水分可用性调控喀斯特与非喀斯特森林生长季长度分异

《Agricultural and Forest Meteorology》：Water availability controls growing season length divergence between karst and non-karst forests

　　

摘要专业翻译 生长季长度（length of growing season, LOS）定义为生长季开始（start of season, SOS）与生长季结束（end of season, EOS）之间的时段，是植被对气候强迫生物响应的基本物候指标，决定了森林在时间窗口内同化碳、蒸散水分以及与近地表大气相互作用的时段。研究人员利用中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）总初级生产力（gross primary productivity, GPP）数据集（500 m空间分辨率、8天时间分辨率），对2001–2024年中国西南喀斯特地区的地表物候进行了制图，并对比分析了喀斯特森林（karst forest, KF）与非喀斯特森林（non-karst forest, NKF）之间LOS的时间动态与气候敏感性。研究发现，两类森林的LOS在研究期内均呈延长趋势，但喀斯特森林的LOS始终短于非喀斯特森林。在喀斯特森林中，水分可用性而非温度主导了LOS的年际变异，且喀斯特森林对水分亏缺表现出更高的物候敏感性。进一步分析表明，喀斯特地形中更快的土壤水分耗竭速率是导致其物候敏感性增强的关键机制。该研究揭示了喀斯特森林物候对水分胁迫的独特响应模式，为理解全球变化背景下岩溶区森林碳汇动态提供了重要科学依据。

论文解读

一、研究背景与科学问题

生长季长度（LOS）是植被物候的核心指标，定义为生长季开始（SOS）与生长季结束（EOS）之间的时间跨度。LOS的变化直接调控森林生态系统碳同化、水分蒸散及地表-大气相互作用的时间窗口，因此被公认为气候变化对陆地生态系统影响最敏感且最易观测的指示器之一。自1950年代以来，北半球中高纬度地区森林LOS以约每十年2天的速率延长，主要表现为SOS提前和EOS推迟。

然而，全球物候研究长期以温度驱动的温带和寒带生态系统为主，对喀斯特地貌区的关注严重不足。喀斯特地貌以可溶性碳酸盐岩为特征，具有独特的地表-地下双重水文结构，覆盖全球无冰陆地面积的约15.2%。中国南方喀斯特区面积约55万平方公里，是地球上最连续的热带-亚热带喀斯特森林带之一，也是区域碳汇的重要组成部分。与同纬度非喀斯特地形相比，喀斯特环境具有土层薄且不连续、基岩渗透性高、垂直排水迅速等特点，即使在年均降水量1000–2000 mm的湿润气候条件下，近地表仍持续存在水分亏缺。表层岩溶带作为关键但空间异质的水库，森林依赖深入基岩裂隙和管道系统的深根或侧生根系获取水分。在此约束下，喀斯特森林形成了生长缓慢、水分利用保守、耐旱物种占优的功能综合征。

尽管喀斯特森林在亚热带碳-水循环中扮演着不成比例的重要角色，其在全球物候研究中的代表性仍然不足。由于水分可用性而非热力驱动被广泛认为是亚热带喀斯特生态系统的主要限制因子，喀斯特森林的LOS可能通过水文介导的途径响应气候变率，与以温度为中心的研究范式存在分异。然而，这种气候敏感性的时间演化及其与非喀斯特森林的差异尚未得到充分刻画。此外，亚热带喀斯特地区以常绿阔叶林为主，其冠层绿度季节变化极小，传统的绿度指数（如归一化差值植被指数NDVI和增强型植被指数EVI）难以捕捉真实的物候转换，给SOS和EOS的提取带来巨大不确定性。与植被生理更直接相关的指标，如近红外植被反射率（NIRv）、日光诱导叶绿素荧光（SIF）和GPP，成为常绿景观中更可靠的替代方案。

二、研究内容与主要结论

针对上述科学空白，研究人员利用MODIS GPP数据集（500 m空间分辨率、8天时间分辨率），对2001–2024年中国西南喀斯特地区的陆地表面物候进行了系统制图，并对比分析了喀斯特森林（KF）与非喀斯特森林（NKF）之间LOS的时间动态和气候敏感性差异。研究目标包括两方面：一是量化西南喀斯特地区KF和NKF的LOS年际变化和长期趋势；二是厘清两类森林LOS对热力与水文气候驱动因子的敏感性差异。

研究得出以下核心结论：2001–2024年间，两类森林的LOS均呈显著延长趋势，但喀斯特森林的LOS始终短于非喀斯特森林；在喀斯特森林中，水分可用性而非温度主导了LOS的年际变异；喀斯特森林对水分亏缺表现出更高的物候敏感性；喀斯特地形中更快的土壤水分耗竭速率是导致其物候敏感性增强的根本机制。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：基于1:1000万全球可喀斯特化岩石图划分喀斯特与非喀斯特区域，利用30 m全球土地覆盖动态监测产品（GLC_FCS30D）识别2001–2024年间持续为森林的像元，并以森林覆盖率超过80%为阈值提取喀斯特森林和非喀斯特森林像元；采用Savitzky-Golay滤波对MODIS GPP时间序列进行平滑处理，运用分段逻辑模型（PLM）拟合GPP年际动态，通过一阶导数（FOD）的拐点确定SOS和EOS并计算LOS；利用6个涡度协方差（EC）通量站（普定PD、元江YJ、西双版纳XSBN_1/2、哀牢山ALS、环江HJ）的地面GPP观测数据对遥感物候结果进行验证，以平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）评估精度；采用Mann-Kendall（MK）非参数检验结合Sen斜率估计量化LOS趋势；运用偏最小二乘回归（PLSR）模型解析温度、降水、光合有效辐射（PAR）和土壤水分等气候因子对LOS年际变异的相对贡献。气候数据来源包括CHELSA气温、CHIRPS v3降水、MODIS MCD18A2 PAR以及国家地球系统科学数据中心1 km分辨率土壤水分数据。

四、研究结果

4.1 喀斯特与非喀斯特森林LOS的提取与验证

研究人员对MODIS GPP时间序列进行Savitzky-Golay滤波和平滑处理后，采用分段逻辑模型拟合GPP年际动态，通过一阶导数拐点确定SOS和EOS，进而计算LOS。为验证遥感物候制图精度，研究人员将相同方法应用于6个通量站点的地面GPP数据，提取地面SOS、EOS和LOS，并与对应年份、对应像元的遥感结果进行对比，以MAE和RMSE评估一致性。验证结果表明遥感物候提取方法具有较高精度，能够可靠地刻画亚热带常绿森林的物候转换。

4.2 KF与NKF的LOS年际变化与长期趋势

基于2001–2024年的物候制图结果，研究人员分别计算了喀斯特森林和非喀斯特森林像元的逐年平均SOS、EOS和LOS，构建了两条平行时间序列。MK检验结合Sen斜率估计显示，两类森林的LOS在研究期内均呈显著延长趋势，但喀斯特森林的LOS始终短于非喀斯特森林，表明两类森林在生长季长度上存在持续的系统性差异。

4.3 气候因子对LOS年际变异的相对贡献

研究人员采用PLSR模型，以温度、降水、PAR和土壤水分作为预测变量，分析其对KF和NKF的LOS年际变异的相对贡献。结果显示，在喀斯特森林中，水分相关变量（降水、土壤水分）对LOS变异的解释力显著高于温度，表明水分可用性是喀斯特森林LOS的主导气候驱动因子；而在非喀斯特森林中，温度仍发挥更为重要的作用。这一结果直接支持了水分而非温度控制喀斯特森林生长季长度的核心假说。

4.4 喀斯特森林物候敏感性增强的机制

进一步分析揭示了喀斯特森林物候敏感性增强的机制：喀斯特地形中土壤水分耗竭速率显著快于非喀斯特地形。由于土层浅薄、基岩渗透性高、垂直排水迅速，喀斯特地区在降水事件后土壤水分快速下降，导致植被在较短时间内即面临水分胁迫。这种快速的水分耗竭动态放大了植被对水分波动的响应幅度，从而使喀斯特森林的LOS对水分亏缺表现出更高的敏感性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，喀斯特森林LOS始终短于非喀斯特森林的现象，反映了岩溶地貌特有的水文约束对植被生长时间窗口的压缩效应。即使在湿润气候条件下，喀斯特系统因土壤储水能力有限和快速排水特性，植被仍频繁经历水分胁迫，限制了生长季的充分展开。研究结果强调了将水文过程纳入物候模型的重要性，尤其是在全球变化背景下，喀斯特森林作为重要的区域碳汇，其物候响应的独特性需要在碳循环模拟和碳汇评估中予以充分考虑。

研究结论可概括为：2001–2024年间，中国西南喀斯特地区喀斯特森林与非喀斯特森林的LOS均呈延长趋势，但喀斯特森林的LOS始终较短；水分可用性而非温度主导了喀斯特森林LOS的年际变异；喀斯特地形中更快的土壤水分耗竭速率是导致喀斯特森林物候敏感性增强的根本原因。该研究首次系统揭示了喀斯特与非喀斯特森林在生长季长度及其气候驱动机制上的分异，为理解全球变化背景下岩溶区森林碳汇动态提供了新的科学视角，也为亚热带常绿森林物候遥感监测方法的发展提供了重要参考。