《Ecology and Evolution》：Satellite-Derived NDVI Predicts Forage Availability in a Wild Ungulate System: Ground-Truthing Using Field-Collected Vegetation Biomass
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卫星衍生植被指数为量化长期生态研究中的生境变异提供了强大手段，但其作为野生食草动物种群牧草可用性的代理指标的可靠性仍有待深入探索。研究人员利用1991年至2023年三十年的Landsat卫星图像，为苏格兰朗姆岛（Isle of Rum，野生红鹿长期研究对象所在
卫星衍生植被指数为量化长期生态研究中的生境变异提供了强大手段，但其作为野生食草动物种群牧草可用性的代理指标的可靠性仍有待深入探索。研究人员利用1991年至2023年三十年的Landsat卫星图像，为苏格兰朗姆岛（Isle of Rum，野生红鹿长期研究对象所在地）生成了30米分辨率的年度植被绿色度代理指标——归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）。研究人员将NDVI数据与从石灰岩草地（鹿类偏好的生境）采集的活体植被生物量数据进行地面真实验证，并将其与分辨率较粗（500米）的MODIS增强植被指数（Enhanced Vegetation Index, EVI）指标进行比较。Landsat NDVI与活体生物量和EVI均呈正相关，支持了其作为牧草可用性衡量标准的生态相关性。过去三十年间，所有三个指标均有所增加，表明存在长期的植被绿色化趋势，其中高分辨率Landsat数据集揭示了不同植被群体（包括鹿类偏好的草地生境）变化率的差异。这些发现表明，随着时间的推移，牧草可用性有所增加，这对朗姆岛的红鹿可能具有重要后果。研究人员的方法提供了一个可转移的框架，用于将卫星数据与基于个体的野外研究相结合，展示了遥感如何增强长期野生动物研究的生态推断能力。
植被作为连接气候变化与生态系统功能的关键中介，其动态变化对食草动物的生存、繁殖及种群动态具有深远影响。在生态学研究中，利用卫星遥感技术获取大尺度、长时序的植被指数已成为监测环境变异的重要手段，其中归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）因能反映植被绿色度和覆盖度而被广泛应用。然而，NDVI作为一个间接指标，其作为牧草可用性代理变量的可靠性在很大程度上仍存疑。这主要源于NDVI无法区分植物种类偏好，也不能直接反映植被的质量或数量，且其信号易受大气条件、土壤背景及植被结构的影响。此外，尽管许多研究依赖于卫星衍生指数，但鲜有研究将其与实地植被测量数据进行严格的地面真实验证（ground-truthing），限制了其生态解释力。特别是在长期生态研究中，如何将高分辨率的遥感数据与长期的个体水平生态数据进行整合，以揭示环境变化对野生动物种群的影响，仍是一个亟待解决的科学问题。鉴于此，研究人员开展了这项研究，旨在验证卫星遥感NDVI在反映野生食草动物牧草可用性方面的可靠性，并利用长期积累的数据资源，深入探讨朗姆岛（Isle of Rum）植被的绿色化趋势及其生态意义。该研究发表于《Ecology and Evolution》。
为了开展本研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用美国地质调查局（USGS）提供的Landsat 5、7和8卫星影像数据，通过Google Earth Engine平台和LandsatTS R包，对1991年至2023年期间的遥感数据进行预处理，包括云掩膜、几何校正、表面反射率提取以及跨传感器交叉校准，以消除不同卫星传感器间的光谱响应差异，确保时间序列的一致性；其次，采用三次样条插值法（cubic spline fitting）对植被物候进行拟合，提取年度最大归一化植被指数（NDVIMax）以消除成像时间差异带来的季节偏差；再次，利用从朗姆岛北区块石灰岩草地（calcareous grassland）采集的长期现场植被生物量数据（1987年至今，每年3月至11月定期采集，计算6月和7月的平均活体生物量）作为地面真实验证数据，通过线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Models, LMMs）分析NDVIMax与实地生物量之间的关联；最后，引入MODIS卫星数据的增强植被指数（Enhanced Vegetation Index, EVI）作为独立参考，比较其时空变化趋势，以进一步验证Landsat数据的可靠性及长期趋势。样本队列来源于苏格兰朗姆岛北区块的石灰岩草地植被监测样点，该区域是野生红鹿（Cervus elaphus）的主要觅食生境。
研究结果部分详细阐述了遥感数据与实地测量数据的一致性验证及长期趋势分析。在“3.1 Landsat NDVIMax vs. Live Biomass”中，研究人员发现NDVIMax与6月和7月的活体生物量之间存在显著的正相关关系，表明Landsat遥感数据能够捕捉到石灰岩草地上具有生物学意义的植被生物量变异，证实了NDVI作为该生境牧草可用性代理指标的有效性。在“3.2 Landsat NDVIMax vs MODIS EVIAmp”中，结果显示Landsat NDVIMax与MODIS EVI振幅（EVIAmp）之间存在显著正相关，且这种关联既源于像素间的空间差异，也源于年际间的时空波动，进一步支持了Landsat数据处理流程的稳健性。在“3.3 Temporal Trend in Live Biomass”中，长期实地数据显示，石灰岩草地的平均活体生物量随年份呈现显著上升趋势，年均增加约1.8克/平方米，表明植被生产力在长期尺度上有所提高。在“3.4 Temporal Trend in MODIS EVIAmp”中，MODIS数据显示EVIAmp随时间显著增加，证实了研究区域整体植被绿色度的提升，但未发现生长季峰值物候（以EVI成熟度天数EVIMaturityDOY为代理）发生显著变化。在“3.5 Temporal Trends in Landsat NDVIMax”中，基于Landsat数据的分析揭示了植被绿色化趋势在不同植被群体间存在异质性。虽然整体呈现绿色化趋势，但湿草地（Wet grassland）的绿色化速率显著高于酸草地（Acid grassland，参考组），而泥炭沼泽（Blanket bog）和湿石楠荒原（Wet heath）的绿色化速率较慢甚至呈现负交互效应，表明植被响应具有明显的生境依赖性。
讨论部分深入探讨了遥感验证的生态意义及方法学启示。研究人员指出，其地面真实验证结果与既往研究一致，强调了在将NDVI用作牧草可用性代理指标时进行实地验证的必要性，并突显了本研究长达三十年的生物量数据在提供长期趋势验证方面的独特价值。研究证实，尽管NDVI与生物量的关系具有生境依赖性，但在鹿类偏好的石灰岩草地中，遥感数据能可靠地反映植被变化。此外，研究发现的长期植被绿色化趋势，特别是鹿类偏好生境的显著绿色化，为红鹿种群物候变化（如产犊日期提前）提供了潜在的生态机制解释，即食物资源的增加可能改善了鹿的体况，从而促进了繁殖周期的提前。然而，研究人员也指出了当前研究在物候趋势检测上的局限性，主要归因于高纬度地区云覆盖导致的数据缺失以及传感器故障造成的时空数据不连续，使得基于NDVI的精确物候提取存在挑战。讨论还强调了跨传感器校准在维持长期遥感时间序列一致性中的关键作用，认为严谨的方法学处理是确保生态推断可信度的前提。
结论部分总结道，过去三十年来，朗姆岛的峰值植被绿色度显著增加，这一趋势在两种卫星系统及地面长期植被数据中均得到证实。植被可用性的总体增加，特别是鹿类偏好生境（如酸草地和湿草地）的绿色化，可能对红鹿的觅食条件产生积极影响。本研究通过将遥感NDVI数据与温带草地的实地植被测量数据进行地面真实验证，为野生种群研究中广泛使用的卫星衍生植被指标提供了罕见的验证依据，增强了长期遥感数据的生态相关性信心。Landsat数据的高空间分辨率（30米）使得在个体水平上分析生境时空变异对鹿类生活史特征的影响成为可能。该方法论框架为未来将卫星遥感与长期野外生态研究相结合提供了可复制的蓝图，有助于深入理解生态系统对环境变化的响应。
