岩溶水文地质约束放大植被物候对气候变异的响应——基于与非岩溶地区的对比研究（Hydrogeological Constraints Amplify Karst Vegetation Phenological Responses to Climate Variability: A Comparative Study with Non-Karst Regions）

《Landscape Ecology》：Hydrogeological constraints amplify phenological responses of karst vegetation to climate variability relative to non-karst vegetation

　　

**摘要**

**研究背景** 地质背景作为植被物候对气候变化响应的调节因子长期以来未得到充分关注。特别是，受水分和土壤限制的岩溶栖息地究竟是放大还是减弱了植被物候对气候变异性的响应，目前仍缺乏定量评估。

**研究目标** 本研究旨在检验岩溶基质相对于非岩溶地区是否会放大植被物候对气候变异性的响应，并探讨其潜在的调控路径。

**研究方法** 研究人员整合了MODIS增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index, EVI）时间序列数据（2001–2022年）、多源气候数据集以及碳酸盐岩分布图，评估了中国西南亚热带地区岩溶与非岩溶区域的植被物候动态。

**研究结果** 两个区域均表现出生长季开始期（Start of Growing Season, SOS）提前、生长季结束期（End of Growing Season, EOS）推迟以及生长季长度（Length of Growing Season, LOS）延长的趋势。尽管两种地貌类型间的这些波动总体同步，但岩溶地区始终表现出更大的异常幅度，尤其是在春季返青提前和生长季延长方面。像元尺度的随机森林-沙普利加法解释（Random Forest–SHAP）分析进一步揭示，岩溶地区中气候负效应促进SOS提前以及气候正效应延长LOS的像元比例均高于非岩溶地区。偏最小二乘路径模型（Partial Least Squares Path Modeling, PLS-PM）的证据进一步支持，岩溶地质背景通过水分限制和干旱胁迫间接塑造了植被物候。

**研究结论** 这些发现提供了区域层面的证据，表明岩溶植被物候对气候变异性的敏感性和脆弱性高于邻近的非岩溶景观，这对岩溶地区的物候建模和气候适应性生态恢复具有重要参考意义。

**论文解读：岩溶水文地质约束对植被物候气候响应的影响**

**一、研究背景与科学问题**

全球气候变暖正在改变陆地生态系统的结构和功能过程，植被对气候变化尤为敏感。植被物候——即发芽、展叶、开花、结果和枯萎的循环过程——反映了生态系统对持续气候变化的调整，直接调控碳固存、水循环和能量平衡，进而决定生态系统生产力。中国岩溶地貌面积约344万平方公里，占全球岩溶总面积（2200万平方公里）的15.6%，其中西南地区拥有世界上最大规模的连片岩溶景观。这些地区以碳酸盐岩为基底，成土能力弱，具有独特的表层-地下双层水文结构，导致大量地表水渗漏、基岩广泛出露以及土壤薄而空间不连续，形成了与周围非岩溶地区截然不同的栖息地。

已有研究大多聚焦于植被覆盖动态、生态工程成效和生产力对比，而岩溶与非岩溶系统之间系统性的物候比较仍然缺乏。尽管气候强迫被广泛认为是植被物候的主导控制因素，但其效应可能取决于地质背景如何调节水分的储存与运移。岩溶景观独特的水文地质条件可减少植物可利用水分并加剧干旱胁迫，然而，这种地质约束是否调节了气候-物候关系仍不清楚。因此，该研究旨在回答：岩溶地区独特的水文地质条件是否改变了植被物候对气候变化的响应？具体目标包括：（i）刻画SOS、EOS和LOS的时空格局与差异趋势；（ii）通过随机森林-SHAP量化关键气候驱动因子；（iii）利用PLS-PM阐明地质背景如何通过水分条件和干旱胁迫调节气候-物候耦合关系。

**二、研究结论与意义**

研究结果表明，岩溶与非岩溶地区的植被物候均表现出SOS提前、EOS推迟和LOS延长的趋势，但岩溶地区的变化幅度更大，尤其是在春季返青提前和生长季延长方面。SOS在岩溶地区的提前速率（-0.293天/年）快于非岩溶地区（-0.166天/年），LOS延长速率在岩溶地区（0.315天/年）也大于非岩溶地区（0.212天/年）。年际尺度上，岩溶地区SOS和EOS的异常响应斜率分别为1.280和1.256，表明分别存在28.0%和25.6%的放大效应；LOS的斜率为1.164，对应16.4%的放大。这种放大呈现不对称性：在不利年份（SOS延迟年和LOS缩短年），岩溶与非岩溶的差异更为显著。这些发现提供了区域层面的证据，表明岩溶植被物候对气候变异性的敏感性和脆弱性高于邻近的非岩溶景观，对岩溶地区的物候建模和气候适应性生态恢复具有重要参考价值。

**三、主要技术方法**

该研究整合了多源遥感与气候数据。MODIS MOD13Q1增强型植被指数（EVI）250米16天合成产品（2001–2022年）从Google Earth Engine获取并重采样至500米。气候数据包括国家青藏高原科学数据中心提供的基于CRU和WorldClim数据Delta降尺度的年均温和季节性降水（1公里分辨率）、TerraClimate数据集提供的太阳辐射、土壤湿度和帕尔默干旱 severity 指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI）。岩溶区边界采用World Map of Carbonate Rock Outcrops v3.0。植被类型数据来自GLC_FCS30全球30米土地覆盖产品。研究区域涵盖中国西南8个省级行政区（贵州、广西、湖南、湖北、四川、重庆、云南、广东），面积约55万平方公里。主要技术方法包括：应用TIMESAT中Savitzky-Golay滤波平滑EVI时间序列，采用动态阈值法提取物候参数（SOS阈值为季节性EVI振幅的20%，EOS为50%，LOS为二者间隔）；采用普通最小二乘回归和约化主轴回归分析年际趋势与异常放大；采用Theil-Sen中值斜率结合Mann-Kendall非参数检验进行时空趋势分析；采用随机森林-SHAP进行驱动因子归因；采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）揭示地质背景的调控路径。

**四、研究结果**

**（一）植被类型特异性EVI季节性动态。** 研究人员考察了2001–2022年间六种主要木本植被类型的季节EVI轨迹，所有植被类型均表现出可辨识且时间一致的季节性动态，即使在常绿阔叶林中也是如此，证实研究区域具备提取物候的明确季节信号。落叶阔叶林和混交林的年内EVI波动强于常绿林和灌木林，且大多数植被类型的季节峰值EVI在研究期内逐渐上升。

**（二）岩溶与非岩溶地区植被物候的时空格局。** 多年平均空间格局（2001–2022年）显示两种地貌均存在显著空间异质性。SOS主要介于DOY 60–120之间，最早出现于滇南-桂南及沿海低地，最晚出现于川西高原和横断山脉等高海拔地区；EOS集中于DOY 260–320之间，南部河谷结束较晚，西北高山地区结束较早；LOS主要介于180–240天之间，东南岩溶槽谷区和粤桂南部低地较长，西北高海拔边缘明显较短。总体而言，两个区域的物候格局由纬度、经度和海拔梯度共同塑造。

**（三）岩溶与非岩溶地区的趋势与年际放大。** 2001–2022年间，两个区域均表现为SOS提前、EOS推迟和LOS延长，但幅度不同。岩溶区SOS提前更快（-0.293天/年），LOS延长更强（0.315天/年，P<0.05），而EOS趋势在两个区域均较弱。年际尺度上，岩溶区SOS、EOS和LOS的异常放大斜率分别为1.280、1.256和1.164，表明岩溶植被物候对气候变异的响应分别放大了28.0%、25.6%和16.4%。这种放大呈不对称性，在SOS延迟年份和LOS缩短年份，岩溶与非岩溶的异常差异更显著，表明岩溶植被在不利年份表现出更强的响应。

**（四）岩溶与非岩溶地区植被物候的时空趋势空间格局。** 空间上，岩溶区SOS提前像元比例（59.09%）和显著提前像元比例（10.04%）均高于非岩溶区（54.70%和5.71%），主要集中于黔南、桂西北和滇东南石漠化区域。EOS表现为进退趋势大致平衡，岩溶区显著推迟集中于滇东南和黔西南。LOS延长在岩溶区空间上更为广泛（53.05%和7.23%），与非岩溶区（51.69%和5.74%）相比更为显著，与SOS格局相呼应。

**（五）植被物候主导气候驱动因子的空间分异。** 像元级随机森林-SHAP分析显示，气候对植被物候的控制呈强烈方向性。对于SOS，提前（负效应）类别占优势，岩溶区占69.8%的像元，而非岩溶区为58.0%。负温度效应是最广泛的类别（岩溶28.6%，非岩溶22.1%），主要分布于黔中东部、重庆、湘西和鄂西南；负PDSI效应次之（16.0%和12.4%），集中于滇黔高原中东部、川东和桂西北。非岩溶区则呈现更高比例的延迟（正效应）类别，尤其是正降水和正PDSI效应。对于EOS，驱动结构较为分散，负效应类别在岩溶和非岩溶区比例相近（52.9%和52.8%）。对于LOS，正效应类别占优，尤其在岩溶区（58.8%和52.1%），正温度为最广泛类别，正土壤湿度和正PDSI效应在滇东南、黔中、黔中至渝南过渡带和桂中呈明显空间聚集，集中于岩溶石漠化治理优先区，表明岩溶区生长季延长更依赖于有利的水分条件。

**（六）地质背景对植被物候的调控效应。** Spearman相关分析显示，地质背景与物候指标的直接关联较弱（SOS: ρ=-0.069, EOS: ρ=-0.054, LOS: ρ=-0.032），但与水分指标显著负相关，尤其与PDSI（ρ=-0.250, P<0.001）和年均土壤湿度（ρ=-0.230, P<0.001）的相关性最强，而与年降水量的相关性可忽略（ρ=-0.001, P>0.05），表明岩溶基质通过限制土壤水分保持和加剧干旱胁迫间接调节物候，而非直接的岩性强迫。

PLS-PM进一步分解了控制物候变化的因果路径，三个模型拟合均可接受（GOF: 0.558–0.575; R2: 0.325–0.431）。地理区位通过热力、水分和辐射条件间接影响物候，对热力条件的路径系数最强（-0.924至-0.928, P<0.01）；干旱胁迫主要由水分条件调节（0.552–0.569, P<0.01）。物候指标对各驱动因子的响应各异：SOS提前受辐射促进（0.591, P<0.01）而受水分抑制（-0.302, P<0.01）；EOS推迟由辐射（0.390, P<0.01）和热力条件（0.289, P<0.01）驱动；LOS延长受热力条件促进最强（0.453, P<0.01），水分条件亦有贡献（0.357, P<0.01）。这些结果证实，地理区位通过区域水热梯度主导物候变异，而岩溶地质背景通过限制水分可利用性和加剧干旱胁迫约束物候响应。

**五、讨论与结论**

讨论指出，岩溶区显著提前的SOS像元比例近乎为非岩溶区的两倍（10.04%对5.71%），聚集于黔南、桂西北和滇东南石漠化治理优先区，这不仅反映了区域气候变暖，也可能与二十年来岩溶区石漠化生态修复有关。岩溶区生长季延长主要由春季返青提前驱动而非秋季衰老推迟。岩溶植被物候表现出更强的气候敏感性，尤其在不利年份呈不对称放大，这可能与岩溶关键带有限的水分储存能力有关——碳酸盐岩裂隙、落水洞和基岩裂缝形成优先流路径，地表径流通常不足降水的5%，浅层表层岩溶带对干旱的响应远快于深层饱和带。尽管增温通常促进春季物候提前，但增温引起的大气饱和水汽压差和蒸发需求增加可能加剧干旱，而这种水分限制在岩溶生态系统中尤为突出。研究局限性包括：统一动态阈值可能在不同植被类型间引入不确定性；500米空间分辨率难以完全解析岩溶地形的精细空间异质性；温度与水分可利用性之间的交互作用未明确量化；人类活动（如石漠化治理和造林）效应难以从气候驱动的物候信号中完全分离。未来研究应采用植被类型特异性动态阈值、结合更高分辨率卫星影像和地面物候观测，并进一步检验热力条件与水分可利用性的协同调节机制。

**结论** 总体而言，研究结果表明，尽管岩溶植被面临薄而不连续的土壤和高度透水的基岩等不利栖息地条件，但其物候响应仍强于非岩溶植被。这种响应反映了热力与水分因子的耦合，而非单一气候驱动因子的作用。地质控制通过水分限制和干旱胁迫间接发挥作用，而非直接通过岩性本身；岩溶与非岩溶地区物候差异源于区域水热梯度与水分介导的基岩效应的相互作用。在持续气候变化下，中国南方岩溶景观的植被物候可能对气候扰动更为脆弱，这对生态系统恢复力具有潜在影响。这些发现为岩溶地区的物候建模和气候适应性生态恢复提供了有价值的参考。