植物物候研究进展

植物物候直接反映了气候变化的影响,是植被动态模拟的关键.在遥感和模型技术的推动下,植物物候与全球变化关系的研究日益受到人们的关注.文中从植物物候与环境因子的相互关系、植物物候对全球变化的响应以及植物物候的遥感监测方面,综合论述了植物物候的研究进展,找出植被物候研究的不足,进而提出未来植被物候的研究方向.     

洞庭湖流域植被光合物候的时空变化及其对气候变化的响应

为研究洞庭湖流域植被春季光合物候和秋季光合物候的时空变化,揭示其对气候变化的响应规律,为亚热带植被物候模型的建立和碳收支评估提供有益参考,该研究利用2000–2018年的日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感数据反演洞庭湖流域植被春季光合物候(春季光合作用开始的时间)和秋季光合物候(秋季光合作用停止的时间),分析植被春季、秋季光合物候的时空变化趋势及其对气候变化的响应机制。研究结果:(1) 2000–2018年,洞庭湖流域植被春季光合物候以0.75 d·a–1的速度显著提前,秋季光合物候以0.17d·a–1的速度呈延后趋势,植被生长季长度以0.90d·a–1的速度显著延长;(2)季前最高气温和最低气温是研究区春季光合物候提前的主要影响因素,秋季光合物候与季前降水量、最低气温、辐射强度均呈正相关关系,而与季前最高气温主要呈负相关关系;(3)研究区植被春季光合物候对气候变化的响应更敏感,尤其是季前最低气温的升高导致常绿针叶林、常绿阔叶林、灌丛和草地的春季光合物候显著提前。洞庭湖流域植被春季光合物候提前对生长季延长起主导作用,这表明在气候变暖的背景下,植被春季光合物候对增强研究区碳汇功能扮演着比秋...     

东北地区植被物候时序变化

植被与气候的关系非常密切,植被物候可作为气候变化的指示器。东北地区位于我国最北部,是气候变化的敏感区域,研究该区植被物候对气候变化的响应对阐明陆地生态体统碳循环具有重要意义。利用GIMMS AVHRR遥感数据集得到了东北地区阔叶林、针叶林、草原和草甸4种植被25a(1982—2006年)的物候时序变化,得出4种植被春季物候都表现出先提前后推迟的现象,秋季物候的变化则比较复杂,阔叶林和针叶林整体上呈现出秋季物候推迟的趋势,草原和草甸则表现为提前-推迟-提前的趋势。应用偏最小二乘(Partial Least Squares)回归分析了该区域植被物候与气候因子之间的关系,结果表明:春季温度与阔叶林、针叶林和草甸春季物候负相关,前一年冬季温度与草原春季物候正相关,降水与植被春季物候的关系有点复杂;4种植被秋季物候与夏季温度均呈正相关,除草原外,其余3种植被秋季物候均与夏季降水负相关。植被春季物候可能主要受温度影响,而秋季物候很可能主要受降水控制。     

植被覆盖度和物候变化对典型黑沙蒿灌丛生态系统总初级生产力的影响

气候变化和人类活动是植被生产力年际尺度变化的重要驱动因素, 明晰二者对植被生产力的共同影响对于生态系统可持续管理至关重要。气候变化可能导致植被物候变化, 进而影响植被生产力。目前尚不清楚毛乌素沙地典型植被物候如何响应气候变化, 并因此影响生态系统总初级生产力(GPP)。此外, 植被恢复(覆盖度增加)和物候变化对GPP的共同影响有待明确。该研究选取典型黑沙蒿(Artemisia ordosica)灌丛生态系统, 结合MODIS遥感数据与涡度相关数据, 利用植被光合模型(VPM), 模拟并分析了2005-2018年间植被覆盖度和物候变化对GPP的影响。结果表明: (1) VPM模型能够较好地模拟涡度相关法观测的GPP动态(GPP_Flux), 而MODIS遥感产品(MOD17A2H)则显著低估GPP_Flux; (2)研究期内年均归一化差异植被指数(NDVI)、最大NDVI (NDVI_max)和年总GPP均显著增加, 表明植被恢复促进了植被生产力增加; (3)基于NDVI和GPP日序列估算的生长季开始日期显著提前(2.1 d·a^-1), 生长季结束日期显著推迟(1.5 d·a^-1), 二者共同促使生长季长度延长(3.6 d·a^-1); (4)物候期延长促进了GPP增加, 生长季长度每延长1天, 全年GPP显著增加6.44 g C·m^-2·a^-1; (5)植被覆盖度增加和生长季延长分别可以解释79%和57%的GPP增加; (6)尽管植被覆盖度和物候变化均促进GPP增加, 但前者是其增加的主要驱动因素。鉴于植被覆盖度增加和生长季延长也可能导致生态系统呼吸和蒸散发增加, 未来研究仍需探究生态系统碳汇能力、水分利用效率和水分承载力对气候变化和人类活动的响应。此外, 该研究主要探讨GPP在年际尺度的变化趋势及影响因素, 未来需要研究GPP的年际变异规律及驱动因素, 尤其是对降水年际变异和极端干旱事件的响应。     

遥感反演植被含氮量研究进展

植被含氮量表征植被氮素状态。它作为植被生长状况的重要指标,在生态系统健康状况检测、生态系统生产估测、精准农业、生态系统干扰评估等方面均有重要意义。遥感监测植被含氮量主要基于高光谱和多光谱数据,采用的算法包括经验方法(波谱指数与回归分析)及物理方法(辐射传输模型法)。但受数据源和研究方法的局限,目前植被氮含量遥感监测局限于区域范围较小且内部植被类型与环境条件(气候、地形等)基本一致的情形,而对复杂生态系统的监测能力不足。未来的研究需针对氮沉降和人类活动的生态系统响应这一重大研究需求,发展和改进现有植被含氮量遥感反演方法。可考虑开展对不同环境条件下、不同类型植被光谱曲线进行标准化的研究,以形成普适的植被含氮量反演方法。并考虑综合运用多种数据(如微波遥感、无人机遥感),形成多尺度同步监测,以提高遥感对区域乃至全球范围内植被氮含量常规监测的能力。     

藏北高原植被物候时空动态变化的遥感监测研究

利用遥感数据提取的植被物候格局及时空变化特征能很好地反映区域尺度上植被对全球变化的响应。目前关于青藏高原地区植被物候的少量报道基本上是基于物候站点的观测记录展开分析的。该文基于非对称高斯拟合算法重建了藏北高原2001-2010年的MODIS EVI (增强型植被指数)时间序列影像, 然后利用动态阈值法提取整个藏北高原2001-2010年植被覆盖的重要物候信息, 包括植被返青期、枯黄期与生长季长度, 分析了植被物候10年间平均状况的空间分异特征以及年际变化情况, 并结合站点观测记录分析了气温和降水对植被物候变化的影响, 结果表明: (1)藏北高原植被返青期在空间上表现出从东南到西北逐渐推迟的水平地带性与东南高山峡谷区的垂直地带性相结合的特征, 近60%区域的植被返青期提前, 特别是高山地区; (2)植被枯黄期的年际变化不太明显, 大部分地区都表现为自然的年际波动; (3)生长季长度的时空变化特征由植被返青期和枯黄期二者决定, 但主要受返青期提前影响, 大部分地区生长季长度延长; (4)研究区内不同气候区划植被物候的年际变化以那曲高山谷地亚寒带半湿润区和青南高原亚寒带半干旱区的植被返青期提前和生长季延长程度最为明显; (5)基于气象台站数据分析气候变化对物候的影响发现, 返青期提前及生长季延长主要受气温升高的影响, 与降水的关系尚不明确。     

青藏高原草地生态系统对气候变化的响应

青藏高原高寒草地生态系统对气候变化高度敏感,其如何响应和反馈气候变化一直以来受到极大关注.本文系统综述了近5年来有关青藏高原草地生态系统在物候、生产力、碳循环等方面对气候变化的响应过程以及应对气候变化的适应性管理的最新研究成果,发现气候变化对高寒草地生态系统的诸多影响还存在很大的不确定性.多数研究结果表明,增温使高寒草甸的植被物候提前和初级生产力水平提高,而高寒草原有相反的影响趋势,说明不同地域、不同群落类型对不同季节温度变化的响应模式不同.而气候变化对物种多样性和碳循环有关过程的影响结果尚没有一致的结论,时空尺度和方法上的差异可能是导致不同结果的主要原因.因此,建议在增强时空异质性的响应与反馈研究的同时,更需要加强生态过程和机理的研究.     

植物物候学研究进展

植物物候变化在研究陆地生态系统对气候变化的响应时被誉为"矿井中的金丝雀"，全球气候变化愈演愈烈，重新引起了人们对植物物候研究的广泛关注。随着观测技术的发展，在各种空间和生态尺度上收集到的物候观测数据迅速累积，尽管已经在多个尺度上（物种、群落和景观尺度）观察到物候变化，但物候变化的机理仍然没有得到很好的理解。回顾了国内外植物物候研究的发展历程；总结了物候数据收集技术进展和全球物候变化的主要趋势；归纳了植物物候变化的机理与驱动因素；探讨了物候模型研究及物候对气候变化响应研究的主要方向。随着物候观测技术在不同尺度上应用的增加，物候研究进入了一个新的阶段。未来物候研究需要制定跨区域标准化观测指南，融合所有相关学科，改进物候模型，拓展研究区域；同时融合有效的历史物候资料，采用新技术和长期收集的物候数据为大数据时代植物物候学研究提供基础。     

黄土高原植被物候变化及其对季节性气候变化的响应

受气候变化影响,全球范围内植被物候发生了显著变化,而目前针对不同植被分区类型下（荒漠草原区、典型草原区、森林草原区、落叶栎林区、落叶栎林亚区）植被物候变化及其对季节性气候变化响应的研究尚少。因此基于MODIS遥感归一化差值植被指数（MODIS NDVI：MOD13Q1）数据、中国植被区划数据及135个气象站点插值数据,利用Sen''s斜率估计、Hurst指数和高阶偏相关分析等方法,研究黄土高原2001-2018年植被物侯变化及其对季节性气候变化的响应。结果表明：（1）黄土高原植被生长季始期（SOS,Start of Growing Season）主要集中在第96-144天,子植被分区由西北向东南方向,逐渐呈现提前趋势,71.0%的像元植被SOS整体提前0-2 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间66%的像元植被SOS继续呈现提前趋势;植被生长季末期（EOS,End of Growing Season）主要集中在第288-304天,各子植被分区植被EOS变化基本保持一致,87.6％的像元植被EOS整体延迟0-3 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间有80%的像元植被EOS继续呈现推迟趋势。（2）黄土高原植被SOS主要受各季节温度的影响;当年春季降水导致植被SOS提前,主要分布在黄土高原中部;上年夏季和上年秋季降水增加会导致植被SOS推迟;当年春季、上年秋季和年初冬季的温度升高均会导致植被SOS提前;各子植被分区植被SOS对不同季节降水的响应存在差异,而对不同季节温度的响应具有一致性。（3）黄土高原植被EOS主要受各季节降水和秋季温度的影响;不同季节降水增加均会导致大部分植被EOS推迟;当年秋季温度导致整体区域植被EOS推迟,且各子植被区植被EOS对当年秋季温度响应具有一致性。该研究可为大尺度植被物候影响因素提供新的认识,也为植被适应未来气候变化提供借鉴。     

基于日光诱导叶绿素荧光的北半球森林物候研究

植被物候是反映植被生长规律的重要指标, 对气候的反馈具有重要意义。日光诱导叶绿素荧光(SIF)通过复杂的能量耗散机制与光合作用相关联, 提供了从空间直接探测大范围植被物候的可能性。为了探究气候变化背景下SIF反演不同森林类型物候的适用性, 该文以北半球35个全球通量网(FLUXNET)森林站点为研究对象, 利用2007-2014年SIF值和总初级生产力(GPP)通过双逻辑生长模型和动态阈值法来估算3种典型森林类型的物候, 并采用相关性分析等方法评价SIF在估算不同森林类型物候时的差异性。主要结果为: 1) SIF对生长季开始时间(SOS)的估算精度高于生长季结束时间(EOS); 2) SIF能够更准确地估算混交林(MF)的SOS, 但是不能精确追踪落叶阔叶林(DBF)和常绿针叶林(ENF)的SOS; 3)春季季前短波辐射是驱动SOS的主要气候因素。综上, 建议在将来的研究中将SIF数据与其他遥感指数整合, 应用于不同植物类型的物候监测。     

A systematic review of vegetation phenology in Africa

The study of vegetation phenology is important because it is a sensitive indicator of climate changes and it regulates carbon, energy and water fluxes between the land and atmosphere. Africa, which has 17% of the global forest cover, contributes significantly to the global carbon budget and has been identified as potentially highly vulnerable to climate change impacts. In spite of this, very little is known about vegetation phenology across Africa and the factors regulating vegetation growth and dynamics. Hence, this review aimed to provide a synthesis of studies of related Africa's vegetation phenology and classify them based on the methods and techniques used in order to identify major research gaps. Significant increases in the number of phenological studies in the last decade were observed, with over 70% of studies adopting a satellite-based remote sensing approach to monitor vegetation phenology. Whereas ground based studies that provide detailed characterisation of vegetation phenological development, occurred rarely in the continent. Similarly, less than 14% of satellite-based remote sensing studies evaluated vegetation phenology at the continental scale using coarse spatial resolution datasets. Even more evident was the lack of research focusing on the impacts of climate change on vegetation phenology. Consequently, given the importance and the uniqueness of both methods of phenological assessment, there is need for more ground-based studies to enable greater understanding of phenology at the species level. Likewise, finer spatial resolution satellite sensor data for regional phenological assessment is required, with a greater focus on the relationship between climate change and vegetation phenological changes. This would contribute greatly to debates over climate change impacts and, most importantly, climate change mitigation strategies.     

物候模型研究进展

近年来随着全球气候变暖,物候提前,物候学的研究越来越受到人们的关注.通过建立物候模型使物候期的预知成为可能,从而为生产实践活动提供依据和指导.本文探讨了物候模型研究的意义,总结了影响植物和昆虫物候的温度、水分、光和养分等主要环境因子的作用.根据国内外物候模型的研究现状,重点介绍了作物、树木、植被和昆虫4类物候模型的研究内容和进展.作物物候模型注重生理生态过程;树木物候模型以统计方法为主,但近期也有尝试将激素水平作为物候的决定因素;植被物候模型以遥感技术的应用为发展趋势;昆虫物候模型则进一步对发育起点的确定和对温度因子的修正,GIS的引入将昆虫物候模型的应用范围扩大.最后指出了目前物候模型研究中存在的问题.     

Remote sensing for lake research and monitoring – Recent advances

Lakes are important ecosystems providing various ecosystem services. Stressors such as eutrophication or climate change, however, threaten their ecological functions. National and international legislations address these threats and claim consistent, long-term monitoring schemes. Remote sensing data and products provide synoptic, spatio-temporal views and their integration can lead to a better understanding of lake ecology and water quality. Remote sensing therefore gains increasing awareness for analysing water bodies. Various empirical and semi-analytical algorithms exist to derive remote sensing indicators as proxies for climate change or ecological response variables. Nevertheless, most monitoring networks lack an integration of remote sensing data. This review article therefore provides a comprehensive overview how remote sensing can support lake research and monitoring. We focus on remote sensing indicators of lake properties, i.e. water transparency (suspended particulate matter, coloured dissolved organic matter, Secchi disc depth, diffuse attenuation coefficient, turbidity), biota (phytoplankton, cyanobacteria, submerged and emerged aquatic vegetation), bathymetry, water temperature (surface temperature) and ice phenology (ice cover, ice-on, ice-out). After a brief background introducing principles of lake remote sensing we give a review on available sensors and methods. We categorise case studies on remote sensing indicators with respect to lake properties and processes. We discuss existing challenges and benefits of integrating remote sensing into lake monitoring and ecological research including data availability, ready-to-use tools and accuracies.     

基于多种遥感植被指数、叶绿素荧光与CO2通量数据的温带针阔混交林物候特征对比分析

植被物候学作为研究植被与环境条件相互作用的科学,在全球气候变化的大背景下已成为国际热点研究领域,其中森林植被在调节全球碳平衡、维护全球气候稳定的过程中有着至关重要的作用。随着遥感技术的发展,多种遥感指数被应用到森林植被物候研究中,其中以MODIS NDVI和EVI应用最为广泛,而叶绿素荧光(SIF)作为植被光合作用的"探针"也被广泛应用于森林植被物候研究中。为了探究3种指数在森林植被物候研究中的差异与特性,本文以长白山温带红松阔叶林通量观测站为研究区域,采用模型拟合结合动态阈值法提取2007—2013森林物候特征参数,并使用通量数据(总初级生产力GPP)进行验证。结果表明:NDVI与EVI、SIF相比,表现为生长季开始时间与结束时间的明显提前和滞后,与GPP数据偏差较大,且夏季生长季峰期曲线形态过宽且平坦,无法较好反映生长季变化特征;EVI相较于NDVI有所改善,整体变化趋势与SIF、GPP基本吻合,但依然存在秋季衰减时间稍迟于SIF与GPP的问题;SIF虽然存在夏季骤降现象,但依然与GPP数据一致性最好,可以较好反映出森林植被季节变化特征。SIF数据与植被光合作用的紧密关联使其在植被物候研究中具有优于植被指数的准确性,并随着遥感平台的增加和反演方法的改善,将会在多尺度、多类型的植被物候监测中发挥更加重要的作用。     

Deciduousness in tropical trees and its potential as indicator of climate change: A review

In tropical forests, deciduousness is an outcome of integrated effect of drought, tree characteristics and soil moisture conditions and thus it is a reliable indicator of seasonal drought experienced by different tree species. Variations in the deciduousness are associated with several ecophysiological characteristics, such as varying allocation pattern of metabolic products, resource capture and conservation, water relations and stem water storages, annual carbon sequestration, timing of reproductive event initiation, extent of separation of vegetative and reproductive events and leaf strategies, and it helps in maintenance of water balance and protection of tree organs during the seasonal drought. Tropical forests support mosaics of tree functional types showing marked differences in the duration of deciduousness (from leaf exchanging to >8 months deciduous), as a result of varying degree of water stress experienced by physiognomy, distribution and wood anatomy of tropical trees. Wide variations in deciduousness in the same species growing at different sites suggest the high sensitivity of tropical trees to small changes in growing habitat. In the present review we have explored the ecological significance of deciduousness in tropical trees with emphasis on: (a) inter- and intraspecies plasticity in deciduousness, (b) various capacity adaptations related with the duration of deciduousness, (c) relationship between tree stem water status and deciduousness, and (d) probable effect of impending climate change on tropical trees. An attempt has also been made to establish deciduousness as climate change indicator in the dry tropics. There is need to develop capabilities to detect and predict the impact of climate change on deciduousness through long-term phenological network in tropics. Remote sensing techniques can generate valuable ecological information such as leaf level drought response and phenological patterns. Deciduousness has the potential to emerge as an important focus for ecological research to address critical questions in global modeling, monitoring, and climate change.     

利用控制实验研究植物物候对气候变化的响应综述

物候是植物在长期适应环境过程中形成的生长发育节点。长时间地面物候观测数据表明,近50年全球乔木、灌木、草本植物的春季物候期受温度升高、降水与辐射变化等影响,以每10年2 d到10 d的速率提前。但因植物物候响应气候因子的机制仍不清楚,导致对未来气候变化情景下的植物物候变化预测存在较大的不确定性。在此背景下,控制实验成为探究气候因子对植物物候影响机制的重要手段。综述了物候控制实验中不同气候因子（温度、水分、光照等）的控制方法。总结了目前为止控制实验在植物物候对气候因子响应方面得到的重要结论,发现植物春季物候期（展叶、开花等）主要受冷激、驱动温度与光周期的影响,秋季物候期（叶变色和落叶）主要受低温、短日照与水分胁迫的影响。提出未来物候控制实验应重点解决木本植物在秋季进入休眠的时间点确定、低温和短日照对木本植物秋季物候的交互作用量化、草本植物春秋季物候的影响因子识别等科学问题。     

近地遥感在森林冠层物候动态监测中的应用

近地遥感技术是原位观测森林冠层物候的重要手段,具有高时间分辨率的优点,而且空间尺度适中,是实现物候尺度推绎的有力工具.本研究首先评述了利用3种光学传感器(辐射表、光谱仪和数码相机)监测森林物候的近地遥感方法;结合帽儿山通量观测站的实测数据分析识别物候期的不确定性来源,发现最重要的误差来自物候提取方法;剖析近地遥感与其他物候观测方法的衔接以及该技术自身存在的问题.最后提出该领域的重点研究方向: 加强冠层光学(或冠层结构)物候与功能(生理、生态过程)物候的联系;整合各区域冠层物候观测网络,实现冠层尺度的全球物候联网观测与数据共享;充分发挥近地遥感的优势,整合多源多尺度物候数据;发展近地遥感物候模型,改进动态全球植被模型中物候模拟.     

祁连山不同植被类型的物候变化及其对气候的响应

基于1982—2006年GIMMS NDVI和2000—2014年MODIS NDVI遥感数据,利用double logistic拟合方法提取了1982—2014年祁连山区不同植被的生长季始期、生长季末期和生长季长度3个重要的物候参数,分析了不同植被物候期的时间变化趋势、空间分异特征及对气候因子的响应。结果表明:(1)祁连山区不同植被的生长季始期和生长季末期随年际变化表现出波动提前或推迟,其中沼泽植被的变化波动最大;草甸植被、灌丛植被、阔叶林植被和栽培植被生长季长度出现延长趋势;(2)祁连山区植被生长季始期集中在5月初,其中阔叶林植被生长季开始最早,荒漠植被生长季开始最晚,植被生长季末期集中在9月,栽培植被生长季结束较早,荒漠植被、沼泽植被生长季结束较晚,植被生长季长度集中在110—140 d,其中阔叶林植被、针叶林植被生长季长度较长,而荒漠植被、高山植被生长季长度较短;(3)祁连山植被物候期变化趋势的空间分布表明植被生长季始期、生长季末期主要表现为提前不明显和推迟不明显,生长季长度主要表现为缩短不明显和延长不明显;(4)物候要素与气候要素相关性表明前期温度的积累有利于植被的开始生长,但当年3月的降水量对植被生长季始期同样有重要作用,不同植被生长季末期与8月、9月温度相关性较大,而与10月、11月降水的相关性较大。