《Methods in Ecology and Evolution》：The PhenoChange network protocol for monitoring leaf phenology in tropical dry ecosystems using phenocameras
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热带干旱生态系统（Tropical dry ecosystems, TDEs）覆盖了热带地区约一半的面积，在全球碳动态中发挥着关键作用。该类生态系统具有独特的冠层和地面层结构，两者往往表现出截然不同的物候格局。研究人员指出，以人眼进行的地面物候观测虽然具有价值
热带干旱生态系统（Tropical dry ecosystems, TDEs）覆盖了热带地区约一半的面积，在全球碳动态中发挥着关键作用。该类生态系统具有独特的冠层和地面层结构，两者往往表现出截然不同的物候格局。研究人员指出，以人眼进行的地面物候观测虽然具有价值，但存在时间分辨率有限和观察者偏差等不足；卫星数据虽覆盖广泛，却受云层干扰和空间分辨率较低的限制。物候相机（phenocameras）已被证实是一种经济高效的高频监测工具，然而多数相关研究基于塔架安装方式，难以捕捉地面层的物候动态。为此，研究人员开发了一套标准化协议，利用安装于立杆和树干上的红外触发相机（trail cameras，即物候相机）对TDEs中冠层和地面层植被的叶片物候进行同步监测。该协议已在巴西和安哥拉的稀树草原（savanna）、干旱森林（dry forest）和林地（woodland）站点得到验证。研究结果证明，安装于树干或立杆上的物候相机能够有效捕捉冠层和地面层的物候格局；相机应优先固定安装于立杆上，若条件不允许，则应安装于大树树干。研究发现，安装于地面以上1米与2米高度处的相机所捕捉的地面层物候季节格局高度相关。研究人员建议每个站点至少安装三台相机，以提供更为精确的群落水平物候估计，并在相机发生故障或丢失时维持连续的时间序列。该协议使得在包括偏远地区在内的各类环境中对植物群落及冠层和地面层开展可扩展、可复制的物候监测成为可能，从而增强了研究人员对热带干旱生态系统中植被响应环境变异性的检测与解释能力。
# 解读文章
## 1. 研究背景与科学问题
热带干旱生态系统（TDEs）指经历足够季节性水分胁迫、植被至少部分落叶的生态系统，覆盖热带约一半面积，是全球陆地碳汇及其时间趋势和变异性的重要驱动者。TDEs包含干旱森林、灌丛、林地、稀树草原等多种植被类型，其植被结构以木本冠层和主要由禾草、灌木组成的地面层为特征，两层往往具有显著不同的物候格局。卫星遥感虽推动了地表物候研究，但光学传感器时间序列常受雨季云层干扰，空间分辨率不足导致混合像元效应，且自上而下的观测方式难以区分冠层与地面层各自的物候动态。传统地面人工观测虽可捕捉群落内物候分化，但要求每周至每两周的高频样地访问，人力成本高，且存在观察者偏差。物候相机以低成本和高时间分辨率成为有效补充，但常见塔架安装方式在多数干旱热带站点无法实现，且自上而下的视野难以捕捉地面层物候信号。此外，既有研究普遍存在单站点仅安装一台相机的问题，群落尺度上所需相机数量尚不清楚。针对上述挑战，研究人员开发了一套基于地面安装、固定于立杆或树干的红外触发相机的标准化协议，以同时监测TDEs冠层和地面层的叶片物候。
## 2. 研究目标与主要结论
该研究旨在解决四个关键方法学问题：树上安装的相机能否有效捕捉冠层与地面层物候行为；树上安装的相机是否足够稳定；需要多少台相机才能捕捉群落水平平均物候行为；相机安装高度是否影响地面层物候的量化。研究结果表明，树上安装的相机能有效捕捉两个植被层的物候格局，且比塔架相机更能捕捉地面层动态；相机在较大树干上安装稳定性更好；每站点至少三台相机可较好地捕捉两层群落水平物候；1米与2米安装高度对地面层绿度指数测量无显著影响。该协议已在巴西和安哥拉的四个站点开展试验，并推广至南美洲和非洲的九个站点，建立了PhenoChange网络。
## 3. 主要研究技术方法
研究采用了Bushnell红外触发相机，由AA锂电池供电，每日06:00至18:00每小时拍摄三张JPEG图像（分辨率1280×960像素）。对每张图像划定感兴趣区域（region of interest, ROI），分别代表冠层、地面层和整个群落。从各ROI提取红绿蓝（RGB）通道亮度值，计算归一化绿色坐标（green chromatic coordinate, Gcc），取10:00至14:00正午照片的90百分位以消除云层和光照波动影响。使用广义加性模型（GAMs）和带AR1自相关的广义加性混合模型（GAMMs）平滑Gcc时间序列。站点包括巴西的Fazenda água Limpa（FAL，密林稀树草原）、Itirapina（ITP，开阔稀树草原）和Petrolina（PET，非火烧灌丛）以及安哥拉Bicuar国家公园（BNP，miombo林地），统计方法涉及广义最小二乘（GLS）、标准化主轴（SMA）回归及收益递减分析。
## 4. 研究结果
### 4.1 树上安装的相机能否有效捕捉冠层与地面层物候行为
在FAL站点，树上安装的冠层相机的Gcc时间序列与塔架相机高度一致（原始相关ρ=0.92），去趋势后仍显著同步；而地面层Gcc与塔架Gcc相关性较弱（ρ=0.63），去趋势后无显著关系。在PET站点，冠层相机与塔架相机同样呈现较强的一致性（ρ=0.78），但地面层与塔架去趋势后无显著关系。配对冠层与地面相机分析显示，两层之间的物候关系在短时间尺度上因样点而异，存在负向、无关系或弱正向等多种情况。这些结果表明塔架自上而下视角无法有效捕捉地面层物候，而树上安装的相机可以分离两个植被层的物候信号。
### 4.2 树上安装的相机是否足够稳定
对ITP和BNP两站点的23台相机的视野（field of view, FOV）变化与树干胸径（DBH）进行回归分析，发现小树上安装的相机出现更多视野偏移（R2=0.14，p=0.081，边缘显著）。以一台安装在5.9 cm DBH树干上的相机为例，相机移动导致ROI从冠层偏移至地面层，未校正的Gcc时间序列从追踪冠层物候转为追踪地面层物候，经ROI校正后恢复了正确的物候轨迹。粗糙且皲裂的树皮（如巴西ITP站）较光滑树皮（如安哥拉站点）更容易导致相机不稳定。研究据此建议优先采用水泥锚定的立杆安装，或选用大树安装。
### 4.3 需要多少台相机才能捕捉群落水平物候行为
在ITP站点，六台相机中基于时间序列完整性的最多五台同时纳入收益递减分析。在地面层，随着相机数量从一台增加到四台，均方根误差（RMSE）较单台相机降低32%至75%；与五台相机均值参考的相关系数从单台的0.990–0.991提高到两台时≥0.997，三台及以上时≥0.999。冠层分析显示RMSE降低37%至75%，相关系数从单台的0.570升至两台0.852、三台0.978、四台0.996。三台相机即可对两层群落水平物候达成高一致性，第四台相机的增益有限；地面层比冠层表现出更均一的物候格局。
### 4.4 安装高度是否影响地面层物候量化
在BNP站点的四组配对相机（分别安装在1米和2米高度）中，原始Gcc相关系数为0.84至0.95，表明两台相机捕捉到相同的季节性趋势。去趋势残差分析未发现加性偏差（截距置信区间包含零），无比例偏差（斜率0.99至1.00，均不显著异于1），残差间呈显著正相关（β=0.36至0.67，p<0.001）。结果表明1米与2米安装高度对地面层Gcc数值及其短期变异性无系统性影响，两高度均可用于地面层物候监测。
## 5. 讨论与结论
研究讨论指出，分层物候监测对理解TDEs结构和功能至关重要。塔架相机在地面层监测方面存在固有局限，而近地面安装的相机是捕捉地面层物候的最佳选择。小树因树干体积及周长在干湿季间变化较大，导致相机滑动，建议避免在过小树干上安装；粗糙树皮亦加剧不稳定性，水泥锚定立杆为最优方案，但在非洲有大型动物破坏风险的地区，树干安装仍是可行选择。三台相机在群落水平上能有效捕捉两层物候，增加相机数量边际收益递减，但增设相机可作为应对设备损坏、失窃或干扰导致数据缺失的保障。2米安装高度在减少火灾风险和维护便利性之间取得平衡。将物候相机监测纳入永久样地（PSPs）研究，可评估气候驱动的物候变化对树木存活率和更新的影响，为理解物种持久性和生态系统功能提供关键信息。该协议拓展了物候相机在其他异质生态系统（如地中海区域、高山草地等）的适用性，为未来基于人工智能的植被类型自动分割奠定基础。
研究结论部分指出，本研究提供了首份针对TDEs同时监测冠层与地面层不同植被层物候的详细方法学指导。TDEs内部叶片物候的季节变化（如叶面积指数LAI）是区分不同生态系统类型的核心依据，落叶性作为热带森林应对干旱的关键避旱性状对气候变化高度敏感。该协议基于低成本红外触发相机，易于在偏远地区安装和维护，旨在使物候监测更普及，适用于多种相机型号和不同植被组分，为全球干旱热带物候监测网络的建立提供了可复制、可扩展的技术方案。
