这些压力改变了调节春季绿化和秋季休眠的热力、水文和光照信号，从而影响生长季节长度（Zhou，2022年）。这些变化影响季节性蒸散、碳吸收和植被介导的冷却（Sitch等人，2003年；Su等人，2020年），以及相邻城市绿地中植被衍生生态服务的可靠性（Joiner等人，2014年；Zheng等人，2018年）。因此，植被物候提供了一个过程敏感的度量，表明城市发展条件如何影响植被，而不仅仅是其范围或覆盖的变化。

城市内的物候变异特别具有信息量，因为城市范围内的平均值可能掩盖了植被对发展的局部响应。城市与非城市的春季绿化和生长季节长度的对比因气候和城市而异（Li等人，2019年；Meng等人，2020年；Wohlfahrt等人，2019年）。城市化通常通过城市-农村梯度、不透水面比例（Ji等人，2023年；Li等人，2017年）、城市热岛强度（Kim等人，2024年；Lu等人，2006年）或单波段夜间光照来表示。这些指标捕捉了广泛的梯度，但难以解决在现有城市边界内更新、密集化和垂直增长所造成的异质性（Kakooei和Baleghi，2023年）。相邻的植被斑块共享相同的气候环境，但可能经历不同的局部光照、热力和辐射环境。因此，它们的物候时机和空间连贯性可以揭示不均匀的城市压力，并确定季节同步性降低的区域。城市级别或单一代理的评估可能会检测到一般的城市信号，但无法轻易识别局部热点或将它们与特定的发展特征联系起来。这种局限性要求对当地城市发展进行多维度表示。

有效的环境评估，包括环境影响评估（EIA）和战略环境评估（SEA），依赖于科学上可辩护且与决策相关的指标（Donnelly等人，2007年）以及足够准确性和分辨率的空间数据（Cilliers等人，2022年）。细尺度指标和高分辨率空间分析已经证明了它们在量化城市环境变化（Dizdaroglu，2015年）、碳储存损失（Waleed等人，2024年）、生态系统服务不平衡（Zeng等人，2023年；Zhong等人，2025年）以及尺度依赖的植被响应（Yu等人，2023年）方面的价值。尽管取得了这些进展，但当地发展的个别可修改属性与植被物候之间的关系仍未得到充分描述。因此，综合城市化指标为比较不同的发展配置或确定应针对哪些发展组件采取缓解措施提供了有限的基础。这一缺口突显了需要一个以评估为导向的指标框架，该框架能够区分当地变化的发展组件，并评估它们与植被物候的各自关系。

为了填补这一缺口，我们引入了“Local Urban Development Intensity Characteristics”（LUDICs）作为一个多维度指标系统，包括夜间光照强度（NTL）、蓝光与红光比率（BRR）和建筑体积（BV）。NTL表征了人工照明，并部分反映了夜间活动（Levin和Duke，2012年）；来自可持续发展科学卫星1号（SDGSAT-1）的多光谱BRR区分了照明光谱和整体强度，并可以反映采用蓝光增强型发光二极管（LEDs）的相关光谱差异（Zhang等人，2024年）；BV捕捉了与水平扩展和垂直密集化相关的建筑存量（Kakooei和Baleghi，2023年；Liu等人，2025年；Mahtta等人，2019年）。高分辨率夜间图像和建筑形态数据允许在城市内部绘制这些互补的维度（Kuang等人，2020年；Wu等人，2023年）。

每个LUDIC组件代表一个独特的、可能相互作用的物候变化路径。通过中断黑暗期，NTL捕获的人工照明可以改变感知的光周期、昼夜节律同步和季节性转变，可能提前春季活动或延迟秋季衰老；反应随季节和气候而变化（Batista等人，2024年；Shibaeva和Titov，2025年；Tougeron和Sanders，2023年；Wang等人，2025年）。BRR增加了光谱信息。蓝光敏感的隐花色素和红/远红光敏感的植物色素参与昼夜节律和光周期信号传导，而光敏蛋白介导额外的蓝光响应；因此，相同强度但不同光谱的照明在物候效果上可能有所不同（Bennie等人，2016年）。BV捕捉了三维的建筑形态。较高的BV伴随更密集或更高的发展时，热储存和较弱的夜间冷却可能缓解温度限制，而遮荫、改变的辐射交换和受限的通风可能减少光照可用性或加剧热和水压（Chen等人，2021年；Nugroho等人，2022年）。这些局部尺度的压力指标描述了周围条件，并可能通过相互作用有时是相反的路径产生非线性的、依赖气候的响应。

因此，前瞻性的物候评估需要综合考虑气候强迫和当地城市形态及照明环境的变化。尽管城市与农村的物候差异已有充分记录（Jochner和Menzel，2015年），但对未来城市发展的响应可能是非线性的（Ji等人，2023年；Yang等人，2020年），并受背景气候的影响（Kim等人，2024年；Liu等人，2018年；Walker等人，2015年；Yang等人，2023年），这对气候缓解和生态系统管理有影响（Chen等人，2022年；Piao等人，2019年；Seto等人，2012年）。因为照明转变和垂直密集化可以在不增加土地面积的情况下改变局部植物环境，仅基于气候强迫或二维城市增长的预测可能会忽视重要的发展相关压力。来自Coupled Model Intercomparison Project Phase 6（CMIP6）的气候预测，结合共享社会经济路径（SSPs），提供了另一种气候和社会经济轨迹（O'Neill等人，2016年）。可解释的机器学习提供了一种实用的方法来描述这些轨迹下的条件和非线性物候响应（Jia等人，2024年；Wang等人，2022年；Zaimes等人，2019年）。将特定成分的LUDIC轨迹与SSP一致的气候强迫相结合，为比较不同发展路径下的物候影响提供了连贯的基础。

在这里，我们将LUDIC框架应用于30个中国城市，以评估当地城市发展的物候影响。该研究通过以下方式推进了城市化-物候评估：（1）在一个综合框架内区分照明强度、光谱组成和三维建筑形态；（2）评估物候时机和空间连贯性，以捕捉超出城市范围平均变化的局部干扰；（3）结合协变量调整的线性分析和可解释的机器学习来识别非线性响应机制和阈值；（4）使用正交的23因子设计来分离各个发展组件的预测效应及其相互作用。这些进展将潜在的可修改的当地发展属性与明确的物候响应联系起来。因此，LUDIC框架可以通过支持具体成分的物候影响归因、比较不同的发展和照明轨迹以及设计特定情境的缓解措施来为环境评估提供信息。我们解决了三个问题：（1）LUDIC组件如何与城市物候时机和空间连贯性相关？（2）气候背景和发展层次如何影响这些关系？（3）在21世纪中后期，城市物候在不同气候和LUDIC轨迹下可能如何变化？

研究区域
我们分析了30个位于北纬31.69°-46.57°的中国城市。研究重点关注北纬30°以北的城市，因为这些城市的季节性植被生长-休眠周期通常更为明显。这种季节性有助于与许多低纬度常绿生态系统相比一致地检测遥感物候转变（Cong等人，2012年；Li等人，2021年）。选择这些城市是为了（1）实现从东部沿海到西部内陆地区的空间平衡，并减少地理聚集；（2）...

LUDIC对植被物候的空间模式
在30个城市中，生长季节长度在城市和周边非城市区域都表现出显著的空间自相关性（所有Moran's I检验：P < 0.001；图2a）。非城市区域的Moran's I始终高于城市区域，表明城市内部的物候连贯性较低。强烈的干扰（Δ Moran's I > 0.6）主要发生在较低纬度。城市Moran's I随纬度增加而增加（??=0.51，p < 0.01），而Δ Moran's I随经度减少（??...

多维度LUDIC效应和城市物候的空间破碎化
这项研究表明，城市发展重新组织了植被物候的时机和空间连贯性。较低的城市Moran's I和边缘相关空间异常值的普遍存在表明，连贯性的丧失集中在城市和非城市环境交汇处。这些边界结合了陆地覆盖、辐射、温度和管理的突然变化，导致相邻植被斑块暴露于对比明显的季节性信号中。几个城市内部的热点揭示了...

结论
本研究开发了LUDIC框架，以描述城市照明和三维建筑形态如何与植被物候相关。在30个中国城市中，城市区域的生长季节长度在空间上的连贯性低于周边非城市区域，53.69%的局部不连续热点位于城市与非城市边界沿线。LUDIC与物候的关联在不同气候组中在形式和方向上都有所不同。NTL和BRR表现出阈值般的转变，而BV则表现出...

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢编辑和匿名审稿人提出的建设性建议，以提高本文的质量。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U2344216、42271471和42401559）的支持。本研究使用了国际可持续发展目标大数据研究中心（CBAS）通过SDGSAT-1开放科学计划提供的SDGSAT-1数据。

作者列表
鞠俊|周黄|侯志|任树良|闫晓琴|尹甘民|鲍毅
北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所，北京100871，中国