北半球生态系统积雪覆盖与春季返青联系的生态水文路径

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Ecohydrological pathways linking snow cover to spring green up across Northern Hemisphere ecosystems

　　

积雪覆盖指标的变化强烈调控着生长季开始时间（Start of Growing Season, SOS）。然而，关于不同积雪指标如何通过热力和水分途径影响SOS的机制性理解仍然不足。本研究利用1982至2022年的多源遥感数据集，调查了北半球季节性积雪区积雪覆盖与SOS之间的关系。研究发现，相较于积雪覆盖持续时间（Snow Cover Duration, SCD）或积雪量，SOS对积雪消融日期（Snow Cover End Date, SCED）更为敏感。路径分析表明，SCED主要通过改变融雪后的热力条件来影响SOS。相比之下，最大雪水当量（Maximum Snow Water Equivalent, SWEmax）对于SOS的影响则更依赖于土壤水分调节，尤其是在干旱地区和草地生态系统。这些发现强调了积雪时间和积雪量在调节春季植被物候方面所扮演的不同生态水文角色，并为改进陆面过程模型中积雪-植被相互作用的表征提供了基础。

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研究背景与科学问题

北半球中高纬度地区经历了显著的变暖，气温上升速度接近全球平均速率的两倍。由于积雪对温度升高高度敏感，积雪覆盖持续时间（SCD）和积雪消融日期（SCED）等指标在过去几十年发生了显著变化。大量证据表明，积雪覆盖指标的变动强烈影响着植被的生长季开始时间（SOS）。SOS的变化能够进一步影响生态系统的碳同化、干旱响应和生产力的反馈到气候系统。因此，识别积雪覆盖对SOS的影响对于预测未来春季返青和评估植被对气候变化的响应至关重要。

尽管已有众多研究探讨了控制SOS的机制，例如春季温度被认为是北半球SOS的主要驱动因素，降水与太阳辐射也是重要影响因素，但大多数研究集中于温度、降水和辐射的影响。近年来，虽然越来越多的研究关注到积雪与SOS的联系，例如在中国东北和阿拉斯加的研究发现更早的SCED和更短的SCD与更早的SOS相关，但这些研究对于其背后的机制理解仍不充分。具体而言，不同的积雪覆盖指标（如SCED、SCD、SWE_max）如何通过改变融雪前期的热力条件和土壤水分有效性来影响SOS，在不同生态系统间存在何种差异，这些问题尚未得到定量化的、跨生态系统的清晰解答。因此，亟需一项大尺度的研究来阐明积雪覆盖如何通过不同的生态水文路径调控SOS。

研究方法与技术路线

为探究上述问题，研究人员利用1982年至2022年间的多源遥感数据集，聚焦于北半球的季节性积雪区域。主要关键技术方法如下：

1. 1.
   数据获取与处理：
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     植被指数数据：采用GIMMS NDVI3g数据集提取SOS，并通过与MODIS NDVI产品对比验证其可靠性。
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     气象与土壤数据：从ERA5-Land再分析数据集中获取积雪覆盖率、雪水当量、气温和土壤水分数据。
   • •
     空间一致性处理：将NDVI数据重采样至与ERA5-Land数据相同的0.1°分辨率。
2. 2.
   指标计算：
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     积雪覆盖指标：基于水文年（9月1日至次年8月31日），定义积雪日（积雪覆盖率>20%且SWE>1mm），计算SCED、SCD和SWE_max。其中SCED定义为连续至少3个积雪日中最后一个积雪日的序列中的最终日。
   • •
     SOS提取：首先使用双逻辑斯蒂函数拟合NDVI时间序列，然后通过计算拟合曲线的二阶导数，采用拐点法提取SOS。
3. 3.
   分析方法：主要采用相关性分析和路径分析等方法，量化不同积雪指标对SOS的影响及其潜在的热力和水分传导路径。

主要研究结果

1. 北半球SOS与积雪覆盖指标的空间格局

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  研究结果：通过分析1982-2022年的数据，研究人员绘制了北半球SOS及积雪覆盖指标（SCED、SCD、SWE_max）的空间分布图。结果显示，SOS、SCED、SCD和SWE_max均呈现出明显的纬度地带性和区域性特征，例如高纬度地区SOS普遍较晚，而低纬度地区较早。

2. 不同生态系统SOS对积雪覆盖指标的敏感性

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  研究结果：通过相关分析，研究人员发现SOS对SCED的敏感性普遍高于对SCD和SWE_max的敏感性。这表明积雪消融的时间节点比积雪持续总时长或积雪总量更能直接影响植被的春季返青。此外，这种敏感性在不同生态系统间表现出显著差异，例如森林和农田的SOS受SCED影响更大，而草地的SOS则与SCD和SWE_max的关系更为密切。

3. 积雪覆盖影响SOS的生态水文路径

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  研究结果：路径分析揭示了积雪覆盖影响SOS的两个主要生态水文路径：
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    热力路径：SCED主要通过影响融雪后的地表热力条件来调控SOS。更早的SCED意味着地表更早暴露，吸收更多太阳辐射，导致土壤和空气温度升高，加速了满足植被返青所需的热量积累，从而促使SOS提前。
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    水分路径：SWE_max主要通过影响土壤水分来调控SOS，尤其是在干旱和半干旱地区的草地生态系统。更大的SWE_max意味着融雪后能为土壤提供更多的水分，缓解早春的水分胁迫，从而有利于植被提早返青。

总结与讨论

讨论部分总结：本研究的结果强调了不同积雪覆盖指标在调控SOS方面扮演着截然不同的生态水文角色。SCED主要通过改变融雪后的热力条件发挥作用，而SWE_max则在干旱地区通过影响土壤水分供应来起作用。这一发现解释了为何在不同生态系统和气候条件下，积雪与SOS的关系会呈现空间异质性。例如，在寒冷湿润的地区，热力条件可能是主导因素；而在干旱地区，水分条件的改善可能成为推动SOS提前的关键。研究还指出，未来的气候变化情景下，积雪覆盖模式的改变（如SCED提前、SWE_max减少）将对不同生态系统的春季物候产生差异化影响，这需要在生态和水文模型中予以充分考虑。

研究结论：本研究表明，在北半球季节性积雪区，SOS对SCED最为敏感。SCED主要通过调节融雪后的热力条件影响SOS，而SWE_max则主要通过影响土壤水分来调控SOS，尤其在干旱区和草地。这些发现为理解积雪覆盖如何通过不同的热力和水分路径影响春季植被返青提供了新的生态水文视角，并为改进水文和陆面模型中积雪-植被相互作用的模拟奠定了基础。